Instalatia de racire cu apa dulce a cilindrilor MP

1. Generalitati

2. Descrierea tehnica a instalatiei

3. Breviar de calcul

1. Generalitati

Prin sistem de racire se intelege ansamblul compus din pompe, filtre, schimbatoare de caldura, aparate de masura si elemente de reglare, legate intre ele cu tevi prin care fluidul de racire este recirculat pentru a prelua caldura fluidelor care trec prin schimbatoarele de caldura (apa, ulei, aer, gaze).

Ca medii de racire se folosesc: apa din afara bordului, apa desalinizata, uleiul, combustibilul si aerul.

Sistemul de racire al unui motor naval reprezinta totalitatea agregatelor, aparatelor si dispozitivelor care asigura evacuarea fortata prin pereti a unei parti din caldura dezvoltata in cilindrii motorului, in timpul procesului de ardere.

Gradul de racire a cilindrului si reglarea parametrilor agentului de racire in functie de regimul tehnic optim al motorului influenteaza performantele dinamice, economice, de fiabilitate si durabilitate ale acestuia. Din aceste motive, motoarele navale sunt echipate, aproape in majoritate, cu sisteme de racire complexe, capabile sa asigure grade optime de racire si protectia motorului naval la orice regim de functionare.

In cazul motoarelor principale, aceste sisteme cuprind:

n  subsistemul de racire a cilindrilor cu apa tehnica, in circuit inchis (din care deriva si circuitul de racire a turbosuflantelor si clapetelor de evacuare, la unele motoare). Acesta preia caldura evacuata prin peretii cilindrilor si o cedeaza, prin intermediul racitoarelor, apei de mare;

n  subsistemul de racire a pistoanelor care functioneaza cu apa tehnica in circuit inchis (caldura preluata de la pistoane este evacuata prin racitoarele cu apa de mare), sau cu ulei din circuitul de ungere, care este racit in racitoarele cu apa de mare;

n  subsistemul de racire a injectoarelor, care functioneaza in circuit inchis si care utilizeaza ca fluid de racire apa tehnica, motorina sau, in unele cazuri, uleiul din circuitul de ungere;

n  subsistemul de racire cu apa de mare, in circuit deschis, care are rolul de a prelua caldura evacuata prin peretii cilindrilor, de la turbosuflante, clapetele de evacuare, pistoane si injectoare, prin intermediul racitoarelor acestora, si de a raci, prin interemediul racitoarelor de baleiaj (in circuit deschis), aerul vehiculat de turbosuflante sau electrosuflante, cuzinetii de sprijin ai liniei axiale si bucsa tubului etambou.

Subsistemul de racire a cilindrilor MP utilizeaza pentru racire apa tehnica (apa dulce).

Apa tehnica este vehiculata in sistem, de obicei, cu ajutorul unor pompe de apa antrenate prin intermediul electromotoarelor. In acest caz se asigura pentru orice regim de functionare a motorului un debit constant de fluid de racire. Pompele de apa sunt dimensionate astfel incat, cu debitul nominal de apa refulat, asigura racirea motorului la orice regim de incarcare. Dezavantajul sistemului este ca, la sarcini partiale, atunci cand debitul de apa tehnica ar putea fi micsorat corespunzator fluxului de caldura evacuat prin sistemul de racire, pompa functioneaza tot la regim nominal, consumand astfel suplimentar energie electrica.

Sistemele automate de reglare permit asigurarea unei temperaturi optime a fluidului de racire indiferent de regimul de functionare a MP. In general, reglarea se face prin modificarea cantitatii de apa care intra in racitoare, pastrandu-se constant debitul de fluid care strabate motorul.

Subsistemul de racire a pistoanelor MP foloseste ca fluide de lucru apa sau uleiul.

Motoarele principale lente navale au circuite separate pentru racirea pistoanelor, indiferent daca lichidul de racire este apa sau uleiul.

In ultimul timp, firmele constructoare prefera subsistemele de racire cu apa a pistoanelor pentru avantajele acestora: cost redus, tratare simpla si economica, caldura specifica mare a apei.

Dezavantajele subsistemelor de racire cu apa a pistoanelor sunt: formarea crustei in spatiile de racire, ceea ce afecteaza transferul de caldura, actiunea coroziva a apei si posibilitatea contaminarii uleiului de ungere prin avarierea tuburilor telescopice de alimentare a spatiilor de racire incluse in pistoane.

Instalatiile de racire cu apa a pistoanelor se intalnesc la majoritatea MP lente cu cap de cruce si puteri peste 2200 [KW/cilindru].

