Система охлаждения на судне кратко

Обновлено: 05.07.2024

Главное меню

Судовые двигатели

Главная Судовые двигатели внутреннего сгорания Система и устройство двигателя Система охлаждения двигателя

Система охлаждения двигателя предназначена для охлаждения деталей (цилиндровых втулок, крышек, поршней, выпускных коллекторов и др.) двигателя, обеспечивая им нормальные условия работы. Существует две системы охлаждения — водяная и воздушная. Воздушная система охлаждения не нашла широкого применения на судах, однако в последние годы к ней проявляется повышенный интерес, так как при такой системе охлаждения уменьшается масса установки. Водяная система охлаждения является наиболее распространенной и, в свою очередь, подразделяется на проточную (охлаждение забортной водой) и замкнутую (охлаждение пресной водой). В современных двигателях охлаждение забортной водой почти не применяют. В замкнутых системах пресная вода охлаждается забортной.

При сгорании топлива в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания лишь 38—42 % получаемой при этом теплоты превращается в полезную работу. Остальная теплота — это неизбежные тепловые потери. Примерно половина потерянного тепла уходит в атмосферу с продуктами сгорания топлива, остальная часть передается деталям, соприкасающимся с горячими газами. Если эти детали не охлаждать, то работа двигателя станет невозможной и он выйдет из строя. Невозможной станет и смазка двигателя, так как смазочное масло будет сгорать. Во избежание этого все детали и узлы двигателя, соприкасающиеся с горячими газами, необходимо охлаждать. Обязательному охлаждению подлежат цилиндры, крышки цилиндров и выпускной коллектор.

Для обеспечения непрерывной подачи воды (пресной или забортной) для охлаждения двигателей, механизмов или аппаратов и предназначена система охлаждения судовой энергетической установки. На судне эта система обеспечивает подачу охлаждающей жидкости не только к главным двигателям, но и к таким механизмам, аппаратам и устройствам, как подшипники валопроводов, холодильники масла, паро- и электрокомпрессоры, конденсатные насосы и др.

Для перемещения охлаждающей воды по трубопроводам к местам охлаждения необходимы насосы. Их включают в общую магистраль, от которой идут отростки, подводящие воду ко всем потребителям.

Системы охлаждения двигателей внутреннего сгорания являются автономными, т. е. предусматривают наличие насосов пресной или забортной воды, которые обслуживают только данный двигатель.

Системы охлаждения двигателей делятся на открытые (одноконтурные) и закрытые (двухконтурные). Открытая система на морских судах почти не применяется. В этой системе охлаждение двигателя производится забортной водой, которая насосом прокачивается по всей системе охлаждения и отводится за борт. Систему открытого типа допустимо применять там, где температура нагрева выходящей из двигателя воды не превышает 55 °С. При большей температуре растворенные в воде соли становятся нерастворимыми и оседают на омываемых водой поверхностях в виде накипи, ухудшая условия теплоотдачи, а также засоряя проточные каналы и полости охлаждения, особенно в литых конструкциях головок и блоков цилиндров двигателей. Это нарушает нормальное протекание рабочего процесса в двигателе и может служить причиной аварии.

На рис. 3.58 изображена схема открытой системы охлаждения двигателя. Забортная вода при открытом кингстоне 10 поступает в теплый ящик забортной воды 9, снабженный фильтром. Кингстон открывается и закрывается рукояткой 5, выведенной на крышку ящика. При открытом приемном клапане 11 вода для охлаждения забирается насосом 12 и по трубе 13 подается к двигателю. Поступившая в полость охлаждения блока цилиндров 1 вода поднимается вверх и перетекает в крышки 2 цилиндров, откуда через патрубок 3 направляется в полость охлаждения выпускного коллектора 6. Из последнего она отводится за борт по трубе 7. Температура охлаждающей воды, прошедшей через каждый цилиндр, контролируется термометром 4 и регулируется клапаном 5 путем пропуска большего или меньшего количества воды, проходящей через него. Давление воды во время работы системы контролируется манометром 14.

В большинстве современных судовых дизелей применяется закрытая система охлаждения. В этой системе для охлаждения работающего двигателя используется пресная вода, непрерывно циркулирующая в замкнутой системе охлаждения, которая состоит из двух контуров: внутреннего и внешнего. Первый служит для охлаждения двигателя, второй — для охлаждения воды, циркулирующей во внутреннем контуре. Для охлаждения пресной воды устанавливают водо-водяной холодильник, через который прокачивается забортная вода.

