6 - Instalacja chłodzenia

Chłodzenie silników okr

towych - wiadomo

ci podstawowe

Chłodzenie silnika wynika z potrzeby utrzymania temperatury elementów
tworz

cych komor

spalania - głowicy, tłoka, tulei cylindrowej na poziomie

gwarantuj

cym ich poprawne działanie, niezawodno

ść

i trwało

ść

. Chłodzi si

tak

e ło

yska oraz prowadnice wodzika, to znaczy te elementy silnika, które

nagrzewaj

kosztem ciepła równowa

nego stratom tarcia. Oprócz

elementów silnika chłodzi si

tak

e powietrze ładuj

ce.

Chłodzenie silnika powoduje nieuniknione straty energetyczne wynosz

ok. 25—30% energii doprowadzanej w paliwie. Jako czynnik chłodz

stosuje si

•

wod

słodk

•

olej smarny, do chłodzenia tłoków i ło

ysk,

•

wod

zaburtow

(morsk

) do chłodzenia powietrza ładuj

cego.

Pobrane z silnika ciepło woda słodka i olej smarny oddaj

w chłodnicach

wodzie zaburtowej.

Cel i skutki chłodzenia

Zadania układu chłodzenia silników okr

towych

Celem chłodzenia silnika spalinowego jest:

•

utrzymanie stałych, dopuszczalnych warto

ci (niezale

nie od obci

ąż

enia)

rednich temperatur jego elementów,

•

wyrównanie, w mo

liwie najwi

kszym stopniu, temperatur w ró

nych

punktach chłodzonych elementów.

Podstawowym warunkiem stało

ci temperatury chłodzonych cz

ęś

ci silnika s

ustalone obci

ąż

enia silnika i warunki jego chłodzenia, kiedy to ilo

ść

ciepła

przejmowana przez silnik równa si

ilo

ci ciepła oddawanego czynnikom

chłodz

cym. W zmiennych warunkach obci

ąż

enia wyst

puj

nieznaczne

wahania temperatur elementów chłodzonych.

Czynnikami

ograniczaj

cymi

maksymaln

temperatur

elementów

chłodzonych s

•

spadek wytrzymało

ci materiału,

•

wzrost napr

ęż

cieplnych,

•

rozszerzalno

ść

materiałów i wynikaj

cy st

d zanik luzów, których warto

ść

okre

laj

wzgl

dy ruchowe w stanie zimnym silnika.

Ze wzgl

du na smarowanie tulei cylindrowej temperatura jej

cianki nie

e przekracza

okre

lonej warto

ci. W zbyt wysokiej temperaturze olej

doprowadzony na gład

cylindrow

ulegałby koksowaniu i spalaniu. Gdyby

elementy silnika, stykaj

ce si

bezpo

rednio ze spalinami nie były chłodzone,

ich

maksymalne

temperatury

wynosiłyby

najmniej

800

900°C.

Współczesne stosowane materiały konstrukcyjne nie s

odporne na tak

wysokie temperatury.

Chłodzenie silnika nie powinno by

jednak zbyt intensywne, ze wzgl

du na

dodatkowe straty cieplne i mechaniczne, a tak

e kondensacj

spalin na

przechłodzonych

ciankach tulei cylindrowej. Szczególnie niebezpieczna jest

kondensacja spalin zawieraj

cych produkty spalania siarki ze wzgl

du na ich

korozyjne działanie.

Całkowite wyrównanie temperatur w ró

nych punktach chłodzonego

elementu jest praktycznie niemo

liwe, niemniej wskutek chłodzenia malej

znacznie ró

nice temperatur mi

dzy poszczególnymi partiami tego samego

elementu. Wyrównanie temperatur wpływa na zmniejszenie napr

ęż

cieplnych.

Ciepło elementów chłodzonych przejmowane jest przez czynniki chłodz

ce i

przekazywane wodzie morskiej w chłodnicach.

