Studiul Functionarii Economice A Motorului Diesel Naval DE Propulsie Pentru O Nava Cargou DE 8600 Tdw

=== 4.8.BILANTUL ENERGETIC AL MOTORULUI ===

CAPITOLUL 4

BILANȚUL ENERGETIC AL MOTORULUI

Considerații generale

Dat fiind faptul că, în cazul motoarelor cu ardere internă, se lucrează cu energie sub aspect termic, bilanțul energetic al acestora este denumit în mod obișnuit, bilanț termic.

Prin bilanțul termic se înțelege repartiția căldurii disponibile Qdis între lucrul mecanic efectiv și diferitele pierderi (fig. 4.1). Ecuația de bilanț termic este:

Qdis = Qe + Qrp + Qge + Qrăc + Qin,

unde:

Qe este căldura transformată în lucru mecanic efectiv (Qe = Le [kJ]);

Qrp este căldura consumată pentru învingerea rezistențelor proprii (Qrp = Lrp [kJ]);

Qge este căldura preluată de gazele de evacuare;

Qrăc este căldura preluată de fluidul de răcire;

Qin este căldura conținută în gazele de evacuare la arderea incompletă (energia chimică din gazele combustibile, CO și H2).

Bilanțul termic dă o imagine completă a repartizării căldurii introduse în motor, după diferitele pierderi, caracterizând totodată economicitatea funcționării motorului.

Bilanțul termic se determină, de obicei, pe cale experimentală, pentru starea termică stabilizată a motorului.

Bilanțul termic se exprimă în unități de

măsură diferite: Fig. 4.1 Ilustrarea bilanțului termic

dacă se referă la căldura consumată pe ciclu, rezultă

, în kJ/ciclu (kcal/ciclu);

dacă se referă la consumul de combustibil Ch, rezultă

, în kJ/h (kcal/h);

când se efectuează calculul ciclului pentru kg combustibil,

, în kJ/kg (kcal/kgf);

uneori, bilanțul se exprimă în procente sau fracțiuni din Qdis.

Întrucât este cel mai facil, voi preciza fiecare termen din bilanț pentru cazul , urmând ca după aceea să exprim acest termen în procente.

determinarea componentelor bilanțului termic

Căldura transformată în lucru mecanic efectiv

Aceasta se determină cu ajutorul relației:

[kJ/kg],

în care: e – randamentul efectiv al motorului;

Qi – puterea calorifică inferioară a combustibilului.

Utilizând valorile obținute în cap. 3, rezultă:

Qe = 0,411160·42477,115 = 17464,8906 kJ/kg.

Procentual,

%.

Căldura consumată pentru învingerea rezistențelor proprii

Lucrul mecanic indicat se poate scrie ca fiind suma dintre căldura transformată în lucru mecanic efectiv și căldura consumată pentru învingerea rezistențelor proprii, adică:

Li = Qe + Qrp.

Întrucât

Li = i·Qi,

se poate scrie

Qe + Qrp = i·Li,

iar termenul Qrp devine:

Qrp = (i e)·Qi [kJ/kg], adică

Qrp = (0,456844 0,411160)·42477,115 = 1940,524522 kJ/kg.

În procente,

%

Căldura preluată de gazele de evacuare

Căldura preluată de gazele evacuare reprezintă diferența dintre entalpia gazelor de evacuare și entalpia fluidului proaspăt, adică:

[kJ/kg]

în care: g.a. – cantitatea de gaze rezultate în urma arderii, în [kmol/kg comb.];

L – cantitatea reală de aer utilizată pentru arderea cantității de un kilogram de

combustibil, în [kmoli aer/kg comb];

ige – entalpia gazelor de evacuare, în [kJ/kmol];

ifp – entalpia fluidului proaspăt, în [kJ/kmol].

Pentru determinarea entalpiilor se vor utiliza relațiile:

,

unde: Tge – temperatura gazelor la ieșirea din turbină, [K];

TS – temperatura aerului la ieșirea din suflanta agregatului de supraalimentare,

[K];

Cpge – căldura specifică molară, calculată pentru amestecul de gaze de ardere la

temperatura Tge, [kJ/kmol·grd];

Cpfp – căldura specifică molară, calculată pentru fluidul proaspăt, la

temperatura TS, în [kJ/kmol·grd].

Căldura specifică molară, fiind funcție de temperatură, se calculează cu relația generală:

C = a + b·T [kJ/kmol·K],

în care a și b sunt coeficienții căldurii specifice medii și au valorile precizate în tabelul 3.2.

