Benodigde Nitro percentages, optimale koeling en ideeën hierover

[brutus]

Oorspronkelijk geplaatst door Rhelie

De wegracers hebben bij volle belasting heel veel rijwind om de boel op temperatuur te houden, maar hoe denk je dat bij een heli te doen ?

Nou lijkt mij ten eerste een "winderig plekje" bij een heli geen erg groot probleem, maar ik denk dat dat zelfs helemaal niet nodig is, een plekje waar gewoon wat luchtdoorstroming is zal al gauw wel voldoende zijn. Een heli heeft zelfs in hoover natuurlijk al voldoende luchtstroming langs de romp, er zit per slot van rekening een heel grote "koelventilator" bovenop
Kijk nog maar eens op www.grossiengines.com
Daar zie je op een van de filmpjes een buggy die de radiator volledig uit de rijwind heeft zitten, onder een kap zonder gaten!
Blijkbaar is de tocht al voldoende om de boel te koelen, en ik denk dat met een beetje goede benadering van het radiatoroppervlak dit ook totaal geen probleem hoeft te zijn. Je moet je hier niet in verkijken, want directe luchkoeling via rijwind, is uiterst ineffectief (ook al zou je dat niet zeggen). Geforceerde luchtkoeling zoals we op dit moment in helis gebruiken is al een stuk effectiever, maar nog steeds relatief erg inefficient. Een radiator kan juist zijn warmte erg makkelijk kwijt, omdat water zo'n hoge soortelijke warmte heeft en het ook erg makkelijk afstaat. Pak een stuk staal van 60 graden beet, en na een paar seconden doet het pijn, meer niet. steek je hand in water van 60 graden, en na een paar seconden heb je een forse brandwond te pakken. Die eigenschap van water maakt juist waterkoeling zo'n stuk effectiever.

Als het radiator ontwerp ongeveer overgenomen word van wat Grossi maakt, dan is aanpassen van het koeloppervlak niet meer dan plaatjes toevoegen/wisselen en/of wat langere buisjes plaatsen. Ofwel het is vrij gemakkelijk om hier mee te expirimenteren zonder dat je helemaal opnieuw een radiator moet maken.

Ik denk zelfs eerder, dat je de radiator juist UIT de wind zult moeten plaatsen, omdat het verschil in vermogen tussen hoover en rondvliegen niet zo heel groot is (3D buiten beschauwing gelaten) maar de toename in luchtsnelheid wel. Dus een radiator die in hoover via convectie zijn warmte al kwijt kan, hoeft geen echte aanvullende "vliegwind" om te koelen. Kan bij 3D iets anders liggen, maar een simpele luchthapper kan dit al bewerkstelligen indien nodig.

Groet, Bert

[brutus]

Ik bedenk me opeens iets, waar we (of in elk geval ik met de viertakt) wel effe rekening mee moeten houden:

Een van de uitgangspunten van het toepassen van waterkoeling, is dat we hopelijk met een lager brandstofverbruik toe zouden kunnen. Terloops hebben we ook het olieaandeel van de brandstof bekeken.
Als het brandstofverbruik terugloopt, loopt ook de hoeveelheid olie per tijdseenheid terug, en er moet dus toch wel rekening mee gehouden worden, dat het percentage olie in de brandstof niet klakkeloos verminderd kan worden, en in mijn geval (viertakt die met 10% olie tamelijk "minimaal" draait) zou het best eens kunnen betekenen, dat er lichtelijk méér olie bijgemengd moet worden, om die zelfde hoeveelheid olie per tijdseenheid te garanderen.
Echt moeilijk is het niet: met het gegeven van het huidige brandstofverbruik kun je een olieverbruik per tijdseenheid bepalen, alsmede een Lamda-waarde (uitgaande van het methanol/Nitro aandeel van de huidige brandstof). Met de theoretische Lambda waarde kun je het theoretische minimum brandstofverbruik (weer in Methanol/Nitro aandeel) berekenen, en dan is het olieverbruik per tijdseenheid omrekenen naar het gewenste oliepercentage nog een peuleschil. Dan heb je een brandstof die een veilige smering garandeert. Eventueel kn je met het naderhand vastgestelde werkelijke brandstofverbruik, opnieuw het oliepercentage uitrekenen.

