Motor pneumatic

Locomotiva cu aer comprimat

Motorul pneumatic, motorul menționat cu aer comprimat, este un anumit tip de motor pentru a crea o mișcare mecanică de a exploata „expansiune aerul puternic comprimat. Motoarele cu aer comprimat se pot deplasa:

liniare pistoane și cilindrii
Rotary ca turbina cu gaz

Motoarele pneumatice există de câteva secole în diferite forme și dimensiuni diferite, de la turbine portabile la motoare cu putere de până la câteva sute de cai putere și se găsesc în echipamente portabile, deși există încercări în curs de extindere a utilizării lor în logistică și transport, dar cu puțin succes din cauza ineficiențelor. Multe motoare cu aer comprimat își îmbunătățesc performanțele prin încălzirea aerului de intrare sau a motorului în sine.

L ' aer comprimat ieșirile din rezervoarele de presiune mai mare, aproximativ 300 de bari și expansiunea aerului este utilizat pentru a deplasa un piston sau o turbină cu gaz conectat la un ax cu motor.

Neavând orice tip de combustie , motorul cu aer comprimat este lipsit de orice emisii poluante și trebuie completat în cilindru. Aerul comprimat este utilizat ca purtător de energie ; eventuala poluare, în cazul producției cu tehnicile tradiționale, se află în faza de producție , care servește pentru a genera purtătorul de energie care servește pentru a conduce compresorul la bord atunci când trebuie să umple cilindrul.

Teorie

Motorul cu aer comprimat exploatează " energia potențială conținut în cilindri de aer comprimat , care , conform legii gaz ideal este maxima pentru o transformare izotermă și este egal cu:

$Energia=P_{1}V_{1}*\ln \left({\frac {P_{1}}{P_{2}}}\right)$ ${\ displaystyle Energy = P_ {1} V_ {1} * \ ln \ left ({\ frac {P_ {1}} {P_ {2}}} \ right)}$ ${\ displaystyle Energy = P_ {1} V_ {1} * \ ln \ left ({\ frac {P_ {1}} {P_ {2}}} \ right)}$

unde este $P_{1}$ ${\ displaystyle P_ {1}}$ $P_1$ este presiunea inițială a cilindrilor e $V_{1}$ ${\ displaystyle V_ {1}}$ $V_ {1}$ este volumul transformării, egal cu cubatura motorului, în timp ce $P_{2}$ ${\ displaystyle P_ {2}}$ $P_ {2}$ este presiunea atmosferică. Pentru presiuni nu prea mari și nu la temperaturi prea scăzute a aerului comprimat ca se comportă un gaz ideal cu aproximație bună și , prin urmare , energia conține este dată de formula de mai sus.

Pentru a extrage aer comprimat e energia potențială necesară pentru a efectua expansiunea izoterma prin intermediul pistoanele motorului, dar aerul în timpul Cools de expansiune și , prin urmare , trebuie să fie luate de la căldură pentru a face constantă ședere temperatura . În practică, pentru a obține putere de la motor este necesar să furnizați rapid căldură aerului în timpul expansiunii izoterme (expansiunea gazului în interiorul pistonului), dar acest lucru nu este posibil cu viteza dorită, astfel încât aerul să se răcească și să nu mai urmeze o expansiune izotermă.

Pentru a putea extrage mai multă energie din aerul comprimat se efectuează o serie de transformări, adiabatic și izocoră , astfel încât să aproximeze transformarea la o temperatură constantă , care permite de a extrage energia maximă din gaz.

În practică, se efectuează o rapidă și de expansiune parțială până la presiunea P3 (P1 <P3 <P2) , într - un prim piston (proces adiabatic), apoi aerul care sa răcit (T3 <Tamb) este încălzit (T4 = Tamb) printr - un schimbător de căldură (transformare izocoră). Această primă etapă este urmată de alte etape identice: expansiunea rapidă a aerului într-un al doilea piston până la presiunea P5 (P1 <P5 <P3 <P2), încălzirea aerului prin intermediul unui radiator până la temperatura ambiantă etc. ultimul piston care extinde aerul până la presiunea atmosferică.

