
книги из ГПНТБ / Ченцов В.Н. Тепломеханическое оборудование автономных источников электроснабжения конспект лекций
.pdf180
§ 16. СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ДИЗЕЛЕЙ
Назначение и классификация систем охлаждения дизелей
Система |
охлаждения служит для |
отвода |
тепла от деталей |
дви |
||
г а т е л я , нагревающихся |
от соприкосновения |
с горячими |
газами |
или |
||
вследствие |
трения, и |
поддержания |
в них |
допустимой |
температуры. |
В систему охлаждения в зависимости от быстроходности и мощности
дизеля отводится от 15 до 35% тепла, образующегося |
при сгора |
нии топлива. Температурный режим системы охлаждения |
оказывает |
значительное влияние на работу дизеля. При повышении темпера
туры выходящей воды до 100 |
- ІІ5°С увеличивается мощность |
дви |
|
г а т е л я , снижается |
удельный |
расход топлива, уменьшается износ |
|
стенок цилиндра, |
снижается |
разность температур внутренних |
и |
наружных стенок цилиндров и, |
следовательно, уменьшаются темпе |
||
ратурные напряжения. Верхнее |
значение температуры воды |
на |
вы |
ходе из дизеля ограничивается |
термостабильностью масла |
и |
нахо |
дится в пределах 85 - |
95°С. Влияние |
режима охлаждения на р а |
боту дизеля подробно |
рассматривается в § 22. |
|
По способу отвода |
тепла системы |
охлаждения подразделяются |
на воздушные и жидкостные. Жидкостные системы охлаждения могут быть гермосифоиными (безнасосными), насосными и испарительными (высокотемпературными). Воздушные системы охлаждения применяют ся в небольших стационарных дизелях. Ребристая поверхность ци линдров охлаждается потоком воздуха, создаваемым вентилятором. Воздушные системы охлаждения надежны в эксплуатации, просты в обслуживании и компактны. К их недостаткам следует отнести вы сокий расход смазки и шум, а также ненадежный пуск дизеля при низких температурах.
В термосифонной системе охлаждения вода циркулирует благо даря изменению ее плотности при нагреве. Э,ту систему охлажде ния применяют для двигателей малой мощности. Недостатком этой системы является значительный расход охлаждающей воды и пере грев головки блока цилиндров.
Наиболее широко распространены жидкостные системы охлажде ния, при которых температура деталей дизеля поддерживается на необходимом уровне путем охлаждения их принудительно циркули рующей водой. Эти системы охлаждения разделяются на проточные и замкнутые.
181
Рис.61
|
182 |
|
|
|
Типичные |
схемы охлаждения дизелей |
приведены на |
р и с . 6 1 . При |
|
проточной системе охлаждения вода из |
водопровода, |
напорного |
||
бака или водоема (рис . 61 а) нагнетается водяным насосом |
3 ч е |
|||
рез маслохолодильник 2 в нижний пояс |
зарубашѳчного простран |
|||
ства каждого |
цилиндра двигателя I , а |
затем поднимается |
кверху |
|
и охлаждает |
верхний пояс . Таким образом, вода охлаждает |
в пер |
вую очередь менее нагретые части цилиндра, благодаря чему д о стигается уменьшение термических напряжений в деталях. Далее вода поступает в головку блока, охлаждая нагретые стенки камер сгорания и форсуночные колодцы. Затем вода охлаждает выпускной коллектор, а потом сливается в канализацию или водоем через водоотводящий патрубок. В большинстве случаев при проточной систене охлаждения, во избежание интенсивного образования накипи, температура охлаждающей воды на выходе дизеля должна быть не более 55°С. При этом перепад температур входящей в двигатель и
выходящей из него воды обычно |
составляет 15 - 2 0 ° . |
Наружная |
||
температура входящей в дизель |
воды поддерживается |
смешением |
||
ее с горячей водой, выходящей |
из дизеля и |
направленной к |
вхо |
|
дящей воде по обводной трубе |
через байпас |
4. |
|
|
Постоянство температуры выходящей воды |
поддерживается |
авто |
матически специальным прибором (терморегулятором) или вручную кранами путем изменения количества горячей воды, добавляемой к холодной. Чтобы избежать образования в системе охлаждения скоп ления пара,так называемых паровых мешков, которые могут вызвать местный перегрев деталей, в самой верхней точке головки делают пароотводящую трубку для выхода пара. Такая система охлаждения называется открытой. Одним из главных недостатков проточной си стемы охлаждения является повышенное загрязнение внутренних по лостей системы механическими примесями, что ухудшает теплооб мен между нагретыми деталями и водой.
