Conducător proiect: Studen t: Ș.l dr. ing. Stoica Virgil Henț Bogdan Ciprian Anul 4 2019 -2020 Monitorizarea energiei disipate de sistemul de răcire… [608292]

Universitatea Politehnica din Timișoara
Facultatea de inginerie mecanică, ingineria autovehiculelor

SISTEME DE COMANDĂ ȘI
CONTROL PENTRU
AUTOVEHICULE RUTIERE
– PROIECT –

Conducător proiect: Studen t:
Ș.l dr. ing. Stoica Virgil Henț Bogdan Ciprian
Anul 4

2019 -2020

Monitorizarea energiei disipate de sistemul de răcire al unui m.a.i

2

1. Introducere

Ținând cont că în ziua de astăzi toate motoarele de pe autoturismele actuale sunt
dotate cu sistem de răcire cu lichid, în cadrul acestui proiect mă voi rezuma strict la acestă
soluție de răcire.
Transferul de căldură reprezintă schimbul de energie datorat diferenței de
temperatur ă. Există trei modalități de schimb de energie sub formă de căldură, si anume:
conducție, convecție și radiație. În cazul sistemului de răcire al unui motor cu ardere internă,
fluxul de căldură care se evacuează este suma a doua componente : fluxul prin convec ție și
fluxul prin radiație . [1]
Întrucât calculul energiei cedate prin sistemul de răcire ținând cont de convecție și
radiație este imposibil deoarece acest calcul necesită cunoașterea unor parametri greu de
estimat sau stabilit pentru o soluție deja implementată, cum ar fi aria suprafeței de schimb de
căldură, grosimea peretelui schimbătorului de căldură și chiar materialul din care este facut,
mă voi rezuma la un calcul mai simplu. Căldura cedată în exterior prin radiatorul motorului
se va determina cu următoarea relație:

𝑄̇= 𝑚̇𝑙𝑟∗𝑐𝑙𝑟∗(𝑡𝑖−𝑡𝑒) [kW]

unde:

– 𝑡𝑒,𝑡𝑖 – temperatura de ie șire, respectiv de intrare al lichidului de răcire;
( considerăm lichidul de răcire ca fiind apă )
– 𝑐𝑙𝑟 = 4.185 kJ/kg*K este căldura specifică a apei ;
– 𝑚̇𝑙𝑟 – debitul masic de lichid de răcire ;

2. Solu ția propusă

2.1. Descrierea aparaturii

Pentru implementarea acestui sistem de monitorizare a energiei disipate de sistemul
de răcire al motoarelor cu ardere internă este nevoie de doi senzori de temperatur ă ( unul

Monitorizarea energiei disipate de sistemul de răcire al unui m.a.i

3
pentru monitorizarea temperturii la intrarea în schimbătorul de căldură, iar al doi -lea pentru
monitorizarea temperaturii la ieșire din schimbătorul de căldură ), un debitmetru, o placă de
dezvoltare și fire de legătură.
Termistorii sunt semiconductori a c ăror rezistența variază mult cu temperatura.
Astfel măsurarea temperaturii se face indirect fie măsurând rezistența termistorului, fie
căderea de tensiune pe termistor in cazul in care aceasta este c onectata într -o punte. Cea de
a doua variantă este utilizată pe autoturisme. [2]
Debitmetrul mecanic ( debitmetrul cu turbină ) – funcționarea acestuia se bazează pe
existența unei turbine dispusă excentric intr -o vână de fluid. Viteza de rotație a turbine i este
direct proporțională cu cantitatea de fluid ce trece prin suprafața respectiv ă. Aceasta măsoară
un debit volumic. Transformarea debitului volumic in debit masic se face cu următoarea
relație:
𝑚𝑙𝑟̇ =𝑉̇𝑙𝑟∗𝜌𝑙𝑟 [kg/s]
unde:

– 𝑉̇𝑙𝑟 – debitul vo lumic al lichidului de răcire ;
– 𝜌𝑙𝑟 – densitatea lichidului de r ăcire ; ( în cazul de față, 𝜌𝑙𝑟=1000kg/m3 sau 1kg/l )

Termistorii sunt conectați la placa de dezvoltare ( am ales pentru acest proiect placa
de dezvoltare Arduino Uno ) prin intermediul a doua rezistențe R1 respectiv R2 , achiziția
datelor făcându -se pe portul analogic A0 pentru temperatura lichidului la i eșirea din
schimbătorul de căldură, și pe portul A1 pentru temperatur a lichidului la i ntrarea în
schimbătorul de căldură , iar achiziția datelor privind debitul de lichid se face pe portul
analogic A2.

