Calculul termic propriu-zis

Calculul termic propriu-zis

Procesele ce se succed în motoarele cu ardere internã reale sunt procese gazodinamice si termodinamice complexe, însotite de schimburi rapide de cãldurã, masã, lucru mecanic cu mediul exterior si de asemenea de fenomene fizice si chimice ce acompaniazã modificãrile calitative si cantitative ale fluidului de lucru (formarea amestecului carburant dintre aer si combustibil si arderea în timp a acestuia).

procese de schimbare a gazelor (evacuarea si umplerea);

procesul de comprimare;

procesul de ardere;

procesul de destindere;

2.1.1. Conditii de referinTã

Pentru calculul motoarelor navale in conformitate si cu recomandãrile A.N.R în tara noastrã se folosesc conditiile standard I.S.O. pentru zone tropicale :

temperatura aerului ambiant:

presiunea mediului ambiant:

umiditatea mediului ambiant:

temperatura apei la intrarea în rãcitorul aerului de supraalimentare:

2.1.2. Parametri de calcul

Efectuarea calculului termic al unui motor cu ardere prin comprimare presupune alegerea unor parametri initiali din datele statistice furnizate de literatura de specialitate în domeniu si în conformitate cu conditiile de exploatare ale motorului.

2.1.2.1. Date generale referitoare la motor

tipul motorului : motor diesel lent (timpi) supraalimentare medie, cuplat cu elicea cu pas fix prin intermediul unui reductor inversor alimentat cu combustibil greu

puterea motorului :

turatia :

numãr cilindri :

coeficientul excesului de aer : reprezintã raportul dintre cantitatea molarã realã de aer disponibilã pentru ardere si cantitatea molarã de aer teoreticã, necesarã arderii. Pentru cazul de fatã reprezintã raportul dintre cantitatea molarã realã de aer L care revine la 1 kg de combustibil si cantitatea molarã teoreticã de aer necesarã arderii acestuia :

raportul de comprimare : este raportul dintre volumul maxim si volumul minim ocupat de fluidul motor în cilindru:

avansul la injectie : unghiul la care începe injectia combustibilului înainte de punctul mort interior:

coeficientul gazelor arse reziduale : este raportul dintre cantitatea molarã de gaze arse reziduale si cea de încãrcãturã proaspãtã introdusã în cilindru L :

temperatura gazelor arse reziduale : depinde de tipul motorului, de raportul de

comprimare si coeficientul excesului de aer :

presiunea aerului de supraalimentare : este presiunea la iesirea din suflantã (sau compresor) a încãrcãturii proaspete :

presiunea în colectorul de evacuare :

coeficientul de scãdere a presiunii la admisie : acest coeficient este definit ca fiind raportul dintre presiunea la sfârsitul procesului de schimb de gaze si presiunea aerului de supraalimentare:

coeficientii de utilizare a cãldurii : si sunt definiti ca fiind raportul dintre cantitatea de cãldurã utilizatã pentru producerea lucrului mecanic exterior sI cresterea energiei interne a fluidului motor si cantitatea de cãldurã degajatã prin arderea combustibilului. Avem doi astfel de coeficienti, câte unul asociat fiecãrui tip de ardere izocorã sau izobarã:

coeficientul de alungire al bielei : reprezintã raportul dintre lungimea manivelei si lungimea bielei :

raportul cursã/diametru : care se alege functie de tipul si destinatia motorului influentând dimensiunile de gabarit ale motorului:

randamentul mecanic : este parametrul definit prin raportul dintre lucrul mecanic efectiv si cel indicat:

coeficientul de plenitudine al diagramei indicate : aproximeazã diagrama indicatã realã care diferã de cea teoreticã prin ariile pierdute la racordãrile de la procesele de schimb de gaze si ardere. Coeficientul de plenitudine este definit de raportul dintre lucrul mecanic indicat real si cel obtinut cu ciclul ales pentru motorul analizat:

2.1.2.3. Analiza elementarã a combustibilului

Combustibilul utilizat de motoarele navale este de tipul combustibil greu sau usor, o clasificare a sortimentelor utilizate fiind realizatã de standardele ISO 8217:1987 sau BS MA 100:1989 sau CIMAC. Compozitia procentualã este reprezentatã de:

carbon :

hidrogen :

oxigen :

sulf :

apã :

cenusã : cenusã

sedimente : sedimente

puterea calorica specificã inferioarã :