În diagrama presiune-volum a gazelor perfecte ( diagrama Clapeyron ) prima etapă descrisă mai sus implică deplasarea din punctul (P2, V2) în punctul (P4, V4) nu de-a lungul hiperbolei PV = costul transformării izoterme, ci de-a lungul unui prima curbă adiabatică până la punctul (P3, V3) și apoi printr-o a doua curbă izocorică se ajunge la punctul (P4, V4). Aceasta implică o pierdere energetică a fiecărei etape în raport cu energia care poate fi extrasă din aer prin intermediul unei transformări izoterme, o pierdere care este cu atât mai mică cu cât este mai mare apropierea punctelor (P2, V2) și (P4, V4 ) în diagramă.

Se deduce că, cu cât este mai mare numărul de etape și apropiate și, prin urmare, de pistoane, cu atât va fi mai mare energia extrasă din aerul comprimat. Pe de altă parte, fiecare piston are frecare care reduce energia care poate fi extrasă din aer, prin urmare, numărul de trepte trebuie evaluat pentru a face eficiența motorului cât mai mare posibil.

Notăm energia P1V1 * Ln (P1 / P2) cu Emax, este energia unei transformări perfect izoterme. Indicăm cu E energia mecanică pe care o transformă motorul de aer comprimat pornind de la buteliile de volum V2 și presiunea P2. Atunci eficiența motorului este dată de:

$Eff=E/Emax$ ${\ displaystyle Eff = E / Emax}$ ${\ displaystyle Eff = E / Emax}$

Guy Nègre a declarat, de exemplu, o eficiență a motorului egală cu 70% , dar nu există nici o confirmare independentă. Ca referință, ia în considerare o pur transformare adiabatică și apoi extinde aerul rapid într - un singur piston la presiunea atmosferică are eficiență de aproximativ 10% , fără numărarea frecărilor.

În general, energia transformării este egală cu aria (integrală) de sub curba de transformare din diagrama Clapeyron.

În cazul unei transformări adiabatice, energia sau munca este de fapt pentru această transformare:

$Eadiab=(P1V1-P2V2)/(g-1)$ ${\ displaystyle Eadiab = (P1V1-P2V2) / (g-1)}$ ${\ displaystyle Eadiab = (P1V1-P2V2) / (g-1)}$

$g=Cp/Cv$ ${\ displaystyle g = Cp / Cv}$ ${\ displaystyle g = Cp / Cv}$

$PV^{g}=cost$ ${\ displaystyle PV ^ {g} = cost}$ ${\ displaystyle PV ^ {g} = cost}$

unde aerul Cp este de aproximativ 1,00 și aerul Cv este de aproximativ 0,72. Eficiența este egală cu:

$Eff=Eadiab/Emax$ ${\ displaystyle Eff = Eadiab / Emax}$ ${\ displaystyle Eff = Eadiab / Emax}$

Origini istorice în transport

Motorul cu aer comprimat a fost utilizat pentru a transporta la mijlocul secolului al XIX - lea . primul vehicul cu aer comprimat, francezii Andraud și Tessie din Motay au condus o mașină cu motor pneumatic la o pistă de testare din Chaillot, Franța, la 9 iulie 1840. Deși testul auto a fost raportat ca fiind de succes și de succes, cuplul nu s-a gândit niciodată la extinderea în continuare a proiectului. Prima aplicare cu succes a așa-numitului motor „sistem Mekarski” în locomotive cu inovația care a echilibrat răcirea care însoțește expansiunea aerului prin încălzirea aerului într-un cazan mic înainte de utilizare.

