CALCULUL TERMIC

UNIVERSITATEA TEHNIC GH. ASACHI IAIFACULTATEA DE MECANIC

SPECIALIZAREA AUTOMOBILEPROIECT DE DIPLOM

COORDONATOR

AS.ING. SORINEL TALIFSTUDENT

SBRNEA LUCIAN

2007TEMA PROIECTULUI

S se proiecteze sistemul de frnare al autoturismului echipat cu frne disc pe toate roile, cu cilindru principal.

CAPITOLUL ICALCULUL TERMIC

I.1. ALEGEREA I CALCULUL PRINCIPALILOR PARAMETRI INIIALI

1. Coeficientul excesului de aer

La motoarele cu electro-aprindere, cu carburator, regimul de putere maxim se realizeaz pentru = 0,85(0,9.Pentru evitarea pericolului detonaiei la alegerea lui trebuie s se in seama de gradul de compresie al motorului; s fie mai mic cnd gradul de compresie este mai mare.

= 0,852. Raportul de comprimare:

( = 8,5

3. Presiunea mediului ambiant: p0 = 1bar = 0,1 atm

4. Temperatura mediului ambiant:

T0 = 298 K

5. Puterea caloric inferioar:

Qi = 43524 kj/kgI.2. SCHIMBUL DE GAZE

1. Presiunea gazelor reziduale:pr = p0 + (pr( + (pr( + (pr((unde:

p0 - presiunea mediului ambiant n care se face evacuarea, (pr( - pierderile de presiune n seciunea de trecere a supapei de evacuare, (pr( - pierderile de presiune n colectorul de evacuare i n conducta de evacuare, (pr(( - pierderile de presiune n dispozitivele speciale aflate pe instalaia de evacuare (toba de evacuare, cazanul de recuperare a cldurii gazelor evacuate, etc.),

(pr(=

unde:

WS - viteza medie a gazelor prin seciunea de trecere a supapei de evacuare, V - volumul specific al gazelor de evacuare. - coeficientul de vitez cu valori cuprinse ntre 0.60.8, pr - poate fi calculat pe baza dimensiunii i a formei conductei precum i a vitezei gazelor de evacuare.Pentru lungimi normale ale conductei: pr0,0150,030 kgcm2.Valoarea lui pr este influenat de turaia motorului, mrimea seciunii de trecere a gazelor, forma i lungimea conductei de evacuare ct i de dispozitivele speciale ce se monteaz pe evacuare.

Presiunea gazelor reziduale pr pentru motoarele fr supraalimentare la putere nominal este:

- pentru motoare lente: pr=(1,031,06) p0,- pentru motoare rapide:pr=(1,051,25) p0,- pr=(1,051,25) p0 = 1,18 bar = 0,118Mpa.2. Temperatura gazelor reziduale: TrTemperatura Tr a gazelor reziduale are aproximativ aceeai valoare cu temperatura Tev pe care o au gazele arse imediat ce au trecut de supap, la sfritul cursei de evacuare.

Temperaturile Tr i Tev sunt influenate de urmtori factorii: turaia motorului, ncrcarea motorului, excesul de aer, fazele distribuiei, etc.

Pentru motoarele n patru timpi valoarea temperaturi Tr se afl n urmtoarele limite:

la motoarele cu carburator: Tr = 9001150 K;

la motoarele cu aprindere prin compesie: Tr = 700900 K;

la motoarele cu gaze:Tr = 7501000 KTr = 9001150K.Tr = 1100 K

3. Creterea de temperatur a fluidului proaspt: T

Prin creterea lui T se mrete gradul de prenclzire a ncrcturii i deci se micoreaz valoarea coeficientului de umplere.Valoarea temperaturii T pentru un motor cu carburator n patru timpi variaz ntre:

T = 020 K T = 15 K

.3. CALCULUL PROCESELOR

.3.1. PROCESUL ADMISIEI

1. Presiunea din cilindru la sfritul admisiei: pa

Este presiunea dintre ncrctura proaspt i gazele reziduale din cilindrul motorului la sfritul cursei de admisie cnd volumul gazelor din cilindru este maxim.

