Научная статья на тему 'Автоматическое регулирование температуры наддувочного воздуха в дизельных установках служебно-вспомогательных и пассажирских судов местного плавания'

Автоматическое регулирование температуры наддувочного воздуха в дизельных установках служебно-вспомогательных и пассажирских судов местного плавания Текст научной статьи по специальности «Энергетика»

CC BY
11
1
Поделиться
Ключевые слова
СУДОВОЙ ДИЗЕЛЬ / СИСТЕМА НАДДУВОЧНОГО ВОЗДУХА / BOOST-AIR SYSTEM / ЗАБОРТНАЯ ВОДА / OUTBOARD WATER / НАГРУЗКА / LOAD / ЧЕТЫРЕХХОДОВОЙ КРАН / FOUR-WAY FAUCET / ТРЕХХОДОВОЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ ВЕНТИЛЬ / THREE-WAY ELECTRONIC VALVE / ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ И НАГРУЗКИ / SENSORS OF THE TEMPERATURE AND LOAD / ЭФФЕКТИВНОСТЬ СУДОВОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ / SHIP'S ENERGY FACILITY EFFICIENCY / SHIP'S ENGINE

Аннотация научной статьи по энергетике, автор научной работы — Тимофеев Виталий Никифорович, Михайлов Алексей Алексеевич, Зайцев Андрей Сергеевич, Смирнова Мария Юрьевна

Статья относится к дизелестроению и может быть использована для дизельных установок судов служебно-вспомогательных, рейдовых, портовых, а также пассажирских судов, работающих на переправе от одного берега к другому, в том числе паромов и т.п. Статья решает задачу поддержания температуры наддувочного воздуха двигателем на оптимальных уровнях, зависящих от режимов работы двигателя и не зависящих от температуры наружного воздуха. Кроме того, полезная модель решает задачу обеспечения судовой энергией дизельной установки источниками холода и теплоты. Основными элементами системы наддувочного воздуха являются тепловой насос и элементы автоматики. Тепловой насос подключен к низкопотенциальному источнику энергии забортной воде, при этом энергия холода, полученная в тепловом насосе, используется для охлаждения наддувочного воздуха на номинальных режимах работы двигателя, а тепловая энергия теплового насоса используется для подогрева наддувочного воздуха на долевых режимах работы двигателя. Кроме того, энергия холода может быть использована для обеспечения потребителей холода, а тепловая энергия для потребителей, например, отопления, душевой и т.д. Таким образом, предложенная статья позволяет поддерживать требуемый температурный режим наддувочного воздуха на всех режимах работы двигателя. Использование теплового насоса в системе регулирования температуры наддувочного воздуха позволяет иметь на предлагаемых судах источники холода и теплоты, что приводит к повышению эффективности эксплуатации судовой энергетической установки.

Похожие темы научных работ по энергетике , автор научной работы — Тимофеев Виталий Никифорович, Михайлов Алексей Алексеевич, Зайцев Андрей Сергеевич, Смирнова Мария Юрьевна,

Текст научной работы на тему «Автоматическое регулирование температуры наддувочного воздуха в дизельных установках служебно-вспомогательных и пассажирских судов местного плавания»

Автоматизации технологического процесса имеет важные значений управления в

обеспечении пожарной безопасности производств.

Список литературы /References

1. Охрана труда в химической промышленности (Г.В. Макаров и др.) М: Химия, 1989.

2. Гумбатов М.О., Гафаров Э.К., Ахмедова А.Г., Гаджиева И.Б. // Опасность выброса пожароопасных веществ в окружающую среду и защита от них. // Проблемы современной науки и образования. № 2 (84), 2017.

3. ГумбатовМ.О. Безопасноть технологических процессов (на азерб. языке) Баку, 2017.

4. Гумбатов М.О., Гафаров Э.К., Ахмедова А.Г. Тушащие свойства некоторых веществ в условиях пламени // Журнал Наука XXI века, РФ. Москва, 2016, № 11.

АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НАДДУВОЧНОГО ВОЗДУХА В ДИЗЕЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ СЛУЖЕБНО-ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ И ПАССАЖИРСКИХ СУДОВ МЕСТНОГО ПЛАВАНИЯ Тимофеев В.Н.1, Михайлов А.А.2, Зайцев А.С.3, Смирнова М.Ю.4 Email: Timofeev1148@scientifictext.ru

1Тимофеев Виталий Никифорович - доктор технических наук, доцент, кафедра прикладной механики и графики, машиностроительный факультет; 2Михайлов Алексей Алексеевич - студент; 3Зайцев Андрей Сергеевич - студент; 4Смирнова Мария Юрьевна - студент, факультет энергетики и электротехники, Чувашский государственный университет, г. Чебоксары

Аннотация: статья относится к дизелестроению и может быть использована для дизельных установок судов служебно-вспомогательных, рейдовых, портовых, а также пассажирских судов, работающих на переправе от одного берега к другому, в том числе паромов и т.п.

Статья решает задачу поддержания температуры наддувочного воздуха двигателем на оптимальных уровнях, зависящих от режимов работы двигателя и не зависящих от температуры наружного воздуха. Кроме того, полезная модель решает задачу обеспечения судовой энергией дизельной установки источниками холода и теплоты. Основными элементами системы наддувочного воздуха являются тепловой насос и элементы автоматики.

Тепловой насос подключен к низкопотенциальному источнику энергии - забортной воде, при этом энергия холода, полученная в тепловом насосе, используется для охлаждения наддувочного воздуха на номинальных режимах работы двигателя, а тепловая энергия теплового насоса используется для подогрева наддувочного воздуха на долевых режимах работы двигателя. Кроме того, энергия холода может быть использована для обеспечения потребителей холода, а тепловая энергия - для потребителей, например, отопления, душевой и т. д.

Таким образом, предложенная статья позволяет поддерживать требуемый температурный режим наддувочного воздуха на всех режимах работы двигателя. Использование теплового насоса в системе регулирования температуры наддувочного воздуха позволяет иметь на предлагаемых судах источники холода и теплоты, что приводит к повышению эффективности эксплуатации судовой энергетической установки.

Ключевые слова: судовой дизель, система наддувочного воздуха, забортная вода, нагрузка, четырехходовой кран, трехходовой электронный вентиль, датчики температуры и нагрузки, эффективность судовой энергетической установки.

AUTOMATIC REGULATION OF THE BOOST-AIR TEMPERATURE IN THE DIESEL ENGINES OF SERVICE SHIPS AND PASSENGERS

FERRYBOAT SHIPS Timofeev V.N.1, Mikhailov A.A.2, Zaitsev A.S.3, Smirnova M.Yu.4

1Timofeev Vitaliy Nikiphorovich - Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, DEPARTMENT OF APPLIED MECHANICS AND GRAPHICS, MACHINE-BUILDING FACULTY; 2Mikhailov Aleksei Alekseevich - Student; 3Zaitsev Andrei Sergeevich - Student; 4Smirnova Mariya Yurievna - Student, FACULTY OF POWER ENGINEERING AND ELECTRICAL ENGINEERING, CHUVASH STATE UNIVERSITY, CHEBOKSARY

Abstract: the article refers to the diesel engine building. The system described in the article can be used in the diesel engines of service ships, raid ships, port ships and passengers ships working on crossing from one coast to another, for example, ferryboat etc.

The article reviews question of maintenance of the boost-air temperature by the engine on the optimal level depends of the mode of engine working and doesn't depends of the temperature of the external air. Moreover, the useful model providing the diesel engine with the source of cold and the source of heat.

Main elements of the system are heat pump and elements of automation.

Heat pump connects to the low-potential source of energy - outboard water. Herewith, energy of cold receiving in the heat pump using for cooling boost-air on the nominal modes of engine working and heat energy of heat pump using for heat up of boost-air on the non-set-up modes of the engine working. Moreover, energy of cold can be used for provision to a consumer of cold, and heat energy can be used for a consumer such as heating or shower room etc.

So, the relating system allows to maintain required temperature mode of boost-air on all working modes of the diesel engine. Using heat pump in temperature regulation system of boost-air allow to have on given ships sources of cold and heat that lead to up-grade operation efficiency of ship diesel engine.

Keywords: ship's engine, boost-air system, outboard water, load, four-way faucet, three-way electronic valve, sensors of the temperature and load, ship's energy facility efficiency.

УДК 62-843.6

Судовые дизели на внутренних водных путях работают в различных условиях, со значительными изменениями показателей: мощности, частоты вращения, тепловой и механической напряженности и др. Совокупность значений этих показателей характеризует режим работы дизеля. Режим работы главных дизелей, который является основным элементом комплекса гребной винт - корпус судна - дизель, зависит от типа и условий плавания судна, конструктивных особенностей его корпуса, типа главных дизелей и судовой дизельной установки, способа передачи мощности движителю.

Работа большей части судовых дизелей в условиях эксплуатации характеризуется частыми и резкими сменами режимов [1] во время маневрирования, при входе судна в порт, в движении в ледовых условиях, в период траления, при большой волне. Например, в ледовых условиях дизель практически все время работает при неустановившихся режимах, весьма часты реверсы. Работа его практически полностью связана с неустановившимся режимом, частыми остановками и пусками. Спектр по нагрузке весьма велик. Так, хронометраж работы главного дизеля морского буксира [4], осуществляющего буксировку судов большой парусности в стесненных условиях при сильном ветре, показал, что при

23

общей 14-часовой работе дизеля за каждый час были произведены 29 пусков и 102 хода. Из них "Самый малый" - 60; "Малый" - 27;"Средний" - 3, "Задний" - 12.

Резкие, в больших пределах и частые изменения режимов работы дизелей оказывают весьма существенное, как правило, отрицательное влияние на характер протекания рабочего процесса в цилиндрах, функционирование вспомогательных агрегатов и механизмов [1]. В результате ухудшаются технико-экономические и экологические показатели работы дизелей. Режимы работы судовых дизелей могут изменяться столь часто, что переходные процессы не успевают завершиться. При этом дизель работает все время в условиях неустановившихся режимов [1].

Переход главного судового дизеля на долевые нагрузки связан со значительным сокращением подачи топлива в цилиндры и увеличением избытка воздуха в конце сжатия. Особенно заметно изменение величин давления воздуха в конце сжатия и температуры в дизеле с газотурбинным наддувом, в связи, с чем необходимо следует отключать воздухоохладитель и включать подогреватель наддувочного воздуха [1].

Во время переходных процессов температура теплонапряженных деталей ЦПГ дизелей претерпевает значительные изменения, при этом изменения температуры всегда отстают во времени от изменения режима работы. Наблюдается так называемая тепловая инерция. Таким образом, рабочий процесс в цилиндре при неустановившихся режимах совершается при температурах стенок камеры сгорания в значительной степени, отличающихся от их значений для установившихся режимов. Это различие в ряде случаев может оказывать существенное влияние на характер рабочего процесса, особенно при относительно малых температурах деталей.

Во время эксплуатации дизелей с частыми сменами режимов при незавершенных переходных процессах наблюдается колебание температуры деталей относительно среднего значения. При резких сменах режимов дизеля средние эксплуатационные температуры деталей могут быть выше температур, характерных для номинального режима дизелей.

Неустановившееся температурное состояние (подогрев и охлаждение) сопровождается заметным ростом разности температур в теле деталей и в большинстве случаев -увеличением температурных напряжений.

Наряду с топливоподачей, процессом, определяющим температурный режим и экологические показатели судового дизеля, является воздухоснабжение. Давление и температура воздуха оказывают заметное влияние на характер протекания рабочего процесса дизеля [1, 5].