На рис. 3.59 приведена схема закрытой системы охлаждения двигателя. Циркуляционным насосом 15 пресная вода по внутреннему контуру подается в блок цилиндров 1. Охладив крышку 2 цилиндра двигателя, вода по патрубку 3 поступает в полость охлаждения выпускного коллектора 5, а оттуда в термостат или в терморегулятор 7, который служит для автоматического регулирования температуры воды, прошедшей через двигатель. Если температура этой воды окажется выше требуемого значения, то термостат большую часть воды пропустит в холодильник 11, а меньшую — в трубу 16, Таким образом, в термостате постоянно происходит перераспределение двух потоков воды: подводимой к насосу 15 и вновь направляемой на охлаждение двигателя.

Температура воды контролируется термометром 6. В связи с высокой температурой воды, выходящей из двигателя, в отдельных точках внутренних полостей, заполненных водой, образуется некоторое количество пара. Пар отводится по трубе 4 в расширительный бак 5, являющийся компенсатором объема, в который по трубе 9 вытесняется избыточное количество расширившейся при нагревании воды. Благодаря этому предотвращается нарушение плотности соединений элементов системы.

Забортная вода через кингстон 13 и приемный клапан 14 забирается насосом 12 и прогоняется через холодильник, где охлаждает пресную воду внутреннего контура, после чего отводится за борт по трубе 10. Такая система охлаждения двигателей предохраняет полости охлаждения двигателя от отложения солей и уменьшает вероятность образования коррозии и электрохимической эрозии. Установленный на приемной ветви фильтр забортной воды предохраняет систему от попадания ила и песка.

В двигателях с высокой средней температурой цикла приходится применять охлаждение поршней путем подвода охлаждающей жидкости в их головки. В частности, это можно осуществить с помощью специального телескопического механизма. Как видно на рис. 3.60, охлаждающая жидкость подается в трубу 1 телескопического механизма поршня, далее переходит в подвижную трубу 5, укрепленную в поршне 4, а затем в полость 5 поршня и охлаждает его головку. Отвод жидкости можно произвести с помощью такого же телескопического механизма, расположенного с другой стороны поршня. Имеющийся на телескопической трубе сальник 2 не допускает пропуска охлаждающей жидкости в картер двигателя.

При рассмотрении теплового баланса двигателя было установлено, что только часть тепла, выделяемого при сгорании топлива внутри цилиндров дизеля, превращается в полезную механическую работу (до 47%). Из оставшегося тепла примерно 25% уносится с отходящими газами, а остальное тепло (25-28%) для предотвращения перегрева деталей двигателя отводят охлаждающей водой. Для отвода тепла в основных деталях двигателя (цилиндр, цилиндровая крышка, поршень, корпус выпускного клапана) устраивают специальные полости или зарубашечные пространства, через которые пропускают охлаждающую воду.

Для охлаждения судовых дизелей применяют две системы: проточную (одноконтурную) и замкнутую (двухконтурную).

При проточной системе охлаждения специальный насос забирает воду из кингстона (специальный клапан в подводной части борта судна для забора воды) и прокачивает ее через зарубашечное пространство дизеля; при замкнутой системе через зарубашечное пространство дизеля прокачивается пресная вода, которая затем в специальном теплообменнике (охладителе) охлаждается забортной водой и снова направляется в двигатель. Проточная система значительно проще замкнутой, однако имеет ряд существенных недостатков, поэтому для охлаждения дизелей на судах, построенных в последние годы, не применяется.

Основные недостатки проточной (одноконтурной) системы охлаждения дизеля: возможность засорения зарубашечного пространства дизеля илом и другими взвешенными частицами, содержащимися в забортной воде; интенсивное отложение солей в зарубашечном пространстве (на морских судах) и образование накипи, плохо проводящей тепло и резко ухудшающей теплообмен, в результате чего происходит перегрев деталей и даже их разрушение. Для того чтобы предотвратить образование накипи в зарубашечном пространстве, приходится снижать температуру воды на выходе из дизеля до 50-55°С и тем самым ухудшать температурный режим двигателя и полезное использование тепла.

