CC BY
61
УДК 621.577
Р.Н. Радченко, А.И. Бузник Национальный университет кораблестроения им. адмирала Макарова, Украина
ОХЛАЖДЕНИЕ ВОЗДУХА НА ВХОДЕ СУДОВЫХ ДВС УТИЛИЗАЦИОННОЙ ВОЗДУШНОЙ ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНОЙ
Проанализирована целесообразность охлаждения циклового воздуха на входе судовых ДВС воздушной холодильной машиной, использующей избыточную энергию уходящих газов. Избыток энергии уходящих газов образуется при нагрузках ДВС свыше 50% и благодаря высокой эффективности современных турбонаддувочных агрегатов. Предложены схемные решения теплоиспользующих установок охлаждения воздуха на входе ДВС, полученные путем трансформации существующих систем охлаждения наддувочного воздуха и утилизации энергии уходящих газов судовых ДВС.
Двигатель внутреннего сгорания, турбокомпрессор, турбодетандер, воздушная холодильная машина, наддувочный воздух, уходящие газы.
1. Анализ проблемы и постановка цели исследования
Эффективность судовых ДВС существенно зависит от температуры воздуха на входе наддувочного турбокомпрессора (ТК): каждые 10 °С ее увеличения вызывают снижение эффективного КПД двигателей на 0,5...0,7% с соответствующим возрастанием удельного потребления ими топлива [1]. Возрастание температуры ?зв забортной воды, используемой во внешнем контуре охладителей наддувочного воздуха (ОНВ) центральных систем водяного охлаждения двигателей [1,2] и отличающейся от температуры наружного воздуха на 24 °С, приводит к соответствующему повышению температуры пресной воды, подаваемой непосредственно на ОНВ, ухудшению эффективности охлаждения наддувочного воздуха, которое уже не в состоянии компенсировать повышение температуры воздуха на входе ТК.
Снижение температуры наддувочного воздуха судовых ДВС возможно в утилизационных воздушных холодильных машинах (ВХМ), работающих по открытому циклу и использующих энергию уходящих газов, которые применялись в двигателях фирмы «Купер-Бессемер» еще с 1950 г. [3]. Сжатие воздуха в них осуществляется последовательно в двух центробежных компрессорах с приводом первого компрессора от утилизационной турбины (УТ), установленной в газовыпускном тракте, а второго — от воздушного турбодетандера, при расширении в котором и про© Р.Н. Радченко, А.И. Бузник, 2008
исходит окончательное охлаждение наддувочного воздуха. При этом после каждого из компрессоров предусмотрено промежуточное охлаждения воздуха водой.
Основным преимуществом ВХМ является использование воздуха в качестве холодильного агента и малые габариты. Эффективность охлаждения наддувочного воздуха в ВХМ (по сравнению с водяным охлаждением) зависит от наличия резерва мощности УТ, который можно задействовать для дополнительного повышения давления наддувочного воздуха, срабатываемого затем в турбодетандере ВХМ. Поскольку КПД газового и воздушного турбокомпрессоров в ВХМ судовых дизелей «Купер-Бессемер» был очень низким: Птк = 0,6 и 0,55 соответственно (при степенях повышения давления компрессоров пк около 2,7 и 1,3 соответственно), то и эффективность охлаждения наддувочного воздуха в ВХМ по сравнению с обычным водяным охлаждением оказалась невысокой. Современные же ТК имеют КПД свыше Птк = 0,7, которые уже приближаются к 0,75 [4]. Образующаяся благодаря этому избыточная (сверх необходимой для наддува дизелей) энергия выпускных газов позволила ведущим дизелестроительным фирмам перейти на системы более полной утилизации энергии выпускных газов, в частности турбокомпаундные системы TCS (Turbo Compound System) с бай-пасированием части выпускных газов (около 10% общего расхода), минуя ТК, на вход силовой турбины (power turbine) и использованием получа-
емой в турбине механической энергии для привода вала двигателя, дополнительно к мощности самого двигателя, — TCS/PTI (Power Take In — подвод мощности), или электрогенератора TCS/PTO (Power Take Out — отвод мощности). Турбокомпаундные системы утилизации TCS нашли применение в двухтактных главных двигателях [1]. При этом пар, вырабатываемый утилизационным котлом (УК), используется в паровой турбине, мощность которой передается на вал двигателя или на привод электрогенератора.