2.1.2.4. Date referitoare la agregatul de supraalimentare

rãcirea intermediarã aerului de supraalimentare în rãcitor : reprezintã cãderea de temperaturã pe rãcitorul aerului de SA, ce utilizeazã drept agent de rãcire apa de mare :

exponentul politropic al comprimãrii în suflantã : comprimarea aerului este consideratã o transformare politropicã al cãrei exponent este:

cãderea de presiune in rãcitorul aerului de supraalimentare : aferentã pierderilor hidrodinamice:

2.1.2.5. Date referitore la traseul de admisie

încãlzirea încãrcãturii proaspete în contact cu motorul

2.1.3. Calculul procesului de admisie

2.1.3.1. Presiunea de admisie

   

2.1.3.2. Temperatura de admisie(calcul simplificat)

unde:

temperatura aerului la iesirea din suflantã

temperatura dupã rãcitorul aerului de supraalimentare :

   

temperatura aerului la intrarea în cilindru

   

2.1.3.3. Temperatura de admisie(calcul detaliat)

cantitatea de oxigen necesarã arderii complete a 1 kg. de combustibil

cantitatea de aer necesarã arderii complete a 1 kg. de combustibil

produsele arderii

   

   

cantitatea molarã de produse ale arderii este :

participatiile volumice ale produselor arderii

   

   

Verificare : ++++=1

cantitatea de gaze arse reziduale

   

compozitia gazelor arse reziduale

   

Verificare : ++++=0.026379

masa amestecului la sfârsitul admisiei

constanta amestecului la sfârsitul admisiei

calculul temperaturii de admisie

Din ecuatia de bilant energetic rezultã :

Ecuatia de bilant poate fi scrisã sub forma unei ecuatii de gradul doi :

Coeficientii ecuatiei sunt :

Solutia ecuatiei este temperatura de admisie :

Temperatura de admisie este :

volumul amestecului la sfârsitul admisiei

Presiunea aerului la iesirea din RA :

coeficientul de umplere

2.1.4. CALCULUL PROCESULUI DE COMPRIMARE

În conditiile ciclului teoretic,comprimarea este consideratã drept un proces adiabatic,care se desfãsoarã pe întreaga duratã a cursei pistonului,adicã corespunde unei variatii de volum egalã cu volumul util al cilindrului.

În realitate, la motorul cu ardere internã, comprimarea se desfãsoarã în conditiile unei variatii continue a temperaturii amestecului proaspãt si a existentei unui schimb de cãldurã între amestecul carburant, peretii cilindrului si ai camerei de ardere, precum si a scãpãrii unei pãrti din amestecul carburant prin neetanseitãti.

Comprimarea încãrcãturii proaspete în cilindrul motorului reprezintã un proces complex care depinde de o serie de factori si anume:

schimbul de cãldurã variabil dintre încãrcãturã si pereti, care variazã atât în mãrime cât si ca sens;

micsorarea continuã a suprafetei de rãcire pe mãsura apropierii pistonului de p.m.i.

scãpãrile partiale ale încãrcãturii prin neetanseitãtile segmentilor de piston;

injectarea si evaporarea unei pãrti a combustibilului în cilindru înainte de terminarea procesului de comprimare.

Datoritã acestora procesul comprimãrii se desfãsoarã politropic. Exponentul politropic al comprimãrii procesului real este valabil de-a lungul întregii linii de compresiune.

Pentru trasarea politropei de comprimare trebuie sã se stabileascã valoarea exponentului de comprimare , care exprimã volumul specific, din ecuatia curbei reprezentative a procesului :

2.1.4.1. Determinarea exponentului politropic mediu de comprimare

din ecuatia primului principiu se obtine o ecuatie de tip transcendent :

coeficientii si sunt estimati cu relatiile :

Given

Deci

2.1.4.2. Parametrii amestecului la sfârsitul comprimãrii

CALCULUL PROCESULUI DE ARDERE

Combustibilul lichid este injectat, cu avans fatã de p.m.i., prin orificiile calibrate ale pulverizatorului montat la o extremitate a injectorului, la o presiune mare si o vitezã relativã (fatã de aer) ridicatã, sub formã de jet. Datoritã acestei viteze mari, jetul se dezintegreazã în picãturi de combustibil, care, împreunã cu miscãrile aerului în cilindru, conduc la o dispersie a jetului, la amplificarea foarte mare a suprafetei de contact fazã lichidã-fazã gazoasã si deci a vitezei de vaporizare, simultan cu dirijarea combustibilului.

Calculul efectuat în continuare schematizeazã arderea realã folosind o transformare izocorã si una izobarã neglijând schimbul de cãldurã cu mediul extern si netinând cont de fenomenele gazodinamice ce se desfãsoarã în cilindru.

2.1.5.1. Calculul parametrilor la începutul injectiei

volumul fluidului motor în momentul declansãrii injectiei

presiunea fluidului motor în momentul declansãrii injectiei

temperatura fluidului motor în momentul declansãrii injectiei

întârzierea la autoaprindere

unghiul perioadei de întârziere la autoaprindere

unghiul corespunzãtor duratei totale a injectiei

2.1.5.2. Arderea la volum constant

cantitatea de combustibil arsã la volum constant

cantitãtile de gaze la sfârsitul arderii izocore

   

masa fluidului motor la sfârsitul arderii izocore :

constanta amestecului la sfârsitul arderii izocore

calculul temperaturii amestecului la sfârsitul arderii izocore

Din ecuatia primului principiu pentru arderea izocorã, prin prelucrãri succesive se obtine ecuatia de gradul doi :

. solutia ecuatiei este temperatura în starea y :

volumul la sfârsitul arderii izocore

presiunea fluidului motor la sfîrsitul arderii izobare

coeficientul de crestere a presiunii la arderea izocorã

2.1.5.3. Arderea la presiune constantã

cantitatea de combustibil arsã la presiune constant

cantitãtile de gaze la sfârsitul arderii izobare :

masa fluidului motor la sfârsitul arderii izobare :

constanta amestecului la sfârsitul arderii izobare

calculul temperaturii amestecului la sfârsitul arderii izobare :

Din ecuatia primului principiu pentru arderea izobarã,prin prelucrãri succesive se obtine ecuatia de gradul doi :

Temperatura în starea z este:

presiunea la sfârsitul arderii izobare :

   

volumul fluidului motor la sfârsitul arderii izobare

coeficientul de destindere preliminarã :

   

2.1.6. Calculul procesului de destindere

Ca si în cazul procesului de comprimare, destinderea ar putea fi consideratã, teoretic, ca un proces adiabatic. În realitate, datoritã faptului cã temperatura gazelor

este permanent superioarã celei a peretilor cilindrului, procesul de destindere se desfãsoarã în conditiile unei cedãri permanenete de cãldurã cãtre acestia.

La începutul destinderii, diferenta mentionatã de temperaturã este mai mare, suprafata de schimb de cãldurã fiind însã mai redusã; odatã cu deplasarea pistonului spre p.m.e., se ajunge la cresterea suprafetei laterale de schimb de cãldurã si la reducerea temperaturii gazelor.

Datoritã fenomenului anterior, evolutia de destindere, ca si cea de comprimare

se desfãsoarã politropic. Exponentul politropic al destinderii, , este variabil pe întreaga duratã a procesului.   

2.1.6.1. Determinarea exponentului politropic mediu de destindere

Determinarea parametrilor fluidului motor la finele procesului de destindere se determinã, pentru cazul simplificat, util calcului ciclului termic al motorului, prin adoptarea unor ipoteze simplificatoare, cum ar fi: arderea se sfârseste în punctul z, deci nu avem postardere; de asemenea, în timpul destinderii nu intervine schimb de cãldurã între gazele de ardere si peretii cilindrului si nu existã scãpãri de gaze prin neetanseitãti.

Din ecuatia primului principiu se obtine o ecuatie de tip transcendent :

Coeficientii si sunt estimati cu relatiile :

Given

2.1.6.2. Parametrii amestecului la sfârsitul destinderii

   

2.1.8. PARAMETRII INDICATI AI MOTORULUI

2.1.8.1. Presiunea medie indicatã

2.1.10.6. Lucrul mecanic dezvoltat de motor

   

2.2. Variatia presiunii medii indicate cu unghiul de avans la injectie.

S-a calculat presiunea medie indicatã la diferite unghiuri de avans la injectie,rezultatele obtinute fiind prezentate sub forma tabelarã: