3 - CALCOLO DEI PARAMETRI DI PROGETTO
3.1 - POTENZA TERMICA DA SMALTIRE
Si vuole stimare teoricamente il valore della potenza termica che deve essere dissipata dal radiatore. Per fare ciò si imposta l’equazione di bilancio termico, facendo riferimento all’unità di tempo :
Qh = Qu + Qr + Qg + Qz
Dove:
Qh = quantità di calore introdotta nel motore attraverso il combustibile in determinate condizioni di carico.
Qu = equivalente termico del lavoro utile raccolto all’albero motore.
Qr = calore perduto per il raffreddamento.
Qg = calore perduto attraverso i gas di scarico.
Qz = termine che congloba le perdite per irraggiamento ed incompleta combustione.
Si devono fare però alcune considerazioni
- una quota parte di calore Qr viene ovviamente ceduta all’olio motore.
- su una moto, a differenza di un’automobile, è possibile ritenere che sia maggiore la percentuale del calore totale Qr dissipata per irraggiamento, essendo il motore a diretto contatto con l’ambiente esterno e di conseguenza maggiormente investito dal flusso d’aria.
L’esperienza suggerisce che il radiatore debba dissipare circa il 15% della potenza motore e dato che la GP11 ha una potenza di 62,5 kW, il 15% risulta 9,375 kW.
3.2 - SUPERFICIE DEL RADIATORE
Per il dimensionamento del radiatore della GP11 è stato seguito il modello impostato sul libro “Motori a quattro tempi” scritto da Giuseppe Bocchi.
Per poter comprendere meglio il procedimento seguito è opportuna fare un richiamo al funzionamento del radiatore. Il fluido refrigerante passa all’interno dei tubi del radiatore poiché, dopo aver lambito le parti calde del motore, deve raffreddarsi per poi tornare in circolazione ed asportare nuovamente calore. Per facilitare l’asportazione di calore dal fluido, il pacco radiante viene costruito con l’interposizione di alette tra i fasci tubieri. La funzione delle alette è quella di aumentare la superficie di scambio termico con l’aria ambiente per velocizzare così il processo di raffreddamento prima che l’acqua torni in circolo nei tubi interni al motore. Si evince quindi che sono tre le equazioni di scambio termico che si dovranno utilizzare e sono quelle relative alla:
· Potenza termica che l’aria asporta dal liquido di raffreddamento
(1) qaria = paria*cp aria*deltaTaria
· Potenza termica che l’acqua asporta dalle parti calde del motore
(2) qacqua = pacqua*cp acqua*deltaTacqua
· Potenza termica complessiva che il radiatore asporta dal motore
(3) q = K*A*deltaTmedio
dove si indica con paria la portata di aria in [kg/m3] e pacqua la portata di acqua in [kg/s] che vengono fissate e quindi non sono incognite; con cp il calore specifico a pressione costante in [kJ/kg*K]; con deltaTaria in [K] il salto di temperatura che subisce l’aria attraversando il pacco radiante (Tout,a-Tin,a), deltaTacqua in [K] il salto di temperatura dell’acqua tra ingresso ed uscita dal radiatore (Tout,acqua -Tin,acqua) e deltaTmedio il salto di temperatura medio tra aria ed acqua (deltaTacqua+deltaTmedio)/2.
Le incognite del sistema sono la q,la Tout,aria e la Tout,acqua. Si ha dunque un sistema in di 3 equazioni in 3 incognite, linearmente indipendenti e quindi risolubile.
Combinando le equazioni (1), (2) e (3) si ottiene che
L’equazione 4 permette di calcolare la potenza termica in funzione delle temperature di ingresso dei fluidi cioè Tin,a e Tin,acqua (queste sono state fissate rispettivamente ai valori di 90 °C per l'acqua e 25 ° C per l'aria. QUesti valori rappresentano condizioni di utilizzo molto critiche rispetto il normale range di funzionamento. Sono state dunque scelte per sovradimensionare il radiatore); delle portate di massa p,della superficie del radiatore A e dal coefficiente di scambio termico totale K. Una volta determinata q, si risale a Taria e Tacqua con le equazioni 1 e 2.
E’ importante notare che il coefficiente di scambio termico K dipende a sua volta dalle velocità di deflusso ovvero dalle portate p di aria e di acqua. Per ovviare a questo problema prettamente teorico si usano dei valori di K tabulati grazie alle prove eseguite da costruttori di radiatori sui loro modelli.
