Motoare termice

            Un motor termic este maşina termică motoare ce are proprietatea de a transforma căldura. Acesta lucrează pe baza unui ciclu termodinamic,  realizat fiind cu ajutorul unui fluid. Acest fluid poate fi benzină, motorină, alcool etc.

            Conform celui de-al doilea principiu al termodinamicii, entropia unui sistem poate doar să crească, deci doar o parte a căldurii preluate de la sursa de căldură(sursa caldă) e transformată în lucru mecanic, în timp ce restul căldurii e transferat unui sistem cu o temperatură mai mică(sursa rece).

Istorie

            Încă din al doilea veac i.e.n, un învăţat din Alexandria remarcă forţa de expansiune a vaporilor, fapt ce duce la constrirea unei turbine cu reacţii. Invenţia însă e dată uitării pentru că reacţiile de producţie nu erau favorabile unei aplicaţii largi.

            Mult mai târziu, Demis Papiu studiază problema, construieşte o maşină cu vapori şi o instalează pe o corabie. Apa fierbea într-un cazan închis, vaporii treceau printr-un cilindru ce împingea un piston, şi mişcarea acestuia se comanda manual prin deschiderea unor robinete. Scoţianul James Watt perfecţionează această maşină cu vapori, aducând-o la modul cum arată astăzi.

            De-a lungul vremii, turbinele cu vapori se dezvoltă, mergând pe o scară din ce în ce mai largă. Vapoprii de abur au masa mai mică decât a apei, fapt care determină o viteză mai mare a acestora în momentul intrării în paletele turbinei (viteza e aproximativ 1 km/s, presiunea e 200 at).

           

Tipuri de motoare termice

Există motor cu ardere externă, sursa de căldură este externă fluidului care suferă ciclul termodinamic ( exemplu: motoarele cu abur, turbinele cu abur, motorul Stirling ) şi motor cu ardere internă, la care sursa de căldură este un proces de combustie suferit de fluidul supus ciclului termodinamic ( exemplu: motorul cu ardere internă cu piston, motorul Wankel, turbina cu gaze, motorul rachetă, statoreactorul şi pulsoreactorul. )

1.      Motorul cu ardere externă

Motorul cu ardere externă (combustie externă) este o maşină termică motoare în care energia internă a agentului termic încălzit de un generator extern sau o sursă externă prin peretele motorului sau schimbătorul de căldură e transformată în lucru mecanic.

1.2. Motorul cu abur

Motorul cu abur e un motor termic cu ardere externă, transformă energia aburului în lucru mecanic. Sub presiune, aburul e produs într-un generator prin fierbere, se destinde dintr-un agregat cu cilindri, unde expansiunea produce lucru mecanic prin deplasarea liniară a unui piston. Această mişcare e transformată în mişcare de rotaţie cu un mecanism bielă-manivelă.

Căldura necesară reiese din arderea unui combustibil sau prin fisiunea nucleară (reacţie în care nucleul se rupe în două sau mai multe fragmente de masă cu aproximaţie egală, neutroni rapizi, radiaţii şi energie termică).

Maşina lui Watt

Aici, aburul trece într-o cameră specială pentru condensare. Cilindrul nu e încălzit şi răcit fapt ce determină pierderi de căldură scăzute. Această maşină era şi destul de rapidă. Pe timpuri, era folosită la locomotive cu abur, maşini cu abur, aspiratoare cu abur şi perii pentru mascarea capului cu abur.

Astăzi, motorul cu abur e de domeniul trecutului. Volkswagen a inventat un astfel de motor, însă modernizat, unde arderea externă produce gaze de ardere foarte puţin toxice. Aurul e introdus în injectoare similare celor ale motorului Diesel.

            Firma Enginion a creat la rândul său un prototip ce lucrează în doi timpi, fără lubrefianţi, deoarece părţile componente sunt făcute din Carbon.

           

1.2. Turbină cu abur

Turbina cu abur e o maşină motoare rotativă ce transformă entalpia aburului (funcţie de stare a unui sistem termodinamic) în energie mecanică folosită apoi al cupla turbinei. Transformarea se face cu palete montate pe motor, ce se rotesc solidar.

Astăzi, turbinele cu abur înlocuiesc motoarele cu abur fiindcă au randament supeior şi raportul putere/greutate mai mare. Mişcarea de rotaţie a turbinelor e bun pentru acţionarea generatoarelor electrice.

            Aburul , cu presiunea şi temperatura ridicate, e destins în palete până la presiune mai mică. Energia aburului devine energie cinetică. Cu viteză uriaşă, acesta schimbă direcţia, ajutat de palete, ceea ce rezultă o forţă ce crează un moment asupra rotorului, care se roteşte cu o viteză unghiulară, livrând cuplei putere sub formă de lucru mecanic în timp.

1.3.  Motorul Stirling

Motorul Stirling e o maşină termică cu aer cald, cu ciclu închis (ceea ce înseamnă că fluidul de lucru e închis într-un spaţiu – sistem termodinamic ) regenerativ ( un schimbător intern măreşte randamentul potenţial al acestui motor ).