Неотъемлемым звеном в этой цепи являются системы турбонаддува. Наддув двигателя является наиболее эффективным средством повышения его литровой мощности. Увеличение плотности рабочего заряда в цилиндре осуществляется путем предварительного сжатия воздуха в специальном нагнетателе (компрессоре). При этом возрастание температуры воздуха в компрессоре зависит от степени повышения давления. При высоких степенях повышения давления температура на впуске дизеля может принимать высокие значения, если не применяется охлаждение наддувочного воздуха (НВ), что отрицательно влияет на работу дизеля.

Особенностью эксплуатации большинства судовых дизелей является их работа в течение значительного времени на долевых нагрузках. С понижением нагрузки эффект от охлаждения НВ уменьшается, а на режимах холостого хода и частичных нагрузок охлаждение воздуха оказывает отрицательное влияние на эффективные показатели ДВС. Это особенно касается судов, работающих на Крайнем Севере. Влияние низких температур воздуха при всасывании сказывается на работе дизеля на малых нагрузках при использовании остаточных топлив с высоким содержанием тяжелых углеводородов, воспламенение которых во многом зависит от температурных условий в цилиндре. Для повышения температуры воздуха в цилиндре на режимах холостого хода и частичных нагрузок необходимо применять подогрев наддувочного воздуха. При такой работе, если при 100%-й нагрузке Т, = 45^55 оС, то при 25%-й нагрузке Т, = 75^80 оС. Одновременно во

избежание низкотемпературной коррозии в цилиндрах и в целях снижения температурных напряжений в деталях ЦПГ увеличивают температуру охлаждающей воды с 80 до 95-100 оС.

Таким образом, благодаря воздухоохладителю и воздухоподогревателю, можно поддерживать температуру воздуха перед подачей в цилиндры примерно на квазиоптимальном уровне. Однако в условиях эксплуатации судового дизеля поддержание квазиоптимального температурного режима НВ с существующими средствами автоматического управления, весьма сложно, поэтому существующие проблемы могут быть решены современными быстродействующими средствами микроэлектроники.

Несмотря на достигнутые результаты по регулированию температуры НВ, в работе представлена система регулирования температуры НВ ДВС. Рассмотрим вариант разработанной нами системы регулирования температуры НВ с использованием электрических элементов, которые могут быть использованы в современных служебно -вспомогательных, портовых, рейдовых судах, а также пассажирских судах, работающих на переправе от одного берега к другому, в том числе паромах и т.п.

На рис. 1 представлена схема системы регулирования температуры наддувочного воздуха судовой дизельной установки и содержит двигатель 1; турбокомпрессор 2; распределитель воздуха 3; электрический исполнительный механизм 4; «горячий» теплообменник 5; «холодный» теплообменник 6; клинкет 7; тепловой насос 8, который включает в себя компрессор 9, конденсатор 10, водоподогреватель 11, дроссель 12, испаритель 13; теплообменник 14; потребитель холода 15; электронный четырёхходовой кран 16; электронный трёхходовой вентиль 17; электронный вентиль 18; вентиль 19; психрометр 20; датчик нагрузки 21; датчики температуры 22, 23; датчик психрометра 24; задатчики 25, 26, 27; блоки сравнения 28, 29, 30; блок управления 31; блок питания 32; выключатель 33; электрические насосы 34, 35, 36.

Электрический психрометр 20 установлен на канале подачи наддувочного воздуха в двигатель 1 и через датчик 24 передаёт информацию о содержании влаги в наддувочном воздухе в электронный блок управления 31.

Распределитель 3 с помощью исполнительного механизма 4 работает как трёхпозиционный регулятор в зависимости от нагрузки и температуры наддувочного воздуха, и может занимать три режима:

1. Режим № 1. Открыт горячий канал.

2. Режим № 2. Открыт «номинальный» канал.

3. Режим № 3. Открыт «холодный» канал.

В тепловом насосе 8 циркулирует легкокипящее вещество - хладагент. При этом в испарителе в результате испарения хладагента происходит понижение температуры низкопотенциального источника энергии - забортной воды, а в конденсаторе 10 в результате конденсации паров хладагента происходит подогрев контурной охлаждающей воды.

Электронный четырёхходовой кран 16 выполняется по патенту № 2253024 [2].