Одноконтурная циркуляционная открытая схема (рис.61 б) с охлаждением воды в градирне или брызгальном бассейне 6 в тех ническом отношении почти не отличается от проточной. Положи тельной стороной этой схемы является небольшой удельный расход добавочной воды. Для лучших температурных условий работы, осо
бенно |
зимой, когда возможно переохлаждение циркулирующей воды, |
||
рекомендуется иметь байпас |
4 такого же типа и назначения, как |
||
и для |
проточной |
схемы. |
|
Одноконтурная циркуляционная закрытая схема с охлаждением |
|||
воды в |
радиаторе |
(рис.61 в) |
является во всех отношениях наибо- |
183
лее совершенной. Нормальная работа такой схемы требует,чтобы система охлаждения была заполнена чистой и мягкой (дождевой, снеговой, конденсатом, кипяченой или химически обработанной) водой. Расширительный бак 7 компенсирует объем системы после
нагрева и расширения воды. |
|
|
|
|
|
В замкнутой открытой системе охлаждения, когда верхняя |
|||||
часть радиатора 8 непосредственно сообщается с атмосферой, |
|||||
температура |
охлаждающей умягченной воды должна быть |
не выше |
|||
85 - 90°С. |
В некоторых дизелях |
с целью |
уменьшения |
расхода |
|
охлаждающей |
воды на испарение |
система |
охлаждения |
не |
сообщается |
с атмосферой. Такая система охлаждения называется закрытой.
Давление паров в таких системах |
поддерживается |
паровоздушным |
|||||
клапаном в пределах 1,2 - 1,3 |
к Г с / с м 2 . |
|
|
|
|
|
|
Двухконтурная циркуляционная |
схема с |
охлаждением |
воды |
в |
|||
бойлере, водоводяном холодильнике или эвапораторе (рис . 61 |
г ) |
||||||
по своим возможностям равноценна |
закрытой |
одноконтурной |
схеме |
||||
с радиатором. Она более экономична, легко |
поддается |
автомати |
|||||
зации, удобна в регулировке, |
но |
более сложна и |
требует |
больших |
капитальных затрат и внимания при обслуживании. Первый контур двухконтурной циркуляционной схемы ( 9 - 3 - 2 - 1 - 9 ) должен быть заполнен мягкой и чистой водой. Контур обязательно снаб жается расширительным баком 7, который устанавливается в верх ней точке, если система не разомкнута, или в нижней, если она разомкнута. Второй контур работает на чистой воде с ограничен
ной |
жесткостью. Этот контур может работать как на проток, так |
||
и с |
охлаждением циркулирующей в нем воды в градирне, |
бассейне |
|
или |
подходящем |
водоеме. |
|
|
В дизелях |
войсковых ДГУ целесообразно внедрение |
высокотем |
пературных испарительных систем охлаждения. Высокотемператур ные системы охлаждения обеспечивают высокую экономичность и меньшие температурные напряжения в деталях КШМ дизелей. Схема такой системы представлена на рис.61 д . Из емкости I насосом 2 вода нагнетается в закрытую систему охлаждения дизеля 3. Дрос селирующий клапан 4 обеспечивает необходимое избыточное давле ние в системе, определяющее температуру кипения воды. Через дросселирующий клапан 4 перегретая вода поступает в испари
тель |
5. |
Пары воды насосом 6 отсасываются из испарителя и по |
|||
даются |
в |
теплообменник |
- конденсатор 8. |
Теплота конденсации |
|
отводится |
в атмосферу |
потоком воздуха, |
создаваемом |
вентиля |
|
тором |
9. |
Насос 6 может |
отсутствовать, в |
э/гом случае |
отсос па - |
184
ров из испарителя 5 в конденсатор 8 и исключение кавитации на
колесе |
насоса 2 будет осуществляться за счет гидростатического |
|||
напора столба жидкости между конденсатором 8 и |
насосом |
2 . |
Р а |
|
ботоспособность системы сохраняется и в случае |
прекращения |
р а |
||
боты вентилятора 9. В этом случае отвод тепла |
осуществляется |
|||
за счет выпуска части пара в атмосферу через клапан 7. |
Время |
|||
работы системы в таком режиме определяется емкостью бака I . |
||||
|
Схема системы охлаждения стационарного |
дизеля |
|
|
На рис.62 представлена система охлаждения |
дизель - генера |
|||
тора 7 |
ДІОО, выполненная по двухконтурной циркуляционной |
с х е |
ме с охлаждением воды в водоводяном холодильнике. Контур умяг ченной воды включает расширительный бак 2, холодильник масла 7,
в систему \, ' смазки
Рис.62
холодильник воды 6, водяные насосы 4 и 12, а также трубопрово ды подвода воды и другие вспомогательные устройства и арматуру.
