Page 1

APUNTS DE TECNOLOGIA INDUSTRIAL PRIMER BATXILLERAT

INSTITUT CAN MAS DE RIPOLLET DEPARTAMENT DE TECNOLOGIA. CURS 2014-2015 Autor : Jordi Polo i Mercader

1


CONSIDERACIONS IMPORTANTS : En aquests apunts estan tots els continguts que es treballaran durant el curs. També es troben desenvolupats molt més ampliament al curs de Moodle de l´aula virtual del centre. Per accedir i inscriure´s a aquest curs cal fer- ho des de : http://www.inscanmas.cat/moodle si s´accedeix des de fora del centre o http://192.168.0.240/moodle si s´accedeix des de dins del centre. Es indispensable està inscrit en el curs ja que el seguiment i la publicació de les notes es farà des d´aquest. Per això cal tenir un usuari i una contrasenya que es facilitarà des de la tutoria. Els alumnes que ja han estat matriculats en el centre utilitzaran la que ja teníen. CRITERIS D´AVALUACIÓ I PUNTUACIÓ  L´avaluació és trimestral.  Cada trimestre es realitzaran un mínim de tres examens d´1, 2 o 3 temes cada un. En els examens poden haver continguts teòrics i sempre exercicis i problemes.  La mitja de la nota dels examens ( es farà mitja a partir de 3 ) és el 75% de la nota del trimestre, l´altre 25% correspon a exercicis pràctics, pràctiques o treball a l´aula taller.  La nota final de l´assignatura serà la mitja de la nota dels 3 trimestres.  Cap al final del primer i segon trimestre, durant la setmana d´examens, els alumnes que no hagin superat els continguts del trimestre podran presentar-se a l´examen de recuperació. La recuperació pot ser de tot el trimestre o dels temes suspesos. La nota màxima de recuperació serà de 5 punts.  Els alumnes que hagin aprovat la part de continguts i vulguin pujar nota també ho podran fer durant la setmana d´examens fent un examen especial de tot el trimestre. Sempre es tindrà en compte la millor de les notes.  La part de exercicis pràctics, pràctiques i projecte de l´aula-taller no es recupera trimestralment sinó a final de curs.  La realització del projecte i el lliurament de la memòria és obligatori. La no realització o no finalització del projecte o el no lliurar la memòria en el plaç convingut suposarà la suspensió de l´assignatura.

2


ÍNDEX DE CONTINGUTS  TEMA 1. Introducció a l´Energia. ( pag 5 ) o Exercicis tema 1. ( pag 11 )  TEMA 2. Els Combustibles fòssils. ( pag 14 ) o Exercicis tema 2. ( pag 16 )  TEMA 3. Centrals Tèrmiques i Nuclears. ( pag 19 ) o Exercicis tema 3. ( pag 32 )  TEMA 4. Energies Renovables 1. Energia Hidràulica, Energia Solar i Energia Eòlica. ( pag 34 ) o Exercicis tema 4. ( pag 44)  TEMA 5. Energies Renovables 2. Energia Geotèrmica, del mar, de la biomassa i els RSU. ( pag 47 ) o Exercicis tema 5. ( pag 68 )  TEMA 6. Producció i distribució de l´energia. ( pag 58 ) o Exercicis tema 6. ( pag 68 )  TEMA 7. Propietats dels materials. Els metalls, el ferro, l´acer i els metalls no fèrrics. ( pag 70 ) o Exercicis tema 7. ( pag 102 )  TEMA 8. Altres materials d´ús tècnic. ( pag 88 ) o Exercicis tema 8. ( pag 102 )  TEMA 9. Màquines i mecanismes 1. Mecanismes de transmissió i transformació del moviment. ( pag 104 ) o Exercicis tema 9. ( pag 119 )  TEMA 10. Màquines i mecanismes 2. Mecanismes d´acoblament i retenció d´eixos. ( pag 126 ) o Exercicis tema 10. ( pag 143 )  TEMA 11. Circuits Pneumàtics i Hidràulics. Elements, components i el seu funcionament. Simulació de circuits pneumàtics. ( pag 144 ) o Exercicis tema 11. ( pag 166 ) o Proposta de circuits Pneumàtics. ( pag 169 ) 3


 TEMA 12. Circuits Elèctrics. Elements, components i el seu funcionament. Simulació de circuits elèctrics. ( pag 172 ) o Exercicis tema 12. ( pag 195 ) o Exercicis circuits de corrent altern. ( pag 200)  TEMA 13. Projecte constructiu aula-taller de tecnologia. ( pag 201 )

4


Tema 1. Introducció a l´Energia. Comencem el batxillerat tecnològic estudiant l’energia. Per què? Quina és la seva importància, tecnològicament parlant? Què és el que ens cal saber? Només tres coses, tot prenent com a punt de partida els coneixements proporcionats per la ciència per tal de, entre d’altres, contribuir al seu avanç.

5


6


UNITATS DE MESURA Les unitats que s'accepten a Espanya com a oficials s'estableixen en el Reial Decret 1737/1997 de 20 de novembre. Van ser publicades pel Ministeri d'Obres Públiques i Urbanisme, i des de llavors, a Espanya s'accepta com a únic a efectes legals el Sistema Internacional d'Unitats (SI), adoptat també per la Conferència General de Pesos i Mesures i vigent a la Comunitat Econòmica Europea . Aquest sistema de mesures estableix set unitats per mesurar set coses (o, més tècnicament, set magnituds) que s'estableixen com a bàsiques:

Per mesurar una distància o longitud [L] s'utilitza el metre, que se simbolitza per m. Per mesurar la quantitat de massa [M] d'un objecte s'usa el quilogram, que se simbolitza per kg. El temps [t] es mesura en segons, amb el símbol s. La temperatura [T] es mesura en kelvin (de vegades anomenat graus Kelvin), que se simbolitzen per K, encara que és molt corrent treballar amb el grau Celsius o centígrad, de valor T (° C) = T (K) 273, 15 (K). La cinquena magnitud bàsica és la intensitat de corrent elèctric [I], que es mesura en amperes, el símbol és A. Les dues últimes magnituds bàsiques són la quantitat de substància, que es mesura en mols i laintensitat lluminosa que es mesura en candeles (cd), però en aquest curs no es treballarà amb elles. Com resum, tenim la taula, amb les unitats que utilitzarem:

7


UNITATS DE MAGNITUD DERIVADES Són les unitats utilitzades per expressar magnituds físiques que són resultat de combinar magnituds bàsiques. És a dir, si no s'està mesurant longitud, massa, temps, intensitat de corrent elèctric, temperatura,quantitat de substància o intensitat lluminosa, es tracta d'una magnitud derivada. Com a exemple de magnituds derivades i la unitat en què es mesuren, es pot esmentar:

La superfície [S] és l'extensió de llarg i ample d'una figura plana i en el SI es mesura en metres quadrats,que es representen per m². El volum [V] és la capacitat que cap en l'interior d'un cos tridimensional, i la seva unitat en el SI és el metre cúbic, o m³. La velocitat [v] és la distància que recorre un objecte durant un temps, per tant és el resultat de dividirlongitud entre temps, per la qual cosa la seva unitat és el metre dividit per segon: [v] = [L] / [t] = m/s L'acceleració [a] és el que augmenta la velocitat d'un objecte durant un temps, així que és el resultat de dividir velocitat entre temps, per la qual cosa la seva unitat serà: [a] = [v] / [t] = (m/s) / s = m/s²

La densitat d'un objecte ens dóna idea del pesat que és aquest objecte en relació amb la grandària que té.És a

8


UNITATS FORA DEL SISTEMA INTERNACIONAL

MÚLTIPLES I SUBMÚLTIPLES

De vegades és necessari intercanviar la unitat d'una magnitud per una altra més adequada o més còmodaper al seu ús. El més senzill moltes vegades és aplicar una simple regla de tres directa. Per exemple, si volem calcular l'equivalència en segons de 38 minuts: 1 minut - 60 segons 38 minuts - x segons

9


En altres casos el procés es pot complicar utilitzant les regles de tres. Per exemple, en el SI la velocitat es mesura en m / s, però ens és molt més familiar parlar de quilòmetres per hora (km / h). En el procésd'aplicar regles de tres és molt fàcil equivocar-se. El factor de conversió és una fracció en què el numerador i el denominador són la mateixa mesura, peròexpressada en unitats diferents, de tal manera, que es multiplica i es divideix una mesura per una fracció que val la unitat. Per exemple, en el cas dels 38 minuts:

en multiplicar per dues mesures iguals, com són 60 si 1 min no es canvia la igualtat, només es calculal'equivalència. Ara bé, cal anar amb compte en aplicar els factors de conversió, per col · locar en el denominador o en el numerador la unitat adequada.

Quan s'ha de realitzar la conversió de diverses unitats, es va multiplicant per successius factors,transformant cadascuna de les unitats. Per exemple, per transformar 60 km / hi calcular la seva equivalent en m / s:

I sempre tenint cura que el denominador del factor de conversió s'elimini amb un altre numerador, es poden aplicar el procés fins a obtenir la unitat desitjada, per exemple, per passar 50 CV a kW:

10


Exercicis Tema 1 1.

Per mantenir sensiblement constant la temperatura d'un producte durant el transport, s'embala en un contenidor de poliestirè expandit (EPS o porexpan) de densitat  = 3 0,05 kg/dm . Aquest contenidor és cúbic d'aresta exterior L ext = 400 mm i, centrat a l'interior, deixa un volum també cúbic d'aresta L int = 200 mm. Quin és el seu pes?

2.

Quant de temps trigarà una bomba d’aigua de 8 CV en elevar 1.000 L fins a un dipòsit situat a 50 m d’alçada?

3.

Hem trigat 1 minut a aixecar una galleda amb 5 L d’aigua des del terra fins a una alçada de 10 m. Per fer-ho, hem exercit una força pràcticament igual al pes de l’aigua, perquè el pes de la galleda és pràcticament nul. a) Quant val el treball què hem fet? b) Quina ha estat la potència què hem desenvolupat?

4.

Una grua aixeca un cos de 500 kg a 12 m en 0,25 min, vencent una força de fregament de 200 N. Calcula: a) La força que fa el cable de la grua per pujar la càrrega. b) El treball realitzat. c) La potència desenvolupada.

5.

Des d’un helicòpter es llança un objecte de 2 kg quan es troba a una altura de 100 m. Calcula l’energia mecànica, cinètica i potencial d’aquest objecte: a) Abans de llançar-lo b) A 10 m del terra c) Quan impacta amb el terra d) Ets capaç d’esbrinar amb quina velocitat impactarà l’objecte amb el terra?

6.

Calcula les equivalències següents, les quals es refereixen a treball (o energia) i a potència A quants kW equivalen 10 CV? A quants CV equivalen 1.500 W? A quants J equivalen 100 Wh?

A quants kJ equivalen 8 kWh? A quants MWh equivalen 867 Gcal? A quants J equivalen 456 kWh? A quantes cal equivalen 100 CVh? A quantes kcal equivalen 10 kJ? A quantes cal equivalen 4 kWh?

7.

Quina energia consumeix una bombeta de 100 W si està encesa durant tot un dia? Expressa el resultat en unitats d’energia elèctrica, què ésla què consumeix la bombeta.

11


8.

Quina és l’energia que ha de cedir una bateria de 9 V per fer funcionar un motor elèctric de manera que pel circuit circuli una intensitat de 250 mA durant 3 hores?

9.

Un calefactor elèctric domèstic consumeix una potència de 2.000 W. a) Quina intensitat de corrent el travessarà? Recorda quina és la tensió de la xarxa domèstica. b) Quina energia haurà consumit al cap de 10 hores d’estar funcionant? c) Quin és el cost d’aquesta energia, suposant que el preu del kWh és 0,09 €?

10. Volem construir una màquina per aixecar caixes de 5 Tn a una alçada de 15 m, a un ritme d’1 caixa cada 2,5 min. Si sabem que, per construcció, la màquina no podrà superar el 90% de rendiment: a) Quin ha de ser el seu treball útil? b) Quina ha de ser la seva potència útil? c) Quina potència ha de consumir la màquina? 11. Una escala mecànica eleva a 2,5 m d’alçada 5.000 persones per hora. Calcular la potència necessària del motor sabent què el sistema té un rendiment mecànic del 90%. Podem prendre 60 kg com a pes mitjà d’una persona. 12. Al menjador de casa tenim una làmpada amb tres bombetes incandescents de 100 W enceses una mitjana de 3 hores al dia. Si les canviem per tres bombetes fluorescents que donin una llum similar, quants diners estalviarem al mes? Cal investigar: a) Quina potència ha de tenir una bombeta fluorescent per donar la mateixa llum que una incandescent de 100 W. b) Quin és el preu real del kWh, segons la darrera factura elèctrica.

12


ANNEX. Unitats de mesura

Unitats de Treball i Energia Sistema Internacional

Joule (J) 1J=1N·1m

Sistema Tècnic

kilpondímetre (kpm) 1 kpm = 1 kp · 1 m

Sistema CGS

Altres Unitats

1 J = 9,8 kpm 7

erg 1 erg = 1 dina · 1 cm

1 J = 10 erg

kilowatt-hora (kWh) caloria (cal)

1 kWh = 3.600.000 J 1 cal = 4,18 J

Unitats de Potència Sistema Internacional

Watt (W) 1W=1J/1s

Sistema Tècnic

kpm/s

1 W = 9,8 kpm/s

Sistema CGS

erg/s

1 W = 10 erg/s

Altres Unitats

Cavall de vapor (CV)

1 CV = 736 W

7

13


Tema 2. Els combustibles fòssils. El consum d’energia primària al món es satisfà principalment amb la crema de combustibles fòssils: carbó, petroli i gas natural.

14


15


Exercicis Tema 2 3

1.

Quin és el rendiment d’un escalfador que consumeix 1 m de gas natural per incrementar en 30 ºC la temperatura de 400 L d’aigua si el poder calorífic del gas 3 natural és de 10.500 kcal/m , la pressió de subministrament és d’1,5 atm i la emperatura ambient és de 30 ºC?

2.

Calcular el cost d’una dutxa de 10 minuts amb aigua a 35 ºC utilitzant un escalfador que funciona amb butà i té un rendiment del 80%. L’aigua surt de la dutxa a raó de 4 litres/minut i està inicialment a 15 ºC. Dades que cal esbrinar: Poder calorífic del butà en condicions normals (en taula annexa) Volum de butà que conté una bombona comercial Cost d’una bombona de butà A la web de Repsol trobareu les dades que necessiteu sobre el butà: http://www.repsol.com/SA/Herramientas/ListadoPreciosButanoPropanoEnvasado/precios.aspx

3.

Una explotació d’extracció subterrània d’antracita utilitza aquest mateix combustible per alimentar la grua d’elevació del mineral fins a la superfície, la qual rep la força motriu d’una màquina de vapor. Calculeu la massa d’antracita que consumeix aquesta màquina de vapor per elevar, des de 150 m de profunditat, una tona de mineral si el rendiment total del sistema és del 19%.

4.

Un usuari consumeix un promedi de 4 botelles de butà mensuals i vol contractar gas natural. a) Calcula el volum de gas natural que consumirà mensualment. b) Calcula el preu que ha de pagar per el butà consumit i el que pagarà pel gas natural, suposant el mateix consum energètic. Dades que cal esbrinar: Poder calorífic dels combustibles (en taula annexa) Dades del butà d’una bombona comercial (de l’exerc ici 02) Preu del gas natural (darrera factura de gas)

16


5.

Calcula les equivalències següents: 3,5 tec = .......... J 7 tep = .......... MJ 10 kJ = .......... kcal 4 kW·h = .......... cal 1 MW·h = .......... tep

6.

Es vol mantenir un local de 750 m a 23 ºC durant 12 hores diàries ininterrompudes tots els dies de la semana utilitzant un sistema de calefacció amb gas natural, què costa 0,47 €/m, i amb un rendiment del 80 %. El local es troba inicialment a 10 ºC, i a travès de les parets i de les finestres es perden 16 kW de calor. Calcular:

3

3

a. El cost inicial necessari per escalfar l’aire de l’habitació, sabent que el procés dura una hora. b. El cost mensual d’aquest sistema de calefacció. c. El cost mensual si s’utilitzèssin sistem,es elèctrics del mateix rendiment a 0,09 €/kWh 3

7.

Calcular la quantitat (m ) de gas ciutat què cal cremar en una coqueria per transformar el carbó d’hulla en carbó de coc, si calen 2.108 kcali el rendiment del sistema és del 95%. La pressió de subministrament del gas ciutat és de 2 atm i la temperatura de 30 ºC.

8.

Si 1 kg d’urani produeix una energia similar a 200.000 kg de carbó, quantes TEC produirà la fissió d’1 kg d’urani?

9.

Calcular les quantitats de benzina i d’antracita que es necessitarien per generar l’energia produïda en la desintegració total de 10 g d’uranienriquit.

10. El consum mitjà d’energia a Espanya és de 3,35 TEP per habitant i any. Estimant què el 93% d’aquesta energia prové de fonts no renovables, calcula el nombre de barrils equivalents de petroli (BEP) que caldríen a l’any per obtenir l’energia procedent de fonts renovables. Dades: 1 TEP = 7,2056 BEP / població = 45 milions d ’habitants

17


ANNEX. Dades físiques d’alguns combustibles Torba pc = 2.000 kcal/kg Lignit pc = 6.000 kcal/kg Hulla pc = 7.000 kcal/kg Antracita pc = 8.000 kcal/kg Benzina pc = 46.000 kJ/kg Gasoil pc = 44.000 kJ/kg Butà pc (CN) = 28.700 3 kcal/m pc (CN) = 23.500 Propà 3 kcal/m pc (CN) = 46.000 Gas 3 kJ/m natural Gas pc (CN) = 5.000 3 ciutat Kcal/m Dades físiques de l’aigua Dades físiques de l’aire sec

ρ = 360 kg/m

3

ρ = 1.050 kg/m

3

ρ = 1.350 kg/m

3

ρ = 875 kg/m

3

ρ = 0,72 kg/dm

3

ρ = 0,80 kg/dm

3

ρ = 2,6 kg/m

3

ρ = 2,25 kg/m

3

ce = 4,18 kJ/kg·ºC = 1 kcal/kg·ºC ce = 0,24 kcal/kg·ºC = 1 kcal/kg·ºC

ρ=1 3 kg/dm ρ = 1,21 3 kg/m

18


Tema 3. Centrals Tèrmiques i Nuclears. 1. CENTRALS TERMOELÈCTRIQUES Les centrals termoelèctriques aprofiten els combustibles fòssils per cremar en una caldera i obtenir elergía elèctrica. El carbó es barreja amb pedra calcària, es mol i impulsa per un corrent d'aire calent. Aquesta tècnica es denomina combustió en llit fluid, i amb ella s'aconsegueix que la calcària reaccioni amb els compostos de sofre. En el cas del fuel, s'introdueix a la caldera mitjançant un aspersor que fa girar al líquid i aquest es dispersa per força centrífuga. Amb això s'aconsegueix millorar el rendiment de la combustió. El gas natural s'introdueix a través d'una vàlvula antiretorn.

La calor generada serveix per escalfar aigua fins a la seva vaporització. Després aquest vapor a pressió es fa passar per turbines, que giren per acció del vapor i aquest gir es transmet a un eix que mou un generador elèctric. A continuació el vapor d'aigua es condensa mitjançant dutxes d'aigua freda en torres de refrigeració i es retorna al cicle.

Per aprofitar al màxim la calor de la combustió i elevar el rendiment es fan una sèrie de millores, com fer que la caldera tingui forma d'U invertida (l'aire calent tendeix a quedar-se a la part superior), amb aquest corrent es caldeja l'aire que s'introdueix a la caldera, etc. I per a disminuir en el possible l'impacte mediambiental, s'apliquen altres tècniques, com fer passar els fums, abans de ser expulsats, per una malla carregada elèctricament per retenir partícules de sulfat de calci, o xemeneies molt altes per retenir cendres Les centrals tèrmiques necessiten aigua, d'aquí la seva localització en les proximitats de rius o llacs, per refrigerar. La refrigeració és necessària per mantenir en funcionament el vapor que transporta l'energia des de les calderes a les turbines. Un cop utilitzat en moure les turbines i el generador, el vapor es converteix en vapor "mort", i ha de transformar de nou en un fluid d'alta densitat (aigua líquida), perquè pugui rebre una altra vegada la transferència de calor de la caldera tèrmica.

19


ELEMENTS D´UNA CENTRAL TÈRMICA CONVENCIONAL 

Dipòsit de combustible: Instal · lacions disposades per a l'emmagatzematge del combustible utilitzat per la central. Aquest combustible pot ser: carbó, gas natural, derivats del petroli (fuel, gasoil).

Calderes: Fabricades amb materials resistents a altes pressions i temperatures, en elles es transforma l'energia química en calorífica.

Xemeneies: Lloc per on s'expulsen el gasos i subproductes resultants de la combustió dels combustibles fòssils emprats en la central. Depenent del combustible emprat els efectes contaminants són diferents.

20


Generador de vapor: A partir de l'energia calorífica generada, en funció del poder calorífic del combustible emprat, és aquí on es genera el vapor a pressió. Mitjançant la combustió en el forn, l'aigua de la caldera es fa bullir i es produeix vapor sobreescalfat i altes pressions.

Bateria de turbines: Sol estar formada per tres turbines. La primera rep el vapor generat a major pressió, part d'aquest vapor passa a la segona turbina a mitja pressió i la resta del vapor és reconduït a un precalentador per aprofitar l'energia interna que encara posseeix aquest vapor. Es torna a repetir el procés a la turbina de mitjana pressió, i l'excés de vapor s'empra en una altra turbina de baixa pressió. Part del vapor sortint d'aquesta tercera turbina es condueix al precalentador i l'altra al condensador.

Rescalfador o sobreescalfador: la seva funcions evaporar les partícules d'aigua líquida que acompanyen el vapor procedent de la caldera, mienrtas que els preescalfadors aprofiten l'energia interna que conté el vapor que procedeix de la turbina d'alta i mitja pressió.

Condensador. - S'encarrega de condensar el vapor d'aigua procedent de les turbines. Està refrigerat per un circuit d'aigua independent. Pot ser un circuit obert o tancat.

21


La refrigeració en circuit obert consisteix simplement a fer passar l'aigua d'un riu, embassament o la mar pel circuit del condensador. Un cop transferit la calor, es retorna íntegrament a la massa d'aigua.

El circuit tancat requereix un volum d'aigua molt menor. El vapor passa primer a una torre de refredament, on circula per fines reixes que asseguren la transferència de calor a l'atmosfera.

El procés no és completament tancat, perquè part de l'aigua es perd per evaporació en l'atmosfera. Cal alimentar el circuit amb un suplement d'aigua fresca procedent d'un riu o embassament. 

Torre Generadora de vapor: A partir de l'energia calorífica generada, en funció del poder calorífic del combustible emprat, és aquí on es genera el vapor a pressió. Mitjançant la combustió en el forn, l'aigua de la caldera es fa bullir i es produeix vapor sobreescalfat i altes pressions.

Generador de corrent: la bateria de turbines són solidàries al mateix eix, així, vam aconseguir que l'energia mecànica total obtinguda és la suma de la produïda per cadascuna de les turbines. Aquesta energia es transmet al generador produint corrent altern trifàsic.

Transformador: abans de passar l'energia elèctrica generada a la central a la línia de distribució, se la fa passar per un transformador per augmentar la seva tensió i evitar pèrdues durant el transport per la xarxa de distribució d'alta tensió.

22


Esquema d´una central tèrmica convencional.

2. CENTRALS TÈRMIQUES DE CICLE COMBINAT Aquesta central utilitza gas natural com a combustible i per generar electricitat empra la tradicional turbinade vapor i una turbina de gas que aprofita l'energia dels gasos d'escapament de la combustió. Amb això s'aconsegueixen rendiments termoelèctrics de l'ordre del 55%, molt superior al de les plantesconvencionals. 23


1. - El procés de generació d'energia elèctrica en una planta de cicle combinat comença amb l'aspiració d'aire des de l'exterior conduït al compressor de la turbina de gas a través d'un filtre. 2. - L'aire és comprimit i combinat amb el combustible (gas natural) en una cambra on es realitza la combustió. El resultat és un flux de gasos calents que en expandir fan girar la turbina de gas proporcionanttreball. Un Generador acoblat a la turbina de gas transforma aquest treball en energia elèctrica. 3. - Els gasos d'escapament que surten de la turbina de gas passen a la caldera de recuperació de calor. En aquesta caldera s'extreu la major part de la calor encara disponible en els gasos d'escapament produint vapor d'aigua a pressió per a la turbina de vapor. Finalment els gasos es retornen a l'atmosfera després d'haver passat per la xemeneia. 4. - El vapor que surt de la Turbina de Vapor, passa a un condensador on es transforma en aigua. Aquestcondensador és refrigerat mitjançant aire o aigua, l'aire circula per la superfície del condensador, el que ocasiona la dissipació de la calor latent contingut en el vapor a l'atmosfera. 5. - Posteriorment l'aigua és bombada a alta pressió fins a la Caldera de Recuperació per iniciar novament el cicle.

L'equipament principal que inclouen les plantes de cicle combinat és el següent: Una turbina de gas, que proporcionen 2/3 de la potència total de la planta. Una Turbina de Vapor, que proporcionen 1/3 de la potència total de la planta. Una s Caldera de Recuperació de calor. Aquest equip genera vapor d'aigua aprofitant l'energia disponible en els gasos d'escapament de la turbina de gas, el qual s'expansiona en la Turbina de Vapor. En aquest tipus d'instal ·lacions es disposa d'una caldera de recuperació per cada Turbina de Gas. Estació mesuradora i reductora de la pressió del gas natural.  Sistema de control basat en microprocessadors per a la central.  Sistema de refrigeració la fi última és condensar el vapor expansionat en la Turbina de Vapor de manera que l'aigua condensada pugui ser alimentada de nou a la Caldera de Recuperació.

24


3. FISSIÓ NUCLEAR. Els 105 elements de la taula periòdica són els constituents elementals de la matèria. Quan es combinen elements en quantitats fixes obtenim molècules o compostos. Tots els elements es representen mitjançant una o dues lletres que representen el seu nom en llatí i al voltant s'escriuen quatre números amb el significat següent:

Z: nombre atòmic, és el nombre de protons del nucli, també és el número d'ordre de l'element en la taula periòdica. A: nombre màssic, és la suma de protons i neutrons en un nucli: també és la massa en grams d'1 mol (6,023 · 1023 àtoms) de l'element. Q: càrrega de ionització, és la quantitat d'electrons de valència que ha cedit o captat. E: nombre d'àtoms que formen part d'una molècula.

A la Natura es troben àtoms amb el mateix nombre de protons però diferent nombre de neutrons. A aquests àtoms se'ls crida variants o isòtops d'aquest element. Alguns isòtops són inestables i es transformen espontàniament en altres elements, emetent partícules o energia que poden provoquen reaccions químiques, com transformar oxigen (O2) en ozó (O3), destruir o modificar l'ADN de cèl · lules vives. A aquest fenomen d'alliberament se li coneix com radioactivitat natural i poden durar milers de milions d'anys. A la Natura es troben àtoms amb el mateix nombre de protons però diferent nombre de neutrons. A aquests àtoms se'ls crida variants o isòtops d'aquest element. Alguns isòtops són inestables i es transformen espontàniament en altres elements, emetent partícules o energia que poden provoquen reaccions químiques, com transformar oxigen (O2) en ozó (O3), destruir o modificar l'ADN de cèl · lules vives. A aquest fenomen d'alliberament se li coneix com radioactivitat natural i poden durar milers de milions d'anys. La radioactivitat pot ser de quatre tipus: Radiació alfa (α): són nuclis d'heli (24He) de gran energia, són expulsats a 20.000 km / s però poden ser detinguts per un full de paper. Radiació beta (β): són electrons (e-) emesos a velocitat pròxima a la de la llum, són detinguts per una làmina de metall. Radiació gamma (γ): són ones electromagnètiques que viatgen a la velocitat de la llum, i arriben a travessar plaques d'acer de 5 a 15 cm de gruix.

25


Neutrons: partícules procedents del nucli, que assoleixen 16.000 km / s, però es poden frenar i aturar amb aigua.

Les reaccions nuclears consisteixen a provocar artificialment la transformació d'elements, amb la qual cosa es genera calor, energia cinètica (les partícules emeses tenen velocitats des de 20.000 km / s en el cas de la radiació α fins a velocitats properes a la de la llum en la radiació β) i calor, ja que sempre es desintegra una part de massa que es transforma en energia segons l'equació d'Einstein:

E=m·c² En les reaccions nuclears de fissió s'aprofita l'energia alliberada al trencar àtoms de nuclis pesats, com l'urani-235 (235U) o el plutoni-239 (239Pu). Per a això es bombardegen els nuclis dels àtoms amb neutrons de baixa velocitat, l'urani els absorbeix i es converteix en urani-236, que és molt inestable. Aquest es trenca en dos fragments (bar 141Ba i kriptón 92Kr), alliberant radiació β i dos o tres neutrons ràpids. En aquest procés hi ha una pèrdua de massa de 3,57 · 10-25 grams. Quan no es deté a aquests neutrons ràpids, poden xocar amb altres àtoms d'urani i es produeix una reacció en cadena que dóna lloc a una explosió. Per això cal una quantitat de substància coneguda com a massa crítica, suficient com perquè els neutrons trobin un nucli abans que surtin fora de la massa d'urani. Per evitar que es produeixi una explosió, el procés es realitza dins d'un atuell o reactor nuclear ple d'un moderador que frena la velocitat dels neutrons. A més, per limitar el nombre de neutrons es disposa d'unes barres de bor o cadmi que s'introdueixen entre el combustible, ja que aquests materials absorbeixenneutrons. Són les barres de control. Després de ser frenats, els neutrons ja van a velocitats lentes (se'ls denomina neutrons tèrmics), i poden serabsorbits per les barres de control, xocar amb un àtom de 238U, o amb un altre àtom de 235U, produint unanova fissió i generant calor. Per aprofitar la calor generada es fa passar un refrigerant com a gas o sodi fos,o més sovint aigua, que actuen no només com a refrigerant, sinó també com a moderador. El combustible és una barreja de 238U enriquit artificialment fins amb un 5% de 235U, que 26


s'introdueix enbarres o beines d'acer subjectes a una armadura metàl · lic de secció quadrada anomenat element combustible, a ell també van adossades les barres de controls.

CENTRALS NUCLEARS Són instal · lacions similars a les centrals termoelèctriques clàssiques de combustibles fòssils, amb la calor generada en un reactor de fissió. El reactor està tancat dins d'un vas d'acer de 20 cm de gruix. El refrigerant s'introdueix per la part inferior del reactor i calor que recull s'aprofita per fer girar turbines de vapor que, al seu torn, impulsen a un alternador per a produir energia elèctrica.

