Motoarele Termice Si Poluarea Mediului Ambiant

Motor cu ardere externă, la care sursa de căldură este externă fluidului ce suferă ciclul termodinamic: motorul cu aburi, turbina cu abur, motor Stirling

Motor cu ardere internă, la care sursa de căldură este un proces de combustie suferit chiar de fluidul supus ciclului termodinamic:

motorul Otto,motorul Diesel,motorul Carnot ,motor racheta

Statoreactor, pulsoreactor

a. Motorul cu abur este un motor termic cu ardere externă, care transformă energia termică a aburului în lucru mecanic. Aburul sub presiune este produs într-un generator de abur prin fierbere și se destinde într-un agregat cu cilindri, în care expansiunea aburului produce lucru mecanic prin deplasarea liniară a unui piston, mișcare care de cele mai multe ori este transformată în mișcare de rotație cu ajutorul unui mecanism bielă-manivelă. Căldura necesară producerii aburului se obține din arderea unui combustibil sau prin fisiune nucleară.

Motoarele cu abur au dominat industria și mijloacele de transport din timpul Revoluției industriale până în prima parte a secolului al XX-lea, fiind utilizate la acționarea locomotivelor, vapoarelor, pompelor, generatoarelor electrice, mașinilor din fabrici, utilajelor pentru construcții (excavatoare) și a altor utilaje. A fost înlocuit în majoritatea acestor aplicații de motorul cu ardere internă și de cel electric.

Fig. 1Motorul cu abur

Rotorul unei turbine cu abur instalată într-o termocentrală. Direcția de curgere a aburului este de la paletele scurte la cele lungi.

b. Turbina cu abur este o mașină termică rotativă motoare, care transformă entalpia aburului în energie mecanică disponibilă la cupla turbinei. Transformarea se face cu ajutorul unor palete montate pe un rotor cu care se rotesc solidar.
În prezent, turbinele cu abur înlocuiesc complet motoarele cu abur datorită randamentului termic superior și unui raport putere/greutate mai bun. De asemenea, mișcarea de rotație a turbinelor se obține fără un mecanism cu părți în translație, de genul mecanismului bielă-manivelă, fiind optimă pentru acționarea generatoarelor electrice, cca. 86 % din puterea electrică produsă în lume este generată cu ajutorul turbinelor cu abur.

c. Motorul Stirling. În familia mașinilor termice, motorul Stirling definește o mașină termică cu aer cald cu ciclu închis regenerativ, cu toate că, incorect, termenul deseori este utilizat pentru a se face referire la o gamă mai largă de mașini. În acest context, "ciclu închis" înseamnă că fluidul de lucru este într-un spațiu închis numit sistem termodinamic, pe când la mașinile cu "ciclu deschis" cum este motorul cu ardere internă și anumite motoare cu abur, se produce un permanent schimb de fluid de lucru cu sistemul termodinamic înconjurător ca parte a ciclului termodinamic; "regenerativ" se referă la utilizarea unui schimbător de căldură intern care mărește semnificativ randamentul potențial al motorului Stirling. Există mai multe variante constructive ale motorului Stirling din care majoritatea aparțin categoriei mașinilor cu piston alternativ. În mod obișnuit, motorul Stirling este încadrat în categoria motoarelor cu ardere externă cu toate că, sursa de energie termică poate fi nu numai arderea unui combustibil ci și energia solară sau energia nucleară. Un motor Stirling funcționează prin utilizarea unei surse de căldură externe și a unui radiator de căldură, fiecare din acestea fiind menținut în limite de temperatură prestabilite și o diferență de temperatură suficient de mare între ele.
În procesul de transformare a energiei termice în lucru mecanic, dintre mașinile termice, motorul Stirling poate atinge cel mai mare randament, teoretic până la randamentul maxim al ciclului Carnot, cu toate că, în practică, acesta este redus de proprietățile gazului de lucru și a materialelor utilizate cum ar fi coeficientul de frecare, conductivitatea termică, punctul de topire, rezistența la rupere, deformarea plastică etc. Acest tip de motor poate funcționa pe baza unei surse de căldură indiferent de calitatea acesteia, fie ea energie solară, chimică sau nucleară.
Spre deosebire de motoarele cu ardere internă, motoarele Stirling pot fi mai economice, mai silențioase, mai sigure în funcționare și cu cerințe de întreținere mai scăzute. Ele sunt preferate în aplicații specifice unde se valorifică aceste avantaje, în special în cazul în care obiectivul principal nu este minimizarea cheltuielilor de investiții pe unitate de putere (RON/kW) ci a celor raportate la unitatea de energie (RON/kWh). În comparație cu motoarele cu ardere internă de o putere dată, motoarele Stirling necesită cheltuieli de capital mai mari, sunt de dimensiuni mai mari și mai grele, din care motiv, privită din acest punct de vedere această tehnologie este necompetitivă. Pentru unele aplicații însă, o analiză temeinică a raportului cheltuieli-câștiguri poate avantaja motoarele Stirling față de cele cu ardere internă.
Mai nou, avantajele motorului Stirling au devenit vizibile în comparație cu creșterea costului energiei, lipsei resurselor energetice și problemelor ecologice cum ar fi schimbările climatice. Creșterea interesului față de tehnologia motoarelor Stirling a impulsionat cercetările și dezvoltările în acest domeniu. Utilizările se extind de la instalații de pompare a apei la astronautică și producerea de energie electrică pe bază de surse bogate de energie incompatibile cu motoarele de ardere internă cum sunt energia solară, resturi vegetale și animaliere.