Zespół urz

dze

słu

żą

cych do chłodzenia silnika powi

zany

funkcjonalnie sieci

ruroci

gów wraz z przynale

armatur

nazywa si

instalacj

chłodzenia siłowni spalinowej.

Dobrze działaj

instalacj

chłodzenia cechuje stało

ść

parametrów

chłodz

cych, niezale

nie od chwilowych lub okresowych zmian obci

ąż

Jako

funkcj

pomocnicz

instalacji

chłodz

cej

nale

wymieni

podgrzewanie silnika przed rozruchem lub utrzymywanie jego stałej, zadanej
temperatury podczas postoju statku w porcie.

Do grzania silnika wykorzystywana bywa ta sama instalacja, która podczas

jego pracy spełnia zadanie chłodzenia. Jako

ródło energii grzewczej stosuje

par

lub wod

chłodz

pobieran

z innego pracuj

cego silnika. To

ostatnie rozwi

zanie stosowane powszechnie w starszych konstrukcjach

polegało na grzaniu silnika nap

du głównego wod

z obiegu pracuj

cego

silnika zespołu pr

dotwórczego.

Elementy silnika wymagaj

ce chłodzenia.

Czynniki chłodz

We współczesnych silnikach okr

towych chłodzi si

te elementy i zespoły,

które stykaj

bezpo

rednio ze spalinami lub, na których powierzchniach

powstaj

znaczne ilo

ci ciepła wskutek tarcia.

Chłodzenia wymagaj

•

tuleje cylindrowe,

•

głowice,

•

korpusy zaworów wylotowych,

•

korpusy turbospr

ęż

arek,

•

tłoki (je

li D>300 mm),

•

wtryskiwacze,

•

prowadnice wodzików,

•

ło

yska układu tłokowo-korbowego (ło

yska wodzikowe. korbowe, główne i

oporowe).

Wymienione elementy, z wyj

tkiem ło

ysk, s

chłodzone czynnikami

chłodz

cymi obiegowym lub przepływaj

cymi w specjalnie do tego celu

przewidzianych instalacjach, natomiast. Ło

yska układu tłokowo-korbowego

chłodzi

olejem,

którego

głównym

zadaniem

jest

smarowanie

współpracuj

cych powierzchni. Oprócz elementów silnika chłodzone s

tak

czynniki z nim współpracuj

ce, jak powietrze ładuj

ce i olej obiegowy.

Do chłodzenia elementów silników okr

towych stosuje si

głównie wod

słodk

. Rol

czynnika chłodz

cego spełnia tak

e olej smarowy i w

ograniczonym stopniu olej nap

dowy. Wod

słodk

chłodzi si

tuleje

cylindrowe, głowice, korpusy zaworów wylotowych, korpusy turbospr

ęż

arek

strony spalinowej, tłoki oraz wtryskiwacze.

Woda słodka u

ywana do chłodzenia współczesnych silników musi

odpowiada

okre

lonym wymogom jako

ciowym, a w szczególno

ci nie mo

powodowa

powstawania osadów kamienia kotłowego i szlamów oraz korozji

na omywanych powierzchniach. Z tych wzgl

dów zaleca si

stosowanie

destylatu wody słodkiej, kondensatów z systemu parowego lub wod

odmineralizowan

z dodatkiem odpowiedniej jako

ci inhibitorów korozji.

Wod

morsk

jako czynnik bezpo

rednio chłodz

cy stosuje si

chłodzenia silników nap

dowych łodzi ratunkowych, roboczych i innych

małych jednostek pływaj

cych oraz do schładzania powietrza ładuj

cego, a

tak

e wody słodkiej i oleju smarowego.

Woda morska jako czynnik chłodz

cy oprócz jednej zalety powszechnej

dost

pno

ci, ma wady, z których najistotniejsze to powodowanie korozji

chłodzonych elementów oraz intensywne zanieczyszczanie przestrzeni
chłodzonych substancjami mechanicznymi i mineralnymi.

