ΜΕΚ: συναλλαγή θερμότητας με τα τοιχώματα του θαλάμου καύσης

[AlexisPap]

Υπάρχει κάποια απλοποιημένη και γενική παράσταση (τύπος) που να εκφράζει τις απώλειες θερμότητας μέσω των τοιχωμάτων του θαλάμου καύσης ΜΕΚ ως συνάρτηση της διάρκειας του χρόνου εκτόνωσης, της διαδρομής και της διαμέτρου του κυλίνδρου, του λόγου συμπίεσης και της θερμοκρασίας στο ΑΝΣ ή της θερμογόνου δύναμης του καυσίμου;

 

Στόχος (μεταξύ των άλλων) της ερώτησης:

Πως επηρεάζουν οι απώλειες θερμότητας τον βαθμό απόδοσης σε συνάρτηση με την ταχύτητα περιστροφής της ΜΕΚ.

[CostasV]

Πως επηρεάζουν οι απώλειες θερμότητας τον βαθμό απόδοσης σε συνάρτηση με την ταχύτητα περιστροφής της ΜΕΚ.

 

Εστω δηλαδή ότι έχουμε έναν κινητήρα (βενζίνης ή πετρελαίου θα δούμε αργότερα), που δουλεύει υπό σταθερό φορτίο (όχι σταθερή ροπή) και με σταθερές στροφές.

Αυτός ο κινητήρας δίνει στο σύστημα ψύξης, μία σταθερή παροχή θερμότητας, έστω X kW.

 

To ερώτημα είναι (αν καταλαβαίνω καλά): Αν αυξήσουμε τις στροφές (διατηρώντας το φορτίο σταθερό, άρα μειώνοντας την ροπή), το ποσό Χ θα αυξηθεί ή θα ελλατωθεί;

 

Καταλαβαίνω σωστά το ερώτημα;

[kosmas85]

Αυτό που γνωρίζω ειναι οτι ο θερμικός ισολογισμός βρίσκεται με μια διαδικασία που ονομάζεται Morse Test.

 

Τα αποτελέσματα είναι :

 

Ένα διάγραμμα κατανάλωσης και ισχύος = (2πΝΤ = 2π * στρεπτική ροπή * RPM)

 

και με τα παρακάτω έχουμε τον θερμικό ισολογισμό,

Ταχύτητα μηχανής

Όγκος σάρωσης κυλίνδρου

Θερμαντική ικανότητα καύσιμου

Κυκλοφορία νερού καύσιμου + θερμοκρασίες εισόδου εξόδου

Θερμική ενέργεια στα καυσαέρια

Φορτία κτλ

 

Επομένως δε βλέπω να υπάρχει κάτι πιο εξειδικευμένο και απλουστευμένο ειδικότερα.

Και μάλλον δεν είναι δυνατό να απομονώσουμε τις συγκεκριμένες απώλειες.

[AlexisPap]

Πράγματι, μόνο που το Χ το ζητάμε ανηγμένο στην καταναλισκόμενη ισχύ (ενέργεια καυσίμου στην μονάδα του χρόνου) ώστε να είναι συγκρίσιμο με τον βαθμό απόδοσης.

 

Δηλαδή ζητούμενο είναι ο λόγος "απώλειες θερμότητας κατά την φάση εκτόνωσης"/"συνολική θερμότητα τέλειας καύσης ενός κύκλου".

Ή, διαφορετικά, η απώλεια απόδοσης λόγω μη αδιαβατικότητας του χρόνου εκτόνωσης, εκπεφρασμένη ως συνάρτηση των σαλ, Tmax κλπ.

 

Η μέτρηση ωστόσο της θερμότητας στο σύστημα ψύξης δεν μου φαίνεται αντιπροσωπευτική διότι περιέχει και την θερμότητα λόγω συμπίεσης και τριβών, την θερμότητα που απορροφούν τα τοιχώματα του οχετού εξαγωγής, ενώ δεν περιέχει την θερμότητα που διαχέεται από τα τοιχώματα της μηχανής στο περιβάλλον.

[CostasV]

Δηλαδή ζητούμενο είναι ο λόγος "απώλειες θερμότητας κατά την φάση εκτόνωσης"/"συνολική θερμότητα τέλειας καύσης ενός κύκλου".

Ή, διαφορετικά, η απώλεια απόδοσης λόγω μη αδιαβατικότητας του χρόνου εκτόνωσης, εκπεφρασμένη ως συνάρτηση των σαλ, Tmax κλπ.

