Download - Calculul Termic MB

Transcript

Calculul termic

3.1. consideraii preliminare

Prin calculul termic al motoarelor diesel navale se urmrete determinarea mrimilor de stare ale fluidului motor n evoluia sa n cadrul ciclului de funcionare. Cu ajutorul acestor mrimi se poate trasa diagrama indicat a ciclului de funcionare, pe baza creia se pot determina principalele mrimi caracteristice ale unui motor: parametrii indicai i efectivi, principalele dimensiuni constructive, puterea i economicitatea motorului, precum i forele care acioneaz asupra pieselor motorului.

Dup procedeul de calcul utilizat, se deosebesc metode analitice i metode grafice, bazate pe diagrame termodinamice.

n prezentul capitol este prezentat metoda analitic bazat pe determinarea variaiilor energiilor interne i ale entalpiilor fluidului motor pe parcursul ciclului de funcionare. Calculul se desfoar utiliznd urmtoarele ipoteze simplificatoare:

fluidul motor este alctuit dintr-un amestec de gaze semiideale, care respect ecuaia universal de stare a gazelor, pV = mRT;

ciclul de funcionare este format din evoluii cunoscute din punct de vedere termodinamic (transformri politropice, izocore, izobare);

n fiecare ciclu de funcionare arde complet cantitatea de un kilogram de combustibil diagrama indicat astfel obinut este similar cu cea real, pe baza acestei similitudini rezultnd i parametrii reali ai motorului;

arderea combustibilului se desfoar parial izocor, parial izobar;

comprimarea i destinderea reprezint transformri politropice cu exponeni constani;

modificarea compoziiei chimice a fluidului motor prin arderea combustibilului se realizeaz instantaneu la nceputul arderilor izocor i, respectiv, izobar;

procesul de admisie a fluidului proaspt lipsete din cadrul ciclului de funcionare, considerndu-se c admisia se realizeaz instantaneu la nceputul comprimrii;

evacuarea gazelor arse reprezint un proces izocor de cedare de cldur mediului nconjurtor.

Cu ajutorul acestor ipoteze simplificatoare, calculul termic se desfoar n urmtoarele etape:

alegerea parametrilor iniiali de calcul;

calculul procesului de admisie;

calculul procesului de comprimare;

calculul procesului de ardere izocor;

calculul procesului de ardere izobar;

calculul procesului de destindere;

determinarea parametrilor indicai, efectivi i constructivi ai motorului.

Alegerea parametrilor iniiali de calcul se face n funcie de caracteristicile tehnice ale motorului de referin i de proprietile fizico-chimice ale combustibilului utilizat. O parte nsemnat din parametrii iniiali de calcul nu este indicat ns n documentaia tehnic a motorului. De aceea, n funcie de caracteristicile de baz ale motorului (numr de timpi, turaie, tipul admisiei .a.), aceti parametri se adopt n funcie de valorile experimentale indicate n literatura de specialitate.

n cadrul calculelor proceselor ciclului de funcionare se urmrete determinarea mrimilor de stare (presiune, volum, temperatur) ale fluidului motor n punctele caracteristice ale ciclului, precum i a altor mrimi specifice proceselor respective.

n final, se determin parametrii indicai i efectivi, trasndu-se diagrama indicat a ciclului de funcionare. Trasarea se realizeaz pe baza similitudinii dintre ciclul teoretic n care se arde un kilogram de combustibil i ciclul real de funcionare.

3.2. ALEGEREA PARAMETRILOR INIIALI DE CALCUL

n cadrul calcului termic vor fi utilizai urmtorii parametri iniiali:

puterea efectiv (necesar a fi dezvoltat): Pec = 183,75 kW (250 CP);

numrul de timpi: ( = 4;

turaia nominal: n = 1500 rot/min;

numrul de cilindri: i = 6;

presiunea de supraalimentare: ps = 1,2105 Pa;

raportul curs/diametru: (d = 1,17 (205/175).

Calculul va fi efectuat n condiiile funcionrii motorului cu motorin cu puterea calorific inferioar Qi = 42000 kJ/kg (10145 kcal/kg) i urmtoarea compoziie procentual:

carbon: c = 85,7 (;

hidrogen: h = 13,3 (;

oxigen: o = 1 (.

Fiind un motor de propulsie naval, motorul de referin va funciona la presiunea atmosferic la nivelul mrii:

p0 = 1,01325(105 Pa (1 atm).

Temperatura mediului ambiant depinde de anotimp, de zona de navigaie, de momentul zilei, de condiiile de ventilaie ale compartimentului maini, etc. Se va considera valoarea medie:

T0 = 300 K (27(C).

Datorit rezistenelor gazodinamice ale sistemului de admisie, presiunea fluidului proaspt la intrarea n cilindru pa este mai mic dect presiunea avut iniial (ps). Raportul dintre cele dou presiuni (la intrarea n cilindru i cea iniial) reprezint coeficientul de scdere a presiunii de admisie (a, care, n cazul motoarelor supraalimentate, ia valori cuprinse n domeniul: (a = 0,880,96. Se adopt valoarea:

(a = 0,88.

Temperatura gazelor arse reziduale se adopt n intervalul Tr = 600900 K, urmnd ca ea s fie verificat la sfritul destinderii. Va fi utilizat valoarea:

Tr = 640 K.

Venind n contact cu piesele fierbini ale motorului, aerul furnizat de turbosuflant i mrete temperatura cu (T = 1020 grd. Se adopt valoarea:

(T = 10 K.

n interiorul rcitorului intermediar de aer se asigur o reducere a temperaturii fluidului proaspt. Aceast cdere de temperatur poate fi (Trc = 20100 grd. Se adopt:

(Trc = 20 K.

Pentru asigurarea unei arderi de bun calitate a combustibilului, introducerea aerului n cilindri se realizeaz n exces fa de cantitatea teoretic necesar asigurrii arderii complete. Valoarea coeficientului de exces de aer depinde de tipul motorului, n cazul motoarelor supraalimentate fiind ( = 1,72,2. Se adopt:

( = 2,2.