27


L'atuell és a l'interior d'un edifici de contenció, construït amb parets de formigó de fins a 5 m de gruix,recobertes interiorment per un revestiment d'acer. Dins d'aquest edifici es alberga tot el material que tingui contacte amb la radioactivitat, fins i tot es manté una lleugera depressió de l'aire a l'interior perquè no hi hagi fuites, i hi ha unes piscines per a emmagatzematge de combustible nou i gastat. Un altre edifici contigua alberga les instal · lacions auxiliars de control i generació. Aquestes centrals es denominen centrals de neutrons lents o tèrmics, i existeixen dos tipus, depenent de que el circuit d'aigua que passa pel reactor passi o no per la turbina: 

Centrals d'aigua en ebullició (BWR)

Tenen un circuit primari d'aigua que passa pel reactor i després evaporar, el vapor passa per la turbina. Un circuit secundari condensa l'aigua del circuit primari.

Centrals d'aigua a pressió (PWR)

El circuit primari d'aigua que passa pel reactor i s'usa per evaporar aigua 28


d'un circuit secundari, i aquest vapor és el que passa per la turbina. Un circuit terciari condensa l'aigua del circuit secundari.

Les noves investigacions avancen en el camp de centrals de neutrons ràpids, en les quals no hi ha moderador i el combustible és plutoni-239. A més, s'aprofita el plutoni procedent del desmantellament d'armament nuclear. Encara que s'utilitzen tecnologies molt avançades, els rendiments de les centrals termonuclears tenen valors al voltant del 0,08%. En climes molt freds s'aprofita la calor residual com calefacció, de manera que el rendiment de la cogeneració arriba fins al 2,5%.

ALTRES APLICACIONS A les armes atòmiques es permet la reacció en cadena, ajuntant diversos trossos d'urani o plutoni mitjançant una explosió de dinamita. Això completa la massa crítica de combustible i l'energia generada provoca una ona de pressió i temperatura elevadíssimes. Les hèlixs propulsores d'alguns vaixells i submarins giren gràcies a les turbines alimentades amb vapor generat en un reactor nuclear. Aquestes naus arriben a estar fins a dos anys sense tocar port. En molts casos es menysprea la creació d'energia, però es fa ús de la radiació:    

Aplicacions en la salut: radiografies, tractament de càncers o esterilització d'instrumental. Aplicacions industrials: radiografies a peces metàl · liques per inspeccionar ruptures o defectes en soldadures. Aplicacions agrícoles: irradiant insectes per esterilitzar o aliments per a la seva conservació. Aplicacions en recerca històrica: mitjançant la datació d'antiguitat pel carboni 14.

RESIDUS I DESMANTELLAMENT Una de les bases de l'energia nuclear és la nul · la emissió a l'atmosfera de diòxid de carboni, però a canvi, la possibilitat de contaminació radioactiva s'estén a tot l'anomenat cicle de l'urani, i que comprèn l'extracció a la mina, la refinació i enriquiment, el treball a la central i l'evacuació i tractament de les deixalles radioactius. A les centrals es tenen uns nivells de radiació molt inferiors al produït per altres fonts naturals o 29


artificials, i la contaminació es deu principalment a fuites i als residus. Els residus gasosos i líquids com l'aire de les mines i centrals nuclears es filtra i s'expulsa a l'atmosfera en concentracions legals. Els residus sòlids de combustible gastat segueixen tenint alta activitat i se sol emmagatzemar a la pròpia central. No obstant això, els residus de mitjana i baixa activitat es transporten a factories de regeneració per extreure el material fissible que quedi i els residus, així com els procedents d'hospitals o mines, es fonen juntament amb una massa vítria i s'introdueixen en bidons recoberts interiorment de formigó i emmagatzemats en zones geològicament estables com mines de sal o el propi fons marí.

4.Fusió Nuclear. La fusió nuclear és un recurs en fase de desenvolupament que consisteix a unir nuclis d'elements lleugers.Els elements de partida són dos isòtops de l'hidrogen, anomenats deuteri (12H) i triti (13H), per formar heli(24He). En la reacció hi ha una lleugera pèrdua de massa, i per cada gram de deuteri consumit es generen6,16 · 1016 J d'energia. A més de la radiació α (nuclis d'heli) inherent al procés, també s'emet radiació γ(electrons)

Per vèncer la repulsió entre els nuclis, s'escalfen els àtoms fins a uns 50 milions de graus centígrads mitjançant raigs làser (o una bomba atòmica de fissió en les armes termonuclears). A aquesta temperatura s'alliberen els electrons i el gas rep el nom de plasma. La fusió nuclear es produeix constantment en els estels, però al nostre planeta el procés es complica perquè el material de fusió s'ha de mantenir a aquestes temperatures sense contacte físic amb el recipient que el contingui, i això es fa per dos possibles mètodes: 30


per confinament inercial, s'aconsegueix comprimint una pastilla d'hidrogen mitjançant làsers de gran potència.

per confinament magnètic: ja que el plasma està format per partícules carregades, aquestes estan obligades a moure descrivint hèlixs al llarg de les línies magnètiques en els reactors formats per enormes bobines magnètiques toroïdals (en forma de donut).

Per la mateixa quantitat de combustible, en les reaccions de fusió s'allibera més energia que en les reaccions de fissió, però fins ara els reactors experimentals, entre els quals es troba el projecte internacional ITER i els antics Tokamak soviètics, només mantenen la fusió durant molt poc temps (microsegons). Ara bé, com la densitat és molt alta, es produeixen moltes reaccions. De tota manera,l'energia requerida actualment per obtenir els combustibles i iniciar el procés és superior a l'energia ques'extreu. El deuteri és present a les molècules d'H2O en petites proporcions, però l'omnipresència de l'aigua proporciona quantitats immenses de l'isòtop. Per la seva banda, el triti s'obté artificialment a partir del liti,que és freqüent en la Natura. 31


Exercicis Tema 3. 1. Les famoses cataractes del Niàgara tenen una alçada de 47 m. La central hidroelèctrica instal·lada allà té una potència de 2.10

6 P

kW. Si el rendiment del

P

procés de transformació d’energies a l’ alternador de la central és del 90%, Quants 3

m d’aigua cauen per segon per les cataractes? P

P

2. Una central tèrmica produeix 5500 kWh. Sabent que utilitza antracita com a combustible i que, aproximadament, aprofita el 20% del combustible cremat per a generar electricitat. Calcula la quantitat de tones diàries que son necessàries per fer funcionar la central. Dades: Poder calorífic antracita: 8000kcal/kg.

3. Quina quantitat de butà serà necessari cremar per obtenir una energia calorífica de 10kWh? La pressió del cremador és de 2atm i la temperatura de 28ºC. Dades: Poder calorífic butà (C.N.): 22800kcal/m3.

4. Es disposa d’un motor per bombejar aigua a un dipòsit que es troba a 40m d’alçada. Calcula el seu rendiment si amb 3kg de combustible (Gasoil) es subministren al dipòsit 100000L. Dades: Poder calorífic gasoil: 10300kcal/kg.

5. Un motor de gas fa funcionar una grua que eleva un pes de 1000kg a una alçada de 27m. Calcula el volum de gas que s’ha de cremar en el motor suposant que la pressió del gas subministrat es de 3atm, la temperatura del combustible és 22ºC i el rendiment del motor =24%. Dades: Poder calorífic gas: 10100kcal/m3.

6. Una central nuclear de 10MW, té un rendiment del 33%. Quin serà el defecte de massa de les reaccions nuclears que transcorren en el reactor per fer funcionar la central durant un any? 7. Una central tèrmica amb un rendiment del 40% funciona amb pneumàtics usats cremats. Si genera diàriament 1200 KWh, calcula quants quilograms de pneumàtics serà capaç de consumir suposant que el poder calorífic mitjà d’aquests és 6500 Kcal/Kg.

32


8. Una ciutat genera diàriament 120 tones de RSU amb un poder calorífic mitjà de 1000 Kcal/Kg. Calcula quants KWh es poden obtenir mitjançant la seva incineració suposant un rendiment de la instal·lació del 60%, i valora l’estalvi econòmic si el cost de cada KWh és de 0,073€.

9. Una fàbrica necessita una aportació energètica diària d’1 MWh. Calcula la massa de combustible que necessita i el cost econòmic en cadascun dels casos següents: 

Si fa servir com a combustible carbó d’hulla de poder calorífic 7000 kcal/kg, a €0,15/kg i amb un rendiment energètic del 75%.

Si empra clovella d’ametlla de poder calorífic 4800 kcal/kg a18 ,€/t i amb un rendiment energètic del 75%.

Quina seria l’elecció de combustible més apropiada?.

10. Hem escalfat durant 15 minuts un recipient que conté 5 l d’aigua que inicialment estava a 25 ºC utilitzant un cremador de butà de 2KW amb un rendiment del 70%. A quina temperatura estarà l’aigua al final dels 15 minuts?. Quan haurà costat fer aquest escalfament?  Ce(aigua)= 1cal/gºC  Pc( gas butà )= 11100 Kcal/Kg  Massa de butà en una bombona = 12,5 Kg.  Preu de la bombona de gas butà = 12,7 E

33


TEMA 4. Energies renovables 1. Energia hidràulica, solar i eòlica. 1. ENERGIA HIDRÀULICA TIPUS DE TURBINES

PELTON

FRANCIS

KAPLAN

Com s'obté l'energia hidràulica? . S'obté de la caiguda de l'aigua des de certa altura, l'energia potencial emmagatzemada per l'aigua a aquesta altura, es transforma en energia cinètica que mou els àleps d'una turbina transformant-se en energia mecànica que mou al seu torn l'eix d'una turbina que acciona un generador que la transforma en energia elèctrica. És un recurs natural disponible en zones amb suficient quantitat d'aigua, encara que requereix la construcció de pantans, preses, canals de derivació i instal · lació de grans turbines i equipament fet que suposa un gran impacte ambiental molt menor que el produït per les centrals tèrmiques de combustibles fòssils. Per a la construcció dels embassaments necessitem preses, estructures generalment de formigó la missió és retenir l'aigua dels rius. Els tipus de preses més usuals són: 

Preses de gravetat. - Contraresten amb el seu pes l'empenta de l'aigua. Són insensibles als efectes atmosfèrics i al desbordament, però tenen com a inconvenient la lentitud en la seva construcció i la gran quantitat de materials que necessiten. Corren el perill de patir esquerdes. La seva secció sol ser triangular o trapezoïdal.

34


Preses de gravetat alleugerides. - Tenen una estructura buida que permet disminuir el seu pes. La seva seguretat és més gran i són molt elàstiques a les dilatacions

Preses d'arc o de volta senzilla. - La seva part convexa està dirigida aigües amunt, solen tenir secció triangular i són més estilitzades que les anteriors. Es construeixen quan el terreny és prou sòlid. L'empenta de l'aigua el transmeten als laterals on es recolza en els laterals de la muntanya. Necessiten menys quantitat de materials per a la seva construcció.

Les centrals hidroelèctriques solen ser preses de regulació, i el seu esquema és el següent: per l'interior de la presa discorre la conducció, que s'estreny formant una canonada forçada en arribar a la turbina. Per evitar sobrepressions hi ha xemeneies d'equilibri per cada canonada, i en els fonaments hi ha pous de drenatge per extreure l'aigua del subsòl, que podria arribar a aixecar la construcció per efecte de la pressió de la humitat en el sòl. A la part superior del mur hi ha sempre sobreeixidors perquè vessi aigua sobrant, i a més es col · loquen comportes per al buidatge en previsió de pluges fortes.

35


L'energia de l'aigua fa girar a les turbines, i aquestes impulsen els alternadors de la central, que generencorrent altern a uns 15.000 V. Aquest corrent s'eleva fins als 400.000 V en els transformadors, ja aquest valor es transporta a través de la xarxa elèctrica. Per aprofitar l'energia excedent de centrals tèrmiques en hores de baix consum, s'eleva aigua desembassaments inferiors per tal d'emmagatzemar aigua per a les hores punta de consum. En aquest cas esparla de centrals de bombament, que en alguns casos poden ser preses construïdes al cim d'una muntanya expressament per a aquesta comesa. AVANTATGES I INCONVENIENTS La influència que té un embassament en el medi ambient es pot valorar amb els següents punts, que en alguns casos poden ser avantatges i inconvenients alhora:    

 

S'eviten inundacions en temporada de pluges. Canvia les condicions d'humitat ambiental i aqüífers subterranis. Es sedimenten sorres i matèries orgàniques que no seguiran riu avall. Això, a més és causa de que les preses es colmaten entre 40 i 200 anys. L'aigua emmagatzemada té multitud de fins, de regadiu, consum, esbarjo, ... S'inunda una extensió important de territori, inutilitzant terres de conreu i boscos.

CÀLCULS SOBRE ENERGIA HIDRÀULICA. Ja sabem que l'aigua emmagatzemada en l'embassament té una alçada o salt, i aquesta diferència d'alçada respecte a la turbina es transforma en energia cinètica de l'aigua. L'energia de l'aigua s'aprofita per girar la turbina que està unida a l'alternador, i aquest genera electricitat. Les expressions de la potència de l'aigua poden ser qualsevol de les dues següents, i s'usa una o altra depenent de que es conegui el salt o la velocitat de l'aigua:

P=Q·d·g·h P=½·Q·d·v² on: Q: cabal de l'aigua d: densitat de l'aigua (1000 kg / m³) g: acceleració de la gravetat h: salt v: velocitat de pas de l'aigua per la turbina

2. L´ENERGIA SOLAR Les reaccions de fusió que tenen lloc a l'interior del Sol, emeten energia en forma d'oneselectromagnètiques. Una petita part d'aquesta energia arriba fins a nosaltres en forma de radiació visible,infraroja i ultraviolada. De la radiació rebuda aproximadament el 42% és visible, el 53% infraroja i el 5%ultraviolada. La intensitat solar que arriba a la superfície terrestre es redueix a causa 36


dels gasos atmosfèrics (ozó, diòxid de carboni, oxigen, ...), vapor d'aigua, partícules en pols, gotetes d'aigua, etc Altres factors que influeixen la intensitat de l'energia que arriba a la superfície terrestre són:    

L'hora del dia La inclinació de la Terra respecte al Sol al llarg de l'any. Condicions meteorològiques, sobretot els núvols. La contaminació atmosfèrica.

AVANTATGES I INCONVENIENTS DE L´ENERGIA SOLAR : Avantatges :  Energia neta.  Energia gratuïta.  Energia inesgotable. Inconvenients :  Les instal · lacions ocupen grans extensions de terreny.  La producció es veu limitada on se situa la presa o segons les hores de sol a les diferents zones ipaïsos.  Instal · lacions cares i rendiment baix.  El procés de producció i manteniment dels panells fotovoltaics és contaminant.  Produeixen contaminació visual i modifiquen lleugerament l'ecosistema de la zona. L'energia solar es transforma en energia tèrmica o calorífica i energia elèctrica. CONVERSIÓ TÈRMICA La conversió de l'energia solar en energia tèrmica es basa en l'absorció de la calor del sol i pot ser de tres tipus: De baixa i mitjana temperatura. - Es realitza mitjançant col · lectors o captadors, dispositius, que absorbeixen la calor del sol, el transmeten a un fluid caloportador (generalment aigua). Poden ser: o Plans. - Caixa metàl · lica amb una làmina negra al fons que absorbeix la radiació solar. Sobre la làmina es recolzen una sèrie de tubs pels quals circula aigua. La caixa està recoberta d'una placa de vidre o plàstic transparent a la radiació. La radiació travessa la placa de vidre i escalfa l'captador, la radiació infraroja emesa per aquest no pot travessar la placa de vidre i produeix l'efecte hivernacle.Aquests captadors plans s'empren per a la calefacció d'habitatges i hivernacles, per a l'obtenciód'aigua calenta i la climatització de piscines.

37


o De concentració. - Per aconseguir una temperatura per sobre dels 80 º C, s'envien al captador la radiació rebuda en una superfície major.

D'alta temperatura. - Els forns solars estan formats per miralls parabòlics que concentren en el seu focusels raigs provinents de la reflexió de les radiacions solars en un cert nombre de miralls, heliòstats,convenientment disposats. En aquests forns es poden aconseguir fins a 6000 º C. S'utilitzen amb finsexperimentals. Aquí podeu veure un exemple ( Font Romeu, França )

OBTENCIÓ DE L´ENERGIA ELÈCTRICA Centrals solars:  Camp d´Heliostats : Una sèrie de heliòstats o miralls direccionals de grans dimensions reflecteixen la llum solar cap a una torre, concentrant els raigs solars sobre la caldera. La calor és absorbit pel fluid de la caldera i conduït al generador de vapor d'aigua. Aquesta energia es transmet a un segon circuit on l'aigua s'evapora i arriba al grup turbina-alternador on es genera l'electricitat. Finalment l'aigua es torna a condensar en el condensador per reiniciar el procés. 38


Col · lectors cilíndrics parabòlics: Concentren la radiació solar en una canonada que conté generalment oli. Aquest fluid transmet la calor des dels col · lectors fins a un intercanviador de calor que hi ha a la caldera. Amb aquesta calor s'aconsegueix evaporar aigua que passa a través d'una turbina i la fa girar. L'alternador, unit solidàriament a la turbina, és l'encarregat de generar el corrent elèctric.

 Plaques Fotovoltaiques En les cèl · lules solars o fotovoltaiques es transforma directament l'energia solar en elèctrica. Aquestes plaques estan formades per un material semiconductor (Silici). Quan la llum incideix sobre elles es generauna petita tensió en els extrems dels seus borns. Les cèl · lules es col · loquen en sèrie per aconseguir una tensió final de 8V i una intensitat aproximada de 2 A

CÀLCULS SOBRE ENERGIA SOLAR Ja sabem que el sòl rep una energia, que s'avalua en cada lloc de la Terra mitjançant la constant solar k. Els càlculs amb l'energia solar es basen en aquesta constant solar: 39


E=k·S·tP=k·S on S és la superfície exposada al sol i t el temps. Com sempre, cal tenir en compte que l'energia o potència útils vénen afectades pel rendiment:

3. ENERGIA EÒLICA. Entre l'1 i 2% de l'energia provinent del sol es converteix en energia cinètica del vent. Aquesta energia s'ha aprofitat tradicionalment mitjançant màquines dotades d'aspes que recullen l'aire per fer girar un molí de cereal o una bomba d'aigua en els molins holandesos. Però el gir també es pot aprofitar per obtenir electricitat mitjançant aerogeneradors, que aprofiten fins al 40% de l'energia cinètica del vent. Aquests aerogeneradors tenen un element proveït de diverses pales que gira per acció del vent i transmet el gir a un generador elèctric. Poden tenir el seu eix de gir horitzontal, i l'element és una hèlix. Però els aerogeneradors també poden tenir l'eix vertical, a l'element se l'anomena rotor. La potència del vent és directament proporcional al cub de la seva velocitat. El vent produeix un moviment de rotació sobre un aeromotor o aerobomba, si aquest dispositiu produeix electricitat parlem d´ aerogenerador. Els aerogeneradors transformen l'energia cinètica del vent en energia elèctrica. Com es produeix electricitat en els aerogeneradors? Els aerogeneradors estan formats per: 

Torre. - Suport capaç d'aguantar l'empenta del vent. Té certa alçada per evitar les turbulències que es produeixen a ras del sòl.

 Góndola. - Aquesta estructura transmet les càrregues del rotor mitjançant un tren de conversió al generador elèctric. Vegem-ho en detall. 40


Sistema de captació. - Rotor compost per una o diverses pales unides que tenen com a missió transformar l'energia cinètica en energia mecànica.

El rotor té com a missió fixar les aspes o hèlixs a l'eix. Es subdivideixen en funció del nombre de pales. Les pales s'han de fabricar amb materials resistents, rígids, i de reduït pes. Els materials més emprats són les resines, fibra de vidre reforçada i acers lleugers. A causa dels canvis imprevisibles de la intensitat i la direcció del vent es requereixen orientadors i engranatges multiplicadors entre l'hèlix i el generador per aconseguir un ritme de revolucions constant. Segons la disposició dels eixos, els rotors es classifiquen en: 

AEROGENERADORS D´ EIX HORITZONTAL

Les màquines de baixa potència o molins americans s'utilitzen per bombar aigua.

41


Els aerogeneradors pròpiament dits estan formats per una columna fins de 60 m sobre la qual es troba una caixa o gòndola, dins la qual hi ha un generador elèctric. L'hèlix fa girar un eix que transmet el gir a una caixa d'engranatges per obtenir una velocitat de gir adequada. Aquest gir es transmet a l'alternador. En aquestes màquines sempre hi ha un penell que serveix per controlar un motor elèctric. D'aquesta manera sempre es manté orientada l'hèlix contra el vent. A més, hi ha un anemòmetre que controla la inclinació de les aspes de l'hèlix quan fa molt vent, per mantenir regulada la velocitat de gir de l'alternador. 

AEROGENERADORS D´ EIX VERTICAL

Històricament van ser els primers, utilitzats ja en Babilònia, aprofitant l'impuls del vent com en els anemòmetres. Amb aquest mateix principi s'usen els rotors Savonius i d´altres. ANEMÒMETRE

SAVONIUS

DARRIEUS

GIROMILL

Aquests aerogeneradors tenen diversos avantatges respecte als d'eix horitzontal, com patir menys vibracions i, sobretot, que no necessiten sistema d'orientació. AVANTATGES I INCONVENIENTS DE L'ENERGIA EÒLICA Normalment es concedeixen una sèrie d'avantatges com són: 42


No produeix cap tipus d'emissions atmosfèriques ni residus contaminants, i pot conviure amb altres usos del sòl, per exemple prats per a ús ramader o cultius.

La seva instal · lació és ràpida, entre 6 mesos i un any.

Possibilitat de construir parcs parcs offshore (al mar), on el vent és més fort i constant.

Però també té alguns inconvenients : 

Els parcs eòlics solen estar situats en paratges naturals apartats, de manera que es produeix un impacte en el paisatge a causa dels propis molins i les línies d'alta tensió.

El vent és imprevisible, per la qual cosa cal disposar de grups d'acumulació d'energia per cobrir els moments en què no hi ha vent. Malgrat la seva dificultat, es comença a desenvolupar acumuladors de tipus químic (que hidrolitzen l'aigua i separen l'hidrogen, emmagatzemant per cremar després en un motor). Però l'emmagatzematge d'energia per excel · lència són les centrals hidroelèctriques de bombeig.

CÀLCULS SOBRE ENERGIA EÒLICA 

L'energia que té el vent ve expressada per la següent equació:

E=½·d·S·v³·tP=½·d·S·v³ on: d: densitat de l'aire (1,225 kg / m³ en condicions normals de 20 º C i 1 atm de pressió)) S: superfície total de les aspes v: velocitat de pas de l'aigua per la turbina t: temps considerat

43


EXERCICIS TEMA 4. 1. Calcula la potència que pot desenvolupar un salt d'aigua de 90 m amb un cabal de 6 m 3/ s. calcula la potència útil en kW i en CV que es pot obtenir amb una turbina de 94% de rendiment.

2. Calcula l'energia elèctrica generada per la central anterior si estigués funcionant un mes sense parar.

3. Calcula la potència en kW i en CV d'una central hidroelèctrica que té dues turbines amb un rendiment del 90% sabent que el salt d'aigua és de 50 mi el cabal per cada turbina és de 4000 l / s. 4. Es vol construir una presa en un riu el cabal mitjà del qual a llarg de l'any és de 10 m3/ s. ) Quina alçada mínima ha de tenir la presa per poder generar una potència de 7.500 kW? ) Quantes turbines es poden col · locar a la presa si el seu cabal de treball és de 5 m3/ s? ) Quina potència desenvolupa la central si les turbines tenen un rendiment del 95%?.

5. En una central hidroelèctrica se sap que el cabal que travessa la turbina és de 5 m3/ s, sent la seva velocitat de 10 m / s. Calcula la potència (energia cinètica / temps) de l'aigua. La turbina està connectada a un alternador que produeix electricitat i aquest a un transformador. Sabent que el rendiment de la turbina és del 80%, el de l'alternador del 80% i el del transformador del 90%, calcula l'energia efectiva que s'obté a la sortida de la central.

6. Calcula la calor que es rep a través d'un finestral de 3 x 2 m en un dia d'hivern, en què hi ha 8 hores de sol directe i el coeficient de radiació solar és de k = 0,8 cal / min • cm2. Repeteix el càlcul per a un dia d'estiu, en què hi ha 12 h de sol directe i k = 0,9 cal / min • cm2.

7. Un col · lector solar té una superfície de 2 m2. Determina la calor que rep durant 1h en un dia en què el coeficient solar és de 0,85 cal/min·cm2. Si per l'interior del col · lector està passant 20 litres de aigua durant aquesta hora, calcula la temperatura que aconsegueix aquesta aigua si inicialment estava a 12  C.

44


8. Calcula la superfície que ha de tenir una placa solar per alimentar un electrodomèstic de 150 W durant 4 hores. El coeficient solar és de 1,25 cal/min·cm2 i el rendiment de la placa és del 25%.

9. Un col · lector solar aprofita la radiació que li arriba per escalfar en 2 hores 20 litres d'aigua des 20-50  C. Sabent que la calor específica de l'aigua és 1 cal / g  C, troba la superfície de la placa si se sap que li arriben 100 W/m2 i que el rendiment és del 85%.

10. Un alberg de muntanya disposa de 8 punts de llum de 60 W cada un, que funcionen durant 4 hores de mitjana. Calcula la superfície mínima de panell necessària tenint en compte una densitat de radiació de 900 W/m2 , que tenim 9 hores d´aprofitament solar i que el rendiment dels panells és del 8%.

11. Calcula l´energia irradiada pel Sol al llarg de 3 hores sobre un conjunt de col·lectors plans que ocupen una superfície de 20 m2, suposant una densitat de radiació de 1200 W/m2 i un rendiment de la instal·lació del 45%.

12. Es vol instal·lar un conjunt de panells solars per proveir un habitatge amb un consum estimat de 525 kWh mensuals. Calcula la superfície de panell necessària suposant una densitat de radiació de 1250 W/m2, un aprofitament solar diari de 5 hores i un rendiment de la instal·lació del 25%.

13. Calcula la potència en watts i en CV que exerceix un vent de 60 km / h sobre un aerogenerador de 3 pales amb una superfície de 1,25 m2 cadascuna.

14. Un molí de vent té una superfície total de aspes de 2 m2 i un rendiment del 30%. Calcula la potència que pot aprofitar si el vent bufa a 15 km / h. Quina energia genera en 1 hora? Quina quantitat d'aigua podria extreure d'un pou amb una profunditat de 10 metres?

15. Calcula la potencia eficaç que desenvoluparà un aerogenerador l´hèlix del qual té 8 m de radi quan el vent bufa a 45 km/h, si el coeficient d´aprofitament és del 0,4.

45


16. Calcula la potencia útil aprofitada per l´hèlix d´un aerogenerador de 20 m de diàmetre quan el vent bufa a 15 m/s, si el seu coeficient d´aprofitament és del 0,35.

46


TEMA 5 . Energies Renovables 2. Energia Geotèrmica, del mar de la biomassa i els RSU. 1. ENERGIA GEOTÈRMICA. L´Energia Geotèrmica es una energia calorífica que procedeix de l'interior de la Terra. El nucli terrestre té una temperatura que pot arribar als 4 000 º C disminuint a mesura que ens acostem a la superfície. A mesura que aprofundim en l'escorça terrestre la temperatura augmenta a raó de 3 º C cada 100 metres. Perquè existeixi un jaciment geotèrmic, cal que es donin certes condicions geològiques: 

Una font profunda de calor

Una capa de terreny permeable i porosa capaç de retenir aigua

Capa de roques impermeable que impedeixi la fuita d'aigua.

L'aigua de les precipitacions i el desglaç penetra a l'interior de la Terra i s'acumula en les zones permeables formant aqüífers. La font de calor intern s'encarrega d'elevar la temperatura de l'aigua fins a convertir fins i tot en vapor.

47


Avantatges i desavantatges . L'efecte de les centrals solars sobre el medi ambient: 

Avantatges o Energia neta. o Energia gratuïta. o Energia inesgotable. Invonveninets : o Utilitza grans superfícies que són perforades, el que genera gran moviment de terra, erosió i la possible inducció a l'activitat sísmica . o Els sistemes de perforació així com els sistemes operatius de funcionament produeixen elevada contaminació acústica. o Instal · lacions cares i rendiment baix. Les zones on hi ha energia geotèrmica estan associades a zones de vulcanisme i sísmiques, el que implica la construcció d'instal · lacions molt cares. o Contaminació de l'aire produïda per l'emissió de vapor geotèrmic i de gasos no condensats en la producció d'electricitat. o Modificacions en l'ecosistema

Segons la temperatura del focus emissor els jaciments es classifiquen en: 

Jaciments de baixa energia.

La temperatura del focus oscil · la entorn dels 100 º C. S'empra per a calefacció, hivernacles, balnearis, etc. L'aigua freda a pressió s'introdueix en les proximitats del focus de calor, on s'eleva la seva temperatura i després s'extreu. L'aigua calenta pot utilitzar-se directament o bé pot cedir la calor acumulada al fluid que circularà posteriorment pel circuit de calefacció.  

Jaciments d'alta energia La temperatura del focus pot arribar a aconseguir 1 250 º C. S'utilitza per produir energia elèctrica. L'aigua injectada es converteix en vapor sobreescalfat per efecte del focus de calor i posteriorment s'extreu. 48


Aquest vapor cedeix la seva calor a un fluid, el freó, que es vaporitza. El vapor generat mou el grup turbina-alternador i es genera energia elèctrica.

Segons on es trobi l'aigua tenim tres tipus de jaciments: 

Jaciments hidrotèrmics:

El mateix fluid, aigua, es troba a l'interior de la Terra per les infiltracions del terreny a causa de les pluges, desglaços i rius. L'aigua es pot trobar líquida o en forma de vapor, depenent de la pressió i la temperatura que hi hagi a l'interior del jaciment.

La superfície sol estar formada per: Un focus de calor (1) recobert de roca impermeable calenta (2), que permet la transferència de calor a la roca permeable (3) a la qual ha arribat l'aigua. La calor eleva la temperatura de l'aigua, augmentant la pressió. Si la temperatura és alta l'aigua es converteix en vapor a gran pressió. Quan es perfora la roca impermeable (4), el vapor i / o l'aigua calenta ascendeixen fins a la superfície i s'aprofita la seva energia calorífica per transformar-la en energia elèctrica. De vegades la gran pressió interior i els moviments sísmics, trenquen la roca impermeable pròxima a la superfície, i s'origina la sortida del flux (aigua i vapor) a gran pressió, guèiser. 

Jaciments geopresurizados: 49


En aquest cas l'aigua es troba a profunditats molt majors i sotmesa a grans pressions. Normalment l'aigua es troba en estat líquid, tot i trobar-se a 200 º C. A aquestes temperatures també sol aparèixer gas natural, amb el que s'obté tres tipus d'energia: energia calorífica a l'aigua, energia de pressió de l'aigua i energia química del gas natural.

Jaciments de roca calenta:

Estan formats per roques impermeables que poden assolir temperatures de 300 º C. En les roques no hi ha cap fluid. La solució per extreure la calor és fer dues perforacions i introduir aigua freda per una d'elles i obtenir aigua calenta per l'altra. El problema és que tota la roca és impermeable i l'aigua no passa d'un conducte a un altre. A més si els conductes estan molt a prop hi ha poca transferència de calor per la poca conductivitat de la roca. Aquest tipus de jaciment és el més comú. 2. ENERGIA DEL MAR Al voltant de tres quartes parts del planeta Terra estan cobertes per aigua. Això suposa una immensa massa que emmagatzema energia de diferents formes: 

energia gravitatòria

energia cinètica deguda a moviment d'aigua

energia tèrmica que es rep del Sol

I, igual que els anteriors, és un recurs que s'ha aprofitat tradicionalment, i que actualment constitueix una font d'energia més. Les utilitzacions més corrents són: ENERGIA DE LES MAREES A causa de l'atracció gravitatòria de la Lluna i en menor mesura del Sol, la superfície dels mars s'aixeca i baixa dues vegades al dia:

50


Aquesta enorme quantitat d'aigua en moviment és un recurs que s'aprofita omplint o buidant una badia tancada per un dic. En el dic s'instal · len una bateria de turbines que poden funcionar tant en l'ompliment com en el buidatge, accionant generadors elèctrics.

Durant la pujada de la marea es tanquen les comportes de pas fins a tenir un desnivell d'uns 3 m, moment en què es permet el pas d'aigua a través de les turbines. Quan la marea arriba al seu punt més alt es tanquen les comportes, i es mantenen tancades mentre baixa la marea. I quan el nivell del mar és 2 o 3 m inferior al de l'embassament, es tornen a obrir les comportes i les turbines tornen a funcionar. Després es repeteix el cicle.

És un mètode que ja s'utilitzava en zones costaneres des d'antic mitjançant els anomenats molins de marea, però actualment hi ha molt poques centrals que generin electricitat, a causa de les grans dimensions de les obres i els pocs llocs en què la diferència d'altures entre plenamar i baixamar sigui suficient. ENERGIA DE LES ONADES Les ones es generen per efecte del vent sobre l'aigua del mar, i com més gran és la velocitat de l'aire, més altes són les ones. El moviment oscil · latori que es produeix quan passa una ona s'aprofita mitjançant sistemes que bomben líquid. I quan aquest líquid a pressió passa per una turbina, produeix un gir que pot traslladar-se a un generador elèctric.

51


Les boies s'utilitzen per marcar el camí pel qual han d'anar els vaixells en llocs amb poc fons. Els llums d'aquestes boies van alimentades per bateries elèctriques que es recarreguen gràcies al gir d'una turbina que es mou per l'aire desplaçat. Actualment s'estan desenvolupant sistemes basats en el moviment de masses pesades. Amb aquest mateix principi es van desenvolupar altres sistemes, com el "ànec Salter", que malgrat un prometedor inici, han deixat pas a sistemes de columna d'aire:

ENERGIA TÈRMICA DELS OCEANS. La diferència de temperatures entre les capes superficials i profundes en els mars pot aprofitar per generar energia elèctrica, evaporant líquids de baix punt d'ebullició (com alcohol o amoníac). En el dibuix podem veure un esquema de funcionament d'una central per aprofitar l'energia tèrmica dels oceans:

No obstant això, i pel fet que requereix una diferència apreciable de temperatura (almenys 20 º C), aquests sistemes només són factibles en zones tropicals, i amb profunditats al voltant dels 1000 m.

52


3. ENERGIA DE LA BIOMASA Matèria orgànica d'origen vegetal o animal, ja l'obtinguda a partir d'aquesta mitjançant transformacions naturals o artificials.

Les plantes absorbeixen sals minerals, aigua del sòl i diòxid de carboni de l'aire i en presència de llum solar realitzen la fotosíntesi obtenint hidrats de carboni i oxigen alliberat a l'atmosfera. L'energia absorbida queda retinguda en les plantes. Els animals aprofiten part de la biomassa de les plantes i la transformen en biomassa animal. Obtenim biomassa a partir de residus agraris (palla, fems, ...), residus forestals procedent de la poda o neteja de boscos, residus industrials, cultius vegetals, ... L'energia química de la biomassa es pot recuperar cremant directament o transformant-la en combustible. Per exemple, els residus agrícoles i forestals constitueixen una font energètica que se sol desaprofitar cremant rostolls i restes de poda. La forma més bàsica de treure'n partit és utilitzar la llenya o carbó vegetal per escalfar un habitatge, cuinar, etc. és a dir, usar-los com a recurs primari. Actualment a Espanya hi ha empreses que cremen estepes, arbustos i restes procedents dels boscos per generar electricitat, i les grans empreses generadores estan obligades a adquirir aquesta energia d '"origen net". Com s'obté energia amb biomassa? La transformació de biomassa en energia es pot dur a terme a través de tres procediments: 

Extracció directa. - Hi ha certes espècies vegetals que en el seu metabolisme produeixen hidrocarburs o compostos molt hidrogenats, amb un poder calorífic elevat. La seva obtenció es fa per aixafament i addició de certs compostos químics. Al combustible obtingut se l'anomena biocombustible. El biocombustible s'obté a partir de palma, soja, gira-sol. Mètodes termoquímics. o Combustió directa. - Reduïm la humitat de la biomassa exposant-la a radiació solar ia continuació es crema en presència d'oxigen, desprenent calor. Aquesta calor pot emprar directament en habitatges o indústries. La biomassa prèviament premsada en forma de briquetes pot utilitzar com a substitut del carbó o del petroli a les centrals tèrmiques amb només fer petits canvis en la instal · lació. o

Piròlisi. - Descomposició de la biomassa a elevada temperatura (500 º C) en absència d'oxigen, en unes instal · lacions anomenades gasògens. S'utilitza des de fa molt de temps per a produir carbó vegetal. Aquest mètode allibera també un gas pobre, barreja de monòxid (CO) i diòxid de carboni (CO2), d'hidrogen (H2) i d'hidrocarburs lleugers.

Mètodes bioquímics. - En presència de microorganismes:

Fermentació alcohòlica. - Per l'acció de determinats enzims transformem els hidrats de carboni en etanol. El procés té lloc en presència d'oxigen. L'etanol obtingut s'utilitza com a carburant en els motors substituint a la gasolina.

53


Digestió anaeròbia. - En absència d'oxigen, determinats bacteris transformen la biomassa en biogàs, format principalment per metà, diòxid de carboni. Es pot utilitzar en motors de combustió, i com a combustible per obtenir calor.

Fotoproducció de combustibles. - A partir de l'acció de certs microorganismes, aigua i alguns compostos orgànics es pot obtenir hidrogen que es pot utilitzar com a combustible per produir energia elèctrica.

AVANTATGES I INCONVENIENTS DE L´ENERGIA DE LA BIOMASA Avantatges :   

Controla la destrucció dels residus evitant la contaminació ambiental. Disminueix el risc d'incendis als boscos. Redueix el consum d'altres fonts d'energia com petroli o carbó.

Inconvenients :   

Sense control pot portar a la tala incontrolada de boscos. Per obtenir energia de la biomassa necessitem usar prèviament energia, per això baixa el seu rendiment. La combustió de la biomassa genera CO2, responsable de l'efecte hivernacle

54


4. RSU Els residus sòlids urbans (RSU) són els que s'originen en l'activitat domèstica i comercial de ciutats i pobles. En els països desenvolupats en els que cada vegada s'usen més envasos, paper, i en què la cultura de "usar i llençar" s'ha estès a tot tipus de béns de consum, les quantitats d'escombraries que es generen han anat creixent fins arribar a xifres molt altes. Gestionar adequadament els RSU és un dels majors problemes de molts municipis en l'actualitat. El tractament modern del tema inclou diverses fases: 

Recollida selectiva. - La utilització de contenidors que recullen separadament el paper, plàstics i vidre està cada vegada més estesa i també s'estan posant altres contenidors per a metall, piles, etc. En les comunitats més avançades, en la gestió dels RSU es compta amb la col · laboració del ciutadà per separar els diferents tipus de brossa.

55


En aquesta fase cal tenir cura que no es produeixin trencaments de les bosses i contenidors, col · locació indeguda, vessament d'escombraries pels carrers, etc. També s'utilitzen camions per a la recollida i contenidors amb sistemes que faciliten la comoditat i la higiene en aquest treball. 

Plantes de selecció i recuperació. En els abocadors més actuals, abans de llençar les escombraries general, se la fa passar per una zona de selecció en què, en part manualment i en part amb màquines, es retiren coses voluminoses (mitjançant operaris), llaunes (amb sistemes magnètics) , etc.

Amb paper, tela i cartró es fa nova pasta de paper, el que evita talar nous arbres. Amb el vidre es pot fabricar noves ampolles i envasos sense necessitat d'extreure més matèries primeres i, sobretot, amb molt menor despesa d'energia. Els plàstics es separen, perquè la majoria es pot usar per fabricar nova matèria primera i altres per a construir objectes diversos. 

Compostatge. - A les plantes de separació la matèria orgànica es deixa fermentar per formar el "compost", que s'usa per abonar sòls, encara que també existeix la possibilitat d'obtenir combustibles, etc. Perquè es pugui utilitzar sense problemes és fonamental que la matèria orgànica no arribi contaminada amb substàncies tòxiques, com metalls pesants verinosos, ja que la seva eliminació és molt difícil i cara.

Abocament. - Les escombraries que no ha estat recuperada ni transformada en compost sol ser dipositada en abocadors ben construïts i utilitzats per minimitzar el seu impacte negatiu. Un dels majors riscos és que contaminin les aigües subterrànies i per evitar-s'ha de impermeabilitzar bé el sòl de l'abocador i evitar que les aigües de pluges i altres surtin del abocador sense tractament, arrossegant contaminants a l'exterior. Un altre risc està en les males olors i la concentració de gasos explosius produïts en fermentar les escombraries. Per evitar això es col · loquen dispositius de recollida de gasos que després es cremen per 56


produir energia. També cal cuidar cobrir adequadament l'abocador i plantar vegetació quan acaba la seva utilització, per disminuir els impactes visuals.

 Incineració. - Cremar les escombraries té diversos avantatges, però també algun inconvenient. Entre els avantatges està que es redueix molt el volum d'abocaments (queden les cendres) i que s'obtenen quantitats apreciables d'energia. Entre els desavantatges, es produeixen gasos contaminants, alguns potencialment perillosos per a la salut humana, com les dioxines. Hi ha incineradores d'avançada tecnologia que, si funcionen bé, redueixen molt els aspectes negatius, però són cares de construcció i maneig i perquè siguin rendibles han de tractar grans quantitats d'escombraries.

57


Tema 6. Producció i distribució de l´energia. 1. DISTRIBUCIÓ DE L´ELECTRICITAT. Els generadors de les centrals elèctriques subministren voltatges limitats a uns 25.000 volts per les dificultats que presenta el seu aïllament i el perill de curtcircuits., Però els valors comuns són de 15.000 V. Aquest voltatge s'eleva mitjançant transformadors a valors d'alta tensió entre 138.000 i 765.000 volts per a la línia de transport primària. Aquestes línies d'alta tensió constitueixen la Xarxa Elèctrica Nacional, i el valor de tensió usat sol ser de 400 kV:

A prop dels centres de consum hi ha subestacions de transformació, en què el voltatge disminueix a tensions entre 25.000 i 132.000 volts. Amb aquests valors es transfereix l'electricitat a laxarxa de repartiment, que forma malles que cobreixen la ciutat, d'aquesta manera sempre es pot portar electricitat a un punt per un o altre camí. Intercalades en aquestes malles estan lessubestacions de distribució, encarregades de reduir la tensió fins a valors entre 3.000 i 30.000 volts, anomenats de mitja tensió (per exemple, la indústria pesant sol treballar a 33.000 volts-33 quilovolts-, i els trens elèctrics requereixen 15-25 quilovolts).

Els cablejats en mitja tensió es realitzen de forma radial, constituint la xarxa de distribució, amb petits transformadors o centres de transformació que són l'última etapa del subministrament,ja que les tensions a la sortida d'aquests centres és de baixa tensió a 220 o 380 V.

58


L'electricitat arriba per fi a les llars mitjançant un cablejat anomenat escomesa, que l'últim tram de la xarxa de distribució i propietat de l'empresa subministradora.

és

La raó de realitzar la major part del transport d'electricitat a alt voltatge és senzilla: com més alta és la tensió a la línia, menor és el corrent necessari per transportar la potència necessària.La resistència dels cables té un valor fix, per tant, com menor sigui la intensitat que circula per ells, menor serà la pèrdua d'energia, ja que aquesta és proporcional al quadrat de la intensitatde corrent:

P=I²·R A les centrals elèctriques es produeix corrent altern. L’alternador produeix electricitat a partir de l’energia mecànica de rotació subministrada per les turbines 2. LA INSTAL·LACIÓ ELÈCTRICA. El corrent elèctric arriba fins als nostres llars a través de la connexió, que connecta amb la caixa general de protecció (CGP), on hi ha uns cables de gruix calibrat anomenats fusibles que eviten curtcircuits en fondre si la intensitat és excessiva. Els bombers sempre tenen accés a la CGP per desconnectar l'edifici en situacions d'emergència. CGP Bloc de Vivendes

CGP Vivenda individual

El comptador és un petit electroimant que produeix el gir d'un proporciona una lectura del consum d'energia elèctrica en kW · h

disc d'alumini, i aquest

59


A continuació del comptador es troba el quadre de comandament i protecció, que sempre està a l'entrada de casa nostra. En ell invariablement es troba un interruptorde control de potència (ICP) instal · lat per l'empresa subministradora i que limita el corrent al valor que tinguem contractat. També hi ha un altre interruptor general automàtic (IGA) i un interruptor diferencial (ID) que talla el corrent abans que una persona rebi una enrampada perillós i tants interruptors automàtics (PIA) com circuitshagi a l'habitatge, per protegir la instal · lació en cas de curtcircuit. Els principals circuits són enllumenat, endolls per a electrodomèstics, la cuina sol tenir un PIA propi,així com la calefacció i l'aire condicionat.

ELEMENTS DE PROTECCIÓ Els dos elements principals de protecció en el quadre de comandament i protecció són: 60


Interruptors automàtics (ICP, IGA i PIA) El funcionament dels interruptors automàtics consisteix que el cable s'enrotlla en un electroimant, i quan el corrent que passa per ell és excessiva, l'electroimant atrau una palanca metàl · lica que desconnecta la línea.

Interruptor Diferencial Per la seva banda, el diferencial és un conjunt de dos electroimants, cadascun format per un cable d'entrada i un altre de sortida de corrent. Quan ambdues corrents són iguals, el magnetisme total està compensat, però si per un cable circula més intensitat que per l'altre (senyal de fuga que algú s'està portant una enrampada),apareix una magnetització que desconnecta la línea.

En realitat es procura que ningú rebi enrampades, i per a això s'instal · la el conductor de terra, connectat a totes les carcasses metàl · liques dels electrodomèstics, per tal que les possibles fuites de corrent es deriven a terra, camí secundari de tornada a les centrals elèctriques. Aquest conductor s'identifica pel seu color groc i verd. A més, l'interruptor diferencial sempre té un botó per provar el seu funcionament, la qual cosa és recomanable realitzar de tant en tant.

61


CABLEJAT Els conductors poden ser fils, filferro de coure recobert de plàstic introduïts en tubs corrugats encastats a les parets, o bé cables flexibles formats per pèls de coure recoberts per plàstic per instal · lació de superfície. Encara que la utilització de corrent altern és universal, encara es treballa amb conceptes de contínua, i es parla de conductors de fase quan volem els que porten el corrent i conductor neutre al de tornada. En realitat per tots es mouen electrons en forma de vaivé, i tocar un sol significar rebre una enrampada. A Europa, els conductors de fase tenen color marró, negre o gris, el neutre és de color blau, i el verd i groc és el conductor de terra.

ELEMENTS DE CONTROL Per controlar el pas del corrent pel cablejat es disposa dels elements de control, que poden ser: 

endolls

62


polsadors normalment oberts o normalment tancats, que es diferencien per l'estat en què es troben quan no es premen.

interruptors unipolars o bipolars, que es diferencien en que tallen un o dos conductors.

commutadors, que dirigeixen el corrent cap a un circuit o un altre.

RECEPTORS Per fi, arriba el corrent als receptors, que transformen l'energia elèctrica en altres tipus d'energia com llum (làmpades i llums), en calor (resistències), moviment (motors), so (altaveus o timbres), ... A les llars, els receptors normalment són els electrodomèstics, que es classifiquen comercialment en tres grups: 

La línia marró fa referència al conjunt d'electrodomèstics de vídeo i àudio, com ara televisors, reproductors de música, home cinema, etc.

La línia blanca es refereix als principals electrodomèstics vinculats a la cuina i neteja de la llar, com ara cuina, forn, rentadora, frigorífic, rentavaixelles, congelador, aire condicionat, secadora, etc.

Els petits electrodomèstics són aparells elèctrics petits que s'utilitzen per a moltes tasques diferents com les planxes, aspiradores, estufes, ventiladors, microones, cafeteres, batedores, fregidores o depiladores.

Als països de la Unió Europea els fabricants d'electrodomèstics estan obligats a etiquetar els seus productes amb l'anomenada etiqueta energètica, amb la finalitat de contribuir a l'estalvi energètic. L'etiqueta energètica indica la quantitat d'energia que consumeix un electrodomèstic i l'eficiència amb que utilitza aquesta energia en relació amb el consum mitjà d'aquest tipus d'electrodomèstics, a més d'altres dades complementàries de l'aparell. Hi ha set classes d'etiquetes energètiques que es tipifiquen, en funció dels consums elèctrics, en diferents colors i amb lletres de l'abecedari de l'A (més eficient) fins a la G (menys eficient).

63


3. LA FACTURA ELÈCTRICA.

64


4. LA FACTURA DEL GAS

65


1) És el consum de gas realitzat durant el període de facturació , mesurat en kWh ( quilowatts hora ) . El consum real s'ha mesurat per part de la companyia subministradora en m3 ( metres cúbics ) de gas , obtenint la conversió entre metres cúbics i kWh segons el factor indicat en la pròpia factura . Aquest factor representa l'energia real que proporciona un m3 de gas , en funció de la qualitat mitjana del gas subministrat . Per tant , el que s'està facturant realment és l'energia calorífica del gas i no el cabal consumit . 2) Terme fix Aquest terme fix representa el cost pel dret de l'usuari a la disponibilitat d'una quantitat determinada de gas , que va en funció de la tarifa contractada . Aquest terme és constant i no depèn del consum de gas realitzat , de manera que constitueix el cost mínim de la instal · lació quan no hi ha consum ( exceptuant lloguers o impostos ) . Quan hi ha consum de gas , s'afegeix a aquest terme fix un cost variable en funció del consum . 3) Lloguer del comptador El comptador de gas pot ser propietat de l'usuari o de la companyia subministradora . En aquest últim cas , es repercuteix un cost de lloguer a l'usuari a través de la factura. 4) Cànon IRC Si el subministrament de gas es realitza a un edifici d'habitatges, i les instal · lacions comunes de l'edifici són propietat de la companyia distribuïdora , es repercuteix a cada usuari una quota per ús i manteniment de les mateixes . 5) Drets d'alta i escomesa En contractar un nou subministrament , la companyia distribuïdora repercuteix el cost de la nova instal · lació o ampliació de l'existent a través d'uns drets d'alta i connexió, que es reflecteixen generalment en la primera factura . Les companyies solen llançar promocions d'alta gratis per a nous clients en aquelles comunitats que tenen la instal · lació feta , INFORMA'T I aprofita- ! . 6 ) IVA aplicat A la suma del terme fix per disponibilitat i terme variable per consum de gas , i qualsevol altre concepte dels anteriors si escau , se li aplica l'impost al valor afegit ( IVA ) que actualment és del 18% . 7 ) Període de facturació És el període durant el qual s'ha facturat el consum de gas , que generalment és de dos mesos . De vegades , per exemple quan hi ha canvi de tarifa o de preus , se sol dividir el període de facturació considerant per separat les antigues i les noves condicions . 8 ) Tarifa d'accés La tarifa contractada va en funció del consum de gas esperat . Per a ús domèstic les tarifes més habituals són TUR1 per a consum inferior a 5000 kWh / any ( cuina i aigua calenta ) i TUR2 per a consums superiors ( habitual en habitatges amb caldera de gas per a calefacció ) . 9 ) Cost de peatge 66


El cost de peatge és un terme que representa la quota que paga la comercialitzadora a l'empresa distribuïdora per usar les seves xarxes . Aquest preu ja està inclòs en el cost fix i variable , de manera que figura només a manera informativa . 10 ) Diferència respecte a tarifa d'últim recurs . Com a informació a la factura hi figura una xifra que mostra la diferència del cost per a un subministrament en mercat lliure i en últim recurs . 11 ) Gràfic de consum . Mostra de forma gràfica el consum mensual de l' últim any , per tal de conèixer el perfil de consum de gas al llarg de l'any i detectar possibles desviacions . De vegades la factura emesa inclou els consums d'electricitat i de gas , si s'ha contractat ambdós serveis amb la mateixa companyia subministradora . Ara ja sabem una mica més de la nostra factura del gas , si tens dubtes o vols compartir alguna cosa amb la nostra comunitat estàs convidat ! El nostre proper article serà sobre la discriminació horària en el subministrament elèctric .

Annexes Interessants. Red Eléctrica de España és l’operador que gestiona tota l’energia elèctrica que es produeix i es consumeix a Espanya: preveu la demanda, programa la producció necessària per satisfer-la en temps real i la transporta. Les dades de producció i consum a tot el país queden reflectides al gràfic de seguiment de la demanda d’energia elèctrica en temps real Demanda Energia Elèctrica REE en temps real https://demanda.ree.es/demanda.html

67


EXERCICIS TEMES 5 I 6

1.- Una central tèrmica amb un rendiment del 40% funciona amb pneumàtics usats cremats. Si genera diàriament 1200 KWh, calcula quants quilograms de pneumàtics será capaç de consumir suposant que el poder calorífic mitjà d’aquests és 6500 Kcal/Kg.

2.- Una ciutat genera diàriament 120 tones de RSU amb un poder calorífic mitjà de 1000 Kcal/Kg. Calcula quants KWh es poden obtenir mitjançant la seva incineració suposant un rendiment de la instal·lació del 60%, i valora l’estalvi econòmic si el cost de cada KWh és de 0,073 €. 3.- Una fàbrica necessita una aportació energètica diària d’1 MWh. Calcula la massa de combustible que necessita i el cost econòmic en cadascun dels casos següents: a) Si fa servir com a combustible carbó d’hulla de poder calorífic 7000 kcal/kg, a 0,15 €/kg i amb un rendiment energètic del 75%. b) Si empra clovella d’ametlla de poder calorífic 4800 kcal/kg, a 18 €/t i amb un rendiment energètic del 75%. c) Quina seria l’elecció de combustible més apropiada?. Per què? 4. Calcula el cost de la calefacció amb radiadors elèctrics d´una sala de 20 m 2 durant 4 hores si els necesita una aportació de calor de 60 kcal/h·m 2 i el rendiment del sistema és del 90 %. 5. Una habitació de 15 m2 necessita una aportació de 50 kcal/h·m 2 durant 4 hores per climatitzar-se. Calcula el temps que necessita estar connectat un acumulador de calor de 1500W per dur a terme l´esmentat subministrament si el seu rendiment és del 85 %.

6. Calcula el cost de l´energia eléctrica utilitzada en un bimestre per un familia que ha consumit 875 kWh si té una potencia contractada de 5,5 kW en tarifa general sense discriminació horaria ( bono social 1kW<pot<10kW ) i l´equip de mesura és de lloguer ( 6,02 euros/mes ). 7. Calcula l´import de la factura d´un usuari amb tarifa 3.2 que ha consumit 286 m 3 de gas en dos mesos i disposa d´un comptador llogat de 6 m 3/h. 68


8. Un usuari consumeix una mitjana de quatre bombones de butà de 12,5 kg mensuals i decideix contractar gas natural  Calcula el seu consum mitjà en kWh/any.  Descobreix quin volum de gas consumirà mensualment, tenint en compte el PCS del gas butà ( 11100 kcal/kg) i el PCS del gas natural ( 10600 kcal/m3).  Calcula el preu que ha de pagar pel butà que consumeix i el que pagarà pel gas natural, suposant el mateix consum.

TARIFES ELÈCTRIQUES

TARIFES GAS NATURAL

69


TEMA 7. Propietats dels materials. Els metalls, el ferro i l´acer. Els metalls no fèrrics. 1. Propietats dels materials Quan es dissenya o es fabrica un objecte determinat, s'han d'establir unes característiques desitjables per els materials, un cop establertes, cal buscar els materials més apropiats i que s'ajustin al màxim a les característiques desitjades. En l'elecció dels materials caldrà tenir en compte els següents factors:      

Les propietats del material: mecàniques, tèrmiques, elèctriques, densitat, etc. Les qualitats estètiques: color, textura, facilitat de neteja, etc. El procés de fabricació: facilitat o dificultat de conformació, maquinaria disponible... El cost La disponibilitat de subministra. L'impacte ambiental i el seu futur reciclatge.

Propietats mecàniques 

Les propietats mecàniques indiquen el comportament dels materials quan estan sotmesos a esforços (forces) que intenten estirar-los o deformar-los així com el comportament davant impactes, fregament amb altres materials, etc. La principal propietat mecànica és la resistència.

Resistència Propietats mecàniques

a la tracció a la compressió a la flexió a la torsió al cisallament

Duresa Tenacitat Plasticitat

Ductilitat Mal·leabilitat

70


Resistència mecànica Resistència és la capacitat que té un material de suportar un esforç sense trencar-se o deformar-se. Es consideren cinc tipus de resistències mecàniques: tracció, compressió, flexió, torsió, cisallament. Esforç aplicat Tracció Compressió Flexió Torsió Cisallament

Deformació produïda Allargament Aixafament Corbament Retorçament Tall

Quan els materials es deformen aquesta deformació pot ser de dos tipus:  

Plàstica, quan el material es deforma de manera permanent. Elàstica, qual el material recupera la forma inicial al deixar d'aplicar l'esforç.

Un material fràgil és el que no suporta l'esforç al que està sotmès i es trenca abans de deformar-se Duresa La duresa és resistència que oposa un material a ser ratllat o penetrat. És bastant habitual que els materials durs siguin fràgils. El vidre n'és un bon exemple. Els materials durs presenten molta resistència al desgast per fricció i són importants en la fabricació d'eines de tall, serres, broques i abrasius. Tenacitat La tenacitat és la capacitat de resistència al xoc. La tenacitat és la propietat contraria a la fragilitat. 71


Plasticitat La plasticitat és la capacitat que tenen alguns materials de deformar-se permanentment sense trencar-se. Dins dels materials plàstics es poden distingir dos tipus:  

Mal·leables, materials que es poden deformar en forma de làmines. Exp. l'or i l'alumini. Dúctils, materials que es poden deformar en forma de fils prims. Exp. el coure, l'acer.

Hi ha materials que poden presentar les dues característiques simultàniament. Propietats tèrmiques Indiquen el comportament d'un material respecte al calor i a la temperatura. Les principals propietats tèrmiques són:    

la Conductivitat tèrmica La dilatació Calor específic Temperatures de fusió, solidificació i ebullició.

Conductivitat tèrmica És la velocitat amb la que es propaga el calor entre dos punts d'un material. Segons el valor de la conductivitat tèrmica tenim: Conductivitat alta baixa

Tipus de material Conductors tèrmics Aïllants tèrmics

Exemples metalls plàstics, aire, fusta, etc.

La conductivitat tèrmica s'expressa en W/m ºC

72


Dilatació És variació de dimensions d'un material en funció de la temperatura Es pot expressaren tres formes diferents en funció de les dimensions o forma de l'objecte:   

lineal, increment de longitud superficial, variació de superfície. cúbica, variació de volum

El coeficient de dilatació lineal s'expressa en ºC-1

Calor específic En indica la quantitat de calor que cal aplicar per augmentar 1 ºC la temperatura d'una unitat de massa del material. Temperatura fusió Ens indica a quina temperatura es produeix el canvi d'estat sòlid a líquid d'un material. En el cas de materials líquid, també es parla de temperatures de solidificació i ebullició. Propietats electromagnètiques Ens indiquen el comportament dels materials en front els fenòmens elèctric i magnètics. Resistivitat elèctrica Indica la dificultat que oposa un material al pas de l'electricitat. La conductivitat és l'invers de la resistivitat.

73


Exemple de conversió de: (Ω · mm ² / m) a → (Ω · m): La resistivitat del coure és 0,017 Ω · mm ² / m i per convertir mm ² a m² es multiplica per 10-6 obteniendo 0,017 x10-6Ω · m² / m que és igual a 1.7x10-8 Ω.m o 17x 10-9 Ω.m Magnetisme Els materials respecte als fenòmens magnètics poden presentar tres comportament diferents: Tipus

Comportament

exemple

Paramagnètics

No s'imanten ni desvien les línies de força, comportament similar a l'aire.

alumini, estany, plom, crom

Diamagnètic

No s'imanten i tendeixen a debilitar el camp magnètic

coure, zinc, la plata, el mercuri, l'aigua

Ferromagnètics

S'imanten i reforcen el camp el ferro, l'acer, el magnètic ja que concentren les cobalt i el línies de força. níquel.

2. Els Metalls: el Ferro. Els metalls    

Els metalls són uns elements químics sòlids a temperatura ambient (excepte el mercuri), tenen una brillantor característica i són bons conductors del calor i l'electricitat. Alguns metalls (or, platí, plata, mercuri, coure) es poden trobar a la natura en estat pur, la resta estan barrejats amb altres elements en forma de minerals. La utilitat industrial dels metalls és en forma de metall pur o formant aliatges amb altres substàncies. La metal·lúrgia és el conjunt de processos per l'obtenció de metalls. 74


La indústria metal·lurgica per l'obtenció dels metalls purs o aliatges en les formes i qualitats útils per la indústria, parteix com a primera matèria natural de minerals o de ferralla procedent del reciclat de metalls. Els minerals Els minerals contenen els metalls combinats amb altres elements, generalment en forma d'òxids, sulfurs i carbonats. Per separar el metall de la resta dels elements cal recorre a processos físics i químics realitzats generalment en forns a altes temperatures.

Mena Ganga Riquesa Enriquiment

és la part del mineral que conté el metall buscat. és la part del mineral que conté impureses o elements no desitjats percentatge de mena que conté un mineral. és el procés destinat a separar al màxim la mena de la ganga.

Els aliatges Un aliatge és la combinació d'un metall amb altres elements químics metàl·lics o no metàl·lics. Els aliatges tenen característiques pròpies dels metalls i diferents dels metalls que el formen. El ferro

La siderúrgia és la part de la metal·lúrgia dedicada a l'obtenció del ferro i els seus derivats.    