Tramvaiul Nantes este situat în Nantes, Franța, este amintit pentru a fi primul care a folosit motoarele Mekarski la putere de tramvai . Tramvaiul a intrat în funcțiune la 13 decembrie 1879, dar a fost înlocuit în 1917 cu tramvaie electrice, care sunt încă active în prezent. American Charles Hodges a avut succes în tracțiune aer comprimat, în 1911 a proiectat o locomotivă pneumatică și a vândut brevet la Porter Company HK din Pittsburgh pentru a fi utilizate în minele de cărbune. Deoarece motoarele pneumatice nu folosesc combustia, acestea au fost o opțiune mult mai sigură în industria minieră a cărbunelui. Multe companii susțin că dezvoltă mașini cu aer comprimat, dar ulterior nu există mașini disponibile pentru achiziționare sau teste independente.

Tehnologie

Guy Nègre

Un exemplu al unui motor cu piston cu aer comprimat pentru aplicații auto a fost dezvoltat de către inginerul francez Guy Nègre și prezentat la Bologna Motorshow în 2001. Proiectul, în ciuda faptului că a trecut unele experimente, nu a avut de mai jos pentru dificultăți tehnice.

Guy Nègre a primit propuneri de contracte și se află în discuții cu Venezuela , Brazilia și alte țări. Conform producătorului primele masini ar fi fost pe piață în prima jumătate a anului 2006, cu toate acestea, distribuitorul italian, Aeolus Auto, a începând cu 2005 a închis fabrica, care niciodată nu a intrat în funcțiune, și site - ul. ^[1]

Vehiculele utilitare de aer comprimat este limitată cu curent presiunile utilizate (200-300 bar). Avem o densitate foarte scăzută a energiei acumulate, comparabile cu cele ale bateriilor plumb în vehicule electrice.

În timpul fazei de expansiune, aerul redă mai puțină muncă decât cea cheltuită pentru compresie. În plus, căldura care trebuie dată gazului pentru a permite o expansiune optimă reduce în continuare eficiența acestuia. Faptul că producția transportatorului are energie , costuri mai mari decât cele riottenibili este , evident , o trăsătură comună a tuturor proceselor naturale și , prin urmare , toate motoarele. De fapt, avantajul clasicului motor cu ardere internă nu constă în eficiența sa, care este într-adevăr foarte scăzută, ci în poluarea mai mică.

Chiulasa unui motor cu aer comprimat este conceput pentru a fi introdus într-un cadru mai ușor decât mașinile normale, deci este nevoie de mai puțină energie care trebuie dezvoltată pentru a alimenta mișcarea; De asemenea , motorul are puține piese în mișcare , pentru care reduce pierderile cauzate de frecare care generează disipare a căldurii .

O problemă a motoarelor de aer comprimat este formarea gheții în motor în sine. Expansiunea unui gaz elimină căldura din mediu ( frigiderele de uz casnic utilizează expansiunea unui gaz pentru a răci camera rece), aerul din motoare se răcește până la -40 ° C și, prin urmare, o prezență minimă a condensului în aer ar produce gheață în motor.

Puteți face fără a face aerul să se extindă până la presiunea atmosferică și apoi să-l încălziți de la -40 ° C, de fapt, extindeți aerul doar la o anumită presiune (P1 mai mică decât presiunea cilindrilor), în acest fel răcirea este mult mai puțin și nu provoacă gheață și apoi încălziți aerul la temperatura camerei cu un radiator. Ulterior, se folosește o a doua etapă identică care, de la presiunea P1, aduce aerul la presiunea P2, care este apoi adusă la temperatura atmosferică. Cu un anumit număr de etape, presiunea atmosferică este atinsă fără formarea de gheață.

Chiar și folosind aer uscat nu este posibilă eliminarea completă a prezenței condensului, încălzirea aerului până când depășește 0 ° C este posibilă prin scăderea energiei din mediul extern prin intermediul radiatoarelor de dimensiuni adecvate și rezistență termică redusă. Nègre a susținut că a rezolvat problema , probabil , folosind un motor care urmează un proces politropic .