Fig. 2.1. – termistor [ 3] Fig. 2.2 – debitmetru [ 4]

Monitorizarea energiei disipate de sistemul de răcire al unui m.a.i

4

Fig 2.3. Schema de ansamblu a instalației

Fig 2.4. Schema logică a algoritmului
De
Declarare variabile
START
Citește temperatura la intrare
Citește temperatura la intrare
De
Citește debit
𝑄̇= 𝑚̇𝑙𝑟∗𝑐𝑙𝑟∗(𝑡𝑖−𝑡𝑒)
De
Afișază temperatura intrare
De
Afișază temperatura ie șire
De
Afișază debit
De
Afișază căldura cedat ă

Monitorizarea energiei disipate de sistemul de răcire al unui m.a.i

5
Am considerat că ar fi util ca pe lângă afișarea energiei cedate sub formă de căldură,
să fie afișate în timp real atât temperaturile ( la intrare și la ieșire din schimbătorul de
căldură ) cât și debitul de lichid de răcire vehiculat în instalație.

2.2. Codu rile utilizat e în cadrul proiectului

Calibrarea termistorilor si a debitmetrului se face separat, utilizând programe
diferite. Astel avem:

2.2.1. Calibrarea termistorului aferent monitorizării temperaturii la ieșire

const int ThIesire = A0; // se setează intrarea analogic la care este conectat termistorul
pentru măsurarea temperaturii la ieșire
int ValDigitalaTempIesire = 0 ; // se defi nește variabila căreia i se atribuie valorile obținute
în urma conversiei analogic numeric a temperaturii la ieșire
void setup() {
Serial.begin(9600); // se inițializează portul serial, pentru monitorizare a valorilor citite
respectiv calculate
}

void loop() {
ValDigitalaTempIesire = analogRead(ThIesire); //se citește portul analogic aferent
temperaturii la iesire
Serial.print("Senzor iesire = ");
Serial.print(ValDigitalaTempIesire); //se scrie pe portul serial valoarea citita pentru
temperatura la iesire
Serial.println(" ");
delay(200); //așteptăm 200 ms
}

2.2.2. Calibrarea termistorului aferent monitorizării temperaturii la i ntrare

const int ThI ntrare = A1; // se setează intrarea analogic la care este conectat termistorul
pentru măsurarea temperaturii la intrare
int ValDigitalaTempI ntrare = 0; // se definește variab ila căreia i se atribuie valorile
obținute în urma conversiei analogic numeric a temperaturii la intrare
void setup() {
Serial.begin(9600); // se inițializează portul serial, pentru monitorizarea valorilor citite
respectiv calculate
}

Monitorizarea energiei disipate de sistemul de răcire al unui m.a.i

6

void loop() {
ValDigitalaTempI ntrare = analogRead(ThI ntrare ); //se citește portul analogic aferent
temperaturii la i ntrare
Serial.print("Senzor intrare = ");
Serial.print(ValDigitalaTempI ntrare ); //se scrie pe portul serial valoarea citita pentru
temperatura la i ntrare
Serial.println(" ");
delay(200); //așteptăm 200 ms
}

2.2.3. Calibrarea debitmetrului

const int ValDebit = A2; // se setează intrarea analogic la care este conectat termistorul
pentru măsurarea debitului
int ValDigitalaDebit = 0; // se definește variabila căreia i se atribuie valorile obținute in
urma conversiei analogic numeric a debitului
void setup() {
Serial.begin(9600); // se inițializează portul seria l, pentru monitorizarea valorilor
citite respectiv calculate
}

void loop() {
ValDigitalaDebit = analogRead( ValDebit ); //se citește portul analogic afe rent
temperaturii la iesire
Serial.print("Senzor debit = ");
Serial.print(ValDigitalaDebit); //se scrie pe portul serial valoarea citita pentru
temperatura la iesire
Serial.print(" ");
delay(200); //așteptăm 200 ms
}

2.2.4. Codul principal

După ce senzorii au fost calibrați, în codul principal se introduce direct relația de
legătură dintre valoarea obținută în urma conversiei analogic numerice și valoarea reală .
Obiectivul programului este de a afișa pe ecran temperatura la intrare, respectiv la ieșirea
din schimbătorul de căldură, si căldura cedată în exter ior.