При замкнутой системе охлаждения во внутреннем (замкнутом) контуре применяют пресную воду, которая проходит техническую обработку и не содержит солей, в результате удается поддерживать высокий температурный режим двигателя (температура воды на выходе из систем, сообщенных с атмосферой, – до 85° С, а при наличии паровоздушного клапана у некоторых напряженных четырехтактных дизелей – до 105° С).

Для контроля пресной воды из системы периодически проводят анализ проб воды для определения содержания солей, и если соленость достигает критических значений, воду в системе заменяют.

Для предотвращения коррозии охлаждаемых деталей и трубопроводов в пресную воду добавляют различные присадки (например, бихромат калия, хромпик) или антикоррозионные масла.

При проточной системе охлаждения забортная вода от кингстона насосом забортной воды прокачивается через масляный холодильник (часть воды прокачивается мимо масляного холодильника) и смеситель, подается через регулировочные вентили в нижнюю часть зарубашечного пространства цилиндров. Из зарубашечного пространства цилиндров вода по патрубкам переходит в цилиндровые крышки, а оттуда в сливной коллектор и из него через невозвратный клапан сливается за борт.

При замкнутой системе охлаждения (см. рис. 1 после текста) пресная вода, подаваемая насосом 7 через входные вентили, поступает на охлаждение в двигателе цилиндров и цилиндровых крышек, затем горячая вода попадает по пароотводной трубке 2 в расширительный бак 1 и направляется в водяной холодильник пресной воды 4, где пресная вода охлаждается забортным контуром, далее пресная вода охлаждает масло в водомасляном холодильнике 5 и поступает в двигатель для его охлаждения.

Забортная вода из кингстона (клапана забортной воды) забирается насосом 6, прогоняется через водяной холодильник 4 и прокачивается через невозвратный клапан за борт.

Для автоматического поддержания постоянной температуры в замкнутую систему включают термометры и терморегулятор (термостат), который при ещё холодном двигателе (сразу после запуска) пропускает часть воды мимо холодильников 4 и 5. Импульс на терморегулятор поступает от трубопровода горячей воды.

Недостатки замкнутой системы охлаждения: наличие дополнительного оборудования и трубопроводов.

Внимание! Задание для самостоятельной работы:

1. выполнить в тетради схему системы охлаждения, указав все ее элементы.

2. разобраться в схеме и раскрасить трубопроводы и направления потоков воды и масла (то есть разграничить наружный, внутренний и масляный контуры) так: внутренний контур – голубым цветом, наружный контур – темно-синим или зеленым цветом, масляный контур – желтым или оранжевым цветом.

Необходимость охлаждения двигателей внутреннего сгорания обусловливается большим количеством тепла, которое выделяется в результате сгорания в цилиндре топлива, а также вследствие трения отдельных частей двигателя.

Сущность охлаждения состоит в отводе с охлаждающей жидкостью избыточного тепла от деталей двигателя во время его работы.

Главный судовой, двухтактный, крейцкопфный двигатель "B&W", и дизель-генераторы "DAIHATSU" (на заднем плане). Машинное отделение. Фото автора.

К числу деталей двигателя, подвергающихся при работе значительным нагревам, относятся рабочие втулки, крышки цилиндров, поршни, выпускные и топливные клапаны, выпускные коллекторы и глушители, рамовые подшипники, параллели и упорные подшипники, цилиндры и крышки компрессоров, холодильники масла и воды.

Холодильник наддувочного воздуха Главного судового двигателя (воздухоохладитель) и трубопровод системы охлаждения. Фото автора.

Охлаждение цилиндров двигателя и компрессора производится для предотвращения перегрева стенок цилиндра и выгорания смазки на стенках рабочей втулки, уменьшения нагрева воздуха, поступающего в цилиндр (что увеличивает весовое наполнение цилиндра), и уменьшения тепловых напряжений стенок цилиндров.

Охлаждение поршней двухтактных двигателей применяется в тех случаях, когда диаметры их превышают 250 мм.

Главный судовой малооборотный, двухтактный, крейцкопфный, длинно-ходовой двигатель "B&W". Палуба цилиндровых крышек, выпускные клапаны. Фото автора.

В четырёхтактных двигателях охлаждение поршней применяется при диаметре 350 мм и выше.

Специальное охлаждение параллелей при обеспечении надлежащей смазкой необязательно.

Картер судового Главного двигателя: параллели, шток, и сальник штока на ремонтном столе. Фото автора.

Рамовые подшипники охлаждаются лишь у быстроходных дизелей. Охлаждение форсунок (топливом) производится также не всегда.

