Билет 14

1. Холодилк

Холодильные машины и установки предназначены для искусственного снижения и поддержания пониженной температуры ниже температуры окружающей среды от 10 °С и до −150 °С в заданном охлаждаемом объекте. Машины и установки для создания более низких температур называются криогенными. Отвод и перенос тепла осуществляется за счет потребляемой при этом энергии. Холодильная установка выполняется по проекту в зависимости от проектного задания, определяющего охлаждаемый объект, потребный интервал температур охлаждения, источники энергии и виды охлаждающей среды (вода или воздух).

Холодильная установку может состоять из одной или нескольких холодильных машин, укомплектованных вспомогательным оборудованием: системой энерго- и водоснабжения, контрольно-измерительными приборами, приборами регулирования и управления, а также системой теплообмена с охлаждаемым объектом. Холодильная установка может быть установлена в помещении, на открытом воздухе, на транспорте и в различных устройствах, в которых необходимо поддерживать заданную пониженную температуру и удалять излишнюю влажность воздуха.

Система теплообмена с охлаждаемым объектом может быть с непосредственным охлаждением холодильным агентом или по замкнутой системе, или по разомкнутой, как при охлаждении сухим льдом или воздухом в воздушной холодильной машине. Замкнутая система может также быть с промежуточным хладоносителем, который переносит холод от холодильной установки к охлаждаемому объекту.

Началом развития холодильного машиностроения в широких размерах можно считать создание Карлом Линде в 1874 г. первой аммиачной парокомпрессорной холодильной машины. С тех пор появилось много разновидностей холодильных машин, которые можно сгруппировать по принципу работы следующим образом: парокомпрессорные, упрощенно называемые компрессорные, обычно с электроприводом; теплоиспользующие: абсорбционные и пароинжекторные; воздушно-расширительные, которые при температуре ниже −90 °С экономичнее компрессорных, и термоэлектрические, которые встраиваются в приборы.

Каждая разновидность машин имеет свои особенности, по которым выбирается их область применения. В настоящее время холодильные машины и установки применяются во многих областях народного хозяйства и в быту. Ряд подробностей о холодильных машинах и установках можно найти в статье домашний холодильник.

Цикл Карно в координатах P и V

Цикл Карно в координатах T и S

Пусть тепловая машина состоит из нагревателя с температурой  , холодильника с температурой   и рабочего тела.

Цикл Карно состоит из четырёх стадий:

Изотермическое расширение (на рисунке — процесс A→Б). В начале процесса рабочее тело имеет температуру  , то есть температуру нагревателя. Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передаёт ему количество теплоты  . При этом объём рабочего тела увеличивается.

Адиабатическое (изоэнтропическое) расширение (на рисунке — процесс Б→В). Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура уменьшается до температуры холодильника.

Изотермическое сжатие (на рисунке — процесс В→Г). Рабочее тело, имеющее к тому времени температуру  , приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься, отдавая холодильнику количество теплоты  .

Адиабатическое (изоэнтропическое) сжатие (на рисунке — процесс Г→А). Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя.

При изотермических процессах температура остаётся постоянной, при адиабатических отсутствует теплообмен, а значит, сохраняется энтропия:

 при  .

Поэтому цикл Карно удобно представить в координатах T и S (температура и энтропия).

2 - При пуске двигателя необходимо вращать коленчатый вал с таким числом оборотов, при котором температура и давление воздуха или смеси в цилиндре повышаются до величины, необходимой для воспламенения топлива. У карбюраторных двигателей автомобильного типа это "пусковое" число оборотов составляет приблизительно 50 в минуту, у большинства дизелей малой и средней мощности 100 - 200 в минуту в зависимости от числа оборотов. Если вращать коленчатый вал двигателя с малым числом оборотов, температура и давление в конце сжатия будут слишком низкими из-за большого отвода теплоты в окружающую среду и пропуска газов поршневыми кольцами. У дизелей при вращении с малым числом оборотов не происходит хорошего распыливания топлива, что еще больше затрудняет воспламенение.

Для вращения коленчатого вала при пуске применяют различные устройства. Вал двигателей малой мощности можно при пуске вращать вручную при помощи рукоятки.

У большинства двигателей даже самой малой мощности при пуске вал приводится в движение не вручную, а устройством, которое питается каким-либо посторонним источником энергии. Это облегчает работу обслуживающего персонала и позволяет осуществить дистанционное управление.

В зависимости от используемого источника энергии для вращения вала существуют различные способы пуска.

Пуск может совершаться электродвигателем малой мощности - стартером, соединенным с двигателем внутреннего сгорания отключаемой шестеренчатой передачей. Такие пусковые устройства имеют автомобильные двигатели, некоторая часть тракторных и комбайновых дизелей, двигатели небольшой мощности стационарных и передвижных установок. На тепловозах с электропередачей двигатели соединены с генераторами. Для пуска используется этот же генератор, работающий в режиме двигателя и питаемый от аккумуляторной батареи.

У судовых и стационарных двигателей средней и большой мощности источником энергии при пуске служит сжатый воздух. Для подзарядки баллонов со сжатым воздухом на двигателе устанавливают воздушный компрессор или применяют компрессор с электроприводом.

У большинства отечественных тракторных двигателей источником энергии при пуске является специальный пусковой бензиновый двигатель. Это дает возможность в холодных условиях прокручивать основной двигатель длительное время (до начала подачи топлива).

Перевод судового дизеля на работу на топливе осуществляется в зависимости от способа пуска: последовательным вводом пускового воздуха и топлива или одновременным вводом пускового воздуха и топлива.

Первый способ применяется при ручном управлении. При этом в момент достижения коленчатым валом двигателя пусковой частоты вращения прекращается подача пускового воздуха и включается подача топлива. Последнее воспламеняется, и двигатель начинает работать на топливе.

Второй способ используется при автоматизированном управлении двигателем. В данном случае топливо впрыскивается сразу же с начала пуска дизеля. Как только в цилиндре создается достаточная температура заряда на такте сжатия, топливо самовоспламеняется. Подача пускового воздуха автоматически прекращается, и двигатель начинает работать на топливе.

При пуске двигателя сжатый воздух не обязательно подавать в момент нахождения поршня в нижней мертвой точке (НМТ) до момента открытия выпускного клапана. Подачу воздуха можно прекратить и раньше. Поршень при этом будет перемещаться вследствие расширения поступившего в цилиндр сжатого воздуха.

Чтобы обеспечить пуск многоцилиндрового четырехтактного двигателя при любом положении коленчатого вала, подвод воздуха должен осуществляться не менее чем к шести цилиндрам, а продолжительность подачи по углу поворота коленчатого вала в каждый цилиндр должна превышать угол заклинивания кривошипов.

Воздух подается последовательно во все цилиндры в порядке их работы, и коленчатый вал раскручивается до пусковой частоты вращения. В цилиндры двигателя воздух поступает через пусковые клапаны (ПК), которые открываются за 0—10° ПКВ до прихода поршня в верхнюю мертвую точку (ВМТ) и закрываются за 125—135° поворота коленчатого вала после прохождения им верхней мертвой точки (ВМТ). Опережение открытия пускового клапана необходимо для того, чтобы к моменту прихода поршня в верхней мертвой точке (ВМТ) клапан был полностью открыт. Опасности, что из-за опережения открытия пускового клапана коленчатый вал повернется в обратном направлении, нет, так как в этот момент еще открыт пусковой клапан предыдущего по порядку работы цилиндра, а вращающий момент, развиваемый находящимся в цилиндре воздухом (с учетом расположения его кривошипа) будет значительно больше.

Пусковые клапаны (ПК) открываются под действием управляющего сигнала, поступающего от воздухораспределителя или из распределительных золотников, связанных с главным пусковым клапаном пусковой магистралью и с пусковыми клапанами линиями управления. Воздухораспределитель подает управляющий сигнал к пусковому клапану того цилиндра, поршень которого находится на такте рабочего хода. При подаче управляющего сигнала пусковые клапаны открывается, рабочий воздух из пусковой магистрали поступает в цилиндр двигателя и начинает раскручивать коленчатый вал. В определенный момент согласно фазам работы пускового клапана его управляющая полость разобщается с пусковой магистралью и сообщается с атмосферой через разгрузочное окно воздухораспределителя. Управляющий сигнал исчезает, и пусковые клапаны данного цилиндра закрывается. При вращении коленчатого вала управляющий сигнал будет поочередно поступать ко всем пусковым клапанам в соответствии с порядком работы цилиндров, что обеспечивается воздухораспределителем. После достижения пусковой частоты вращения коленчатого вала двигатель начинает работать на топливе, главный пусковой клапан закрывается и подача пускового воздуха прекращается.

3 - Конструкция современного котла включает в себя циркуляционный контур, по которому движутся вода и пароводяная смесь. Этим обеспечиваются постоянное парообразование или водяной нагрев и необходимая надежность оборудования из-за постоянства теплового режима при эксплуатации многих элементов котла, в первую очередь труб поверхностей нагрева. При изменении циркуляции воды изменяется отвод теплоты от нагреваемых труб, в результате чего металл может перегреться (при уменьшении циркуляции) и снизить свою механическую прочность. В конечном итоге могут появиться недопустимые дефекты в нагреваемых трубах (местные вздутия, свищи и даже разрыв труб).

Применяются в паровых котлах три схемы циркуляции: естественная, многократная принудительная и прямоточная.

В котлах с естественной циркуляцией циркуляционный контур состоит из обогреваемых труб и необогреваемых. Необогреваемые трубы выведены за пределы топочного пространства. Вверху трубы соединены с барабаном котла – поэтому подобные котлы называют барабанными. Внизу трубы соединены коллектором. Обогреваемые и необогреваемые части контура разделены теплоизоляционной футеровкой. Нагретая пароводяная смесь с меньшей плотностью движется на верх в барабан, где происходит кипение, а холодная вода с большей плотностью движется вниз… Таким образом постоянно поддерживается естественная циркуляция воды и пароводяной смеси.

