Calculul termic propriu-zis

Calculul termic propriu-zis

Procesele ce se succed în motoarele cu ardere internă reale sunt procese gazodinamice si termodinamice complexe, însotite de schimburi rapide de căldură, masă, lucru mecanic cu mediul exterior si de asemenea de fenomene fizice si chimice ce acompaniază modificările 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 referinTă

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

temperatura aerului ambiant:

presiunea mediului ambiant:

umiditatea mediului ambiant:

temperatura apei la intrarea în răcitorul 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 :

număr cilindri :

coeficientul excesului de aer : reprezintă raportul dintre cantitatea molară reală de aer disponibilă pentru ardere si cantitatea molară de aer teoretică, necesară arderii. Pentru cazul de fată reprezintă raportul dintre cantitatea molară reală de aer L care revine la 1 kg de combustibil si cantitatea molară teoretică de aer necesară 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 molară de gaze arse reziduale si cea de încărcătură proaspătă introdusă 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 suflantă (sau compresor) a încărcăturii proaspete :

presiunea în colectorul de evacuare :

coeficientul de scădere 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 căldurii : si sunt definiti ca fiind raportul dintre cantitatea de căldură utilizată pentru producerea lucrului mecanic exterior sI cresterea energiei interne a fluidului motor si cantitatea de căldură degajată prin arderea combustibilului. Avem doi astfel de coeficienti, câte unul asociat fiecărui tip de ardere izocoră sau izobară:

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

raportul cursă/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 : aproximează diagrama indicată reală care diferă de cea teoretică prin ariile pierdute la racordările 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 elementară a combustibilului

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

carbon :

hidrogen :

oxigen :

sulf :

apă :

cenusă : cenusă

sedimente : sedimente

puterea calorica specifică inferioară :

2.1.2.4. Date referitoare la agregatul de supraalimentare

răcirea intermediară aerului de supraalimentare în răcitor : reprezintă căderea de temperatură pe răcitorul aerului de SA, ce utilizează drept agent de răcire apa de mare :

exponentul politropic al comprimării în suflantă : comprimarea aerului este considerată o transformare politropică al cărei exponent este:

căderea de presiune in răcitorul aerului de supraalimentare : aferentă pierderilor hidrodinamice:

2.1.2.5. Date referitore la traseul de admisie

încălzirea încărcăturii 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 suflantă

temperatura după răcitorul aerului de supraalimentare :

   

temperatura aerului la intrarea în cilindru

   

2.1.3.3. Temperatura de admisie(calcul detaliat)

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

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

produsele arderii

   

   

cantitatea molară 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 rezultă :

Ecuatia de bilant poate fi scrisă 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 considerată drept un proces adiabatic,care se desfăsoară pe întreaga durată a cursei pistonului,adică corespunde unei variatii de volum egală cu volumul util al cilindrului.

În realitate, la motorul cu ardere internă, comprimarea se desfăsoară în conditiile unei variatii continue a temperaturii amestecului proaspăt si a existentei unui schimb de căldură între amestecul carburant, peretii cilindrului si ai camerei de ardere, precum si a scăpării unei părti din amestecul carburant prin neetanseităti.

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

schimbul de căldură variabil dintre încărcătură si pereti, care variază atât în mărime cât si ca sens;

micsorarea continuă a suprafetei de răcire pe măsura apropierii pistonului de p.m.i.

scăpările partiale ale încărcăturii prin neetanseitătile segmentilor de piston;

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

Datorită acestora procesul comprimării se desfăsoară politropic. Exponentul politropic al comprimării procesului real este valabil de-a lungul întregii linii de compresiune.

Pentru trasarea politropei de comprimare trebuie să se stabilească valoarea exponentului de comprimare , care exprimă 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 comprimării

CALCULUL PROCESULUI DE ARDERE

Combustibilul lichid este injectat, cu avans fată de p.m.i., prin orificiile calibrate ale pulverizatorului montat la o extremitate a injectorului, la o presiune mare si o viteză relativă (fată de aer) ridicată, sub formă de jet. Datorită acestei viteze mari, jetul se dezintegrează în picături de combustibil, care, împreună cu miscările aerului în cilindru, conduc la o dispersie a jetului, la amplificarea foarte mare a suprafetei de contact fază lichidă-fază gazoasă si deci a vitezei de vaporizare, simultan cu dirijarea combustibilului.

Calculul efectuat în continuare schematizează arderea reală folosind o transformare izocoră si una izobară neglijând schimbul de căldură cu mediul extern si netinând cont de fenomenele gazodinamice ce se desfăsoară în cilindru.

2.1.5.1. Calculul parametrilor la începutul injectiei

volumul fluidului motor în momentul declansării injectiei

presiunea fluidului motor în momentul declansării injectiei

temperatura fluidului motor în momentul declansării injectiei

întârzierea la autoaprindere

unghiul perioadei de întârziere la autoaprindere

unghiul corespunzător duratei totale a injectiei

2.1.5.2. Arderea la volum constant

cantitatea de combustibil arsă la volum constant

cantitătile 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 izocoră, prin prelucrări 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 izocoră

2.1.5.3. Arderea la presiune constantă

cantitatea de combustibil arsă la presiune constant

cantitătile 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 izobară,prin prelucrări 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 preliminară :

   

2.1.6. Calculul procesului de destindere

Ca si în cazul procesului de comprimare, destinderea ar putea fi considerată, teoretic, ca un proces adiabatic. În realitate, datorită faptului că temperatura gazelor

este permanent superioară celei a peretilor cilindrului, procesul de destindere se desfăsoară în conditiile unei cedări permanenete de căldură către acestia.

La începutul destinderii, diferenta mentionată de temperatură este mai mare, suprafata de schimb de căldură fiind însă mai redusă; odată cu deplasarea pistonului spre p.m.e., se ajunge la cresterea suprafetei laterale de schimb de căldură si la reducerea temperaturii gazelor.

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

se desfăsoară politropic. Exponentul politropic al destinderii, , este variabil pe întreaga durată a procesului.   

2.1.6.1. Determinarea exponentului politropic mediu de destindere

Determinarea parametrilor fluidului motor la finele procesului de destindere se determină, 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 căldură între gazele de ardere si peretii cilindrului si nu există scăpări de gaze prin neetanseităti.

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 indicată

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 indicată la diferite unghiuri de avans la injectie,rezultatele obtinute fiind prezentate sub forma tabelară: