Motor pneumático

Um motor pneumático (motor a ar) ou um motor a ar comprimido é um tipo de motor que faz trabalho mecânico ao expandir o ar comprimido. Os motores pneumáticos geralmente convertem a energia do ar comprimido em trabalho mecânico através de movimento linear ou rotativo. O movimento linear pode vir de um diafragma ou atuador de pistão, enquanto o movimento rotativo é fornecido por um motor pneumático do tipo pás, um motor a ar do pistão, uma turbina a ar ou um motor tipo engrenagem.

Os motores pneumáticos existem em muitas formas nos últimos dois séculos, variando em tamanho, desde motores manuais até motores de várias centenas de cavalos de potência. Alguns tipos dependem de pistões e cilindros; outros em rotores com ranhuras com palhetas (motores de palhetas) e outros usam turbinas. Muitos motores a ar comprimido melhoram seu desempenho aquecendo o ar que entra ou o próprio motor. Os motores pneumáticos encontraram amplo sucesso na indústria de ferramentas portáteis, mas também são usados ​​estacionários em uma ampla gama de aplicações industriais. Tentativas contínuas estão sendo feitas para expandir seu uso para o setor de transporte. No entanto, os motores pneumáticos devem superar as ineficiências antes de serem vistos como uma opção viável no setor de transporte.

Classificação

Linear
Para obter movimento linear do ar comprimido, um sistema de pistões é mais comumente usado. O ar comprimido é alimentado em uma câmara hermética que abriga o eixo do pistão. Também dentro desta câmara, uma mola é enrolada em torno do eixo do pistão, a fim de manter a câmara completamente aberta quando o ar não está sendo bombeado para dentro da câmara. Quando o ar é alimentado na câmara, a força no eixo do pistão começa a superar a força que está sendo exercida na mola. À medida que mais ar é alimentado na câmara, a pressão aumenta e o pistão começa a descer pela câmara. Quando atinge seu comprimento máximo, a pressão do ar é liberada da câmara e a mola completa o ciclo, fechando a câmara para retornar à sua posição original.

Motores de pistão são os mais comumente usados ​​em sistemas hidráulicos. Essencialmente, os motores de pistão são os mesmos que os motores hidráulicos, exceto por serem usados ​​para converter energia hidráulica em energia mecânica.

Motores de pistão são freqüentemente usados ​​em séries de dois, três, quatro, cinco ou seis cilindros que são colocados em um alojamento. Isso permite que mais potência seja fornecida pelos pistões porque vários motores estão sincronizados entre si em determinados momentos de seu ciclo.

Esses motores pneumáticos são cilindros ou hastes pneumáticos. Neste último, o deslocamento linear da haste é obtido pela ação do ar comprimido em uma face de um pistão, a outra face do pistão estando a uma pressão mais baixa, geralmente próxima da pressão atmosférica. Um jack permite que você exerça força máxima

F = Δp × S
Δp sendo a diferença de pressão máxima entre as duas faces do pistão e S sua seção.

Os cilindros de ação simples têm apenas uma câmara e o retorno do pistão à sua posição inicial é fornecido por uma mola. Os cilindros de dupla ação têm duas câmaras, em ambos os lados do pistão, que são alternadamente supridas com ar comprimido ou exauridas.

Estes cilindros permitem obter altas velocidades de deslocamento que, para serem obtidas, exigem o correto dimensionamento das válvulas de admissão e escape e o fornecimento de ar comprimido.

O deslocamento linear pode ser transformado em uma rotação angular limitada por um dispositivo mecânico.

Motores de palhetas rotativas
Um tipo de motor pneumático, conhecido como motor de palhetas rotativas, usa ar para produzir movimento de rotação para um eixo. O elemento rotativo é um rotor entalhado que é montado em um eixo de acionamento. Cada ranhura do rotor está equipada com uma palheta rectangular de deslizamento livre. As palhetas são estendidas para as paredes da caixa usando molas, ação de came ou pressão do ar, dependendo do projeto do motor. O ar é bombeado através da entrada do motor, que empurra as palhetas, criando o movimento de rotação do eixo central. As velocidades de rotação podem variar entre 100 e 25.000 rpm, dependendo de vários fatores que incluem a quantidade de pressão de ar na entrada do motor e o diâmetro do alojamento.