Nègre în 2007, a semnat un acord cu compania indiană Tata Group , primul grup auto din India. Proiectul dezvoltat împreună cu Tata presupune construirea unei mașini de oraș economice. Mașina pretinde o viteză maximă de 50 km / h și o autonomie maximă de 200 km. Mașina conform proiectului va fi, de asemenea, echipată cu un motor cu ardere internă pentru a oferi viteze de până la 100 km / h. Pentru a permite efectuarea auto decente proiectul implică utilizarea unei aproape în totalitate în structura de fibră de sticlă , un material ieftin și ușor, dar , de asemenea , foarte fragil. Această alegere ridică îndoieli serioase cu privire la faptul dacă mașina poate trece testele europene de siguranță, având în vedere fragilitatea caroseriei. Grupul Tata include vânzarea primele modele în 2008. ^[2]

Angelo Di Pietro

Un alt tip de motor cu aer comprimat a fost creat de inginerul mecanic italian absolvent transferat în Australia Angelo di Pietro. Di Pietro după ce a lucrat doi ani la Mercedes pentru dezvoltarea rotativ motorul Wankel sa mutat în Australia și datorită experienței sale a reproiectat și a dezvoltat motorul rotativ cu aer comprimat , care a aplicat la o serie de motostivuitoare de ridicare A. Motorul său , spre deosebire de cel al Negre, care funcționează cu piston, se dovedește a fi mult mai mici în dimensiuni, eficient și simplu ^[3] .

Tipologie

Puteți avea motoare pneumatice:

Diagrama unei microturbine

turbină (similar cu o turbină cu gaz ) generează în mod direct o mișcare circulară .
Microturbinele utilizate de stomatologi sau aurari aparțin acestui tip. Au dimensiuni extrem de mici și ating viteze foarte mari (100.000 rotații pe minut).
volumetric exploatează expansiunea " aeriform comprimat care extinde în interiorul unui cilindru acționează un piston de generare a unui mișcare rectilinie .
În mod similar cu un piston hidraulic acest mecanism permite , de exemplu , acționarea supapelor sau alte mecanisme de mișcare rectilinie și mult folosit în liniile de asamblare pentru deplasarea sau plasarea obiectelor. O altă aplicație comună este picamer utilizat în mine și drumuri în reparații.
Prin adoptarea unui sistem adecvat de valve care gestionează încărcarea și descărcarea fluidului în interiorul cilindrului și un sistem de bielă și manivelă ( mecanism bielă-manivelă ) aplicată pe pistonul este posibil să se transforme mișcarea rectilinie alternativ în mișcare circulară așa cum se face în aburul mașinii , care la toate punctele de vedere este un motor pneumatic.
lamelele sunt utilizate pe scară largă pentru a produce unelte portabile, cum ar fi burghiu , polizor , șurubelniță , obținând astfel unelte puternice și care nu depind de electricitate și, prin urmare, foarte sigure dacă sunt utilizate în medii umede (pot funcționa și scufundate în apă) sau în medii cu risc ridicat datorită la prezența produselor inflamabile sau explozive. Acest tip de motor pneumatic poate dezvolta puteri de până la 5 kW care conține în greutate și dimensiuni; una dintre aplicațiile cele mai comune ale acestui tip de motor este " șurubelnițele de aer de impact utilizate de anvelopa cu ușurință deșurubați piulițele care deține roțile vehiculelor (autoturisme, camioane, etc.)

Motor pneumatic
Cheie pneumatică cu impact
Șurubelniță pneumatică

Comparație cu alte tehnologii

„Nu au putut niciodată să ne spună adevăratele reveniri ale Eolului”

(Giuseppe Bussotti, președinte și director demisionar al Aeolus Auto Italia)

Cu cilindru din oțel, cum ar fi cele utilizate pentru gazele naturale vor avea o densitate de energie mai mică de 50 Wh / kg ( watt pe oră la kilogram ); aceasta înseamnă că pentru a umple o mașină mică aveți nevoie de multe tone de cilindri umpluți cu aer comprimat, cu o greutate excesivă.