Cantitatea de gaze arse reziduale depinde de raportul de comprimare, de presiunea i temperatura lor, de particularitile sistemului de distribuie, de turaie.

n cazul motoarelor supraalimentate, coeficientul gazelor arse reziduale are valorile: (r = 0,010,04. Se utilizeaz valoarea:

(r = 0,04.

Din cantitatea de cldur dezvoltat prin arderea combustibilului, numai o anumit fraciune este utilizat pentru producerea de lucru mecanic exterior i pentru mrirea energiei interne a fluidului motor. Coeficienii de utilizare a cldurii n cele dou faze ale arderii nregistreaz valorile uzuale: (v = 0,750,85 i (p = 0,650,75. Pentru motoarele rapide, cu o bun formare a amestecului carburant i cu pierderi mici n fluidul de rcire, cu un ciclu apropiat de ciclul teoretic cu ardere izocor i cu o prelungire nsemnat a arderii n destindere, valoarea (v poate ajunge la 0,90, pe cnd a lui (p poate s se micoreze pn la 0,55 0,60. Se vor utiliza pentru cei doi parametri valorile:

(v = 0,90i(p = 0,55.

Coeficientul de rotunjire a diagramei indicate reprezint parametrul care ine seama de deosebirile dintre diagramele indicate real i teoretic ale ciclului de funcionare. Valorile sale uzuale sunt: (r = 0,960,99. Se adopt:

(r = 0,96.

Randamentul mecanic al unui motor diesel naval depinde, n primul rnd, de tipul i de construcia acestuia. El este influenat i de ali factori, cum ar fi: turaia i sarcina motorului; calitatea materialului de construcie al pieselor cu suprafee de frecare; calitatea uleiului de ungere i a procesului de lubrificaie. Pentru motoarele supraalimentate, n patru timpi, valorile experimentale ale acestui parametru sunt: (m = 0,800,90. Se va utiliza valoarea:

(m = 0,80.

Raportul dintre volumul maxim al camerei de ardere Va (corespunztor poziiei de p.m.e. a pistonului) i volumul minim al acesteia Vc (corespunztor poziiei de p.m.i. a pistonului) se numete raport de comprimare:

Alegerea valorii ( depinde de tipul motorului, de turaia lui, de felul formrii amestecului carburant, de particularitile constructive, precum i de o serie de ali factori.

Conform datelor experimentale, n cazul motoarelor cu aprindere prin comprimare, supraalimentate, raportul de comprimare ia valorile ( = 1216.

Se adopt valoarea:

( = 16.

Raportul dintre raza manivelei i lungimea bielei are o influen redus asupra proceselor termice din cilindru motor. Raportul (d = R / Lb ia valori cuprinse ntre 1/5,5 i 1/3. n cazul nostru, acest raport are valoarea:

(d = 0,249.

Avansul la injecie optim se stabilete pe cale experimental, cnd prototipul motorului se afl pe bancul de probe. Pentru motoarele navale, ( = 640 (RAC, la sarcin nominal. Se adopt valoarea:

( = 13 (RAC.

Durata total a arderii se consider drept suma algebric a avansului la injecie, a unghiului de ntrziere la autoaprinderea combustibilului i a unui unghi de corecie cu valori de: (( = -3.+3 (RAC. Se utilizeaz :

(( = + 3 (RAC.

Comprimarea ncrcturii proaspete n agregatul de supraalimentare reprezint un proces politropic al crui exponent ns , pentru suflante centrifugale, ia valori de 1,41,8.

Se utilizeaz:

ns = 1,8.

3.3. CALCULUL PROCESULUI DE ADMISIE

Procesul de admisie (admisia) reprezint procesul n decursul cruia fluidul proaspt ptrunde n cilindrul motorului. Procesul de admisie forat (supraalimentarea) are loc atunci cnd fluidul proaspt ptrunde n cilindru sub aciunea unei suflante care l comprim n prealabil, aciunea fiind i ea asociat cu deplasarea pistonului. n cazul supraalimentrii, naintea ptrunderii n sistemul de admisie, fluidul proaspt are presiunea (ps) i temperatura (Ts) care se stabilesc la ieirea din organul de refulare al suflantei.

Cantitatea de oxigen necesar arderii complete a unui kilogram de combustibil are valoarea:

0,10435 kmoli O2.

Cantitatea corespunztoare de aer este:

0,49692 kmoli aer,

rezultnd cantitatea real de aer utilizat pentru arderea cantitii de un kilogram de combustibil:

1,093234 kmoli aer.

n urma arderii combustibilului rezult urmtoarele produse:

bioxid de carbon:

0,071417 kmoli CO2;

vapori de ap:

0,0665 kmoli H2O;

oxigen:

0,125225 kmoli O2;

azot:

0,863655 kmoli N2.

Cantitatea total de gaze rezultate din arderea combustibilului este:

1,126797 kmoli g.a.,

unde j = CO2, H2O, O2, N2.

Gazele arse reziduale vor avea compoziia:

bioxid de carbon:

2,856610-3 kmoli CO2;

vapori de ap:

2,6610-3 kmoli H2O;

oxigen:

2,92191610-3 kmoli O2;

azot:

26,69478910-3 kmoli N2,

cantitatea total fiind:

35,1310-3 kmoli g.a.r.,

unde j = CO2, H2O, O2, N2.

n compoziia fluidului motor intr aerul i gazele arse reziduale. Utiliznd datele din tabelul 3.1 i avnd n vedere valoarea constantei universale a gazelor, ( = 8314,34 J/kmolgrd, rezult c masa fluidului are valoarea:

25,3869 kg,

unde j = CO2, H2O, O2, N2.

Tabelul 3.1: Masele moleculare ale componentelor fluidului motor

ComponentaMasa molecular

(u.a.m.)

Aer28,850334

Bioxid de carbon44,0095

Vapori de ap18,0153

Bioxid de sulf64,0628

Oxigen31,9988

Azot28,0134

Constanta caracteristic a fluidului motor este:

288,173465 J/kggrd.