O altă caracteristică a motoarelor Stirling este reversibiltatea. Acționate mecanic, pot funcționa ca pompe de căldură. S-au efectuat încercări utilizând energia eoliană pentru acționarea unei pompe de căldură pe bază de ciclu Stirling în scopul încălzirii și condiționării aerului pentru locuințe.

Fig. 2 .Secțiune prin schema unui motor de tip Beta Stirling cu mecanism de bielă rombic

1 (roz) – peretele fierbinte al cilindrului,

2 (cenușiu închis) – peretele rece al cilindrului

3 (galben)- racorduri de răcire),

4 (verde închis) – izolație termică ce separă capetele celor doi cilindri,

5 (verde deschis) – piston de refulare,

6 (albastru închis) – piston de presiune,

7 (albastru deschis) – volanți,
d. Ciclul Otto

Motorul Otto a fost conceput ca un motor de staționare și în acțiunea motorului, timpul este mișcare în sus sau jos a unui piston într-un cilindru. Utilizat mai târziu, într-o formă adaptată, ca un motor de automobil, sunt implicați patru timpi sus-jos:

Admisie descendentă – cărbune, gaz și aer intră în camera pistonului

Compresie adiabatică în sens ascendent – pistonul comprimă amestecul

Ardere și destindere adiabatică descendentă – arde amestecul de combustibile cu scânteie electrică

Evacuarea ascendentă – degajă gaze de eșapament din camera pistonului. Otto l-a vândut doar ca pe un motor staționar.

Potrivit recentelor studii istorice, inventatorii italieni Eugenio Barsanti și Felice Matteucci au brevetat o primă versiune care mergea eficient a unui motor cu combustie internă în 1854 în Londra (pt. Num. 1072). Se susține că, motorul Otto este, în multe părți, cel puțin, inspirat din precedentele invenții ale acestuia, dar, deocamdată nu există nici o documentație despre motorul italian creat de Otto.

.

Fig. 3. Ciclul de funcționare Otto Fig. 4. Motorul Diesel

e. Motorul Diesel

Motorul Diesel este un motor cu ardere internă în care combustibilul se aprinde datorită temperaturii ridicate create de comprimarea aerului necesar arderii, și nu prin utilizarea unui dispozitiv auxiliar, așa cum ar fi bujia în cazul motorului cu aprindere prin scânteie.