Zanieczyszczenia mineralne powoduj

tzw. twardo

ść

przemijaj

. S

kwa

ne w

glany wapnia i kwa

ne w

glany magnezu rozkładaj

ce si

temperaturze powy

ej 60°C.

Mog

one powodowa

znaczne trudno

ci eksploatacyjne, poniewa

nierozpuszczalne w wodzie w

glany wapnia i magnezu, osadzaj

c si

ciankach kanałów chłodzenia, utrudniaj

wymian

ciepła, a ponadto mog

spowodowa

zatkanie („zaro

cie") kanałów, a przez to lokalne przegrzanie

materiału i jego uszkodzenie. Z tych to wzgl

dów maksymalna temperatura

wody morskiej na odpływie nie powinna przekracza

45°C.

Olej smarowy jako czynnik chłodz

cy wykorzystywany bywa głównie do

chłodzenia tłoków, zwłaszcza bezwodzikowych i prowadnic wodzików. Olej
mo

e by

tak

e stosowany do chłodzenia ko

cówek wtryskiwaczy.

Przepływaj

c przez ło

yska olej smarowy spełnia tak

e funkcj

chłodz

przejmuj

c ciepło w ilo

ci równowa

nej stratom tarcia.

W porównaniu do wody skutek chłodniczy oleju, rozumiany jako stosunek

pobranego ciepła do nat

ęż

enia przepływu czynnika chłodniczego, jest 3

3,5

razy mniejszy.

Olej nap

dowy jako czynnik chłodz

cy ma ograniczone zastosowanie.

Stosowany bywa jedynie do chłodzenia ko

cówek wtryskiwaczy niektórych.

Ciepło chłodzenia

Ilo

ść

ciepła przejmowana przez czynniki chłodz

ce (straty chłodzenia) zale

od mocy silnika i stopnia jego obci

ąż

enia, sposobu pracy silnika (dwu, czy

czterosuwowy), stopnia doładowania oraz od wielu innych czynników zarówno
konstrukcyjnych, jak i eksploatacyjnych. Straty chłodzenia wyznacza si

stosunku do jednostkowej pracy silnika:

gdzie:

[kJ/h] — godzinowe straty chłodzenia,

— moc u

yteczna silnika [kW].

Pomijaj

c szczegółow

analiz

wszystkich czynników wpływaj

cych na

straty chłodzenia, nale

y stwierdzi

e ilo

ść

ciepła przejmowana przez

czynniki chłodz

ce zale

y w du

ym stopniu od obj

ciowego wska

nika

mocy,

rednicy cylindra i nadmiaru powietrza.

Dla danej pr

dko

ci obrotowej straty chłodzenia s

odwrotnie proporcjonalne

do obj

ciowego wska

nika mocy, gdy

z jego wzrostem maleje

powierzchnia przestrzeni roboczej. Powierzchnia przestrzeni roboczej maleje
tak

e ze wzrostem

rednicy cylindra D. Im wi

ksza jest

rednica cylindra, tym

mniejsze s

straty chłodzenia.

Moc silnika, a zatem i ilo

ść

ciepła powstaj

ca w komorze spalania jest

proporcjonalna do sze

cianu

rednicy cylindra - D

, powierzchnia przestrzeni

roboczej za

, a zatem i straty chłodzenia - do jej kwadratu - D

Ze wzrostem stopnia doładowania malej

straty chłodzenia, co tłumaczy si

ksz

ilo

ciepła odprowadzanego ze spalinami i wzrostem sprawno

ogólnej silnika. Powietrze przepływaj

ce przez silnik w okresie płukania w

stosunkowo du

ych ilo

ciach (3

3,5) chłodzi elementy komory spalania,

wskutek czego maleje ilo

ść

ciepła przenikaj

ca przez chłodzone

cianki do

czynników chłodz

cych.

Z czynników konstrukcyjnych wpływaj

cych na straty chłodzenia nale

wymieni

•

kształt komory spalania,

•

rodzaj materiału tłoka i sposób jego chłodzenia.

Silniki z wtryskiem bezpo

rednim, dla których stosunek powierzchni do

obj

ci komory spalania jest mniejszy ni

dla silników z komorami

dzielonymi, maj

z tego powodu mniejsze straty chłodzenia.

Chłodzenie tłoków oraz stosowanie do ich budowy stopów lekkich wpływa na
wzrost ciepła przenikaj

cego do czynników chłodz

cych.

niejszymi czynnikami eksploatacyjnymi wpływaj

cymi na straty

chłodzenia s

•

moment zapłonu i przebieg spalania,

•

stopie

obci

ąż

enia silnika,

•

dko

ść

obrotowa.

Nale

y d

ąż

do zachowania prawidłowych warunków zapłonu i spalania,

gdy

zarówno przedwczesny zapłon (wzrost maksymalnej temperatury

spalania), jak i za pó

ny oraz zwi

zane z tym przewlekłe spalanie (du

odsłoni

te przez tłok powierzchnie komory roboczej) wpływaj

niekorzystnie

na wzrost strat chłodzenia.

Je

eli czynniki konstrukcyjne wpływaj

ce na straty chłodzenia nie

wywieraj

zasadniczego wpływu na wielko

ść

czonych strat, a jedynie

wpływaj

na ich przegrupowanie (spadek lub wzrost strat w spalinach

kosztem wzrostu lub spadku strat chłodzenia), to wzrost strat chłodzenia
wywołany czynnikami eksploatacyjnymi, odbywaj

cy si

kosztem

spadku mocy efektywnej silnika, powoduje spadek jego sprawno

ci.

Na straty chłodzenia składaj

•

straty chłodzenia tulei cylindrowych i głowic,

•

straty chłodzenia tłoków,

•

straty chłodzenia wtryskiwaczy,

•

straty chłodzenia turbospr

ęż

arek,

•

straty chłodzenia oleju smarowego,

•

straty chłodzenia oleju smarowego turbospr

ęż

arek,

•

straty chłodzenia powietrza ładuj

cego.

Jednostkowe ciepło chłodzenia q

dla doładowanych silników wynosi

orientacyjnie:

•

małej mocy i zespołów pr

dotwórczych

3400

3700 kJ/kWh,

•

czterosuwowych

redniej mocy

2800

3100 kJ/kWh,

•

czterosuwowych du

ej mocy

2300

2800 kJ/kWh,

•

dwusuwowych

redniej mocy

2600

2800 kJ/kWh,

•

dwusuwowych du

ej mocy

2000

2600 kJ/kWh,

Najistotniejszym składnikiem strat chłodzenia jest ciepło chłodzenia tulei

cylindrowej i głowic. Ciepło to przejmowane przez wod

chłodz

w obiegu

chłodzenia tulei cylindrowych i głowic wynosi orientacyjnie dla doładowanych
silników:

•

czterosuwowych małej mocy

2600

3100 kJ/kWh,

•

czterosuwowych du

ej mocy

250

1700 kJ/kWh,

•

dwusuwowych

redniej mocy

1400

2000 kJ/kWh,

•

dwusuwowych du

ej mocy

1000

1400 kJ/kWh

eli z tego obiegu chłodzi si

korpusy turbospr

ęż

arek, to podane warto

ksze o 200

230 kJ/kWh.

Ciepło chłodzenia tłoków jest znacz

pozycj

strat w bilansie strat

chłodzenia, wynosi ono dla:

•

czterosuwowych silników

redniej mocy

230

260 kJ/kWh,

•

czterosuwowych silników du

ej mocy

230

280 kJ/kWh,

•

dwusuwowych silników

redniej mocy

230

340 kJ/kWh,

•

dwusuwowych silników du

ej mocy

340

430 kJ/kWh

Straty chłodzenia wtryskiwaczy s

niewielkie i dla wszystkich typów silników

mieszcz

w granicach 50

70 kJ/kWh.

Olej smarowy podgrzewa si

kosztem ciepła równowa

nego stratom tarcia i

ciepła chłodzenia tłoków.

