Giri motore a velocità di crociera

[Casper]

(06-09-2016 20:48)prop Ha scritto:  

(06-09-2016 17:55)Casper Ha scritto:  ...è sconsigliabile avere un'elica di passo eccessivo rispetto al motore: con sforzo elevato a basso numero di giri, la pompa dell'acqua mare (la cui portata è indicativamente proporzionale al regime di rotazione) fa circolare una quantità d'acqua che potrebbe essere insufficiente ai fini del raffreddamento (a meno che il motore non sia sovradimensionato rispetto alle esigenze di potenza dello scafo).

@ Gimbo: vedi i giri max che assorbe l'elica; togli il 20% e vai tranquillo.
@ Casper: "elica di passo eccessivo rispetto al motore: con sforzo elevato a basso numero di giri" vedi grafico: ci vorrebbe un'elica del diametro di un metro (oppure passo abnorme) per sovraccaricare il motore oppure per non avere adeguato raffreddamento motore.
Saluti

Per chiarezza: se il motore può erogare 35 hp a 2000 giri, l'elica cosiddetta ideale assorbe 10 hp. Hai voglia di margini...

Prop,
Scusa se rispondo solo ora, ma ho avuto un periodo piuttosto complicato...

Se rileggi bene il mio intervento, vedrai che le nostre affermazioni non sono in contraddizione, in quanto tu ti riferisci alla situazione di elica ideale con condizioni ideali (elica e carena pulite), mentre io intendevo evidenziare una situazione di elica sovraccarica rispetto allo scafo, con motore non sovradimensionato e condizioni d'uso non ideali.

Cerco di spiegarmi meglio:

Prendiamo ad esempio lo schema che hai postato (Yanmar 4JH2.TE); ho scaricato il manuale di officina per avere i dati tecnici il più possibile corretti.

Partiamo dalla assunzione che in condizioni ideali (carena ed elica pulita) l'elica installata consenta di raggiungere solo i 3000 rpm, in quanto l'armatore ritiene (a ragione o a torto, lo giudicheremo dopo) che un passo più lungo sia preferibile. Dato che in prima approssimazione la "propeller power curve" è legata alla terza potenza del regime di rotazione (l'analisi della curva Yanmar dello schema postato mi da come risultato un esponente di circa 2,95), ridisegno la curva dell'elica in modo che incroci la curva di erogazione di potenza del motore (all'asse) a 3000 rpm (curva viola).

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Come si può vedere a questo regime la potenza erogata all'asse è solo di poco inferiore alla potenza erogata con elica ideale (58 HP contro 60 HP) e quindi la perdita di prestazione massima in condizioni ideali è molto limitata; in definitiva, in condizioni ideali ho l'impressione che la barca vada molto meglio con l'elica più carica.
Per collegarmi al tuo esempio precedente, a 2000 rpm l'elica sovradimensionata assorbe circa 18 HP, contro i 10 HP che assorbiva nel caso ideale, sui 34 che il motore mi può dare a quel regime. C'è ancora abbondante margine, in condizioni ideali.

Ma analizziamo cosa succede in condizioni di progetto, perchè è su quelle che viene dimensionato il motore con i suoi ausiliari.

Dal punto di vista del raffredamento, quel motore ha una pompa acqua mare che eroga 3250 l/h a 3600 rpm (motore); considerando che la pompa acqua mare si può approssimare ad una volumetrica, la portata è all'incirca proporzionale al regime di rotazione, per cui a 3000 rpm (motore) eroga circa 2700 l/h.

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Dal diagramma Yanmar il rendimento a potenza nominale ed elica ideale risulta pari al 33%:
187 gr/HP/h * 62 HP = 11,6 kg/h (13.8 l/h) x 42.7 MJ/kg = 495.3 MJ/h = 137.6 kW(th)
mi pare alto, ma prendiamolo per buono. Vuol dire che a potenza massima in condizioni ideali devo smaltire circa 137.6*67% = 92.2 kW(th).