Estes motores podem ser cilindros simples para obter diretamente a rotação de um eixo com uma amplitude limitada ou dispositivos que assegurem a rotação contínua de um eixo, que pode ser substituído por motores elétricos, particularmente para aplicações que exigem grande flexibilidade de operação, e especialmente alta torque em baixa velocidade ou zero. Esses motores podem ser turbina ou pistão.

Uma aplicação para motores pneumáticos do tipo palhetas é a partida de grandes motores industriais a diesel ou a gás natural. A energia armazenada na forma de ar comprimido, nitrogênio ou gás natural entra na câmara de motor vedada e exerce pressão contra as pás de um rotor. Isso faz com que o rotor gire em alta velocidade. Como o volante do motor requer muito torque para dar partida no motor, são utilizadas engrenagens de redução. Engrenagens de redução criam altos níveis de torque com as menores quantidades de entrada de energia. Essas engrenagens de redução permitem gerar torque suficiente pelo volante do motor enquanto ele é engatado pela engrenagem do pinhão do motor a ar ou do acionador de ar.

Operação
O funcionamento de um motor de expansão de gás corresponde ao de um motor a vapor, ambos pertencem aos motores de pistão. A válvula de entrada abre, deixando o gás de alta pressão na câmara de expansão (cilindro). Depois de fechar a válvula de entrada, o gás se expande para o ponto final de expansão. Normalmente, o gás esfria, d. H. sua temperatura cai sozinha. A temperatura ambiente é geralmente mais alta do que a do gás e o gás pode absorver algum calor através da parede do bulbo, ou seja, energia térmica, que aumenta ligeiramente o rendimento (= energia mecânica por pressão de saída x pressão do volume de gás). O gás flui através da válvula de saída com a pressão residual necessária. O motor pode ser projetado como um motor de pistão de ação simples ou dupla. Na faixa de baixa potência, os pistões rotativos também estão disponíveis.

O trabalho mecânico fornecido pelo motor de expansão de gás se origina da entalpia armazenada no gás no evento de expansão adiabática. No relaxamento isotérmico, o trabalho mecânico liberado aumenta em torno da exergia absorvida.

Outra maneira de remodelar a entalpia contida no gás comprimido em movimento rotativo, que oferece motor de palhetas.

A partir do final do século XIX foram construídos motores de expansão de gás, operados com dióxido de carbono de cilindros de pressão. Com esses chamados “motores carbônicos”, por exemplo, as escadas aéreas se moviam e Otto Lilienthal fazia experiências com elas como uma unidade para suas aeronaves.

Motores de expansão de gás podem ser usados ​​como reguladores de pressão. O campo de aplicação para grandes motores de expansão de gás (> 5 kW) é a recuperação de energia durante a extração de gás de gasodutos.

O uso mais comum é o dos pequenos motores de expansão de gás movidos a ar comprimido que acionam ferramentas manuais. Também relativamente comum é o uso de máquinas de pistão livre que funcionam como uma bomba.

Em princípio, o motor pneumático também pode ser usado como fonte de acionamento de veículos, mas no passado havia tanques de pressão para serem carregados com entropia tão pequena e a eficiência geral era tão baixa que o uso não era econômico. Para torpedos, os motores de ar estavam em uso por um longo tempo.

Os motores de ar foram e são usados ​​na mineração subterrânea. No clima severo e úmido do subsolo, em túneis confinados, é difícil perceber as linhas condutoras e os coletores de corrente. Especialmente na mineração de carvão, ocorre a emissão de metano combustível. O metano e / ou o pó de carvão formam misturas explosivas com o ar, que devem ser preservadas das faíscas à medida que ocorrem nos circuitos elétricos.

Da década de 1990 até cerca do ano de 2002, havia projetos e anúncios de que deveria haver um veículo pronto para produção com acionamento a ar, o Aircar ou o carro pneumático. Estes anúncios foram renovados por uma empresa francesa com sede em Luxemburgo, anunciando que pretende produzir o OneCat a partir de 2009. O anúncio não foi implementado.