El ferro pur té poca utilitat per la indústria. S'acostuma a aplicar el nom de ferro a molts materials formats a base de ferro i altres elements. El 90% dels materials empleats per la indústria són aliatges de ferro. La gran utilitat del ferro es deguda a la seva resistència i el seu baix cost.

El ferro després del alumini és el material més abundant de l'escorça terrestre aproximadament el 5% Els jaciments més importants són a la Xina, Rússia, Brasil i Austràlia. Minerals de ferro Mineral la magnetita

Composició Fe3O4

l'hematites

Fe2O3

la siderita la pirita

FeCO3 FeS2

Característica Color fosc, escàs a la natura forma de masses compactes de color vermell. Molt abundant Color groguenc Color daurat, molt abundant

Riquesa 60% - 70% 40% - 50% 30% - 40 %

Característiques del ferro pur:  

Punt de fusió: 1539 ºC. Color: blanc grisós. 75


  

Densitat: 7,87 g/cm3 Propietats: dúctil i mal·leable, bon conductor elèctric i magnètic. Inconvenients: s'oxida fàcilment.

El ferro en el seu procés de solidificació cristal·litza en estructures diferents segons la temperatura, presentant quatre varietats alotròpiques que determinen les seves propietats magnètiques i de solubilitat del carboni. Aliatges Ferro-Carboni El ferro pur té poca utilitat industrial, quasi sempre s'utilitza aliat amb el carboni i altres metalls. En els aliatges de ferro carboni, el ferro pot trobar-se en alguna de les seves quatre formes alotròpiques, aquest fet junt a la proporció i tipus de carbó dona lloc als anomenats constituents dels aliatges ferro carboni.

Cada constituent aporta a l'aliatge unes característiques determinades, per altra banda generalment hi ha més d'un constituent fet que dona lloc a una gran varietat d'aliatges amb les seves pròpies característiques de: duresa, resistència mecànica o comportament magnètic, etc. Les diferents combinacions queden reflectides en el diagrama d'equilibri del ferro-carboni. Els acers i les foses Segons la proporció de carboni obtindrem dos productes bàsics: els acers i les foses Acers Aliatges ferro carboni

No aliats (al carboni)

0,1 al 1,7 % de carboni Foses

Aliats (crom, vanadi, níquel...)

1,7 al 6,67 % de carboni

Grisa: Laminar, Esferoïdal, Nodular

Blanca

Tipus d'acers % Contingut de Duresa Resistència carboni C < Tous Baixa Baix 0,3 Mitjà

<0,6 Durs

Alt

<1,4

Molt durs

Ductilitat Tenacitat Aplicacions Alta

Alta

Mitjana

Mitjana

Mitjana

Alta

Baixa

Baixa

Carrosseries, bigues, tubs, xapes, fleje Rodes, Engranatges, carrils, cingonyals.. Eines de tall, molles, matrius, motlles...

Tractament tèrmic NO SI SI

Tipus de Foses Tipus de fosa Blanca

Aplicacions Cilindres per trens de laminatge 76


Grisa laminar Bancades de màquines Grisa nodular Grisa esferoïdal Vàlvules, bombes, cingonyals, pistons... La siderúrgia Obtenció del ferro Els minerals de ferro generalment són òxids, quan s'escalfa el mineral amb l'ajuda del carbó, el carboni es combina amb l'oxigen i queda el ferro i l'escòria (resta de materials que formen el mineral). La humanitat utilitza el ferro des del 1400 aC. Antigament el ferro s'obtenia en uns forns en el que el mineral s'escalfava amb carbó vegetal. Aquest sistema no permetia arribar a la fusió del metall, només s'aconseguia una massa esponjosa de ferro a la que es donava forma colpejant-la. Aquest sistema era l'utilitzat a l'antiga Grècia i Roma, a l'Índia i Xina. Aquest procés es portava a terme en les fargues. A partir del segle XIX s'utilitza l'alt forn amb carbó de coc, aquest sisteme permet l'obtenció del ferro colat (ferro en fase líquida). El ferro colat es sotmès a un segon tractament per l'obtenció de l'acer. Els acers i les foses s'obtenen en dues fases: 1ra fase Obtenció del ferro colat en l'alt forn

2na fase Transformació del ferro colat en acer Transformació del ferro colat en fosa

Alt forn És la instal·lació actual per a l'obtenció del ferro. S'introdueix el mineral junt amb carbó de coc i pedra calcaria. L'elevat poder calorífic del coc permet aconseguir temperatures de fins a 1800 º i per tant l'obtenció ferro en fase líquida (ferro colat) .

77


En aquest procés igual que en els anteriors el carboni actua com a reductor del oxigen, per altra banda la pedra calcària facilita la separació de l'escòria. Al estar els dos components a en fase líquida la separació es produeix per diferència de densitat, el ferro al ser més dens es diposita a la par inferior. El ferro colat és una aleació de ferro amb aprox. un 4% de carboni i altres components. Per l'obtenció d'acers i les foses caldrà una segona fase en la que es reduirà el contingut de carboni. Acer 0,1 al 1,7 % de carboni Fosa 1,7 al 6,67 % de carboni Obtenció de l'acer

Actualment els sistemes més utilitzats per l'obtenció de l'acer són: el convertidor d'oxigen i el forn elèctric. En els dos sistemes s'utilitza ferralla de ferro (ferro oxidat) com element que aporta l'oxigen per la reducció del carboni. Durant aquesta fase també s'introdueixen altres metalls com: crom, vanadi, níquel, etc. per l'obtenció dels acers aliats.

Més informació: www.infoacero.cl/procesos/siderur.htm , www.cedinox.es Formes comercials dels acers Partint de la colada continua o de lingots s'obtenen un productes semi elaborats anomenats desbast, del desbast s'obtenen els productes elaborats següents:    

Productes plans : xapes de diferents espessors de 0,1 a 20 mm Productes llargs: filferro i perfils diversos: rodó, quadrat, passamà... Perfils normalitzats: T , doble T, I, L, U Tubs: quadrat, rodó: amb costures o sense.

Actualment per donar forma als acers s'utilitza el sistema de colada continua i posterior laminat en calent.

78


Per segons quines aplicacions també s'utilitza el laminat en fred. Altres formes de conformar els aliatges de ferro-carboni són:  

La forja consisteix en situar el metall sòlid però calent dins de motlles o matrius i aplicar esforços de compressió. L'emmotllament consisteix en introduir el metall líquid a l'interior d'un motlle del que es retira quan el metall ha solidificat. L'acer és forjable i la fosa no.

Tractaments tèrmics La importància de l'acer és deguda en part a la varietat de propietats que pot presentar: o o o o o

Acers mal·leable (xapes) Acers inoxidables Acers durs per eines de tall i eixos Acers magnètics etc.

Algunes d'aquestes propietats s'aconsegueixen amb els tractaments tèrmics. Els tractaments tèrmics consisteixen en sotmetre l'acer a uns canvis controlats de temperatura. Aquest fet provoca una variació en la proporció dels seus constituents i en conseqüència en les seves propietats. Els principals tractaments tèrmics són:   

El tremp El revingut La recuita 79


El normalitzat

Tremp

o

o o

Augment de la temperatura (> 900ºC) fins per aconseguir la transformació en austenita . Refredament ràpid Augment de duresa i resistència mecànica.

Revingut

o o o

Escalfament a temperatures inferir als 723ºC Refredament lent Augment de la tenacitat i reducció de tensions internes, disminució de la duresa i la resistència mecànica.

Recuita

o o o

o

Escalfament a temperatures superiors a 900ºC, austenització. Refredament molt lent. Disminució de la duresa i resistència mecànica. Augment de la plasticitat. Procés invers al tremp

Normalitzat

80


o o o

Escalfament fins austenització. Refredament a l'aire (lent) Reducció de les tensions internes produïdes per la deformació en fred o en calent.

Enduriment superficial En algunes ha ocasions en que fan falta peces amb molta duresa i tenacitat. La solució consisteix en endurir només la part externa de la peça. Això s'aconsegueix amb els tractaments d'enduriment de superfície. Engranatges, matrius, motlles i eixos algunes de les peces que han de complir aquesta doble condició. Cementació Consisteix en augmentar la proporció de carboni de la part externa de la peça. El procediment consisteix en escalfar la peça fins a uns 900ºC i posar-la en contacte durant unes hores amb substàncies que aportin el carboni necessari. Després cal sotmetre la peça a un procés de tremp i revingut. Nitruració Consisteix en augmentar la duresa i la resistència a la corrosió. El procediment consisteix en escalfar a uns 500 ºC en un ambient de gas amoníac durant un període de 1 a 4 dies. En algunes ocasions les peces abans s'han sotmès a un tractament de tremp i revingut.

81


3.Els Metalls no Fèrrics

 El Coure (Cu) Propietats  Es troba en estat pur a la natura.  Es de color vermellós, dúctil i mal·leable.  Molt bon conductor tèrmic i elèctric.  Permet ser conformat en fred a base de cops.  Resistent a la corrosió produïda per l'aire, l'aigua i molts productes químics. Obtenció No és un metall molt abundat a l'escorça terrestre. Es presenta en forma de sulfurs, òxids i carbonats:    

Calcocita Cu2S Calcopirita Cu Fe S2 Cuprita Cu2 O Malaquita Cu2(Co3)(OH)2 82


Els principals jaciments es troben a Xile, EEUU, Rússia i Canadà Aplicacions  Conductors elèctrics.  Canonades per instal·lacions d'aigua i gas.  Estris de cuina i ornamentals.

Aliatges de coure Llautons Són aliatges de coure i zinc.  El zinc millora les propietats mecàniques del coure.  El llautó és més apte per l'obtenció de peces per emmotllament.  Els llautons són més econòmics que el coure pur Bronzes El Bronzes originalment eren aliatges de coure i estany. Actualment s'anomena bronze a tots els aliatges de coure que no portin zinc. El bronze presenta les següents propietats:  Facilitat d'obtenció de peces per fosa i emmotllament.  Bones propietats mecàniques duresa i menor desgast al fregament.  Resistència a la corrosió especialment a l'aigua de mar i carburants.

 Alumini (Al) Descobert el 1825. És el tercer element més abundant a la natura, després del oxigen i el silici .

Propietats    

Molt lleuger, de color blanc. Bon conductor elèctric i tèrmic. Dúctil i mal·leable Resistent a la corrosió atmosfèrica i a l'aigua, fa una petita capa d'òxid que actua com autoprotecció.  Fon a baixa temperatura 83


Obtenció Difícil d'obtenir en estat pur en la natura, ja que té molta facilitat per combinar-se i formar compostos. S'extreu de la Bauxita que conté una riquesa d'un 60% d'òxid d'alumini Al2O3 (Alúmina) Els principals jaciments estan a Austràlia, Brasil, Jamaica i Surinam Aplicacions    

Conductors elèctrics. Intercanviadors de calor . Estris de cuina, envasos i embolcalls per productes alimentaris. Fàcil emmotllament, permet processos de transformació per trefilat, laminat, extrusionat i injecció.  Es la base dels aliatges lleugers.

 Titani (Ti)    

Metall bastant lleuger molt resistent als esforços mecànics. Molt resistent a la corrosió És un element abundant però de difícil obtenció, per la qual cosa és molt car.

Els aliatges de titani són fàcils de mecanitzar i admeten tractaments tèrmics. Aplicacions:     

aeronàutiques aerospacials naval petrolera pròtesis quirúrgiques implants dentals.

 El Plom ( Pb ) Propietats    

metall gris blavós molt tou, pesant, mal·leable poc tenaç molt baix punt de fusió 84


 

és resistent a la corrosió tret de l'aigua destil·lada (pluja) i al àcid nítric. Com tots els metalls pesants són molt tòxics.

Aplicacions   

S'utilitza com a revestiment de dipòsits d'àcid sulfúric s'utilitza per reduir sorolls, vibracions i com element antifricció, pantalla en front als raigs X i  (en centrals nuclears).

Estany (Sn)

Propietats

Metall de color blanc blavós i brillant, molt tou, dúctil i mal·leable, resistent a la corrosió. Aplicacions S'utilitza com a revestiment de lamines fines d'acer, (llauna), utilitzada en la fabricació d'envasos. Els aliatges d'estany i plom són utilitzat per la soldadura tova en fontaneria i en la indústria electrònica. 

Zinc (Zn)

Propietats Metall amb una bona resistència a la corrosió a l'aigua i al aire Aplicacions S'utilitza en forma de lamines com a revestiment de dipòsits i en la galvanització de peces d'acer (zincat). Antigament s'utilitzava en alguns països com a revestiment de teulades. 

Níquel (Ni)

Propietats Metall de color blanc molt brillant, molt resistent a la corrosió. Molt mal·leable resistent a la tracció i al desgast. Aplicacions Com a metall pur s'utilitza en la fabricació de instrumental quirúrgic i de laboratori. En forma de revestiment electrolític, niquelat, dona protecció i un acabat brillant i atractiu.

85


4. PROCÉS DE CONFORMACIÓ DELS METALLS Els processos de conformació es basen en el canvi de forma del material, sense arrencar matèria de la peça en brut (sense ferritja, llimalles, vapor o plasma). La conformació de les peces (deformació par a aconseguir la forma desitjada) pot fer-se per combinació de temperatura, pressió i deformació mecànica. Un concepte important és el de "treball en fred". Les peces poden ser treballades "en fred" o "en calent". 

La embotició és un procés de conformació en fred pel qual, mitjançant la pressió exercida per una premsa, es pot transformar una xapa o làmina metàl · lica en un cos buit adaptant-la a la forma donada per una matriu.

Un altra procés de conformació de metalls és la tècnica de repulsat, la qual consisteix en la deformació per rotació de tot tipus de metalls, obtenint formes complicades sense la necessitat de costosos troquelatges.

La tècnica del laminat consisteix a obtenir làmines de metall a partir de grans blocs d´aquests. Es la tècnica que s´utilitza per exemple per obtenir el paper d´alumini.

La forja és una tècnica de conformació de metalls on es sotmet a la peça metàl · lica en calent a esforços repetits i continus, fins que aquesta adopti la forma desitjada.

86


L´extrussió és la tècnica que s´utilitza per exemple per obtenir perfils d´alumini a partir de grans cilindres.

El trefilatge és una tècnica de conformació de metalls on es fa passar un filferro per un orifici, i s'aplica una força de tracció mitjançant una bobina d'arrossegament giratòria, de manera que s'augmenta la longitud i es disminueix la secció del material. S'empra per a la fabricació de fils o de cable metàl · lics.

87


TEMA 8. Altres materials d´ús tècnic. 1. ELS PLÀSTICS. Els plàstics són uns materials molt nous. Els primers descobriments són de finals del s XIX i els primers usos industrials i comercials de principis del s XX. Els plàstics, en pocs anys han substituït a altres materials com els metalls, la fusta, el vidre, fibres naturals com el cotó o la llana, etc.

Breu història 1872 Adolf Bayer descobreix el primer material plàstic a partir del fenol i el formaldehid 1909 Leo Bakelan descobreix la bakelita 1928 Descobriment del primer material plàstic transparent, el metraquilat de polivinil (plexiglas) 1933 Polietilè. 1935 Clorur de polivinil PVC 1937 Poliuretans 1946 Tefló

plàstic és el nom popular i polímer és el nom tècnic Estructura interna Els polímers són uns materials d'origen orgànic, alguns es poden obtenir de materials naturals com la cel·lulosa, però la majoria s'obtenen del petroli. Una molècula és la unitat més petita d'un material, les molècules a la vegada estan compostes per àtoms. En el cas dels plàstics al ser materials orgànics un dels àtoms és de carboni. Un dels productes obtinguts del petroli és un gas anomenat etilè. Una molècula d'etilè està formada per dos àtoms de carboni i quatre de hidrogen. Quan es trenca el doble enllaç de la molècula d'etilè s'obté un monòmer d'etilè. La unió de diversos monòmers dona lloc a una molècula més gran anomenada polímer.

Els polímers són macromolècules o molècules gegants, constituïdes per una unitat fonamental anomenada monòmer, que es repeteix diverses vagades formant llargues cadenes. En funció del seu origen, els polímers poden ser:   

Naturals són els que ja existeixen a la natura: cel·lulosa, cautxú, caseïna de la llet... Artificials Obtenció industrial per modificació de polímers naturals com el cas del cel·luloïde . Sintètics Obtenció industrial a partir dels seus elements orgànics. Polietilè, PVC, poliestirè...

88


En definitiva els plàstics i les resines són polímers orgànics, ja que tots són macromolècules formades per àtoms de carboni, hidrogen i oxigen, tot i que en algunes ocasions també contenen altres elements com el clor (Cl), fluor (F) o nitrogen (N).

Propietats comunes dels polímers:      

Facilitat de conformació o fabricació de peces acabades. Bons aïllants tèrmics i elèctrics. Alta resistència als agents atmosfèrics. Lleugeresa, la densitat sol ser baixa. La duresa és molt variable encara que sol ser baixa. Les propietats mecàniques varien amb el temps i la temperatura.

Model de deformació   

En general la deformació dels plàstics depèn del temps que dura l'esforç. Quan l'esforç aplicat és de curta durada el material es comporta de forma elàstica. Si l'esforç aplicat és de llarga durada la deformació passa a ser plàstica.

La temperatura també modifica la resistència mecànica del polímers, en general:  

A temperatures altes són dúctils i mal·leable A temperatures baixes són rígids i fràgils.

Elaboració de peces de plàstic La fabricació de peces de plàstic o resina sempre és en dues fases i normalment realitzada per indústries diferents.  

Primera fase. Síntesi del polímer. Segona fase. Conformació de la peça acabada.

Síntesi del polímer Actualment la majoria de polímers són sintètics, obtinguts a partir generalment del petroli, el gas natural o el carbó. Tot i que també poden ser d'origen animal o vegetal. El procés d'obtenció del polímer rep el nom de polimerització i precisament del grau de polimerització (nombre de monòmers) en depèn la rigidesa del plàstic. Plàstic tou >>>>>>>> 70 monòmers rígid i resistent>>>>>>>> 700 monòmers

Additius Són substàncies que barrejades amb els polímers en modifiquen les seves propietat originals.

89


Els més comuns són:      

Càrregues milloren la resistència mecànica i la tenacitat, en ocasions redueixen el preu. Exemple de càrregues: fibra de vidre o de carboni, talc, serradures de fusta, cotó... Plastificants redueixen la duresa i la fragilitat, augmenten la tenacitat i la ductilitat. Exemples la glicerina o la parafina. Estabilitzants milloren la resistència les radiacions ultraviolades. (Sol) Colorants donen color ja que molts plàstic són transparents. Ignífugs retarden la inflamació i propagació de la flama . Desemmotllans faciliten la sortida de la peça duran el procés de fabricació.

Reciclatge dels plàstics El principal problema dels plàstics és que al convertir-se en residu no són absorbits per la natura i resten inalterables durant molts anys. Davant aquest problema la solució és el reciclat. Tècnicament el reciclat dels plàstics és relativament senzill, el problema està en la recollida i posterior classificació per tipus.

Presentació comercial dels polímers:     

Adhesius Pintures Fibres Plàstics (planxes, perfils, tubs...) Elastòmers

Classificació dels polímers En la classificació dels plàstics hi ha tres grans grups:  Termoplàstics  Termoestables  Elastòmers

Plàstics Termoplàstics Els plàstics més utilitzats pertanyen a aquest grup. Les seves macromolècules estan disposades lliurement sense entrellaçar. Gràcies a aquesta disposició, s'estoven amb la calor adquirint la forma desitjada, la qual es conserva en refredar. Els tipus més comuns i les seues aplicacions són: 

Polietilè (PE): Bosses, recipients, contenidors... És un dels plàstics més utilitzats. El polietilè té textura sedosa, és flexible, tenaç i lleuger. Hi ha dues varietats: o El polietilè de baixa densitat (LDPE), la cadenes moleculars són molt ramificades. Esservir en làmines i bosses, tubs de tinta a bolígrafs, ... o El polietilè d'alta densitat (HDPE), les cadenes moleculars són poc ramificades. S'empra en envasos, joguines, aïllaments elèctrics, envasos per a productes de neteja. 90


Polietilè tereftalat (PET): És transparent i impermeable a components gasosos com el CO2 de les begudes gasoses, resistent als àcids i temperatures extremes. S'usa per a ampolles de refrescos, envasos per a forn i congelador, cintes de vídeo i àudio, roba de tergal, ... Tefló (PETf: politetrafluoroetilè): Té la mateixa composició que el polietilè, però amb àtoms de fluor, en lloc d'hidrogen. Té una gran estabilitat química, és molt resistent als atacs químics i resistent a temperatures relativament altes. És un bon aïllant elèctric i és antiadherent. Polipropilè (PP): És tenaç, lleuger i barat. Es pot doblegar moltes vegades sense trencar-se. S'usa en cubs, carpetes, carcasses d'electrodomèstics, ampolles, resistents, caixes, xeringuilles... Clorur de polivinil (PVC): Hi ha dues varietats, la flexible i la rígida. A la manera flexible s'usa molt per recobrir conductors elèctrics, mànegues de jardí, ... i en la forma rígida, que té alta resistència mecànica i duresa, la seva aplicació més coneguda és a canonades, canaletes,

perfils, marcs de portes i finestres, aïllants elèctrics, impermeables, antics discs de música (vinils)... 

   

Poliestirè (PS): És un plàstic força fràgil i lleuger, però molt resistent als atacs químics i a la humitat. S'usa per safates de menjar, envasos de iogurt, gots i plats de plàstics, ... La varietat més coneguda és el poliestirè expandit (EPS) o porexpan (suro blanc). El qual és molt lleuger i excel·lent aïllant tèrmic. Molt emprat per embalatge d'objectes fràgils com a protectors, planxes aïllants... Poliamides (PA): El més conegut és el niló. Plàstic molt resistent a la tracció i tenaç. S'empra per corretges, engranatges, ... Polimetracrilato (PMMA): Conegut com metacrilat, és un plàstic transparent que imita al vidre, però més tenaç, dur, rígid i transparent. Policarbonat (PC): Són plàstics de gran resistència mecànica, tèrmica i química. Gran resistència a l'impacte. S'empra per a cascs, viseres, carcasses, finestres d'avions, CD `s, ... Polièsters Saturats: Ampolles per a begudes, envasos alimentaris...

Plàstics Termostables Les seves macromolècules s'entrecreuen formant una xarxa de malla tancada. Aquesta disposició no permet nous canvis de forma mitjançant calor o pressió: només es poden deformar una vegada. Els tipus més comuns i les seues aplicacions són: 

Fenols (PF Baquelita): Excel lent aïllant elèctric i tèrmic. Alta duresa i rigidesa. Es troba en mànecs de d'estris de cuina, plaques de circuits impresos electrònics, mecanismes, aïllants elèctrics, interruptors, bases d'endoll... Amines (MF Melamina): Molt resistents a la calor, la humitat i la llum. S'empren per a recobriment de taulers de fusta principalment, recobriments per a paper, clavilles, interruptors... Resines de polièster: És un plàstic amb alta resistència mecànica. S'empra per a cascos d'embarcacions, teulades, dipòsits, panells de cotxes, canyes de pescar, esquís, piscines, fibres i teixits ... Resines epoxi (EP): Bona resistència mecànica i química, bons aïllants elèctrics. S'usa en revestiments de llaunes d'aliments, adhesius, material esportiu, ales d'avions...

91


Elastòmers Les seves macromolècules s'ordenen amb un baix grau d'entrecreuament; és a dir, en forma de xarxa de malla amb pocs enllaços. Aquesta disposició permet obtenir plàstics de gran elasticitat que recuperen la seva forma i dimensions quan deixa d'actuar sobre ells una força. Els tipus més comuns i les seues aplicacions són: 

  

Cautxú: S'obté de l'arbre del cautxú. Es barreja amb sofre en un procés anomenat vulcanització, per augmentar la duresa i la seua resistència a la tracció i agents químics. S'empra en pneumàtics, juntes, soles de sabates, mànegues, articles de goma ... Neoprè: És un cautxú sintètic incombustible. S'empra per a vestits de busseig, corretges industrials, genolleres ... Poliuretà: S'empra per fer matalassos, seients, peces de vestir elàstiques (lycra o elastà), pell artificial, parafangs .... Poden presentar la forma d'escumes (és la famosa goma escuma). Silicona: Tenen com a base el silici. Són resistents als agents químics, la humitat, la calor, a l'oxidació. S'utilitza per a segellar juntes contra la humitat, pròtesis, recobriments, sondes i tubs d'ús mèdic, tancaments hermètics

2. EL PROCÉS DE FABRICACIÓ AMB PLÀSTICS Els productes plàstics es fabriquen de diferent manera segons la matèria primera que utilitzem, és a dir, segons treballem amb termoplàstics o amb termoestables. En general, es preparen aprofitant la facilitat amb què es fonen o reblaneixen. Els mètodes més habituals de fabricació amb termoplàstics són el emmotllament per injecció, l'extrusió, el bufat i el emmotllament al buit. Emmotllament per injecció.

Una rosca fa passar els grànuls de plàstic a través d'un tub d'acer escalfat per estovar-los. El motlle s'omple i és poden fertilitzants diferents articles com pots d'escombraries, galledes, caixes de begudes, carcassès de TV, ... Si l'examinem trobarem el punt per on s'ha fet entrar el plàstic al motlle

Extrusió. En el model per extrusió s'utilitza un transportador de cargol helicoïdal. El polímer és transportat des de la tremuja, a través de la càmera d'escalfament, fins a la boca de descàrrega, en un corrent continu. A partir de grànuls sòlids, el polímer emergeix de la matriu d'extrusió en un estat tou. Com l'obertura de la boca de la matriu té la forma del producte que es desitja obtenir, el procés és continu. Posteriorment es talla en la mesura adequada.

92


Els grànuls de plàstic s’empenyen al llarg d'un tub escalfat. La combinació de calor i pressió estova el plàstic perquè es pugui fer passar a través d'una peça que li dóna la forma desitjada: tub de plàstic, barra de cortina, planxa, ... normalment objectes de secció constant.

Bufat És un procés usat per fer formes buides (ampolles, recipients). Un cilindre plàstic de parets primes és extruït i després tallat al llarg que es desitja. Després el cilindre es col·loca en un motlle que es tanca sobre el polímer estovat i li suprimeix la part inferior tallant. Un corrent d'aire o vapor és insuflat per l'altre extrem i expandeix el material fins a omplir la cavitat. El motlle és refredat per l'enduriment.

Emmotllament al buit. Mitjançant aquest procés es comprimeix una xapa de resina termoplàstica estovada per la calor contra un motlle fred. La xapa presa i conserva la forma del motlle. Aquest mètode s'empra per a revestiments interiors (portes de neveres, gabinets, etc.)

93


3. MATERIALS PETRIS I CERÀMICS. MATERIALS PETRIS I CERÀMICS Dins dels materials de construcció, a més de la fusta i els metalls, hi ha altres com els petris i ceràmics. Propietats generals      

Són materials durs i fràgils. És per això que són resistents al desgast, encara que pateixen fractura sense deformació si l'esforç és prou alt. Són molt resistents a l'oxidació ia la corrosió. Punts de fusió alts. Poca resistència a la tracció. Econòmicament assequibles. Solen ser inerts (no tòxics).

Roques naturals : Els materials petris utilitzats en la construcció són les roques. Aquestes són agregats de partícules minerals molt grans i sense forma determinada que es troben en la naturalesa. Actualment s'utilitzen principalment per ornamentació. Són exemples, els granits, marbres i pissarres. Aquests són materials molt apreciats en la construcció, per ser molt resistents a les condicions mediambientals, però presenten el inconvenient de tenir un cost alt. Les roques poden ser: 

Ígnies: Procedeixen del refredament d'un magma. Formades bàsicament pro silicats, Al, Fe, Ca, Mg, Na i K. Segons el refredament sofert, tenen estructura diferent: vítries (Brusc) i cristal · lines. Es divideixen en volcàniques i plutòniques.

o

Les volcàniques són les que surten a l'exterior de l'escorça: basalt o pedra tosca. Són poroses i poc resistents.

o

Les plutòniques no arriben a aflorar: granit, sienita o gabro. Són dures, resistents a la intempèrie i als esforços de compressió. Sedimentàries: Partícules de graves, sorres, ... que han estat arrossegades pels agents atmosfèrics i que s'han assentat en determinades zones. Es presenten en forma de estrats i poden esquerdar fàcilment. No són tan dures com les ígnies. Les més utilitzades són: silícies (sorres, graves), argiles i calcàries. 94


Les silícies estan formades per sorres i graves, consolidades amb altres materials (gres). Es usen bàsicament com revestiment.

Les argiloses procedeixen de les roques ígnies, formades per silicats d'alumini (caolí). Usades per ciment i maons.

Les calcàries s'usen en construcció, com a revestiment o com conglomerants. Tenen elevada resistència a la compressió. Calcita: carbonat de calci i guix.

Metamòrfiques: Si les roques anteriors pateixen grans pressions i elevades temperatures, es produeixen transformacions en l'estructura cristal · lina de les roques i donen lloc a les metamòrfiques. Les més importants són els marbres, pissarres i granit. 

El marbre és carbonat de calci, admet el poliment i s'empra principalment com pedra ornamental.

La pissarra està formada per argila i esquists (roca de gra molt fi). Es exfolia fàcilment en làmines i s'usa principalment per sostres.

El granit s'usa principalment en paviments.

95


Materials ceràmics : Sota aquesta denominació hi ha els elements fabricats a partir de materials terrosos cuits. Les matèries primeres són argila (li dóna consistència) o caolí (que és un tipus d'argila molt pura i li aporta color blanc i textura fina) que, un cop modelada, se sotmet a un procés de assecat i cocció posterior que li fa perdre aigua i converteix aquests materials en durs però fràgils. Són silicats d'alumini hidratats. S'empren també additius com quars, colorants i fundents. Es caracteritzen per ser: 

Químicament inerts

Plàstics quan s'introdueixen en aigua

Durs i fràgils en absència d'aigua

Resisteixen altes temperatures

Baixa porositat

Es classifiquen com : o

Ceràmics porosos: No han sofert vitrificació (que adopten un aspecte similar al vidre), ja que no arriba a fondre el quars amb la sorra. Destaca l'argila cuita i la pisa

(La matèria primera és l'argila). o

Ceràmics impermeables: Ha patit vitrificació, ja que la barreja ha estat sotmesa a altestemperatures i el quars arriba a fondre amb la sorra. Destaquen el gres i la porcellana (La matèria primera és el caolí).

Vegem alguns dels més usats: 

Maons i teules: fabricats amb argila de molt diversa qualitat, segons la zona geogràfica de procedència. Un cop modelats s'assequen i couen a 900 - 1200oC, el que augmenta seva resistència mecànica. Existeixen moltes qualitats i formes segons l'aplicació desitjada.

