Система охлаждения судового дизеля Российский патент 2024 года по МПК B63H11/09 F01P3/22 

Изобретение относится к дизелестроению, в частности к системам охлаждения судовых дизелей и может быть использована на дизельных установках судов речного и морского транспорта.

Известна испарительная система охлаждения двигателя внутреннего сгорания согласно патенту RU №2459963. В ней охлаждение двигателя достигается за счет испарения охлаждающей жидкости, с последующей конденсацией пара. При этом охлаждающая жидкость заполняет охлаждаемые полости двигателя и отсутствует ее принудительная циркуляция. Температура охлаждающей жидкости регулируется путем изменения давления пара.

Данная система охлаждения двигателя не может быть применена для мощных судовых дизелей, где охлаждаемые поверхности дизеля омываются непрерывно циркулирующей охлаждающей жидкостью.

Также известна одноконтурная система охлаждения судового дизеля, в которой охлаждение дизеля осуществляется непосредственно забортной водой (см., например, Конаков Г.Л., Васильев Б.В. Судовые энергетические установки и техническая эксплуатация флота. Под общ. ред. Конакова Г.А. Учебник для вузов водн. граней. - М.: Транспорт, 1980. - 423 с., стр. 147-148). При этом реализуется конвективный механизм передачи теплоты, характеризующийся низким коэффициентом теплоотдачи от охлаждаемых поверхностей дизеля к воде. Поэтому для эффективного охлаждения дизеля необходимо прокачивать через его охлаждаемые элементы значительный объем воды, а для этого требуются достаточно мощные насосы. Кроме того, в такой системе охлаждения дизеля возможно засорение зарубашечного пространства дизеля илом и другими взвешенными частицами, содержащимися в забортной воде, а также интенсивное отложение солей в зарубашечном пространстве (на морских судах) и образование накипи, плохо проводящей теплоту и резко ухудшающей теплообмен.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является двухконтурная система охлаждения судового дизеля, при которой в двигателе циркулирует пресная вода, охлаждаемая в специальных водяных холодильниках. Водяные холодильники охлаждаются забортной водой, подаваемой насосом внешнего контура. Циркуляция воды во внутреннем контуре (через охлаждаемый дизель) обеспечивается насосом внутреннего контура, который также включает в себя подогреватель и терморегулятор. В такой системе охлаждения температура воды на входе дизеля на 10-12°С меньше чем на выходе. Температура воды на входе и выходе дизеля контролируется термометрами (см., например, Конаков Г.Л., Васильев Б.B. Судовые энергетические установки и техническая эксплуатация флота. Под общ. ред. Конакова Г.Л. Учебник для вузов водн. трансп. - М.: Транспорт, 1980. - 423 с., стр. 147-151).

Во внутреннем контуре охлаждения дизеля реализуется конвективный механизм передачи теплоты, который характеризуется низким коэффициентом теплоотдачи от охлаждаемых поверхностей дизеля к воде. Поэтому для эффективного охлаждения дизеля необходимо прокачивать через его охлаждаемые элементы значительный объем воды.

В теплообменном аппарате, где происходит охлаждение воды внутреннего контура дизеля забортной водой, также реализуется конвективный механизм передачи теплоты. Передача теплоты в теплообменном аппарате от воды внутреннего контура дизеля забортной воде происходит через металлическую стенку и эффективность теплопередачи достаточно низкая. Это объясняется достаточно низким значением коэффициента теплопередачи от воды к воде (для судовых дизелей не превышает 1.16 кВт/(м²⋅К) и небольшой средней разностью температур воды внутреннего и внешнего контуров охлаждения дизеля (температурным напором) она для судовых дизелей находится в пределах 45-60°С (см., например, Конаков Г.А., Васильев Б.В. Судовые энергетические установки и техническая эксплуатация флота. Под общ. ред. Конакова Г.А. Учебник для вузов водн. трансп. - М.: Транспорт, 1980. - 423 с., стр. 147-151).

Для охлаждения в таком теплообменном аппарате большого объема воды внутреннего контура в свою очередь требуется большая подача воды внешнего контура.

Таким образом, для обеспечения подачи больших объемов воды во внутреннем и внешнем кон турах требуются мощные насосы. Эти насосы, как правило, навесные и отбираю! часть мощности от дизеля. В результате снижается эффективность судового дизеля.

Задачей данного изобретения является повышение эффективности судового дизеля путем уменьшения мощности насоса во внутреннем контуре охлаждения за счет обеспечения кипения воды на выходе дизеля, получения из нее насыщенного пара с последующей его конденсацией.

