СОДЕРЖАНИЕ

Введение

       Актуальность  темы дипломного проекта. Экономия энергоносителей органического происхождения, ужесточение норм выбросов вредных веществ с отработавшими газами дизелей, а также ограничение эмиссии диоксида углерода заставляют большинство стран мирового сообщества искать пути уменьшения опасности воздействия тепловых двигателей на окружающую среду. В последнее время все более широкое распространение получают альтернативные биотоплива на основе растительных масел рапсового, соевого, подсолнечного, арахисового, пальмового) и их производных. Интенсивные работы по переводу дизелей на биотопливо ведутся как в странах с ограниченным энергетическим потенциалом, так и в странах с большими запасами нефтяного топлива.

       Одним из перспективных направлений в  решении этих задач является применение топлив на основе растительных масел. Для стран с умеренным климатом, исходя из возможности выращивания, урожайности, содержания масла в семенах, возможным, и, в тоже время, наиболее рентабельным  признано производство топлива на основе рапсового масла.

       Цель дипломного проекта. Улучшение эколого-экономических показателей судового дизеля 6NVDS48A-2U путем применения альтернативнго топлива (растительное масло) и его смесей с дизельным топливом.

       Идеи дипломного проекта:

• уменьшить потребление топлива нефтяного происхождения главной энергетической установкой теплохода пр. 621;
• снизить показатели вредных выбросов в атмосферу;
• сократить расходы на топливо.

       Методы  исследования. Расчетное исследование винтовых и нагрузочных характеристик; моделирование индикаторного процесса дизельного двигателя при работе на дизельном топливе и топливных смесях на ЭВМ.

       Обоснованность и достоверность расчетов, выводов и рекомендаций. Учёными МГТУ имени Н. Э. Баумана совместно с ООО «ВНИИГАЗ» и НПП «Агродизель» проводилось испытание дизеля Д-245.12С(4ЧН 11/12,5), выпускаемого Минским моторным заводом . Были использованы стандартные методы расчета нагрузочных и винтовых характеристик.

       Практическая  значимость дипломного проекта. На основании проекта может быть производен переход от использования стандартного топлива для главной судовой энергетической установки теплохода пр. 621 к использованию растительного масла в качестве топлива.

       На защиту выносятся следующие научные положения и результаты.

1. Анализ показателей растительных масел
2. Результат расчета винтовых и нагрузочных характеристик
3. Индикаторные диаграммы
4. Система топливоподготовки
5. Технология изготовления вала-шестерни
6. Результаты экономического расчета

       Структура и объем дипломного проекта. Дипломный проект состоит из введения, шести глав, заключения, библиографического списка и графического материала. Пояснительная записка изложена на 100 страницах машинописного текста.

1. Обзорная  часть

1. Технические характеристики судна проекта № 621

1. Общие характеристики судна проекта № 621

       Тип судна – однопалубный двухвинтовой танкер с кормовым расположением машинного отделения, насосного отделениями жилых помещений.

       Назначение  – Перевозка нефтепродуктов первого, второго и третьего классов с плотностью 0.71 – 0.84т/м³, не требующих подогрева.

       Длина габаритная, м .        122.75

       Длина расчетная, м .        117.72

       Ширина  габаритная, м .       15.3

       Ширина  расчетная, м .       14.8

       Высота  борта, м .        4.4

       Осадка  расчетная, м .        2.5

Класс речного регистра РСФСР- «М – СП » (лед.). Судно смешанного

         « река – море » плавания

       Мест  для экипажа        14

       Марка главного двигателя     6NVDS48A – 2U

       Количество  и мощность двигателя, кВт.    