Rajoles i paviments ceràmics: fets amb argiles especials que, durant la seva model, es premsen a altes pressions i es revesteixen d'un material (vernís acolorit) que, després del procés d'cuit presenta una duresa alta. 96


Porcellana i pisa: a base de caolí, argiles blanques, sílice i feldspat finament polvoritzats. La porcellana està totalment vitrificada després de ser sotmesa a dos processos de cocció, però, la pisa només presenta la seva cara externa vitrificada. Posseeixen una especial resistència a la calor ia agents químics de manera que, més que en construcció, es empren per a material de cuina i sanitaris (pisa), laboratori, aïllants elèctrics(Porcellana) ...

Materials refractaris: Formats per argiles refractàries, d'alt contingut en sílice. Es usen per a revestiment de forns industrials (alts forns i convertidors) i altresaplicacions, on han de resistir altes temperatures sense fracturar. Suporten entre1400 - 16000C. Per temperatures superiors s'afegeix un aglomerant orgànic.

Vidre: material ceràmic format per la fusió a altes temperatures (> 1000oC) de: 

Sorra o sílice (SiO2), un 75%, és l'element principal, li confereix resistència mecànica

Sosa (NaCO3), un 15%, actua com a fundent, baixant el punt de fusió

Calcària (CaCO3) en un 10%, és un estabilitzant. Li subministra duresa i brillantor

Altres component que dependran del tipus de vidre a obtenir (colorants, ...)

És un material dur, transparent, amb estructura amorfa (no cristal · lina) i amb elevada resistència a la tracció. 97


Fibra de vidre: S'obté mitjançant extrusió de la massa de vidre a través d'unes broques amb diàmetre inferior a 0,1 mm. Els fils obtinguts es desfilen amb vapor reescalfat i posteriorment s'assequen. A continuació uns corrons els estiren per augmentar la seva resistència. Se'ls sotmet a una lleugera torsió i s'enrotllen en una bobina. Amb la fibra de vidre es produeixen filaments a partir dels quals s'obtenen teixits i feltres que s'empren com aïllants tèrmics i acústics. També s'usen per reforçar planxes de escaiola i diferents tipus de plàstics.

Hi ha algunes malalties generades per la manipulació de materials ceràmics i que pertanyen a grup de les pneumoconiosi (pols de minerals: acer, ...). D'elles, la silicosi és produïda com a conseqüència de la inhalació perllongada de pols de sílice (expectoració, fatiga, descompensació cardíaca i mort)

Materials aglomerants : Són materials amb propietats adhesives que, amassats amb aigua, forgen (compacten materials) primer i endureixen després. Els més importants són la calç, el guix i el ciment. 

Cal: és el producte resultant de la descomposició de les roques calcàries (CaCO3), segons la reacció: CaCO3 + calor CaO + CO2. Es produeix en forns de calç denominats escales a temperatures properes als 900oC. El producte obtingut és la calç viva o òxid de calci. Aquest òxid reacciona de manera exotèrmica amb l'aigua, aconseguint els 160oC i originant hidròxid de calci, també anomenat calç apagada. CaO + H2O Ca (OH) 2 + calor.La calç apagada s'endureix lentament l'aire per un procés de carbonatació (Absorció de CO2) produint-se de nou carbonat càlcic i actuant com aglomerant. Aquest procés només es produeix en aire sec i acaba als sis mesos. Aquesta calç s'anomena aèria i experimenta una contracció durant l'enduriment que pot donar lloc a la formació d'esquerdes. A les Canàries encara hi ha antics forns de calç que van ser explotats fins als anys seixanta, quan la calç va ser substituïda pel ciment com aglomerant. Les pedres calcàries es extreien de les illes orientals. De fet, la indústria de la calç va ser molt important en Fuerteventura, on, l'any 1964, es van exportar més de 74.000 tones d'aquest producte.

Guix: És una substància natural que s'obté a partir de les pedres de guix (sulfat càlcic dihidratat, CaSO4 · 2H2O). S'extreu en pedreres de superfície, es tritura i escou a altes temperatures (450oC) per provocar la seva deshidratació. És un material barat ja que, ni el procés d'extracció ni el d'obtenció requereixen grans aportacions energètics. Material conegut des del temps dels egipcis i molt emprat pel àrabs. Farga en contacte amb l'aigua. S'adhereix molt bé a infinitat d'elements excepte la fusta. Tampoc s'hauria d'utilitzar a la subjecció de materials fèrrics, doncs provoca la seva oxidació immediata. La seva principal inconvenient és que és higroscòpic (absorbeix molt la humitat), pel que no ha de emprar-se per exteriors. Es classifica en: 

Guix negre: Obtingut de manera tradicional. S'usa per a acabats d'obres no vistes.

Guix blanc: Major puresa que l'anterior, millor mòlt. S'usa en arrebossats i estucats (guix blanc + aigua de cua) de parets vistes

Escaiola: Guix de major qualitat, mòlt fins a obtenir pols impalpable. S'usa en acabats, motllures i decoració d'interiors. 98


Ciment i formigó: El ciment es considera un aglomerant (espècie de cola) en forma de pols que té la propietat d'endurir (forjar) un cop que se li ha afegit aigua i s'ha deixat assecar, fins i tot en absència d'oxigen. Quan farga adquireix una bona resistència a la compressió. Existeixen moltes varietats de ciment, encara que la més coneguda i emprada és el ciment Portland. És una barreja de calç (CaO, 60 - 67%), sílice (SiO2, 17 - 25%) i alúmina (Al2O3, 3,6 - 8%), també una mica d'òxid de ferro i de magnesi (Fe2O3, 0,5 - 6% i MgO, 0,1 - 5%) que forja quan es barreja amb aigua. El seu procés de fabricació consta de les següents fases: 

Preparació del cru. Les matèries primeres s'extreuen de les pedreres, es trituren i es molen, barrejant a continuació, bé sigui en sec o en humit.

Calcinació. La barreja es calcina en un forn rotatori que gira sobre un eix inclinat, a una temperatura entre 1300 - 1400oC.

Es forma una massa de grans durs, de 3 - 20 mm de diàmetre, que rep el nom de clínquer.

Al capdavall el clínquer passa a uns refredadors i s'emmagatzema.

Mòlta. Es mol el clínquer en uns molins refredats exteriorment amb aigua per afavorir la dissipació de la calor alliberada. Durant aquesta operació se li afegeix guix (2 -3%), per regular l'enduriment posterior del ciment.

Una vegada mòlt s'emmagatzema en sitges (lloc subterrani sec i fosc) i s'envasa en sacs o bé es transporta en cisternes. La reacció d'enduriment d'aquest ciment té lloc en dues fases: la primera és ràpida, en unes 24 hores, i la segona consisteix en un enduriment lent, la qual cosa requereix temps propers al mes.

Les característiques del ciment són: 

Baixa resistència a la tracció

Alta resistència a la compressió

És atacat lentament per l'aigua, àcids diluïts i algunes solucions salines

Baixa relació cost / pes

En aplicacions s'usa barrejat amb àrids (sorra, graveta, o grava) com aglomerant en construcció en forma de morter (sense grava), com a material de construcció en el formigó, com ciment premsat en llosetes per a paviments i peces prefabricades. El formigó és la barreja de ciment, sorra i aigua al que se li sol afegir grava. Les proporcions dels components depèn del tipus de formigó que es desitgi (duresa, temps d'adormiment, resistència a agents ambientals, ...). La quantitat de ciment/m3 de formigó influeix en la seva impermeabilitat i en la seva resistència mecànica, però al mateix temps augmenta la seva contracció durant l'enduriment provocant esquerdes, pel que no ha de sobrepassar el límit de 460kg/m3 o

99


És un material molt resistent a la compressió, però no a la tracció, per la qual cosa no és adequat per bigues. Per millorar aquesta propietat, cal recórrer al formigó armat i l'formigó pretensat. El formigó armat s'obté afegint al formigó fresc una armadura de varetes o barres d'acer degudament dimensionades. S'aconsegueix així un material resistent tant a la tracció com a la compressió.L'obtenció d'estructures de formigó armat es realitza de la següent manera: es disposa d'un encofrat o motlle amb la forma de l'element de construcció que es vol aconseguir, s'introdueix en ell l'armadura d'acer i s'aboca el formigó fresc a l'interior l'encofrat de manera que recobreixi i emboliqui l'armadura. Quan el formigó s'ha adormit es retira l'encofrat i s'obté l'element. En el cas d'una biga, l'armadura es situa a la zona inferior de l'element, sotmesa a esforços de tracció, mentre que la massa de formigó s'acumula a la zona superior sotmesa a esforços de compressió. Així, les bigues suporten bé els esforços de flexió. El recobriment de formigó, un cop fraguat, garanteix la impermeabilitat de la estructura i per tant la inoxidabilidad de l'armadura d'acer.

Com la unió entre el formigó i l'acer és purament mecànica, és convenient que les barres de reforç estiguin retorçades o posseeixin sortints superficials, incrementant així la adherència i evitant el lliscament. El formigó pretensat és necessari quan els esforços de tracció a què se sotmet el formigó armat són molt grans. En aquest cas, les barres de les armadures poden experimentar dilatació elàstica, de manera que el formigó que les recobreix es trenca. Per millorar aquesta resistència a la tracció, cal tensar les barres d'acer per compensar la dilatació. Així s'obté el formigó pretensat, que és una varietat del formigó armat les barres han estat tensades. El principal avantatge del formigó pretensat deriva del menor coeficient económicoresistente dels filferros d'acer especial que s'empren, a causa de la possibilitat d'assolir enorme resistències gràcies als processos de trefilatge (reducció de la secció) a què són sotmesos i que permeten obtenir filferros de petits diàmetres.

100


COMPOSITES ( o materials compostos ): Aquests materials combinen la matèria plàstica i el reforç amb fibres. Encara que la seva cost és més elevat que el dels materials tradicionals, aporten als seus usuaris importants avantatges gràcies a les seves propietats, en particular la lleugeresa i la resistència, la qual cosa ha donat lloc a un important mercat en el camp de la construcció d'automòbils, l'aeronàutica i la construcció. Els materials compostos estan integrats per una matriu orgànica, polímer (Termoplàstic o termoestable), i una estructura de reforç que pot presentar en forma de partícules, fibres curtes, llargues o contínues. Els reforços que més s'usen són les fibres, normalment de vidre, de carboni o d'aramida (fibres i fils sintètics obtinguts a partir de poliamides; conserven bones propietats mecàniques a temperatures elevades. Substitueixenfibres de vidre i metall. S'usen en pneumàtics, armilles antibales, enginyeria aeroespacial, aviació). Segons les característiques de la matriu i dels reforços, es distingeixen generalment dues grans famílies: 

De gran difusió, no excessivament cars, ocupen una quota important del mercat

D´altes prestacions, normalment reforçats amb fibres contínues de carboni o de aramida i reservats per sectors d'alt valor afegit: aeronàutica, medicina,esports i esbarjo.

Aquests materials compostos, presenten una sèrie de propietats que els distingeix dels tradicionals: 

Resistència mecànica i química (corrosió)

Augmenta la vida útil gràcies a la seva resistència a la fatiga

Manteniment reduït

Resistència als impactes i al foc

Aïllament tèrmic, sonor i de vegades elèctric.

Simplicitat de disseny per facilitat de conformació

Lleugeresa

101


Exercicis Temes 7 i 8. 1. Un forn elèctric d´arc de 100 kW de potència empra 3 hores i 45 minuts en un procés d´afinament. Calcula l´energia consumida en kWh i en joules i determina el cost a raó de 0,11 euros/kWh.

2. Un alt forn consumeix 500 kg de carbó de coc per cada tona de ferro colat que produeix. Calcula la massa de ferro colat que pot obtenir-se a partir de 200 tones de mineral de ferro del 20% de riquesa i la massa de carbó de coc necessari per obtenir-lo.

3. Si per cada 100ºC d´augment de la temperatura de l´aire insuflat en un alt forn es produeix un estalvi d´11 kg de coc, calcula quan coc podem estalviar si preescalfem l´aire des de la temperatura ambient ( 25ºC ) fins a 1350ºC.

4. Calcula el cost de producció d´un quilogram de coure electrolític si per produir una tona es necessiten 12500 kWh, a raó de 0,11euros/kWh i que el cost energètic suposa el 80% del cost final.

5. Calcula el pes màxim que és capaç de suportar una columna de granit de 15 cm de diàmetre.( Resistència a la compressió del granit 800-2700 kg/cm2).

6. Calcula el cost energètic d´obtenció d´una tona de ciment suposant que en la fase tèrmica s´empra gas natural ( Pc=10600 kcal/m3 ) i que el rendiment de la instal·lació és del 80%. ( Suposa que el preu del kWh és de 0,11 euros i el m3 de gas natural de 0,5 euros i que per fabricar una tona de ciment calen 100 kWh d´energia elèctrica i el consum energètic és de 800 kcal/kg de ciment ).

7. Calcula la quantitat de ciment, sorra i grava necessària per fabricar una columna cilíndrica de formigó de 30 cm de diàmetre i 4,5 metres d´alçada si utilitzem una mescal en proporció 1:4:6 ( per cada m3 de formigó- 170 kg de ciment- 560L de sorra-840 L de grava )

8. Suposant que el formigó de l´exercici anterior presenta una resistència a la compressió de 65 MPa, calcula el pes que és capaç de suportar la columna.

102


9. Calcula l´aresta d´una columna de fusta de pi de base quadrada capaç de suportar 15 t de pes. ( Resistència a la compressió de la fusta de pi 45-70 kg/cm2 ).

10. Calcula el cost de fabricació d´una tona de clínquer si es necessiten 800 kcal/kg i s´empra com a combustible gasoil ( Pc=11120 kcal/k.

11. Calcula les dimensions d´una columna cilíndrica que ha de suportar 25 t de pes tenint en compte la resistència a la compressió de cada material : fusta de coure 100 kg/cm2, granit 2700 kg/cm2 i formigó 650 kg/cm2.

12. Calcula la resistència elèctrica d´un fil d´alumini de 30 metres de longitud i 10 mm2 de secció. ( La resistivitat de l´alumini es de 0,028 ohms·mm2/m ).

13. Calcula la longitud inicial que tenia un cable d´acer ( coeficient de dilatació lineal =1,2 ·10-5 ) si ha patit un allargament de 8 mm en augmentar la temperatura 125 ºC.

14. Calcula la quantitat de calor tramesa per un conductor d´alumini ( coeficient de conductivitat tèrmica = 209,3 W/m K ) d´1,2 metres de longitud i 90 mm2 de secció en 2 hores si hem augmentat la temperatura 100 ºC.

103


TEMA 9. Màquines i mecanismes 1. Mecanismes de transmissió i transformació del moviment. PRIMERA PART : MÀQUINES SIMPLES. Les màquines simples són les constituïdes bàsicament per un sol element, s'apliquen per ampliar l'efecte d'una força i són la base per la construcció de d'altres màquines. Les màquines simples ens faciliten la realització d'un treball. Les màquines simples fonamentals són:    

El pla inclinat La palanca Les politges El cargol

1. LA PALANCA : 1. DEFINCIÓ DE PALANCA  

Una palanca consisteix en una barra rígida recolzada en un punt de suport o fulcre al voltant del qual pot girar. En aplicar-hi una força (F) en un extrem, s’obté una altra força a l’altre extrem que pot vèncer una resistència (R). 2. PARTS D´UNA PALANCA

3. LA LLEI DE LA PALANCA

104


4. TIPUS DE PALANQUES

2. LES POLITGES 1. DEFINICIÓ : La politja, és una màquina simple que consisteix en una roda amb un solc al voltant, per on va una corda o cable, i que gira al voltant del seu eix.

n funció del número de politges utilitzades, trobem diferents aplicacions: 1. Politja fixa o corriola 2. Politja mòbil 3. Polispast 105


1. Politja fixa o Corriola Només s'utilitza una politja, i no estalvia esforç. Només serveix per canviar el sentit de la força que apliquem. S'utilitza per pujar pesos fent una força cap a baix, donat que és més fàcil.

F=R F= Força aplicada (N) R= Pes que volem aixecar (N) 2. Politja mòbil. És un sistema de politges compost per dos politges: una fixa i una mòbil.

F=R/2 F= Força aplicada (N) R= Pes que volem aixecar (N)

Inconvenient: Hem d'estirar més longitud de corda Avantatge: Hem de fer la meitat de força.

3. Polipast. Ve a ser una generalització de la politja mòbil. En aquest cas també és un sistema amb politja móbil, però en aquest cas amb més d'una.

F= Força aplicada (N) R= Pes que volem aixecar (N) n= número de politges mòbils

F=R/(2·n) 3.EL CARGOL 1. DEFINICIÓ Un cargol és una peça cilíndrica amb un solc o resalt uniforme i continu que descriu una línia helicoïdal. El cargol podríem dir que és un pla inclinat en forma d'hèlix. La femella és una peça amb un forat que té un canal helicoïdal. El mecanisme cargol- femella pot ser utilitzat com element de fixació o com a mecanisme de transformació de moviment circular a rectilini. 106


El solc o resalt rep el nom de filet de rosca. El pas (p) d'una rosca és la separació entre dos filets. L'avanç (a) d'un cargol és la distància que avança amb una volta censera. a = p Si el cargol té un sol filet l'avanç és igual pas pel nombre de filets (n). a = n·p Els cargols poden tenir més d'un fil de rosca, en aquest cas l'avanç és igual al pas pel nombre de fils o entrades.

2. Llei del cargol

4.EL PLA INCLINAT. 1. DEFINICIÓ : Un pla inclinat és una superfície plana inclinada respecte al pla on es recolza, que permet desplaçar un objecte pesant a major altura sense esforçar-se tant com si l'aixequéssim verticalment. La força requerida per desplaçar un objecte d'una altura a una altra, sense tenir en compte el fregament, es calcula utilitzant aquesta fórmula:

F= R · h / l=R·sinβ F = Força (en Newtons) ; R= Resistència (en Newtons) ; h= altura (metres) ; l = longitud (metres)

107


SEGONA PART : MECANISMES DE TRANSMISSIÓ DEL MOVIMENT. Les màquines per transmetre moviments utilitzen mecanismes, aquest mecanismes es poden agrupar en dos grans grups: politges i engranatges. 1. POLITGES I CORRETGES. Quan dues politges estan acoblades per mitja d'una corretja el moviment es transmet de la politja motriu a la politja conduïda. La politja motriu és la que inicia el moviment. La politja conduïda és la moguda per mitja de la corretja. La velocitat de gir de cada politja dependrà del seu diàmetre. Si els diàmetres són iguals la velocitat és igual, en cas contrari la velocitat ve donada per la següent expressió:

N1 Velocitat de la roda conductora (rpm) D1 Diàmetre roda conductora (m) N2 Velocitat de la roda conduïda (rpm) D2 Diàmetre de la roda conduïda (m) (r p m : revolucions per minut) A. Relació de Transmissió : 108


La relació de transmissió és la relació entre els dos diàmetres i entre les velocitats.

2. ENGRANATGES I RODES DE FRICCIÓ. Els engranatges són rodes dentades que permeten la transmissió de moviment. Els engranatges es poden acoblar directament o per mitja d'una cadena. Segons el nombre de dents de cada engranatge podrem augmentar o disminuir la velocitat de gir segons la següent expressió:

N1 · Z1 = N2 · Z2 ( per engranatges ) N1 · D1 = N2· D2 ( per rodes de fricció ) Z = nombre de dents d'un engranatge. D = diàmetre de la roda de fricció. Relació de Transmissió.

Tipus d´engranatges. Els engranatges es classifiquen en funció de la posició relativa dels seus eixos. Segons aquest criteri podem trobar els següents tipus d'engranatges:

109


Engranatges Rectes

Quan giren sobre eixos que són paral.lels entre ells. Les dents són paral.leles a l'eix.  Engranatges Cònics

Quan giren sobre eixos que es tallen. L'angle de tall acostuma ser de 90 graus, és a dir, els eixos són perpendiculars. Engranatges Helicoidals

Quan giren sobre eixos que són paral.lels o s'encreuen. Les dents estan disposades en forma d'hèlix. De cremallera

Quan engrana una barra dentada i una roda dentada. Tenim una conversió de moviment circular a rectilini i v/v. Roda i cargol sense fi Quan giren sobre eixos que es tallen i un dels elements és un cargol sense fi.

Sistema compost d´engranatges : En aquest mecanisme les velocitats de gir dels successius eixos (N1, N2, N3 i N4) es van reduint a mesura que s'engrana una roda de menor nombre de dents (conductor amb Zb dents) amb una de més nombre (conduïda amb Za dents).

110


N2=N1·(Za/Zb) N3=N2·(Zc/Zd) N4=N3·(Ze/Zf) Si el engranatge es produeix des d'una roda de major nombre de dents a una de menor nombre, obtindrem un augment de velocitat. Cadena- Pinyó. Aquest sistema consta d'una cadena sense fi (tancada) les baules engranen amb rodes dentades (pinyons) que estan unides als eixos dels mecanismes conductor i conduit.

ls eixos han de mantenir-se en posició fixa un respecte a un altre, pel que solen subjectar mitjançant suports, armadures o forquilles (en el cas de motos i bicicletes). Per a la relació de transmissió valen totes les equacions deduïdes per les politges o per a les rodes dentades, sense més que substituir el diàmetre de les politges pel nombre de dents dels pinyons. Per a que dos engranatges engranin i transmetin el moviment cal que tinguin el mateix mòdul ( M ). El mòdul és la relació existent entre el diàmetre del dent i el nombre de dents. Aquest mòdul està normalitzat.

111


El pas circular és la distancia que hi ha entre el començament d´un dent i el començament del que be a continuació ( tal i com es pot veure a la imatge ). La relació que hi ha entre el pas circular i el mòdul és la següent.

On p : pas circular ( en mm ) i M : mòdul ( en mm )

112


TERCERA PART : MECANISMES DE TRANSFORMACIÓ DEL MOVIMENT 1 .MECANISME CREMALLERA-PINYÓ. a. DEFINICIÓ : Permet convertir un moviment giratori en un lineal continu, o viceversa.

Tot i que el sistema és perfectament reversible, la seva utilitat pràctica sol centrar-se només en la conversió de giratori a lineal continu, sent molt apreciat per aconseguir moviments lineals de precisió (cas de microscopis o altres instruments òptics com retroprojectors), desplaçament del capçal dels trepants sensitius , moviment de portes automàtiques de garatge, llevataps, regulació d'altura dels trípodes, moviment de prestatgeries mòbils emprades en arxius, farmàcies o biblioteques, panys, control d'avanç i retrocés d'un trepant sensitiu b.CONSTITUCIÓ I FUNCIONAMENT.

El sistema està format per un pinyó (roda dentada) que engrana perfectament en una cremallera.

113


Quan el pinyó gira, les seves dents empenyen els de la cremallera, provocant el desplaçament lineal d'aquesta. Si el que es mou és la cremallera, les seves dents empenyen als del pinyó aconseguint que aquest giri i obtenint en el seu eix un moviment giratori.

Com que cada dent del pinyó engrana amb una dent de la cremallera podem dir que cada dent del pinyó provoca en la cremallera un avançament lineal d´un pas. Si el pinyó té Z dents, quan hagi donat una volta sencera la cremallera s´haura desplaçat

d= Z · p ( desplaçament de la cremallera per una volta del pinyó )

d= Z · p · nºvoltes pinyó ( desplaçament de la cremallera per un nombre n de voltes del pinyó ) On d : desplaçament de la cremallera en mm, Z : nº de dents del pinyó. Amb tot això si el pinyó gira per exemple a N rpm podrem calcular la velocitat lineal de desplaçament de la cremallera en cm/segon com :

V = d · N/ 600 On V és la velocitat lineal de la cremallera en cm/s i N la velocitat de rotació del pinyó en rpm.

2. MECANISMES BIELA MANOVELLA

MOTORS DE COMBUSTIÓ INTERNA. 1. DEFINICIÓ : És una màquina que obté energia mecànica de l'energia química produïda per un combustible que crema dins d'una cambra de combustió. 114


2. CLASSIFICACIÓ i FUNCIONAMENT : Una forma molt general de classificar els motors es fa partint del tipus de combustible que utilitzen, a causa que això estableix diferències molt importants entre ells com veurem més endavant:  Motors de gasolina (també anomenats motors Otto)  Motors dièsel. Si fem una síntesi del treball dels dos tipus de motors podem dir que en un motor de gasolina s'introdueix dins d'una cambra de combustió tancada el fons és el pistó una barreja d'aire i combustible, que després s'inflama amb l'ús d'una espurna, en una mena d'explosió controlada que fa augmentar la pressió i la temperatura dins de la cambra, aquesta pressió empeny el pistó, que al mateix temps transmet la força al cigonyal a través de la biela. Per al cas del motor dièsel el funcionament és molt similar, però a la cambra de combustió només entra aire, i després, en ella, s'injecta el combustible finament polvoritzat, el qual s'inflama espontàniament i produeix l'augment de pressió que dóna peu al moviment del cigonyal.

Com des del punt de vista constructiu I funcional dos motors són d'estructura bàsica similar., Cal destacar que l'eficiència dels motors és força baixa, només el 15-25% de l'energia tèrmica del combustible pot ser utilitzable en l'eix de sortida, la resta es perd en forma de calor transferit a les parets de la cambra, en els gasos d'escapament, que tot i calents s'aboquen a l'exterior, en pèrdues internes per fregament i en el moviment de les parts necessàries com els líquids de lubricació o de refredament. L'eficiència dels motors dièsel és una mica més gran que els de gasolina.

Com ja es va dir, la transformació de l'energia es basa en el moviment del mecanisme pistó-bielamanovella que converteix la translació linela del pistó en moviment de rotació de l'arbre de sortida per proporcionar força.

115


Durant el treball d'aquest mecanisme es poden diferenciar diverses etapes que s'ha convingut a anomenar cicles o temps i que coneixerem amb una mica de detall més endavant, doncs bé, a la pràctica això proporciona una altra via important i molt general de classificació:

Són motors lleugers i senzills amb un funcionament similar als de 4T. No porten vàlvules ni arbres de lleves, són econòmics i indicats per màquines de poca potència (ciclomotors, serres mecàniques, grups electrògens ...) En el primer temps es produeixen simultàniament les fases d’admissió i compressió i en el segon temps es produeixen, també simultàniament, les fases d’explosió i escapament. Els motors de 2T utilitzen gasolina mesclada amb oli del 2 al 4% (mescla) per lubrificar el pistó (no cal oli al carter) Principi de funcionament: 

Admissió i compressió: El pistó es desplaça del PMI al PMS (moviment ascendent). El pistó tanca la boca de sortida dels gasos cremats i obre la boca d’entrada dels gasos que venen del carburador. El buit produït al càrter provoca l’aspiració dels gasos combustibles (admissió) i la mescla d’aire, gasolina i oli procedent del carburador passa a l’interior del càrter. El pistó continua el seu moviment cap PMS comprimint els gasos combustibles que hi havia a l’interior del cilindre. 116


Explosió i escapament: moviment descendent del pistó degut a l’explosió provocada per la guspira de la bugia des del PMS a PMI (explosió). Durant aquest moviment el pistó tanca la boca d’admissió i obre la d’escapament i la de càrrega. Es produeix la sortida de gasos cremats (escapament) i l’entrada al cilindre, per la boca de càrrega, dels gasos combustibles procedents del càrter. A continuació torna a iniciar-se el cicle.

Motors de quatre temps.

Inventat per Nikolaus Otto el 1876 (enginyer alemany) Utilitza gasolina com a combustible i transforma l’energia tèrmica en mecànica impulsant un pistó que transforma el seu moviment alternatiu en circular a través d’un mecanisme biela – manovella. Funcionament del motor de quatre temps: 

Admissió: s’obre la vàlvula d’admissió i al baixar el pistó xucla la mescla de gasolina i aire que ve del injector electrònic, antigament era un carburador. (Pistó al PMS i baixa al PMI)

Compressió: la vàlvula d’admissió es tanca i el pistó puja comprimint la mescla de gasolina i aire. (Moviment ascendent del pistó fins PMS)

Explosió: una guspira elèctrica produïda per la bugia inflama la mescla provocant una explosió. Es generen molts gasos que empenyen el pistó cap a baix. És l’única fase que es produeix treball. (Moviment descendent del pistó)

Escapament: s’obre la vàlvula d’escapament i surten els gasos de la combustió al pujar el pistó. Es tanca la vàlvula i torna a començar el cicle. (moviment ascendent del pistó de PMI a PMS)

117


Altres components dels motors de combustió interna.

Com calcular la cilindrada d´un motor d´un cotxe o una moto. Cilindrada, és la denominació que es dóna a la suma del volum útil de tots els cilindres d'un motor alternatiu. És molt usual que es mesuri a centímetres cúbics (cc). Es calcula en forma següent:

r = radi del cilindre h = carrera o cursa del pistó En altres paraules, cilindrada és el volum geomètric ocupat pel conjunt de pistons des del punt mort inferior (PMI) fins al més alt (PMS), també anomenat punt mort superior.

118


EXERCICIS TEMA 9. 1. En un sistema de politges simple, la politja connectada a l'eix del motor té un diàmetre de 8 mm i la conduïda un diàmetre de 12 cm. Quan es posa en marxa el motor es compta mitja volta per segon a la politja conduïda. Calcula el nombre de revolucions per minut del motor. 2. Calcula la velocitat de la politja conduïda d'un sistema de politges en què el diàmetre de la politja motriu és 12 cm i la seva velocitat 400 rpm, sent el diàmetre de la politja conduïda 4 cm. Calcula la relació de transmissió del sistema. Indica si és reductor o multiplicador. Dibuixa el sistema.

3. Donat els següents mecanisme es demana: a) Calcular la relació de transmissió. b) Dir si el sistema és multiplicador o reductor. c) Si la roda conduïda gira a 1000 rpm, a quantes rpm gira la roda motriu?

4. Indica quina és la velocitat de la politja 2 sabent que la politja 1 gira a 2500 rpm i que els diàmetres de cada politja són: d1 = 20 mm, d2 = 40 mm.

5. Quina és la velocitat de l'engranatge conduït a la següent transmissió per engranatges?. Calcula la relació de transmissió i indica si el sistema és reductor o multiplicador.

119


6. Donat el sistema d'engranatges de la figura i sabent que z1 = 20, z2 = 40, z3 = 20, z4 = 60, i la velocitat de la roda 1 ĂŠs n1 = 600 rpm; calcula les velocitats de les rodes 2, 3 i 4.

7. Donat el sistema d'engranatges de la figura calcula:

a) Velocitat de gir de cada un dels engranatges b) Relacions de transmissions parcials i total del sistema.

8. En el sistema d'engranatges compost de la figura calcula el nombre de dents que ha de tenir l'engranatge 3 si el motor gira a 14.400 rpm i l'eix de sortida a 150 rpm, quina ĂŠs la velocitat de gir dels altres eixos?.

120


9. Donat el següent tren de politges, i sabent que d1 = 20 cm, d2 = 40 cm, d3 = 25 mm, d4 = 50 mm, i la velocitat de la roda 1es n1 = 200rpm; Calcula les velocitats de les rodes 2, 3 i 4.