Задача предлагаемого изобретения достигается тем, что в известную систему охлаждения судового дизеля, содержащую последовательно соединенные насос внутреннего контура, подогреватель, дизель, а также два термометра, один из которых подключен к входу, а другой к выходу дизеля, расширительный бак и насос внешнего контура, дополнительно введены пароводяной коллектор, содержащий главный клапан, продувочный клапан, датчик давления и датчик уровня воды, а также последовательно соединенные пароохладитель с контуром забортной воды, вход которого подключен к выходу насоса внешнего контура, причем вход пароохладителя соединен с выходом главного клапана, теплый ящик, питательный насос и клапан уровня, выход которого подключен к входу питательной воды пароводяного коллектора, а также наполнительный клапан, вход которого соединен с выходом расширительного бака, а выход подключен к входу теплого ящика, кроме того содержит блок управления, первый, второй и третий входы которого соединены соответственно с датчиком давления, датчиком уровня воды и вакуумным выходом пароводяного коллектора, а его управляющий выход подключен к управляющему входу клапана уровня, кроме того вход насоса внутреннего контура соединен с выходом пароводяного коллектора, а выход дизеля подключен к входу нагретой воды пароводяного коллектора.

Существо предлагаемого устройства.

В установившемся режиме работы на вход дизеля из пароводяного коллектора подается слегка недогретая до кипения вода. Омывая нагретые поверхности дизеля (например, охладителя масла, втулки, крышки цилиндров) вода постепенно подогревается до кипения и далее в ней начинается процесс парообразования, то есть происходит переход от механизма передачи теплоты конвекцией к пузырьковому режиму. В пузырьковом режиме коэффициент теплоотдачи на порядок больше, чем при конвективном механизме передачи теплоты. Такой высокий коэффициент теплопередачи при кипении воды, объясняется значительной величиной теплоты ее парообразования (так при 100°С она равна 2256,8 кДж/кг, то есть 1 кг воды в этом режиме может отвести от нагреваемой поверхности до 2256,8 кДж, а при конвективном механизме всего порядка 42 кДж - в предположении, что в процессе охлаждения дизеля нагрев воды осуществляется на 10°С). Расчеты показывают, что при пузырьковом режиме охлаждения при отводе теплоты в количестве 42 кДж паросодержание в охлаждающей воде повышается всего па величину около 2%. Количество пара в пароводяной смеси на выходе дизеля пропорционально количеству теплоты, отводимой от дизеля.

В результате этих процессов для обеспечения заданной степени охлаждения дизеля необходимо прокачивать через дизель существенно меньшее количество охлаждающей воды, чем в известном решении, что позволяет применять насос внутреннего контура с меньшей подачей.

Пароводяная смесь с выхода дизеля подается в пароводяной коллектор, в котором происходит отделение пара от воды и количество пара пропорционально количеству теплоты, отводимой от дизеля. Этот пар влажный, насыщенный. Затем пар выдается в пароохладитель, который охлаждается забортной водой. Поскольку пар насыщенный, то при его охлаждении он сразу конденсируется (в прототипе воду па выходе дизеля надо охлаждать примерно на 10°С) Выделенная при его конденсации теплота уносится забортной водой. Полученный конденсат подается в пароводяной коллектор для пополнения воды, израсходованной за счет парообразования.

При увеличении нагрузки на дизель количество отводимой теплоты от него внутренним контуром охлаждения должно увеличиться. В результате при применении известной системы охлаждения (прототип) для отвода этой теплоты необходимо увеличивать подачу воды насосов внутреннего и внешнего контуров охлаждения. В предлагаемом устройстве не требуется увеличивать подачу насоса внутреннего контура охлаждения, так как при увеличении нагрузки на дизель будет меняться только содержание пара в воде на выходе дизеля.

Таким образом, заявляемое техническое решение по сравнению с прототипом позволяет снизить мощность насоса во внутреннем контуре охлаждения дизеля, и, тем самым, обеспечивает повышение эффективности судового дизеля.

Краткое описание чертежей.

Па Фиг. 1 приведена схема предлагаемой системы охлаждения дизеля.

На Фиг. 2 приведена схема блока управления.

