Reklám

2012. 06. 15.

Építési számítások


Hőlégmotor építése (vizsgamunka)

Érvényes: hőtan tantárgy, nappali tagozat, 2011–2012. tanév, tavaszi félév

1. A motor főbb jellemzői

1.1. Csak gamma típusú motor építhető. A motor munkaközege csak levegő lehet.
1.2. A hevítőt mécses, gyertya, borszeszégő vagy forró víz melegítheti. Egyéb energiaforrás (gázlámpa, villamos hőlégfúvó, merülőforraló, villanyrezsó stb.) nem használható.
1.3. A hűtőt a szabadon áramló környező levegő, víz vagy jégkocka hűtheti.
1.4. Regenerátor alkalmazható.
1.5. A munkadugattyú lökettérfogata 20 cm3 és 100 cm3 között legyen.

2. Hőtani terv

Adja meg a következő névleges jellemzőket.
2.1. A hevítő és a hűtő üzemi hőmérséklete és belső hőátadó felülete.
2.2. A munkaközeg (a hengerbe zárt levegő) legkisebb és legnagyobb számított térfogata, nyomása, tömege.
2.3. A termikus hatásfok regenerátorral és regenerátor nélkül. A hőtan I. főtétele alapján bizonyítsa be, hogy a termikus hatásfokot a kiegészítésben megadott módon lehet kiszámítani. Ha alkalmaz regenerátort, akkor adja meg annak hőátadó felületét, hőkapacitását, tömegét.
2.4. Mérésre vagy számításra alapozva becsülje meg a motor termikus teljesítményét, valamint a tengelyen leadott tényleges teljesítményét. Előfordulhat, hogy a motor csak önmagát lesz képes meghajtani, a teljesítményt teljes egészében a motorban ébredő súrlódás emészti föl (nincs tengelyen leadott, kicsatolható teljesítmény).
2.5. Méréssel határozza meg az egy fordulatra jutó átlagos súrlódási veszteséget. Írja le a mérési eljárást, készítsen rajzot vagy fényképet a mérésről, és adja meg az eredményt.

3. Mechanikai terv

Adja meg a következő tervezési, méretezési adatokat.
3.1. Összeállítási rajz. A szerkezet szakadjon el a világhálón található megoldásoktól, legyen legalább egy saját ötlet (szerkezeti, anyagfölhasználási, gyártási). Ezt a leírásban emelje ki.
3.2. A motor részeinek (dugattyúk, hengerek, hajtórudak, csapágyazás, tengelyek, lendkerék stb.) műhelyrajza.
3.3. Méretezze a lendítőkereket, és adja meg annak tehetetlenségi nyomatékát.
3.4. A hajtórudakat méretezze kihajlásra.

4. Az értékelés

Az érdemjegy függ a műszaki megoldások ötletességétől, a rendelkezésre álló anyagok találékony felhasználásától, a kivitelezés gondosságától, a motor működését jellemző mennyiségek mérésének ügyes megvalósításától, a motor megbízható működésétől, a mellékelt dokumentáció szakszerűségétől és pontosságától. Az elégséges érdemjegy feltétele:
4.1. A bemutatott motor főbb jellemzői feleljenek meg a kiírásnak (1. pont).
4.2. Legyen hőtani terv (2. pont).
4.3. Legyen mechanikai terv (3. pont).
4.4. A motor legalább 5 percig folyamatosan, üzembiztosan, egyenletesen járjon, átlagos fordulatszáma terheletlenül legalább 300 fordulat/perc legyen.  

Kiegészítések

A Stirling-körfolyamat termikus hatásfoka

A Stirling-körfolyamat munka- és hődiagramja az 1. ábrán látható. A regenerátor a hevítő és a hűtő közé iktatott átmeneti energiatároló. Ha a 2-3 szakaszon fölvett Q23 = Qreg hőt teljes egészében az előző ciklusban a regenerátornak leadott Q41 = Qreg hő pótolja, a Stirling-körfolyamat termikus hatásfoka megegyezik a Carnot-körfolyamatéval:
.
Példaként legyen a hűtő hőmérséklete TK = 0 ºC, a hevítőé TN = 100 ºC. A megadott adatokkal:
.
Ha a munkaközeg tömege 0,128 g, akkor ennek hőkapacitása 0,13 J/K. Legyen a regenerátor hőkapacitása ennek 10-szerese: Creg = 1,3 J/K. Legyen a regenerátor finomszálas, laza állagú acélforgács vagy üveggyapot.