Considerando una portata di 3250 l/h, ciò significa un incremento di temperatura di circa 24,5°C dell'acqua mare di raffreddamento; se consideriamo una temperatura acqua mare in ingresso di 30°C (alta, ma non rara da trovare in estate) arriviamo ad una temperatura di uscita dell'acqua mare dallo scarico di 54,5°C.

Se con l'elica "maggiorata" erogo 58 HP a 3000 rpm come valore massimo, avrò un rendimento termico inferiore in quanto siamo in condizioni non ideali; non posso usare la curva nello schema Yanmar perché è indicato che quella curva è valida solo con la "propeller power curve" ideale indicata nello schema. Dato che ho cambiato la curva di assorbimento dell'elica non posso più fare riferimento a quella curva, quindi in assenza di dati più precisi ipotizzo una perdita di efficienza pari al 10% (dal 33% al 30%).
Dovrò quindi smaltire 99.5 kW(th) con 2700 l/h di acqua (la pompa acqua mare gita più piano), con un incremento di salto termico che sale a 31,7°C (+ 7,2°C che corrisponde ad un salto di temperatura di +30% rispetto al caso precedente); partendo da acqua mare a 30°C vuol dire avere acqua in uscita a 61,7°C anzichè 54,5°C.

Anche considerando uno scambiatore in perfetto stato (senza sporcamenti o incrostazioni), il salto termico tra acqua mare in entrata ed in uscita risulta aumentare del 30% circa, provocando un minore salto termico medio sullo scambiatore tra acqua mare e fluido raffreddamento (flusso di 5196 l/h a 3600 rpm, che scendono a circa 4330 l/h a 3000 rpm), con un conseguente peggioramento dello scambio termico stesso e aumento della temperatura del fluido di raffreddamento del motore in ingresso allo scambiatore acqua mare per riportare la situzione in equilibrio, aumento che ho stimato preliminarmente in circa 9°C.
Quindi, se consideriamo che in condizioni di progetto la temperatura del fluido glicolato in ingresso allo scambiatore sia di 90°C, nelle condizioni di elica sovraccarica portata al massimo la temperatura salirebbe a 99°C. Se poi consideriamo anche il possibile sporcamento dello scambiatore con relativa perdita di efficienza nel trasferimento termico, la situazione peggiora causando un aumento della temperatura del fluido di raffreddamento, il che è quanto avevo sostenuto nel mio precedente intervento (cito:"è sconsigliabile avere un'elica di passo eccessivo rispetto al motore: con sforzo elevato a basso numero di giri, la pompa dell'acqua mare (la cui portata è indicativamente proporzionale al regime di rotazione) fa circolare una quantità d'acqua che potrebbe essere insufficiente ai fini del raffreddamento (a meno che il motore non sia sovradimensionato rispetto alle esigenze di potenza dello scafo)."

Ricordiamoci che stiamo parlando di calcoli di dimensionamento, quindi con il motore al limite massimo delle sue prestazioni ed un'elica sovradimensionata, e come si può vedere la possibilità di un surriscaldamento del motore non è poi così remota.
E' ovvio che in condizioni tranquille tutto ciò ha normalmente conseguenze insignificanti, ma i problemi di solito non si manifestano in condizioni tranquille...

Spero di aver chiarito meglio la mia affermazione.

Un'ulteriore nota aggiuntiva:
è opportuno considerare che la miscela acqua-glicole, che costituisce il liquido di raffreddamento, ha una capacità termica inferiore a quella dell'acqua pura (circa il 10% in meno nelle proporzioni normalmente usate nei motori) e che quindi a parità di portata asporta meno calore dal motore; questo è il motivo per cui non conviene esagerare con la quantità di antigelo oltre a quello necessario a proteggere il motore.


BV,
Casper

P.S.: in prima approssimazione, per semplicità, ho evitato di distinguere il raffreddamento dei fumi da quello delle camicie dei pistoni, ma volendo si può approfondire.