Система охлаждения судового дизеля, содержит последовательно соединенные насос внутреннего контура 1, подогреватель 2, дизель 3. а также два термометра 4, и 5, один из которых подключен к входу, а другой к выходу дизеля 3 и расширительный бак 6, а также пароводяной коллектор 7, содержащий главный клапан 8, продувочный клапан 9, датчик давления 10 и датчик уровня воды 11, а также последовательно соединенные пароохладитель 12 с контуром забортной воды 13, вход которого подключен к выходу насоса внешнего контура 21, причем вход пароохладителя 12 соединен с выходом главного клапана 8, теплый ящик 14, питательный насос 15 и клапан уровня 16, выход которого подключен к входу питательной воды пароводяного коллектора 7, а также наполнительный клапан 17, вход которого соединен с выходом расширительного бака 6, а выход подключен к входу теплого ящика 14, кроме того содержит блок управления 22 первый, второй и третий входы, которого соединены соответственно с датчиком давления 10, датчиком уровня воды 11 и вакуумным выходом пароводяного коллектора 7, а его управляющий выход подключен к управляющему входу клапана уровня 16, кроме того, вход насоса внутреннего кон тура 1 соединен с выходом пароводяного коллектора 7, а выход дизеля 3 подключен к входу нагретой воды пароводяного коллектора 7.

Пароводяной коллектор 7 (иногда его называют сепаратором пара) это стандартное устройство, представляющего собой составную часть парового котла. Они выпускаются промышленностью с различными массогабаритными параметрами и техническими характеристиками (см., например, Хряпченков А.С. Судовые вспомогательные и утилизационные котлы: Учебное пособие, - 2-е изд. перераб. и доп. - Л.; Судостроение, 1988. 296 с.; стр. 8-10, 12, 17-19, 202). Пароводяной коллектор 7 состоит из резервуара, верхняя часть которого при работе котла заполняется паром, а нижняя часть водой. В его состав также входят ряд клапанов, в том числе клапан, через который осуществляется выдача пара потребителям, так называемый главный клапан 8 и продувочный клапан 9, а также датчики уровня воды 11 и давления 10.

Пароводяной коллектор 7 также имеет вход нагретой воды, вход питательной воды, а также выход для подключения к нагревателю, располагаемые ниже номинального уровня воды. В паровых котлах нагревателем могут быть нагревательные трубки в гонке котла или в тракте прохождения отработавших газов дизеля. Вход питательной воды и выход для подключения к нагревателю, удалены от входа нагретой воды. Роль подогревателя в предлагаемом устройстве играет сам дизель 3.

Блок управления 22 обеспечивает поддержание заданного давления и уровня воды в пароводяном коллекторе 7. В том или ином виде он входит в состав всех паровых котлов. На Фиг. 2 приведена возможная схема этого устройства.

Блок управления 22 содержит устройство управления 18 при этом первый и второй информационные входы устройства управления 18 соединены соответственно с первым и вторым входом блока управления 22, а также последовательно соединенные вакуумный клапан 19 и вакуумный насос 20, причем первый управляющий выход устройства управления 18 подключен к управляющему входу вакуумного клапана 19, а второй управляющий выход устройства управления 18 соединен с управляющим выходом блока управления 22.

На устройстве управления 18 выставляется требуемая температура на выходе дизеля 3, а также требуемый уровень воды в пароводяном коллекторе 7.

Вакуумный клапан 19 обеспечивает поддержание заданного давления в пароводяном коллекторе 7 путем подключения его парового пространства к вакуумному насосу 20. Это подключение осуществляется по командам на первом управляющем выходе устройства управления 18. В свою очередь эти команды в устройстве управления 18 вырабатываются на основе сравнения данных о давлении в пароводяном коллекторе 7, поступающих с датчика давления К) и заданного давления. Информация о заданном давлении вводится в устройство управления 18 программно на основе таблицы «Термодинамические свойства воды и водяного пара в состоянии насыщения» (Теплофизические свойства рабочих веществ теплоэнергетики: справочник / А.А. Александров, К.А. Орлов, В.Ф. Очков - М.: Издательский дом МЭИ, 2017. - 226 с.; стр. 38, Таблица II - Термодинамические свойства воды и водяного пара в состоянии насыщения (по давлению)), в которой приведены данные о давлении насыщенного пара в зависимости от температуры.

Клапан уровня 16 обеспечивает поддержание заданного уровня воды в пароводяном коллекторе 7. Для этого на управляющий вход клапана уровня 16 подается со второго управляющего выхода устройства управления 18 управляющий сигнал, значение которого пропорционально разности требуемого уровня и исходного, информация о котором поступает с датчика уровня 11. Значение требуемого уровня воды в пароводяном коллекторе 7 обычно задано его техническими характеристиками, и в устройство управления 18 может также заноситься программно.

Работа предложенного устройства.

На устройстве управления 18 блока управления 22 выставляется, требуемая температура на выходе дизеля 3, а также требуемый уровень воды в пароводяном коллекторе 7.

