Материал: расчет оборудования

В качестве охлаждающей жидкости используется забортная и пресная вода, масла, легкие сорта топлив и в некоторых случаях воздух. В последнее время в связи с разработкой двигателей с высокотемпературным охлаждением во внутреннем контуре стали применяться охлаждающие жидкости типа «Тосол».

Прежде чем приступить к расчету, нужно дать краткое описание системы: назначение, состав оборудования (донная арматура, фильтры, насосы, холодильники, расширительные бачки и др.), тип системы охлаждения, материал труб и арматуры, контрольно-измерительные приборы, способ охлаждения автономных компрессоров и дейдвудных подшипников.

Кингстоны. В машинном отделении должно быть не менее двух приемных кингстонов. Причем один кингстон устанавливают на днище судна, а другой - на борту или на ящике забортной воды. Кингстоны соединяют между собой, и воду отбирают от соединительной перемычки. На линии охлаждающей воды устанавливают парные фильтры. Насосы пресной (внутреннего контура) и забортной воды, а также холодильник на судах речного флота обычно навешены на двигатель, поэтому их не рассчитывают и не выбирают. На судах морского флота эти насосы часто автономные, и в этом случае необходимо определить потребную подачу и выбрать насос.

Насосы. Подачу насоса пресной (внутреннего контура) воды определяют по формуле

, м³/с,

где k_з = 1,2…1,3 - коэффициент запаса подачи; a - доля теплоты, отводимая пресной (внутреннего контура) водой от всего количества теплоты, введенного с топливом, определяемая по формуле: ; - плотность воды, равная 1000…1030 кг/м³; c = 4,19 кДж/кг·К - теплоемкость пресной воды; Δt – разность температур воды на входе и выходе из двигателя, принимаемая 10…12 ^оС, - удельный расход топлива двигателя, кг/кВт·ч; - номинальная мощность двигателя, кВт; - низшая теплота сгорания топлива (можно принять равной 42700 кДж/кг), - эффективный КПД двигателя, определяемый по формуле

.

Подача насоса забортной воды рассчитывается по формуле

, м /c,

где k_з = 1,4...1,5 - коэффициент запаса, учитывающий расход забортной воды на охлаждение компрессоров, дейдвудных подшипников и т.д., а_м - доля теплоты, отводимая с маслом, рассчитанная по формуле ; = 4,19 кДж/кг∙К - теплоемкость пресной забортной воды, если вода соленая, то её можно принять равной 4 кДж/кг∙К; Δt – расчётный перепад температуры забортной воды, равный 15...20 °С.

С целью унификации насосы пресной и забортной воды рекомендуется принимать с одинаковой подачей. Необходимое давление насосов Р должно быть не менее 200…300 кПа.

Мощность N, кВт, потребляемая насосом:

где Q - подача насоса, м³/с; Р - давление, кПа; η_н - КПД насоса; k - коэффициент запаса мощности, равный 1,3…1,5 при мощности электродвигателя до 4 кВт, и 1,1…1,2 при мощности свыше 4 кВт.

Теплообменники. Поверхность охлаждения холодильника системы охлаждения определяется по формуле

, м²,

где k - коэффициент теплопередачи, который составляет для холодильника без турбулизаторов: трубчатый с d = 10…15 мм k = 1,4 кВт/м²∙К, трубчатый с d < 10 мм k = 3 кВт/м²∙К; с турбулизаторами в круглых трубках или плоскими трубками k ≤ 4,7 кВт/м² ∙К; Δt_ср- средняя логарифмическая разность температур:

,

при ; ^oC,

где - температура пресной (внутреннего контура) воды на выходе из двигателя, равная 60…65 °С для МОД и 75…90 °С для СОД и ВОД; – температура пресной (внутреннего контура) воды за холодильником, принимаемая на 8…10°С меньше температуры за двигателем; - температура забортной воды перед водяным холодильником, равная 33…35 °С (после масляного холодильника); - температура забортной воды после водяного холодильника, равная, 45…50 ^oС.

Расширительные баки. Во время работы двигателя из-за изменения температуры происходит изменение объема рабочего тела во внутреннем контуре. Для компенсации изменения объема воды при изменении ее температуры, а также для возмещения потерь вследствие испарения или утечек служит расширительный бак, соединенный с трубопроводом внутреннего контура системы охлаждения. В таком случае внутренний контур системы охлаждения не является герметически замкнутым, так как вода в расширительном баке сообщается с атмосферой. В настоящее время в связи с внедрением в двигателестроении высокотемпературного охлаждения, когда внутри системы поддерживается повышенное давление, внутренний контур выполняется герметически замкнутым и рабочее тело напрямую с атмосферой не сообщается. Такие двигатели для компенсации температурных изменений объема рабочего тела комплектуются расширительными баками особой конструкции, обычно внутри с эластичной мембраной и надмембранной полостью, заполненной сжатым воздухом.

Емкость атмосферного расширительного бака по опытным данным составляет 100…150 л на каждые 1000 кВт мощности двигателя:

= м³.

Емкость мембранных баков рассчитывается по методикам заводов-изготовителей.

