Первичные тепловые двигатели.

Для привода используют: ДВС; паровые турбины; газовые турбины; а так же главные двигатели, от которых мощность отбирается.

Дизельные генераторы применяются на всех судах с дизельными и газотурбинными установками (основное и аварийное). Так же на судах с паротурбинными установками только на стояночных режимах.

Преимущества дизель генератора:

- высокая готовность к пуску и приемность нагрузки

- высокая экономичность

- высокая степень автоматизации

- высокая ремонтопригодность

- мощность аварийных электростанций от 10 – 100 кВт

- удельная масса 21 – 43 кг/кВт

Паротурбинные генераторы применяются на всех судах с паротурбинными установками.

Преимущество паро - турбо генераторов.

- большой ресурс работы (до 100 тыс. часов)

- меньшие затраты на масло и ремонт

- более надежны (меньше деталей)

Недостатки паро – турбо генераторов (ПТГ)

- значительное время приготовления и пуска (25 – 30 мин)

- длительное время остановки

- сложность обслуживания

Параметры паро – турбо генераторов.

- удельная масса 14 – 20 кг/кВт

- КПД 53 – 62 %

- мощность 400 – 1500 кВт

Газо – турбо генераторы

Применяются редко из за низкого КПД и повышенной шумности. Применяют на плавучих электростанциях, на судах с динамическими принципами поддержания. Мощность 10 – 12 МВт; удельная масса 0,6 – 2 кг/кВт; КПД 33 – 35%

Валогенераторы

Используют на судах из – за:

- повышают КПД главного двигателя

- возможность стабилизации нагрузки двигателей при переменной нагрузке электрической сети

- наличие специальных режимов работы главных двигателей с недогрузом на некоторых типах судов (траулеры, суда ледового плаванья )

1 – главная паровая турбина 4 – автономная паровая турбина

2 – гидравлическая муфта 5 – электрогенератор

3 – редуктор

- имеет высокий КПД

Применение в паротурбинных установках позволяет снизить расход топлива на 1 – 2%. Для резервирования валогенератора имеется дизель генератор.

Недостаток валогенератора – обесточивание сети питания при остановке главных двигателей.

Генераторы

На судах чаще всего применяют электрогенераторы 3-х фазного переменного тока с частотой 50 Гц U = 400 В.

Ресурс генератора определяется надёжной работой подшипника 40 – 80 тыс. часов.

Удельная масса зависит от частоты вращения: 6 – 7 кг/кВт при 600 об/мин; 3,4 – 4,5 при 1500 об/мин. КПД составляем 0,89 – 0,94.

Генераторы постоянного тока:

- КПД на 3,6% меньше

- масса больше на 25 – 30%

- стоимость выше на 25 – 30%

Применяются в тех случаях когда требуются большие пусковые токи (моменты) и быстродействие (траловые лебёдки).

ХОЛОДИЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ

Назначение холодильных установок:

- Сохранение и обработка пищевых продуктов;

- Сохранение пищевых запасов экипажа и пассажиров;

- Рыболовные суда с установками для обработки продуктов промысла (установки для охлаждения и замораживания).

При охлаждении пищевые продукты не доводятся до температуры замерзания “соков”, находящихся в тканях.

Замораживание – температура понижается на столько, что все ”соки” превращаются в кристаллы льда.

1. Замораживание – наиболее эффективный способ консервации. При замораживании происходит обезвоживание продуктов. Процесс размораживания называется дефростация. На сохранность груза кроме температуры влияет влажность воздуха, вентиляция помещений, кратность обмена воздуха.

2. Изготовление искусственного льда.

необходим на пассажирских судах (ледогенераторы – производительность до 200кг в сутки). На некоторых рыболовных судах устанавливаются ледогенераторы для производства чешуйчатого льда для хранения улова (100 т в сутки). Лед получают из пресной воды.

3. Кондиционирование воздуха – для поддержания нормальных условий для экипажа и пассажиров. Определяется температурой и влажностью воздуха, наличием вредных примесей (механических и химических), скоростью движения воздуха.

4. Применение холодильных машин для охлаждения грузовых танков, бензина и спиртовозов, для охлаждения сжиженных газов.

Классификация холодильных машин

Холодильные машины – машина, работающая по обратному цикловому циклу и предназначенная для поддержания температуры охлаждаемой среды ниже температуры окружающей среды (забортная вода, воздух).

1. По способу отвода теплоты:

- с использованием фазовых превращений рабочих тел;

- использование изобарных процессов.

2. По виду устройств, применяемых для сжатия хладогента:

- компрессорные;

- эжекторные (отсасывание) – со струйным компрессором;

- термоэлектрические (функции компрессора выполняет электрический генератор).

3. В зависимости от агрегатного состояния хладагентов:

- газовые (воздушные компрессорные холодильные машины);

- паровые (легко кипящие вещества – обладают низкой температурой кипения при атмосферном давлении) – компрессорные, эжекторные, абсорбционные.

4. По виду затрачиваемой энергии на сжатие:

- использующие механическую энергию (компрессорные);

- использующие тепловую энергию (эжекторные и абсорбционные);

- использующие электрическую энергию (термоэлектрические машины).

Для получения низких температур в паровых холодильных машинах применяют дросселирование хладагента в регулировочном клапане. В клапанных холодильных машинах - адиабатное расширение сжатого воздуха в турбинном расширителе (детандере). Термоэлектронные – используется термоэлектрический эффект Бельтье.

Чтобы отвести теплоту от охлаждаемой среды в паровых холодильных машинах (абсорбционные, эжекторные) используется процесс парообразования хладогента в кипящих теплообменных аппаратах.

Хладагенты

Хладагент – рабочее тело рабочей машины.

Наиболее распространенный хладагент:

- фреон (производные углеводородов )

- дифтордихлорметан – F12 (R12)

- дифторхлорметан – F22 (R22)

- Аммиак Nh₃ -чистые углеводороды и вода

R717 – аммиак

R718 – вода

- Азеотропные смеси – смеси, которые в процессе кипения и конденсации не изменяют процентного состава R22/12 (90/10) – 90% - F22; 10% - F12.

Требования, предъявляемые к хладогентам:

- минимальное давление хладагента при осуществлении холодильного цикла должно быть выше атмосферного, а максимальное давление 1,5МПа

- это отношение определяет работу сжатия в компрессоре

- критическая температура (точка росы) должна быть выше температуры забортной воды;

- надежный процесс конденсации;

- минимальное содержание влаги во фреоне;

- хорошая растворимость масла в хладагентах – улучшает условия смазки цилиндро поршневой группы компрессоров (F12 – неограниченно растворяет масло, F22 – ограниченная растворимость, аммиак – в ограниченном количестве).

Фреоны хорошо проникают через малейшие трещины. Хладагенты в некоторых случаях токсичны (аммиак обладает резким запахом, фреоны запаха не имеют).

По токсичности делятся на 5 классов (1- наиболее токсичные, 5 – наименее токсичные). Аммиак – 2 класс; F22 – 4 класс; F12 – 5 класс. Предельно допустимая концентрация F12 – 300мг/м³; F22 - 3000мг/м³.

Аммиак относится к горючим взрывоопасным хладагентам. Фреон не горит.

Хладагенты делятся по взрывоопасности на 3 группы:

1- невоспламеняющиеся хладагенты;

2- токсичные и воспламеняющиеся (3%) – R717;

3- взрывоопасные (при содержании <3% - пропан, бутан).

	F12, R12	R22	Аммиак, R717
Температура кипения при атмосферном давлении	-29,7	-40,8	-33,4
Удельная объемная хладопроизволительность, кДж/м3
Удельная теплота парообразования, кДж/кг
Плотность жидкого газа при 20 , кг/м3

Характеристики хладагентов при стандартных условиях

В судовых условиях используется F22.

Типы холодильных машин

На судах распространен машинный способ охлаждения, основанный на использовании жидкости, кипящей при низких температурах.

Рабочие тела в машинах являются дорогостоящими, поэтому охлаждение происходит в защитном объеме.

L – механическая работа

1- теплоотдатчик

2- холодильная машина

3- теплоприемник (окружающая среда)

- температура теплоотдатчика

T - температура теплоприемника

Паровая абсорбционная холодильная машина

Машина работает на бинарной смеси. Один из компонентов является хладагентом, а второй абсорбентом (поглотителем). Чаще всего бинарной смесью является вода – аммиачный раствор или ; .

В генераторе 1 находится крепкий водоаммиачный раствор (с высокой концентрацией аммиака). При нагревании этого раствора от внешнего источника из смеси выделяются пары аммиака и отводятся в конденсатор. Пар имеет высокое давление и температуру, который в конденсаторе за счет забортной воды пара превращается в жидкость. Аммиак направляется в дроссельный вентиль 4, где его давление и температура снижаются. С температурой меньше аммиак поступает в испарительные батареи 5, где аммиак кипит за счет подвода теплоты q₀. Из батареи пары отсасываются абсорбером. В абсорбере находится обогащенная и обедненная смесь.

Эффективность оценивается холодильным коэффициентом:

,

где - теплота, отводящаяся от помещения;

- теплота, подводящаяся к генератору от внешнего источника.

ВОЗДУШНЫЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ

Рабочим телом является воздух.

По характеру процесса различают машины:

использующие энергию адиабатного расширения;

расширение без совершения внешней работы в вихревой трубе.