Este influenat de urmtorii factorii: turaia, rezistena gazodinamic a sistemului de admisie i de poziia obturatorului la motoarele la care reglajul puterii se face cantitativ.Relaia folosit pentru determinarea lui pa este urmtoarea:

pa = p0 - pa

unde:

p0 - presiunea atmosferic p0 = 1 bar = 0,1 Mpa, pa - pierderile de presiunepa=( c+p ) .C + p = 24 C + p = 2,8

WS = 80160 m/s WS = 100 m/s

= = = 1,169 kgm3

unde:

Ra = 287 J/kggrd, pa = 2,8 1,169 = 0,163 bar.Trebuie ca pa s se ncadreze ntre valorile: pa = (0,050,3) pa.pa = 0,837 bar = 0,0837 Mpa

2. Coeficientul gazelor reziduale:r

Pentru motoarele n patru timpi se folosete relaia:

r=

unde:

r = 0,050,15, 1 - coeficient de curire a camerei de ardere: 1 = 0,700,95 1 = 0,70

2 = 1,111,17 2 = 1,11, pr = 1,18 bar = 0,118 Mpa, pa = 0,837 bar = 0,0837 Mpa, T0 = 298 K, Tr = 1100 K.r=0,055

3. Temperatura la sfritul admisiei: Ta

Este temperatura la care ajung gazele prin nclzire de la pereii conductei de admisie, a cilindrilor i de la gazele reziduale. Aceast temperatur se poate determina din ecuaia bilanului de cldur a amestecului de gaze proaspete i reziduale, nainte i dup amestec.

MgaCMP(T0+T-Tvap)+MrCMprTr=(Mga+Mr)CMpaTa

unde:

T=19 K, Tvap - rcirea gazelor prin vaporizarea combustibilului: Tvap = 0 K, CMp = CMpr = CMpa - cldurile specifice se neglijeaz.Ta==354,028 K

Ta = 354,028 K

Temperatura la sfritul admisiei trebuie s se ncadreze ntre urmtoarele limite: Ta = 320370 K.4. Randamentul umplerii: V

Este dat de coeficientul de umplere. Se nelege raportul dintre greutatea ncrcturii proaspete din cilindru la sfritul admisiei i greutatea teoretic proaspt ce ar ocupa volumul Vh n condiile de presiune i temperatur a mediului din care provine ncrctura.

Din ecuaia bilanului, cantitile de gaze n Kmoli, la sfritul admisiei:

Ma = Mga + Mr = Mga (1+r)

Mga = Ma

EMBED Equation.3 Ma = Mga=

Cantitatea teoretic de gaze proaspete admise n cilindru la volumul V1 i la p0 i T0 exprimat n Kmoli, va fi:

Mh=

v==

Va = Vc

Vh = ( - 1) VcPu = 0.080.25 = 0.22V=

V = 0,84La puterea maxim V are urmtoarele valori: V =0,750,90

.3.2. PROCESUL COMPRESIEI.La motoarele cu ardere intern, compresia este faza de lucru din interiorul cilindrului ce urmeaz dup admisie i are loc n timpul deplasrii pistonului de la PMI la PMS.

Compresia este un proces politropic la care exponentul politropic variaz continuu, variaia exponentului politropic de compresie, funcie de deplasarea pistonului.

Alegerea valorii exponentului mediu al politropiei de compresie mC se poate face din diagrame n funcie de turaia motorului, alegndu-se astfel nct lucrul mecanic absolut calculat cu mc pentru compresie s fie egal cu lucru mecanic planimetrat din diagrama indicat pentru aceeai poriune din curs.

Dac la proiectare nu dispunem de diagramele indicate a unor motoare cu caracteristici similare atunci alegerea lui mc se va face aproximativ din tabele.