Расширительный |
бак умягченной воды 2 емкостью |
600 л оборудо |
||
ван |
переливным |
и дыхательным |
трубопроводами, |
электронагревате |
лями |
I и реле |
уровня РУС-З. |
Бак 2 соединен трубопроводами с |
насосом 4, холодильником 6 и пароотводной трубкой с дизелем. Центробежный насос 4 имеет привод от электродвигателя постоян ного тока и предназначен для прокачки нагретой воды (теплоноси теля) через змеевик маслосборного бака 3 с целью подогрева в
185
нем масла для поддержания дизеля в состоянии горячего резерва . Одновременно насос 4подает воду и к всасывающему трубопроводу насоса 12 во внутреннюю систему дизеля, минуя холодильник в о ды 6. При пуске двигателя начинает работать насос 12. При этом
насос 4- автоматически отключается. Насосом 12 |
вода, |
нагнетаемая |
|||
во внутреннюю систему охлаждения, прокачивается |
через регулятор |
||||
температуры 5, холодильник 6, обратный клапан |
и |
возвращается к |
|||
насосу 12. Количество воды, проходящей через |
холодильник |
мас |
|||
ла 7 и холодильник воды 6, |
изменяется автоматически |
соответст |
|||
венно регуляторами 5 и 8, |
чем обеспечивается |
необходимый |
темпе |
ратурный режим двигателя на различных нагрузках. Для создания подпора в системе бак 2 расположен выше двигателя и соединен с
всасызающим трубопроводом насоса |
12. |
|
|
|
|
Контур технической воды системы охлаждения включает брыэ- |
|||||
гальный бассейн I I , резервуар технической воды |
10, |
холодильник |
|||
воды 6, холодильник масла 7, насос технической воды |
9, |
а также |
|||
трубопроводы подвода воды и другие |
вспомогательные |
устройства |
|||
и арматуру. Брызгальный бассейн |
I I |
предназначен |
для |
охлаждения |
|
технической воды, поступающей в резервуар 10. Он оборудован |
|||||
трубами летнего и зимнего сброса |
с |
задвижками, |
сливной |
трубой |
и сороудѳрживающей сеткой. Железобетонный резервуар техниче
ской |
воды емкостью 50 м 3 расположен за |
пределами сооружения |
ДЭС и |
оборудован наливными и заборными |
трубопроводами с прием |
ными сетками и указателем уровня. Центробежный насос 9 приво дится электродвигателем и служит для обеспечения циркуляции технической воды. При работе насоса 9 вода забирается из р е зервуара 10 и нагнетается последовательно в масляный холодиль
ник 7, |
водяной |
холодильник 6 и поступает на сброс в брызгаль |
|
ный бассейн I I . |
|
||
|
|
Способы регулирования |
температуры воды |
Устройства |
автоматического контроля и регулирования темпе |
||
ратуры |
воды обеспечивают поддержание |
заданного температурного |
режима в системе охлаждения и смазки независимо от нагрузки и колебаний внешних температурных условий.