Электронный трёхходовой вентиль 17 выполняется по патенту № 2270923 [3].

Рис. 1. Схема регулирования температуры наддувочного воздуха: 1 - двигатель; 2 - турбокомпрессор;

3 - распределитель воздуха; 4 - электрический исполнительный механизм; 5 - «горячий» теплообменник, 6 - «холодный» теплообменник; 7 - клинкет; 8 - тепловой насос: 9 - компрессор, 10 - конденсатор, 11 - водоподогреватель 11, 12 - дроссель 12,13 - испаритель; 14 - теплообменник; 15 - потребитель холода; 16 - электронный четырёхходовой кран; 17 - электронный трёхходовой

вентиль; 18 - электронный вентиль; 19 - вентиль; 20 - психрометр; 21 - датчик нагрузки; 22, 23 - датчики температуры;24 - датчик психрометра; 25, 26, 27 - задатчики; 28, 29, 30 - блоки сравнения; 31 - блок управления 31;32 - блок питания; 33 - выключатель;

34, 35, 36 - электрические насосы

Замкнутый контур, включающий в себя теплообменник 14, канал 50, электронный вентиль 18, канал 48, «горячий» теплообменник 5, канал заполняется водой, служит для подогрева наддувочного воздуха в «горячем» теплообменнике 5. Электрический датчик температуры 23 контролирует температуру забортной воды, датчик температуры 22 контролирует температуру наддувочного воздуха. Сигнал от датчика температуры 22 подаётся по каналу в блок сравнения 28. Одновременно сигнал от датчика нагрузки 21 подаётся по каналу на задатчик 25, где формируется сигнал в соответствии с заданным законом и поступает по каналу на блок сравнения 28. Сопоставляя сигналы, поступающие от датчика температуры 22 и задатчика 25, в блоке сравнения 28 происходит вычисление регулирующего сигнала, который по каналу 72 поступает в блок управления 31. Таким

26

образом, сигнал, формирующийся на выходе блока управления 31, зависит от отклонений как регулируемой температуры, так и текущего значения нагрузки.

В потребителе 15 используется охлаждённая забортная вода, особенно в летнее время, например в качестве кондиционера воздуха.

В водоподогревателе 11 происходит подогрев забортной воды, которая используется в качестве горячей воды на камбузе, в душевой и т.п.

В тепловом насосе 8 компрессор 9 может быть электрическим или может быть подключён к главному двигателю внутреннего сгорания.

Система регулирования температуры наддувочного воздуха судового двигателя внутреннего сгорания работает следующим образом.

После запуска двигателя 1 из турбокомпрессора 2 воздух поступает в двигатель следующим образом. В электронный блок управления 31 поступают сигналы от датчиков температуры 22, 23; датчика психрометра 24 и датчика нагрузки 21. В зависимости от нагрузки двигателя и температуры наддувочного воздуха система позволяет поддерживать требуемую его температуру на всех режимах работы двигателя. Одновременно открывается вентиль 19, приводятся в действие электрические насосы, в том числе насос 34, который начинает подавать забортную воду через четырёхходовой электронный кран 16: в водоподогреватель 11, в испаритель 13, в теплообменник 6 при номинальных нагрузках работы дизеля, а при глубоком охлаждении двигателя патрубок четырёхходового крана 16 закрывает канал, и забортная вода поступает в теплообменник 6 через испаритель 13. Включается выключателем 33 блок питания 32 и блок управления 31, который начинает подавать электроэнергию на электрические потребители системы регулирования температуры наддувочного воздуха двигателя. Начинает работать тепловой насос 8.

При этом:

1. Если температура наддувочного воздуха при работе двигателя на долевых нагрузках и холостом ходу, например 1°н.в.< 60 °С, блок управления 31 подаёт сигнал на исполнительный механизм 4, который поворачивает распределитель 3 в положение «Режим 1». Тогда наддувочный воздух из турбокомпрессора 2 по каналу поступает в «горячий» теплообменник 5, где воздух подогреватся до заданного значения и направляется по каналу 56 в двигатель 1.