Subsistemul de racire a injectoarelor MP foloseste ca fluide de lucru apa, uleiul sau motorina. Fiecare din aceste fluide prezinta avantaje si dezavantaje care au determinat firmele constructoare de motoare navale sa prefere pe unul sau pe altul dintre ele.

Apa tehnica este preferata de firmele MAN, FIAT etc., deoarece prezinta avantajul considerabil al pretului de cost scazut si al caldurii specifice ridicate in comparatie cu uleiul sau motorina.

Dezavantajul principal consta in faptul ca este nevoie de o instalatie speciala, iar in cazul aparitiei unor neetanseitati, apa se poate scurge in camera de ardere perturband procesele din cilindru.

2. Descrierea tehnica a instalatiei

Echipamente principale. Caracteristici

a) Pompe de racire cu apa dulce (vezi Tabel 12)

Tabel 12

b) Schimbatoare de caldura (vezi Tabel 13)

Tabel 13

c) Valvule termoregulatoare apa dulce (vezi Tabel 14)

Tabel 14

Dotari speciale

a) Rezervoare si tancuri de apa dulce (vezi Tabel 15)

Nr Crt	Destinatie	Buc/ nava	Volum [m3]	Semna- lizare	Incalz.	Obs.
1.	Rezervor expansiune apa cilindri MP	1	2,50	m
2.	Rezervor expansiune apa pistoane MP	1	4,00	m
3.	Rezervor expansiune apa injectoare MP	1	0,35	m
4.	Rezervor expansiune apa DG	1	0,60	m
5.	Tanc scurgeri apa racire	1	6,60	m
6.	Rezervor curatire chimica racitoare	1	0,30	sticla nivel
	Rezervor ulei anticoroziv	1	0,25	Sticla nivel

Tabel 15

b)    Instalatia de curatire chimica

Pentru curatirea chimica a racitoarelor de apa in CM, va fi prevazut un agregat de curatire chimica a racitoarelor de apa. Agregatul de curatire este compus dintr-un rezervor in care se introduce solutie chimica de spalare, pompa de circulatie a solutiei de spalare si legaturi elastice de cuplare la racitoarele de apa.

c) Adaosuri chimice si ulei anticoroziv

De la rezervorul de ulei anticoroziv, uleiul este adus in aspiratia pompei de apa dulce. Prin emulsionarea in apa de racire, uleiul anticoroziv realizeaza un film protector pe suprafetele interioare ale cavitatilor racite.

Fiecare rezervor de expansiune este prevazut cu priza pentru introducerea adaosurilor chimice necesare impiedicarii depunerilor de piatra in sistem.

d) Refolosirea apei de racire tratate

Preaplinurile rezervoarelor de expansiune, golirile rezervoarelor si tubulaturile sunt trimise in tancurile de scurgeri apa de racire din DF; cu ajutorul unei pompe manuale, apa este readusa in rezervoarele de expansiune.

Descrierea functionarii instalatiei

Instalatia asigura vehicularea in circuit inchis a apei dulci, prin intermediul careia se efectueaza transferul de caldura de la motoare la apa de mare.

Instalatia are in componenta sa urmatoarele circuite distincte:

a)    Circuitul de racire cilindri si turbosuflanta MP

Pompa de racire cilindri aspira apa din motor si o refuleaza prin generatorul de apa tehnica (sau prin valvula by-pass) catre valvula termoregulatoare, apoi, prin cele doua racitoare de apa si prin preincalzitorul de apa cilindri (sau prin valvula de by-pass) la intrarea in motor.

Valvula termoregulatoare mentine constanta temperatura de iesire a apei din motor.

Presiunea hidrostatica in sistem este asigurata de un rezervor de expansiune.

b) Circuitul de racire pistoane MP

Pompa de racire pistoane MP aspira apa din rezervorul de expansiune apa pistoane si o refuleaza prin racitoarele de apa pistoane si valvula termoregulatoare, catre motor. Dupa ce a efectuat racirea pistoanelor, apa care iese din motor se reintoarce in rezervorul de expansiune apa pistoane.

Valvula termoregulatoare mentine constanta temperatura de iesire a apei din motor.

c) Circuitul de racire injectoare MP

Pompa de racire injectoare aspira apa din rezervorul de expansiune injectoare si o refuleaza catre motor. Apa se reintoarce in rezervorul de expansiune prin 8 tubulaturi independente (una pentru fiecare injector). Curgerea este supravegheata printr-o palnie cu vizor instalata pe tanc.