10. Determina la força que he de fer per aixecar els següents objectes utilitzant les següents politges i polispasts.

11. Calcula la resistència que mou la maneta de la roda de la figura, sabent que la força exercida amb el peu sobre el pedal és de 2 kg.

121


12. Calcula el nombre de dents de la roda 5 perquè la roda 6 giri a 100 rpm si la roda 1 gira a 800 rpm.

13. Calcula les velocitats que es poden obtenir sabent que el motor gira a 1400 rpm.

14. Calcula les velocitats de sortida de la cadena cinemàtica següent :

122


15. El dibuix de la figura representa el mecanisme d'una trepant, on la corretja pot tenir 3 posicions. a) En quina posició ha de ser la corretja per obtenir la velocitat màxima en el trepant?. Per què?. Quina és aquesta velocitat si el motor gira a 1400 rpm?. b) Quina és la velocitat més lenta?.

16. En un sistema de politges compost, la politja motriu té un diàmetre de 15 cm i està unida mitjançant una corretja a una altra politja de diàmetre 450 mm. La relació de transmissió del segon sistema de politges és 3. Si la politja conduïda d'aquest sistema és 90 cm i gira a 15 rpm, es demana: Representació. Velocitat del motor. Diàmetre de la politja que falta. 17. En un sistema de 4 politges, units dos a dos, es coneixen les següents dades: relació de transmissió del sistema = 24; Relació de transmissió de les dues últimes politges = 6; diàmetre de la politja motriu = 800 mm, diàmetre de la politja de sortida = 8 cm; velocitat de l'eix de sortida = 240 rpm. Es demana: a) Dibuix simbòlic b) Diàmetre de les altres dues politges. c) Velocitat dels eixos del sistema i del motor. 18. Calcula les relacions de transmissió màxima i mínima que es poden aconseguir amb una bicicleta que disposa de dos plats de 44 i 48 dents i de quatre pinyons de 16, 18, 20 i 22 dents. 19. Calcular el desplaçament d'una broca col · locada en el portabroques d'un trepant quan fem una volta a la maneta, si el pinyó té un mòdul de 1,5 mm i té 30 dents. 20. Un sistema pinyó-cremallera de 2 mm de pas i 15 dents gira a 500rpm. calcular la velocitat d'avanç de la cremallera en m / s. 21. Un sistema pinyó-cremallera amb 36 dents i un pas de 3,14 mm s'utilitza per obrir o tancar una porta corredissa de garatge de 60cm de longitud. Sabent que la roda gira a 123


55rpm. Es tracta de calcular: a. L'avanç. b. La velocitat d'avanç de la cremallera. c. El temps emprat en obrir-se la porta. 22. La figura representa un mecanisme pinyó cremallera. El pinyó té 40 dents i el mòdul és 2. Es demana el desplaçament de la cremallera quan la reuda dentada de 3 voltes completes.

23. En un sistema pinyó-cremallera el pinyó té 42 dents i el seu diàmetre primitiu és 130mm. Quin és el mòdul d'aquest pinyó i el pas de la cremallera?. 24. Un sistema pinyó-cremallera s'utilitza per desplaçar un carretó entre dos punts A iB separats una distància de 120cm. El pinyó de 60 dents (m = 1 mm) gira a 30rpm. calcular: a. La velocitat d'avanç del carretó. d. El temps invertit en recórrer aquesta distància.

25. En el següent sistema biela-manovella pertanyent a un motor d'explosió interna d'un automòbil, el pistó té una carrera de 50 mm quina longitud tindrà el braç del cigonyal?

124


26. Si en el motor anterior el pistó puja i baixa 2400 vegades cada minut a quina velocitat gira el cigonyal?

27. Calcula el nombre de voltes que ha de girar el sens fi T perquè la roda C giri deu voltes, sabent que cada volta del cargol produeix l'avanç d'una dent de la roda A.

28. Una cremallera té 3 grans per centímetre i engrana amb un pinyó de 15 dents que gira a una velocitat de 30 rpm. Calcula la velocitat a la qual es mou la cremallera. Si el pinyó gira durant 3 minuts Quant espai es desplaça la cremallera?

29. a. Quina força s'ha d'aplicar per aixecar una càrrega de 500 kg a pols? b. I per un pendent, si per aixecar-la 3 m s'ha de recórrer sobre el pla inclinat 12 m?.

30. Quina longitud ha de tenir un pla inclinat per reduir a la meitat la força que s'ha d'aplicar per remuntar un objecte 5 m?

125


TEMA 10. MÀQUINES I MECANISMES 2. MECANISMES DE RETENCIÓ I ACOBLAMENT D´EIXOS. 1. CADENES CINEMÀTIQUES Els trens de politges i d'engranatges que hem vist són un cas particular d'associació de diferents mecanismes. L'element de sortida d'un és el d'entrada del següent. La cadena cinemàtica més estesa i important en l'actualitat és, sens dubte, el motor i el sistema de transmissió d'un automòbil, on es transforma l'energia del combustible en el gir de les rodes, i per tant, en velocitat del vehicle.

 MOTOR En la gran majoria dels automòbils moderns, es tracta d'una màquina tèrmica de combustió interna, això vol dir que s'aprofita l'energia d'un combustible per transformarla en un gir. Encara que existeixen altres tipus, el model universal és el motor de quatre temps, en què un èmbol es desplaça amunt i avall per l'interior d'un cilindre per moure una biela que al final fa girar el cigonyal.

Les vàlvules d'admissió (donen entrada als gasos frescos) i d'escapament (permeten sortir als gasos cremats cap al tub d'escapament) s'accionen mitjançant un arbre de lleves. En motors més avançats es disposen un arbre de lleves per les vàlvules d'admissió i un altre per a les d'escapament.

126


Com només es genera energia en un dels quatre moviments, es disposen més cilindres perquè hi hagi algun en el temps d'explosió-expansió, i aquest pugui impulsar a la resta. Per això els motors de quatre cilindres són els més utilitzats en automoció. També es poden disposar més cilindres per obtenir un funcionament més suau, o col · locar en V perquè ocupin menys: Motor de 4 cilindres en línia

Motor de 6 cilindres en V

A més de la pròpia potència del motor (que se sol expressar en cavalls de vapor), d'un motor s'expressa la velocitat de gir a la qual es produeix i el parell, encara que aquest es pot calcular mitjançant l'expressió:

P=C·ω amb la potència P en Watts, el parell C en Newton · metre i la velocitat de rotació ω en radians partit per segon.  EMBRAGATGE En els automòbils es tracta gairebé sempre d'embragatges de fricció de disc, com els que es van tractar en els acoblaments. La potència màxima que es pot transmetre sense que

127


l'embragatge patini depèn de la superfície de fricció, del coeficient de fregament i de la força amb què es comprimeixi el disc d'embragatge.

En essència, es basa en poder unir i separar quan vulguem un arbre motriu amb un altre arbre conduït. Per això existeixen diversos mètodes:  Embragatge de fricció En aquest cas cadascun dels arbres està unit a un disc, una de les quals es pot desplaçar. En ajuntar els dos discos (posició de embragat) el fregament fa que girin junts, i quan se separen (posició desembragat), l'arbre motriu segueix girant mentre l'conduït pot fins i tot aturar-se.

Entre les posicions de acoblat i desacoblat ha un posició intermèdia (mig embragatge) en la qual no s'exerceix massa força per mantenir juntes les superfícies de fricció i així la transmissió de potència es pot fer d'una manera progressiva, a costa de desgastar el mecanisme. En els automòbils el disc desplaçable queda bloquejat quan es deixa anar el pedal, i s'allibera en trepitjar.

128


 Embragatge centrífug Es basa en aprofitar la força centrífuga provocada pel gir per comprimir les superfícies de fricció contra una campana que rep el gir.

 Embragatge hidràulic En aquest cas una peça unida a l'arbre motriu impulsa oli contra una altra peça unida a l'arbre conduït. En aquest sistema sempre hi ha pèrdues d'energia degudes a l'escalfament i el fregament de l'oli. A canvi, la transmissió del gir és molt suau, de manera que és el mecanisme usat en els vehicles amb canvi de marxes automàtic, rebent el nom de convertidor de parell.

 Embragatge d´urpes La utilització primitiva d'aquest tipus d'embragatge és la de desplaçar una de les peces per fer que girin junts els arbres motriu i conduït. Per això, tots dos arbres han d'estar detinguts, ja que d'una altra manera no es poden acoblar.

No obstant això, l'embragatge d'urpes s'ha imposat com a mecanisme de seguretat en motors de gran potència, capaços de transmetre un parell de gir elevat. Per això, una molla manté les urpes en contacte fins que l'eix conduït es bloqueja, moment en què les dents salten i eviten així el trencament gairebé segura de les peces bloquejades ..

129


 CAIXA DE CANVIS El motor d'un vehicle pot girar entre un marge de velocitats limitat (entre 1000 i 7000 rpm en motors de gasolina i de 1000 a 5000 rpm per a motors dièsel), però els vehicles necessiten una variació de velocitat a les rodes molt més gran. Per això es disposen uns engranatges amb diferent relació de transmissió de manera que la mateixa velocitat de gir del cigonyal es pot convertir en diferents velocitats de gir a les rodes. Per a això es disposen un arbre primari amb rodes dentades unides a ell i que rep el gir de l'embragatge. Aquests pinyons primaris engranen constantment amb les rodes dentades de l'eix secundari, que poden girar lliurement sobre ell. Mitjançant unes peces desplaçables per maneguet estriat sobre l'eix secundari es pot travar el pinyó desitjat: Peces bàsiques de la caixa de canvis

El desplaçable trava la roda conduïda a l'arbre secundari

GRUP CÒNIC I DIFERENCIAL Després de la caixa de canvis es produeix una nova reducció mitjançant dos pinyons cònics que canvien la direcció de gir per transmetre-la a les rodes.

En el grup cònic s'insereix un mecanisme a base de quatre pinyons cònics petits, dos d'ells units als paliers i els altres dos (anomenats satèl · lits) solidaris a la corona. Es tracta del diferencial. Amb aquest enginy, quan una de les rodes presenta més 130


resistència, els satèl · lits roden sobre el pinyó d'aquesta roda i apliquen més gir a la roda oposada. D'aquesta manera, el vehicle pot prendre corbes ajustant la distància que recorre cada roda.

2. ACOBLAMENTS ENTRE EIXOS. Encara que en essència es tracta de mecanismes de transmissió, se sol fer un grup a part amb ells, ja que són elements utilitzats per transmetre un gir d'un arbre motriu a un altre conduït sense variació de velocitat. Entre els més comuns tenim els acoblaments ja siguin rígids o mòbils, els embragatges ( que ja hem vist ) i el trinquet. ACOBLAMENTS RÍGIDS Estan constituïts per peces que fixen la posició relativa dels dos arbres, estrenyent contra ells per mitjà de cargols. De vegades s'intercalen xavetes (barres entre l'acoblament i l'arbre en sentit longitudinal que impedeixen el gir). Acoblament de mànec partit

Acoblament de brides o plats

ACOBLAMENTS MÒBILS Els elements anteriors només es poden utilitzar quan els arbres a unir estaran sempre alineats. Però com això no és molt normal, ja que sempre es pot produir vibracions o els eixos poden patir algun desalineament, és comú utilitzar elements que permeten un cert moviment. Entre ells tenim:  mànec estriat Es tracta de crear unes ranures a l'extrem dels dos arbres a unir, i trabarlas mitjançant un tub que té les mateixes ranures, però per l'interior. Un dels arbres està fix al maniguet i l'altre pot lliscar amb certa comoditat, però no girar respecte a aquell.

131


 Junta elàstica Formada per un anell de goma al qual s'uneixen dos arbres. Com l'element d'unió és elàstic, amb aquest mètode es poden evitar vibracions i es permet un lleuger descentrament dels eixos.

 Junta Cardan Aquest mecanisme s'utilitza quan cal variar la direcció del gir d'un arbre. Està format per dues forquetes unides als arbres d'entrada i de sortida, i entre les dues hi ha una peça anomenada creueta. Quan l'arbre d'entrada gira, arrossega a l'escaire i aquesta al seu torn arrossega l'arbre de sortida.

La junta Cardan té el problema que la velocitat de gir de sortida pateix algunes variacions per efecte dels angles:

 Junta homocinètica Una altra solució per evitar una velocitat variable a l'arbre de sortida és aquesta evolució de la junta Cardan. En l'animació apareix la junta de boles Rzeppa, una de les variants del mecanisme (encara que hi ha altres solucions), d'ús universal en els vehicles de tracció davantera, on les rodes han de poder inclinar mentre reben el gir del motor:

132


3. ACUMULADORS I DISIPADORS D´ENERGIA Els elements acumuladors emmagatzemen energia en els moments en què se'ls aplica un esforç, per alliberar posteriorment aquesta energia i obtenir un moviment sense massa variacions. Per tant, és convenient recordar succintament els esforços simples que existeixen: 

ESFORÇOS

En l'anàlisi d'estructures esforç és la relació entre la força a què es sotmet un objecte i la secció que resisteix aquesta força. Encara que hi ha infinitat de formes d'aplicar aquesta força, totes es poden descompondre en només cinc tipus, a saber: TRACCIÓ I COMPRESSIÓ

FLEXIÓ

TORSIÓ

TALL O CISALLA

En cursos anteriors es va treballar amb estructures capaços de resistir esforç, i ara anem a veure els elements que acumulen energia quan se sotmeten a algun dels tipus bàsics, així com els elements destinats a eliminar aquesta energia. 

MOLLES O RESORTS

Existeixen diferents elements que aprofiten les seves propietats per deformar elàsticament davant de cadascun dels tipus d'esforços i recuperar després la seva forma. Ressorts de tracció i compressió Són les conegudes molles helicoïdals, formats per cercles encadenats de filferro. La deformació elàstica es produeix perquè el filferro realment es retorça, escurçant o estirant la molla.

Ressorts de flexió Per aquest tipus d'esforços s'utilitzen majoritàriament les ballestes, un conjunt de làmines d'acer ordenades de major a menor longitud que se solen unir a una estructura fixa pels dos extrems i mantenen al centre l'element subjecte.

133


Ressorts de torsió Quan es necessita un element elàstic a torsió, es disposa de tres possibilitats. 

La barra de torsió és una simple barra que es retorça. És un mètode molt utilitzat en la suspensió d'automòbils de poc pes, per la seva simplicitat i poc preu.

El ressort espiral és un fleje o làmina d'acer que emmagatzema energia en girar un eix. En realitat s'emmagatzema energia elàstica perquè la làmina es flexiona. Aquest element s'utilitza en els objectes que se'ls dóna corda girant una cadireta, com en els antics joguines i rellotges.

Finalment, el ressort de torsió pròpiament dit, que és similar a una molla helicoïdal que en comptes d'estirar, es retorça:

Per esforços de tall

Els elements sotmesos a tall solen ser un problema, ja que aquest no és un esforç que es solucioni amb peces tan senzilles com els casos anteriors. Per evitar la deformació per cisallament s'utilitzen encastos, que són reforços d'un material resistent. Els únics elements elàstics que poden absorbir en part aquesta deformació són les juntes de dilatació, que no són més que afegits de goma o de silicona aplicats en forma d'adhesiu.

134


AMORTIDORS

Es tratra d'elements dissipadors d'energia inseparables dels molls i ressorts, doncs eviten el rebot que es produeix en alliberar l'energia elàstica acumulada per aquells. Estan formats per una càmera plena d'oli per l'interior es desplaça un èmbol amb forats a través dels quals flueix l'oli amb certa dificultat.

Els sistemes de suspensió dels automòbils estan formats sempre per un element elàstic i un amortidor:

VOLANT D'INÈRCIA

És un disc o una roda que aporta massa addicional a un sistema que està girant, de manera que es pot augmentar l'energia cinètica emmagatzemada pel conjunt.

Cada vegada que el volant d'inèrcia rep energia per una acceleració brusca del moviment rotatori, aquesta energia s'emmagatzema en forma d'energia cinètica, augmentant lleugerament la velocitat de rotació. D'altra banda, quan cessa el parell motor que l'impulsa, el volant continua el seu moviment de gir per inèrcia. Això es tradueix en una reducció de les fluctuacions de velocitat angular, aconseguint un gir bastant uniforme. Per aquest motiu, a totes les màquines amb elements giratoris estan proveïdes de volants d'inèrcia, per exemple, en els motors d'automòbils, s'acobla

135


al cigonyal, i en la seva perifèria es tallen unes dents en què engranará el motor elèctric d'arrencada:

L'energia de rotació d'un sòlid depèn de diversos factors:

 En primer lloc, evidentment, de la velocitat amb que estigui girant.  També depèn de la massa que tingui.  A més, depèn de la distància a la qual estigui la massa respecte a l'eix de gir. L'expressió que regeix l'energia cinètica de rotació és la següent:

on I rep el nom de moment d'inèrcia, i el seu valor depèn de la configuració de l'element rotatori. La seva unitat és kg · m² . El terme ω és la velocitat de rotació, expressada en la unitat del sistema internacional, rad / s. Moments d'Inèrcia Iz: Moment d'Inèrcia eix z m: Massa r: Ràdio

136


Moment d'Inèrcia Cilindre Buit de paret prima

Moment d'Inèrcia Cilindre Buit de paret gruixuda

Moment d'Inèrcia Cilindre Massís

Moment d'Inèrcia: Esfera Sòlida

Moment d'Inèrcia: Esfera Hueca

FRENS

Un fre és un dispositiu utilitzat per aturar o disminuir el moviment d'algun cos, generalment un arbre. Transformen l'energia cinètica d'un cos en calor o treball i en aquest sentit poden visualitzar-se com "extractors" d'energia.

Existeixen frens elèctrics que són en realitat generadors que transformen l'energia cinètica en corrent elèctric que es fa passar per una resistència que dissipa l'energia elèctrica. No obstant això, els més estesos són els frens de fricció, que actuen mitjançant peces fixes d'amiant que apliquen una força de fregament sobre l'element giratori, transformant en calor l'energia cinètica. Per la seva senzillesa i fiabilitat són els més utilitzats en els vehicles, i existeixen diversos tipus: Frens de cinta o de banda Utilitzen una banda flexible sobre la qual estan muntades unes sabates que s'abracen sobre un cilindre giratori amb l'eix que es pretengui frenar. Fre de tambor Estan formats per un tambor o campana que està unit a la roda o arbre, i contra ell es poden comprimir unes sabates disposades al seu interior. Fre de disc En aquest cas, és un disc d'acer unit a la roda oa l'arbre, i unes sabates es comprimeixen contra les cares del disc per realitzar la frenada. És el fre més efectiu de tots i, per la seva capacitat d'eliminar la calor que es pot augmentar mitjançant trepants radials, aquest és el mètode més usat en l'actualitat.

137


Ara bé, pel fet que el vehicle càrrega més sobre l'eix davanter durant la frenada, es fa necessari col · locar en les rodes del darrere frens que evitin que les rodes es bloquegin per falta de pes. Si això passés, i alguna roda derrapa, es perd el control del vehicle. Per això, s'instal · len frens de tambor que tenen menor rendiment que els de disc, o sistemes ABS que alliberen la pressió hidràulica en la roda que s'aturi.

En tots els casos, la força aplicada a les sabates de fre es transmet des del pedal que maneja el conductor mitjançant un fluid hidràulic, que és un oli lleuger que té la propietat de no evaporar ni formar bombolles: 

CÀLCUL DE LA DISTÀNCIA DE FRENADA D'UN VEHICLE

Un sistema de frens ha de dissipar tota l'energia cinètica del vehicle. Els frens actuen per fregament, així que aquesta energia cinètica és igual al treball que realitzi la força de fregament. Aquesta es pot calcular com a producte d'aquesta per la distància que està actuant:

Wc= FF · d = 1/2 · m · v2 El fregament és un valor que ve donat pel producte del coeficient de fregament multiplicat per la força normal aplicada a la sabata (produïda per la pressió del sistema de frens):

FF = μ · N = μ · m ·g ( m : massa del vehicle, g= 9,81 m/s2) Així es pot calcular la distància que està actuant la força de fregament. Aquesta distància és igual al nombre de voltes que dóna la roda per la distància que es recorre en una volta:

138


d = nombre voltes · 2 π r (r = radi de la circumferència en què actua FF)

Calculat el nombre de voltes que dóna la roda, si es coneix el desenvolupament de la mateixa (distància que recorre en una volta = 2 π R, on R és el radi de la roda), es pot calcular la distància de frenada del vehicle.

4. SUPORTS, LUBRICACIÓ I EQUILIBRAT Qualsevol màquina té com a element principal l'estructura, també anomenada bastidor o xassís, que aporta la resistència necessària per mantenir totes les peces unides. Aquesta estructura pot estar fixa a terra o no, com en els automòbils. BASTIDOR

XASSÍS

A l'estructura principal poden anar unides altres estructures mitjançant una unió rígida o mòbil, fent ús d'acoblaments similars als vistos anteriorment. El més comú és que totes les estructures mantinguin al seu lloc arbres o eixos que giraran o es desplaçaran en les seves posicions. Per facilitar aquests moviments i reduir tant el desgast com el fregament, s'utilitzen els coixinets de fricció i dels rodaments. COIXINETS Són peces de bronze, niló o tefló que tenen baix coeficient de fregament i en l'interior pot girar un arbre. Si els coixinets s'escalfen massa arriben a fondre (o griparse), podent arribar a fixar per soldadura la peça que suporten. Per evitar-ho, necessiten estar lubricats amb oli o amb greix.

139


RODAMENTS Es tracta d'una millora sobre els coixinets, encara que bastant més cara. El seu principi de funcionament consisteix en interposar unes boles d'acer entre el bastidor i l'arbre i dues pistes, també d'acer, sobre les que rodaran aquestes boles. Quan cal suportar esforços molt grans, en lloc de boles s'interposen corrons. Rodament de boles

Rodament de rodets

Rodament axial de boles

Rodament cònic

Els rodaments anteriors només suporten esforços perpendiculars a l'arbre, de manera que es denominen radials. Quan cal evitar que hi hagi un desplaçament en la direcció de l'eix s'utilitzen els rodaments axials. En els casos en què el faig de suportar esforços tant radials com axials, hi ha un altre tipus de rodaments, que s'anomenen mixtes o cònics. En aquest cas els rodets tenen forma cònica igual que les pistes. LUBRICACIÓ La utilització de oli animal per millorar el lliscament és una tècnica fins i tot anterior a la roda. Ha acompanyat a la Humanitat amb la roda i amb les primeres màquines de fusta. En l'actualitat s'utilitzen greixos i olis minerals directament obtingudes de la destil · lació del petroli, o sintètics, obtinguts per reaccions químiques a partir dels minerals. Amb la lubricació o lubrificació s'interposa una capa fluida entre les superfícies. Aquesta capa té tres efectes beneficiosos:  redueix el fregament  evacua calor  protegeix les peces del desgast i de la corrosió I per mantenir el lubricant en la seva posició ha tres possibilitats: Lubricació hidrodinàmica, o per flotació: consisteix a mantenir tancada una quantitat fixa de greix, oli o grafit. Aquest mètode és molt típic dels rodaments, als quals s'afegeixen peces de xapa o cautxú per obtenir un espai segellat que manté el lubricant a l'interior.

140


Lubricació per barboteig: esquitxant les superfícies amb oli líquid, com passa en els motors dels automòbils. D'aquesta manera, a l'interior del motor hi ha un núvol de gotes d'oli que es dipositen en qualsevol lloc, facilitant el lliscament de les peces en moviment.

EQUILIBRAT Quan hi ha elements giratoris apareixen forces centrífugues que, si no estan ben compensades, sempre donen lloc a vibracions indesitjades. Aquestes es tradueixen en esforços intermitents sobre coixinets i rodaments que acaben trencant per fatiga. Físicament es distingeixen dos tipus de desequilibri: 

Desequilibri estàtic

141


o Es produeix quan hi ha una zona de l'element giratori on es concentra més pes. o Quan l'element està parat tendeix a col · locar aquesta zona pesada a la part inferior 

Desequilibri dinàmic

Quan l'element giratori té cert gruix, potser en ambdós extrems hagi concentracions de pes que es compensen respecte a l'equilibri estàtic. No obstant això, quan comença el gir apareixen vibracions degudes a la rotació de les forces centrífugues.

Per aquest motiu, totes les peces que han de girar en una màquina han d'estar equilibrades estàtica i dinàmicament. L'exemple més clàssic és la presència de contrapesos de plom en les rodes dels automòbils:

142


EXERCICIS TEMA 10. 1. Calcula la força de frenada que s´exerceix quan s´acciona el pedal de fre amb una força de 54 N si la superfície de l´èmbol és de 3 cm2, mentre que la que actua sobre les sabates és de 18 cm2.

2. Calcula la força que han de desenvolupar els frens d´una bicicleta que circula a 40 km/h per aturar-la en 20 m si la massa total de la bicicleta i del ciclista és de 120 kg i el coeficient de fregament és de 0,03.

3. Calcula la quantitat d´energia cinètica de rotació que acumula un volant d´inèrcia d´1,5 kg de massa i 40 cm de diàmetre que gira a 1600 rpm.

4. Determina, en rpm, la velocitat de gir del volant de l´activitat anterior si volem que acumuli 600 J d´energia de rotació.

5. Calcula la superfície que ha de tenir l´èmbol que actua sobre les sabates d´un fre hidràulic si el diàmetre de l´èmbol del pedal de fre fa 2 cm i la força de frenada és 15 vegades superior a la que s´exerceix sobre el pedal.

6. Esbrina l´espai que recorrerà un vehicle de 600 kg de massa que circula a 60 km/h després d´accionar el fre si aquest fre exerceix una força de 1600 N i el coeficient de fregament val 0,02.

7. Calcula la quantitat d´energia cinètica que acumula un volant d´inèrcia d´1,2 kg de massa i 20 cm de radi quan gira a 600 rpm.

8. Determina la velocitat en rpm a què ha de girar un volant de 500 g de massa i 24 cm de diàmetre per acumular una energia cinètica de 7 J.

143


TEMA 11. Circuits Pneumàtics i hidràulics. Elements, components i el seu funcionament. Simulació de circuits Pneumàtics. 1. INTRODUCCIÓ Industrialment, la pneumàtica i la hidràulica (més correctament oleohidràulica) són tècniques que consisteixen en donar pressió a un fluid (aire o oli respectivament), el canalitzen i dirigeixen cap a receptors que desplacen objectes mitjançant la força que exerceix aquesta pressió. Hi ha diversos paràmetres que influeixen en aquestes tècniques, i que són:  TEMPERATURA És una mesura del moviment dels àtoms i molècules que componen un material, i l'estat teòric de velocitat nul · la de les partícules correspon al zero absolut en l'escala Kelvin. Però la mesura de la temperatura es realitza comunament en graus Celsius (º C), basada en els punts de congelació i ebullició de l'aigua.  VOLUM I CABAL El volum és el contingut d'un recipient, i en el Sistema Internacional es mesura en metres cúbics (m³), que és el contingut d'un cub que tingui un metre d'aresta. Però aquesta mesura és molt gran per les tècniques pneumàtiques i hidràulica, de manera que és més corrent utilitzar el litre (l) (1000 litres = 1 m³) o el centímetre cúbic (100 cm ³ = 1 m³; 1000 cm ³ = 1 litre). Es simbolitza amb la lletra V (majúscula).

Volum

Cabal

El cabal és la quantitat de volum que travessa una secció durant una unitat de temps. Se sol mesurar en litres per minut (l / min) o litres per segon (l / s). El cabal es simbolitza amb la lletra Q. El cabal que passa per un conducte es pot calcular a partir de la secció i la velocitat de pas del fluid:

144


El volum de fluid que ha passat a través d'una secció en un temps Dt és: V = A · Δx En dividir els dos membres de l'expressió entre el temps tenim: V / t = A · Δx / t és a dir: Q=A·v 

PRESSIÓ És la mesura de la concentració d'una força respecte a la superfície en què s'aplica, i ve donada per l'expressió: p=F/S Com més gran sigui la força o menor la superfície en què s'aplica, major pressió existeix. La pressió es simbolitza mitjançant la lletra p (minúscula). En pneumàtica i hidràulica es dóna pressió a un fluid i es trasllada aquest fins èmbols que es desplacen per efecte de la força que exerceix el fluid sobre la superfície. Evidentment, aquesta força ve donada per l'expressió: F=p·S La pressió absoluta del fluid actua sobre una cara del cos que es vol desplaçar, i sobre la cara oposada actua normalment la pressió atmosfèrica. La força neta sobre l'objecte en realitat ve donada per la diferència entre ambdues pressions, ia aquest valor se l'anomena pressió relativa o manomètrica. En la indústria a la pressió relativa s'anomena pressió de treball, que és el valor amb què treballarem en endavant.

145


La unitat de pressió en el Sistema Internacional és el Pascal (Pa) equivalent a la pressió que exerceix una força d'1Newton sobre un metre quadrat de superfície. Però aquest valor és molt baix, de manera que la pressió de treball se sol mesurar en atmosferes, en bars o en quiloponds per centímetre quadrat (kp / cm ²). 1 atm ≈ 1 bar ≈ 1 kp / cm ² ≈ 105 Pa = 0,1 MPa

La força que s'obté a la barra depèn de la superfície sobre la qual actua el fluid a pressió: a la cursa de sortida s'exerceix pressió sobre tota la superfície de l'èmbol interior, perquè la barra s'introdueixi, a la superfície sobre la qual es fa pressió cal descomptar la superfície ocupada per la barra. A més, quan es fan càlculs cal tenir en compte que el fregament produït en el desplaçament redueix la força entre un 5 i un 10%.  ENERGIA I POTÈNCIA L'energia pneumàtica (o hidràulica) és el treball que realitza el fluid, i que es calcula com el producte de la força que fa aquest pel desplaçament que produeix:

E= p · S · x La potència (expressada amb P-majúscula-) torna a ser la velocitat amb es genera o consumeix una energia, i que es tradueix en l'expressió: P = E / t = p · S · x / t = p · (S · x) / t D'altra banda, el producte S · x és el volum que hi ha dins de l'espai en què actua el fluid, per tant l'expressió de la potència pneumàtica o hidràulica ve donada per: P=p·Q

2. PRINCIPIS FÍSICS La transmissió de potència mitjançant fluids es pot realitzar mitjançant l'aire a les tècniques pneumàtiques o oli en les oleohidràuliques. En la tecnologia pneumàtica l'aire s'estudia com gas ideal compressible, i com a gas, omple completament el recinte on està contingut, podent variar tant la seva forma com el seu volum. Les pressions de treball normals varien entre 8 i 10 kp/cm2. El prefix "oli" fa referència a líquids derivats del petroli, com l'oli mineral per exemple, encara que és corrent parlar simplement d'hidràulica. El comportament de l'oli es teoritza com de líquid incompressible, que adapta la seva forma al recinte que el conté però no pot variar el seu volum. La pressió 146


que s'aconsegueix en les instal · lacions hidràuliques pot arribar fins a 200 kp/cm2. LLEIS DELS GASOS IDEALS 

Llei de Boyle i Mariotte Mantenint la temperatura del gas, es pot reduir el seu volum augmentant la pressió que actua sobre ell, és a dir, són inversament proporcionals.

p·V=k

Amb el que tindrem que : P1 * V1 = P2 * V2 P1 / P2 = V2 / V1 1 ª Llei de Charles i Gay-Lussac Si es manté la mateixa pressió sobre un gas, en augmentar la temperatura, augmenta el volum del gas, és a dir, són directament proporcionals.