Pe de altă parte, dacă valorile puse în aplicare de aerul comprimat sunt mai mici de 30 Wh / kg, atunci există diferite tehnologii de acumulare a energiei electrice care utilizează cupluri redox , care permit o reîncărcare lichidă a unei baterii în câteva secunde.

Pentru a depăși această problemă, este posibil să se utilizeze butelii din fibră de carbon ale celor utilizate pentru navele spațiale, utilizate în prezent pentru pompieri și, prin urmare, disponibile în prezent la costuri acceptabile, obținându-se astfel cilindri cu greutate mai mică și presiuni ușor mai mari. În practică, mașina cu aer comprimat ar putea, cel mult, să concureze, în ceea ce privește autonomia (densitatea energiei) și viteza de realimentare, cu mașina electrică echipată cu baterii cu plumb și nu cu mașini cu combustie sau cu cea electrică cu baterii mai avansate.

Avantajele față de mașina electrică:

Reumplere rapidă a aerului
Fără baterii de eliminat
Aerul comprimat poate fi produsă din surse regenerabile de energie a face această tehnologie durabilă pentru mediu.
Odată cu construcția unor silozuri mari etanșe la presiune plasate lângă turbine eoliene, este posibil să se stocheze cantități mari de aer comprimat, iar acesta cu țevi specifice poate fi distribuit și / sau transferat în tancuri mai mici și transportat cu camionul la stațiile de distribuție.
Extinderea și, prin urmare, generarea de frigidere pot fi utilizate pentru refrigerarea interioarelor vehiculelor sau a mediilor

Dezavantaje comparativ cu mașina electrică:

Eficiența generală a mașinii cu aer comprimat semnificativ mai mică decât eficiența generală a mașinii electrice corespunzătoare.
Tehnologie limitată, cum ar fi densitatea energiei stocabile.
Formarea de gheață pe conducte datorită expansiunii aerului cu obstrucția consecutivă a conductelor.

Masina nu este niciodată a intrat în producție, în ciuda presupusei interessamenti în acest sens ^[4]

Notă

^ Aeolus, aerul masina merge în fum Compania concediază angajații pe giornaletecnologico.it, tehnologice Ziar, 5 decembrie 2005. Adus de 16 septembrie 2007 (depusă de „URL - ul original 28 septembrie 2007).
^ Cu aer comprimat în loc de benzina provine din India Citycat, masina viitorului , de repubblica.it, Republica. Adus de douăzeci și unu iunie 2007.
^ Articolul pe motorul rotativ Angelo Di Pietro
^ Vine CityCats, masina cu motor aerul comprimat Zeus News, 29 mai 2007

Elemente conexe

Alte proiecte

Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere de pe motorul de aer

linkuri externe

Site - ul motorului de aer Angelo Di Pietro , pe engineair.com.au.
Disinformaticul: Ce s-a întâmplat cu Aeolus, mașina aeriană? Pe attivissimo.blogspot.com.
(EN, FR) Site - ul oficial al proiectului francez pe mdi.lu.
Considerații și calcule în conformitate cu " ASPO (secțiunea italiană)

Portal de ecologie și mediu

Portal mecanic

[1] Aeolus, aerul masina merge în fum Compania concediază angajații pe giornaletecnologico.it, tehnologice Ziar, 5 decembrie 2005. Adus de 16 septembrie 2007 (depusă de „URL - ul original 28 septembrie 2007).

[2] Cu aer comprimat în loc de benzina provine din India Citycat, masina viitorului , de repubblica.it, Republica. Adus de douăzeci și unu iunie 2007.

[3] Articolul pe motorul rotativ Angelo Di Pietro

[4] Vine CityCats, masina cu motor aerul comprimat Zeus News, 29 mai 2007

[1]

[2]

[3]

[4]