Турбовоздушная холодильная машина

П – охлаждаемое помещение

ТК – турбокомпрессор

После турбокомпрессора повысилось давление воздуха Р, которое поступает в холодильник Х.

(2-3) – охлаждение воздуха

Отвод тепла в Х в количестве Q.

ТД – турбина – холодный воздух поступает в охлаждаемое помещение

4 – температура холодного воздуха

(1-2) – сжатие

(3-4) – расширение в турбине

а12ва – работа компрессора

Работа детандра 3-4 подобна а43ва

Работа двигателя

Теоретический цикл состоит из 2-х изотропных процессов: сжатие в турбокомпрессоре 1-2; расширение в турбодетандре 3-4.

Изобарные процессы: 2-3 - охлаждение в холодильнике и 4-1 – нагрев в помещении.

Сжатие 1-2 происходит от атмосферного давления МПа до давления в холодильнике МПа.

Чтобы воздух мог передать Q забортной воде, степень повышения давления в компрессоре должна быть такой, чтобы температура в конце сжатия была больше температуры забортной воды. Чтобы воздух смог отвести теплоту температура его в конце расширения была ниже температуры в помещении .

Достоинства холодильных машин:

- безопасный и всегда доступный хладагент – воздух (поддерживают температуру воздуха до -110 );

- компактны.

Недостатки:

- низкая экономичность;

- удельная хладопроизводительность воздуха не велика из-за низкой теплоемкости воздуха (в воздушных холодильных машинах требуются большие расходы воздуха).

Охлаждение вихревой трубой – используется эффект Ранк-Хильша

1- регулирующий вентиль;

2- труба;

3- сопла вихревой трубы;

4- диафрагма;

5- трубопровод холодного воздуха.

Воздух попадает в сопло 3 где воздух расширяется, скорость увеличивается, температура уменьшается. Сопла установлены рядом с диафрагмой 4. Т.к. истечение происходит по касательной к внешней поверхности трубы, то образуется вращающийся вихрь, при этом внутренние слои отдают энергию внешним, в результате - нагрев внешних. Т.о. воздух в трубе разделяется на 2 потока с различными температурами. Регулирование с помощью клапана 1. Меняем расход, меняем температуру.

Достоинства:

- простота;

- 2 потока (горячий и холодный воздух).

Недостаток: низкая энергетическая эффективность.

ОДНОСТУПЕНЧАТЫЕ КОМПРЕССОРНЫЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ

В паровых компрессорных машинах теплота подводится к хладагенту от охлаждаемой среды и отводится к окружающей среде в процессах фазовых превращений (кипение и конденсация хладагента).

- температура и давление кипения

4-с – процесс кипения

- температура переохлаждения конденсата

- температура на всасывании компрессора (точка 1)

- температура нагнетаемого пара

1-2 - сжатие в компрессоре

- температура забортной воды

- температура воздуха в охлаждаемом помещении

3-4 – изоэнтропийный процесс (кипение)

Хладагент как в испарителе так и в конденсаторе, находится в состоянии насыщения. В охлаждаемом помещении (П), через тепловую изоляцию которого проникает теплота из вне, расположен испаритель. Содержащаяся жидкость кипит в испарителе при постоянном давлении. Величина перегрева - . Температура насыщения ниже чем температура в помещении. Эта разница необходима для передачи теплоты через стенки. Чтобы поддержать постоянное давление над кипящей жидкостью, образующейся в перегретый пар необходимо откачивать компрессором. Чтобы хладагент мог отдать теплоту окружающей среде, необходимо увеличить его температуру до значений больше температуры воды . Пар сжимается от до . На сжатие приходится затрачивать дополнительную работу. В точке 2 пар получается значительно перегретым и этот сжатый пар подается в конденсатор. При давлении пар конденсируется и незначительно переохлаждается. Из конденсатора переохлаждения жидкость в точке 3 поступает в регулирующий клапан. В клапане проходит процесс 3-4 – процесс дросселирование. В результате получаем пар в состоянии с. Под действием разности давлений и хладагент возвращается в испаритель и далее цикл повторяется.

Достоинства: высокая экономичность; компактность и небольшая масса. Наиболее распространены на судах.

Недостатки: создать детандр для паровых машин сложно из-за его малых размеров, обусловленных небольшим удельным объемом; критическая работа, возвращаемая детандром мала по сравнению с работой компрессора.

Применение регулирующего клапана – получение упрощенной и дешевой реальной холодильной машины.

ПАРОВЫЕ ЭЖЕКТОРНЫЕ ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ

Эжекторнык паровые холодильные машины относят к теплоиспользующим. В качестве хладагента используются фреоны. Пар хладагента в отличии от компрессорных машин откачивается и сжимается в одном и том же устройстве. Этим устройством является простейший эжектор.

