21. BILANTUL TERMIC AL UNUI MOTOR DIESEL IN PATRU TIMPI

21.1 Notiuni generale

Bilantul termic al unui motor exprima modul de repartitie a energiei termice (caldurii disponibile), intre energia echivalenta lucrului mecanic efectiv si diferitele pierderi care apar (fig.21.1).



Fig. 21.1 Schema fluxurilor de caldura intrate si iesite dintr-un motor cu ardere interna cu piston.

Din analiza termenilor bilantului termic, rezulta daca energia termica este utilizata eficient, corespunzator mersului economic al motorului, contribuind la gasirea si indepartarea cauzelor care duc la folosirea neeconomicoasa a energiei termice. Bilantul termic este util în calcule de dimensionare a suprafetelor de racire, calculul instalatiei pentru recuperarea gazelor evacuate, etc.

Ecuatia bilantului termic se scrie pe baza ecuatiei conservarii energiei, sub forma:

[kW] (21.1)

unde:

este fluxul de energie termica obtinut prin arderea combustibilului consumat de motor (energie disponibila), in kW;
- energia termica transformata in energie mecanica efectiva (lucru mecanic efectiv), in kW;
- fluxul termic cedat fluidului de racire, in kW;
- fluxul termic pierdut prin gazele de ardere, prin evacuare, in kW;
- fluxul termic pierdut datorita arderii chimice incomplete, in kW;
- restul bilantului termic, in kW.

Fluxul termic, dezvoltat prin arderea combustibilului in cilindrii motorului, se determina cu relatia:

(21.2)

unde:

Ch este consumul de combustibil, in kg/s;

Qi - caldura de ardere inferioara a combustibilului, in kJ/kg.

Fluxul termic , echivalent lucrului mecanic efectiv este:

[kW] (21.3)

unde:

Pe este puterea efectiva a motorului, in kW.

Raportul:

[-] (21.4)

reprezinta randamentul efectiv al motorului.

Fluxul termic pierdut prin fluidul de racire, la motoarele racite cu lichid se determina prin masurarea debitului apei de racire in kg/s, si a temperaturii acestuia la intrare si iesire din motor, in ºC, obtinandu-se:

[W] (21.5)

unde:

este debitul apei de racire, in kg/s;

- caldura specifica medie a apei, in kJ/(kgK);

- temperaturile apei la intrare, respectiv la iesire din

motor, in ºC.

Fluxul termic pierdut prin gazele evacuate se determina facand diferenta dintre entalpia gazelor arse evacuate si entalpia incarcaturii proaspete care intra in motor; aceasta deoarece la umplerea cilindrului incarcatura proaspata poseda o entalpie care nu intra in primul membru al ecuatiei bilantului termic:

[kW] (21.6)

unde:
este debitul gazelor evacuate în kg/s;
- debitul de aer în kg/s;

- caldurile specifice ale gazelor evacuate si aerului, in kJ/(kg.K) ;

- temperatura gazelor in racordul de evacuare, in ºC;

- temperatura aerului la admisie, in ºC.

Admitand ca , rezulta:

[kW] (21.7)

Debitul de gaze se determina din relatia:

[kg/s] (21.8)

unde:

S este aria sectiunii tevii de evacuare, in m2;

w - viteza gazelor in teava de evacuare, in m/s;

r - densitatea gazelor evacuate, in kg/m3.

Viteza gazelor se obtine, masurand presiunea dinamica pd, cu ajutorul unui tub Pitot, cuplat cu un micromanometru, din relatia:

[m/s] (21.9)

unde: pd este presiunea dinamica, in N/m2.

Densitatea trebuie adusa la conditiile de lucru.

Fluxul termic pierdut datorita arderii chimice incomplete, se determina prin analiza gazelor evacuate si determinarea pe aceasta cale a componentilor care mai contin energie chimica. Arderea incompleta poate avea loc nu numai pentru un coeficient al excesului de aer < 1 ci si in cazul cand l ³ 1, din cauza imperfectiunii amestecului si a arderii:

[kW] (21.10)

unde:

Vi este cantitatea componentilor nearsi din gazele de evacuare, in m3N/s;

Qiam – caldura de ardere inferioara a componentilor gazosi nearsi din gazele de evacuare, in kJ/m3N.

Restul bilantului termic se determina astfel:

[kW] (21.11)

si cuprinde toate celelalte pierderi care n-au fost luate in considerare, de exemplu energia termica corespunzatoare lucrului mecanic de frecare care nu trece in fluidul de racire, energia consumata pentru punerea in functiune a mecanismelor auxiliare, pierderile in mediul ambiant prin suprafata exterioara a motorului etc.

