Судовые системы охлаждения

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.

Литература

Судовые системы и трубопроводы — Овчинников И.Н., Овчинников Е.И. [1988]

Судовой дизель: системы охлаждения

Судовой дизель: охлаждение

Любой двигатель нуждается в продуманной системе охлаждения, иначе он очень быстро выйдет из строя и судовой дизель не исключение. Основное ее назначение состоит в отводе избыточного тепла, возникающего при совершении рабочего хода поршня и сжигании топлива, от деталей двигателя и прилегающих элементов. Помимо выполнения главной задачи данная система производит охлаждение смазочного масла, продувочного воздуха, выхлопного коллектора и прочее. Исходя из обширности выполняемых функций, можно смело заключить, что система охлаждения судового дизеля оказывает существенное влияние на полноценную работу мотора, а также на его долговечность. Сегодня мы рассмотрим базовую информацию о системах охлаждения, которую необходимо знать каждому обладателю водного транспорта с судовым двигателем.

Существует два основных типа СО, которые различаются видом используемого теплоносителя:

• воздушная, на судах применяется довольно редко, хотя в последнее время ей стали уделять повышенное внимание за счет легкости конструкции подобной системы;
• жидкостная (водяная), наиболее распространенный вариант, поэтому именно о ней мы поговорим более подробно.

Судовой дизель с водоохлаждением встречается на рынке гораздо чаще и тому есть множество причин. Однако прежде чем рассматривать их, мы уделим пару строк описанию системы. Водяные СО можно разделить на 2 большие группы:

• одноконтурные, отвод тепла осуществляется забортной водой;
• двухконтурные, в данном случае используется пресная вода с хладагентом.

Охлаждение пресной воды в двухконтурной системе осуществляет проточная вода. На первый взгляд это покажется абсолютно лишним набором действий. Не проще ли, чтобы за все отвечал только один контур? Производители судовых дизелей однозначно отвечают: не проще! Соприкосновение забортной воды с основными элементами судового дизеля обуславливает следующие проблемы:

• засорение стенок каналов подачи воды и создание на них соляных пленок, которые впоследствии сильно уменьшат диаметр каналов, соответственно, пропадает необходимое давление;
• разрушение зарубашечных полостей судового дизеля;
• переохлаждение двигателя в случае понижения температуры забортной воды;
• возникновение паров, содержащих различные элементы таблицы Менделеева, которые оказывают деструктивное воздействие на всю двигательную систему.

В таком случае срок службы судового дизеля существенно сокращается и, если мы говорим о средних и крупных судах, то это означает огромные денежные расходы. Именно поэтому разработчики в области двигателестроения серьезно озадачились созданием такой системой, которая не только бы охлаждала, но и не разрушала при этом судовой дизель. Так на свет появилась 2-х контурная СО, сочетающая в себе все основные пожелания судоводителей.

В данной статье мы рассмотрели только теорию СО судовых дизелей. На картинках схематично показан принцип работы одноконтурной и двухконтурной системы охлаждения. Если вы хотите более детально вникнуть в сам процесс отвода тепла, то на просторах интернета вы найдете обширный материал как академического, так и более опытного характера. Однако сильно погружаться в детали лучше не стоит, достаточно понимать основные принципы работы системы, ее составляющие элементы и правила эксплуатации. От знания последних зависит продолжительность жизни не только СО, но и всего судового дизеля.

Судовые дизели Nanni

В нашем Интернет-магазине вы можете купить судовой дизель для различных типов судов: парусной яхты, скоростного катера, РИБа, водоизмещающего судна и так далее. Все судовые дизели Nanni оснащены замкнутой системой охлаждения с теплообменником (2 контура). В ряде моделей есть опция килевого охлаждения. Она представлена в судовых дизелях, созданных на базе промышленных образцов Kubota и John Deere. Судовой дизель, спроектированный на базе промышленных образцов Toyota, такой возможности не предоставляет.

Килевое охлаждение является неплохим вариантом для относительно небольших судов, в частности лодок, которые не могут себе позволить внешний трубопровод.

Купив судовой дизель Nanni у нас, вы получите не только мощный мотор, но и отличный круглосуточный сервис. Все его плюсы вы можете прочитать на соответствующей странице, здесь же мы отметим только постоянное наличие всех необходимых запчастей и оперативное реагирование при поступлении обращений.

Охлаждение дизелей. Системы: проточная и замкнутая

При рассмотрении теплового баланса двигателя было установлено, что только часть тепла, выделяемого при сгорании топлива внутри цилиндров дизеля, превращается в индикаторную 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 зарубашеч-ные пространства, через которые пропускают охлаждающую воду.