Основными требованиями |
к |
динамике температурного |
регулиро |
|||
вания |
являются: |
|
|
|
|
|
I ) |
забросы температур |
при |
переходе |
с одного |
нагрузочного |
|
режима |
на другой не должны |
превосходить |
5°С от |
границ |
зоны не - |
|
|
186 |
|
|
|
|
равномерности |
для предотвращения перебоев |
в |
циркуляции, интен |
|||
сивного отложения накипи и переохлаждения; |
|
|
|
|||
2) при работе двигателя на установившемся режиме амплитуда |
||||||
колебаний температуры воды не |
должна превышать I - |
2°С; |
||||
3) время установления температуры при |
изменениях |
нагрузки |
||||
должно быть возможно меньшим. |
|
|
|
|
|
|
К способам |
регулирования температуры |
воды относят |
следую |
|||
щие : |
|
|
|
|
|
|
1 . Способ |
дросселирования, |
при котором, |
изменяя |
сопротив |
ление гидравлического тракта, регулятор меняет производитель ность водяного насоса и этим поддерживает примерно постоянную
температуру воды на выходе из дизеля. Недостатком |
данного |
спо |
соба является нарушение нормальной циркуляции при |
малых |
на |
грузках . |
|
|
2 . Способ перепуска, при ютором через дизель |
циркулирует |
постоянное количество воды. Регулирование температуры осущест вляется перепуском части горячей воды, выходящей из двигателя,
обратно |
к насосу, |
минуя теплообменник. |
|
|||
|
3. Способ обвода |
(воздействия |
на внешнюю охлаждающую |
с р е |
||
д у ) , |
при |
котором регулятор, реагируя на изменение температуры |
||||
воды |
или |
масла в циркуляционной системе, управляет потоком |
с в е |
|||
жей |
воды |
или воздуха, |
проходящим |
через теплообменник. |
|
|
|
В динамическом |
отношении способ перепуска обладает преиму |
ществами по сравнению со способом воздействия на внешнюю среду. Рассмотрим основные типы терморегуляторов. Терморегуляторы
бывают недистанционного и дистанционного действия. Недистанционные терморегуляторы (иногда именуемые термо
статами) представляют собой устройства, в которых чувствитель
ный элемент и регулирующий орган (клапанная система) |
жестко |
||
связаны |
в едином конструктивном у з л е . На рис.63 а |
представлена |
|
принципиальная схема двухклапанного терморегулятора |
недистан |
||
ционного |
типа. |
|
|
Чувствительный элемент (сильфон) I заполнен температуро- |
|||
чувствительной жидкостью (фреоны, смеси спирта и |
эфиров), д а в |
ление насыщенных паров которой связано определенной зависимо стью с температурой. Открытие клапанов 2 зависит от темпера туры среды. Если температура воды оказывается ниже +70°С, кла паны термостатной коробки обеспечивают поступление воды по о б водному трубопроводу 3 в холодильник масла, минуя водо-водяной холодильник. При температуре воды +85°С доступ воды через о б -
187
водной трубопровод полностью перекрыт. В этом случае вода про ходит сначала через водо-водяной холодильник, охлаждается и затем проходит в холодильник масла. При температуре воды выше +70°С, но ниже +85°С, происходит перераспределение воды на два. потока: по обводному трубопроводу и в водо-водяной холодильник.
От двигателя
а)
Рис.63
Дистанционные терморегуляторы (рис.63 б) отличаются тем, что клапанная система представляет собой один конструктивный узел - регулирующий орган, а чувствительный элемент - другой. Дистанционная связь регулирующего органа 2 с чувствительным
188
элементом 8 осуществляется через сильфон I капиллярным трубо проводом 4 .
