Motors de combustió externa

Els motors de combustió externa funcionen amb el vapor que es produeix quan es crema el combustible del fogar d’una caldera per escalfar aigua.

La fusta i el carbó van ser els primers combustibles utilitzats en les màquines de vapor. Posteriorment, es van substituir per derivats del petroli, com el fuel. Actualment, les turbines de vapor fan servir, a més del fuel, altres combustibles, com el gas natural o l’energia nuclear en el cas de les centrals nuclears.

El vapor que es produeix a la caldera, com que ocupa un volum molt superior al de l’aigua, s’expandeix i es veu forçat a sortir-ne a gran pressió per uns conductes que el porten fins al motor pròpiament dir, és a dir, el cilindre de la màquina de vapor o la turbina.  

Un cop el vapor ha passat pels elements motrius del motor, s’ha de condensar (s’ha de convertir en aigua) per tal d’aconseguir que disminueixi de volum i permeti, novament, l’entrada de vapor i la retornada a la caldera per començar de nou el cicle.   

La condensació del vapor es produeix al condensador, que és refredat per la circulació continua d’aigua freda.

La màquina de vapor.

La màquina de vapor té un moviment rectilini alternatiu. Va ser el primer motor veritablement revolucionari, ja que , sense dependre de l’aigua, va permetre instal·lar en ciutats ben comunicades per via terrestre, marítima o fluvial, la qual cosa va afavorir les concentracions fabrils.

Les primeres màquines de vapor ( de Savery i de Newcomen ) tenien un moviment rectilini alternatiu i servien per bombar aigua de mines i canals.

L’enginyer anglès James Watt, cap al l’any 1769, va perfeccionar la màquina de vapor: va modificar el sistema de condensació del vapor i va transformar el moviment rectilini alternatiu en un moviment de rotació mitjançant el mecanisme de biela-manovella. També en va millorar el rendiment gràcies a l’acoblament del distribuïdor i el regulador de boles , entre altres innovacions.

En els seus orígens, la màquina de vapor es va destinar a fer moure les màquines de les fàbriques i, més endavant, als transports , com els trens i els vaixells.

La màquina de vapor és indubtablement un motor històric, però el seu mecanisme bàsic, el conjunt cilindre-pistó i biela-manovella, encara no ha estat superat i constitueix la base del funcionament dels motors de la majoria de vehicles actuals: els motors d’explosió.

Elements bàsics de la màquina de vapor

A més de la caldera, la màquina de vapor és constituïda pels elements següents, que són els que converteixen l’energia tèrmica del vapor en energia mecànica.

• Cilindre  i èmbol. El cilindre és la part de la màquina on s’expandeix el vapor que arriba a pressió procedent de la caldera. Consisteix en un cos metàl·lic de forma cilindrica que conté un disc anomenat èmbol o pistó que s’ajusta a la paret interna del cilindre i es pot desplaçar longitudinalment en un moviment rectilini alternatiu. Aquest èmbol està subjectat per una de les bases del cilindre a través d’un orifici molt ajustat. Quan el vapor entra al cilindre per un dels seus extrems , on hi ha un mecanisme anomenat distribuïdor, empeny el pistó, i la tija es desplaça cap a l’altre extrem, retorna a la posició inicial i recomença el cicle. D’aquesta, manera es genera un moviment rectilini alternatiu. El distribuïdor permet l’entrada del vapor alternativament pels dos costats del cilindre.

• La biela és una barra unida per un dels seus extrems a la tija de manera que pugui girar sobre aquest extrem formant una articulació. L’altre extrem de la biela fa girar una roda, anomenada volant, mitjançant una manovella.

• 

• El volant d’inercia és una roda grossa i pesant que quan gira presenta una forta inèrcia. Actua com un volant que contribueix al retorn de la tija, per acció de la biela. Aquest volant fa de politja, que, mitjançant una corretja, transmet el moviment circular del volant a una altra roda, anomenada politja, situada en un eix llarg, l’embarrat, que conté altres politges. Aquestes, amb les corretges corresponents, fan funcionar les màquines de les fàbriques. En el cas de les màquines de vapor de les locomotores, els volants eren les mateixes rodes.

• El regulador de boles  (o de Watt) és un mecanisme articulat que gira quan la màquina funciona i permet controla-ne la velocitat perquè sigui constant. Es tracta d’un aparell amb dues boles que giren i que es desplacen verticalment gràcies a la força centrífuga; aquest desplaçament actua sobre la vàlvula que regula el pas de vapor i fa que la velocitat de la màquina sigui constant. Aquest enginyós mecanisme va ser un dels primers sistemes de control automàtic.

La turbina de vapor 

La turbina de vapor transforma l’energia potencial tèrmica en energia de moviment (energia cinètica). L’energia potencial tèrmica disponible és la diferència que hi ha entre l’estat del vapor a l’entrada de la turbina i el seu estat a la sortida. Aquesta diferència es coneix amb el nom de salt tèrmic.

. 

En els motors de combustió externa, el vapor produït en una caldera arriba a una turbina i passa a una corona d’àleps fixada a l’estator, anomenada distribuïdor.

. 

Quan el vapor surt del distribuïdor, incideix sobre uns àleps corbs especials del rotor (part rotativa de la turbina) i genera un treball sobre l’eix, que comença a girar. El àleps del rotor són més petits i més nombrosos que els de les turbines hidràuliques. De fet, la mida d’aquests àleps és variable: són més grans a la part posterior que a l’anterior per tal d’aprofitar millor el vapor a mesura que va perdent pressió.

Les turbines de vapor poden ser:

• D’acció: quan l’expansió del vapor es realitza completament a l’estator, on perd pressió i augmenta la velocitat abans de passar al rotor. Al rotor, la pressió es manté i la velocitat es redueix en incidir sobre els àleps.

• De reacció: quan l’expansió del vapor s’inicia a l’estator(on es manté la pressió i la velocitat) i es completa al rotor, que en aquest cas té la funció de dirigir i orientar el flux de vapor.

Actualment, a les centrals tèrmiques es fan servir turbines d’acció i de reacció que treballen amb pressions diferents per tal de millorar el rendiment.