Temperatura aerului la ieirea din suflanta agregatului de supraalimentare are valoarea:

387,646152 K.

Prin urmare, la intrarea n cilindru, aerul va avea temperatura:

355,646152 K.

Pentru determinarea temperaturii fluidului motor (amestecul de fluid proaspt i gaze arse reziduale) la sfritul procesului de admisie, se utilizeaz dou metode. O prim metod se bazeaz pe valoarea entalpiei fluidului motor Iama, determinat cu ajutorul relaiei:

unde indicele j are, pe rnd, semnificaiile: CO2, H2O, O2, N2. Pentru aceast determinare, entalpiile specifice i se determin prin interpolare, cu ajutorul valorilor din nomograme. Pentru Taer = 355,646152 K i Tr = 890 K, vom avea:

kJ/kmol;

kJ/kmol.

Se poate determina astfel entalpia fluidului motor n procesul de admisie:

Iama = 9712,481823 kJ/kmol.

Adoptnd temperaturile arbitrare T1 = 374 K i T2 = 384 K se determin entalpiile corespunztoare:

9575,100700 kJ/kmol

9831,200611 kJ/kmol

Cu ajutorul acestor valori, se reprezint grafic funcia Iam = f(T), considerat ca avnd o variaie liniar. Pe baza construciei grafice din figura 3.1, rezult valoarea temperaturii fluidului motor la sfritul admisiei: Ta(gr) ( 379,3 K.

Valoarea exact a temperaturii va fi:

379,364356

Fig. 3.1 Determinarea grafic a lui TaPe baza componenei fluidului motor, se poate obine valoarea analitic a temperaturii fluidului motor la sfritul admisiei:

376,198223 K.

ntre cele dou valori obinute exist o eroare procentual care nu depete limita admisibil de dou procente:

0,84 %

Presiunea fluidului motor pe parcursul procesului de admisie are valoarea:

2,314105 Pa.

Drept urmare, la sfritul admisiei, fluidul motor va ocupa volumul:

11,893701 m3.

n sfrit, coeficientul de umplere are valoarea:

0,96

Valorile obinute se ncadreaz n limitele experimentale indicate n literatura de specialitate. Astfel, n cazul motoarelor supraalimentate, pa = (1,0563,85)105 Pa, iar temperatura ia valori in intervalul 300400 K. La rndul su, coeficientul de umplere nregistreaz valorile uzuale: (v = 0,800,96.

3.4. CALCULUL PROCESULUI DE COMPRIMARE

Procesul de comprimare ndeplinete trei funciuni:

1. sporete randamentul termic;

2. permite aprinderea combustibilului, fapt fundamental pentru m.a.c.;

3. genereaz micri organizate ale fluidului motor n camera de ardere.

Pentru determinarea exponentului mediu politropic al procesului de comprimare, se calculeaz iniial expresiile cldurilor specifice medii molare ale fluidului motor, utiliznd expresiile cldurilor specifice ale componentelor (indicate n tabelul 3.2) i compoziia fluidului motor.

Tabelul 3.2: Coeficienii cldurii medii molare

cj = aj + bjT *

SubstanaIntervalul: 278Tc [K]**Intervalul: 273Tmax [K]***

ajbjajbj

Aer19,672,5110-3--

Benzin101,98219,4610-3--

CO227,6211,7210-338,503,3510-3

CO19,253,3510-320,922,0910-3

H2O23,015,4410-323,855,0210-3

SO230,9711,7210-330,9711,7210-3

H220,091,2610-318,832,0910-3

O219,254,6010-323,021,6710-3

N219,672,5110-321,341,6710-3

Observaii:* cj n kJ/kmolgrd;

** limita superioar Tc a intervalului corespunde temperaturii fluidului motor la sfritul comprimrii;

*** limita superioar Tmax a intervalului corespunde temperaturii maxime a fluidului motor n timpul arderii.

Rezult:

20,491374 kJ/kmolgrd

2,65618010-3 kJ/kmolgrd2.

Prin urmare, ecuaia de determinare va avea expresia:

Conform literaturii de specialitate, exponentul mediu politropic al comprimrii ia valori n intervalul nc = 1,321,38. Atribuind succesiv, diverse valori exponentului nc , se calculeaz valorile celor doi membri ai ecuaiei de determinare. Cu ajutorul acestor valori, n figura 3.2 sunt reprezentate grafic variaiile celor doi membri ai ecuaiei n funcie de exponentul politropic nc. La intersecia celor dou curbe rezult valoarea aproximativ nc ( 1,361.

Fig. 3.2 Determinarea grafic a lui ncPentru creterea preciziei se utilizeaz metoda iterativ ce urmrete obinerea diferenei absolute minime dintre cei doi membri. Rezultatele sunt prezentate n tabelul urmtor 3.3.

Rezult astfel valoarea exact a exponentului mediu politropic al comprimrii:

1,3611591163

Ca urmare, la sfritul comprimrii, mrimile de stare ale fluidului motor au valorile:

presiunea:

68,124094105 Pa;

volumul:

0,991141 m3;

temperatura:

922,938760 K.

Temperatura la sfritul comprimrii trebuie s asigure o autoaprindere sigur a combustibilului. De aceea, la m.a.c.-uri, ea trebuie s fie cu 200300 grade mai mare dect temperatura de autoaprindere a combustibilului. Uzual, aceste valori sunt Tc = 700950 K. Presiunea la sfritul comprimrii ia valori cuprinse n domeniile pc = (5075)105 Pa. Se observ ca valorile obinute din calcule se ncadreaz n aceste intervale.