Il primo passo è determinare la superficie frontale del radiatore e stimare tutte le dimensioni caratteristiche. Di seguito è illustrato come si è proceduto
1. Dimensionamento condotto di ingresso al radiatore.
Si è sfruttata la conservazione della portata. Il nostro impianto di raffreddamento è munito di una pompa che eroga 1000l/h di fluido refrigerante (tale scelta è stata consigliata dal team) che equivalgono a 0,278 kg/s. Il diametro del condotto di ingresso del radiatore è stato fissato a 22,6 mm e quindi la sezione di ingresso è risultata di 401,15 mm2. Dividendo la portata per la sezione otteniamo la velocità del fluido di raffreddamento nel condotto che è risultata 0,6924 m/s. Con tale velocità possiamo affermare che ci troviamo in condizioni di moto turbolento (in accordo col Bocchi), condizione favorevole per lo scambio termico rispetto alla condizione di moto laminare. I valori sopra citati, e anche i valori che seguiranno,sono stati dettati dall’esperienza dei produttori di radiatori che hanno coadiuvato la fase di dimensionamento.
portata pompa [l/h]
|
1000
|
portata pompa [kg/s]
|
0,27777
|
diametro condotto in [mm]
|
22,6
|
sezione Ingresso [mm2]
|
401,15
|
Tabella 1 — Dimensionamento condotto di ingresso al radiatore
2. Dimensionamento dei fasci tubieri interni al pacco radiante.
SI è sempre sfruttata la conservazione della portata per dimensionare i fasci tubieri interni in unione alle osservazioni su modelli di radiatori in commercio e sempre con l’aiuto di aziende produttrici. Si è scelto di fissare quindi i seguenti valori:
altezza [mm]
|
2
|
lunghezza [mm]
|
340
|
larghezza[mm]
|
26
|
spessore pareti [mm]
|
0,2
|
area sezione [mm2]
|
46,81062
|
Tabella 2 — Dimensionamento fasci tubieri interni al pacco radiante
La velocità all’interno dei fasci tubieri è risultata, sempre dal rapporto portata su sezione, di 0,624898 m/s. Ci troviamo in moto turbolento poiché tale velocità appartiene al range [0,5 m/s 0,8 m/s] secondo quanto dice il Bocchi.
Trovate le dimensioni caratteristiche, risulta facile ora trovare la potenza che il radiatore è in grado di smaltire ai diversi regimi di marcia. Inserendo i dati nella formula (4) si trova il valore di q (dove va osservato che la portata p di aria è data da paria=rho*v*A (5) con v [m/s] velocità dell’aria fissata a diversi valori(riportati in tabella 3) e rho [kg/m3] densità dell’aria. Poi inserendo i valori di q nelle equazioni (1) e (2) si possono esplicitare queste equazioni rispetto deltaT e dato che Tin sia dell’aria che dell’acqua è fissato si trova il valore di Tout.. Per ultimo si trova il valore di K dall’equazione (3). Si ricorda ancora che il parametro K dipende dalla velocità dell’aria poiché la paria è stata calcolata con l’equazione (5). In tabella 3 si riassumono i valori di potenza termica asportata e gli altri dati sopra citati, considerando la Tin,acqua di 90 °C e la Tin aria di 30 °C
vel aria [m/s]
|
K[kW/m^2*K]
|
q [kW]
|
T out, acqua [°C]
|
T out, aria [°C]
|
5
|
2,48
|
5,150554
|
85,57047471
|
47,03926237
|
10
|
3,23
|
7,052535
|
83,93475283
|
40,08892769
|
15
|
3,7
|
8,249024
|
82,90576044
|
36,76588134
|
20
|
4,02
|
9,071642
|
82,19830081
|
34,70440872
|
25
|
4,09
|
9,349703
|
81,95916609
|
33,00149165
|
Tabella 3 — valori di K e potenza termica smaltita
Come si evince dalla tabella, già alla velocità di 25 m/s il radiatore asporta 9,34 kW, valore che è in linea con il 15% di potenza termica che il radiatore deve asportare. Il dimensionamento risulta qundi corretto.
I calcoli completi sono disponibili nel file excel scaricabile alla pagina 7, appendice del sito