Обогреваемые трубы, в которых вода движется вверх, называются подъемными, а необогреваемые - опускными.

Чтобы обеспечить надежную работу пароводяного котла с естественной циркуляцией, необходима разница плотностей воды и пара, на практике допустима разница при давлении не более 18МПа. Это давление называется критическим для котлов с естественной циркуляцией. При серийном производстве паровых котлов с естественной циркуляцией рабочее давление ограничивают 13,5 МПа.

Котлы с принудительной многократной циркуляцией устроены с встроенным в контур циркуляционным насосом.

Прямоточные котлы без барабанов с одноцикловой циркуляцией. В них вода подается питательным насосом и превращается полностью в пар. Прямоточные котлы изготавливают на давление 14 МПа паропроизводительностью от 250 до 640 т/ч и на давление 25,5 МПа паропроизводительностью 950, 1600 и 2500 т/ч.

Почти все водогрейные котлы работают по прямоточной схеме. В прямоточном котле нет барабана, который трудоемок и сложен в изготовлении. Через трубную систему котла в них последовательно закачивается насосами сетевая вода.

4 - Конта́ктор (лат. contāctor «соприкасатель») — двухпозиционный электромагнитный аппарат, предназначенный для частых дистанционных включений и выключений силовых электрических цепейв нормальном режиме работы. Разновидность электромагнитного реле.

Наиболее широко применяются одно- и двухполюсные контакторы постоянного тока и трёхполюсные контакторы переменного тока. К контакторам из-за частых коммутаций (число циклов включения-выключения для контакторов разной категории изменяется от 30 до 3600 в час) предъявляются повышенные требования по механической и электрической износостойкости. Контакторы как постоянного, так и переменного тока содержат: электромагнитную систему, контактную систему, состоящую из подвижных и неподвижных контактов, дугогасительную систему, систему блок-контактов (вспомогательные контакты, переключающие цепи сигнализации и управления при работе контакторов). В отличие от автоматических выключателей контакторы могут коммутировать только номинальные токи, они не предназначены для отключения токов короткого замыкания.

Управление контактором осуществляется посредством вспомогательной цепи переменного тока, проходящего по катушкам контактора, напряжением 24, 42, 110/127, 220 или 380 вольт. Для обеспечения безопасности при обслуживании контактора, величина оперативного тока должна быть значительно ниже величины рабочего тока в коммутируемых цепях. Контактор не имеет механических средств для удержания контактов во включенном положении, при отсутствии управляющего напряжения на катушке контактора он размыкает свои контакты. Для удержания контактов в рабочем положении применяется схема «самоподхвата» с использованием пары нормально-открытых контактов или постоянно существующий потенциал, например напряжение с выхода ПЛК.

Как правило, контакторы применяются для коммутации электрических цепей промышленного тока при напряжении до 660 В и токах до 1 600 А. Для использования в качестве контактора могут применяться управляющие реле (англ. control relay), имеющие нормально открытые пары контактов.

Основные области применения контакторов: управление мощными электродвигателями (например, на тяговом подвижном составе —электровозах, тепловозах, электропоездах, трамвайных и троллейбусных вагонах, на лифтах), коммутация цепей компенсации реактивной мощности, коммутация больших постоянных токов.

5 - Одним из основных требований, предъявляемых к судовой энергетической установке, является требование быть экономичной, то есть строительная и эксплуатационные затраты на нее должны быть оптимальными. В целях достижения оптимальной экономичности в процессе проектирования обязательно осуществляется максимальная стандартизация, то есть подбор материалов, механизмов, устройств, систем и т.д. К показателям экономичности относятся показатели тепловой и экономической эффективности судовых энергетических установок. Показатели тепловой экономичности характеризуют эффективность использования в установке теплоты сожженного топлива. К абсолютным показателям тепловой экономичности могут быть отнесены расходы теплоты итоплива на энергетическую установку. Основными относительными показателями тепловой экономичности СЭУ являются удельные расходы теплоты и топлива,КПД установки и КПД судового комплекса.  Показатели тепловой экономичности установки изменяются в зависимости от режима ее работы, то есть от мощности. Абсолютные показатели со снижением мощности уменьшаются. Относительные показатели имеют более сложную зависимость. Высокая экономичность обычно достигается при нагрузках в  пределах от 80 до 100% номинальной мощности главных двигателей. При работе с недогрузкой или перегрузкой экономичность установки падает. Экономическая эффективность, являющаяся в большинстве случаев критерием оптимальности технических решений, оценивается обычно по эффективности капитальных вложений, связанных реализацией этих решений. Эффективность капитальных вложений определяется сопоставлением  затрат и полученного эффекта, причем эффект в зависимости от назначения и характера объектов может измеряться в различных единицах. В сумме эксплуатационных затрат стоимость топлива, смазочных материалов и содержания машинной команды составляет в среднем 35-40%. Снижение затрат на топливо может быть осуществлено путем использования на судах тяжелых сортов и путем поддержания оптимальных режимов работы главных двигателей.