Deşi sursa de energie poate fi aredrea unui combustibil, dar şi energia solară sau nucleară, motorul Stirling e inclus în categoria motoarelor cu ardere internă. Acesta funcţionează prin utilizarea sursei de căldură şi a unui radiator, menţinute la temperaturi diferite unul faţă de celălalt.

2.      Motorul cu ardere internă

Acest tip de motor transformă energia chimică a combustibilului prin ardere în energie mecanică. Căldura ce se degajă în camera arderii se transformă în mişcare ciclică, în urmă presiunii puse pe piston. Ulterior, aceasta devine mişcare de rotaţie uniformă, obţinută la arborele cotit. Camera arderii e reactorul chimic unde are loc arderea.

      Căldura se obţine prin arderea combustibilului (benzină, motorină, GPL, combustibili gazoşi, gaz natural sau praf de cărbune). Oxigenul se obţine din atmosferă. Combustibilul, amestecat cu aer, se numeşte amestec carburant.

      Arderea e iniţiată prin contactul direct a amestecului carburant cu o sursă de căldură sau se produce printr-o detonaţie în în tot amestecul. Arderea carburanţilor se face la aproximativ 2000°C.

Motoarele cu ardere internă pot întrebuinţa drept combustibil benzină (au carburator şau pompă de injecţie), motorina (pompă de injecţie), gaz sau gaz natural.

Aceste motoare pot fi atât în patru, cât şi în doi timpi. În patru timpi, adică pistonul face patru curse simple într-un ciclu motor, mişcându-se într-un cilindru închis la un capăt de chiulasă. Această mişcare are loc între două poziţii extreme: punctul mort interior şi cel exterior. În doi timpi, motorul funcţionează pe baza unui ciclu ce se desfăşoară numai în decursul unei rotaţii a arborelui cotit.

            Motoarele au cilindrii aşezaţi în linie, în V, în W, boxer (cu cilindri şi pistoane opuse), înclinaţi vertical, aşezaţi în stea sau cilindrii aşezaţi în delta (Δ).

            Carburantul se produce ori cu formarea în exteriorul cilindrului a amestecului de carburant (în cazul motoarelor cu carburator, injecţie de benzină în conducta de aspiraţie şi a motoarelor cu gaz, cu instalaţie în care amestecul carburant se formează afară), ori cu formarea în cilindru a amestecului (motoarele cu injecţie de combustibil – Diesel – şi motoare cu aprindere prin scânteie şi cu gaz, unde combustibilul gazos e introdus în cilindru printr-o supapă aparte în timpul aspiraţiei.

            După cum se aprinde carburantul, acestea sunt cu aprindere prin scînteie (MAS) şi prin comprimare (MAC, sau motorul Diesel).  

2.1.Motor Wankel

Motor cu ardere internă unde mişcare de rotaţie se obţine nu prin mecanism bielă-manivelă, ci ajutat de un piston rotativ triunghiular. În comparaţie cu motorul cu ardere cu piston, Wankel are compactitate şi vibraţiile sunt mai reduse. Totuşi, are şi un randament mai mic, are un consum mai mare pentru aceeaşi putere furnizată. Emite mulţi poluanţi, are nevoie de instalaţii de denoxare comlpeze, uzinarea şi întreţinera sunt mai scumpe.

2.2.Motorul cu ardere internă cu piston

Pistonul e un organ de maşină cu mişcare rectilinie alternativă într-un cilindru. Aecsta închide spaţiul de voulum variabil al cilindrului, umplut cu aer, amete carburant sau fluid sub presiune.         

Aici, energia se transformă prin piston în lucru mecanic la maşinile motoare  sau invers, la cele generatoare. La maşinile motoare, pistonul e acţionat de energia internă, iar la maşinile generatoare, acesta acţionează doar asupra fluidului sau aerului (compresor, motor hidraulic). Pistonul e, de obicei, cumplat la mecanism bielă-manivelă, ce transformă mişcarea rectilinie în mişcare circulară (motoare) şi invers (la pompe).

2.3.Turbină cu gaze

Turbina cu gaze e o turbină mică, utilizează entalpia unui gaz sau unui amestec pentru a produce o cantitate de energie mecanică necesară la cupla turbinei, prin intermediul paletelor ce se rotesc. Turbina mai e cunoscută şi sub denumirea de instalaţie de turbină cu gaze (ITG).                  Termodinamic, turbina funcţionează similar motorului de automobil. Aerul e luat din atmosferă, trimis de la compresorul ce-l comprimă, se urmează introducerea combustibilului ce se aprinde, apoi arde într-o cameră de ardere. Gazele de ardere se destind în turbina ce extrage lcurul mecanic, apoi sunt evacuate.    

Acesta este un proces continuu, piesele au mişcare de rotaţie. Turbinele de gaz se dezvoltă în aviaţie, dar îşi găsesc aplicaţii şi în multe alte domenii, cel mai modern fiind termocentralele cu cicluri combinate abur-gaz.