|
|
§ |
17. |
СИСТЕМЫ НАДДУВА ДИЗЕЛЕЙ |
|
|
|
|
|||||
Наддув |
как |
метод |
повышения |
мощности |
двигателя. |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
Степень |
наддува |
|
|
|
|
|
|
||
Из формулы |
(39) следует, |
что |
повышение |
мощности двигателя |
|||||||||
может быть достигнуто |
за |
счет |
увеличения |
числа цилиндров |
z |
, |
|||||||
диаметра |
цилиндров |
D |
, |
числа |
оборотов п |
, |
хода |
поршня |
S |
и |
|||
среднего |
эффективного |
давления р |
. Основные способы |
повышения |
|||||||||
мощности |
практически |
уже |
использованы и |
в |
отдельных |
случаях |
|||||||
достигли |
своих оптимальных или близких к ним значений. |
При |
|||||||||||
этом нельзя забывать, |
что повышение значения какого-либо одного |
||||||||||||
или нескольких входящих в формулу мощности |
параметров |
неизбеж |
|||||||||||
но ведет |
к ухудшению |
значения |
других технических |
показателей |
|||||||||
дизеля . |
Например, увеличение числа оборотов и скорости поршня |
||||||||||||
ведет к |
снижению моторесурса, |
увеличение |
диаметра цилиндра |
- |
|||||||||
к ухудшению условий охлаждения, увеличение |
хода |
поршня - |
к |
|
|||||||||
росту габаритов двигателей и |
т . д . |
|
|
|
|
|
|
|
Наиболее эффективным и распространенным способом повышения мощности является увеличение среднего эффективного давления за
счет |
более полного принудительного заряда цилиндра воздухом. |
||
Мощность в этом |
случае повышается за |
счет увеличения дозы в о з |
|
духа |
и топлива, |
подаваемых в цилиндр. |
Такой метод повышения |
мощности называется наддувом двигателя. Вследствие сжигания
большой |
дозы топлива |
при наддуве повышается |
давление газов на |
|||
поршень |
и среднее |
эффективное давление |
р . |
|
||
Степень яаддува характеризуется отношением среднего эффек |
||||||
тивного |
давления |
двигателя |
при наддуве |
рен |
к среднему эффек |
|
тивному |
давлению |
ре |
без |
наддува: |
|
|
б" |
= Ьа . |
(62) |
* |
Ре |
|
Классификация систем наддува. Устройства для продувки и наддува
Классификация систем наддува двигателей может быть произ ведена по следующим признакам: по роду источника энергии для
|
|
|
189 |
|
наддува, |
по степени |
наддува |
и по типу |
нагнетателя. По роду и с |
точника |
энергии для |
наддува |
двигателей |
различают наддув от |
приводного нагнетателя (механический), газотурбинный, комбини рованный, инерционный и резонанасный.
При механическом наддуве (рис .64) наддувочный агрегат объ емного или лопастного типа приводится в движение от коленча- ,. того вала двигателя непосредственно или через какую-либо пере
дачу |
(зубчатую |
|
или |
цеп |
|
|||
ную). Часто нагнетатель 2 |
|
|||||||
соединен |
с |
редуктором I |
|
|||||
центробежной фрикционной |
|
|||||||
муфтой |
3. |
|
Эта |
|
система |
|
||
применяется |
обычно |
для |
|
|||||
давления |
наддува |
рк |
не |
|
||||
выше |
1,6 |
- |
1,7 |
кГс/см^, |
|
|||
так |
как |
при |
больших |
рк |
|
|||
мощность, |
|
затрачиваемая |
|
|||||
на привод |
|
наддувочного |
|
|||||
агрегата,становится |
слиш |
|
||||||
ком |
значительной |
(свыше |
|
|||||
• 10% от N- |
). Степень |
над |
|
|||||
дува |
при |
данной |
системе |
|
||||
достигает |
значений, |
р а в |
|
|||||
ных |
1,2 |
- |
1,3. |
Общее по |
|
|||
вышение мощности при ме |
|
|||||||
ханическом |
наддуве |
с о |
|
|||||
ставляет |
20 |
- |
30%. Недо |
Рис.64 |
||||
статок |
такого |
|
способа |
|||||
|
|
|||||||
наддува |
состоит |
в |
том, что количество нагнетаемого в цилиндр |
|||||
воздуха |
зависит |
от |
числа оборотов вала дизеля, а не от нагруз |
ки, т . е . |
подача воздуха в цилиндр при данных |
числах |
оборотов |
|||||
будет одинакова на холостом ходу и при максимальной |
нагрузке. |
|||||||
Для правильной же организации рабочего процесса дизеля |
необхо |
|||||||
димо, чтобы под нагрузкой подавалось воздуха больше, |
чем |
на |
||||||
холостом |
ходу. |
|
|
|
|
|
|
|
При газотурбинном наддуве сжатый воздух подается центро |
||||||||
бежным |
или осевым нагнетателем, приводимым в движение |
газовой |
||||||
турбиной, использующей отработавшие газы двигателя. |
Схема ч е |
|||||||
тырехтактного |
дизеля с газотурбинным |
наддувом |
приведена |
на |
||||
р и с . І . |
Система |
газотурбинного наддува |
является |
наиболее |
эффек- |