       Скорость на глубокой тихой воде, км/ч.     19

       Электростанция  –   кВт, кВт

       Высота по несъемным частям, м.                        14.6

       Автономность  по запасам топлива непрерывного хода сут. 15

       Автономность по запасам воды, суток.     22

       Грузоподъемность, т.        2100

2. Энергетическая  характеристика судна проекта № 621

       Главные двигатели

       Дизель 6НВД S 48 А – 2У . Реверсивный, четырехтактный с наддувом

       Число двигателей        2

       Номинальная мощность, кВт.      640

       Номинальная частота вращения, м^-1 .     375

       Пуск     Сжатым воздухом, давления 3 МПа

       Управления       электропневматическое ДАУ

       Сигнализация       Система АПС

       Движители.

       Гребной винт        Открытый

       Число винтов         2

       Электрооборудования.

       Род тока и напряжений в сети   Переменный,380 /220

       Дизель  – генераторы

        6Ч 18 / 22, шт.    3

       Номинальная мощность, кВт.   110

       Номинальная частота вращения, мин^-1 .     750

       Пуск         Сжатым воздухом.

       Автоматизация вторая степень.

       Дизель  – генератор аварийный 

       6Ч  12 / 14, шт.    1

       Номинальная мощность, кВт.      58.8

       Номинальная частота вращения, мин^-1.     1500

       Пуск                           Электростартерный.

       Системы обслуживающие энергетическую установку.

       Система сжатого воздуха.

       Компрессор

       Подача, м³ / ч.         34

       Давления, МПа.         3

       Пусковые  баллоны, шт.       4

       Вместимость, м³.         0.4

       Топливная система

       Дизельного  топлива:

       Цистерны  основного запаса , м³.      74.5

                                   26.6

       Расходная цистерна        2.5

       Моторного топлива:

       Основного запаса, м³ .       24.5

       66.5

       39.9

       Расходная цистерна, м³.         2.8

       Утечного  топлива, м³.        1.2

       Отходов сепарации, м³.   1.3

       Масляная  система:

       Основного запаса масла, м³.       2.8

       Основного запаса масла для

       Дизель  – генераторов , м³.       1 

       Отработанного масла, м³.       2.4

       Компрессорного  масла, м³.       0.1

       Система охлаждения двигателей     Двухконтурная

       Система искрогашения    Искрогасители «сухого» типа

       Описание топливной  системы судна проекта № 621

       Топливная система предназначена для приема, хранения, очистки сепарации и подачи его потребителям.

       Трубопровод системы обеспечивает:

       заполнение  расходной топливной цистерны сепаратором, электроприводом или резервным ручным насосом.

       Откачку топлива и отстоя из заполненных  цистерн, из цистерн расходного и Утечного топлива, а также из цистерн отхода сепарации электропроводом или ручным насосами на главную палубу.

       Подвод  топливо из расходной цистерны через  парные сетчатые фильтры к топливоподкачивающим насосам главных двигателей и дизелям – генераторам.

       Подвод  топлива к главным дизелям  через мерные бачки.

       Отвод Утечного топлива от форсунок и топливных  насосов в цистерну утечного топлива.

       Вентиляцию  цистерн в атмосферу через трубы с огнезащитными предохранителями.

       Отвод отходов от сепаратора и от поддона  дежурного топливного насоса в цистерну отходов сепарации.

       В топливную цистерну входят следующие  механизмы и оборудование.

       1. Электроприводной дежурный топливный насос   РЗ – 5

       Производительность  насоса , .      10

       Напор, м. вод. столба.        30

       2. Сепаратор топлива МАРХ 204

       Производительность  сепаратора, .     2.4

       4. Цистерна запасного топлива

       Цистерны  основного запаса дизельного топлива .

       Емкостью , м³.         74,5

       26,6

       Цистерны  основного запаса моторного топлива.

       Емкостью , м³ .         24,5

       66,5

       39,9

 5.Цистерна  расходного топлива емкостью, . 2,8

       6. Цистерна утечного топлива емкостью, . 1,2

       Утечное топливо в этой цистерне от форсунок, топливных насосов главных двигателей и дизель генераторов, а также от мерных бачков и поддона расходной цистерны, из-за его загрязненности должно быть перекачено в расходную цистерну посредством сепаратора.

       Описание масляной системы судна проекта № 621

       Система предназначена для приема, хранения, очистки и подачи масла потребителям, сбора отработавшего масла и выдачи его на берег.

       В систему смазочного масла входят следующие механизмы и оборудования.

       1) Электроприводной маслоперекачивающий  насос РЗ-75

       Напор, м вод ст.         30

       2) Электроприводной циркуляционный  масляный насос – 2 шт.(система смазки главных двигателей с сухим картером ).

       Тип насоса РЗ – 60

       Производительность, .       38

       Напор, м вод ст.         36

       Насос типа РЗ – 60 был выбран по значению расчетной подачи циркуляционного насоса   ;

       3) Электроприводной откачивающий масленой насос – 2 шт.

       Тип насоса РЗ – 60

       Производительность,        38

       Напор36 м вод ст.

       Напор типа РЗ-60 был выбран по значению расчетной  подачи откачивающего масленого насоса     ;

       4) Сепаратор  СЦ – 1.5/1-2

       Производительность,        15

       Напор, м вод ст.         35

       5) Насос ручной масленой РН –  3

       Производительность,        3.5

       Напор, м вод ст.         30

       6) Масляная цистерна емкостью –  2.2 . Количество – 2 шт.

       7)Цистерна  сточная отработавшего масла  емкостью 2.6 .

       Насос для охлаждения масляного холодильника забортной водой

       Тип насоса 1.5ВС – 1.3

       Производительность,   6

Напор, м вод ст.

       Описание системы  сжатого воздуха судна проекта  № 621

       Система предназначена для приема, хранения и подачи сжатого воздуха на пуск главных дизелей и дизель – генераторов; на пополнение воздушной подушки в пневмоцистернах; к пневмоцилиндру заслонки утилизационного котла; на продувку кингстонных ящиков; на продувку дейдвудных втулок (в период постановки сунна на зимний отстой); к озонаторному агрегату; на хозяйственные нужды.

       В систему сжатого воздуха входят следующие механизмы и оборудования:

       1)Четыре болона .3 емкостью 400 литров.

       2) Электрокомпрессор марки 2ОК 1-эд

       Производительностью 34

2. Общая характеристика альтернативных топлив

1. Классификация альтернативных топлив

     В последнее время большое количество зарубежных научно-исследовательских центров моторостроительных фирм проводят исследования, направленные на решение задач обеспечения экономии топлива и замены традиционных жидких углеводородных топлив топливами не нефтяного происхождения.

     Альтернативные  топлива можно классифицировать по следующим признакам:

• по составу: углеводородно-кислотные (спирты), эфиры, эстеры, водородные топлива с добавками;
• по агрегатному состоянию: жидкие, газообразные, твердые;
• по объемам использования: целиком, в качестве добавок;
• по источникам сырья: из угля, торфа, сланцев, биомассы, горючего газа, электроэнергии и др.

2. Характеристика  углеводородных газов

     Природные газы добывают из чисто газовых и  газоконденсатных месторождений. В первом случае природный газ состоит в основном из метана с небольшой примесью этана, в газоконденсатных месторождениях природный газ содержит до 10% этана, 7% пропана, 7% пентана и парафиновых углеводородов.

     Сжиженные газы получают главным образом при  переработке нефтяного (попутного) газа на газобензиновых заводах, а также из природных газов газоконденсатных месторождений, содержащих тяжелые углеводороды.

     Теплота сгорания 1 л бутана превышает теплоту  сгорания пропана приблизительно на 14%, в связи с чем энергетические характеристики сжиженных газов различных марок несколько отличаются.

     Цетановые числа углеводородных газов не превышают 3—8 единиц. Для эксплуатации целесообразно  переводить их в жидкое состояние (при  нормальных условиях газы имеют меньшую  энергоемкость единицы объема). Пропан-бутановые смеси легко переводятся в жидкое состояние при давлении 1,5 МПа, а для сжижения природного газа, состоящего в основном из метана, требуется глубокое охлаждение до температуры —162° С. Хранить сжиженный метан можно только в специальных криогенных емкостях с эффективной изоляцией. Трудности хранения сжиженного метана способствовали появлению газобаллонных автомобилей, в которых масса баллонов составляет примерно 800—900 кг.

     Большой проблемой применения газов в  дизеле являются их низкие цетановые числа. Пуск холодного двигателя, работа на холостом ходу и на малых нагрузках практически невозможны на газе, поэтому при переводе дизеля на газ требуется оснастить его двумя автономными системами, где дизельное топливо служит запальным, кроме того, потребуются дополнительные регулировки топливной аппаратуры.

3. Характеристика  водорода

     Целесообразность  использования водорода в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания объясняется не только истощением топливно-энергетических ресурсов, но и тем, что водород – наиболее чистое топливо.

     Главной проблемой применения этого вида топлива является организация хранения водорода в сжатом, сжиженном состоянии  или в металлогидридах. При работе на сжатом водороде транспортное средство (например, автомобиль) получается на 50% тяжелее, чем при обычном топливе. Использование гидридов металлов как аккумуляторов водорода также связано со значительной массой. Масса таких аккумуляторов часто превышает 400 кг в зависимости от мощности двигателя, работающего на водороде.

     Наилучшие результаты, с точки зрения массовой характеристики, дает применение сжиженного водорода со всеми сложностями, вытекающими из этого способа хранения.

     Стоимость водородного топлива все еще  намного превышает стоимость  дизельного топлива. Если получать водород из угля, то около трети сырья используется как горючее для обеспечения этого производства. Технико-экономические показатели процесса производства водорода из угля могут быть улучшены при развитии атомных электростанций и использовании дешевого тепла атомных реакторов.

     Несмотря  на этот недостаток, водородный двигатель  имеет ряд преимуществ. Прежде всего, он экономичнее, чем двигатель, работающий на обычном топливе. Отработавшие газы водородного двигателя значительно менее токсичны и содержат только окислы азота, которых на 15% меньше, чем при работе на бензине.

     Для надежного воспламенения водорода от сжатия в дизеле требуется создать высокие степени сжатия, так как необходимая температура в цилиндре должна превышать температуру самовоспламенения водорода на 100—200 К и составлять не менее 1023 К.

     Чтобы приспособить существующие дизели к  работе на водороде, предлагается инициировать воспламенение либо от струи дизельного топлива как запального, либо применением наддува, увеличивающего температуру конца сжатия, либо организацией подогрева воздушного заряда на впуске. Кроме того, требуется изменить конструкции двигателя, в первую очередь, в направлении повышения степени сжатия и усложнения системы питания, связанного с организацией двойной подачи топлива или принудительного воспламенения, а также ряда других ее элементов.

4. Характеристика  спиртов.

     Большие усилия были направлены на изучение возможности  применения этанола и метанола в  качестве топлива в двигателях внутреннего  сгорания.

     Организация работы дизеля на смеси дизельного топлива с метанолом или этанолом вызывает значительные трудности, хотя в принципе возможна.. Этанол смешивается с дизельным топливом ограниченно, т. е. не образует стабильных смесей, а метанол вообще их не образует. Если с помощью каких либо стабилизаторов удается преодолеть эту трудность, то остается другая проблема, вызванная плохой воспламеняемостью спиртов из-за низких цетановых чисел, которая особенно наглядно проявляется при пуске двигателя и его работе на холостом ходу. Поэтому необходима двойная система подачи топлива, так как на малых нагрузках спирты не могут быть применены в смесях с обычным дизельным топливом, а большие добавки спирта на средних нагрузках и небольшие на полных нагрузках не гарантируют бездетонационное сгорание.

     Как указывалось выше, одной из проблем  при подаче смеси дизельных топлив с водой, спиртами и т. д. является создание устойчивых эмульсий. Устойчивость последних можно считать достаточной для реализации в эксплуатации, когда она достигает 15... 20 сут.