Monitorizarea energiei disipate de sistemul de răcire al unui m.a.i

7
const int ThIesire = A0; // se setează intrarea analogic la care este conectat termistorul
pentru măsurarea temperaturii la ieșire
int ThIntrare = A1; // se setează intrarea analogic la care este conectat termistorul pentru
măsurarea temperaturii la intrare
int ValDebit = A2; // se setează intrarea analogic la c are este conectat debitmetrul
int ValDigitalaTempIesire = 0; // se definește variabila căreia i se atribuie valorile
obținute in urma conversiei analogic numeric a
temperaturii la ieșire
int ValDigitalaTempIntrare = 0; // se definește variabila căreia i se atribuie valorile
obținute in urma conversiei analogic numeric a
temperaturii la intrare
int ValDigitalaDebit = 0; // se definește variabila căreia i se atribuie valori le
obținute in urma conversiei analogic numeric a debitului
double TempIesire=0; // se definește variabila căreia i se atribuie valorile reale ale
temperaturii la iesire
double TempIntrare=0; // se definește variabila căreia i se atribuie valorile reale ale
temperaturii la intrare
double DebitVol=0; // se definește variabila căreia i se atribuie valorile reale ale debitului
volumic
double DebitMas=0; // se definește variabila căreia i se atribuie debitului masic
double Qcedat=0; // se definește variabila căreia i se atribuie căldurii cedate

void setup() {
Serial.begin(9600); // se inițializează portul serial, pentru monitorizarea
valorilor citite respectiv calculate
}

void loop() {

ValDigitalaTempIesire = analogRead(ThIesire); //se citește portul analogic aferent
temperaturii la iesire
ValDigitalaTempIntrare = analogRead(ThIntrare); //se citește p ortul analogic aferent
temperaturii la intrare
ValDigitalaDebit = analogRead(ValDebit); //se citește portul analogic aferent
debitului

//introduceti formula pentru conversia valori digitale a temperaturi la iesire in valoare
reala a temperaturii
TempIesire=ValDigitalaTempIesire *……… ;

//introduceti formula pentru conversia valori digitale a temperaturi la intrare in valoare
reala a temperaturii

Monitorizarea energiei disipate de sistemul de răcire al unui m.a.i

8
TempIntrare=ValDigitalaTempIntrare* ………. ;

//introduceti formula pentru conversia valori digitale a debitului in valoare reala
DebitVol=ValDigitalaDebit* ………. ;

DebitMas=DebitVol*1*60; //debitul volumic este redat în l/min, iar densitatea apei este
de 1kg/l
Qcedat=DebitMas*4.185*(TempIntrare -TempIesire); //se calculează valoarea căldurii
cedate
Serial.print("Temperatura la intrare = "); //se scrie pe portul serial valoarea reală a
temperaturii la intrare
Serial.print(TempIntrare);
Serial.print("grade Celsius ");
Serial.println(" ");
Serial.print("Temperatura la ieșire = "); //se scrie pe portul serial valoarea reală a
temperaturii la ieșire
Serial.print(TempIesire);
Serial.print("grade Celsius ");
Serial.println(" ");
Serial.print("Debitul masic = "); //se scrie pe portul serial valoarea debitul ui masic
Serial.print(DebitMas);
Serial.print("kg/s ");
Serial.println(" ");
Serial.print("Căldura cedată = "); //se scrie pe portul serial valoarea căldurii cedate
Serial.print(Qcedat);
Serial.print("kW");
Serial.println(" ");

delay(200); //așteptăm 200 ms
}

Monitorizarea energiei disipate de sistemul de răcire al unui m.a.i

9

Bibliografie

[1] Berthold Grunwald – „Teoria, calculul și construcția motoarelor
pentru autovehicule rutiere ”;
[2] Virgil Stoica – Referate lucrări de laborator SCCAR – Politehnica
Timi șoara;
[3] https://www.joom.com/ro/products/1511320767616596328 -187-1-26193 –
2223297374 ;
[4] https://www.sigmanortec.ro/Senzor -debitmetru -lichid -p126265949 ;
[5] arduino.cc