Mentinerea constanta a temperaturii de intrare a apei in motor este realizata cu ajutorul unei valvule termoregulatoare.

d) Circuitul de racire DG

Dieselgeneratoarele au circuite independente de racire incorporate pe motoare.

Apa care iese din motor trece prin valvule termoregulatoare si racitorul de apa, apoi este aspirata de pompa (antrenata de motor) si refuleaza inapoi in motor.

Presiunea hidrostatica in sistemele de apa dulce DG este asigurata de un rezervor de expansiune apa DG.

3. Breviar de calcul

a) POMPELE

La sistemele de racire cu apa se folosesc pompe centrifuge cu un randament relativ mare, care prezinta siguranta si durata mare de serviciu, au masa si gabarit reduse, constructie simpla si care nu necesita intretinere deosebita in functionare.

Pompele centrifuge nu au insa insusirea de a se autoamorsa, deoarece depresiunea creata pe traseul de aspiratie, cand acesta nu este plin cu lichid, este relativ mica. Din aceasta cauza, aceste pompe trebuie sa fie instalate in asa fel incat sa fie pline cu lichid.

Pompele circuitului de racire, in cazul sistemelor de propulsie cu motoare lente, sunt actionate cu motoare electrice, avand turatia constanta.

Pentru a se asigura functionarea neintrerupta a sistemelor de racire, este necesar sa se prevada cate doua pompe de acelasi debit, care sa realizeze circulatia neintrerupta a lichidului de racire.

Calculul debitului unei pompe de racire se efectueaza in functie de:

1)     debitul de caldura care trebuie preluat de la obiectul racit;

2) diferenta dintre temperatura lichidului de racire la iesirea si la intrarea obiectului care se raceste;

3)     proprietatile fizice ale lichidului de racire.

Debitul de caldura care trebuie preluat de catre fluidul de racire se admite ca reprezentand o parte din intregul debit de caldura obtinut prin arderea combustibilului

Q_c = (SQ_r ) C_e P_e H_i , j = 1.n  [Kj / h] (69)

in care,

Q_r este debitul relativ de caldura preluat prin lichidul de racire.

Se adopta Q_r = 0,3 pentru cilindri, Q_r = 0,1 pentru pistoane, Q_r = 0,006 pentru injectoare.

Debitul pompei de racire va fi:

Q_v = C_d Q_c / [ r C (T₂ - T₁)]  [m³ / h] (70)

in care,

n  C_d = 1,5.2,2 este coeficientul de marire a debitului pompei de racire pentru a acoperi regimurile de suprasarcina, inclusiv reducerea debitului datorata cresterii rezistentei hidraulice a traseului sistemului de racire; Se adopta C_d = 1,5;

n  r este densitatea fluidului de racire, r = 1000 [Kg / m³];

n      C este caldura specifica a fluidului de racire, C = 4,2 [Kj / Kg grad];

n  T₂ - T₁ este diferenta dintre temperatura fluidului la iesirea si , respectiv la intrarea in motor; Se adopta T₂ - T₁ = 15 C

n  P_e este puterea efectiva a motorului, P_e = 2800 [KW] (se considera 25% din puterea maxima continua);

n  C_e este consumul specific de combustibil, C_e = 0,171 [Kg / KW h];

n  H_i este puterea calorica a combustibilului, H_i = 42707 [Kj /Kg].

Aceste valori au fost alese in conformitate cu informatiile oferite de documentatia tehnica a navei.

S-a considerat ca cilindrii, pistoanele si injectoarele motorului principal sunt racite cu apa desalinizata.

In final se va adopta o pompa cu caracteristici acoperitoare, avand in vedere ca apa de racire preia caldura si de la celelalte sisteme de racire ale MP.

Prin urmare,

Q_c = (0,3 + 0,1 + 0,006) 0,171 2800 42707 = 8.301.933 [Kj / h]

Q_v = 1,5 8.301.933 / 1000 15 4,2 = 197,665 [KW / h]

Sistemul centralizat de racire cu apa desalinizata va fi echipat cu doua electropompe avand urmatoarele caracteristici:

n  Q = 252 [m³ / h];

n  p = 4 [barr].

b) SCHIMBATOARELE DE CALDURA

In sistemele de racire se folosesc schimbatoare de caldura de tipul prin suprafata, cu tevi sau placi.

Se recomanda cuplarea in paralel a schimbatoarelor de caldura, deoarece se micsoreaza rezistenta hidraulica si creste sensibil debitul pompei.