V=k·T Amb el que tindrem que : V1/T1 = V2/T2 2 ª Llei de Charles i Gay-Lussac Quan s'impedeix la variació de volum, la pressió del gas augmenta en augmentar la temperatura, és a dir, són directament proporcionals. 147


p=k·T

I ara tindrem que : P1/T1 = P2/T2 Les tres lleis s'uneixen en l'equació d'estat, fonamental dels gasos perfectes i aplicable als gasos reals amb molta precisió: p·V=m·R·T On: p = pressió (N/m2). V = volum específic (m3/kg). m = massa (kg). R = constant de l'aire (R = 286,9 J / kg * º k). T = temperatura (º k) Per exemple: Si tenim una xeringa que conté 0,02 m3 d'aire comprimit a pressió 1 atmosfera, quin serà el volum que ocupa aquest aire si sotmetem aquesta xeringa a una pressió de 2 atmosferes?

Solució : LLEIS DELS FLUIDS NEWTONIANS Quan el fluid que utilitzem no és l'aire, sinó un líquid que no es pot comprimir, aigua, oli, o un altre. Els fonaments físics dels gasos es compleixen considerant el volum constant. Una conseqüència directa d'aquests fonaments és el Principi de Pascal, que diu així: Quan s'aplica pressió a un fluid tancat en un recipient, aquesta pressió es transmet instantàniament i per igual en totes direccions del fluid. Principi de Pascal Aquest principi s'enuncia mitjançant dos parts: - La deformació i desplaçament del líquid es realitza sense despesa d'energia. - La pressió en qualsevol part del líquid és independent de la direcció que es consideri.

148


Com a aplicació podem veure com dos pistons units mitjançant un fluid tancat, ( tal i com apareix a la imatge ) si li apliquem una força (F1) a un d'ells, es transmet la pressió fins a l'altre, i produeix una força (F2) en el segon. Les equacions que regeixen aquest principi són: P = F1/S1 i P = F2/S2 On: P = pressió, F = força, S = superfície. Pel que podem posar F1/S1 = F2/S2 altra forma d'expressar és: F1 x S2 = F2 x S1 Ens diu que en un pistó de superfície petita quan apliquem força, aquesta es transmet al pistó de superfície gran amplificada o al revés. Per exemple: Disposem de dos pistons units per una canonada de seccions S1 = 10 mm2 i S2 = 40 mm2. Si necessitem aixecar un objecte amb una força F2 = 40 N sobre el pistó segon. Quina serà la força F1, que hem de fer sobre el pistó primer?

Solució : Llei de continuïtat o Principi de Bernoulli Un líquid ideal (sense viscositat ni fregament intern) ha d'augmentar la seva velocitat quan s'estreny la secció per la qual ha de passar, és a dir, ambdues magnituds són inversament proporcionals.

v·S=k

149


CIRCUITS PNEUMÀTICS I OLEOHIDRÀULICS Els diferents comportaments dels dos fluids comporten que els elements usats en els circuits pneumàtics i hidràulics difereixin en la seva constitució, encara que la seva funció sigui totalment anàloga. De fet, una de les poques diferències és que l'oli ha de ser recollit després de la seva utilització per tornar a introduir al circuit. Això es realitza mitjançant una conducció des del fuita de cilindres i vàlvules fins al dipòsit central, i es representa mitjançant un petit "recipient" a la sortida dels elements: Fuita d'aire a l'atmosfera

Retorn d'oli al dipòsit

Els circuits pneumàtics tenen l'avantatge de la seva velocitat d'accionament, però com l'aire és un fluid compressible, no admeten pressions molt elevades. A més, els elements són cars a causa de la precisió que han de tenir en la seva fabricació per evitar fuites d'aire. La tècnica oleohidràulica admet altes pressions, ja que l'oli amb prou feines es comprimeix i, de fet, es comporta com un sòlid. A més es lubriquen els components i l'oli també segella les petites fuites que pogués haver-hi en les diferents peces, per la qual cosa la precisió i el cost d'aquests elements és menor que en el cas de la pneumàtica. No obstant això, en treballar amb altes pressions sempre hi ha el risc d'una fuita d'oli a alta pressió, que pot arribar a tallar la pell i introduir sota d'aquesta, i per si fos poc, amb temperatures superiors als 100 ° C. En tot cas, totes les instal · lacions responen al següent esquema:  Producció i condicionament del fluid a pressió.  Distribució.  Utilització. Avantatges i Inconvenients dels circuits Pneumàtics i Oleohidràulics : Avantatges Circuits Pneumàtics - És abundant (disponible de manera il · limitada). - Transportable (fàcilment transportable, a més

Inconvenients Circuits Pneumàtics Necessita de preparació abans de la seva utilització (eliminació d'impureses i humitat). - A causa de la

Avantatges Circuits Oleohidràulics - Permet treballar amb elevats nivells de força o moments de gir. - L'oli emprat en el sistema és fàcilment

Inconvenients Circuits Oleohidràulics - El fluid és més car. - Es produeixen pèrdues de càrrega. - Cal personal especialitzat per a la manutenció. 150


els conductes de retorn són innecessaris). - Es pot emmagatzemar (permet l'emmagatzematge en dipòsits). - Resistent a les variacions de temperatura. - És segur, antideflagrant (no hi ha perill d'explosió ni incendi). - Net (el que és important per a indústries com les químiques, alimentàries, tèxtils, etc.). - Els elements que constitueixen un sistema pneumàtic, són simples i de fàcil comprensió). - La velocitat de treball és alta. - Tant la velocitat com les forces són regulables d'una manera contínua. - Aguanta bé les sobrecàrregues (no hi ha riscos de sobrecàrrega, ja que quan aquesta existeix, l'element de treball simplement per sense cap dany).

compressibilitat de l'aire, no permet velocitats dels elements de treball regulars i constants. - Els esforços de treball són limitats (de 20-30000 N). - És sorollós, a causa de les fuites d'aire després d'utilitzar. - És costós. És una energia cara, que en cert punt és compensada pel bon rendiment i la facilitat d'implantació

recuperable. - La velocitat d'actuació és fàcilment controlable. - Les instal · lacions són compactes. - Protecció simple contra sobrecàrregues. - Es poden fer canvis ràpids de sentit.

- El fluid és molt sensible a la contaminació.

151


5. COMPONENTS PNEUMÀTICS 1. Productors Per donar pressió a l'aire s'utilitzen els compressors, que absorbeixen aire de l'ambient i redueixen el seu volum, transformant energia cinètica de rotació que reben d'un motor en pressió del gas compressible. Aquests, al seu torn, poden ser de dos tipus: volumètrics o turbocompressors. Per la seva banda, en les instal · lacions hidràuliques el fluid simplement s'impulsa mitjançant bombes. Com l'oli no es pot comprimir, les bombes sempre tenen associat un dispositiu per permetre la fuita d'oli sobrant.

COMPRESSORS D'AIRE 

compressors volumètrics

Obtenen la pressió quan redueixen físicament el volum de la massa d'aire, i els més freqüents solen ser de dos tipus: o

Compressors de pistó

Es tracta d'un sistema biela-manovella que absorbeix aire a través d'una vàlvula d'admissió i després de reduir la cavitat, l'expulsa per una vàlvula d'escapament.

o

Compressors de paletes

Un cilindre o rodet excèntric respecte a l'eix de gir manté per força centrífuga a unes paletes contra el càrter, i en girar absorbeixen i impulsen l'aire cap als conductes de sortida. El funcionament d'aquestes màquines es realitza de manera més contínua que els anteriors.

o

Turbocompressors

Aquests compressors treballen en règim continu amb grans cabals d'aire i la compressió es realitza de forma aerodinàmica, donant energia cinètica a l'aire

152


en un rotor per després transformar aquesta velocitat en pressió al frenar en un estator. Els dos tipus de turbocompressors existents són: 

turbocompressor radial

El rotor absorbeix aire per la part davantera, el fa girar i per força centrífuga ho llança contra l'estator, d'aquesta manera es va comprimint l'aire que ja ha entrat anteriorment.

turbocompressor axial

El rotor és una hèlix de moltes pales que impulsa l'aire cap enrere, i el estator és una altra hèlix que redreça el corrent d'aire. En avançar, l'aire es troba amb seccions cada vegada més estretes, comprimint.

L'aire es filtra abans de passar al compressor i després del compressor s'emmagatzema en un dipòsit d'acer per tal d'assegurar el consum i mantenir la pressió del circuit. El dipòsit disposa d'un pressòstat (polsador per arrencar o aturar el compressor) i una vàlvula de seguretat per evitar sobrepressions. A més té un tap de purga per eliminar l'aigua producte de la compressió. Finalment, l'aire es filtra i es deshumidifica a través d'un gel de sílice, per passar als conductes de distribució. BOMBES D'OLI Per la seva banda, en els circuits oleohidràulics les bombes d'oli sempre són de tipus volumètric, ja que el líquid és incompressible i només s'impulsa quan es redueix la cavitat en què es recull. Encara solen tenir cabal fix, de vegades es varia la velocitat d'impulsió per tenir un cabal variable. Les bombes hidràuliques solen ser dels tipus següents: 

Bombes d'engranatges A l'interior d'una carcassa, dues rodes dentades engranen i giren per impulsar l'oli.

153


Bombes Roots

Té dos lòbuls similars rodes dentades que tinguessin dos o tres únics dents arrodonits. D'altra banda, el funcionament és idèntic.

En aquestes instal · lacions l'oli està contingut en una central hidràulica que consta d'un dipòsit amb aletes de refrigeració, un motor elèctric i la bomba. L'oli és aspirat a través d'un filtre i passa a la bomba, que l'envia a una vàlvula limitadora de pressió que expulsa el sobrant i, després de passar per una malla imantada per eliminar partícules metàl · liques, passarà als conductes de distribució. En tots els casos, els compressors i les bombes es representen pel mateix símbol simple:

2. Actuadors. 

Cilindre simple efecte de retrocés per molla. Els cilindres de simple efecte amb retorn per molla s'utilitzen principalment com cilindres de subjecció de peces i bloqueig d'elements mecànics.

154


 Cilindre simple efecte retrocés per força externa. Els cilindres de simple efecte amb retorn per força externa només es poden utilitzar en aquells casos en els quals la càrrega (el que caldrà moure) empenta cap enrere al cilindre.

 CILINDRE DE DOBLE EFECTE Els cilindres de doble efecte poden realitzar el treball en dues direccions perquè se'ls aplica la pressió en ambdues cares del èmbol.

Principalment s'utilitzen dos tipus de configuracions: o

Cilindre diferencial: Una sola tija i relació de superfícies (èmbol tija) de 2:1. S'utilitza quan només es vol realitzar treball en un sentit.

o

Cilindres de doble tija : Tenen tija per les dues parts del èmbol. S'utilitza quan es vol realitzar treball en les dues direccions, la càrrega es pot col · locar en una de les tiges o en ambdós

ESMORTEÏMENT ALS EXTREMS En els cilindres en els quals la velocitat no hagi de ser ràpida per evitar que el cilindre colpegi bruscament contra les tapes davantera i del darrere s'utilitzaran cilindres amb amortiment en els extrems. Aquests amortidors disminueixen la velocitat del cilindre prop del final de carrera. AI acostar el cilindre al final del recorregut, es talla el pas a l'aire per la seva sortida normal i es fa passar l'aire per un estrangulament amb el qual es realitza l'amortiment. Es pot disposar d'amortidor a l'avanç i retrocés o només en un dels sentits. 155


 CILINDRE DE GIR Els cilindres oscil · lants s'utilitzen per moure un eix un determinat angle, per exemple 90 ° o 180 °. S'utilitzen en manipuladors, canvis de peces, canvi automàtic d'eines, en general en manipulació. Estan compostos per dos èmbols entre els quals es troba una corredissa, a aquesta corredissa està unida a l'eix a través d'un pinyó. AI moure els èmbols s'aconsegueix un gir angular en l'eix de l'element.

Càlculs amb cilindres

3. Vàlvules. Les vàlvules que controlen el pas de fluid als elements de treball poden ser de tres tipus:  distribuïdores  de regulació  de bloqueig Normalment tenen una constitució complicada, però la seva representació només atén a la funció que realitzen, la qual cosa simplifica l'anàlisi i disseny de circuits. Així representem el símbol i les línies que representen els conductes o vies del fluid. VÀLVULES DISTRIBUÏDORES

156


Donen pas al fluid cap a diferents conductes segons la seva posició, per utilitzar en diferents llocs. La seva representació respon al següent esquema:

    

disposen de tants quadrats adjacents com posicions diferents tingui la vàlvula. dins de cada quadrat es representen les connexions internes entre les vies i el sentit de circulació del fluid es representa per fletxes. les vies que es connecten a la vàlvula es representen dibuixades al quadrat corresponent a la posició de repòs de la vàlvula. en els extrems dels rectangles es representa l'accionament i la recuperació de la vàlvula. es designen pel nombre de vies seguit pel nombre de posicions que té, i les vàlvules més freqüents són les següents:

Vàlvula

Funció

Vàlvula 3/2

S'utilitza per al control de cilindres de simple efecte.

Vàlvula 5/2

S'utilitza per al control de cilindres de doble efecte.

Vàlvula 4/2

Poc usada per la dificultat de la seva fabricació, la qual cosa encareix la peça. En el seu lloc, s'utilitza la vàlvula 5/2

Vàlvula 5/3

Només utilitzada quan es necessita que un cilindre de doble efecte s'aturi en una posició intermèdia del seu recorregut. El seu comandament més corrent és mitjançant una palanca de tres posicions que, sovint, té un enclavament o assegurança contra moviments accidentals.

Símbol

Com es pot veure en els símbols anteriors, la línia de pressió es representa per una circumferència amb un punt dins i les vies d'escapament es representen amb un triangle (sortida d'aire a l'atmosfera per tecnologia pneumàtica) o una U (sortida d'oli a un dipòsit a la hidràulica).

157


Fuites pneumàtics (amb i sense silenciador) Retorn al dipòsit hidràulic

Per la seva banda, l'accionament es representa amb els següents símbols:

I les vies d'entrada a una element pneumàtic (vàlvula, cilindre, ...) vénen indicades mitjançant números (sistema ISO europeu) o lletres (sistema CETOP americà): Presa de pressió: 1 o P Vies de treball: 2, 4, ... o A, B, ... Vies d'escapament: 3, 5, ... o R, S, ... Pilotatge pneumàtic: 12, 13, ... o X, I, ...

VÀLVULES DE BLOQUEIG Només permeten o bloquegen el pas del fluid en determinades condicions, i el seu accionament no depèn de l'operari. Tenim els tipus: VÀLVULA Vàlvula antiretorn

Vàlvula funció OR o selectora de circuit

FUNCIÓ/ESQUEMA

SÍMBOL

Permet el pas en un sentit i el bloqueja en el sentit oposat

Permet que puguem introduir pressió per dos conductes diferents, de manera que en introduir fluid per una entrada no s'escapi per l'altra, i noméssurti p er la via de sortida. Aquesta vàlvula s'utilitza per circuits que es puguin accionar des de dos punts.

158


Vàlvula funció AN D o de simultaneïtat

Bloqueja el pas de fluid cap a la sortida a menys que es tingui pressió en les seves dues entrades alhora. Aquesta vàlvula es sol usar com a elementprincipal en el comandament de les premses, per tenir les dues mans ocupades lluny de la zona perillosa.

VÀLVULES REGULADORES

Vàlvula reguladora bidereccional

S'utilitza per controlar la velocitat d'un cilindre o un motor, dificultant l'entrada de fluid que l'activa. La regulació s'obté taponant més o menys una oberturamitjançant un cargol regulable.

Vàlvula regulador Es regula el cabal en un sentit i es permet el pas lliure en a unidireccional

l'altre. Això es fa per tenir una carrera de treball lenta i una altra de retrocés ràpida en els cilindres de doble efecte, ia causa de la pèrdua de pressió que origina el pas per l'estrenyiment, aquestes vàlvules es col · loquen sempre en el conducte de sortida o de tornada del fluid.

159


Vàlvula limitador a de pressió

S'utilitzen per limitar la pressió de treball a un valor màxim i protegir la instal · lació contra sobrecàrregues. Es tracta d'u n tap que s'obre quan la pressiósupera un valor establert per la tensió de la molla

6. CIRCUITS PNEUMATICS Quan s'analitza un circuit pneumàtic, primer cal identificar tots els elements d'aquest, ia continuació es numeren amb el criteri:  Quan hi ha una unitat de manteniment, aquesta porta la identificació 0.1.  Als actuadors se'ls assigna un nombre enter seguit d'un punt i un zero (1.0, 2.0, ...)  Les vàlvules que controlen directament a aquests actuadors se'ls posa el pimer nombre enter igual que el que tingui l'actuador, un punt i un u (1.1, 2.1, ...)  Les vàlvules manuals o captadores de senyal (finals de carrera), es van numerant el pimer nombre enter igual que el que tingui l'actuador, un punt i un altre nombre (1.2, 1.3, ...) que augmenta a mesura que es vagi allunyant del comandament l'actuador. Els elements que intervinguin en la sortida de la tija tindran nombres parells i els que intervinguin en l'entrada, imparells.  Les vàlvules reguladores i de bloqueig es numeren amb el pimer nombre enter igual que el que tingui l'actuador, un punt i dues xifres (1.02, 1.03, ...), parell si afecten a la sortida de la tija i imparell si intervenen en el retrocés.

160


A continuació s'analitza la seqüència de funcionament, i de vegades es fa un diagrama de funcionament denominat GRAFCET (gràfica de control d'etapes de transició), on s'analitza la seqüència de funcionament del circuit:

DIAGRAMES ESPAI-FASE Representa el moviment dels cilindres i els senyals que provoquen aquests moviments. El cilindre en "1" o en "+" està fora. Si en les abscisses es té en compte el temps que s'inverteix en un moviment el diagrama passa a anomenar ESPAI - TEMPS

161


Anem a veure amb detall un exemple d´un diagrama de fase. Es tracta d´un sistema de fabricació per embotició format per 3 cilindres. 2 d´ells col·loquen la làmina a fabricar i un 3r cilindre realitza l´embotició.

7. EXEMPLES DE CIRCUITS PNEUMÀTICS Exemple 1 : Comandament directe d´ un cilindre de simple efecte. Es desitja que mitjançant l'accionament d'un polsador, avanci la tija d'aquest cilindre. Quan es deixi anar el polsador, l'èmbol ha de tornar a la posició inicial.

162


Exemple 2:Comandament directe d´un cilindre de doble efecte. Es desitja que mitjançant l'accionament d'un polsador, avanci la tija d'aquest cilindre i quan es deixi anar retrocedeixi a la posició inicial.

Exemple 3 : Comandament indirecte d'un cilindre de doble efecte En aquest cas per mitjà de dos polsadors un per sortir i un altre per entrar, utilitzar una distribuïdora.

Exemple 4 : Retrocés automàtic de la tija d'un cilindre de doble efecte amb un final de carrera Aconseguir que mitjançant l'accionament d'un polsador avanci el cilindre de manera que quan arribi al seu final de recorregut retrocedeixi a la posició inicial.

163


Exemple 5 : Dues peces han de quedar unides amb un rebló en una premsa parcialment automatitzada. Les peces i el rebló es col · locaran a mà, retirant-se la peça acabada també a mà després del procés de reblat. La part automatitzada del cicle consisteix en la subjecció de les peces (cilindre A), així com la reblada (cilindre B) i, previ haver premut un botó de marxa, ha de realitzar-se l'operació fins a tornar a la posició de partida.

164


165


EXERCICIS TEMA 11 1. - Calcula la força teòrica en N, en l'anada i en la reculada, realitzada per un cilindre de doble efecte de les següents característiques: diàmetre del cilindre 80 mm, diàmetre de la tija 25 mm, pressió de treball 6 kp/cm2.

2. - Si el cilindre anterior té una carrera de 700 mm i fa 5 cicles per minut. Calcula el consum d'aire del cilindre en l / min.

3. - Un cilindre de simple efecte utilitza un volum d'aire de 800 cm3, a una pressió de treball de 12,3 kp/cm2 i té una longitud de carrera de 29 cm. Calcular: a) Diàmetre del cilindre. b) Força del cilindre suposant una força de fregament del 10% de la teòrica i la de la molla 6%.

4. - Un cilindre de doble efecte té un diàmetre d'èmbol de 80 mm, i un diàmetre de tija de 25 mm, la pressió de treball és de 6 bar. Calcular la força que el cilindre exerceix en l'avanç i al retrocés.

5. - Un cilindre de doble efecte es mou amb aire comprimit, sent els diàmetres de èmbol i tija de 63 i 20 mm respectivament, sabent que la pressió de treball és de 6 bar i que la carrera és de 500 mm. Calcular el volum d'aire en condicions normals i temperatura constant, necessari per al cilindre.

6. - Un cilindre pneumàtic de doble efecte, amb 30 mm de diàmetre d'èmbol, 10 mm de diàmetre de tija i 50 mm de carrera, realitza una maniobra a un ritme de 8 cicles cada minut. La pressió d'aire és de 8 bar i el rendiment del 85%. Calcula per al cas real: a) La força que fa el cilindre en la carrera d'avanç i de retrocés. b) Consum d'aire en condicions normals. c) Potència desenvolupada pel cilindre en realitzar la maniobra.

7. - D'un cilindre pneumàtic de doble efecte es vol calcular la pressió a la qual pot treballar. Se sap que el diàmetre interior del cilindre és de 6 cm i que el diàmetre de la tija és de 20 mm. La força que proporciona la tija en l'avanç és de 217,15 kgf. Les forces teòriques d'avanç són de 226,19 kgf i en la reculada 201,06 kgf. Calcular: a) Pressió a la qual pot treballar el cilindre.

166


b) Força real de retrocés.

8. - Un cilindre de simple efecte de retorn per molla, es troba realitzant treball de compressió connectat a una xarxa d'1 MPa de pressió. Si el diàmetre de l'èmbol és de 10 cm, la seva carrera de 3 cm i la força de fregament es pot considerar d'un 10% de la teòrica. Esbrinar: a) Quina serà la força exercida per la tija al començament del cicle de treball, considerant que la molla es troba en la seva longitud natural? b) Quina serà la força al final de la cursa, si la constant de la molla és de 100 N / cm?

9. - Un cilindre de simple efecte té un diàmetre de tija de 20 mm i una carrera de 100 mm, treballant a una pressió de 7 kp/cm2. Les pèrdues degudes al fregament s'estimen en una desena part de la força neta i les pèrdues a la molla en un 6% de la força neta. Calcular en avanç: a) Força teòrica exercida pel la tija del cilindre. b) Força de fregament que apareix en cada cursa. c) Força neta real que exerceix la tija del cilindre. d) Cabal d'aire (l / h) si té una freqüència de 100 cicles per minut.

10. - Per a un cilindre de doble efecte, sent el diàmetre de l'èmbol 80 mm i el de la tija 20 mm, a una pressió de 6 bars. Calcular: a) La superfície de l'èmbol. b) La superfície anul · lar l'èmbol per la reculada. c) Les forces teòriques d'avanç i retracció en N. d) La força neta de retrocés si té un 10% de pèrdues per fregament i un 6% de pèrdues a causa del moll.

11. - Es mou un cilindre de doble efecte amb aire comprimit, diàmetre de l'èmbol 70 mm, diàmetre de la tija 40 mm, pressió de treball 8 bar i carrera 500 mm. calcular el volum d'aire en condicions normals i temperatura constant per al seu funcionament.

12. - Un cilindre de simple efecte utilitza en el seu funcionament un volum d'aire de 10.000 cm3 i una pressió de 25 kp/cm2. Si la seva longitud és de 55 cm i la seva força de moll i de fregament són menyspreables. Calcular: a) Diàmetre del cilindre. b) Força del cilindre.

167


13. - Es vol dissenyar un cilindre de simple efecte que utilitzi en el seu funcionament un volum d'aire de 650 cm3, la pressió de treball sigui de 11 kp/cm3 i la seva longitud de 25 cm. Calcular: a) diàmetre del cilindre. b) Forces d'avanç i retrocés del cilindre, considerant les forces de fregament i la de la molla la desena part de la força teòrica cadascuna. 14. - Un cilindre de doble efecte el diàmetre és de 100 mm i 30 mm de diàmetre de tija, té una pressió de treball de 5 kp/cm2. Si la carrera és de 400 mm i fa 8 cicles per minut. Calcular: a) consum d'aire al dia. b) Forces d'avanç i retrocés, suposant nul el fregament.

15. - Un cilindre pneumàtic de simple efecte utilitza en el seu funcionament un volum d'aire de 1300 cm3, a una pressió de treball de 10 kp/cm2 i longitud 25 cm. Calcular: a) Diàmetre del cilindre. b) Forces d'avanç i retrocés si es considera nul · la la força de fregament i la del moll sigui de 6% de la força teòrica.

168


PROPOSTA D´EXERCICIS DE PNEUMÀTICA. TECNOLOGIA INDUSTRIAL 1R CURS DE BATXILLERAT. A continuació proposem alguns exercicis pràctics per resoldre mitjançant circuits pneumàtics. En tots els casos demanem, si es pot, que es resolgui el circuit amb elements fonamentalment pneumàtics i posteriorment introduïnt control electropneumàtic. Cal seleccionar un dels tres proposats. El treball es fa amb grup i caldrà lliurar la documentació que s´adjunta. 

Circuit 1 :

Circuit pneumàtic de regulació d´obertura de les portes del tren utilitzant un cilindre de doble efecte. Condicions: per tal que s´obri la porta del tren el maquinista ha de prèmer un botó P1 i el passatger, en el vagó corresponent, ha de prèmer el polsador P2 per tal que la porta s´obri. La porta ha d´estar oberta un temps determinat i passat aquest temps es tanca automàticament. A continuación teniu un esquema del circuit :

Circuit 2 :

Un cilindre doble en posició horitzontal, col·loca les peces a trepar a l´abast d´un altre cilindre doble, co·locat en posició vertical, que incorpora el trepant. Mitjançant un polsador P s´inicia el cicle. Condicions : en prèmer el polsador la peça es col·loca a l´abast del cilindre de posició vertical que realitza el trepat en un temps determinat. A continuación teniu un esquema del circuit :

169


Circuit 3 ( funcionament automàtic complicat ):

Una cistella plena de cargols s´introdueix en un bany de fosa per dotar-los de propietats mecàniques mitjançant l´acció d´un cilindre de doble efecte en posició vertical. En funcionament manual, un polsador P2 fa baixar la cistella i amb un polsador P1 la fa pujar. En funcionament automàtic un polsador P repeteix el cicle durant un determinat temps.

170


Documentació que cal lliurar. 123456-

Relació de tots els components pneumàtics utilitzats. Relació de tots els components elèctrics utilitzats. Circuit pneumàtic de potència. Circuit elèctric de control. GRAFCET del mecanisme.( o diagrama de fases o etapes ) Simulació amb el Fluid-Sim.

171


TEMA 12. EL CIRCUIT ELÈCTRIC. ELEMENTS, COMPONENTS I EL SEU FUNCIONAMENT. SIMULACIÓ DE CIRCUITS ELÈCTRICS. 1. CONCEPTES BÀSICS El circuit elèctric és un conjunt d'elements emprats per a la transmissió i control de l'energia elèctrica des del generador fins al receptor. La matèria està formada per àtoms, aquests al seu torn estan formats per: Nucli En el nucli trobem: 

Protons. - Partícules carregades positivament i amb massa

Neutrons. - Partícules sense càrrega i amb massa.

Escorça A l´escorça trobem : 

Electrons. - Partícules carregades negativament i amb massa negligible.

En estat natural els àtoms són neutres, tenen idèntic nombre de protons i electrons, quan aquest nombre no coincideix tenim àtoms carregats, ions. Els ions poden ser: 

negatius o anions, major nombre d'electrons que de protons

positius o cations, major nombre de protons que d'electrons

Què és el corrent elèctric? El corrent elèctric és la transferència o moviment d'electrons a través d'un material. Alguns materials com els "conductors" tenen electrons lliures que passen amb facilitat d'un àtom a un altre. Per aconseguir que aquest moviment d'electrons es doni en un sentit, cal una font d'energia externa. Les fonts més utilitzades per obtenir energia són:

172


Generador de corrent continu o dinamo. - Si es mou ràpidament un cable en un camp magnètic (pròxim a un imant permanent), s'estableix un corrent elèctric a través del cable.

Fregant una barra d'ambre contra un tros de llana aconseguim que tots dos quedin carregats elèctricament. Si connectem l'ambre amb un metall a través d'un cable es produeix corrent elèctric durant un breu instant.

Plaques fotovoltaiques. - En incidir fotons (energia electromagnètica) sobre certs semiconductors s'origina corrent elèctric.

2. MAGNITUDS ELÈCTRIQUES BÀSIQUES Les magnituds elèctriques bàsiques són: 

Intensitat del corrent elèctric. - Quantitat d'electrons que travessen la secció d'un conductor en la unitat de temps. Els electrons tenen una unitat de mesura molt petita per aquest motiu s'empra el Coulomb equivalent a 6,24 · 1018 electrons. I = Q / t.

La intensitat es mesura en amperes (A). Un ampere és 1 C/1s.

Voltatge, tensió o diferència de potencial (ddp) és l'energia necessària per transportar la unitat de càrrega (coulomb) d'un punt a un altre del circuit elèctric. La força electromotriu (fem) és l'energia consumida per un generador de corrent per traslladar una càrrega (coulomb) des del pol positiu al negatiu, per l'interior del generador, per mantenir una tensió determinada entre els seus borns.

Es mesura en volts (V) 

Resistència. - Oposició que ofereix un cos al pas de corrent elèctric. Depèn de la naturalesa del material, la longitud i la superfície. R=ρ·L/A

on: ρ és la resistivitat del material L és la longitud A és l'àrea pel qual passa el corrent, o secció

173


Segons el comportament dels materials davant el corrent elèctric es classifiquen en: 

Conductors. - Condueixen bé l'electricitat.

Aïllants. - No condueixen o són mals conductors del corrent elèctric.

Semiconductors. - Permeten el pas de corrent elèctric només quan són alimentats amb un voltatge mínim determinat. es meplean en components electrònics.