Еще одним вариантом реализации избыточной энергия выпускных газов главного двигателя является интегрированная система наддува ICS (Integrated Charge Air System), в соответствии с которой избыток неохлажденного наддувочного воздуха после ТК главного двухтактного ДВС подается на вход ТК вспомогательного четырехтактного ДВС при пониженных нагрузках последнего [1].
Альтернативная турбокомпаундная система — без байпасирования части выпускных газов на дополнительную силовую турбину и предполагающая отвод избыточной мощности от утилизационной турбины, приводящей наддувочный компрессор, на привод электрогенератора, разработана фирмой «Mitsubishi Heavy Industries (MHI)» [4]. Избыток мощности УТ образуется за счет применения высокоэффективных ТК серии МЕТ-МАс КПД около 74%. Применение такого гибридного турбонагнетателя (Hybrid Turbocharger) с отбором части мощности УТ на привод электрогенератора позволяет получать дополнительную электрическую мощность, эквивалентную примерно 5% мощности главного дизеля. При этом температура уходящих газов на входе ТК составляла = 450 °С и пк = 3,3. Отсутствие второй газовой турбины является несомненным преимуществом гибридной системы НТ-TCS.
Как видно, анализ практики применения в судовой энергетике различных систем утилизации энергии выпускных газов ДВС — TCS, НТ-TCS, ICS, TCS/ICS свидетельствует о том, что благодаря высоким КПД современных турбоком-прессорных агрегатов (0,70...0,75) образуется избыток энергии выпускных газов, сверх необходимой для турбонаддува.
Целью исследования является оценка целесообразности охлаждения воздуха на входе судовых ДВС воздушными холодильными машинами, использующими энергию выпускных газов двигателей.
2. Анализ результатов исследования
Источником энергии для ВХМ служит избыточная мощность турбонаддувочных агрегатов, образующаяся благодаря их высоким КПД:
Птк=0,7.0,75. Поскольку Птк существенно зависит от степени повышения давления пк, принимая максимальное значение при некоторой оптимальной величине п t, например, для ТК типа МЕТ МА Птктах= 0,74 при пкор1, = 3,3 и снижается до Птк=0,67 при пк = 4,5 [4], то представляется целесообразным реализовать избыточную энергию выпускных газов не путем повышения давления наддувочного воздуха перед турбоде-тандером ВХМ, т.е. за счет возрастания степени расширения наддувочного воздуха в турбодетан-дере, как в системе охлаждения наддувочного воздуха с помощью традиционной ВХМ [3], а увеличением производительности ТК с использованием в ВХМ энергии избыточного количества наддувочного воздуха для охлаждения воздуха на входе двигателя.
Простейшим схемным решением такой ВХМ, работающей на избытке наддувочного воздуха, является стандартная система турбонаддува с дросселированием избыточного количества наддувочного воздуха после теплообменника-охладителя наддувочного воздуха на вход ТК (рис. 1).
к у
I—*
дк
двс
Рис.1. Схема ВХМ с дросселированием избытка охлажденного наддувочного воздуха: Т — утилизационная
турбина; К — компрессор; ТО — теплообменник-охладитель наддувочного воздуха; ДК — дроссельный клапан; НВ — наружный воздух; УГ — уходящие газы
Такая ВХМ по составу элементов не отличается от стандартной системы перепуска части наддувочного, но неохлажденного воздуха (перед ТО), на вход ТК для предотвращения недопустимого повышения давления в цилиндрах двигателя, имеющего место при пониженных температурах воздуха на входе ТК: ?нв< -5 °С [6]. Основной недостаток простой схемы — потери энергии сжатого воздуха при его дросселировании, которую можно было бы получить при условии расширения воздуха в турбодетандере.
Схема ВХМ с турбодетандером, мощность которого используется для привода компрессора, приведена на рис. 2.
УГ
о1
ооооо
ТО
дувочного воздуха, а основное его количество направлять в наддувочный ресивер в обход тур-бодетандера (рис. 3).