Pentru calculul lui Cpge se vor utiliza coeficienții a’am și b’am calculați în § 3.7, deoarece în compoziția fluidului motor intră gazele rezultate în urma arderii unui kilogram de combustibil, dar și gazele arse reziduale. Valoarea temperaturii gazelor la ieșirea din turbină, după cum s-a precizat în § 2.3.4, are valoarea Tge = 723,15 K. Așadar,

Cpge = 23,065021 + 0,002060·723,15 = 24,55471 kJ/kmol·K.

Rezultă entalpia gazelor de evacuare:

ige = 24,55471·723,15 = 17756,73854 kJ/kmol.

Pentru calculul lui Cpfp se vor utiliza coeficienții aam și bam determinați în § 3.4, avându-se în vedere și participația gazelor arse reziduale. Conform § 3.3, TS = 384,646152 K. Deci,

Cpfp = 20,491374 + 0,002656·384,646152 = 21,512994 kJ/kmol·K

Rezultă entalpia fluidului proaspăt:

ifp = 21,512994·384,646152 = 8274,89036 kJ/kmol·K.

Conform calculelor efectuate în § 3.3, pentru g.a. și L s-au obținut valorile:

g.a. = 0,878334 kmoli g.a./kg

L = 0,84477 kmoli aer/kg

Rezultă astfel valoarea căldurii preluate de gazele de evacuare:

Qge = 0,878334·17756,73854 0,84477·8274,89036 = 8605,968059 kJ/kg.

Procentual,

%

Căldura conținută de gazele de evacuare la arderea incompletă

Căldura Qin este diferența Qin = Qi Qin.

Când arderea este incompletă căldura degajată Qin este mai mică, întrucât în produsele de ardere apare CO și H2. Qin se determină cu relația:

Qin = Qi 1200·( 1)·Lt.

Rezultă:

Qin = 1200·( 1)·Lt [kJ/kg],

unde reprezintă coeficientul de exces de aer și are valoarea = 1,7, iar Lt reprezintă cantitatea de aer necesară arderii complete a unui kilogram de combustibil și are valoarea determinată în § 3.3, Lt = 0,49692 kmoli aer/kg.

Deci,

Qin = 1200·(1,7 1)·0,49692 = 417,4128 kJ/kg

În procente:

%

Căldura preluată de fluidul de răcire

Acest termen se calculează prin diferența:

Qrăc = Qdis (Qe + Qrp + Qge + Qin) [kJ/kg]

Qrăc = 42477,115 (17464,8906 + 1940,524522 + 8605,968059 + 417,4128) =

= 13866,31902 kJ/kg

Procentual:

qrăc = 100 (qe + qrp + qge + qin) = 100 (41,11 + 4,56 + 20,26 + 0,98) =

= 33,09 %

Fig. 4.2 Reprezentarea grafică a bilanțului energetic

precizări

Bilanțul termic precizează mărimea pierderilor de căldură, ceea ce dă posibilitatea să se stabilească direcțiile în care trebuie acționat pentru perfecționarea motorului.

O ilustrare grafică a distribuției căldurii în motor se obține prin intermediul diagramei de flux termic (fig. 4.2) care reprezintă mărimea termenilor din bilanțul termic.

În secțiunea I – I se citesc pierderile definite de ecuația bilanțului termic ca mărimi independente. În realitate, au loc schimbări între diferitele pierderi, iar în secțiunea II – II se citesc pierderile de căldură redistribuite. Astfel, căldura Q1 care reprezintă frecarea dintre piston, segmenți și cilindru ( 0,5·Qrp = 970,262261 kJ/kg) trece în căldura preluată de sistemul de răcire. O parte din căldura Qge și anume Q2 trece de asemenea în sistemul de răcire prin contactul dintre gaze și conducte. Motorul cedează căldură direct mediului ambiant, prin radiație și ventilație, care reprezintă o fracțiune din Qrp (căldura preluată de uleiul de ungere Q3 se transmite mediului prin ventilație), o fracțiune din Qge (căldura pierdută prin radiație Q4) și o fracțiune din căldură preluată de sistemul de răcire Q5 (prin ventilație).

Ecuația bilanțului termic devine:

Qdis = Qe + Q*ge + Q*răc + Qin + Qrez,

unde Q*răc este căldura preluată de sistemul de răcire,

Q*răc = Qrăc + Q1 + Q2 Q5,

iar Qrez – termenul rezidual:

Qrez = Q3 + Q4 + Q5.

Cu excepția lui Q1, termenii Q2 și Q5 se evaluează greu, astfel că, la proiectare, se evaluează Qrez, se admite că Q*ge = Qge, iar căldura preluată de sistemul de răcire rezultă din ecuația bilanțului termic corectată, tot prin diferență.

Fig. 4.2 Diagrama de flux termic