Djamgils, ik ben dan ook erg benieuwd naar een eventueel excel-sheet voor jouw berekeningen, zodat je voor iedere willekeurige motor deze waardes uit kunt rekenen danwel benaderen.

Groet, Bert

[djamgils]

de oliepercentages zijn wel belangrijk om in de gaten te houden ja.

Kennelijk heb ik nog geen excel op mijn laptop. dus moet ff kijken of ik openoffice ofzo kan downloaden.

[brutus]

Oorspronkelijk geplaatst door djamgils

Nog even goed nieuws zo net op de woensdagmiddag. Had de dichtheid van lucht genomen in plaats van water dus ik zit er een factor 1000 naast. Gelukkig scheelt dat niet zoveel.
Benodigde waterflow komt dan opeens op 0,032L/s en dat is een stuk realistischer.

Ik heb nog even over de benodigd hoeveelheid koelwater (qua flow) nagedacht. Het volgende is een puur theoretische beschouwing, gebaseerd op aannames (en praktijkervaring)

Eerste punt van overweging, is welke delta-T we over de motor willen hebben. Een algemeen gangbare waarde in de grote motorenbouw is 10~20 graden. Laten we 20 graden nemen, dan kunnen we met een wat kleinere flow toe. Voor deze berekening doet de daadwerkelijke temperatuur er niet of nauwelijks toe ( de soortelijke warmte van water verandert maar weinig met oplopende temperatuur).
Voor deze delta-T, is per kW weg te koelen warmte een waterflow nodig van ((1kg/4.2)/20)=0.0119 kg/sec. Accepteren we een grotere delta-T waarde, dan word per kW restwarmte, de benodigde hoeveelheid water overeenkomstig kleiner.

De vraag is, hoeveel warmte er weggekoeld moet worden.
Om heel eerlijk te zijn durf ik deze vraag niet goed stellig te beantwoorden, maar gezien het feit dat het thermodynamisch rendement van onze methanolmotoren erg slecht is (wat gewoon betekent dat het leeuwendeel van de toegevoerde energie onbenut via de uitlaat verdwijnt) is het niet aannemelijk dat het aan de cylinder weg te koelen vermogen erg groot is

Gebaseerd op ervaring durf ik echter wel te stellen, dat het weg te koelen vermogen kleiner is dan het asvermogen ( ik ben in mijn werk nog nooit een motor tegen gekomen, die meer koelverlies dan asvermogen had, en de waardes varieren van 15 tot 50 % van het asvermogen), dus voor de veiligheid stel ik het gelijk aan het asvermogen. Ik denk dat we dan een heel ruime veiligheidsmarge hebben.

Dan kunnen we dus al gewoon verwachten, dat voor een delta-T van 20 graden, ongeveer 11 gram/sec per kW (of 9 gram/sec per PK) nodig zullen hebben. Mijn persoonlijke verwachting is dat de werkelijke waardes lager liggen, maar dat is iets wat de praktijk uit moet gaan wijzen.

Aangezien de delta-T over de motor op 20 graden gesteld is, is de delta-T over de radiator ook 20 graden. Nu zouden we bijvoorbeeld een koelwatertemperatuur van om en nabij de 80 graden willen hebben. Dan is de gemiddelde temperatuur in de radiator 70 graden, en volgens mij moet het nu mogelijk zijn, om te bepalen wat het oppervlak van de radiator per kW moet zijn om deze warmte door convectie over te dragen aan de lucht. Iedere CV-installateur zou hiervoor de gegevens moeten hebben liggen. Dit oppervlak zou dan voldoende moeten zijn, om de motor te koelen met een radiator die uit de wind (maar niet in een afgesloten ruimte) opgesteld staat. Nu is het systeem min of meer zelfregelend, de temperatuur stelt zich automatisch in. Best mogelijk, dat met een uit de wind opgestelde radiator de benodigde oppervlaktes onhanteerbaar groot worden, maar ik verwacht van niet, gezien het voorbeeld van dat Grossi motortje.