Затем производится наполнение системы охлаждения водой. Вначале наполняется до заданного уровня расширительный бак 6 и через наполнительный клапан 17 заполняется питательной водой теплый ящик 14. Затем на пароводяном коллекторе 7 открывается продувочный клапан 9. Вода в пароводяной коллектор подается постоянно включенным питательным насосом 15 через клапан уровня 16, уровень открытия которого определяется величиной сигнала на управляющем выходе блока управления 22, то есть величиной управляющего сигнала со второго управляющего выхода устройства управления 18. В устройстве управления 18 требуемый уровень воды в пароводяном коллекторе выставляется программно, а информация о текущем уровнем поступает на второй информационный вход устройства управления 18 от датчика уровня воды 11 пароводяного коллектора 7. Чем больше разность между требуемым уровнем воды в пароводяном коллекторе 7 и имеющимся уровнем, тем больше управляющий сигнал на втором управляющем выходе устройства управления 18 и соответственно в большей степени открыт клапан уровня 16 и наоборот. По мере наполнения пароводяного коллектора 7 водой величина управляющего сигнала поступающего на управляющий вход клапана уровня 16 уменьшается и соответственно уменьшается поток воды, проходящий через клапан 16. При сравнении требуемого и текущего уровней воды в пароводяном коллекторе 7 величина сигнала, поступающего на управляющий вход клапана уровня 16 становится равной нулю, и он закрывается, и тем самым прекращается поступление воды в пароводяной коллектор. В ходе наполнения водой пароводяного коллектора 7 включается насос внутреннего контура 1, в результате вода заполняет также элементы системы охлаждения, находящиеся между выходом пароводяного коллектора 7 и его входом нагретой воды: соединительные трубы, а также полости насоса внутреннего контура 1, подогревателя 2, дизеля 3.

После наполнения системы охлаждения водой закрывается продувочный клапан 9.

Далее включается вакуумный насос 20, блока управления 22, который через вакуумный клапан 19 обеспечивает откачку воздуха из парового пространства пароводяного коллектора 7. Откачка осуществляется до достижения давления, соответствующего температуре насыщения, выставленной па устройстве управления 18 (требуемая температура па выходе дизеля 3). Затем включается подогреватель 2. Включенным насосом внутреннего контура 1 вода забирается с выхода пароводяного коллектора 7, прокачивается последовательно через подогреватель 2, дизель 3 и далее вода подастся в водяное пространство пароводяного коллектора 7 через вход нагретой воды. Вода постепенно прогревается. Температура на входе и выходе дизеля 3 контролируется термометрами 4 и 5 соответственно. При достижении заданной температуры (требуемая температура на выходе дизеля установлена на устройстве управления 18, путем установки соответствующего давления насыщения) подогреватель 2 отключается и включается в работу прогретый дизель 3.

В установившемся режиме работы системы охлаждения судового дизеля 3 слегка недогретая до кипения вода с выхода пароводяного коллектора 7 насосом внутреннего контура 1 через выключенный подогреватель 2 подается па вход дизеля 3. Омывая нагретые поверхности дизеля 3 (например, охладителя масла, втулки, крышки цилиндров и др. элементы) вода постепенно подогревается до кипения и далее в ней начинается процесс парообразования, то есть происходит переход от механизма передачи теплоты конвекцией к пузырьковому режиму кипения.

В пузырьковом режиме коэффициент теплоотдачи на порядок больше, чем при конвективном механизме передачи теплоты. Такой высокий коэффициент теплопередачи при кипении воды, объясняется значительной величиной теплоты ее парообразования (так при 100°С она равна 2256,8 кДж/кг, то есть 1 кг воды в этом режиме может отвести от нагреваемой поверхности до 2256,8 кДж, а при конвективном механизме всего порядка 42 кДж - в предположении, что в процессе охлаждения дизеля нагрев воды осуществляется на 10°С). Расчеты показывают, что при пузырьковом режиме охлаждения при отводе теплоты в количестве 42 кДж паросодержание в охлаждающей воде повышается всего на величину около 2%. Количество пара в пароводяной смеси на выходе дизеля 3 пропорционально количеству теплоты, отводимой от него.

В результате этих процессов для обеспечения заданной степени охлаждения дизеля необходимо прокачивать через дизель 3 существенно меньшее количество охлаждающей воды, чем в известном решении, что позволяет применять насос внутреннего контура 1 с меньшей подачей.