Aplicação
Uma aplicação generalizada de motores pneumáticos é em ferramentas manuais, chaves de impacto, ferramentas de pulso, chaves de fenda, corredores de porca, brocas, moedores, lixadeiras e assim por diante. Motores pneumáticos também são usados ​​estacionários em uma ampla gama de aplicações industriais. Embora a eficiência energética geral das ferramentas pneumáticas seja baixa e exijam acesso a uma fonte de ar comprimido, há várias vantagens em relação às ferramentas elétricas. Eles oferecem maior densidade de potência (um motor pneumático menor pode fornecer a mesma quantidade de energia que um motor elétrico maior), não requerem um controlador de velocidade auxiliar (aumentando sua compactação), geram menos calor e podem ser usados ​​em atmosferas mais voláteis. como eles não exigem energia elétrica e não criam faíscas. Eles podem ser carregados para parar com torque total sem danos.

Historicamente, muitos indivíduos tentaram aplicar motores pneumáticos ao setor de transporte. Guy Negre, CEO e fundador da Zero Pollution Motors, foi pioneiro neste campo desde o final dos anos 80. Recentemente, a Engineair também desenvolveu um motor rotativo para uso em automóveis. A Engineair coloca o motor imediatamente ao lado da roda do veículo e não usa partes intermediárias para transmitir movimento, o que significa que quase toda a energia do motor é usada para girar a roda.

História no transporte
O motor pneumático foi aplicado pela primeira vez ao campo de transporte em meados do século XIX. Embora pouco se saiba sobre o primeiro veículo aéreo comprimido registrado, diz-se que os franceses Andraud e Tessie de Motay dirigiram um carro movido por um motor pneumático em uma pista de teste em Chaillot, França, em 9 de julho de 1840. Embora o carro foi relatado que o teste foi bem-sucedido, o par não explorou mais expansão do projeto.

A primeira aplicação bem-sucedida do motor pneumático no transporte foi o motor a ar do sistema Mekarski usado em locomotivas. O inovador motor de Mekarski superou o resfriamento que acompanha a expansão do ar aquecendo o ar em uma pequena caldeira antes de usá-lo. O Tramway de Nantes, localizado em Nantes, França, foi conhecido por ser o primeiro a usar motores Mekarski para alimentar sua frota de locomotivas. O bonde começou a operar em 13 de dezembro de 1879 e continua a operar hoje, embora os bondes pneumáticos tenham sido substituídos em 1917 por bondes elétricos mais eficientes e modernos.

O americano Charles Hodges também encontrou sucesso com motores pneumáticos na indústria de locomotivas. Em 1911 ele projetou uma locomotiva pneumática e vendeu a patente para a H.K. Porter Company em Pittsburgh para uso em minas de carvão. Como os motores pneumáticos não usam a combustão, eles eram uma opção muito mais segura na indústria do carvão.

Muitas empresas afirmam estar desenvolvendo carros a ar comprimido, mas nenhum está realmente disponível para compra ou mesmo testes independentes.

Ferramentas
Chaves de impacto, ferramentas de pulso, apertadeiras, chaves de fenda, furadeiras, esmerilhadeiras, esmerilhadeiras, lixadeiras, brocas odontológicas e outras ferramentas pneumáticas usam uma variedade de motores pneumáticos. Estes incluem motores do tipo palhetas, turbinas e motores de pistão.

Torpedos
As formas iniciais mais bem-sucedidas de torpedos autopropulsores usavam ar comprimido de alta pressão, embora isso fosse substituído por motores de combustão interna ou externa, motores a vapor ou motores elétricos.

Ferrovias
Os motores a ar comprimido eram usados ​​em bondes e shunters e, finalmente, encontraram um nicho de sucesso em locomotivas de mineração, embora no final eles fossem substituídos por trens elétricos, subterrâneos. Ao longo dos anos, os projetos aumentaram em complexidade, resultando em um motor de expansão tripla com reaquecedores ar-ar entre cada estágio. Para mais informações, consulte locomotiva sem fogo e sistema Mekarski.

Voar
Os aviões da categoria de transporte, como os aviões comerciais, usam partidas de ar comprimido para dar partida nos motores principais. O ar é fornecido pelo compressor de carga da unidade de energia auxiliar da aeronave ou pelo equipamento de solo.

Foguetes de água usam ar comprimido para acionar seu jato de água e gerar empuxo, eles são usados ​​como brinquedos.

Air Hogs, uma marca de brinquedos, também usa ar comprimido para alimentar motores de pistão em aviões de brinquedo (e alguns outros veículos de brinquedo).

Automotivo
Existe atualmente algum interesse em desenvolver carros aéreos. Diversos motores foram propostos para estes, embora nenhum demonstrou o desempenho e a longa vida necessários para o transporte pessoal.