Even op Wikipedia gekeken: en die gegevens variëren nogal ruim.... Wel is duidelijk, dat met geforceerde ventilatie (hoeft niet per sé met een fan, vliegwind is hier al afdoende) de radiator tussen de 5 en de 10 keer kleiner gekozen kan worden. Uitgaande van een buitenlucht temperatuur van 20 graden:
In het ongunstigste geval kom ik op 3.3 vierkante meter per kW warmteoverdracht, (laagste coëfficient, ongeventileerd) in het gunstigste geval op 0.06 vierkante meter (hoogste coëfficient, geforceerde ventilatie).
Ik kan deze getallen niet helemaal rijmen met het kleine radiatortje van die Grossi motor (met een opgegeven vermogen van 3 PK ofwel 2.2 kW) dus ik kan eigenlijk niet anders dan concluderen, dat de aannames van het weg te koelen vermogen verkeerd zijn, en het daadwerkelijk weg te koelen vermogen in werkelijkheid véél kleiner is dan we denken!
Want terug redenerend kom ik op een koelend oppervlak van een helimotor van tussen de 10 en de 15 cc ergens in de buurt van de 300 tot 400 cm2 ofwel 0.03 tot 0.04 m2.
Bij de gunstigste overdrachtscoëfficient en een oppervlaktetemperatuur van 100 graden kom ik dan op een maximaal haalbaar afgestaan vermogen van plm 800 Watt.
Dat is het koelend vermogen wat we nu met de luchtgekoelde motoren ter beschikking hebben in het gunstigste geval, in werkelijkheid ligt het lager. Dit koelend vermogen kunnen we met waterkoeling al bereiken met een radiator ter grootte van een pak speelkaarten, geplaatst in de vliegwind of een andere geschikte luchtstroom.
Ik wil nu niet beweren, dat dit keiharde gegevens zijn, ik durf ondertussen wel te stellen, dat het benodigde koelvermogen véél kleiner is dan we denken, en dat we met een redelijk compacte waterkoeling, de temperatuurshuishouding van onze helimotor véél beter in de hand gaan krijgen, en dus de motoren met veel betere rendementen (en mogelijk hogere vermogens) kunnen laten draaien

Groet, Bert

PS: zo langzamerhand beginnen de benodigde flow, oppervlakken en temperaturen een beetje beter inzichtelijk te worden.
Mogelijk moeten we het eens in een overzicht gaan plaatsen, zodat we wat gerichtter kunnen proberen een systeem te "ontwerpen"....

[djamgils]

heb de motorgegevens in een excel gezet( voor de uitgebreide versie even je mail adres pm-en)
Dit is een samenvatting (meerdere spaties pikt ie niet)
P(kW) eta(f) Volu ef fLambda
30%Nitro OS91 2,56 0,175 0,500 0,652
15% Nitro OS91 2,19 0,218 0,500 0,850
10% Nitro OS50 4takt 1,17 0,204 0,800 0,534

Zoals te zien is zijn een aantal getallen veranderd. De vraag is of ik nu in de excel fouten heb of dat de vorige fout zijn. Ik denk dat de vorige fout waren.
Ben nu wel minder overtuigd dat waterkoeling ook een potentiele vermogenswinst met zich meebrengt. Maar de kanttekening daarbij is wel dat volumetric efficiency eigenlijk alleen voor 4takt motoren gedefinieerd is en dat de waarde van 0,5 op brutus zijn ervaring is gebaseerd. Bij de 30% nitro lijkt er qua lambda het meest te winnen (eigenlijk de 4takt van brutus maar 4 takt telt niet voor 3d )

[brutus]

Oorspronkelijk geplaatst door djamgils

heb de motorgegevens in een excel gezet( voor de uitgebreide versie even je mail adres pm-en)
Dit is een samenvatting (meerdere spaties pikt ie niet)
P(kW) eta(f) Volu ef fLambda
30%Nitro OS91 2,56 0,175 0,500 0,652
15% Nitro OS91 2,19 0,218 0,500 0,850
10% Nitro OS50 4takt 1,17 0,204 0,800 0,534