Охлаждение судовых дизельных двигателей, вспомогательных механизмов и установок, осуществляется:

морской или пресной водой,
воздухом,
а иногда маслом или топливом.

Главный судовой двигатель "B&W". Цилиндровые крышки, выпускные клапаны и ТНВД (топливные насосы высокого давления) и топливные форсунки. Фото автора.

Охлаждающая жидкость, соприкасаясь с нагретыми частями двигателя, уносит до 35 % тепла, выделившегося при сгорании топлива. Чем быстроходнее двигатель и чем меньше размеры цилиндра, тем относительно больше потери тепла.

Для уменьшения тепловых потерь с охлаждающей водой, а также тепловых напряжений, возникающих в нагретых частях, двигатель целесообразно охлаждать горячей водой.

Однако морская вода, содержащая большое количество солей, образует в охлаждающих полостях двигателя отложения накипи, для удаления которой необходимо производить очистку поверхностей.

Слой накипи значительно затрудняет передачу тепла от стенок к воде, вследствие чего могут возникнуть перегревы стенок, образование трещин и заклинивание движущихся деталей.

Количество солей, оседающих на стенках охлаждаемых поверхностей в виде накипи, зависит от состава воды, её температуры, скорости движения и температуры охлаждаемых стенок. Для устранения выпадения солей температура охлаждающей морской воды не должна превышать 50˚C.

Если применяемая для охлаждения пресная вода имеет большую жёсткость, не следует допускать значительного повышения её температуры при выходе из двигателя.

При использовании в качестве охлаждающей жидкости пресной воды с малым содержанием солей температура её при выходе из двигателя может достигать 80-90˚C.

Чтобы увеличить скорость протока воды, её подают под давлением в 2-3 кг/см², а в местах наибольшего нагрева устраивают суженные проходные сечения.

Система замкнутого (циркуляционного) охлаждения, Главного судового двигателя: насосы охлаждения, арматура, трубопроводы, воздухоохладители. Фото автора.

Во избежание резкого охлаждения стенок цилиндра температура входящей забортной воды должна быть не ниже 20-25˚C.
Резкое охлаждение стенок вызывает появление на них трещин, ухудшает процесс горения, снижает мощность и к.п.д. двигателя!

Если температура поступающей воды ниже указанных пределов, её направляют в смесительные камеры (тёплые ящики), где она смешивается с горячей водой в определённой пропорции и нагревается до необходимой температуры.

Внутренняя секция охлаждения, холодильника (теплообменника) масла, после мойки и хим. обработки, вспомогательного дизельного двигателя. Фото автора.

Отлагающаяся в охлаждаемых полостях накипь удаляется при помощи скребков или химическим способом. Конец растворения накипи определяется прекращением выделения пузырьков (химический способ):
после этого нужно произвести промывку всех полостей охлаждения двигателя горячей пресной водой и щелочение цилиндров.

Помимо образования накипи, морская вода вызывает коррозию деталей и, проникая в картер двигателя, сильно ухудшает качество масла, стекающего в поддон.

Коррозия металла при охлаждении морской водой усиливается ещё больше вследствие образования гальванических токов.

Главный двигатель "B&W" в районе маховика. С правой стороны на фото: воздухоохладитель и трубопроводы системы охлаждения двигателя. Фото автора.

Для ослабления действия этих токов в местах охлаждения двигателя устанавливают цинковые пластины толщиной 20-30 мм (протекторы), которые необходимо заменять примерно через 600-700 час работы двигателя.

Отмеченные недостатки, хотя и в меньшей мере, присущи также пресной воде. При охлаждении двигателей морских судов пресной водой необходимо иметь дополнительные цистерны для её хранения, специальный водоохладитель и так далее, т.е., отдельную систему.

Внутренняя секция охлаждения водо-масленого холодильника (теплообменника), вспомогательного дизель-генератора, Фото автора.

Такой же охладитель необходимо устанавливать и при масляном охлаждении;
в последнем случае приходится иметь в системе большое количество масла, так как теплоёмкость его почти в два с половиной раза меньше теплоёмкости воды.

Следует отметить, что двухтактные двигатели по сравнению с четырёхтактными работают со значительно большими тепловыми нагрузками, так как в двухтактных двигателях после каждого рабочего хода следует один холостой, а в четырёхтактных – три холостых хода.

Читайте также: