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冷冻机在行业中应用及多种形式的冷却

时间:2018-01-13 17:52 点击次数:
 

 

               冷冻机在行业中应用及多种形式的冷却

  第一节 冷冻机的功用、组成和布置 

   一、冷冻机的功用 

  (1)材料的机械性能下降,产生较大的热应力与变形,导致产生疲劳裂纹或塑性变形; 

  (2)破坏运动部件之间的正常间隙,引起过度磨损,甚至发生相互咬死或损坏事故; 

  (3)燃烧室周围部件温度过高,使进气温度升高,密度降低,从而减少进气量;增压后的空气温度也会升高,并影响进气量; 

   (4)润滑油的温度也逐渐升高,粘度下降,不利于摩擦表面油膜的形成,甚至失去润滑作用。 

   为了保证柴油机可靠工作,必须对柴油机受热机件,滑油及增压后的空气等进行冷却。然而从能量利用观点来看,柴油机的冷却是一种能量损失。冷冻机的主要任务应是保证柴油机在适宜的温度状态下工作,达到既能避免零件的损坏和减小其磨损,又能充分发出它的有效功率。 

   目前,柴油机的冷却方式分为强制液体冷却和风冷两种,绝大多数柴油机使用前者。而液体冷却的介质通常有淡水、海水、滑油等三种。淡水的水质稳定,传热效果好并可采用水处理解决其腐蚀和结垢的缺陷,因而它是目前使用广泛的一种理想冷却介质;海水的水源充裕但水质难以控制且其腐蚀和结垢问题比较突出,为减少腐蚀和结垢应限制海水的出口温度不应超过55?C;滑油的比热小,传热效果较差,在高温状态易在冷却腔内产生结焦,但它不存在因漏泄而污染曲轴箱油的危险,因而适于作为活塞的冷却介质。 柴油机冷冻机一般是用海水强制冷却淡水和其它载热流体(如滑油、增压空气等)。在系统布置上,海水系统属开式循环,淡水及滑油等属于闭式循环,两者组成的冷冻机称“闭式冷冻机”。 

   1.开式循环冷冻机 

  开式循环冷冻机是直接利用舷外水(海水或河水)冷却各受热部件,然后再排至舷外。 

  图6-1135系列柴油机的开式循环冷冻机。淡水泵将舷外水泵经滑油冷却器冷却滑油后,一路由机体进水管进机,冷却气缸套和气缸盖;另一路去冷却增压器。冷却过柴油机和增压器的冷却水,经出水管排至舷外。为了控制冷却水进机温度,缸盖出水管末端内装有调温器用以旁通已升温的淡水,使它从回水管至淡水泵进口。 

   开式循环冷冻机的优点是装置简单、维护方便,水源充裕,但存在如下缺点: 

   (1)水中含有较多的杂质和盐分,容易生成水垢。 

   (2)出水温度不得超过55?C,否则将会导致柴油机冷却水腔结垢严重,传热效果降低,零件的热应力增加。 

 循环冷冻机仅用于技术指标不高的中、小型柴油机中。随着船用柴油机强化程度的不断提高,很少再采用开式循环冷冻机。 

   2.闭式循环冷冻机 

   在闭式循环冷冻机中用经过处理的淡水冷却柴油机受热部件,并在冷冻机内形成封闭循环线路。作封闭循环的冷却淡水再由一个开式循环的舷外水通过淡水冷却器进行冷却。 

  图6-36NVD36型柴油机的闭式循环冷冻机。在其海水系统中:海水由海水泵经通海阀和滤器吸入,并压送至滑油冷却器冷却滑油,然后又进入淡水冷却器冷却淡水,后经排出阀排出舷外。海水泵排出管路接出一支管去冷却压气机。 

   闭式循环冷冻机具有以下优点: 

  (1)淡水中所含杂质和盐分较少,腐蚀和结垢不严重,能保持机件良好的散热。 

  (2)出水温度可提高到75?C90?C,进水温度也不受自然环境的影响,而且温度还可以自动调节,使进出口温差较小,因此机件所受热应力不致过大。 

  (3)燃气与冷却水之间的温度降减小,减小了传给冷却水的热损失,可以提高工作循环的热效率。 

  缺点是整个系统较为复杂。 

  大型低速柴油机的冷冻机一般是由几个独立的管系组成,分别输送冷却介质去冷却气缸套和气缸盖、活塞、喷油器、增压器、增压后的空气等。9ESDZ58/100型柴油机冷冻机有如下四个独立冷却管系: 

  (1)空气冷却器管系(图6-4):增压后的空气经过空气冷却器由海水进行冷却,海水泵将海水从舷外吸入经进水总管及支管通入空气冷却器,然后从出水支管汇于出水总管排出。在进、出支管上均设有截止阀,以便调节或切断进入各空气冷却器的海水量。 (2)气缸、气缸盖及增压器冷却管系(图6-5):淡水由淡水泵打入主机的进水总管,由此分别进入各气缸水套空间下部,沿导向槽往上流动,经气缸套上部隔圈从旁通弯管引入气缸盖,再由气缸盖进入出水总管,然后一部分直接流回到循环水柜,一部分经管路引到增压器,冷却废气和排气蜗壳,两部分的水量分配可以调节,以利于冷却增压器。通过阀门的关和开,可把对增压器和对气缸的冷却改为并联式。 

  (3)活塞冷却管系:由淡水泵来的冷却水经进水总管到各支管,再由伸缩管引入活塞头部,冷却活塞头部后的冷却水经旁孔回到伸缩管的外部空间,经出口流回到活塞冷却水循环柜。 

  (4)喷油器冷却管系:该机喷油器也用水冷却,为了避免柴油混入整个冷却水中,喷油器采用独立冷冻机。由淡水泵来的淡水经总管、各支管进入喷油器冷却水腔,冷却后的淡水汇集到排水总管回到循环水柜。 

  3.中央冷冻机 

  这种冷冻机的基本特点是使用不同工作温度的两个单独的淡水循环系统:高温的热淡水(约80?C85?C)和低温的温淡水(约30℃~40℃)闭式系统。前者用于冷却主机,后者用于冷却热淡水和各种冷却器。受热后的温淡水在一个中央冷却器中由开式的海水系统进行冷却。因此,可保证只使用一个用海水作为冷却液的冷却器。 

  下图所示为MAN/BW LMC/MCE型柴油机使用的中央冷冻机。主机缸套冷却水为热淡水循环系统,发电副机缸套水为温淡水系统。其主、副机缸套水循环系统主机活塞采用滑油冷却,喷油器为非冷却式。温淡水由中央冷却水泵3泵出分别冷却主机滑油冷却器4、空气冷却器5、主机缸套水冷却器8,其回水经总管汇集后流至中央冷却泵3(共三台)入口处。此温淡水同时兼作发电副机缸套水,其出口水在航行时(阀A开启,阀B关闭)流至单设的中央冷却泵3入口处。在港泊期间(阀A关闭,阀B开启),发电副机缸套冷却水可用来给主机暖机。受热后的温淡水可在中央冷却器2中由主海水泵1泵出的海水进行冷却。由此,简化了船舶海水管系,使海水管系短。此外在系统中装有多个温度传感器10以及相应的热力控制阀9,可根据水温的变化调节旁通水量大小。 

  LMC/MCE型柴油机使用的中央冷冻机 

  中央冷冻机有以下明显优点: 

  (1)海水管系及中央冷却器的维修工作减至低限度; 

  (2)气缸冷却水温度稳定,不受工况变化的影响,因而使柴油机始终在佳冷却状态下运转; 

  (3)淡水循环可多年保持清洁,维修工作量极少。 

  中央冻机也存在以下缺点:增加了中央冷却器及其辅助设备与管系,因而投资费用较高;由于附加管系的阻力损失,使泵送耗功也有所增加。在近代建造的现代化船舶中,大多采用中央冷冻机。 

  第二节 冷冻机的设备 

  一、水泵 

  水泵的功用是使冷却水有一定的压力,加速循环流动。离心式水泵因其结构简单、尺寸小、排量大、工作可靠、制造容易,以及当水泵由于故障而停止工作时,冷却水仍可进行自然循环,防止柴油机因局部过热而损坏等优点,在冷冻机中被广泛采用。缺点是吸头低、扬程小。 

  二、膨胀水箱 

  膨胀水箱设置在淡水系统的高处,各冷却水管系出口的高处均有细管与膨胀水箱相通,水箱底部用管子与淡水泵的进口相通。膨胀水箱是闭式淡水系统中的重要机件,它有如下功用:①当系统中的淡水受热后膨胀或冷却后收缩时,能提供膨胀收缩的余地;②能及时排出系统中的气体;③当淡水蒸发或系统有漏泄时能及时给系统补水;④高置的膨胀水箱还保证了淡水泵具有一定的吸入压力;⑤膨胀水箱还可作为水处理的投药处;⑥暖缸时也可通过它对淡水进行加温。 

  三、冷却器 

  淡水冷却器是用海水来冷却封闭循环的淡水;滑油冷却器是用水来冷却润滑系统中温度升高的滑油;空气冷却器是用水来冷却增压后温度升高的空气。从热交换的角度来看,它们都是热交换器。近年来出现了一些较新式的板式热交换器,但目前船舶柴油机上使用较广泛的仍是管式热交换器。淡水冷却器结构原理与前述滑油冷却器相近。 

  四、调温器 

  调温器是柴油机冷冻机中的温度自动调节设备。柴油机运转时,要求冷却水温能维持在一定范围。冷却水的循环路线和流量由自动调温器来控制:当水温较低时,使冷却水不去淡水冷却器冷却,只进行有利于提高进水温度的“小循环”;当水温升高到一定数值时,再使冷却水全部通过淡水冷却器,进行有利于降低进水温度的“大循环”;或者是一部分冷却水作大循环,另一部分作小循环,使冷却水汇合时得到适宜的进水温度。 

  目前调温器的型式较多,但较常用的是波纹管调温器和蜡质调温器。 

  图6-9是波纹管调温器工作原理图。在波纹型密封容器2内装有易于挥发的乙醇或乙醚与蒸馏水溶液(比例为l2)。波纹管浸在冷却水的出水流中,感受着出水温度的高低,并产生不同的伸长或收缩。当水温低于所要求的数值时,主阀6关小或关闭,旁通阀3打开,使得一部分或全部冷却水直接流向循环冷却水泵的入口,不通过冷却器。如果水温达大值时,波纹管膨胀到使主阀全开,旁通阀全关,致使冷却水全部流向冷却器。经冷却后再流至循环水泵入口。波纹管型式调温器结构简单,但是由薄金属片做成的波纹管工作可靠性差,使用寿命也短。 

  图6-l0是蜡质调温器的一种结构型式。它的感温元件是由感应器体8及密封在其中的石蜡组成,为了提高导热性能,常在石蜡中加入铜粉。石蜡在82.5℃~83℃熔化成液体时体积膨胀特别大,通过胶管6推动推杆4,控制与推杆相连的主阀1和旁通阀2。当水温达到高值时,主阀1全开,通往循环冷却水泵入口的旁通阀关闭,冷却水全部进入冷却器经冷却后至水泵入口。这种调温器对冷冻机中的工作压力不敏感,工作可靠,使用寿命较长,但结构比较复杂。 

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