Comprimarea unui gaz conduce la creșterea temperaturii sale, aceasta fiind metoda prin care se aprinde combustibilul în motoarele Diesel. Aerul este aspirat în cilindri și este comprimat de către piston până la un raport de 25:1, mai ridicat decât cel al motoarelor cu aprindere prin scânteie. Spre sfârșitul cursei de comprimare motorina (combustibilul) este pulverizată în camera de ardere cu ajutorul unui injector. Motorina se aprinde la contactul cu aerul deja încălzit prin comprimare până la o temperatura de circa 700-900 °C. Arderea combustibilului duce la creșterea temperaturii și presiunii, care acționează pistonul. În continuare, ca la motoarele obișnuite, biela transmite forța pistonului către arborele cotit, transformând mișcarea liniară în mișcare de rotație. Aspirarea aerului în cilindri se face prin intermediul supapelor, dispuse la capul cilindrilor. Pentru mărirea puterii, majoritatea motoarelor Diesel moderne sunt supraalimentate cu scopul de a mări cantitatea de aer introdusă în cilindri. Folosirea unui răcitor intermediar pentru aerul introdus în cilindri crește densitatea aerului și conduce la un randament mai bun.
În timpul iernii, când afară este frig, motoarele Diesel pornesc mai greu deoarece masa metalică masivă a blocului motor {format din cilindri și chiulasă) absoarbe o mare parte din căldura produsă prin comprimare, reducând temperatura și împiedicând aprinderea. Unele motoare Diesel folosesc dispozitive electrice de încălzire, de exemplu bujii cu incandescență, ajutând la aprinderea motorinei la pornirea motorului diesel. Alte motoare folosesc rezistențe electrice dispuse în galeria de admisie, pentru a încălzi aerul. Sunt folosite și rezistențe electrice montate în blocul motor, tot pentru a ușura pornirea și a micșora uzura. Motorina are un grad mare de vîscozitate, mai ales la temperaturi scăzute, ducând la formarea de cristale în combustibil, în special în filtre, împiedicând astfel alimentarea corectă a motorului. Montarea de mici dispozitive electrice care să încălzească motorina, mai ales în zona rezervorului și a filtrelor a rezolvat această problemă. De asemenea, sistemul de injecție al multor motoare trimite înapoi în rezervor motorina deja încălzită, care nu a fost injectată, prevenind astfel cristalizarea combustibilului din rezervor. În prezent, folosirea aditivilor moderni a rezolvat și această problemă.

O componentă vitală a motoarelor Diesel este regulatorul de turație, mecanic sau electronic, care reglează turația motorului prin dozarea corectă a motorinei injectate. Spre deosebire de motoarele cu aprindere prin scânteie (Otto), cantitatea de aer aspirată nu este controlată, fapt ce duce la supraturarea motorului. Regulatoarele mecanice se folosesc de diferite mecanisme în funcție de sarcină și viteză. Regulatoarele motoarelor moderne, controlate electronic, comandă injecția de combustibil și limitează turația motorului prin intermediul unei unități centrale de control care primește permanent semnale de la senzori, dozând corect cantitatea de motorină injectată.

Controlul precis al timpilor de injecție este secretul reducerii consumului și al emisiilor poluante. Timpii de injecție sunt măsurați în unghiuri de rotație ai arborelui cotit înainte de punctul mort superior.
Avansând momentul injecției (injecția are loc înainte ca pistonul să ajungă la punctul mort interior) arderea este completă, la presiune și temperatură mare, dar cresc și emisiile de oxizi de azot. La cealalată extremă, o injecție întârziată conduce la ardere incompletă și emisii vizibile de particule de fum.

2 . EFECTELE ASUPRA MEDIULUI

Toate motoarele termice funcționează cu ajutorul unor combustibili care ard în cilindrii acestora. Combustibilii sunt benzina și motorina care sunt extrase din petrol.

Combustibilii sunt substanțe care reacționează din punct de vedere chimic cu o altă substanță pentru a produce căldură. Reacțiile chimice care au loc în timpul arderii combustibililor obișnuiți implică combinația oxigenului cu carbonul, hidrogenul sau sulful prezente în combustibili. În urma acestor reacții, rezultă dioxidul de carbon sau dioxidul de sulf și compuși ai azotului care ies sub formă de fum. Aceste substanțe sunt periculoase pentru sănătatea omului a animalelor și influențează natura.

În toată lumea, sunt foarte multe motoare: la automobile, la camioane, la avioane și vapoare la motorete și altele. Toate consumă benzină sau motorină în diferite cantități și aruncă în aer foarte mult fum toxic.Oamenii de știință afirmă că, în acest secol se vor termina toate rezervele de petrol din lume.

BIBLIOGRAFIE

ro.wikipedia.org/wiki/Motor_termic

http://motoaretermicebbq.blogspot.ro/2012/02/motoare-termice.html

http://www.google.ro/