La Termodinamica: Carburanti E Motori

Presentazione sul tema: "La Termodinamica: Carburanti E Motori"— Transcript della presentazione:

1 La Termodinamica: Carburanti E Motori
Classi seconde ITT –Meccanica e meccatronica A.s. 2016/17 Prof.ssa Rosanna Madonna Tra scienza e passione

2 I MOTORI TERMICI Macchine capaci di trasformare in lavoro meccanico l'energia termica ottenuta da una combustione ESOTERMICI: I motori termici possono essere "a combustione esterna" quando la combustione avviene al di fuori del fluido attivo che genera il movimento: i prodotti della combustione riscaldano un altro fluido che genera energia cinetica. ENDOTERMICI: Il motore a combustione interna: la reazione di ossidazione esotermica di una miscela - composta da un carburante (benzina, gasolio, metano, ecc...) e un comburente (ossigeno dell’aria) avviene all'interno di una camera di combustione, si produce calore, acqua e prodotti della reazione (gas di scarico). Questi costituiscono il fluido attivo che agisce sulle parti del motore mettendole in movimento e producendo lavoro.

3 UN ESEMPIO DI MOTORE ENDOTERMICO

4 Cos’è e come funziona il motore a scoppio
Il motore endotermico è alimentato da una miscela di aria e benzina, che viene trasformata in lavoro meccanico mediante il processo di combustione, che produce calore e pressione. Esistono molteplici tipologie di motori a combustione interna, che si differenziano per alimentazione, funzionamento o architettura. Una prima classificazione può essere fatta in base al movimento dell’organo principale, il responsabile della trasmissione del moto. Si possono quindi avere: Motori di tipo rotativo (detti anche motori a fluido); Motori di tipo alternativo (motori a scoppio). Il motore a scoppio è sicuramente il motore più largamente utilizzato, oggigiorno. E’ un motore di tipo alternativo quindi può essere definito anche volumetrico, poiché il ciclo termodinamico avviene in un volume definito, chiamato cilindrata.

5 Struttura e funzionamento dei diversi motori
Una ulteriore, importante, classificazione viene fatta in base ai movimenti (chiamati corse) del pistone necessari a chiudere un ciclo di funzionamento: esistono dunque motori a due o a quattro tempi: Motore a quattro tempi: il ciclo completo di lavoro si compie in quattro corse del pistone e in due giri dell’albero motore. La combustione è provocata dalla scintilla che scocca fra le punte della candela; l’entrata del combustibile nel cilindro e l’uscita del gas combusto sono assicurate da due luci (aperture) sulla testata, che si aprono e si chiudono mediante valvole; Motore a due tempi: il ciclo completo di lavoro si compie in due corse del pistone e in un solo giro dell’albero motore; a differenza del quattro tempi qui mancano gli organi di distribuzione e di lubrificazione e non esistono valvole. La lubrificazione è assicurata dall'olio introdotto nel carburante per formare la miscela, oppure da un miscelatore automatico che provvede ad inserire la quantità d'olio necessaria ad una buona lubrificazione direttamente nella camera di scoppio.

6 Il 4 tempi benzina Il motore Benzina a 4 tempi si basa sull’ esplosione all’interno di una camera di scoppio di una miscela aria-benzina. 1°fase(aspirazione,il pistone scende):tramite un valvola di aspirazione(aperta)la miscela viene immessa nella camera di combustione. 2°fase(compressione,il pistone sale):la miscela viene compressa e si riscalda. 3°fase(scoppio-espansione,il pistone scende):la candela tramite una scintilla elettrica incendia l’aria-benzina compressa facendola espandere facendo così scendere il pistone. 4°fase(scarico,il pistone sale):la valvola di scarico si apre facendo uscire i gas combusti

7 Combustibili Un combustibile è una sostanza chimica che viene ossidata nel processo di combustione, una reazione chimica di ossidazione, producendo energia termica Nella struttura di un combustibile tradizionale è accumulata energia chimica ad alta concentrazione. In particolari condizioni di alta temperatura e adeguata presenza di sostanza comburente avviene una reazione esotermica, cioè con produzione di calore più o meno violenta, che può eventualmente essere sfruttata. Come sottoprodotto di questo processo di combustione si ottengono sostanze a più basso livello energetico che si disperdono nell'ambiente. La combustione è dunque una reazione di ossidazione in cui il combustibile reagisce con un comburente: il comburente di gran lunga più comune è l'ossigeno dell'aria. In relazione allo stato fisico in cui si presentano, i combustibili si classificano in solidi, liquidi e gassosi. Un'altra importante distinzione dei combustibili è fra "naturali" e "derivati", in relazione alle condizioni in cui vengono impiegati: naturali (es.: gas metano) se si adoperano così come vengono trovati in natura oppure derivati (es.: benzine, GPL) se vengono forniti quali prodotti di trasformazione di combustibili naturali o di particolari lavorazioni industriali