Для охлаждения судовых дизелей применяют две системы: проточную и замкнутую. При проточной системе охлаждения специальный насос забирает воду из кингстона 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 системы охлаждения дизеля: возможность засорения зарубашечного пространства дизеля илом и другими взвешенными частицами, содержащимися в морской воде; интенсивное отложение солей в зарубашечном пространстве 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 низкой температуре забортной воды для уменьшения температурных напряжений на входе воды в двигатель устраивают специальные смесители, куда подается вода из кингстона и часть воды, выходящей из двигателя. Минимальная допустимая температура воды на входе в двигатель +15° С. Однако необходимый перепад при охлаждении двигателя забортной водой составляет 10—20° С, таким образом, температура воды на входе составляет 35—45° С.

При замкнутой системе охлаждения 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). Необходимый перепад при охлаждении двигателя пресной водой 7—15° С. Для того чтобы предотвратить засоление воды в случае нарушения плотности водоохладителя, давление в системе пресной воды устанавливают несколько большим, чем в системе забортной воды.

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.

Следует также отметить, что при охлаждении двигателя пресной водой масляный холодильник, как правило, охлаждается забортной водой.

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

При охлаждении двигателя пресной водой система должна предусматривать аварийное охлаждение забортной водой. Переход на аварийное охлаждение должен осуществляться постепенно, чтобы не вызвать резких температурных напряжений, при этом необходимо соблюдать требования в отношении температур, рекомендуемых для проточных систем (не ниже 15° С на входе и не выше 50—55° С на выходе).

Некоторые фирмы в целях страховки рекомендуют при аварийном охлаждении еще более низкие температуры на выходе воды из двигателя (до 45° С). Если учесть, что двигатель, как правило, работает на аварийном охлаждении короткое время и потери тепла незначительны, эти рекомендации целесообразно выдерживать.

Схемы проточной и замкнутой систем охлаждения

При проточной системе охлаждения (рис. 68, а) забортная вода от кингстона насосом 1 прокачивается через масляный холодильник 2 (часть воды прокачивается мимо масляного холодильника) и смеситель 3, подается через регулировочные вентили 4 в нижнюю часть за-рубашечного пространства цилиндров 5. Из зарубашечного пространства цилиндров вода по патрубкам переходит в цилиндровые крышки 6, а оттуда в сливной коллектор 9 и из него через невозвратный клапан 10 сливается за борт.

Часть воды через терморегулятор 8 направляется в смеситель 3, который необходим для поддержания минимально допустимой температуры воды на входе. Импульс на терморегулятор 8 поступает от сливного коллектора 9, и поэтому он работает автоматически: чем выше температура воды на выходе, тем меньше воды терморегулятор направляет в смеситель 3. Индивидуальное регулирование температуры воды, выходящей из цилиндров, осуществляется вентилями 4 и 7.

При замкнутой системе охлаждения (рис 68, б) пресная вода, подаваемая насосом 5 из расширительного бака 14 через входные вентили 6, поступает на охлаждение цилиндров 7 и цилиндровых крышек 8, через вентили 9 индивидуальной регулировки горячая вода стекает в коллектор 10 и направляется в холодильник пресной воды 15, откуда поступает в расширителный бак 14, с которым связан коллектор 10.

Забортная вода из кингстона забирается насосом 1, прогоняется через масляный холодильник 2 и прокачивается далее через холодильник пресной воды 15 и невозвратный клапан 16 за борт.

Для автоматического поддержания постоянной температуры в замкнутую систему включают терморегулятор 12, который при низкой температуре пропускает часть воды мимо холодильника 15. Импульс на терморегулятор поступает от трубопровода горячей воды. Во время работы дизеля часть воды испаряется, а часть уходит через сальники насосов. Для пополнения утечек предусмотрен трубопровод и насос подачи воды из запасных танков, а также отвод воды из расширительного бака обратно в танк в случае ее перекачки.

Система предусматривает аварийное охлаждение двигателя забортной водой. Переход на забортную воду осуществляется поворотом трехходовых кранов 4 и 11 на 90°, а также отключением вентилями 3 и 13 расширительного бака 14 и водоохладителя 15. При этом температуру воды, выходящей из двигателя, регулируют вручную при помощи вентилей 6 и 9.

Недостатки замкнутой системы охлаждения: наличие дополнительного оборудования и трубопроводов. С целью предупреждения засоления пресной воды при нарушении плотности водоохладителя в системе пресной воды поддерживают более высокое давление.