К.т.н. Cирота А.А., к.т.н. Щербак Ю.Г.

Черноморский  государственний университет  имени Петра Могилы

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ  ТЕМПЕРАТУРЫ НАДДУВОЧНОГО ВОЗДУХА НА ВХОДЕ В ЦИЛИНДРЫ  СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ С УЧЕТОМ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ И

СХЕМНОГО РЕШЕНИЯ СИСТЕМЫ ЕГО ОХЛАЖДЕНИЯ 

 

         Приведенные материалы являются дальнейшим развитием и уточнением результатов, представленных в работе [1].

         Известно, что связь температуры наддувочного воздуха на входе в цилиндры двигателя Тs, температуры воздуха на входе в компрессор  агрегата наддува Тн, в конце процесса сжатия в компрессоре Тк и температуры воды на входе в охладитель наддувочного воздуха (ОНВ) Тw1  может  быть установлена с помощью зависимостей, приведенных в работе [2]:                               

                                    Е = (Тк  – Тs ) / (Тк – Тн ),                                                  (1)

а также                       σ = (Тк  – Тs ) / (Тк – Тw1),                                                  (2)

где  Е  и  σ   – степень охлаждения воздуха и степень отдачи теплоты  в ОНВ.

         Температуру Тк   можно определить  с помощью  известного термодинамического выражения

                                  Тк = Тн  [1+ (πk0,286  – 1) / ηk ],                                             (3)

которое с высокой степенью точности апроксимируется зависимостью [1]  вида      

                                    Ts = Тн  · ηk- 0,05 · πk0,609 - 0,34 ηk    ,                                         (4)

где ηk  и  πk  – соответственно КПД и степень повышения давления в компрессоре.

         Используя выражения (2) и (4), путем несложных преобразований можно получить зависимость вида

                        Ts = Тн  · ηk- 0,05 · πk0,609 - 0,34 ηk  ·(1– σ ) +σ ·Тк  .                               (5)

         С целью последующего анализа влияния температур Тн  и Тw1  на величину Ts   установим связь между степенью отдачи теплоты σ  в ОНВ и степенью охлаждения воздуха Е в виде

                                            σ = kσ · Е ,                                                                   (6)

где  kσ –  коэффициент связи величин σ  и Е.

        В реальных двигателях величина Е всегда меньше единицы и для предельно эффективной рекуперативной системы охлаждения может составлять Е = 0,82 [2]. Обычно применяют компактные системы охлаждения,  в которых  степень охлаждения составляет Е = 0,7…0,8 [2; 3; 4].

       Выражение для коэфициента связи   kσ    представим в виде произведения коэффициентов влияния 

                                      kσ = kТн · kπk · kηk  ,                                                           (7)

где  kТн ,  kπk , и  kηk  – соответственно коэффициенты влияния на величину                              kσ  температуры воздуха Тн на входе в компрессор, степени повышения давления в компрессоре  πk   и КПД компрессора  ηk .

        Для определения указанных коэффициентов влияния нами предлагаются эмпирические зависимости, полученные на основании многочисленных расчетов:

                                       kTн= Tн0,187 - 0,000647 Tн ,                                                      (8)                                                                                                                             

                                        kπk =(πk –1)0,57 ln Tн - 3,23 ,                                                   (9)

                                        kηk =(1,6–ηk)1,3(1-0,00036Tн)lnπk+0,0093Tн-2,6 .                         (10)

         Результаты определения коэффициента связи kσ согласно выражениям                                                 (7) – (10)   представлены на рис. 1. В рассмотренном диапазоне изменения температуры воздуха на входе в компрессор (Тн =303…323 К), степени  повышения  давления в компрессоре (πk = 2…4) и  КПД  компрессора (ηk = 0,6…0,8) величина kσ  изменяется в пределах 0,84…0,975.

         Дальнейший анализ проведен с использованием  зависимости между температурой  забортной воды  Тз.в. = Тw1 и температурой  наружного воздуха

Тн.в., полученной в результате   обобщения данных,  представленных в работе [5]  для различных районов Мирового океана (см. рис.2), в виде                                                                                  

                                       tз.в.= tн.в. 1,077 - 0,0035 tн.в.  °C   .                                            (11)                               

       


Рис. 1. Зависимость коэффициента связи kσ от температуры воздуха на входе в компрессор Тн и параметров процесса сжатия


 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 2. Взаимосвязь температуры наружного воздуха tн.в. и температуры забортной воды tз.в.  в различных частях Мирового океана [5]

         Для предварительной оценки влияния эксплуатационных факторов (Тн, Тw1, ηk, πk) на величину Ts  рассмотрены три варианта схемного  решения системы охлаждения наддувочного воздуха (рис. 3): традиционная схема (схема а) с охлаждением воздуха после компрессора забортной водой в охладителе наддувочного воздуха (ОНВ), схема с использованием  холодильной машины (ХМ) для охлаждения промежуточного теплоносителя на входе в ОНВ (схема б) и схема с предварительным охлаждением наружного воздуха с помощью ХМ в охладителе предварительного охлаждения воздуха (ОПОВ) и традиционным ОНВ (схема в).

        На рис. 4 представлены некоторые результаты выполненных расчетов.

        Учитывая, что при эксплуатации судов в различных районах плавания наблюдается  изменение температуры  наружного воздуха и забортной воды в одном направлении согласно зависимости (11), их одновременный рост приводит к увеличению температуры Ts, а значит негативно сказывается на эффективности работы главных и вспомогательных двигателей.

        Так,  рост величины Тн на 20К приводит к увеличению температуры Ts  с

339 до 360К, т.е. на 21К,  при  значении степени охлаждения воздуха Е = 0,75 и с 329 до 350К при значении Е = 0,82 (схема а). Таким образом, изменение величины Е практически не влияет на изменение Ts. В среднем повышению температуры Тн  на 1К соответствует также повышение температуры Ts на 1К.                

       При охлаждении наддувочного воздуха  с помощью ХМ (например, согласно схеме б ) эффективность охлаждения ( ∆Тs /∆Тw1)  в среднем составляет 0,65…0,75, т.е. понижению температуры Тw1  на 1К соответствует также понижению температуры Ts на 0,65…0,75К независимо от значения степени охлаждения воздуха Е.

      Практически такие же результаты получены и при охлаждении наддувочного воздуха с помощью ХМ на входе в компрессор с использованием    ОПОВ    ( схема в).  


 


Рис. 3. Схемные решения системы охлаждения наддувочного воздуха:

а)- традиционная схема системы охлаждения; б), в)-схемы  с использованием холодильной машины

 

      Здесь  эффективность охлаждения  ∆Тs /∆Тн   составляет    величину   порядка 0,75  и также не зависит от  величины Е.

      Таким образом, схемное решение системы охлаждения наддувочного воздуха судовых двигателей незначительно влияет на эффективность его охлаждения  ∆Тs /∆Т w1   и  ∆Тs /∆Тн .

       Целесообразность применения ХМ, а также их тип требуют дальнейших исследований.

       Полученные зависимрсти   (5) – (11) позволяют определять изменение температуры Ts  в зависимости от температурных параметров окружающей среды (tн.в., tз.в.) , характеристик компрессорной ступени агрегата наддува и схемного решения системи охлаждения циклового воздуха судовых дизелей.


 


Рис. 4. Зависимость температуры воздуха на входе в цилиндры двигателя Ts от изменения температур воздуха на входе в компрессор Тн и охлаждающей воды Тw1 для различных схем системы охлаждения

 

        Литература:       

1. Сирота А.А. Исследование влияния температуры наружного воздуха и забортной воды на температуру наддувочного воздуха на входе в цилиндр судовых дизелей // Наукові праці ЧДУ ім. Петра Могили. Серія «Техногенна безпека» . − 2009. − №98 (111) . − С. 20-26.

2. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей / Д.И. Вырубов, Н.А. Иващенко, В.И. Ивин и др. / Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. − М: Машиностроение, 1983. − 372 с.

3. Мошенцев Ю.Л., Тимошевский Б.Г., Бао В.Д. Охлаждение наддувочного воздуха с использованием воздушной холодильной машины // Авиационно-космическая техника и технология. − 2001. Вып. 23. − С. 90-92.

4. Гольтраф И.С. Охлаждение воздуха в судовых дизелях. − Судостроение, 1967. − 140 с.

5. Хордас Г.С. Расчеты общесудовых систем: Справочник. − Л: Судостроение, 1983. − 440 с.