BILANS, BILANS CIEPLY, Bilans cieplny silnika jest to zestawienie rozdziału ciepła dostarczonego do silnika na pracę użyteczną i poszczególne straty

WYŻSZA SZKOŁA

MORSKA

W SZCZECINIE

WYDZIAŁ MECHANICZNY

LABORATORIUM- ITESO

IVMAb mgr

Sławomir

Kołakowski

Temat ćwiczenia: Bilans energetyczny zewnętrzny silnika

Data wyk .ćw

Data oddania ćw:

Ocena:

Podpis asystenta

Podpis Kier.Zakł.

Bilans cieplny silnika jest to zestawienie rozdziału ciepła dostarczonego do silnika na pracę użyteczną i poszczególne straty. Podział łącznych strat na straty składowe pozwala określić wpływ poszczególnych czynników na pracę silników w różnych warunkach i ustalić środki prowadzące do poprawienia wyników:

Postać bilansu cieplnego zależy od : tego, w jakim stadium procesu silnikowego zostanie on sporządzony. Na przykład straty chłodzenia wyznaczone jako ciepło unoszone przez wodę chłodzącą różnią się od strat chłodzenia określonych ilością ciepła odprowadzonego od czynnika roboczego przez ścianki cylindra. Woda chłodząca unosi bowiem dodatkowo. ciepło odprowadzone od spalin przez ścianki kanałów wylotowych w głowicy lub kadłubie (w dwusuwie) oraz część ciepła powstającego w wyniku tarcia, które woda odbiera również bezpośrednio przez ścianki cylindra i za pośrednictwem oleju. W praktyce spotyka się dwa rodzaje bilansów cieplnych: zewnętrzny i wewnętrzny.

Zewnętrzny bilans cieplny (bilans cieplny całego silnika) opiera się na pomiarach energii mechanicznej oraz energii cieplnej oddawanej przez, silnik, na zewnątrz. Tę postać bilansu spotyka się najczęściej, ponieważ jego sporządzenie nie nastręcza większych trudności. Ogólne równanie bilansu. zewnętrznego ma postać:

Q=Q_e+Q_ch+Q_w+Q_n+Q_r

Gdzie:

Q- ciepło dostarczone do silnika J/h

Q_e- ciepło efektywne J/h

Q_ch- straty chłodzenia J/h

Q_w- strata wylotowa J/h

Q_n- straty niezupełnego i niecałkowitego spalania J/h

Q_r-reszta bilansu J/h

0x08 graphic
Do graficznego przedstawiania bilansu cieplnego, służy wykres zwany wykresem Sankeya: wykres ,taki pokazano na rysunku 1 w postaci obrazującej wyraźnie drogi, którymi energia dostarczona w paliwie, jest przekazana zewnątrz silnika.

Rys. 1

Wykres Sankeya obrazujący bilans cieplny silnika.

Bilans cieplny silnika.

Ciepło dosarczone.

Gdzie

G_e- godzinowe zużycie paliwa

W- wartość opałowa paliwa w=40800 kJ/kg

W [kJ/kg]	Qd= [kJ/h]
42,1	1717680
75,3	3072240
80,8	3296640
47,4	1933920

Ciepło efektywne Q_e=3600N_e

Gdzie:

M_o- moment obrotowy

n- 720 obr/min

M_o [N/m]	N_e kW	Q_e [kJ/h]	%
2163	136	586800	34,2
4330	326	1123600	38,2
4596	347	1249200	37,9
2654	200	720000	37,2

Ciepło chłodzenia.

Gdzie:

G- natężenie przepływu czynnika chłodniczego kg/h

C=4,19 kJ/kgK

t₁- temp wylotu, t₂-temp dolotu

Powietrze doładowujące						Chłodnica oleju
Dolot ^oC	Odlot ^oC	T₂-t₁^oC	G kg/h	Q_chkJ/h	%	Dolot ^oC	Odlot ^oC	T₂-t₁^oC	G kg/h	Q_chkJ/h	%
25,5	29,4	3,9	10000	171790	10	24,1	26,6	2,5	10000	104750	6,1
26	32	6	12000	301680	9,8	24,5	26,5	2,1	15000	131985	4,3
26	36	10	10000	419000	12,8	26,7	29	2,3	18000	173493	5,3
26,6	36,6	9	6000	226260	11,6	26,3	28,2	1,9	13000	103493	5,4

Chłodnica wody bloku cylindrowego						S Q_ch
Dolot ^oC	Odlot ^oC	T₂-t₁^oC	G kg/h	Q_chkJ/h	%	%
34	44,7	10,7	10000	448330	26,1	42,2
31	42,9	11,9	16000	797776	26	40,1
31,4	41,6	10,2	20000	854760	25,9	44
37	47,2	10,2	12000	512856	26,5	43,5

Strata wylotu.

Skład paliwa		Spaliny
C	0,85	N_ox ppm	CO ppm	CO₂ ppm	O₂ ppm	HC ppm		T_ot ^oC	T_sp _{za spr}^oC
H	0,137	421	331	3,2	16,7	5	4,9	20	355
S	0,003	892	73	5,1	14	6	3,06	20	417
O	0,005	1128		6,2	12,6	10	2,51	20	434
γ	0,852	1072	33	5,4	13,6	7	2,85	20	385

Liczba Moliera
Ilość niespalonego węgla

Ilość spalin suchych

Ilość spalin mokrych

M'₂	M₂	M'₂/ M₂
1,9	2	0,96
1,3	1,4	0,94
1,1	1,2	0,93
1,3	1,4	0,94

Udziały poszczególnych składników spalin

C_pi [kJ/K_mol^oC]	Skład
46,52	CO₂
30,25	CO
31,05	NO
31,83	O₂
36,03	H₂O

UCO₂	UO₂	UNO	UCO	UH₂O
0,03	0,16	0,0004	0,0003	0,03
0,06	0,13	0,0008	0,00007	0,05
0,06	0,12	0,001	0,00008	0,06
0,05	0,13	0,0008	0,00003	0,05
Pomnożone przez C_pi					
1,5	5,2	0,02	0,00093	1,08	7,7
8,9	4,2	0,03	0,0021	1,8	8,9
2,9	3,9	0,03	0,0024	2,2	8,9
2,4	4,2	0,03	0,0009	1,8	8,4

0x08 graphic

Q_w [kJ/h]	%
245014	14,2
350375,2	11,5
323676	10
211344	11

Strata niezupełnego spalania

Q_n [kJ/h]	%
123952,4	7,2
87631,4	2,8
140094,9	4,3
27673,1	1,5

Strata resztkowa

Q_F %	Q_R %
97,8	2,2
92,6	7,4
96,2	3,8
93,2	6,8

Ocena dokładności wyników.

Pomiary emisji i spalin silników okrętowych, których celem jest wyznaczenie wartości wskaźników emisji, muszą być prowadzone z zachowaniem odpowiednich zasad zapewniających określoną dokładność ostatecznego wyniku. Zbiór tych zasad powinien określać wszystkie składniki niezbędnych dokładności pomiarów oraz obliczeń mających bezpośredni związek z wartością wskaźnika emisji. Ponieważ obecnie nie istnieją oficjalne unormowania polskie oraz międzynarodowe dotyczące tego zagadnienia, dla potrzeb prowadzonych pomiarów można posłużyć się częściowo, normami międzynarodowymi, przepisami amerykańskimi wraz z uzupełnieniem nowymi zasadami zawartymi w projekcie IM~ (aneks VI, konwencji Marpol 73/78). Pewnym utrudnieniem na etapie budowy stanowiska było określenie prawidłowych zakresów pomiarowych przyrządów (dobór przetworników), gdyż nie dysponowano odpowiednimi i pewnymi danymi. Ponadto wartości niektórych mierzonych wielkości zmieniają się w bardzo szerokim przedziale przy zmianach prędkości obrotowej i obciążenia silnika, co utrudnia zachowanie zalecanej dokładności pomiaru. Wymagania najbardziej istotne, dotyczące oznaczania stężeń składników spalin, można przedstawić następująco:

zakresy pomiarowe analizatorów spalin powinny zostać dobrane w sposób umożliwiający pomiar L największą dokładnością. Całkowity błąd pomiaru, zawierający w sobie czułość na inne składniki spalin (oprócz mierzonego), nie powinien przekraczać ±5% aktualnego odczytu lub maksymalnie ±3,5% najwyższej wartości zakresu.

Dla stężeń objętościowych niższych od 100 ppm, błąd pomiaru nie pomiarowego, powinien przekraczać ±4 ppm.

przy tak dobranych zakresach pomiarowych analizatorów, zalecane jest aby aktualne odczyty wartości stężeń przypadały (w całym zakresie obciążeń i prędkości obrotowej silnika), w przedziale 15 : 100% całkowitego zakresu pomiarowego. W przypadku wykorzystania cyfrowego zapisu danych z analizatora, stężenia mogą być niższe od 15 % całkowitego zakresu pomiarowego.

- Wszystkie analizatory powinny być przystosowane do prowadzenia ciągłego pomiaru w czasie trwania cyklu testowego silnika. Jest zalecane, aby zapis danych pomiarowych z analizatorów był prowadzony w sposób ciągły, z pięciosekundowym okresem próbkowania.

- Powtarzalność wskazań analizatora nie powinna być większa niż ± 1 % pełnej wartości zakresu pomiarowego, dla zakresów powyżej 155 ppm. Dla zakresów poniżej 155 ppm powtarzalność nie większa niż ±2%. Powtarzalność wskazań oznacza w tym kontekście 2,5-krotne odchylenie standardowe 10 powtórzeń wskazań kalibracji (początku lub końca zakresu).

Dodatkowe wymagania dotyczą konkretnych typów analizatorów oraz sposobu ich sprawdzania i kalibracji.