In calcule, trebuie considerata cresterea temperaturii apei la trecerea prin fiecare schimbator, cu aproximativ 7 .15

In cazul sistemelor de propulsie cu puteri mari se dispun cate doua racitoare pentru fiecare circuit, ceea ce simplifica constructia si deservirea, marind siguranta in functionare.

Calculul suprafetei schimbatoare de caldura se realizeaza cu relatia:

S = C Q / K DT  [m²] (71)

unde,

n  C =1,15.1,30, este un coeficient de sporire a debitului de caldura, care se transfera prin suprafata racitorului;

n  Q[Kj / h] este debitul de caldura care se transfera prin suprafata S a racitorului;

n  K = 2500.5000 Kj / m² h grad- pentru schimbatoarele de caldura apa - apa cu tevi rotunde;

n  DT < 5.10 este diferenta dintre temperatura la intrarea si iesirea  din racitor a lichidului care se raceste.

c) FILTRE

Pentru retinerea corpurilor solide care ar putea patrunde in sistemul de racire, se dispun filtre.

d) REZERVOARE

Pentru completarea cu lichid a circuitului de racire se prevede un rezervor al carui volum se determina pe baza numarului de circulatie n_c = 10.20; limita superioara se alege in cazul racirii pistoanelor cu apa.

Volumul rezervorului de circulatie va fi:

V_{cir rac} C₁ C₂   Q_v / n_c [m³]                  (72)

unde,

n  C₁ = 1,05.1,07 este un coeficient prin care se tine seama de incarcarea rezervorului cu diferite reziduuri;

n  C₂ = 1,3.1,5 este un coeficient prin care se tine seama de incalzirea si spumarea lichidului de racire;

n  Q_v [m³/ h], este debitul pompei de circulatie a circuitului respectiv.

La fel se determina si volumul rezervorului de expansiune pentru circuitul de racire al cilindrilor si chiulaselor, precum si al altor circuite de racire.

Rezervorul de expansiune se instaleaza la un nivel care sa depaseasca cu 0,5.2 m nivelul celui mai inalt punct al motorului racit cu apa desalinizata.

Volumul de lichid in acest rezervor trebuie sa fie situat intre limitele 0,12.0,25 [l / KW] si poate reprezenta 10.20 % din volumul de lichid existent in sistem.

Volumul rezervorului de expansiune se admite cu 30 % mai mare decat volumul de lichid existent in acest rezervor.

Volumul rezervorului de apa desalinizata pentru alimentarea sistemului de racire se determina ca suma volumelor de apa pentru motorul principal, motoarelor auxiliare, cazanul auxiliar, cazanul de recuperare plus 7.10 % pentru acoperirea pierderilor.

e) APARATE DE MASURA SI ELEMENTE DE REGLARE

Instalatiile de racire se prevad cu aparate de masura si elemente de reglare automata in scopul de a asigura functionarea in bune conditiuni a agregatelor racite, pentru ca acestea sa lucreze la parametri optimi.

Astfel, se prevad termometre pentru masurarea temperaturii apei la intrarea in motor si la iesirea din fiecare chiulasa a motorului. Se prevad, de asemenea, termometre la intrarea si la iesirea lichidului de racire de la schimbatoarele de caldura.

Pentru masurarea presiunii si a rezistentelor hidraulice care apar la trecerea lichidului prin canalele de racire ale obiectelor racite se prevad manometre care se dispun la intrarea lichidului de racire din obiectele racite.

Amplasarea aparatelor de masura mentionate este prezentata pe schema sistemului de racire din Fig.

La sistemele de racire ale navelor actuale, controlul si mentinerea parametrilor corespunzatori regimului optim de functionare se realizeaza prin folosirea dispozitivelor de reglare automata. Aceste dispozitive trebuie sa asigure mentinerea regimului de temperatura prevazut in sistemul de racire, independent de sarcina motorului si de oscilatiile temperaturii apei din afara bordului.

Elementele componente ale instalatiei de racire cu circuit inchis folosita pentru racirea MP si a motoarelor auxiliare sunt urmatoarele (vezi Fig.7):

1- pompa circuit inchis;    11 - valvula;

2- pompa circuit inchis;    12 - valvula;

3- pompa de rezerva;                            13 - racitor ulei;

4- pompa circuit deschis; 14 - racitor apa;

5- pompa circuit deschis; 15 - traseu tevi;

6- regulator de temperatura;              16 - valvula;

7- colectoarele MP si MA;                    17 - valvule de sens unic;

8- colectoare;        18 - traseu recirculare apa;

9- rezervor;                          19 - valvula;

10- valvula;                          20 - valvula.