În tabelul 28.1 se dau valorile orientative pentru fluxurile termice ale bilantului termic ale motoarelor cu ardere interna cu piston.

Tabelul 21.1 Valori orientative pentru fluxurile termice care intra în bilantul termic

Tipul motorului


[ % ]


[ % ]


[ % ]


[ % ]


[ % ]

M.A.S.

21 . . . 29

14 . . . 28

28 . . . 48

1 . . . 40

8 . . . 19

M.A.C.

28 . . . 41

16 . . . 33

24 . . . 44

1 . . . 4

8 . . . 16

21.2 Descrierea instalatiei

Marimile necesare elaborarii bilantului termic la un anumit regim de functionare al motorului se obtine din masuratori directe, avand motorul montat pe un stand ca in lucrarea nr. 20, completata cu termometre pentru masurarea temperaturii aerului admis in motor, a apei de racire la intrarea si iesirea din motor.

Pe racordul de evacuare a apei de racire se monteaza un robinet cu trei cai care permite colectarea apei de racire consumata in timpul masurarii si cantaririi acesteia. Instalatia este prevazuta cu un tub Pitot-Prandtl cu ajutorul caruia se masoara presiunea dinamica a gazelor in racordul de evacuare. La teava de evacuare se monteaza un racord pentru captarea gazelor arse in vederea determinarii compozitiei chimice a acestora.

21.3 Mersul lucrarii

Dupa intrarea motorului in regim normal de functionare se determina consumul orar de combustibil si puterea efectiva a motorului cu relatiile:

[kW]
si
Ch = [ kg/h ].

Se citeste din trei in trei minute temperatura apei de racire la iesirea si intrarea in motor, precum si temperatura gazelor evacuate si a aerului, facandu-se o medie pentru temperaturi (la intrare si la iesire) atat pentru apa cat si pentru gaze - respectiv aer, determinandu-se astfel temperaturile

te, ti, tge si ta . Caracteristicile de ardere a unor combustibili sunt trecute in tabelul 21.2.

Tabelul 21.2 Marimile caracteristice ale unor combustibili

Combustibilul

Omin
[ kmol/kg ]

Lmin
[ kmol/kg ]

Qi
[ kJ/kg ]

Benzina

0,1065

0,5073

43524

Motorina

0,1043

0,4966

41850

Petrol

0,1058

0,4038

43105

Din analiza chimica a gazelor rezulta compozitia acestora. Din tabele se iau caldurile specifice ale componentilor si se determina caldura specifica medie cu relatia:

[J/(kg.grd)] (21.12)

unde:

gi sunt participatiile masice ale componentelor gazelor;

ci - caldurile specifice ale componentelor gazelor arse, in J/(kg× K).

Se masoara presiunea dinamica a gazelor in racordul de evacuare si cu relatia (21.9) se va calcula viteza acestora. Se masoara sectiunea racordului de evacuare si cu relatia (21.8) se determina debitul gazelor evacuate.

21.4 Interpretarea rezultatelor

Cu valorile determinate experimental se completeaza tabelul 21.3, in care se introduc si marimile determinate analitic.

Tabelul 21.3 Rezultatele masuratorilor si calculelor

M a r i m e a

Simbol

U.M.

I n c e r c a r i

     

1

2

3

4

5

6

7

8

Consumul orar de combustibil

Ch

kg/h

               

Puterea efectiva

Pe

kW

               

Durata masurarii

t

s

               

Temperatura apei de racire la intrare

ti

ºC

               

Debitul apei de racire

Dapa

kg/s

               

Temperatura gazelor evacuate

tge

ºC

               

Temperatura aerului la admisie

ta

ºC

               

Caldura specifica medie a gazelor arse

cpg

J/(kg.K)

               

Presiunea dinamica a gazelor arse

pd

N/m2

               

Viteza gazelor evacuate

w

m/s

               

Aria sectiunii conductei de evacuare

S

m2

               

Debitul gazelor arse

kg/s

               

Fluxul termic disponibil

kW

               

Fluxul termic util

kW

               

Randamentul efectiv

h e

%

               

Fluxul termic pierdut prin apa de racire

kW

               

Fluxul termic pierdut prin gazele evacuate

kW

               

Fluxul termic pierdut prin ardere incompleta.

kW

               

Restul bilantului termic

kW

               

 

 

 

Fig. 21.2 Diagrama fluxurilor de caldura iesite din conturul de bilant termic al unui motor.

La intocmirea referatului, pe baza rezultatelor masuratorilor si a calculelor se va intocmi schema grafica a bilantului termic, ca in figura 21.2.

Se indica de asemenea masurile propuse pentru reducerea pierderilor de energie termica.