1. ábra. A Stirling-körfolyamat munka- és hődiagramja



A regenerátor nélküli Stirling-körfolyamat termikus hatásfoka függ az ε sűrítési aránytól:
.
Legyen a sűrítési arány ,

levegőre .



A példaként megadott adatokkal:


  


A munkaközeg tömege, az elméleti munkadiagram és a motor teljesítménye

Legyen a munkaközeg legnagyobb térfogata V1 = 100 cm3, induló nyomás ,
.





.
 Ekkor a munkaközeg tömege:




A sarokpontokban a nyomás (ha ε = 2):




A környezeten végzett munka a két izotermán:




Az egy ciklus alatt a környezeten végzett eredő munka:






A névleges fordulatszámnál (300 f/perc) az egy főtengelyfordulat ideje:

.



Az elméleti teljesítmény:

.



Ha a motorban van regenerátor, a fordulatonként szükséges hő megegyezik a 3-4 szakaszon végzett munkával:

.


Az üzemeltetéshez szükséges hőáram:

.



Ha a hevítő hatásfoka 80%, akkor a hőforrás hőárama kb. 60 J/s. Ezt kb. három mécses képes előállítani.
A motor tényleges hatásfokát rontja az ideális körfolyamattól való eltérés és a súrlódás. Ha a tengelyen leadott tényleges teljesítmény például 5 W, akkor a jósági fok és a tényleges hatásfok:



Ezektől a számított értékektől a megépített motor tényleges hőtani jellemzői jelentősen eltérnek.

A 2. ábrán egy 50 cm3 lökettérfogatú, 2-es sűrítési arányú, gamma típusú, regenerátorral ellátott, forgattyús hajtóművel szerelt hőlégmotor számított (a ténylegest megközelítő) munkadiagramja látható. A regenerátor és a hengereket összekötő csövek légtérfogata (káros tér) a lökettérfogat 10%-a. Jól látható, hogy a valóságos körfolyamat jelentősen eltér az elméletitől.

2. ábra. Gamma típusú hőlégmotor tényleges munkadiagramja






A lendítőkerék

A motor szögsebessége a névleges fordulatszámon:




A hengertérbe zárt levegő izotermikus összenyomásához szükséges munka:



Tegyük föl, hogy ezt a névleges fordulatszám kétszeresére fölpörgetett lendkerék forgási energiája szolgáltatja (a sűrítés végén a lendkerék megáll):




Ebből a lendkerék tehetetlenségi nyomatéka:






Ez a motor folyamatos működését biztosító legkisebb tehetetlenségi nyomaték. (Ekkor a lendkerék éppen csak átfordítja a holtponton a főtengelyt, a motor egy pillanatra leáll a 2-es pontban). Ennek kb. a kétszeresére válasszuk a tehetetlenségi nyomatékot (súrlódási veszteségek is vannak!). Legyen például 


, a lendkerék tömege M = 1 kg. Ha a lendkerék d átmérőjű vékonyfalú hengergyűrű, akkor a tehetetlenségi nyomatéka, illetve az átmérője:




A lendítőkerék tehetetlenségi nyomatéka legalább akkora legyen, hogy a névleges fordulatszámra kézzel fölpörgetett, majd magára hagyott motor legalább 3-4 fordulatot tegyen a megállásig.

Megjegyzés

A példaként megadott értékek
TK = 0 ºC, TN = 100 ºC, ε = 2, V1 = 100 cm3, M = 1 kg,
továbbá a lendkerék alakja (vékonyfalú hengergyűrű) az Ön motorja esetén természetesen más lehet.


Az elkészült mű:

 

 

A tervezéshez és építéshez ajánlott irodalom

Bagány M.: Műszaki hőtan. Jegyzet, H–388, KF GAMFK, Kecskemét, 2009.
Bagány M.: Műszaki áramlástan. Jegyzet, H–393, GAMF, Kecskemét, 2009.
Grohe, H.: Otto- és Diesel-motorok. Műszaki könyvkiadó, 1980.
Pattantyús Á. Géza: A gépek üzemtana. Tankönyvkiadó, Budapest, 1964.

Kecskemét, 2012. február


Bagány Mihály
a tantárgy előadója

Köszönet Bacsabacsának és Bagány Mihály Tanár Úrnak !