Zoals te zien is zijn een aantal getallen veranderd. De vraag is of ik nu in de excel fouten heb of dat de vorige fout zijn. Ik denk dat de vorige fout waren.
Ben nu wel minder overtuigd dat waterkoeling ook een potentiele vermogenswinst met zich meebrengt. Maar de kanttekening daarbij is wel dat volumetric efficiency eigenlijk alleen voor 4takt motoren gedefinieerd is en dat de waarde van 0,5 op brutus zijn ervaring is gebaseerd. Bij de 30% nitro lijkt er qua lambda het meest te winnen (eigenlijk de 4takt van brutus maar 4 takt telt niet voor 3d )

Het eerste wat me zo te binnen schiet is: heb je wel rekening gehouden met het feit dat een viertakt 2 omwentelingen per cyclus heeft? (ofwel, dat de arbeidsslagen maar de helft van het aantal omwentelingen is?) want de getallen van de viertakt steken wel érg schraal af, terwijl een ongeblazen 4-takt normaal gesproken veel betere getallen laat zien dan een ongeblazen poortgestuurde 2-takt....

Verder valt het te verwachten dat een motor met nul nitro tegen zijn optimale Lambda (0.86?) aan gaat draaien, en dan zit mogelijk die 0.5 voor het volumetrisch rendement tóch iets aan de lage kant voor de tweetakt, gezien het feit dat je bij 15$% Nitro al bijna op die waarde uitkomt.
De enige manier oom daar werkelijk achter te komen, is door flowmetingen aan de inlaatzijde te gaan doen, maar dat kon wel eens een heel lastige klus worden....

Wat de vermogenswinst betreft, alleen al het wegvallen van de koelfan zal een winst van een paar honderd watt opleveren.
Of je uit een verder ongewijzigde motor nog meer kunt peuteren hangt er vanaf in hoeverre je het mengsel kunt afmageren, en in hoeverre je de smering tot het minimum kunt terug brengen.

Groet, Bert

[djamgils]

ik word alweer vrolijker, het gebrek aan koelfan geeft idd een bruikbare vermogenstoename.
Bij de eagle tree data logger zit een hoogte meter en snelheidsmeter doormiddel van pitotbuis. Misschien dat zon ding valt om te bouwen om absolute druk te loggen en met de diameter van de luchtinlaat kun je vervolgens de snelheid en dus ook flow berekenen.

[brutus]

Oorspronkelijk geplaatst door djamgils

ik word alweer vrolijker, het gebrek aan koelfan geeft idd een bruikbare vermogenstoename.
Bij de eagle tree data logger zit een hoogte meter en snelheidsmeter doormiddel van pitotbuis. Misschien dat zon ding valt om te bouwen om absolute druk te loggen en met de diameter van de luchtinlaat kun je vervolgens de snelheid en dus ook flow berekenen.

Dat met die pitotbuis is inderdaad en optie, al ontbreekt op dat vlak mij de kennis om daar daadwerkelijk zelf wat mee te kunnen.
Wat ik wel weet: Je zult de aanzuigbuis moeten verlengen om meetfouten vanwege de luchtsnelheid van het koelkanaal te voorkomen, en je zult en airbox moeten installeren om meetfouten t.g.v. de pulserende snelheid in het inlaatkanaal te vermijden.
Maar dat zijn geen van beide erg onoverkomelijke zaken, en dan kun je inderdaad wel een goede waarde voor het volumetrisch rendement en Lambda verkrijgen. Als het kan loggen tegen de stand van de gasklep.

Groet, Bert

[EdwinvD]

Beste Forumers,

Kennen jullie het volgende principe al?

Modelbouwforum.nl - Fotoalbum van EdwinvD: HPI Savage met Force .32 H2O - Afbeelding

5.2cc met H2O koelkop, water reservoir en koelblokje

Groet,

Edwin

[brutus]

Ja, gezien in het auto forum.

Is niet het allermooiste patent wat er bestaat: het is gewoon luchtkoeling met een ondersteuning door een waterbuffer. Maar het zal ongetwijfeld de motortemperatuur een stuk constanter houden en ik geloof 100% dat zo'n motor makkelijker af te stellen is en constanter loopt.

Ik heb bijna 30 jaar geleden al een keer een Yu'can stock car watergekoeld gemaakt met een zelfgemaakt radiateurtje, en een Robart carterpuls gestuurd brandstof pompje als waterpomp. Dat werkte wél: kon je met de bumper tegen de stoeprand zetten en vol gas geven tot de koppeling verbrandde maar de motor bleef gewoon op temperatuur. Nadel was alleen dat de radiateur kwetsbaar was voor steenslag, en vanwege het nogal knullige expansievat was ik na iedere crash, koprol of aanrijding het koelwater kwijt.