Tabelul 3.3: Valorile membrilor ecuaiei de determinare a exponentului mediu

politropic al comprimriinc

[kJ/kmolgrd]

[kJ/kmolgrd]MS - MD

1,3624,019204423,935065520,084138925

1,3723,370036823,99656858-0,62653182

1,36123,952669323,941147280,011521972

1,36223,886501723,94724417-0,06074252

1,361123,94603623,941756290,004279713

1,361223,939406423,94236545-0,00295902

1,3611523,942720823,942060850,000659905

1,3611623,942057823,94212177-6,395210-5

1,36115923,942124123,942115678,4325110-6

1,3611623,942057823,94212177-6,395210-5

1,361159123,942117523,942116281,1940910-6

1,361159223,942110823,94211689-6,044310-6

1,3611591123,942116823,942116344,7024810-7

3.5. CALCULUL PROCESULUI DE ARDERE IZOCOR

Dintre toate procesele termice din cilindrul motorului, procesul de ardere are cel mai nalt grad de complexitate. Indicii energetici ai motorului, cei de economicitate i de durabilitate, de funcionare linitit i de adaptabilitate la sarcin, depind ntr-o msur larg, uneori hotrtoare, de procesul de ardere.

Prin ardere se nelege o reacie chimic, produs prin oxidarea substanelor combustibile. Etapele arderii sunt:

1. apariia flcrii sau aprinderea;

2. dezvoltarea flcrii sau propagarea.

Conform ipotezelor simplificatoare prezentate n 3.1., n cadrul calculului termic se consider c procesul de ardere se desfoar iniial izocor i apoi izobar. n cadrul arderii izocore, se consider, de asemenea convenional, c este ars cantitatea de combustibil gv injectat n cilindru pe durata de ntrziere la autoaprindere (aa, injecia decurgnd dup o lege liniar.

n momentul declanrii injeciei de combustibil, fluidul motor ocup volumul:

1,094423 m3.

Acest moment fiind situat n cadrul procesului de comprimare, presiunea i temperatura fluidului motor vor avea valorile:

59,525518105 Pa;

890,481859 K.

Pentru calculul ntrzierii la autoaprindere, se utilizeaz presiunea n momentul injeciei, exprimat n uniti ST:

pinj = 60,699362 kgf/cm2Rezult:0,0015606 s

Conform datelor experimentale, la motoarele navale acest parametru are valorile aa=0,0010,005 s. Prin urmare valoarea obinut se ncadreaz n intervalul indicat. Ei i corespunde unghiul de rotaie:

9,363708 (RAC.

Duratei totale a arderii i va corespunde unghiul:

22,363708 (RAC,

rezultnd cantitatea de combustibil care arde izocor (n ipoteza arderii cantitii gtot = 1 kg combustibil pe ciclu):

0,418701 kg.

n urma arderii acestei cantiti de combustibil rezult urmtoarele produse:

bioxid de carbon:

2,99022310-2 kmoli CO2;

vapori de ap:

2,78436210-2 kmoli H2O;

oxigen:

0,133708 kmoli O2;

azot:

0,667369 kmoli N2,

cantitatea total fiind:

0,858824 kmoli g.a.

Drept urmare, pe parcursul arderii izocore, fluidul motor are compoziia urmtoare:

bioxid de carbon:

3,27589010-2 kmoli CO2;

vapori de ap:

3,05036210-2 kmoli H2O;

oxigen:

00,136630 kmoli O2;

azot:

0,694064 kmoli N2.

Cantitatea total de gaze care formeaz fluidul motor va fi:

0,893957 kmoli g.a.

Masa fluidului are valoarea:

25,806363 kg,

iar constanta sa caracteristic va fi:

288,016925 J/kggrd

n continuare se determin energiile interne specifice ale componentelor fluidului motor pentru temperatura Tc = 922,938760 K. Prin interpolare liniar se obin valorile:

bioxid de carbon:

30942,670039 kJ/kmol

vapori de ap:

25172,635698 kJ/kmol

oxigen:

21283,130063 kJ/kmol

azot:

19934,472959 kJ/kmol

Pe baza acestor valori, rezult energia intern a fluidului motor n starea c:

18525,246108 kJ

Ca urmare a arderii izocore a combustibilului, energia intern a fluidului motor ajunge la valoarea:

34531,937979 kJ

Pentru determinarea temperaturii Ty , se adopt temperaturile arbitrare T1 = 1581 K i T2 = 1591 K. Utiliznd energiile interne specifice ale componentelor din tabele i nomograme, rezult energiile interne ale fluidului motor pentru cele dou temperaturi:

34387,123712 kJ

34639,933437 kJ

Pe baza ipotezei simplificatoare, conform creia energia intern variaz liniar n funcie de temperatur, n figura 3.3 este reprezentat grafic aceast variaie. Corespunztor energiei interne , rezult temperatura Ty ( 1587 K. Valoarea exact a acestei emperaturi este:

1586,728192 K

Fig. 3.3 Determinarea grafic a lui TyDeoarece procesul decurge izocor:

Vy = Vc = 0,991141 m3

i presiunea fluidului motor la sfritul arderii izocore va fi:

118,990299105 Pa

Se realizeaz astfel un raport de cretere a presiunii:

1,746669

n literatura de specialitate sunt indicate valorile uzuale pe care le nregistreaz parametrii caracteristici ai arderii izocore. Astfel, ntrzierea la autoaprindere a combustibilului ia valori situate n jurul a 0,0010,005 s. n cazul arderii mixte, cantitatea de combustibil ars izocor reprezint, de obicei, 1040 % din cantitatea total (gv = 0,10,4 kg), iar temperatura n starea y este Ty = 10001500 K. n cazul arderii violente, temperatura poate atinge valori mai ridicate, pn la 1800 K. n sfrit, presiunea maxim de ardere nregistreaz valori n intervalul py = pz = (80140)105 Pa.

3.6. CALCULUL PROCESULUI DE ARDERE IZOBAR

n cadrul acestui proces, este ars cantitatea de combustibil (n condiiile arderii cantitii gtot=1kg combustibil pe ciclu):

0,581298 kg

Ca urmare, n compoziia fluidului motor intr gazele rezultate din arderea unui kilogram de combustibil i gazele arse reziduale:

bioxid de carbon:

7,42733310-2 kmoli CO2 vapori de ap:

6,91610-2 kmoli H2O

oxigen:

7,59698310-2 kmoli O2 azot:

0,694064 kmoli N2O

Cantitatea total de gaze arse este:

0,913467 kmoli g.a.