Przeci

tne warto

ci wynosz

dla:

•

czterosuwowych silników z tłokami chłodzonymi olejem 150

250 kJ/kWh,

•

dwusuwowych silników z tłokami chłodzonymi olejem 400

500 kJ/kWh,

•

dwusuwowych silników z tłokami chłodzonymi wod

80 kJ/kWh.

Z powy

szego wynika,

e decyduj

cy udział w stratach chłodzenia oleju ma

ciepło chłodzenia tłoków.

Jednym ze sposobów zwi

kszenia g

sto

ci powietrza ładuj

cego, a przez to

masy ładunku doprowadzanego do silnika jest obni

enie jego temperatury.

Odbywa si

to w chłodnicach powietrza. Ciepło chłodzenia powietrza

ładuj

cego zale

y głównie od stopnia doładowania silnika i wynosi od

300

500 kJ/kWh dla silników umiarkowanie doładowanych do 700

900

kJ/kWh dla silników wysokoładowanych.

Rys. Zale

ść

jednostkowych strat chłodzenia w funkcji obci

ąż

enia

l - straty chłodzenia powietrza ładuj

cego;

2 - straty chłodzenia turbospr

ęż

arek;

3 - straty chłodzenia oleju smarowego;
4 - straty chłodzenia tulei cylindrowych i głowic.

Podane warto

ci strat chłodzenia odnosz

do obci

ąż

nominalnych

silnika. Straty chłodzenia zmieniaj

w zale

ci od obci

ąż

enia silnika. Na

ogół mo

na przyj

ąć

e straty chłodzenia s

najmniejsze w zakresie obci

ąż

(0,8

0,9), natomiast rosn

poza tym zakresem.

Instalacje chłodzenia

Silniki okr

towe chłodzi si

z zasady wod

słodk

. Tylko małe silniki nap

głównego na jednostkach pomocniczych - łodziach roboczych lub
ratunkowych mog

chłodzone wod

morsk

. Wyj

tek stanowi

silniki

chłodzone powietrzem, na wzór niektórych silników pojazdów mechanicznych.
W grupie tej spotyka si

, mi

dzy innymi, silniki awaryjne zespołów

dotwórczych.

Dalsze rozwa

ania b

dotyczy

chłodzenia silników wod

Chłodzenie bezpo

rednie i po

rednie

Chłodzenie bezpo

rednie, zwane równie

przepływowym, polega na

bezpo

rednim chłodzeniu elementów silnika wod

morsk

. Uproszczony

schemat takiej instalacji chłodzenia pokazano na rysunku. Woda morska
dostaje si

do obiegu przez zawór burtowy lub denny.

Rys. Uproszczony schemat instalacji chłodzenia silnika okr

towego .wod

morsk

Elementy

instalacji

chłodzenia

redniego

silników

małej

mocy

zamontowane s

na silniku, a pompy wody morskiej i słodkiej nap

dzane od

wału korbowego.

Rys. Schemat instalacji chłodzenia silnika okr

towego firmy Sulzer typu A25

l - manometr na tablicy kontrolnej;
2 - termometr;
3 - odpowietrzenie;
4, 5 - czujniki temperatury;
6 - termometr na tablicy przyrz

dów;

7 - spust;
8 - pompa wody;
9 - wska

nik przepływu;

10 - termometr oporowy;
11 - przył

cze pompy rezerwowej;

12 - przysłona;
13 - turbospr

ęż

arka;

14 - chłodnica powietrza ładuj

cego.

Main engine

Jacket cooling water pumps

Pre-heating pump

Heater

Jacket cooling water inlet pipe

Air separator (centrifugal type)

Fluid flow stabiliser

Throttling disc to adjust system cooling water pressure

Jacket cooling water outlet pipe

10.

Jacket cooling water cooler

11.

Automatic temperature control valve

12.

Freshwater generator

13.

Expansion tank

14.

Throttling disc

15.

Balance pipe

16.

Filling pipe, Chemical treatment inlet