Superconductors. - Materials d'última generació que no ofereixen cap resistència al pas de corrent. Han de ser refredats. Ejm. un òxid de coure que ha de refredar fins -143 º C

3. LLEIS FONAMENTALS ELÈCTRICS

DELS

CIRCUITS

La llei d'Ohm estableix que el corrent que travessa un circuit elèctric és directament proporcional a la diferència de potencial que hi ha entre els seus extrems i inversament proporcional a la resistència del circuit. En termes matemàtics la llei s'expressa per mitjà de l'equació

Energia i potència elèctrica. Efecte Joule. L'energia elèctrica consumida per un receptor es defineix com el producte de la càrrega pel voltatge (nivell d'energia que posseeix una càrrega). E=Q·V La càrrega és Q = I · t E=I·t·V La potència és l'energia consumida per unitat de temps: P=E/t=I·V Quan un corrent elèctric travessa un conductor part de la seva energia es transforma en calor. La quantitat de calor depèn de la resistència oferta pel cable al pas del corrent elèctric. Aquest fenomen es coneix com a efecte Joule. E = I2 · R · t

174


4. TIPUS DE CORRENT. Els dos tipus de corrent més comuns són el corrent continu i el corrent altern. 

Corrent continu. - El sentit de moviment dels electrons és sempre el mateix, i per tant també la intensitat. Si la diferència de potencial entre els borns del generador és constant també ho és la intensitat (Llei d'Ohm).

Per a un conductor la intensitat és: I = (VA - VB) / R Per a un circuit elèctric: I = ΣE / ΣR

Corrent altern. - El sentit de moviment dels electrons varia periòdicament i per tant també la intensitat. Això es deu a la variació periòdica de la polaritat produïda en els borns del generador. En els circuits de corrent continu la ser constant la intensitat i la tensió, els seus valors reals coincideixen amb els valors teòrics, considerant aquestes magnituds magnituds escalars. En els circuits de corrent altern, els valors de la tensió i la intensitat depenen de la pulsació o velocitat angular amb què gira l'induït a l'interior del generador. A les magnituds intensitat i tensió se'ls assigna un caràcter vectorial.

on T és el periode del senyal altern que s´expressa en segons. Un periode és el temps que triga a reproduir-se el cicle. Parlem de freqüència a la inversa del periode : f=1/T on f s´expressa en Hz. Així per exemple, a un periode de 20 ms li correspon una freqüència de 50 Hz. Definim la freqüència angular com :

175


w = 2· π · f Quan el vector gira a una velocitat angular donada se li denomina fasor sent el producte (w · t) l'angle de gir o fase.

L'equació descrita per ambdues magnituds és sinusoïdal.

El valor de voltatge màxim s'aconsegueix únicament durant una fracció ínfima de temps. Quan diem que els endolls tenen un voltatge de 220V, no ens referim al fet que el valor màxim de voltatge sigui 220V, sinó a un concepte nou: el voltatge eficaç. Aquests valors eficaços són l'equivalent en corrent continu que desprendria la mateixa potència que tot el cicle de corrent altern. El seu valor ve donat per l'expressió:

Els valors instantanis de tensió i intensitat vénen donats per:

V(t) = Emax · senwt I (t) = Imax · senwt

5.COMPONENTS DEL CIRCUIT ELÈCTRIC Els elements d'un circuit elèctric són un conjunt d'operadors units de tal manera que permeten el pas de corrent elèctric per aconseguir algun efecte útil (llum, calor, moviment, ...). Els elements bàsics d'un circuit elèctric són:

176


ELEMENTS

FUNCIÓ

CONDUCTORS

Materials que serveixen d'unió entre els diferents operadors del circuit i permeten el pas de corrent elèctric.

RECEPTORS

Operadors que transformen l'energia elèctrica en un altre tipus d'energia útil : 

Resistència (calorífica)

Bombeta (lluminosa)

Timbre o Brunzidor (sonora)

Motor (mecànica, cinètica)

SÍMBOL

ELEMENTS DE Sense necessitat de CONTROL I MANIOBRA modificar les connexions del circuit permet governar a voluntat el seu funcionament. Obren i tanquen el circuit a voluntat.   

ELEMENTS DE PROTECCIÓ

Interruptors polsadors Commutadors

Elements intercalats al circuit que protegeixen les instal · lacions 

Fusibles

177


Elements passius. Els elements passius típics són: resistències, condensadors i bobines o autoinduccions. El seu comportament i missió depèn de si estem en un circuit de corrent continu o altern. 

Resistències. - Oposició que ofereix tot conductor al pas de corrent elèctric. Depèn de la naturalesa del conductor (resistivitat r), la longitud i la secció.

Les trucades resistències aglomerades estan formades per una barreja de materials, carbó i un aglutinant adequat, tot modelat amb forma de cilindre en les bases es fixen sengles conductors de coure i embolicant el conjunt una coberta de material plàstic o ceràmic. Els valors en ohms s'indiquen en la coberta amb un codi de colors. La tolerància ens indica l'error relatiu en la mesura de la resistència. En els circuits de corrent altern en què només hi ha resistències pures no hi ha desfasaments en el corrent. La intensitat i la tensió arriben simultàniament els seus màxims, mínims i nuls.

Per saber el valor ohmic d´una resistència tenim dues opcions. Ho podem calcular utilitzant un tester o ho podem calcular mitjançant un codi de colors que totes les resistències porten impresses.

178


Condensadors. - Dispositiu capaç d'emmagatzemar càrrega elèctrica en superfícies relativament petites. Consta de dues plaques metàl · liques o armadures separades per una substància no conductora (dielèctric).

Estudiat globalment, un condensador és un element elèctricament neutre. Les dues armadures tenen el mateix valor de càrrega, una positiva i l'altra negativa. La càrrega del condensador és la que existeix en qualsevol de les seves armadures. La càrrega emmagatzemada en un condensador és directament proporcional al valor de la tensió entre els seus armadures: Q=C·V essent C la capacitat del condensador mesura farads. Un condensador té la capacitat d'un farad quan en aplicar a les seves armadures la tensió d'1 volt, en cadascuna d'elles s'emmagatzema la càrrega d'1 coulomb.

Circuit de corrent continu. - En aquests circuits la tensió és constant en les armadures del condensador i per tant no hi haurà pas de corrent elèctric, el condensador actua com un element de resistència infinita (circuit obert).

179


Circuit de corrent altern. - Introdueix una nova resistència, capacitància, reactància capacitiva o impedància) XC. aquesta resistència és inversament proporcional a la capacitat del condensador ia la pulsació.

En aquest tipus de circuits es produeix un desfasament en el corrent de 90 º, la intensitat s'avança 1/4 de període a la tensió.

 Bobines o autoinducció. - Una bobina o solenoide és un conductor enrotllat en espiral sobre un nucli neutre, freqüentment de material magnètic.

En un circuit de corrent continu. - La tensió es manté constant en els extrems de la bobina que actuarà com un conductor de resistència nul · la, no hi ha autoinducció, es comporta com un curtcircuit. En un circuit de corrent altern. - Introdueix una nova resistència al circuit, inductància, reactància inductiva o impedància de la bobina XL. La inductància és directament proporcional al coeficient d'autoinducció (L), característic de cada bobina ia la pulsació. L'autoinducció es mesura en Henris (H).

XL = L·w

180


Aquesta resistència produeix un desfasament de 90 º, fent que la tensió s'avanci a la intensitat 1/4 de període.

La representació vectorial d'aquests elements passius és:

181


8. CIRCUITS AMB RESISITÈNCIES. Quan diversos receptors es connecten de manera que el corrent ha de travessar un darrere l'altre, es diu que estan connectats en sèrie. El voltatge de la pila es gasta entre les dues resistències, i la part d'energia que es perd en cadascuna d'elles és el que anomenem caiguda de tensió: Per realitzar càlculs en aquests circuits, vam començar notant que la resistència que ha de vèncer el generador és la suma de totes les resistències dels receptors. Així es pot calcular la intensitat que circula pel circuit.

que és equivalent a I la intensitat que circula pel circuit es calcula: I = V / R = 10V / 5Ω = 2A A continuació, la caiguda de tensió es calcula aplicant la Llei d'Ohm a cada resistència:

Per a la primera resistència: e1 = I · R1 = 2A · 3Ω = 6V Per a la segona resistència: e2 = I · R2 = 2A · 2Ω = 4V El càlcul queda complet (per ara) omplint el sentit del corrent, indicant el seu valor i anotant la caiguda de tensió. És a dir, de la manera següent:

Un altra exemple de circuit de resistències en sèrie és el següent :

182


L'altra forma bàsica de connectar receptors s'anomena connexió en paral · lel, i consisteix en què el corrent s'ha de separar en un punt per travessar tots els receptors, i després tornar a ajuntar-se en un altre punt. En aquest cas, cal notar que per cadascuna de les resistències passa diferent corrent, però en totes es gasta el mateix voltatge. Per tant, la intensitat que passa per cadascuna es pot calcular de forma senzilla:

La intensitat que passa per la resistència 1 és: I1 = V / R1 = 12V / 6Ω = 2A La intensitat que passa per la resistència 2 és: I2 = V / R2 = 12V / 4 Ω = 3A

i el generador haurà de moure una intensitat: ITOTAL = I1 + I2 = 2A + 3A = 5A Aquesta intensitat és molt alta, com si el generador estigués connectat a un receptor de resistència molt baixa. La resistència equivalent a un muntatge en paral · lel sempre és menor que totes les resistències i es calcula amb l'expressió següent :

183


Un altra exemple de circuit amb resistències en paral·lel és el següent :

La combinació de receptors en sèrie i en paral · lel dóna lloc a connexions mixtes que poden complicar molt. Per resoldre aquests circuits s'ha d'anar simplificant les resistències equivalents de cada tipus d'associació fins arribar a una única resistència total, equivalent a tot el muntatge original:

Es calcula la intensitat que mou el generador ia continuació es torna enrere per tots els passos calculant intensitats i caigudes de tensió en cada resistència. L'últim càlcul és obtenir la potència que genera la pila i les potències que consumeixen totes les resistències, que es calculen amb les expressions: - Per al generador: P = V · I - Per a les resistències: P = i · R = (I · R) · I = I ² · R

Aquesta última expressió constitueix la Llei de Joule, per la qual es calcula l'energia calorífica que allibera una resistència ideal de valor R a través de la qual passa una intensitat I (això és possible perquè el rendiment d'una resistència ideal és del 100%, i així la potència consumida és igual que l'alliberada).

9. LES LLEIS DE KIRCHOFF A la pràctica, els circuits amb resistències simplificables estudiats anteriorment són molt menys nombrosos que els circuits complexos, que comprenen, en general, diversos camins diferents per al corrent elèctric, i a cada un se l´anomena branca. Als punts on es troben les branques se'ls crida nusos. A la corrent que passa per cada branca s'anomena corrent de branca. Es dóna el nom de malla a un circuit tancat constituït per una successió de branques que

184


es recorren sense passar dues vegades per la mateixa, partint d'un nus per tornar al mateix. Aquests circuits complexos, solen anomenar-se xarxes. Suposant estacionari el règim de funcionament, la intensitat del corrent en cada branca té un valor determinat i únic. Hem de buscar un sistema d'equacions que permeti calcular el valor de les intensitats, és a dir, tenir tantes equacions independents com branques (n branques => n equacions). El procés comença assignant un sentit a cadascuna de les intensitats. Per comoditat, aquest sentit se sol triar de tal manera que coincideixi amb els voltatges dels diferents generadors que hi hagi en cada branca. A continuació es busquen les equacions, que s'estableixen a partir de les lleis enunciades pel físic alemany Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887), enunciades així:

Primera llei de Kirchhoff: Llei dels nusos

La suma algebraica de les intensitats dels corrents que arriben i surten d'un nus és nul · la. Les intensitats s'expliquen positivament quan el corrent es dirigeix cap al nus, i negativament quan s'allunya d'aquest.

SEGONA LLEI DE Kirchhoff: Llei de les malles

En una malla qualsevol de la xarxa, la suma dels voltatges dels generadors, que poden ser fem (força electromotriu, positiva) o fcem (força contraelectromotriu, negativa), és igual a la suma de les caigudes de tensió en les resistències.

Amb aquesta segona llei s'obtenen tantes equacions com malles tingui la xarxa, i per analitzar la malla i obtenir l'equació, prenem un sentit arbitrari de seguiment (sol ser en la direcció de les agulles del rellotge).

185


A continuació se sumen els voltatges dels generadors que estiguin a favor del sentit de seguiment, i es resten els voltatges dels generadors que estiguin en contra del sentit de seguiment. Això s'escriu en el primer membre de l'equació. Després se sumen les caigudes de tensió de les intensitats que estan en el mateix sentit que la direcció de seguiment i es resten les caigudes de tensió de les intensitats que estan en contra al sentit de seguiment. I això constitueix el segon membre de l'equació. Quan tenim totes les equacions, resol el sistema mitjançant un mètode adequat (per exemple, el mètode de Gauss), i després s'analitzen els resultats. En cas que algun valor d'intensitat surti negatiu, només indica que la intensitat té sentit contrari de com l'hem descomptat. Igual que en el cas de circuits simplificables, l'últim càlcul és obtenir la potència que generen o consumeixen els generadors i les potències que consumeixen totes les resistències, que es calculen amb les expressions: - Per als generadors: P = V · I - Per a les resistències: P = I ² · R EXEMPLE A continuació tenim un exemple de resolució d´un circuit elèctric de dues malles en el que s´han de calcular els corrents I1, I2 i I3

186


10. CIRCUITS ALTERN.

ELÈCTRICS

DE

CORRENT

En l'anàlisi d'una xarxa elèctrica en corrent altern (per exemple un Circuit sèrie RLC), la reactància és la part imaginària de la impedància, i és provocada per la presència d'inductors o condensadors en el circuit. La reactància es denota pel símbol X i en unitats del SI es mesura en ohms (símbol: Ω).

Reactància inductiva La reactància inductiva (que s'indica amb el símbol XL) representa el fet que un corrent s'acompanyi d'un camp magnètic proper; per això un corrent variable s'acompanya d'un camp magnètic variable; aquest últim ocasiona una força electromotriu que resisteix els canvis del corrent. Com més canvia el corrent, més s'hi resisteix un inductor: la reactància és proporcional a la freqüència (per això és zero per a un corrent continu). Hi ha també una diferència de fase \varphi entre el corrent i el voltatge aplicat. La reactància inductiva es pot calcular amb la fórmula:

on XL és la reactància inductiva, mesurada en ohms ω és la freqüència angular, en radians per segon f és la freqüència, en hertz (símbol: Hz) L és la inductància, en henrys (símbol: H) Si la reactància és inductiva, l'angle

o fase és positiu.

187


Reactància capacitiva La reactància capacitiva (que s'indica amb el símbol XC) reflecteix el fet que els electrons no puguin passar a través d'un condensador, tot i així el corrent altern (CA) eficaç pot fer-ho més fàcilment com més alta sigui la freqüència. També hi ha un desfasament (\varphi) entre el corrent altern que travessa el condensador i la diferència de potencial a través dels elèctrodes del condensador. La reactància capacitiva es pot calcular amb la fórmula:

a on : XC és la reactància capacitiva mesurada en ohms ω és la freqüència angular, en radians per segon f és la freqüència, en hertz (HZ ) C és la capacitància, en farads (símbol: F) Si la reactància és capacitiva l'angle

o fase és negatiu.

Circuits de corrent altern RLC en sèrie Si tenim un circuit de corrent altern format per una resistència òhmica R, un condensador de capacitat C i una bobina d'autoinducció L i el connectem en sèrie veiem, que la diferència de potencial existent en els extrems del circuit ha de ser igual a la suma vectorial de les diferències de potencial existent en els extrems de cada element

La suma vectorial d'aquests vectors és:

L'expressió es representa per Z i s'anomena impedància del circuit, des del punt de vista físic representa la resistència total que ofereix el circuit al pas de corrent elèctric.

188


Freqüencia de Ressonància. Tot cos o sistema té una o diverses freqüències característiques. Quan un sistema és excitat a una de les seves freqüències característiques, la seva vibració és la màxima possible. L'augment de vibració es produïx perquè a aquestes freqüències el sistema entra en ressonància.

En un sistema elèctric, la freqüència de ressonància és aquella a la qual la funció de transferència arriba a la seva màxim.[1] És a dir, donada una entrada, s'obté una sortida màxima. Per exemple, al sintonitzar una emissora de ràdio estem fent funcionar el circuit intern de la ràdio a una freqüència natural que entra en ressonància amb la freqüència d'emissió de l'emissora desitjada i aquesta última s'amplifica, però deixant el sistema estable. Així en un circuit en sèrie, compost únicament per bobines i condensadors la seva impedància serà

ha d'existir un valor ? tal que faci nul el valor d' X s , aquest valor serà la pulsació de ressonància del circuit a la qual anomenarem ? f0 . Si X s és nul, llavors

Si tenim en compte que

La freqüència de ressonància f 0 serà

189


11.

POTÈNCIES EN CORRENT ALTERN

En un circuit elèctric de corrent altern es poden arribar a trobar tres tipus de potències elèctriques diferents: 

Potència activa (P) (resistiva)

Potència reactiva (Q) (inductiva)

Potència aparent (S) (total)

Potència activa o resistiva (P)

Quan connectem una resistència (R) o càrrega resistiva en un circuit de corrent altern, el treball útil que genera aquesta càrrega determinarà la potència activa que haurà de proporcionar lafont de força electromotriu (FEM). La potència activa es representa per mitjà de la lletra (P) i la seva unitat de mesura és el watt (W). Els múltiples més utilitzats del watt són: el kilowatt (kW) i el megawatt (MW) i els submúltiples, el miliwatt (mW) i el microwatt (W).

La fórmula matemàtica per trobar la potència activa que consumeix un equip elèctric qualsevol quan es troba connectat a un circuit monofàsic de corrent altern és la següent:

D'on: P = Potència de consum elèctric, expressada en watt (W) I = Intensitat del corrent que flueix pel circuit, en ampers (A) Cos φ= Valor del factor de potència. (En els dispositius que tinguin només càrrega resistiva, el factor de potència és sempre igual a "1", mentre que en els que posseeixen càrrega inductiva aquest valor serà sempre menor de "1"). Potència reactiva o inductiva (Q) Aquesta potencia la consumeixen els circuits de corrent altern que tenen connectades càrregues reactives, com poden ser motors, transformadors de voltatge i qualsevol altre dispositiu similar que posseeixi bobines o enrotllats. Aquests dispositius no només consumeixen la potència activa que subministra la font de FEM, sinó també potencia reactiva. 190


La potència reactiva o inductiva no proporciona cap tipus de treball útil, però els dispositius que tinguin enrotllats de filferro de coure, requereixen aquest tipus de potència per poder produir el camp magnètic amb el qual funcionen. La unitat de mesura de la potència reactiva és el volt-ampere reactiu (VAR). La fórmula matemàtica per trobar la potència reactiva d'un circuit elèctric és la següent:

D'on: Q = Valor de la càrrega reactiva o inductiva, en volt-ampere reactiu (VAR) S = Valor de la potència aparent o total, expressada en volt-ampere (VA) P = Valor de la potència activa o resistiva, expressada en watt (W) Potència aparent o total (S) La potència aparent (S), anomenada també "potència total", és el resultat de la suma geomètrica de les potències activa i reactiva. Aquesta potència és la que realment subministra una planta elèctrica quan es troba funcionant al buit, és a dir, sense cap tipus de càrrega connectada, mentre que la potència que consumeixen les càrregues connectades al circuit elèctric és potència activa (P). La potència aparent es representa amb la lletra "S" i la seva unitat de mesura és el voltampere (VA). La fórmula matemàtica per trobar el valor d'aquest tipus de potència és la següent:

D'on: S = Potència aparent o total, expressada en volt-ampere (VA) V = Voltatge del corrent, expressat en volt ( V ) I = Intensitat del corrent elèctric, expressada en ampere (A) La potència activa, per exemple, és la que proporciona realment l'eix d'un motor elèctric quan li està transmetent la seva força a un altre dispositiu mecànic per fer-ho. Mesurem en aquest cas amb un voltímetre la tensió o voltatge (V) que arriba fins als borns del motor i seguidament, per mitjà d'un amperímetre, la intensitat de corrent en ampere (A) que flueix pel circuit elèctric d'aquest motor. A continuació multipliquem les xifres dels dos valors obtinguts i el resultat de l'operació serà el valor de la potència aparent (S), expressada en volt-ampere (VA) que desenvolupa dit motor i no precisament la seva potència activa (P) en watt (W).

191


La xifra que s'obté de l'operació matemàtica de trobar el valor de la potència aparent (S) que desenvolupa un dispositiu serà sempre superior a la que correspon a la potència activa (P), perquè al realitzar aquesta operació matemàtica no s'està prenent en compte el valor del factor de potència o cosφ.

Triangle de potències L'anomenat triangle de potències és la millor manera de veure i comprendre de forma gràfica què és el factor de potència o cosinus de "fi" (Cos) i la seva estreta relació amb els restants tipus de potència presents en un circuit elèctric de corrent altern.

Com es podrà observar en el triangle de la il · lustració, el factor de potència o cosφ representa el valor de l'angle que es forma en representar gràficament la potència activa (P) i la potència aparent (S), és dir, la relació existent entre la potència real de treball i la potència total consumida per la càrrega o el consumidor connectat a un circuit elèctric de corrent altern. Aquesta relació es pot representar també, de forma matemàtica, per mitjà de la fórmula següent:

12.

ELS RELÉS ELECTROMAGNÈTICS.

El relè, és un dispositiu electromecànic, que funciona com un interruptor controlat per un circuit elèctric en el qual, per mitjà d'una bobina i un electroimant, s'acciona un joc d'un o diversos contactes que permeten obrir o tancar altres circuits elèctrics independents. Va ser inventat per Joseph Henry el 1835.

192


FUNCIONAMENT Quan un corrent elèctric flueix per una bobina en resulta un camp magnètic que atreu una armadura metàl·lica que està mecànicament enllaçada amb un contacte mòbil. El moviment de la part mòbil permet obrir o tancar la connexió amb el contacte fix. Quan cessa el corrent que passa per la bobina l'armadura retorna a la seva posició inicial gràcies a una força que és aproximadament la meitat de la que exerceix l'electroimant, habitualment s'utilitza una molla, però també la gravetat.

193


194


Exercicis Tema 12. Exercici 1 Una manta elèctrica de superfície s = 1,80 m x 1,35 m proporciona una potencia P = 75 W per m2 endollada a U = 220 V. Determineu: a) L’energia que consumeix en 8 hores. b) La resistència elèctrica que té en el seu interior i la intensitat que circula per la resistència. c) La potència que consumiria si s’endollés a U = 110 V. Si la resistència és un fil conductor de resistivitat = 0,20 m i diàmetre d = 0,6 mm. d)Determineu la longitud de fil necessària. Exercici 2 Un calefactor disposa de dues resistències iguals que poden connectar-se en dues configuracions, segons la posició del commutador.

a) Dibuixeu, de manera independent i simplificada, sense commutador ni fils innecessaris, les dues configuracions possibles, i indiqueu a quina posició del commutador corresponen. Amb els valors donats en el dibuix i per a cadascuna de les configuracions, determineu: b) La intensitat que circula per cada resistència i la intensitat total subministrada pel generador. c) La potència consumida pel calefactor.

195


Exercici 3

En un hivernacle s’han instal·lat 12 estufes de potencia P = 300 W alimentades a U = 220 V. Determineu: a) El corrent total que consumeixen les 12 estufes. b) El cost de fer funcionar les 12 estufes durant 5 hores si el preu de l’energia és c = 0,08EUR/(kW·h). c) La potència de les estufes si s’alimentessin a 125 V. Exercici 4 Un captador fotovoltaic està format per 60 cèl·lules de diàmetre d = 100 mm i rendiment és del 10 %. Si la densitat superficial de potència radiant és de 800 W/m2 i aquest captador alimenta un circuit a 12 V, determineu: a) La potència elèctrica generada. b) La intensitat generada. Si cada cèl·lula dóna una tensió de 0,4 V quan genera 1,6 A, c) Com estan connectades en el captador? Exercici 5

Una estoreta elèctrica disposa d’un commutador rotatiude 5 posicions: posició 0 desconnectada i posicions 1, 2, 3 i 4 de potències subministrades creixents. Per aconseguir les quatre potències disposa de les resistències de l’esquema de la figura. La tensió d’alimentació és U = 220 V. Determineu:

196


a) Com estan connectats els terminals 1, 2 i 3 a la tensió d’alimentació per obtenir les quatre potències?. Dibuixeu els esquemes resultants b) Les resistències equivalents quan R2 i R3 estan en sèrie i en paral·lel. c) La potència de l’estoreta en els dos casos de l’apartat anterior.

Exercici 6 Una estoreta elèctrica disposa de tres resistències iguals que poden connectarse en dues configuracions segons la posició del commutador.

a) Dibuixeu, de manera independent i simplificada, sense commutador ni fils innecessaris, les dues configuracions possibles, indicant a quina posició del commutador corresponen.

Amb els valors donats al dibuix, i per a cadascuna de les configuracions, determineu: b) La resistència equivalent del conjunt de les tres resistències. c) La potència consumida per l’estoreta.

Exercici 7

L’esquema de la figura correspon a un calefactor de quatre potències que s’alimenta a U = 220 V. Determineu: 197


a) Les combinacions d’interruptors que situen les dues resistències en sèrie i en paral·lel. Dibuixeu els esquemes resultants. b) La resistència equivalent quan R3 i R4 estan en sèrie i en paral·lel. c) La potència del calefactor en els casos anteriors. Exercici 8

Una lluminària està formada per n = 75 bombetes iguals connectades segons l’esquema de la figura. Per fer-la atractiva, els interruptors canvien cíclicament d’estat cada 3 s, de manera que, en tot moment, només n’hi ha un de tancat. Quan es connecta a U = 230 V consumeix I = 2,7 A. Determineu: a) La potència de la lluminària Pl i la de cada bombeta Pb. b) La intensitat que circula per cada bombeta encesa Ib i la seva resistència Rb. c) El consum total Etotal i per bombeta Eb si la lluminària funciona durant t = 7 hores.

Exercici 9

El circuit de la figura quan s’alimenta entre A i B és un pont de Wheatstone amb 4 resistències iguals. Determineu per a cadascuna de les posicions del commutador:

198


a) La resistència equivalent Req del circuit. b) La potència P dissipada per la resistència BC.

Exercici 10

Les planxes elèctriques disposen d’una resistència i d’un interruptor en sèrie que, accionat per un sensor de temperatura, obre el circuit quan s’arriba a la temperatura desitjada (posició: llana, cotó...). La placa de característiques d’una planxa indica: U = 230 V, P = 800 W. La seva resistència està formada per un fil de constantà de diàmetre d = 0,3 mm i resistivitat ρ = 4,9·10-7 Ω·m. Determineu: a) El valor R de la resistència. b) La llargada L del fil de la resistència. c) El consum E si s’utilitza per planxar durant 3 h en una posició en la qual, per mantener la temperatura, l’interruptor funciona cíclicament amb una cadència de 30 s obert i 50 s tancat.

199


PROBLEMES CIRCUITS DE CORRENT ALTERN I LLEIS DE KIRCHHOFF 1. Calcula la reactancia capacitativa d´un condensador de 100 microfarads en un circuit de corrent altern de 50 Hz. 2. Calcula la reactancia inductiva d´una bobina de 0,2 H en un circuit de corrent altern de 50 Hz. 3. Donada una tensió alterna de valor eficaç 220 V i freqüència 50 Hz. Calcula : a. La tensió máxima. b. La tensió instantània als 5 ms d´haver començat el cicle. 4. Tenim un circuit format per una associació sèrie d´una resistència de 100 ohms, una bobina de 0,2 H i un condensador de 50 microfarads, al qual se li aplica un corrent altern de 220 V, 50 Hz. Calcula : a. La impedancia del circuit. b. La intensitat eficaç que el travessa. c. La tensió en borns de cada un dels tres elements. 5. Calcula el triangle de potències ( aparent, activa i reactiva ) de l´exercici anterior. Calcula també el factor de potencia. 6. Calcula la intensitat del corrent que passa per cada amperímetre en tancar els interruptors. Comprova el resultat obtingut simulant el circuit amb el Crocodile Clips.

200


TEMA 13 : PROJECTE CONSTRUCTIU AULATALLER DE TECNOLOGIA. Cal escollir un projecte per a realizar en grups de dos alumnes. Per aquest curs proposem el disseny i la construcció dels següents : PORTA CORREDERA

PORTA ARTICULADA

ASCENSOR DUES PARADES

BARRERA AUTOMATITZADA

PERSIANA O TENDAL

( A DETERMINAR PER EL GRUP D´ALUMNES )

Tots aquests projectes han de reunir les següents condicions :      

En accionar un polsador, un sol cop,el mecanisme s´obre, puja es desplega, etc i en accionar un altre polsador el mecanisme realitza la operació contrària. El mecanisme ha de funcionar autònomament fins a arribar al final del seu recorregut en cadascun dels sentits de funcionament. Ha de disposar de senyals lluminosos diferents que informin del sentit de moviment o de l´estat de funcionament. El mecanisme ha de funcionar amb una font d´alimentació de tensió contínua d´entre 4,5 i 6 Volts. Els projectes han d´estar enllestits abans del 25 de maig per fer-ne la valoració. Aquests projectes caldrà conservar-los per al curs vinent ja que caldrà automatitzar-los i poden ser utilitzats com a punt de partida per el projecte de recerca de 2n curs de Batxillerat.

201


Juntament amb el projecte caldrà lliurar una MEMÒRIA dividida en els següents apartats. 1. Recerca d´informació sobre el projecte escollit. Aplicacions reals que té, imatges, vídeos que mostrin el funcionament,….etc. 2. Croquis o esbòs acotat del disseny del mecanisme escollit amb la justificació de per que s´ha escollit aquest i no un altre. 3. Llistat de Materials i Eines utilitzats.( amb fotografies ) 4. Pressupost total del projecte. ( Relació de tot el material amb el seu preu unitari i el total ). 5. Procés constructiu. ( Explicació pas a pas fins a la materialització final de la maqueta on han de constar els problemas sorgits, com s´han solucionat i el temps que s´ha emprat en cadascun dels pasos ). En aquest punt es millor anar fent fotografíes periòdicament. 6. Plànol a Escala 1:2 o 1:4 del mecanisme. 7. Esquema elèctric i de connexions del mecanisme. 8. Avaluació final, conclussió i possibles millores. 9. Bibliografia o pàgines web de consulta. 10. Programari utilitzat. 11. Annexes : 1. Simulació del mecanisme amb el GoogleSketchUp. 2. Plànol del mecanisme amb QCAD o AUTOCAD ( o qualsevol altre programa de dibuix ) 3. Simulació del circuit elèctric amb el CROCODILE-CLIPS. 4. Fotografies des de tots els punts de la maqueta en les que es vegin tots els components. 5. Vídeo que en mostri el funcionament.( cal penjar-lo al You-Tube i adjuntar el link ) exemple simulació GoogleSketchUp

Exemple simulació Crocodile-Clips

202


203

Dossiertecnoindustrial1curs2014 2015  

Apunts de Tecnologia Industrial de Primer curs de Batxillerat Institut Can Mas de Ripollet

Dossiertecnoindustrial1curs2014 2015  

Apunts de Tecnologia Industrial de Primer curs de Batxillerat Institut Can Mas de Ripollet

Advertisement