Masa i constanta caracteristic ale fluidului motor vor avea, aadar, valorile:

26,388721 kg,

287,807845 J/kggrd

Corespunztor temperaturii Ty = 1586,728192 K, pe baza valorilor indicate n tabele i nomograme, prin interpolare liniar, rezult entalpiile specifice ale componentelor:

bioxid de carbon:

76190,280648 kJ/kmol

vapori de ap:

62309,104462 kJ/kmol

oxigen:

52391,887603 kJ/kmol

azot:

50099,504609 kJ/kmol

Pe baza acestor valori, rezult entalpia fluidului motor n starea y:

48720,695953 kJ

Entalpia fluidului motor va crete n decursul arderii izobare pn la valoarea:

67239,622310 kJ

Se adopt n continuare temperaturile arbitrare T1 = 2103 K i T2= 2113 K, pentru care entalpia fluidului motor nregistreaz urmtoarele valori:

67047,802063 kJ

67406,466490 kJ

Pe baza ipotezei simplificatoare conform creia entalpia fluidului motor variaz liniar cu temperatura, n figura 3.4 este reprezentat grafic dependena Iam = f(T). Corespunztor entalpiei Iamz , rezult c pe cale grafic temperatura Tz ( 2108,5 K.

Valoarea exact a acestui parametru este:

2108,348181 K

Fig. 3.4 Determinarea grafic a lui TzPresiunea fluidului motor meninndu-se constant:

118,990299105 Pa,

volumul ocupat n aceast stare este:

1,345710 m3

Rezult astfel i raportul de destindere prealabil:

1,3577373.7. CALCULUL PROCESULUI DE DESTINDERE

Procesul de destindere reprezint partea din ciclul motor n care se produce fraciunea principal din lucrul mecanic disponibil. O parte din energia acumulat prin ardere de ctre fluidul motor este cedat n timpul destinderii sub form de lucru mecanic al pistonului. n destindere, compoziia i masa fluidului motor rmn practic invariabile.

Utiliznd expresiile cldurilor specifice ale componentelor (indicate n tabelul 3.2), rezult coeficienii cldurii specifice medii molare a fluidului motor n decursul acestui proces:

23,065021 kJ/kmolgrd

2,06023310-3 kJ/kmolgrd2

Prin urmare, ecuaia de bilan energetic al procesului are expresia:

Atribuind diverse valori exponentului mediu politropic al destinderii, se obin variate valori pentru cei doi membri ai ecuaiei. n figura 3.5 sunt reprezentate grafic aceste variaii n funcie de exponentul mediu nd. La intersecia celor dou curbe rezult valoarea aproximativ a exponentului: nd ( 1,279.

Fig. 3.5 Determinarea grafic a lui nd Pentru determinarea valorii exacte, n urmtorul tabel sunt calculate iterativ valorile membrilor ecuaiei care conduc la stabilirea diferenei absolut minime:

Tabelul 3.4: Valorile membrilor ecuaiei de determinare a exponentului mediu

politropic al destinderii nd

[kJ/kmolgrd]

[kJ/kmolgrd]MS - MD

1,2730,7938518529,820502950,973348898

1,2829,6940714329,76851637-0,07444494

1,27929,8005017929,77366420,026837595

1,279229,7791547329,772633730,006520994

1,279329,7684926629,77211867-0,00362601

1,2792629,7727565729,772324680,000431889

1,2792729,7716904829,77227318-0,0005827

1,27926429,7723301229,772304082,6044810-5

1,27926529,7722235229,77229893-7,541410-5

1,279264229,772308829,772303055,7529310-6

1,279264329,7722981429,77230253-4,39310-6

1,2792642529,7723034729,772302796,7996610-7

Rezult astfel valoarea exponentului mediu politropic al destinderii:

1,2792642581

Prin urmare, mrimile de stare ale fluidului motor la sfritul destinderii au valorile:

volumul :

Vb = Va = 11,893701 m3 presiunea:

7,32589105 Pa

temperatura:

1147,245414 K

Pot fi acum calculate raportul de destindere:

8,838230

i raportul de scdere a presiunii:

3,165897

n finalul acestei etape a calcului termic se verific temperatura gazelor arse reziduale adoptat iniial:

892,067087 K

Eroarea de alegere a acestui parametru:

0,231718 %

Valorile uzuale ale presiunii i temperaturii la sfritul destinderii sunt pb = (28)105 Pa i, respectiv, Tb = 9001300 K.

3.8. DETERMINAREA PARAMETRILOR INDICAI, EFECTIVI I CONSTRUCTIVI

Cunoscndu-se mrimile de stare ale fluidului motor n punctele caracteristice ale ciclului de funcionare, se poate trece la determinarea valorilor parametrilor indicai i efectivi ai ciclului de funcionare, precum i a principalelor dimensiuni constructive ale motorului.

Lucrul mecanic indicat dezvoltat ntr-un cilindru pe parcursul unui ciclu de funcionare n care arde un kilogram de combustibil are valoarea:

1,928214107 J

Prin urmare, presiunea medie indicat a ciclului de funcionare este:

1,782617106 Pa

Randamentul indicat va fi:

0,456844,

iar consumul specific indicat de combustibil:

0,185515 kg/kWh

Pentru motoarele n patru timpi, supraalimentate, pentru presiunea medie indicat sunt menionate valorile uzuale: pi = (1025)105 Pa. Randamentul indicat nregistreaz valorile: (i = 0,420,50, iar consumul specific indicat de combustibil ci variaz ntre 160 i 195 g/kWh. Prin urmare, valorile obinute corespund limitelor uzuale indicate n literatura de specialitate.

La rndul lor, parametrii efectivi vor avea valorile:

presiunea medie efectiv:

1,604355106 Pa

randamentul efectiv:

0,411160

consumul specific efectiv de combustibil:

0,206127 kg/kWh (0,1515 kg/CPh)

Limitele uzuale indicate n literatura de specialitate, pentru motoarele n patru timpi, supraalimentate sunt: pe = (7,520)105 Pa; (e = 0,300,40; ce = 215285 g/kWh. Se observ c presiunea medie efectiv se ncadreaz n intervalul de mai sus, dar pentru randamentul efectiv i consumul specific efectiv de combustibil s-au obinut valori superioare din punct de vedere funcional, acest lucru explicndu-se prin caracterul pur teoretic al calculului termic.

