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:
.
A munkaközeg tömege, az elméleti munkadiagram és a motor teljesítménye
.
A környezeten végzett munka a két izotermán:
.
.
Ha a motorban van regenerátor, a fordulatonként szükséges hő megegyezik a 3-4 szakaszon végzett munkával:
.
.
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:
Tegyük föl, hogy ezt a névleges
fordulatszám kétszeresére fölpörgetett lendkerék forgási
energiája szolgáltatja (a sűrítés végén a lendkerék megáll):
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 ! |
Egyebek:
Stirling-gép szimulátor:
http://www.solarheatengines.com/stirling-engine-simulator/
Levegő-nyomás kalkulátor:
http://www.sengpielaudio.com/calculator-airpressure.htm
Kalkulátor:
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/wavrel.html#c2
Pneumatikai alapfogalmak:
http://www.pneuplus.hu/pneumatika_oktatas_files/Pneumatika_alapfogalmak.pdf
Kg/cm2 to bar
http://www.convertunits.com/from/kg/cm2/to/bar
mm2 to cm2:
http://www.endmemo.com/sconvert/cm2mm2.php
N to kg:
http://www.convertunits.com/from/kg/to/N
Stirling-gép szimulátor:
http://www.solarheatengines.com/stirling-engine-simulator/
Levegő-nyomás kalkulátor:
http://www.sengpielaudio.com/calculator-airpressure.htm
Kalkulátor:
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/wavrel.html#c2
Pneumatikai alapfogalmak:
http://www.pneuplus.hu/pneumatika_oktatas_files/Pneumatika_alapfogalmak.pdf
Kg/cm2 to bar
http://www.convertunits.com/from/kg/cm2/to/bar
mm2 to cm2:
http://www.endmemo.com/sconvert/cm2mm2.php
N to kg:
http://www.convertunits.com/from/kg/to/N