Утилизация теплоты, внутреннего контура. Теплоту внутреннего контура, которая составляет 10…15% от всей теплоты топлива, можно использовать, например, для производства пресной воды в опреснительных установках, в системе отопления, подогрева топлива в танках и др.

4. Масляная система

Масляная система предназначена для приема, хранения, очистки и подачи масла потребителям. В общем случае масляные системы дизельных установок состоят из следующих, по существу, независимых систем: приемоперекачивающей, циркуляционной смазочной, сепарированного масла, подогрева масла.

Приступая к расчету, вначале необходимо дать описание системы с указанием назначения системы, состава оборудования (перечислить расходные, циркуляционные, запасные масляные цистерны, насосы, сепараторы, цистерны отработавшего масла, холодильники, фильтры, терморегуляторы и др.). Затем указываются: тип системы смазки – с «сухим» или «мокрым» картером, количество и марка масла в системе, срок службы масла главных и вспомогательных дизелей, материал труб и арматуры, контрольно-измерительные приборы. Все эти данные можно взять из технических условий на поставку главных и вспомогательных дизелей или в инструкциях по эксплуатации.

Оборудование масляной системы, относящееся непосредственно к двигателю, т.е. навешенное на него, не рассчитывают, но указывают при его описании.

Далее определяются параметры комплектующего оборудования.

Насосы. При малой подаче применяются шестеренные насосы, при большой – винтовые. По назначению масляные насосы могут быть: перекачивающие, циркуляционные (нагнетательные и откачивающие) и прокачивающие (для прокачки двигателя перед пуском).

Перекачивающие насосы служат для перекачки масла из одной емкости в другую. Подачу такого насоса, , м /ч, выбирают, исходя из необходимого времени перекачки требуемого объема масла:

,

где V_цц - объем перекачиваемого масла (объем циркуляционной цистерны), м³; τ - время перекачки, которое может быть принято равным 0,5…1ч, но не должно превышать 3 ч при давлении 0,15…0,20 МПа; k - коэффициент запаса по подаче, равный 1,15…1,18.

Как правило, подача циркуляционных насосов определяется заводами-изготовителями двигателей и в проекте не рассчитывается. При отсутствии данных о подаче насоса она определяется в зависимости от общего количества теплоты, которую необходимо отвести.

Подача нагнетательной секции масляного насоса Q_мн, м³/с, определится по формуле

где k_з = 1,2…1,5 – коэффициент запаса по подаче; = 830…850 кг/м³ - плотность масла; - теплоемкость масла, кДж/кг К; - температурный перепад масла в масляном холодильнике, ⁰C.

Подача откачивающих секций масляных насосов Q_мо, м³/с, принимается в 2…2,5 раза выше, чем подача нагнетательного, но при меньшем давлении (не более 0,1…0,15 МПа).

Мощность, потребляемая насосом, определяется аналогично определению мощности насоса системы охлаждения.

Давление циркуляционного масляного насоса для МОД составляет 0,2…0,3 МПа, для СОД - 0,3…0,5 МПа и для ВОД - 0,4…1,2 МПа.

Для предпусковой прокачки двигателя маслом ставят ручной или электронасос с небольшой подачей. Циркуляционные цистерны заполняются маслом также с помощью ручного насоса.

Сепараторы. Для тонкой очистки масла в систему включаются центробежные сепараторы, которые работают или непрерывно во время работы двигателей, или периодически. Сепарацией отделяются вода и твердые частицы размером от 0,003 мм и выше. Производительность сепаратора Q_с, м³/ч, выбирают из расчета возможности пропустить за 1...3 ч все масло циркуляционной системы. Она определяется по формуле

,

где V_мц - объем масла в циркуляционной системе, м³; τ = 1…3 ч - время прокачки.

Необходимая фактическая производительность сепараторов масла ГД определяется согласно рекомендациям заводов-изготовителей. Например, для двигателей «МАК» расчет производится по формуле

,

где - мощность ГД, кВт; m = 1,5…3,5 - кратность циркуляции масла через сепаратор за сутки, = 8…12 ч – расчетное время работы саморазгружающегося сепаратора в сутки.

Для сепарации масла могут быть использованы топливные сепараторы, однако при этом должны быть применены надежные устройства, предотвращающие смешивание топлива и масла.

Число сепараторов принимают 1-2 в зависимости от производительности. Для установки на суда можно рекомендовать модули сепарации фирмы «ALFA LAVAL» с автоматизированным саморазгружающимся сепаратором, одинаковым с модулем сепарации топлива и подогревателем масла до 50…90 ⁰С.

Холодильники масла. Масляные холодильники, как правило, поставляются с двигателем. При необходимости выбора холодильника его поверхность охлаждения F, м², определяют по формуле

где k – коэффициент теплопередачи, который составляет для холодильников без турбулизаторов 0,27…0,95 кВт/м²·К, а для холодильников с турбулизаторами 0,35…1,17 кВт/м²·К; Δt_ср - средняя разность температур масла и воды определяемая по формуле

⁰С,

здесь - температура масла перед и за холодильником, принимается соответственно 45…55·⁰С и 35…40·⁰С; - температура забортной воды перед и за холодильником, принимается соответственно 28…30·⁰С и 33...35·⁰С, если несколько холодильников включено последовательно, то ⁰С.