Motoare si cazane de abur

  • View
    241

  • Download
    7

Embed Size (px)

Text of Motoare si cazane de abur

  • TERMOTEHNICA 1/2011

    MOTOR TERMIC ROTATIV DE MIC PUTERE

    Nicolae BRAN1, Alin Ovidiu MOTORGA

    1

    1UNIVERSITATEA POLITEHNICA, Bucureti, Romnia.

    Rezumat: n lucrare se prezint soluia constructiv i principiul de funcionare a unui motor termic rotativ care funcioneaz cu abur; se stabilete o relaie original pentru calculul puterii motorului. n funcie de cerinele contractului de cercetare se determin principalele dimensiuni ale motorului rotativ i se precizeaz parametrii de lucru ai agentului termic. Se precizeaz condiiile de funcionare astfel nct motorul s furnizeze la arbore o putere de 10 kW. Cuvinte cheie: rotor profilat, motor rotativ cu abur.

    Abstract: The paper presents the constructive solution and the functioning principle of a steam rotating thermic motor; an original relation for the computation of the motor power is established. According to the requirements of the research contract, the main dimensions of the rotating motor are established and the working parameters of the thermic agent are specified. The functioning conditions are determined in such a way that the motor can deliver to the shaft a power of 10 kW. Keywords: profiled rotor, steam rotating motor.

    1. INTRODUCERE

    Pentru cei care construiesc motoare termice, scopul final este ca randamentul efectiv al motorului s fie ct mai mare.

    Cercetri intense se efectueaz n vederea construirii unor motoare cu piston rotativ, care prin lipsa forelor neechilibrate i a momentelor forelor de inerie, au o perspectiv mai larg de dezvoltare, n comparaie cu motoarele cu piston n micare rectilinie alternativ.

    Atenia cercettorilor se ndreapt spre eliminarea sistemului biel-manivel; apariia unor noi tipuri de motoare termice ca cele cu pistone rotative este evident necesar i n scurt timp ele vor fi n curs de experimentare. Ele pot funciona cu abur livrat de un cazan sau cu gaze de ardere provenite dintr-o camer de ardere.

    Motoarele termice cu piston rotativ, sunt acelea la care organele active reprezentate prin pistoane, efectueaz o micare de rotaie uniform; aceast micare nu este limitat pe poziii de oprire sau de schimbare de sens de micare.

    n funcie de soluia constructiv motoarele termice rotative se pot clasifica astfel: I-Motoare cu piston rotativ propriu-zis; II-Motoare cu piston giratoriu.

    Dup modul de destindere a agentului termic motoarele cu pistoane rotative pot fi cu un singur corp sau cu mai multe corpuri; agentul termic dup

    ce s-a destins n primul corp (presiunea scade de la p1 la px), ptrunde n al doilea corp unde se destinde n continuare (presiunea scade de la px la p2).

    Valoarea lui p2 se alege n funcie de ncadrarea motorului n schema instalaiei de for cu abur: - motor termic cu contrapresiune; - motor termic cu condensaie.

    n prezenta lucrare se prezint soluia constructiv a unui motor termic rotativ care constituie obiectul unui contract de cercetare stiinific.

    Centru Naional de Management Programe (C.N.M.P.) prin programul 4-Parteneriate n domeniile prioritare a ncheiat un accord ferm de colaborare cu C.O. Oskar von Miller Institut de Concepie Cercetare i Proiectare Echipamente Termoenergetice (I.C.C.P.E.T) pentru realizarea proiectului nr.22-093/2008 cu titlul:Instalaie de cogenerare de mic putere compus din cazan de abur pe biomas - main termic cu abur- generator electric.

    n cadrul acestui proiect sunt cuprinse urmtoarele instituii:

    Coordonator:I.C.P.E.T. cu sediul n Bucureti, Calea Rahovei, nr.266-268 sector 5;

    Partener 1:Institutul de Cercetri Electrotehnice (I.C.P.E) cu sediul n Bucureti, Splaiul Unirii, nr.313, sector 3;

  • Nicolae BRAN, Alin Ovidiu MOTORGA

    TERMOTEHNICA 1/2011

    Partener 2:Siemens Program and System Engineering, cu sediul n Braov, str.Colina Universitii;

    Partener 3:Universitatea Politehnica din Bucureti (U.P.B) cu sediul n Splaiul Independenei, nr.313, sector 6 Bucureti;

    Partener 4:S.R.L.Aristocrat cu sediul n Rmnicul Vlcea, str. General Magheru, nr.25, Judeul Vlcea.

    Obiectivul general al proiectului const n realizarea unei instalaii de cogenerare compus dintr-un cazan care arde biomasa i produce abur; aburul acioneaz o main termic care antreneaz un generator electric de putere mic (sub 10 kW); la ieirea din maina termic aburul cedeaz cldura unor consumatori industriali. Deci instalaia de cogenerare produce: - energie electric; - energie termic (cldur livrat sub form de abur).

    n cadrul acestui proiect U.P.B. prin Facultatea de Inginerie Mecanic i Mecatronic s-a angajat n rezolvarea urmtoarelor probleme:

    EtapaI:Studiu privind soluiile tehnice de maini termice cu abur de putere mic (etap predat n anul 2009);

    Etapa II:Proiect tehnic model experimental main cu abur (etap care va fi predat n anul 2010).

    Maina termic acionat de abur este de fapt un motor rotativ care are la baz un brevet de invenie [1]; n lucrare se va evidenia influena parametrilor constructivi i funcionali asupra puterii teoretice a mainii i a debitului de agent termic care acioneaz maina.

    2. SOLUIA CONSTRCTIV I PRINCIPIUL DE FUNCIONARE

    n aceast variant ambele rotoare sunt acionate de ctre agentul termic, ele produc energie mecanic. Cuplul motor M = For bra este maxim pe parcursul a 360. Raportul ntre nlimea pistonului i raza rotorului ct i alte dimensiuni i detalii constructive se stabilesc n funcie de parametrii agentului de lucru i puterea solicitat.

    n figura 1 se prezint principiul de funcionare; astfel agentul termic (abur sau gaze de ardere) ptrunde n motor cu presiune i temperatur mare i apas pistoanele rotative 1 i 3 care se rotesc n dou camere cilindrice (A i B); cei doi rotori (C, D) sunt tangeni i rotirea lor sincron este asigurat

    prin dou roi dinate cu acelai diametru i acelai numr de dini amplasate n exteriorul motorului pe cei doi arbori (E, F).

    Sub aciunea agentului termic cele dou rotoare se rotesc n sens invers (unul singur poate transmite puterea n exteriorul motorului) pistoanele urmrite fiind 1 i 3; ele se rotesc cu 180 (fig.1.b, c); n fig.1.c pistonul 1 deschide canalul de evacuare i presiunea aburului scade brusc. n continuare pistonul 1 ajunge n poziie iniial i ciclul se repet (fig.1).

    Pistoanele de pe rotorul inferior (1, 2) se angreneaz cu golurile 1 i 2 de pe rotorul superior; simultan pistoanele 3 i 4 de pe rotorul superior se angreneaz cu golurile 3 i 4 de pe rotorul inferior.

    Din figura 1 se observ c spre deosebire de mainile cu abur cu piston aici momentul motor transmis la arbore este maxim: M = F bra, n care tot timpul braul este chiar raza de la centrul arborelui la centrul pistonului.

    Fig.1. Principiul de funcionare al motorului rotativ cu

    dou rotoare principale A cilindru inferior;B- cilindru superior; C-rotor superior; D-rotor inferior, 1, 2, 3, 4-

    pistoane rotative; 1, 2,3,4-goluri n care intr pistoanele

    Daca se urmrete procesul de funcionare se observ urmtorul avantaj:

    -cuplul obinut la arbore este maxim.

    3. CALCULUL PUTERII TEORETICE

    PRODUS DE MOTORUL TERMIC ROTATIV

    Lucrul mecanic de dislocare n unitatea de timp efectuat de agentul termic este dat de relaia [2] [3] [4] :

    ddlmL &= [W] (1)

    n care : m& debitul de agent termic care intr n motor [kg/s]

    ld lucrul mecanic specific de dislocare aferent ambelor rotoare [J/kg]

    Pentru rotor, puterea dezvoltat este dat de relaia:

  • MOTOR TERMIC ROTATIV DE MIC PUTERE

    TERMOTEHNICA 1/2011

    rdr l

    mP 11 2

    &= [W] (2)

    Dar

    rVAw

    m12&

    &== [W] (3)

    n care : -densitatea agentului termic [kg/m3] A- aria seciunii de curgere[m2] w- viteza de curgere [m/s]

    rV1& -debitul volumic aferent unui rotor [m3/s]

    = crr VV1

    & [W] (4)

    n care:Vrc -volumul de agent termic care curge ntre suprafaa rotorului i suprafaa interioar a carcasei [m3/rot.]

    -frecvena de rotaie [rot/s] Din figura 1 se observ c:

    ( )lRRV rccr 22 [m3] (5)

    n care: Rraza carcasei [m] Rr -raza rotorului [m] l -lungimea pistonului [m] Evident: Rc= Rr +z [m], n care z este nlimea

    pistonului. Introducnd relaia (5) n relaia (4) i ulterior n

    relaia (2) se obine:

    ( )

    222 lRR

    mrc =

    & (6)

    Mrimea:

    ( )lRR rc 22 (7)

    este chiar volumul (Vgp) generat de piston n micarea sa; mrime care poate fi exprimat i n alt mod:

    zlz

    RV rgp

    +=

    22 (8)

    Din (6) i (8) obinem:

    zlz

    Rm

    r

    +=

    22

    2

    & (9)

    Introducnd relaia (9) n relaia (2) obinem

    lzl2

    zR2P r1drr1

    += (10)

    Lucrul mecanic specific de dislocare este dat de relaia:

    =x

    1

    p

    p

    r1d vdpl (11)

    n care: v volumul specific al agentului termic la p1, t1

    1)pp()pp(l x1x1r1d == [J/kg] (12)

    Introducnd relaia (12) n relaia (10) se obine:

    ]W[)pp(zl2

    zR2P

    1)pp(zl

    2

    zR2P

    x1rr1

    x1rr1

    +=

    +=

    (13)

    Puterea obinut la fiecare rotor este aceeai deci motorul furnizeaz o putere:

    ( )[ ][ ]

    )(22

    )(2

    2222

    1

    11

    xr

    x

    r

    r

    ppzRzlP

    ppzlzR

    PP

    +=

    +==

    (14)

    ( )30

    )(2 21n

    ppzRlzP r += ]W[ (15)

    n care n este turaia motorului [rot/min] Din relaia 15