Energia
A Energine Corporation era uma empresa sul-coreana que afirmava entregar carros totalmente montados rodando em um motor híbrido de ar comprimido e elétrico. O motor de ar comprimido é usado para ativar um alternador, que amplia a capacidade de operação autônoma do carro. O CEO foi preso por promover fraudulentamente motores aéreos com falsas alegações.

EngineAir
A EngineAir, uma empresa australiana, está fabricando um motor rotativo movido a ar comprimido, chamado motor Di Pietro. O conceito de motor Di Pietro é baseado em um pistão rotativo. Diferente dos motores rotativos existentes, o motor Di Pietro utiliza um simples pistão cilíndrico rotativo (acionador de eixo) que rola, com pouca fricção, dentro do estator cilíndrico.

Pode ser usado em barcos, carros, transportadores de carga e outros veículos. Apenas 1 psi (≈ 6,8 kPa) de pressão é necessário para superar o atrito. O motor também foi apresentado no programa New Inventors da ABC na Austrália em 24 de março de 2004.

K’Airmobiles
Os veículos da K’Airmobiles deveriam ser comercializados a partir de um projeto desenvolvido na França em 2006-2007 por um pequeno grupo de pesquisadores. No entanto, o projeto não conseguiu reunir os fundos necessários.

As pessoas devem notar que, entretanto, a equipe reconheceu a impossibilidade física de usar ar comprimido a bordo devido à sua baixa capacidade de energia e às perdas térmicas resultantes da expansão do gás.

Atualmente, usando a patente pendente ‘K’Air Generator’, convertida para funcionar como um motor a gás comprimido, o projeto deve ser lançado em 2010, graças a um grupo norte-americano de investidores, mas com o propósito de desenvolver primeiro um green sistema de energia de energia.

MDI
No motor de ar original da Nègre, um pistão comprime o ar da atmosfera para se misturar com o ar comprimido armazenado (que se resfriará drasticamente à medida que se expande). Essa mistura aciona o segundo pistão, fornecendo a potência real do motor. O motor da MDI trabalha com torque constante, e a única maneira de mudar o torque para as rodas é usar uma transmissão de polia de variação constante, perdendo alguma eficiência. Quando o veículo é parado, o motor da MDI tinha que estar ligado e funcionando, perdendo energia. Em 2001-2004, a MDI mudou para um projeto semelhante ao descrito nas patentes da Regusci (veja abaixo), que datam de 1990.

Foi relatado em 2008 que a montadora indiana Tata estava olhando para um motor de ar comprimido MDI como uma opção em seus automóveis Nano de baixo preço. A Tata anunciou em 2009 que o carro a ar comprimido estava se provando difícil de desenvolver devido à sua baixa autonomia e problemas com baixas temperaturas do motor.

Quasiturbina
O motor da Quasiturbina Pneumática é um motor rotativo de pistões a ar comprimido que utiliza um rotor de forma romboidal cujos lados são articulados nos vértices.

O Quasiturbine demonstrou ser um motor pneumático usando ar comprimido armazenado

Ele também pode aproveitar a amplificação de energia possível do uso do calor externo disponível, como a energia solar.

O Quasiturbine gira de uma pressão tão baixa quanto 0,1 atm (1,47psi).

Como o Quasiturbine é um motor de expansão puro, enquanto o Wankel e a maioria dos outros motores rotativos não o são, ele é adequado como um motor de fluido comprimido, motor pneumático ou motor pneumático.

Regusci
A versão de Armando Regusci do motor a ar acopla o sistema de transmissão diretamente à roda, e tem torque variável de zero ao máximo, aumentando a eficiência. As patentes da Regusci datam de 1990.

Equipe Psico-Ativa
A Psycho-Active está desenvolvendo um chassi híbrido multi-combustível / ar que se destina a servir como base para uma linha de automóveis. O desempenho reivindicado é de 50 hp / litro. O motor de ar comprimido que eles usam é chamado de DBRE ou Ducted Blade Rotary Engine.

Projetos de motor a ar defunto

Motor de congro
Milton M. Conger, em 1881, patenteou e supostamente construiu um motor que passava por ar comprimido ou vapor usando uma tubulação flexível que formaria uma parede ou abutment em forma de cunha ou encosto na parte traseira do rolamento tangencial da roda, e a impulsionaria. com maior ou menor velocidade de acordo com a pressão do meio propulsor.