Pentru dezvoltarea puterii Pec, impus prin tema de proiectare, este necesar ca n fiecare cilindru s se realizeze lucrul mecanic indicat:

20532,708333 J

Drept urmare, coeficientul de similitudine dintre ciclul real de funcionare i cel ipotetic n care arde un kilogram de combustibil va fi:

0,001056

Rezult astfel volumele reale ocupate de fluidul motor n punctele caracteristice ale ciclului de funcionare:

0,012565 m3

0,001047 m3

0,001421 m3Pentru trasarea diagramei indicate a ciclului de funcionare este necesar determinarea curbelor de comprimare i de destindere. Presiunile corespunztoare diferitelor valori Vj ale volumului ocupat de fluidul motor se calculeaz cu relaiile:

- pentru comprimare:

- pentru destindere:

Rezultatele calculelor efectuate sunt centralizate n urmtorul tabel:

Tabelul 3.5: Variaiile presiunii n cadrul proceselor de comprimare i de destindere

Vj [m3]pjc [MPa]pjd [MPa]Vj [m3]pjc [MPa]pjd [MPa]

0,0010476,812409130,00620,605266461,80850359

0,00125,658997550,00660,555889001,66949252

0,00142111,899030000,0070,513103381,54843872

0,00183,258751798,799069530,00740,475724041,44218399

0,00222,479853516,806888620,00780,442828011,34825799

0,00261,975481765,497144700,00820,413686861,26470240

0,0031,625847604,577555020,00860,387718651,18994605

0,00341,371167173,900279750,0090,364453301,12271469

0,00381,178528403,382994630,00920,353711511,09158717

0,00421,028433772,976440460,00940,343507271,06196465

0,00460,908654782,649447600,00960,333803081,03374462

0,0050,811163472,381389300,00980,324564771,00683349

0,00540,730488422,158105050,010,315761130,98114565

0,00580,662782161,969570790,0125650,231400000,73258874

n figura 3.6 este reprezentat la scar diagrama indicat, caroiajul fiind realizat din dreptunghiuri a cror arie este A0 = 13,872 mm2. Prin planimetrarea diagramei indicate, rezult aria A = n0A0 = 25513,872 = 3537,36 mm2. Reprezentarea fiind fcut la scri kp = 6,2210-2 MPa/mm i kv = 9,2110-5 m3/mm, rezult lucrul mecanic indicat:

20264,19124 J

Valoarea analitic a acestui parametru este:

20371,12714 J

Erorile de determinare n cadrul metodelor grafice au valori reduse:

0,549 %

Pot fi acum determinate principalele dimensiuni constructive ale motorului. Valorile acestor dimensiuni sunt urmtoarele:

diametrul cilindrului:

232,959324 mm

cursa pistonului:

270,232816 mm raza manivelei:

135,116408 mm

lungimea bielei:

542,636178 mm

cilindreea unitar:

11,518294 dm3

cilindreea total:

184,292707 dm3Se remarc valorile extrem de apropiate de cele indicate n cartea tehnic a motorului. Eroarea de determinare are o valoare nesemnificativ:

1,90 %

Aceeai precizie ridicat a determinrilor se constat i n cazul puterii efective, a crei valoare este:

2463,925 kW

Utiliznd lucrul mecanic indicat, puterea efectiv are valoarea:

2395,644551 kW

Calculnd densitatea aerului de admisie:

2,547260 kg/m3

puterea efectiv se poate determina i cu ajutorul relaiei:

2685,621760 kW

Puterea indicat a motorului are valoarea:

2737,694444 kW

Indicii de performan ai motorului au, la rndul lor, valorile:

- puterea pe cilindru:

153,99531 kW/cil

- puterea specific de arie a pistonului:

3612,912320 kW/m2

- puterea specific volumic:

13369,628318 kW/m3

- indicele de baleiaj:

232,959324 m/min

- gradul de solicitare a motorului:

7,225824106 N/ms

n sfrit, utiliznd datele din tabelul 3.6, se verific dimensiunile de gabarit ale motorului:

Tabelul 3.6: Coeficienii dimensiunilor de gabarit

CoeficientulMAC semirapide

n patru timpiMAC lente

n doi timpi

CL2,02,92,43,7

CH6,08,55,67,5

CE2,02,51,01,2

CB4,36,33,45,0

Lungimea:

Lmot = CLDcalci = 2,1232,95932416 = 7827,433286 mm

nlimea de la axa de rotaie:

H = CHS = 7,2270,232816 = 1945,676275 mm

Adncimea de la axa de rotaie:

E = CES = 2,2270,232816 = 594,512195 mm

Limea:

B = CBS = 5,1270,232816 = 1378,187361 mm

Fig. 3.6 Diagrama indicat a ciclului de funcionare

_1054985528.unknown

_1055012433.unknown

_1055576184.unknown

_1055584916.unknown

_1892378709.unknown

_1892382103.unknown

_1892382260.unknown

_1892382315.unknown

_1892382011.unknown

_1055585605.unknown

_1055616364.xlsDiagram2

66940.320273566200067047.802063621967406.466490152567239.62231

66976.069178315867047.802063621967406.466490152567239.6223167047.802063621967406.466490152567239.62231

67011.9356209688

67047.8020636219

67083.6685062749

67119.534948928

67155.4013915811

67191.2678342341

67227.1342768872

67263.0007195403

67298.8671621933

67334.7336048464

67370.6000474995

67406.4664901525

67442.3329328056

Iam2

Iam1

Iam"z"

Iam = f(T)

Tz [K]