     В настоящее время преимущественное развитие получает способ эмульгирования при низком давлении смешиваемых компонентов с применением электрических, электромагнитных и других эмульгаторов, а также способ эмульгирования при высоком давлении компонентов по специальным устройствам, содержащим завихрители, полости резких расширений и сужений, благодаря чему достигается дробление компонентов на капли и их активное перемешивание.

5. Применение  водотопливной эмульсии

     Снижения  расхода дизельного топлива можно  добиться за счет добавок в него воды. При испытаниях среднеоборотных и высокооборотных дизелей на водотопливных эмульсиях получены удовлетворительные результаты по снижению удельного расхода топлива; одновременно уменьшается дымность отработавших газов и выброс окислов азота. Больших переделов в конструкции системы питания этот способ не требует, поскольку ввод воды в цилиндр дизеля осуществляется в составе эмульсии с топливом через ту же ,форсунку. Усложнение системы питания заключается в дополнительной постановке эмулъгатора.

     Непосредственный  впрыск воды во впускной, коллектор  вызывает повышенный износ цилиндропоршневой группы, a именно: верхней части цилиндра и колец. Если вводить воду непосредственно в цилиндр через дополнительную форсунку, то (явления повышенного износа цилиндропоршневой группы избежать также не удастся.

     Согласно  современным представлениям при  работе дизеля на водотопливной эмульсии значительно улучшается процесс смесеобразования за счет явления микровзрыва, так как капли эмульгированного топлива, образовавшиеся после впрыска через форсунки, состоят из частиц топлива, внутри которых располагается большое число хаотически движущихся включений воды. Размеры этих включений колеблются от 1 до 3 мкм и практически не зависят от условий распыливания. При нагреве частиц воды и превращения их в пар такие включения взрываются, подвергая окружающие их частицы топлива дополнительному дроблению. Время существования капелек водотопливной эмульсии сокращается по сравнению с существованием капелек чистого дизельного топлива.

     Многие  особенности применения водотопливных  эмульсий до сих пор остаются неизученными. Это касается прежде всего эксплуатационной надежности дизелей, поведения разных сортов топлив в смеси с водой при сгорании, закономерностей изнашивания цилиндропоршневой группы, не создан еще простой и надежный в эксплуатации эмульгатор.

     Не  до конца выяснены вопросы смесеобразования и сажеобразования при работе дизеля на водотопливной эмульсии, особенности работы топливной аппаратуры и влияние водотопливных эмульсий на показатели рабочего процесса. Угол опережения впрыска и продолжительность подачи топлива увеличиваются, возрастает и период задержки воспламенения, но эти явления не приводят к значительному ухудшению динамических показателей дизеля. Положительное влияние присадки воды на снижение сажеобразования было отмечено при исследовании работы дизеля.

     Оптимальная присадка воды к дизельному топливу  составляет около 15—17%, при этом удельный расход топлива снижается на 4—7%. С повышением температуры окружающей среды оптимальная присадка воды к топливу возрастает. При снижении нагрузки эффект от применения эмульгированного водой топлива снижается.

6. Характеристика  растительных масел

       Одним из наиболее перспективных вариантов  является использование растительных масел, как топлива для дизельных двигателей.

     Такое альтернативное топливо: не требует  внесение в конструкцию дизеля каких-либо существенных доработок (необходима лишь подстройка некоторых параметров).

     Топливо на основе растительных масел может производиться из более чем пятидесяти масличных культур. По элементному составу растительные масла близки друг другу, а от нефтяного топлива отличаются присутствием кислорода. Недостатками растительных масел как топлива по сравнению с нефтепродуктами являются их меньшая теплота сгорания (на 1 - 10%), более высокая вязкость (в 6 и более раз), повышенная склонность к нагарообразованию, низкая испаряемость (таблица 1.1). Поэтому большинство современных дизельных двигателей могут работать на чистых растительных маслах лишь короткое время.