Factorii care influieneaz exponentul mediu al politropiei sunt: dimensiunile cilindrului, forma camerei de ardere, viteza de rotaie a arborelui cotit, sistemul de rcire, sarcina, temperatura iniial a ncrcturii proaspete, coeficientul excesului de aer , gradul de compresie , etc.n calculul preliminar vom adopta valoarea lui mC, din tabele, din cri de specialitate. Astfel valoarea lui mC este cuprins ntre: 1,321,38.mc = 1,34.Alegerea corect a indicelui politropic mC este foarte important, deoarece o eroare de 0,01 la adoptarea lui duce la o eroare de 23 % a valorii medii a ciclului.

n calculul preliminar se vor afla valorile orientative ale presiunii la sfritul cursei de compresie, temperatura medie, exponentul adiabatic, cldura schimbat cu pereii. Toate aceste date vor fi folosite pentru verificarea unei condiii, n urma calculelor rezultnd adevrata valoare a exponentului politropic mc.1. Presiunea la sfritul cursei de compresie: pcpc=pamcunde:

- pa - presiunea din cilindru la sfritul admisiei: pa = 0,837 bar,

- - raportul de comprimare: = 8,5,

- mc = 1,34.pc = 14,728 bar2. Temperatura la sfritul cursei de compresie: TcTc = Tamc-1

unde:

- Ta - temperatura la sfritul admisiei: Ta = 354,028 K,- - raportul de comprimare: = 8,5,- mc = 1,34.Tc = 732,8 K

Valoarea temperaturii la sfritul cursei de compresie trebuie s se ncadreze ntre 600700 K, pentru motoarele cu aprindere prin scnteie.

3. Temperatura medie:

EMBED Equation.3

=

unde:

Ta -temperatura la sfritul admisiei: Ta = 354,028 K; - raportul de comprimare: = 8,5; mc = 1,34.

=459,868 K

4. Exponentul adiabatic:kc

kc=1,627-64,710-30.25+0,06(1-)

kc = 1,336

5. Cldura schimbat cu pereii: Qp

Qp = Qi

unde:

f = 0,015.Qp = 6,528 Kj/Kg

6. Cantitatea de Kmoli de combustibil de amestec iniial: aiai = i (1+r)

unde:

= Lmin + C = 0,44 Kmol/Kg, Lmin - cantitatea de aer exprimat n Kmoli necesar arderii complete a unui Kg de combustibil: Lmin = 0,5073 KmolKg, c - fraciunea de cldur degajat prin arderea unei cantiti de combustibil care este schimbat cu pereii n timpul procesului de comprimare: c = = 0,008 KmolKg.ai=0,464 KmolKg

Prin introducerea valorilor orientative ale presiunii, temperaturii, exponentului adiabatic, etc, n relaia urmtoare va rezulta adevrata valoare a lui mc.

EMBED Equation.3 mc = 1,339

Se reiau calculele cu o nou valoare a lui mC.Astfel:

Presiunea la sfritul cursei de compresie: pcpc = pa mc

pc = 14,697 barTemperatura la sfritul cursei de compresie:TcTc = Ta mc-1

Tc = 731,3 KTemperatura medie:

EMBED Equation.3

= 459,4 K

Exponentul adiabatic:kc

kc=1,627-64,710-30.25+0,06(1-)

kc = 1,336

Cldura schimbat cu pereii:QpQp = Qi

Qp = 6,528 Kj/KgCantitatea de Kmoli de combustibil de amestec iniial:aiai=0,464 KmolKg

Dac:

1%

Calculul se oprete la noua valoare a lui mc.n caz contrar se va alege alt valoare a lui mc.

1%

0,2%1%

.3.3. PROCESUL DE ARDERE.1. Coeficientul variaiei molare: c

Se definete ca raportul dintre numrul de Kmoli ai produselor rezultate din procesul de ardere i numrul de Kmoli ai amestecului nainte de ardere: =

unde:

M2 - cantitatea de gaze arse n Kmoli, M1 - cantitatea n Kmoli a amestecului nainte de ardere: M1=Lmin+c, c - fraciunea de cldur degajat prin arderea unei cantiti de combustibil care este schimbat cu pereii n timpul procesului de comprimare: c==0,008 KmolKg.Deoarece nu cunoatem valoarea lui M2 pentru aflarea lui c, vom aplica formula:c=

unde:

-coeficientul excesului de aer: = 0,85, Lmin - cantitatea de aer exprimat n Kmoli, necesar arderii complete a unui Kg de combustibil: Lmin = 0,5073 KmolKg, = 0,16; unde: c = 0,857 KgKg; h = 0,142 KgKg.Avnd n vedere definiia coeficientului gazelor reziduale:

rezult:r=

r=1,0952. Coeficientul de utilizare a cldurii n procesul arderii: z

Reprezint raportul dintre cantitea de cldur degajat Qz prin arderea unitii de combustibil folosit pentru producerea lucrului mecanic exterior i creterea energiei interne a fluidului n perioada de la nceputul arderii pn la sfritul arderii vizibile, ctre puterea caloric inferioar Hi a combustibilului.

z=

Pentru calculul procesului de ardere, se impune n funcie de valorile determinate experimental la motoare similare. Astfel pentru un MAS cu combustibil lichid, valoarea lui z este cuprins ntre limitele: 0,850,95.

z=0,87

3. Puterea caloric a amestecului real: HiaReprezint cantitatea de cldur exprimat n Kj care se degaj din arderea unui Kmol de amestec real.

Qia=

unde:

Qi - puterea caloric inferioar: Qi = 43524 KjKg,

- coeficientul excesului de aer: = 0,85, Lmin - cantitatea de aer exprimat n Kmoli, necesar arderii complete a unui Kg de combustibil: Lmin = 0,5073 KmolKg, c = 0,008 KmolKg, - coeficientul gazelor reziduale: = 0,055, Qi= 119950(1-)Lmin= 119950(1-0.85)0,5073 = 9127,5 KjKg.4. Temperatura la sfritul arderii: tzSe determin din ecuaia:

tz2a+tzb+c=0

unde:

a = B1, b = A1, c = -Qia-mcvatc, A1=(39,123MCO2+22,49MCO+19,678MH2+26,67MH2O+21,951MH2), B1=(3,349MCO2+1,43MCO+1,738MH2+4,438MH2O+1,457MN2), r- coeficientul variaiei molare: r= 1,095, Z- coeficientul de utilizare a clduri n procesul arderii: Z= 0,87, tc = 731,3 + 273 = 458,3C,

Qia=74232,574 KjKg.n cazul arderii incomplete, caracterizat prin 1 n procesul de ardere apar i gaze combustibile, cum ar fi oxidul de carbon i hidrogenul, lipsind oxigenul. n mod obinuit, raportul a ntre cantitatea de hidrogen i oxid de carbon n gazele arse are valoarea:

a = 0,450,5 a = 0,5, cnd: =0,160,18 =0,16 c = 0,854 KgKg

h = 0,142 KgKg

Cantitatea de produse de ardere:

MCO2=

MCO2= KmolKg

MCO=

MCO= KmolKg

MH2=

MH2= KmolKg

MH2O=

MH2O= KmolKg

MN2=0,792LminMN2=0,7920,850,5073=0,3415 KmolKg

n final se obine:

M2=

M2= KmolKg

M1=Lmin+cM1=0,850,5073+0,008=0,439 KmolKg

A1=24,291 ; B1=0,002

Cldura specific molar medie a fluidului proaspt:

Cldura specific molar medie la volum constant a produselor de ardere n intervalul de temperaturi: t0 tz (tz fiind temperatura fluidului de lucru la sfritul fazei principale a arderii), se determin innd seama de expresiile cldurilor specifice molare ale fiecrui component. Astfel relaia de calcul a cldurii specifice molare mcva este dat n cele ce urmeaz:

mcva={()(27,941MCO2+20,597MCO +20,684MH2+24,953MH2O+20,398MN2)+10-3[Ta(1+kc-1)-

-546][(Lmin2,638+)+[(19MCO2+2,67MCO+0,206MH2+

+5,359MH2O+2,5MN2)]+10-6[223587-819Ta(1+kc-1)+Ta2(1+ kc-1 + 2kc-2 )] (-5,487MCO2+0,588MH2)}

mcva=27,192 KjKmol

n continuare se calculeaz temperatura la sfritul fazei principale a arderii, prin rezolvarea ecuaiei de gradul 2: tz2a + tzb + c = 0, ai crei coeficieni sunt dai de rezolvarea relailor:

a = B1r = 0,0021,095 = 0,002

b = A1r = 24,2911,095 = 26,599

c = - zQia - mcvatc =-0,8774232,574 - 27,192458,3 = -77044,433

Rezult:

tz ==-77044,433Ctz = 273 + 2446,48 = 2719,480 K

Valoarea temperaturii la sfritul fazei principale a arderii trebuie s se ncadreze ntre 24002900 K pentru motoarele cu aprindere prin scnteie.

5. Presiunea maxim n timpul arderii a fluidului de lucru: pmaxPresiunea maxim a fluidului de lucru pmax se determin n funcie de tz cu relaia:

pmax=

pmax = 59,846 bar

6. Presiunea maxim n timpul arderii a ciclului rotunjit: pzSe determin cu relaia:

pz = 0,85pmax

pz = 50,869 bar = 5,086 MpaConform literaturii de specialitate pz la un MAS alimentat cu combustibil lichid are valorile cuprinse ntre: 3,57,5 Mpa.7. Raportul de cretere al presiunilor: zz=

z = 4,072

8. Gradul destinderii prealabile: z

Se definete prin raportul:z=

unde:

Vz - volumul delimitat de piston n momentul sfritului arderii, Vc - volumul camerei de ardere.La MAS deoarece Vz = Vc, rezult:z = 1I.3.4. PROCESUL DESTINDERII.Prin calculul procesului destinderii se urmrete determinarea exponentului mediu md al politropiei de destindere, a presiunii i temperaturii fluidului de lucru, la sfritul destinderii. Totodat se poate aprecia corectitudinea estimrii iniiale a temperaturii gazelor reziduale, diferena ntre aceasta i valoarea rezultat din calculul destinderii reflectnd calitatea concordanei ntre ciclul de calcul rotunjit i cel real al motorului.

Corectitudinea determinrii sau alegerii exponentului politropic md are o importan mare ntruct afecteaz sensibil valoarea calculat a presiunii medii indicate.Astfel, n continuare, se prezint influenele ctorva factori asupra lui md i anume:

creterea vitezei de ardere implic arderea unei fraciuni mai mici de combustibil n destindere, din acest motiv creterea coeficientului de utilizare a cldurii n procesul arderii z sau n raport de comprimare provoac mrimea lui md, mrirea turaiei implic reducerea timpului de schimb de cldur ntre gaze i perei, determinnd pierderi de cldur; totodat, prin creterea turaiei se mrete fraciunea de combustibil care arde n detent.

n calculul preliminar vom adopta valoarea lui md din tabele, din crile de sprcialitate.Astfel valoarea lui md este cuprins ntre: 1,231,30.md = 1,30

1. Presiunea la sfritul cursei de destindere: pdpd=pz

unde:- pz - presiunea maxim n timpul arderii a ciclului rotunjit: pz = 50,869 bar,- - raportul de comprimare: = 8,5,- md = 1,30.pd = 3,149 bar

2. Temperatura la sfritul destinderi: Td

Td = Tz1-md

unde:

- Tz - temperatura la sfritul fazei principale de ardere: Tz = 2719,480 K,- - raportul de comprimare: = 8,5,- md = 1,30.Td=1431,068 K

3. Temperatura medie:

Se determin cu relaia:

=

=1797,943 K

4. Eponentul adiabatic: kd

kd=1.1925+

kd=1,193

5. Cantitatea de cldur cedat prin perei:QPd

QPd=Qiunde:

fd = 715% fd = 0,1, Qi = 43524 KjKg

QPd=43,524 KjKg

Se recalculeaz valoarea lui md din ecuaia:

8.314

Cu aceast valoare a lui md se reia calculul.

Presiunea la sfritul cursei de destindere: pd

pd=pz

pd=3,9 barTemperatura la sfritul cursei de destindere: TdTd= Tz1-md

Td= 1772,564 KTemperatura medie:

=

=2057,835 K

Exponentul adiabatic: kdkd=1.1925+

kd=1,192Cantitatea de caldur cedat prin pereii:QPd

QPd=Qi

unde:

fd = 715% fd = 0,1, Qi = 43524 KjKg.QPd=43,524 KjKg

6. Verificare:Se va verific daca Tr* astfel rezultat difer cu mai mult de 1% n raport cu Tr adoptat la nceputul calcului.

Tr*==

Tr*=1189 K==

=0,07%