Iam [kJ]

pj,nc,nd

0.00104711776.812409130.00620.605266461.80850359

0.00125.658997550.00660.555889001.66949252

0.001421711311.899030000.0070.513103381.54843872

0.00183.258751798.799069530.00740.475724041.44218399

0.00222.479853516.806888620.00780.442828011.34825799

0.00261.975481765.497144700.00820.413686861.26470240

0.0031.625847604.577555020.00860.387718651.18994605

0.00341.371167173.900279750.0090.364453301.12271469

0.00381.178528403.382994630.00920.353711511.09158717

0.00421.028433772.976440460.00940.343507271.06196465

0.00460.908654782.649447600.00960.333803081.03374462

0.0050.811163472.381389300.00980.324564771.00683349

0.00540.730488422.158105050.010.315761130.98114565

0.00580.662782161.969570790.01256541190.231400000.73258874

Ms-Md

1.3624.019204444423.93506551940.0841389251.2730.793851851929.82050295430.9733488975

1.3723.370036756823.9965685781-0.62653182141.2829.694071428629.7685163676-0.074444939

1.36123.952669252123.94114728030.01152197181.27929.800501792129.77366419710.0268375951

1.36223.886501657523.9472441725-0.06074251511.279229.779154727829.77263373360.0065209942

1.361123.946036001123.9417562880.00427971311.279329.768492660229.7721186702-0.00362601

1.361223.93940642323.942365447-0.0029590241.2792629.772756570929.77232468210.0004318889

1.3611523.942720753123.94206084860.00065990461.2792729.771690478729.7722731774-0.0005826987

1.3611623.942057813723.9421217652-0.00006395151.27926429.772330124929.77230408010.0000260448

1.36115923.94212410623.94211567350.00000843251.27926529.772223515329.7722989296-0.0000754143

1.3611623.942057813723.9421217652-0.00006395151.279264229.772308802929.772303050.0000057529

1.361159123.942117476823.94211628270.00000119411.279264329.772298141929.7723025349-0.000004393

1.361159223.942110847523.9421168918-0.00000604431.2792642529.772303472429.77230279250.00000068

1.3611591123.942116813823.94211634360.00000047021.2792642629.772302406329.772302741-0.0000003346