ТД
нв
ТО2 ТО,
ТД К2
УГ
ДВС
Рис. 2. Схема ВХМ с турбодетандером: Т— утилизационная турбина; К — компрессор; ТД — турбодетандер; ТО — теплообменник-охладитель наддувочного воздуха; НВ — наружный воздух; УГ — уходящие газы
В такую систему охлаждения воздуха на входе ДВС, не прибегая к каким-либо конструктивным изменениям, а всего лишь соответствующими переключениями можно трансформировать стандартную турбодетандерную систему охлаждения наддувочного воздуха ДВС: достаточно на турбодетандер ТД подавать только избыток над-
ооооо
СКВ
.К, Т НВ
Две
Рис. 3. Схема ВХМ с двумя компрессорами и промохлаждением: Т — утилизационная турбина; ТД — турбодетандер; К! и К2 — компрессоры; ТО! и ТО2 — теплообменники;
НВ — наружный воздух; УГ — уходящие газы
Соответствующие процессы тепловлажностной обработки воздуха в ВХМ в диаграммах ((-I (вла-госодержание-энтальпия) и s-T (энтропия-температура) приведены на рис. 4.
Рис. 4. Процессы обработки воздуха в ВХМ с двумя компрессорами и промежуточным охлаждением
Процессы тепловлажностной обработки воздуха в ВХМ обозначены следующим образом: Н—1 — сжатие в компрессоре К!; 1—2 — охлаждение в ТО1 (1—1" — охлаждение до состояния насыщения (точки росы 1"), соответствующего давлению после К1 (промежуточному давлению Рпр); 1—2 — охлаждение с выпадением влаги); 2—3 — сжатие в компрессоре К2; 3—4 — охлаждение в ТО2; 4—5 — условный процесс расширения
в турбодетандере (с учетом сепарации из него капельной влаги в установленном на выходе тур-бодетандера сепараторе, который в схеме на рис. 3 не показан). Состояние воздуха после сепаратора зависит от полноты сепарации из него капельной влаги и определяется следующими процессами. Точка А — воздух на выходе из турбодетандера в виде тумана — смеси насыщенного воздуха (т. 5) и капельной влаги в количестве А( = (4 — (5.
При полной сепарации влаги (как и должно быть) получают насыщенный воздух (т. 5), который смешивают с воздухом (т. Н), подаваемым на компрессор (наружным или из машинного отделения). Процессу смешения соответствуют линии 5—0 и Н—0, а состоянию воздуха на всасывании компрессора К! — т. 0. В случае неполного отделения влаги состояние воздуха после сепаратора характеризовалось бы точкой тумана В, а процесс его смешения с наружным воздухом линиями И—0 и Н—0 (на рис. 4 не показано).
При достаточно низкой температуре забортной воды, подаваемой на теплообменники-охладители наддувочного воздуха Т01 и ТО2 и обеспечивающей требуемую температуру воздуха в наддувочном ресивере, часть воздуха, охлажденного в ВХМ, может использоваться на другие нужды, например в общесудовой системе кондиционирования воздуха (СКВ) комфортного или технологического назначения, как показано в схеме на рис. 3. Соответствующие процессы смешения холодного воздуха от ВХМ (точки 5 или В) с воздухом кондиционируемого помещения (т.П) изображены линиями 5—Б и П—Б, а также В—С и П—С. Чтобы не загромождать рис. 4 процессами в самой СКВ, на нем представлен вариант работы СКВ без смешения холодного воздуха с наружным, обычно предшествующего подаче воздуха в кондиционируемые помещения.
Результаты расчетов показывают, что при исходных температурах воздуха, подаваемого на вход ТК двигателя, 35 °C (наружный воздух, соответствующий тропическим условиям эксплуатации) и 45 °C (воздух в машинном отделении) температура воздуха на выходе из турбодетандера ВХМ может достигать минус 40 °C и минус 30 °C соответственно. В зависимости от располагаемого избытка наддувочного воздуха, который можно подавать в турбодетандер ВХМ, снижение температуры воздуха на входе ТК двигателя А?в (по сравнению с базовым вариантом без предварительного охлаждения наружного воздуха в ВХМ) за счет смешения наружного воздуха с воздухом, охлажденным в ВХМ, составит около 10 °C (при расходе сжатого воздуха через турбодетандер ВХМ 10% от общего его расхода) и почти 20 °C при 20% суммарного расхода, что обеспечит сокращение удельного эффективного расхода топлива на 1,0...1,5%.
При повышенных температурах наружного воздуха и забортной воды, а также недостаточном количестве избыточного наддувочного воздуха (отводимого на турбодетандер ВХМ) можно прибегнуть к дополнительному (к водяному) охлаждению наддувочного воздуха в тепло-
использующей холодильной машине (TXM). Источником теплоты для TXM могут служить уходящие газы или наддувочный воздух после компрессора, температура которого в зависимости от давления может составлять от 100 oC (при двухступенчатом сжатии с промежуточным охлаждение) до 200 oC и выше (без промежуточного охлаждения). B качестве рабочего тела в TXM используются низкокипящие рабочие тела (HPT), в частности, озонобезопасные хладоны R142b и R600 (н-бутан).
Применение TXM обеспечивает дополнительное (к охлаждению в стандартном водяном OHB) снижение температуры наддувочного воздуха на входе турбодетандера BXM на 20...40 oC и соответствующей температуры воздуха на выходе из него на 15.30 oC, позволяет получить достаточно низкие температуры воздуха (около 10 oC) на всасывании TK при температурах воздуха в машинном отделении 45.50 oC и забортной воды 32 oC и сократить на 2.3% удельное потребление топлива двигателем.
Выводы
1. Oхлаждение воздуха на входе судовых ДBC в BXM, использующих наддувочный воздух, обеспечивает повышение КПД ДBC на 1,0.1,5%.
2. Применение BXM с охлаждением наддувочного воздуха в TXM обеспечивает приращение КПД судовых ДBC на 2.3%.
3. Предложены схемные решения систем охлаждения воздуха на входе судовых ДBC в BXM.
Литература
1. MAN B&W. Project Guide. Two-stroke Engines. MC Programme. Vol. 1: MAN B&W Diesel A/S, Copenhagen, Denmark, 1986.
2. Influence of Ambient Temperature Conditions on Main Engine Operation: MAN B&W Diesel A/S, Copenhagen,Denmark,2005.-http://www.mandiesel. com/files/news/filesof762/5510-0005.00pr_low.pdf.
3. Zinner K., Reinloin H. Thermodynamische Untersuchung uber die Anwendbarkeit der Turbokuhlung bei aufgeladenen vierfakt // Dieselmotoren, «MTZ». 1964. Nr. 5. S. 188195.
4. Shiraishi K., Ono Y. Hybrid Turbocharger with integrated High Speed Motor-generator // Technical Review: Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. 2007. Vol. 44. No. 1 (Mar.). 3 p. - http://www.mhi.co.jp/ technology/review/pdf/ e441 /e441049.pdf
Поступила в редакцию 30.05.08
Рецензент: д-р техн. наук, проф. Живица BÄ, Oдесская государственная академия холода.
-SO -
Проанал1зовано доцыъшстъ охолодження циклового повтря на exodi суднових ДВЗ повтряною холодилъною машиною, що використовуе надлишок енергП вiдxiдниx газiв. Над-лишок енергП вiдxiдниx газiв утворюетъся при навантаженнях ДВЗ понад 50 % i завдяки високш ефективнoстi сучасниx турбонаддувнш агрегатiв. Запропоноват сжмш ршення теплoвикoристoвуючиx установок oxoлoдження повтря на вxoдi ДВЗ, одержат шляхом трансформацП wнуючш систем oxoлoдження наддувного повтря та утилiзацii енергП вiдxiдниx газiв судновш ДВЗ.
The expediency of cooling the cyclic air at the inlet of marine ICE by air cooling machine, using the surplus energy of exhaust gases has been analyzed. The surplus energy of exhaust gases exists at power loads upon ICE exceeding 50 % of the engine full load and due to high efficiency of modern turbochargers. The schemes of waste heat recovery plants for cooling air at the inlet of ICE, developed by transforming the existing charge air cooling and marine ICE exhaust gas energy recovery systems are proposed.