Wil dit weer gaan doen met een helimotor, maar dit keer netter. Helaas is de motor waar ik dit voor in gedachten had kort geleden in elkaar gelopen....
En aangezien ik de motoren ook weer niet uit de losse mouw schud, ligt het dus even stil....

Groet, Bert

[wiebe]

IK zit dit draadje met belangstelling al door te lezen.
Is het niet een idee om de koeling ipv een radiateur via een u buisje over de staartbuis te laten lopen .
Dan zit hij vol in de koel lucht die ook al door de bladen word opgewekt .
En de lengte heb je dan ook al mee .
Dat kan vast een dun buisje worden .
Wie weet later zelfs integreert in de staartbuis ,dan heb je ook nog een sterk koelend oppervlak als de buis van alu is .

[brutus]

De heli waar het in zou komen is een Vario SkyFox Evo. Het idee was om de radiateur te plaatsen in de schuine opening van de kap achter de rotor-as.
Volgens mijn berekeningen zou met een koelwatertemperatuur van 70 tot 80 graden een radiateur ter grootte van een pakje sigaretten voldoende zijn. Daarmee was verzekerd dat de radiateur het uiterlijk niet al te veel zou beïnvloeden, de stroomlijn niet teveel zou verzieken en toch onder alle omstandigheden voldoende luchtverplaatsing voor een goede koeling voorhanden zou zijn (de radiateur zou het theoretisch zonder luchtverplaatsing moeten kunnen verwerken)

Plaatsing van de radiateur is het probleem niet.

De problemen waar ik tegenaan liep (buiten het in elkaar lopen van de motor die ik op het oog had) waren de constructie van de koelmantel van de kop (hoe krijg je een tweedelige koelmantel waterdicht als de zes cylinderkop bouten er ook nog doorheen moeten) en het plaatsen van een koelmantel om het gedeelte van het motorhuis waar de cylindervoering zijn warmte aan het huis afstaat (mantel aanbrengen maar wel de rand waar de cylinderkop bouten in moeten grijpen in tact laten en het geheel ook nog waterdicht krijgen).

Als je een motor vanaf scratch ontwerpt is dat allemaal niet zo'n probleem, maar ontwerpen zal nog wel lukken, bouwen niet: ik heb daar de middelen niet voor en moet dus een bestaande motor modificeren. Heb er over gedacht om op zoek te gaan naar een bootmotor, maar ik heb geen flauw idee of die qua vermogenskromme enigszins geschikt zij voor een heli. Denk het niet omdat ze meestal voor debiel hoge vermogens bij debiel hoge toerentallen uitgerekend zijn. Vandaar dat ik een bestaande helimotor om wilde bouwen.

Al het andere had ik constructief al voor elkaar, inclusief een carterpuls aangedreven pomp die voldoende water zou moeten opbrengen.

Een thermostaatklep was nog een beetje een lastige, maar daar had ik in elk geval al ideeën voor, al waren die nog niet vast omlijnd. Echter, die had ik pas nodig gehad als bleek dat de koelcapaciteit te GROOT zou blijken te zijn.

Alles bij elkaar zal (zoals ik het nu in het hoofd heb) de motor nauwelijks zwaarder zijn, het koelsysteem gauw een gram of 300 toevoegen aan een .60 size heli, maar de vermogensbehoefte (en geluidsproductie) van de koelfan valt af. Voor een 3D heli mogelijk niet interessant, maar voor een schaalheli of een gewone "zondagmiddag-heli" wel, omdat ik verwacht en hoop (maar dus niet zeker weet) dat je met nul% nitro toekunt en veel minder afstelproblemen zult hebben (constantere motortemperatuur), en mogelijk ook nog eens een veel lager brandstofverbruik omdat ik hoop dat je scherper kunt afstellen. Al met al goedkoper vliegen, met nagenoeg gelijkblijvende prestaties dus. Maar voorlopig is het nog niet meer dan een mooie droom....

Groet, Bert