8 Una caratteristica fondamentale di ogni combustibile è il suo potere calorifico, che rappresenta la quantità di calore prodotta da un chilogrammo di combustibile quando brucia completamente. HC + O2  CO2 + H2O + calore Nei combustibili tradizionali gli elementi utili alla combustione sono essenzialmente il carbonio (C) e l'idrogeno (H). Questi infatti hanno la caratteristica di sviluppare calore in notevole quantità con un livello variabile di inquinamento ambientale. Infatti, reagendo con l'ossigeno dell'aria, l'idrogeno si trasforma in acqua (H2O) e il carbonio si trasforma in anidride carbonica (CO2) che non è tossica, ma inquinante (effetto serra). Nonostante i potere calorifico del petrolio si molto alto, la diversità delle molecole che lo compongono e la loro varia struttura non ne permettono una proficua utilizzazione come combustibile diretto.

9 Petrolio e combustibili
Con il termine “petrolio” si designa un insieme di idrocarburi più o meno complessi che si trovano sotto forma gassosa (molecole da 1 a 5 atomi di carbonio), liquida (molecole da 6 a 16 atomi di carbonio) o solida (più di 16 atomi di carbonio). Il petrolio da commercio è liquido poiché le fasi solida e gassosa rimangono in soluzione. Il nome deriva da Petroleum (olio di pietra), utilizzato per la prima volta intorno al 1550 dal tedesco Giorgio Agricola. Il petrolio greggio (non ancora raffinato) si presenta come un liquido oleoso, infiammabile, di colore variabile dal giallastro al nero. La formazione del petrolio è dovuta alla decomposizione di sostanze organiche, provenienti da organismi acquatici del regno animale e del regno vegetale (microrganismi, alghe ecc.), a opera di batteri aerobi e soprattutto anaerobi, cioè in ambiente privo di ossigeno. Il trattamento base è la distillazione frazionata, con cui il petrolio viene suddiviso in un numero considerevole di frazioni caratterizzate ciascuna da un intervallo (crescente) di temperatura di ebollizione. Oltre alla frazione gassosa, si hanno: oli minerali leggeri, oli medi, oli pesanti, residui solidi. 27

10 Destinazioni dei principali prodotti ricavati dal petrolio
Solo le frazioni pesanti e i residui possono essere immessi sul mercato direttamente. Gli oli leggeri, sottoposti a una seconda distillazione, possono essere oggetto di tre trattamenti: stabilizzazione, reforming, raffinazione. La stabilizzazione dà gas utilizzabili nei bruciatori delle raffinerie o per ottenere benzine in seguito al processo di polimerizzazione. Il reforming è un processo simile al cracking, che serve a diminuire il potere detonante delle benzine. La raffinazione ha lo scopo di eliminare dalle benzine le impurità. In generale, un procedimento di eccezionale importanza nella lavorazione del petrolio è il cracking, con cui è possibile ottenere prodotti leggeri (benzine nella quasi totalità) dalle frazioni pesanti e dai residui. Un altro processo è costituito dalla polimerizzazione catalitica.

11 Il petrolio grezzo viene immesso per mezzo di tubi di acciaio in un riscaldatore, dove la temperatura oscilla tra i 315 e i 370 °C. I vapori di petrolio vengono poi iniettati nella colonna di frazionamento, o torre a piatti. Nel punto più basso della colonna si condensano oli combustibili, lubrificanti, paraffine, cere e bitumi, tra i 350° e i 250° C si condensa il gasolio, utilizzato come combustibile per motori diesel e per il riscaldamento domestico. Tra 250° e 160° C il kerosene, un combustibile oleoso usato come propellente per aerei a reazione e impianti di riscaldamento. Tra i 160° e i 70 ° C condensa la nafta, una sostanza liquida usata come combustibile e, come materia prima, per produrre materie plastiche, farmaci, pesticidi, fertilizzanti. Le benzine condensano tra i 70° e i 20° C. Sono usate, principalmente, come carburante per automobili ed aerei. A 20° C, rimangono gassosi metano, etano, propano e butano. In particolare, butano e propano, formano il combustibile denominato GPL. Colonna di frazionamento