Пароводяная смесь с выхода дизеля 3 поступает на вход нагретой воды пароводяного коллектора 7 и па его поверхности раздела воды и пара (зеркале испарения) будут выделять пузырьки пара, которые поступили в составе пароводяной смеси. В результате количество полученного пара пропорционально количеству теплоты, отводимой от дизеля 3. Этот пар влажный, насыщенный. Затем пар через главный клапан 8 выдается в пароохладитель 12, который охлаждается забортной водой, поступающей через контур забортной воды 13.

Поскольку пар насыщенный, то при его охлаждении он сразу конденсируется (в прототипе воду на выходе дизеля надо охлаждать примерно на 10°С) Выделенная при его конденсации теплота уносится забортной водой, поступающей через контур забортной воды 13 с помощью насоса внешнего контура 21. Полученный конденсат поступает в теплый ящик 14 и затем питательным насосом 15 через клапан уровня 16 подается на вход питательной воды в пароводяной коллектор 7 для пополнения воды, израсходованной за счет парообразования.

При увеличении нагрузки на дизель 3 количество отводимой теплоты от него внутренним контуром охлаждения должно увеличиться. В известной системе охлаждения (прототип) для отвода этой теплоты необходимо увеличивать подачу воды насосов внутреннего и внешнего контуров охлаждения. В предлагаемом устройстве подача насоса внутреннего контура охлаждения 1 не меняется, так как при увеличении нагрузки на дизель 3 будет меняться только содержание пара в воде на выходе дизеля 3.

Таким образом, заявляемое техническое решение по сравнению с прототипом позволяет снизить мощность насоса во внутреннем контуре охлаждения дизеля, и, тем самым, обеспечивает повышение эффективности судового дизеля.

При этом у заявляемого технического решения появляются новые свойства, заключающиеся в обеспечении кипения воды па выходе дизеля, получения из нее насыщенного пара с последующей его конденсацией, не совпадающее со свойствами, проявляемыми отличительными признаками в известных решениях и не равные сумме этих свойств, обеспечивающее достижение нового положительного эффекта - повышение эффективности судового дизеля.

Изобретение относится к дизелестроению, в частности к системам охлаждения судовых дизелей, и может быть использовано на дизельных установках судов речного и морского транспорта. Система охлаждения судового дизеля содержит последовательно соединенные насос внутреннего контура, подогреватель, дизель, а также два термометра, один из которых подключен к входу, а другой к выходу дизеля, расширительный бак, насос внешнего контура и пароводяной коллектор. Пароводяной коллектор содержит главный клапан, продувочный клапан, датчик давления и датчик уровня воды, а также последовательно соединенные пароохладитель с контуром забортной воды, вход которого подключен к выходу насоса внешнего контура, причем вход пароохладителя соединен с выходом главного клапана, теплый ящик, питательный насос и клапан уровня, выход которого подключен к входу питательной воды пароводяного коллектора, а также наполнительный клапан, вход которого соединен с выходом расширительного бака, а выход подключен к входу теплого ящика, кроме того, содержит блок управления, первый, второй и третий входы которого соединены соответственно с датчиком давления, датчиком уровня воды и вакуумным выходом пароводяного коллектора, а его управляющий выход подключен к управляющему входу клапана уровня. Вход насоса внутреннего контура соединен с выходом пароводяного коллектора, а выход дизеля подключен к входу нагретой воды пароводяного коллектора. Достигается снижение мощности насоса во внутреннем контуре охлаждения дизеля и, тем самым, обеспечивается повышение эффективности судового дизеля. 2 ил.

Система охлаждения судового дизеля, содержащая последовательно соединенные насос внутреннего контура, подогреватель, дизель, а также два термометра, один из которых подключен к входу, а другой к выходу дизеля, расширительный бак и насос внешнего контура, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены пароводяной коллектор, содержащий главный клапан, продувочный клапан, датчик давления и датчик уровня воды, а также последовательно соединенные пароохладитель с контуром забортной воды, вход которого подключен к выходу насоса внешнего контура, причем вход пароохладителя соединен с выходом главного клапана, теплый ящик, питательный насос и клапан уровня, выход которого подключен к входу питательной воды пароводяного коллектора, а также наполнительный клапан, вход которого соединен с выходом расширительного бака, а выход подключен к входу теплого ящика, кроме того, содержит блок управления, первый, второй и третий входы которого соединены соответственно с датчиком давления, датчиком уровня воды и вакуумным выходом пароводяного коллектора, а его управляющий выход подключен к управляющему входу клапана уровня, кроме того, вход насоса внутреннего контура соединен с выходом пароводяного коллектора, а выход дизеля подключен к входу нагретой воды пароводяного коллектора.