Пароэжекторная паровая машина

С – сопла (разгон рабочего тела)

КС – камера смешивания (смешивание пара из генератора)

РК – регулирующий клапан

Состоит машина из двух частей:

- паровой котел, конденсатор, насос (парогенерирующая установка);

- обратный цикл – эжектор, испаритель, конденсатор и регулирующий клапан.

Фреоновый генератор (Г) обогревается водяным паром от котлов утилизаторов за счет отбора теплоты , в парогенераторе образуется пар (фреон кипит). Образующийся пар поступает в сопла эжектора. Давление пара МПа. В сопловом аппарате С рабочий пар расширяется и приобретает сверхзвуковую скорость, при этом потенциальная энергия пара превращается в кинетическую движущейся среды (определяется скоростью). Струя рабочего пара эжектирует в камеру всасывания из испарителя И холодный пар. В процессе смешивания скорость струи понижается. Энергия холодного пара передается эжектируемому (передача энергии прямого цикла к обратному). Смесь рабочего и эжектируемого пара поступает в диффузор, где кинетическая энергия преобразуется в потенциальную. на выходе из диффузора имеется давление, равное . В результате сжатия теплота передается от охлаждаемой среды с переносится к окружающей среде с более высокой температурой . Давление паров на выходе равно . Большая часть конденсата перекачивается в генератор питательным насосом мощностью , меньшая перекачивается в испаритель. Регулируется дросселирующим клапаном.

- уравнение энергетического баланса.

Эффективность энергетического баланса: зависит от хладогента, температуры и , режима работы.

Достоинства:

- возможность утилизации бросовой теплоты;

- использование простого компактного сжимающего устройства – эжектора;

- простота регулирования температуры охлаждаемой среды.

Недостатки:

- низкая энергетическая эффективность, т.к. для сжатия теплоносителя используется энергетически несовершенный пароструйный эжектор с низким КПД;

- большая масса и габариты.

Такие пароэжекторные холодильные системы используются в системах кондиционирования воздуха, т.к. в этом случае требуются высокие температуры кипения и холодильный коэффициент выше чем паровой компрессорной машины.

УСТАНОВКИ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА

Кондиционирование – создание и автоматическое поддержание температуры, относительной влажности, чистоты и состава воздуха, скорости движения, наиболее благоприятных для людей или ведения технологических процессов.

Состав систем кондиционирования воздуха (СКВ) – совокупность энергетических средств, служащие для приготовления, транспортирования и распределения воздуха и автоматического регулирования его параметров

Классификация:

1. По времени действия:

- круглогодичные;

- сезонные.

2. По месту обработки воздуха:

- центральные (несколько одинаковых обслуживаемых помещений);

- местные (несколько отличающихся по влажности помещений);

- автономные (и тепловая и влажная обработка совершается в одном помещении).

3. От числа каналов, подводящих воздух от центрального кондиционера к воздухораспределителям помещений:

- одноканальные;

- двухканальные.

4. По скорости потока воздуха:

- низкоскоростные ( ) м/с;

- высокоскоростные ( ) м/с.

Низкоскоростные характеризуются небольшой мощностью вентилятора, большой площадью канала.

Выбирают следующим образом: применять одноканальную, низкоскоростную с рециркуляцией воздуха.

1. воздухоохладители

2. холодильные машины

3. увлажнитель

4. каплеуловитель

5. подогреватель первой ступени

6. глушитель

7. воздухораспределитель

8. фильтры

9. подогреватель второй ступени

10. вентилятор

11. помещение

Количество рециркуляционного воздуха <30%. Чтобы при смешении подогретого и атмосферного воздуха не образовывалась вода, забортный воздух подогревает подогреватель первой ступени – ЗИМОЙ. ЛЕТОМ – воздух необходимо осушать, выделившаяся влага отделяется в каплеуловителе. Регулирование температуры в помещении с одноканальной СКВ производится за счет изменения количества подаваемого воздуха в помещение.

Недостаток:

- неравномерность перераспределения воздуха;

- большие массы и размеры воздуховодов;

- прокладка затруднена;

- высокая пожароопасность.

Средне и высоко скоростная СКВ

Отличия:

- воздух делится на 2 потока с различной температурой и влагосодержанием;

- соотношение подачи воздуха па каналам;

- меньшая шумность.

Недостатки:

- высокая стоимость;

- трудность прокладки двух параллельных каналов.

В ряде случаев при удаленном размещении помещений от центрального кондиционера применяют автономные кондиционеры.

Автономный кондиционер – комплекс оборудования, совмещенное в одном агрегате.

Они забирают рециркуляционный воздух из обслуживаемого помещения, не смешивая с воздухом другого помещения.

Достоинства автономных по сравнению с централизованными:

- меньший расход энергии на привод вентилятора;

- простота монтажа и установки;

- малогабаритность и долговечность при малой стоимости.