12 In una raffineria, oltre alla distillazione frazionata, si svolgono altri processi, per ricavare ulteriori quantità di prodotti pregiati o per migliorare la qualità dei prodotti ed adeguarli alle richieste del mercato. Ad esempio, in impianti, denominati di "Cracking", è possibile spezzare le catene idrocarburiche più lunghe. Questo procedimento permette di trasformare prodotti poco pregiati in benzine e gasoli. Attraverso il "Reforming catalitico", viene aumentato il numero di ottani nelle benzine, con la "Desolforazione" si riduce quasi totalmente il contenuto di zolfo nei gasoli. Cracking e reforming Il cracking, o decomposizione termica, è un processo che da lunghe molecole inutilizzabili conduce a molecole corte, più adatte per essere utilizzate nei motori. Il processo chiamato reforming, invece, consiste nel cambiare la disposizione spaziale degli atomi che costituiscono le frazioni leggere destinate ad essere impiegate come combustibili nei motori a scoppio, in modo da innalzare il loro potere antidetonante. Il reforming, o riassestamento, avviene per riscaldamento delle benzine derivate da cracking e spesso i due processi vengono portati avanti insieme. Le alte temperature (circa 500°C) e la presenza di catalizzatori alluminosi e platino in polvere provocano la mobilizzazione degli atomi delle grosse catene lineari e il loro successivo riassestamento in molecole cicliche e ramificate, che reagiscono con maggiore difficoltà con l’ossigeno. Ecco il motivo dell’incremento del potere antidetonante. Il processo di rottura (cracking, appunto) viene condotto ad alta temperatura ( °C) e a forte pressione; per ottenere molecole che presentino un numero di atomi di carbonio ben definito si impiegano catalizzatori che dirigono la reazione nel senso desiderato (cracking catalitico). I materiali catalizzanti sono argille naturali o sintetiche. Il cracking catalitico permette di migliorare la qualità del prodotto e di operare a temperature e pressioni ridotte.

13 Classificazione delle benzine
La benzina è una miscela di idrocarburi liquidi alifatici e aromatici provenienti dalla distillazione del petrolio, usata, spesso con aggiunta di vari additivi, come carburante per motori a combustione interna. La classificazione delle benzine tiene conto di parametri quali: il grado di raffinazione, il numero di ottano e il comportamento alla distillazione. Le benzine si dividono in: benzine per autotrazione, combustibili per motori diesel, kerosene, benzine avio, combustibili per motori a reazione e benzine solventi per uso industriale. In seguito ci occuperemo delle prime due tipologie, che vengono utilizzate per alimentare i comuni motori a combustione interna, sia a ciclo otto sia diesel. Benzine per autotrazione Le benzine per autotrazione (benzine di categoria A), si suddividono in “benzine normali” con numero di ottano pari a 72, e “benzine super”, con numero di ottano pari a 90. Umidità e componenti acidi devono essere assenti, lo zolfo non deve essere presente per più dello 0,2%; Le gomme attuali (residui gommosi presenti dopo aver fatto evaporare completamente la benzina a 160°C in corrente d’aria) devono essere inferiori a 10mg/100cm cubi di benzina. La benzina verde Caratterizzata dal bassissimo contenuto di piombo (inferiore a 0,0013 g/l), da un tenore di benzene tra il 4 e il 5,5% in peso e da un contenuto di idrocarburi aromatici tra il 40 e il 50%, consente di mantenere un rapporto di compressione ancora sufficientemente alto da non penalizzare il rendimento del veicolo. Tuttavia è fonte di nuove forme di inquinamento altrettanto pericolose e pertanto deve essere abbinata a un particolare apparato di carburazione e scarico, noto come marmitta catalitica, che cattura e neutralizza fino al 95% delle sostanze contenute nei gas di scarico.

14 Il numero di ottano Combustibili diesel
E’ un indice riferito a una scala, in cui all'isoottano puro (poco detonante) è assegnato il valore 100, mentre al normal-eptano (molto detonante) é assegnato il valore 0. Negli idrocarburi paraffinici (alcani) il potere antidetonante è tanto più elevato quanto più la loro catena di atomi di carbonio è ramificata: gli idrocarburi cicloparaffinici (cicloalcani), e ancor più quelli aromatici, presentano un potere antidetonante maggiore di quello degli idrocarburi paraffinici aventi lo stesso numero di atomi di carbonio e struttura lineare Nei motori a ciclo Diesel, contrariamente a quanto avviene in quelli a ciclo Otto, vengono impiegati oli medi e pesanti, iniettati direttamente nei cilindri. Esistono varie categorie di combustibili per motori diesel, ma sicuramente il più largamente impiegato è il gasolio. Le caratteristiche più importanti per un gasolio sono le proprietà di accensione, la viscosità, il contenuto in zolfo. Relativamente alle proprietà di accensione, le norme prescrivono un numero di cetano minimo di 47, per facilitare l’avviamento e ridurre le vibrazioni e i fumi di scarico. La viscosità deve essere tale da non impedire il flusso di combustibile agli iniettori e, come per le benzine, il contenuto in zolfo deve essere nei limiti accettabili per evitare l’originarsi di depositi e prodotti corrosivi. Combustibili diesel

15 Bibliografia e approfondimenti
Storia del motore a scoppio e seconda rivoluzione industriale: “Storia dal 1650 al 1900” – Editori Laterza Henry Ford: Termodinamica e funzionamento motore a scoppio: “Le idee della fisica – volume secondo” – Zanichelli Benzine e derivati del petrolio: “Chimica applicata: la chimica del carbonio e la chimica nell’industria” – Zanichelli it.wilkipedia.org It.encarta.msn.com Funzionamento del motore a scoppio: iisalessandrini.it/progetti/studenti/ftorti/tesina.ppt