Date

Rrond =8314.3400000000231400

0.04000000000.0125654119

20.49137418681.3611591163

0.002656180411899029.998

376.19822354580.0014217113

e =12.00000000001.2792642581

23.0650213900

0.0020602330

2108.3481815600

1.3577379169

Presiunea se va introduce n Pascal

Date pt. diagrama

0.001047117711.899029997611.899029997606.8124091296

0.001047117711.211.899029997606.8124091296

0.001047117710.511.89902999760.00016.8124091296

0.00104711779.511.89902999760.00026.8124091296

0.00104711778.511.89902999760.00036.8124091296

0.0010471177811.89902999760.00046.8124091296

0.00104711777.511.89902999760.00056.8124091296

0.0010471177711.89902999760.00066.8124091296

0.00104711776.812409129611.89902999760.00076.8124091296

0.001056.786967551811.89902999760.00086.8124091296

0.001086.531647383811.89902999760.00096.8124091296

0.00116.37053270611.89902999760.0016.8124091296

0.001155.996507230911.89902999760.00116.8124091296

0.00125.658997545311.89902999760.00126.8124091296

0.001255.353130523711.89902999760.00136.8124091296

0.00135.074844596811.89902999760.00146.8124091296

0.001315.022187089611.89902999760.00156.8124091296

0.001324.970470204911.89902999760.00166.8124091296

0.001334.919670203811.8990299976

0.001344.86976411911.8990299976

0.001354.820729724211.8990299976

0.001364.772545504611.8990299976

0.001374.725190629811.8990299976

0.001384.678644926611.8990299976

0.001394.632888853911.8990299976

0.00144.587903478611.8990299976

0.00142171134.492800448511.8990299976

0.0014254.478692810711.8639110763

0.0014284.465890500211.8320358179

0.001434.457390847311.8108703024

0.001444.415310302411.7060470469

0.001454.373914135511.6028699236

0.001484.253676857111.3028513022

0.00154.176664181711.1104202739

0.00163.825410144610.2299695969

0.001653.66849158449.835089234

0.00173.52241182399.4665704826

0.00183.25875179198.7990695266

0.00222.47985350946.8068886211

0.00261.97548176335.4971447015

0.0031.62584760284.5775550224

0.00341.37116717333.9002797544

0.00381.17852839973.3829946315

0.00421.02843376592.9764404644

0.00460.90865478092.6494476046

0.0050.81116347492.3813892957

0.00540.73048842312.1581050519

0.00580.66278215591.9695707928

0.00620.60526645981.8085035866

0.00660.55588900141.6694925159

0.0070.51310338421.5484387247

0.00740.47572404281.4421839902

0.00780.4428280061.3482579852

0.00820.41368685821.2647023958

0.00860.38771865221.1899460542

0.0090.36445330221.1227146904

0.00920.35371151071.0915871668

0.00940.34350726861.0619646477

0.00960.33380307791.0337446168

0.00980.32456476541.0068334852

0.010.31576112750.9811456508

0.01050.29547222090.9217789158

0.0110.27734263240.8685229532

0.01150.26105934580.8205119403

0.0120.24636578270.7770335041

0.01256541190.23140.7325887375

0.01256541190.250.7325887375

0.01256541190.30.7325887375

0.01256541190.40.7325887375

0.01256541190.50.7325887375

0.01256541190.60.7325887375

0.01256541190.70.7325887375

0.01256541190.750.7325887375

0.01256541190.73258873750.7325887375

Diagrama indicata

11.211.30285130226.81240912960.26105934580.820511940311.899029997611.8990299976

10.511.11042027396.81240912960.24636578270.777033504111.211.8990299976

9.510.22996959696.81240912960.23140.732588737511.8990299976

8.59.8350892346.81240912960.250.732588737511.8990299976

89.46657048266.81240912960.30.732588737511.8990299976

7.58.79906952666.81240912960.40.732588737511.8990299976

76.80688862116.81240912960.50.732588737511.8990299976

6.81240912965.49714470156.81240912960.60.732588737511.8990299976

6.78696755184.57755502246.81240912960.70.732588737511.8990299976

6.53164738383.90027975446.81240912960.750.732588737511.8990299976

6.3705327063.38299463156.81240912960.73258873750.732588737511.8990299976

5.99650723092.97644046446.812409129611.8990299976

5.65899754532.64944760466.812409129611.8990299976

5.35313052372.38138929576.812409129611.8990299976

5.07484459682.15810505196.812409129611.8990299976

5.02218708961.96957079286.812409129611.8990299976

4.97047020491.80850358666.812409129611.8990299976

4.91967020381.66949251596.812409129611.8990299976

4.8697641191.548438724711.8990299976

4.82072972421.442183990211.8990299976

4.77254550461.348257985211.8990299976

4.72519062981.264702395811.8990299976

4.67864492661.189946054211.8990299976

4.63288885391.122714690411.8990299976

4.58790347861.091587166811.8990299976

4.49280044851.061964647711.8990299976

4.47869281071.033744616811.8990299976

4.46589050021.006833485211.8639110763

4.45739084730.981145650811.8320358179

4.41531030240.921778915811.8108703024

4.37391413550.868522953211.7060470469

4.25367685710.820511940311.6028699236

4.176664181711.3028513022

3.8254101446

3.6684915844

3.5224118239

3.2587517919

2.4798535094

1.9754817633

1.6258476028

1.3711671733

1.1785283997

1.0284337659

0.9086547809

0.8111634749

0.7304884231

0.6627821559

0.6052664598

0.5558890014

0.5131033842

0.4757240428

0.442828006

0.4136868582

0.3877186522

0.3644533022

0.3537115107

0.3435072686

0.3338030779

0.3245647654

0.3157611275

0.2954722209

0.2773426324

0.2610593458

Scara:kp = 6,25 x 10-2 MPa/mmkv = 8,1 x 10-5 m3/mm

Comprimare

Destindere

Inceput comprimare

Final destindere

Ardere1

Ardere2

V [m3]

p [MPa]

Foaie4

3749575.1007003909575.1007003909831.2006119209712.48182354379.360

3759600.71069154509575.10070039509831.20061192509712.48182354379.369600

3769626.320682691009575.100700391009831.200611921009712.48182354379.369650

3779651.930673851509575.100700391509831.200611921509712.48182354379.369700

3789677.540665002009575.100700392009831.200611922009712.48182354379.369712.48182354

3799703.150656162509575.100700392509831.200611922509712.48182354

3809728.760647313009575.100700393009831.200611923009712.48182354

3819754.370638463509575.100700393509831.200611923509712.48182354

3829779.980629623749575.100700393849831.20061192379.369712.48182354

3839805.59062077

3849831.20061192

1.3227.0216050023.7037819715

1.3326.2027684823.7594658486

1.3425.4320988223.8165507532

1.3524.7054674323.8750719355

1.3624.0192044423.9350655328

1.3723.3700367623.9965685917

1.3822.7550357924.0596190909

1.361159110.00000000

1.3611591115.00000000

1.3611591123.94211630

158134387.12371

158234412.40468

158334437.68566

158434462.96663

158534488.2476

158634513.52857

158734538.80955

158834564.09052

158934589.37149

159034614.65247

159134639.93344

15810

158115000

158134387.123712

15910

159115000

159134639.933437

034387.123712

70034387.123712

158134387.123712

034639.933437034531.9379791586.7281920

80034639.93343775034531.9379791586.72819215000

159134639.9334371586.72819234531.9379791586.72819234531.937979

210066940.32027

210166976.06918

210267011.93562

210367047.80206

210467083.66851

210567119.53495

210667155.40139

210767191.26783

210867227.13428

210967263.00072

211067298.86716

211167334.73360

211267370.60005

211367406.46649

211467442.33293

21030.00000

210367047.80206

21130

211367406.46649067047.80206

210367047.80206

2108.3481810

2108.34818167239.62231067406.46649

211367406.46649

067239.62231

2108.34818167239.62231

Foaie4

9575.10070038569575.10070038569831.20061192479712.481823540

9600.71069153959575.10070038569831.20061192479712.481823549600

9626.32068269349575.10070038569831.20061192479712.481823549650

9651.93067384739575.10070038569831.20061192479712.481823549700

9677.54066500129575.10070038569831.20061192479712.481823549712.48182354

9703.15065615519575.10070038569831.20061192479712.48182354

9728.7606473099575.10070038569831.20061192479712.48182354

9754.3706384639575.10070038569831.20061192479712.48182354

9779.98062961699575.10070038569831.20061192479712.48182354

9805.5906207708

9831.2006119247

Iam2

Iam1

Iam = f(T)

Iam"a"

Ta [K]

Iam [kJ]

27.02160523.70378197150

26.202768484823.759465848615

25.432098823523.816550753223.9421163

24.705467428623.8750719355

24.019204444423.9350655328

23.370036756823.9965685917

22.755035789524.0596190909

MS=f(nc)

MD=f(nc)

MS;MD [kJ/kmol*grd]

Uam2

Uam1

Uam"y"

Ty [K]

Uam [kJ]

1581

1591

1586.728192

1582

1581

1591

700

800

750

1586.728192

1583

1581

1591

1581

1591

1586.728192

1584

1585

1586

1587

1588

1589

1590

1591

34387.12371

34387.123712

34639.933437

34531.937979

34412.40468

15000

34387.123712

34639.933437

34531.937979

15000

34437.68566

34387.123712

34639.933437

34387.123712

34639.933437

34531.937979

34462.96663

34488.2476

34513.52857

34538.80955

34564.09052

34589.37149

34614.65247

34639.93344

Iam2

Iam1

Iam"z"

Iam = f(T)

Tz [K]

Iam [kJ]

_1055616701.xlsDiagram3

34387.123710034387.12371234639.93343734531.9379790

34412.40468150001500034387.12371234639.93343734531.93797915000

34437.6856634387.12371234639.93343734387.12371234639.93343734531.93797934531.937979

34462.96663

34488.2476

34513.52857

34538.80955

34564.09052

34589.37149

34614.65247

34639.93344

Uam2

Uam1

Uam"y"

Uam = f(T)