 

Αν υποθέσουμε ότι η φάση της εκτόνωσης αποτελείται απο πλήθος χρονικών υποπεριόδων (ας πούμε περίπου 4 υποπεριόδους) όπου για κάθε υποπερίοδο, η θερμοκρασία των προϊόντων καύσης παραμένει σταθερή. Τότε με αδιάσταση ανάλυση, μπορεί να υπολογιστεί μία αντιπροσωπευτική σταθερά χρόνου με βάση το σκεπτικό που φαίνεται στο άρθρο αυτό της wikipedia

 

Δεν έχω κάνει τις πράξεις αλλά νομίζω ότι η σταθερά χρόνου (ακόμη και κάθε μίας υποπεριόδου) είναι πολύ μεγαλύτερη από την διάρκεια της κάθε υποπεριόδου εκτόνωσης.

 

Θα χρειαστούν όμως τιμές του συντελεστή συναγωγής ανάμεσα στα καυσαέρια και το τοίχωμα...

 

---------------------------------------------------------------------------

 

 

 

 

Ρϊξε και μια ματιά στον αριθμό Biot. Συγκρίνει την μετάδοση δια συναγωγής (από τα καυσαέρια προς το τοίχωμα του κυλίδρου) με την μετάδοση δια αγωγιμότητας (πόσο δηλαδή μεταβάλεται η θερμοκρασία εντός του τοιχώματος).

 

Αγωγιμότητα χάλυβα: 15 W/(mK)

Συντελεστής συναγωγής : ??? W/(m2K)

Χαρακτηριστικό μήκος: 0.01 m (μέσο πάχος τοιχώματος)

[AlexisPap]

Πολύ ενδιαφέροντα όλα αυτά, τα οποία εξάλλου αγνοούσα.

 

Η αλήθεια είναι ότι ξεκίνησα να κάνω μία εκτίμηση με βάσει τους συντελεστές συναγωγής που χρησιμοποιούνται σε λέβητες...

Σύντομα διαπίστωσα ότι τα αποτελέσματα δεν μπορεί να είναι σωστά, και οι τρεις βασικοί λόγοι φαίνεται πως είναι η μεγάλη πίεση, η ισχυρή τύρβη, η μετάδοση δι' ακτινοβολίας σε υψηλές θερμοκρασίες.

 

Προφανώς το συγκεκριμένο ζήτημα μετάδοσης θερμότητας είναι από μόνο του ένα ειδικό πρόβλημα...

 

Ο Biot δεν με βοηθάει, αφενός γιατί δεν προτίθεμαι να κάνω μετρήσεις (προς Θεού ), αφετέρου διότι με την μέθοδο αυτή δεν μπορεί να γίνει διάκριση μεταξύ των τεσσάρων σταδίων του κύκλου Otto και δεν μπορούν να απομονωθούν τα αποτελέσματα του σταδίου της εκτόνωσης.

 

Επομένως η πρώτη περίπτωση είναι αυτή που θα μπορούσε να προχωρήσει (έστω και με μεγάλο σφάλμα), αρκεί βεβαίως να γνωρίζαμε συντελεστές...

Καθώς η θερμοκρασία και η πίεση πέφτουν ταχέως με την οπισθοδρόμηση του εμβόλου, είναι αναμενόμενο η μεγάλη απώλεια θερμότητας να λαμβάνει χώρα στα πρώτα στάδια της εκτόνωσης. Στην φάση αυτή το έμβολο είναι ακόμη πολύ κοντά στην κεφαλή, οπότε το πρόβλημα είναι με καλή προσέγγιση μονοδιάστατο... Αρκεί βέβαια να αγνοήσουμε τις σημαντικές διαφορές θερμοκρασίας στην επιφάνεια του εμβόλου και στην επιφάνεια της κεφαλής (από 650° στην βαλβίδα εξαγωγής μέχρι 100° στην περίμετρο του θαλάμου καύσης).

 

Πάντως, υποθέτω (βάσιμα θέλω να πιστεύω) ότι αυτός ο προβληματισμός αντιμετωπίστηκε πριν πολλές δεκαετίες (πάνω από αιώνα) και σίγουρα θα υπάρχει μία εμπειρική έκφραση των απωλειών που να μην εμπλέκει το πρόβλημα της μετάδοσης θερμότητας (προφανώς σήμερα θα υπάρχουν και αριθμητικές λύσεις που θα κάνουν χρήση των θεμελιωδών νόμων ρευστομηχανικής - θερμοδυναμικής).

[aiche]

Τι συντελεστές έβαλες;

Εδώ http://130.15.85.212/proceedings/proceedings_WorldCongress/WorldCongress07/articles/sessions/papers/A750.pdf έχει μια συνάρτηση του συντελεστή μεταφοράς αρκετά πολύπλοκη.

 

Aν ξέρεις τις παραμέτρους που επηρεάζουν το φαινόμενο θα μπορούσες να χρησιμοποιήσεις και την μέθοδο της Διαστατικής Ανάλυσης για να αποφύγεις την αριθμητική ολοκλήρωση των διαφορικών εξισώσεων.

Όμως για τον προσδιορισμό των διαφόρων συντελεστών της τελικής εξίσωσης χρειάζονται και πειραματικές μετρήσεις.