2. Если при изменении нагрузки двигателя температура наддувочного воздуха становится номинальной, блок управления 31 подаёт новый сигнал на исполнительный механизм 4, который поворачивает распределитель 3 в положение «Режим 2» и наддувочный воздух из турбокомпрессора 2 по каналу через распределитель 3 и по каналам поступает в двигатель 1. При этом тепловой насос 8 продолжает работать, охлаждённая вода из испарителя 13 по каналу через трёхходовой вентиль 17 подаётся к потребителю холода 15, а после по каналам сливается за борт. У трёхходового вентиля 17 третий патрубок находится в закрытом положении.

3. Если при изменении нагрузки двигателя до номинального значения и выше температура наддувочного воздуха становится выше номинальной, то блок управления 31 подаёт сигнал на исполнительный механизм 4, который поворачивает распределитель 3 в положение «Режим 3». Тогда наддувочный воздух из турбокомпрессора 2 по каналу 52 через распределитель 3, поступает в «холодный» теплообменник 6, где охлаждается до заданной температуры, например до 40 °С и по каналам 53, 56 направляется в двигатель 1.

В этом случае забортная вода в «холодный» теплообменник 6 поступает следующим образом.

- Если забортная вода имеет температуру, например, 1°з.в. < 10 °С, то четырёхходовой электронный кран 16 открывает канал и по этому каналу забортная вода подаётся в «холодный» теплообменник 6.

- Если температура забортной воды становится, например, 1°з.в. > 10 °С, то четырёхходовой электронный кран 16 прекращает подачу забортной воды закрытием патрубка канала.

При этом, электронный трёхходовой вентиль 17 открывает все свои патрубки: первый патрубок принимает охлаждённую забортную воду из испарителя 13, второй патрубок направляет поток охлаждённой воды по каналу в потребитель 15, третий патрубок направляет охлаждённый поток забортной воды по каналу в «холодный» теплообменник 6.

Датчик психрометра 24 контролирует влажность наддувочного воздуха. При охлаждении наддувочного воздуха до точки росы датчик психрометра 24 подаёт сигнал по каналу в блок сравнения 30, куда одновременно подаётся сигнал по каналу из задатчика 27. Обработанный сигнал в блоке сравнения 30 подаётся по каналу в блок управления 31, который уменьшает подачу охлаждённой забортной воды в трёхходовом вентиле 17, что приводит к увеличению температуры наддувочного воздуха, т.е. температура наддувочного воздуха становится выше точки росы.

Таким образом, предлагаемая система регулирования температуры наддувочного воздуха судового двигателя внутреннего сгорания позволяет решать задачу поддержания температуры наддувочного воздуха на переменных нагрузках, зависящих от режимов работы двигателя и не зависящих от температуры наружного воздуха. Кроме того, использование теплового насоса в системе регулирования температуры наддувочного воздуха позволяет иметь на предлагаемых судах постоянные источники холода и теплоты, что приводит к повышению эффективности эксплуатации судовой энергетической установки.

Список литературы /References

1. Тимофеев В.Н. Методы и средства автоматического регулирования теплового состояния судовых ДВС: дис., докт. техн. наук / В. Н. Тимофеев. СПб., 2015. 385 с.

2. Патент № 2253024, Россия, МПК F01P 7/14, 3/20 «Устройство для регулирования рабочей температуры охлаждающей жидкости ДВС» / В.Н. Тимофеев, А.М. Поздеев, Л.В. Тимакова. Опубл. в БИ 15.27.05.2005.

3. Патент № 2270923.Россия, МПК F01P 7/16, «Электрический термостат» / В.Н. Тимофеев, Н.П. Кузин, А.Н. Краснов. Опубл. 27.02.06 бюл. № 6.

4. Костин А.К. Работа дизелей в условиях эксплуатации. Л.: Машиностроение, 1989. 284 с.

5. Крутов В.И. Двигатель внутреннего сгорания как регулируемый объект / М.: Машиностроение, 1978. 471 с.