Проектирование систем охлаждения судовой дизельной установки

Санкт-Петербургский  Морской Технический Университет

Кафедра судовых энергетических установок, систем и оборудования 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Курсовой  проект по теме: 
 

Проектирование  систем охлаждения судовой дизельной  установки 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Санкт-Петербург

2012 год.

 

 
Исходные данные:

     Вар № 12

       Таблица 1

Тип СЭУ - Дизель, работает на тяжёлом топливе
Количество  ГД nГД МОД-1
Мощность  ГД
10500, кВт
Удельный  расход топлива ГД
173, г/кВт·ч
Геометрическая  разность уровней z 8,1, м
Тип ВДГ - ВОД
Количество  ВДГ с учётом резервного nВДГ 3
Мощность  одного ВДГ
300, кВт
Удельный  расход топлива ВДГ
200, г/кВт·ч
Низшая  теплота сгорания лёгкого топлива
42600, кДж/кг
Низшая  теплота сгорания тяжелого топлива
40800, кДж/кг

 

 

     

     Введение 

     Системой  судовой энергетической установки  называют совокупность трубопроводов  с механизмами, аппаратами, устройствами и приборами, предназначенная для выполнения определённых функций и обеспечения надёжной и устойчивой работы энергетической установки. 

     Судовые энергетические системы объединяют пропульсивный и вспомогательные  энергетические комплексы в единую энергетическую установку. 

     Каждая из систем СЭУ представляет сложный комплекс, включающий большое число элементов, связанных между собой трубопроводами, общая длина которых на судне измеряется километрами. 

     В зависимости от типа судна и назначения судовой энергетической установки  СЭС могут иметь различное принципиальное решение.   

В данной работе мы будем рассматривать и рассчитывать параметры и показатели системы  охлаждения СДУ.

 

 1. Определение основных параметров элементов системы

1.1 Определение количества теплоты отводимого водой

 

  • 1.1.1Общее количество теплоты, затраченное на работу  ГД составляет:

    •      

     кВт,

         где: Ne – мощность ГД, кВт;

          - Низшая теплота сгорания тяжелого топлива, кДж/кг;

         be – удельный расход топлива ГД, кг/кВт·ч; 

         

     кВт. 

         Количество  теплоты, отводимое  с пресной водой  от ГД:

           кВт,

         где: - относительная потеря тепла водой при охлаждении только цилиндров.

         Принимаем , следовательно:

         

     кВт. 

         Количество  теплоты, отводимое  от наддувочного воздуха в воздухоохладители, равно:

         

     кВт,

         где: - расход воздуха на двигатель,

          , кг/с,

         где: - суммарный коэффициент избытка воздуха, принимаем ;

          - теоретически необходимое количество  воздуха для сжигания 1 кг топлива,  кг/кг;

           кг/с.

          - теплоёмкость воздуха, кДж/кг·К;

          - разность температуры воздуха после нагнетателя и на входе в двигатель, ºС. Принимаем ºС.

         

     кВт. 

         Количество  теплоты, отводимое  от ГД через маслоохладитель:

         

     кВт,

         где: - потери теплоты с маслом при охлаждении подшипников.

         В зависимости от конструкции  ДВС  количество теплоты, отводимое маслом, может быть принято в пределах 0,03…0,09. Принимаю aМ = 0,03.

         

     кВт, 

         1.1.2 Общее количество теплоты, затраченное на работу ВДГ составляет: 

         

     кВт,

         где: NeВДГ – мощность ВДГ, кВт;

          - Низшая теплота сгорания лёгкого топлива, кДж/кг;

         beВГД – удельный расход топлива ВДГ, кг/кВт·ч; 

         

     кВт. 

         Количество  теплоты, отводимое  с пресной водой  от ВДГ:

           кВт,

         где: - относительная потеря тепла водой при охлаждении только цилиндров.

         Принимаем , следовательно:

         

     кВт. 

         Количество  теплоты, отводимое  от ВДГ через маслоохладитель:

         

     кВт,

         

     кВт,

    1.2 Определение расхода охлаждающей воды через потребители

     

         Расход  забортной воды через  ОПВ ГД:

         

    , м3/ч,

         где: - коэффициент запаса;

          - плотность забортной воды, кг/м3;

          - теплоёмкость забортной воды, кДж/кг·К;

           - разность температур забортной воды на входе и выходе из водоохладителя ГД. Применим

          - коэффициент эффективности.  Примем  .

         

    , м3/ч, 

         Расход  забортной воды через  воздухоохладитель ГД: 

         

    , м3/ч,

         где: - разность температуры забортной воды на входе и выходе из воздухоохладителя. Принимаем  

         

    346,6, м3/ч, 

         Расход  забортной воды через  маслоохладитель ГД:

         

    , м3/ч,

         где: - разность температуры забортной воды на входе и выходе из маслоохладителя ГД. Принимаем

         

    , м3/ч, 
     

         Расход  забортной воды через  ОПВ ВДГ:

         

    , м3/ч,

         где: - разность температур забортной воды на входе и выходе из водоохладителя ВДГ. Применим =6.

         

    , м3/ч, 

         Расход  забортной воды через  маслоохладители  ВДГ:

         

    , м3/ч,

         где: - разность температуры забортной воды на входе и выходе из маслоохладителя ВГД. Принимаем

         

    , м3/ч,

         1.3 Определение площади теплопередающей поверхности теплообменных аппаратов

     

         Площадь поверхности водоохладителя ГД определяется из выражения: 

         

     м2,

         где: - коэффициент теплопередачи от пресной воды к забортной, м3 (в кожухотрубных аппаратах - в пластинчатых - Вт/м2·К), принимаем =3000, Вт/м2·К;

          - температурный напор,  ;

         

    ,
    ,

         где: - разность температур пресной воды и забортной воды на том конце теплообменника, где она имеет большое значение, ;

          , ;

           - меньшая разность температур, ;

          , ;

          - температуры пресной воды на входе в охладитель ГД и на выходе из водоохладителя;

          , -  температуры забортной воды на входе в охладитель ГД и на выходе из водоохладителя;

          , ;

          , ; 

         

    ,
    ,

         

     м2. 
     

         Площадь поверхности воздухоохладителя наддувочного воздуха ГД: 

         

     м2,

         где: - коэффициент теплопередачи от воздуха к забортной, Вт/м2·К (может быть принят Вт/м2·К), принимаем =60, Вт/м2·К;

          - температурный напор,  ;

         

    ,
    ,

         где: - разность температур воздуха и забортной воды на том конце теплообменника, где она имеет большое значение, ;

          , ;

           - меньшая разность температур, ;

          , ;

          -  температуры воздуха на входе в охладитель ГД и на выходе из воздухоохладителя (температура воздуха, поступающего в воздухоохладитель, обычно принимается равной 100…130, , на выходе 50…60, );

          , -  температуры забортной воды на входе в воздухоохладитель ГД и на выходе из воздухоохладителя;

          , ;

          , ;

         

    ,
    ;

         

     м2. 

         Площадь поверхности маслоохладителя  ГД: 

         

     м2,

         где: - коэффициент теплопередачи от масла к забортной воде. Для кожухотрубных аппаратов -  Вт/м2·К. Принимаю = 250, Вт/м2·К;

          -температурный напор (среднелогарифмическая  разность температур), ,

         

    ,
    ,

         где: - разность температур масла и забортной воды на том конце теплообменника, где она имеет большое значение, ;

          , ;

           - меньшая разность температур, ;

          , ;

          -  температуры масла на  входе в охладитель ГД и  на выходе из маслоохладителя  (температуру масла на выходе  из МОД принимают в пределах 55…65 , перепад температуры масла в маслоохладителе принимают 6…10 в МОД);

          , -  температуры забортной воды на входе в маслоохладитель ГД и на выходе из маслоохладителя;

          , ;

          , ;

         

    ,
    ;

         

     м2. 
     

         Площадь поверхности водоохладителя ВДГ: 

         

     м2,

         где: - коэффициент теплопередачи от пресной воды к забортной, м3 (в кожухотрубных аппаратах - в пластинчатых - Вт/м2·К), принимаем =3000, Вт/м2·К;

         

    ,
    ,

         где: - разность температур пресной воды и забортной воды на том конце теплообменника, где она имеет большое значение, ;

          , ;

           - меньшая разность температур, ;

          , ;

          -  температуры пресной воды  на входе в охладитель ВДГ и на выходе из водоохладителя;

          , -  температуры забортной воды на входе в охладитель ВДГ и на выходе из водоохладителя;

          , ;

          , ; 

         

    ,
    ,

         

     м2. 

         Площадь поверхности маслоохладителя  ВДГ: 

         

     м2,

         где: - коэффициент теплопередачи от масла к забортной воде. Для кожухотрубных аппаратов -  Вт/м2·К. Принимаю = 250, Вт/м2·К;

          -температурный напор (среднелогарифмическая  разность температур), ,

         

    ,
    ,

         где: - разность температур масла и забортной воды на том конце теплообменника, где она имеет большое значение, ;

          , ;

           - меньшая разность температур, ;

          , ;

          -  температуры масла на  входе в охладитель ВДГ и на выходе из маслоохладителя;

          , -  температуры забортной воды на входе в маслоохладитель ВДГ и на выходе из маслоохладителя;

          , ;

          , ;

         

    ,
    ;

         

     м2.

     

    2. Техническое проектирование системы водяного охлаждения

    2.1 Определение геометрических размеров МКО

     
     

         Длина МКО: 

         

     м,

         где: - коэффициент, выбираемый для транспортных судов в зависимости от расположения МКО и типа установки. Для судов с дизельной СЭУ в корме . Принимаю

           – длина главного двигателя S60MC-C, м;

         Hд = 10,08 – высота ГД, м. 

         

     м, 

         Площадь МКО:

         

     м2,

         где: =15…30, кВт/м2 – удельная величина, выражающая отношение мощности ДУ к площади МКО. Принимаю =30, кВт/м2.

         

     м2.

         Объём МКО: 

         

     м3;

         

     м3. 

         Ширина  МКО:

         

     м;

         

     м. 

         Высота  МКО: 

         

     м;

         

     м;

     

          Координаты основного оборудования системы охлаждения 

         Таблица 2

     
     
     
         		  
    Координаты, м 
    от  носовой переборки - х от ДП - z от основной линии -y
    Клинкет донного кингстонного ящика   1,2 -8,1 0,5
    Насос забортной воды №1 1,6 -6,6 3,0
      №2 1,6 -7,6 3,0
      №3 1,6 -8,6 3,0
      №4 1,6 -9,6 3,0
    Охладитель  воздуха ГД   7,0 1,6 9,5
    Маслоохладитель ГД   9,0 -2,0 6,2
    Охладитель  пресной воды   9,0 2,0 6,2
    Отливной  ящик   10,0 17,0 11,5
    Охладитель  пресной воды ВДГ №1 1,6 10,0 6,3
      №2 1,6 -1,2 6,3
      №3 1,6 10,0 6,3
    Маслоохладитель ВДГ №1 2,6 10,0 6,3
      №2 2,6 -1,2 6,3
      №3 2,6 -10,0 6,3
    Отливной  ящик ВДГ   10,0 -17,0 11,5

     

    № Наименование Обозна-чение Размерность Расчётная формула 1-2 2-3 3-а-4 3-b-4 4-5 2-6 6-c-7 6-е-7 6-d-7 7-8
    1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
    1 Предварительная принятая скорость потока воды Wi м/с 1,2…2,5 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8
    2 Материал трубопровода - - - ст 10 ст 10 ст 10 ст 10 ст 10 ст 10 ст 10 ст 10 ст 10 ст 10
    3 Объёмный  расход воды  Gi м3/с
    		0,457 0,254 0,128 0,126 0,254 0,203 0,101 0,101 0,101 0,203
    м3/ч 1645,8 915,5 461,3 454,2 915,5 730,3 365,1 365,1 365,1 730,3
    4 Условный  диаметр  Dy мм
    		568,8 424,2 301,1 298,8 424,2 378,9 267,9 267,9 267,9 378,9
    м 0,569 0,424 0,301 0,299 0,424 0,379 0,268 0,268 0,268 0,379
    5 Наружный  диаметр Dнi мм ГОСТ 8732-78 550 406 299 299 406 377 265 265 265 377
    м 0,55 0,406 0,299 0,299 0,406 0,377 0,265 0,265 0,265 0,377
    6 Внутренний  диаметр  di мм
    		542,2 398,7 292,0 292,0 398,7 369,8 258,1 258,1 258,1 369,8
    м 0,54 0,40 0,29 0,29 0,40 0,37 0,26 0,26 0,26 0,37
    7 Толщина стенки трубы δ мм
    		3,89 3,66 3,49 3,49 3,66 3,61 3,43 3,43 3,43 3,61
    8 Максимальное  давление рабочей среды P МПа 0,2…0,3 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25
    9 Коэф., учитывающий ослабление прочности материала для сварных труб φ - φ=75 для сварных  труб 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75
    10 Допускаемое напряжение материала труб на разрыв [σ] МПа Для стали при  температуре ниже 200ºС [σ]=116 МПа 116 116 116 116 116 116 116 116 116 116
    11 Прибавка на утонение труб при гибки b мм
    		0,121 0,086 0,057 0,062 0,086 0,081 0,057 0,057 0,057 0,081
    12 Радиус сгиба Ri мм
    		1890 1350 897 975 1350 1278 897 897 897 1278
    13 Прибавка к  расчётной толщины стенки с мм Прибавка к  расчётной толщине стенок 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
    14 Уточнённая  толщина труб - мм ГОСТ 8732-78 4 4 4 4 4 4 3,5 3,5 3,5 4
    15 Действительная  скорость потока Wв м/с
    		1,98 2,04 1,91 1,88 2,04 1,89 1,94 1,94 1,94 1,89
    16 Длина погибов lпог м
    		6,48 0,80 2,35 4,11 1,59 0,74 2,08 1,56 2,08 1,48
    17 Относительный радиус погибов n1 - обычно 2.5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5
    18 Количество  принятых погибов n2 - Принимаем из схемы  трассировки 6 1 4 7 2 1 4 3 4 2
    19 Длина участка lобщ м Принимаем из схемы трассировки 13,5 8,7 17,6 16,4 24,1 7,7 25,4 3 16,8 29,2
      1-2 2-3 3-а-4 3-b-4 4-5 2-6 6-c-7 6-е-7 6-d-7 7-8 5,83 3,00 5,83 7,33
    20 Длина прямого  трубопровода l м
    		7,02 7,90 15,25 12,29 22,51 6,96 23,32 1,44 14,72 27,72
    21 Число Рейнольдса Rei -   1303466 986112 678316 667936 986112 848116 607448 607448 607448 848116
    22 Плотность забортной  воды ρ кг/м3 по таблице 5 1012 1012 1012 1012 1012 1012 1012 1012 1012 1012
    23 Температура забортной  воды t °С   30 30 30 30 30 30 30 30 30 30
    24 Солёность забортной  воды S % по таблице 5 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20
    25 Гидравлический  диаметр (линейный размер)  dГ мм dГ=di 542,2 398,7 292,0 292,0 398,7 369,8 258,1 258,1 258,1 369,8
    м 0,54 0,40 0,29 0,29 0,40 0,37 0,26 0,26 0,26 0,37
    26 Кинематическая  вязкость забортной воды υ м2/с по таблице 5 0,824·

    10-6

    		 0,824·

    10-6

    		 0,824·

    10-6

    		 0,824·

    10-6

    		 0,824·

    10-6

    		 0,824·

    10-6

    		 0,824·

    10-6

    		 0,824·

    10-6

    		 0,824·

    10-6

    		 0,824·

    10-6

    27 Коэф. трения λm -
    		0,080 0,086 0,093 0,093 0,086 0,088 0,096 0,096 0,096 0,088
    28 Приведенная (эквивалентная  шероховатость) К1 м Принято 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15
    29 Потери на трение ΔНrfi Дж/кг
    		2,03 3,55 8,91 6,96 10,10 2,95 16,31 1,01 10,30 11,75
    30 Местные потери Нrм Дж/кг
    		96,97 7,02 52,18 72,18 21,10 3,89 77,37 75,53 77,37 16,72
    31 Гидравлические  потери Hri Дж/кг
    		99,00 10,57 61,09 79,15 31,20 6,84 93,68 76,53 87,67 28,47
    32 Сопротивление ОПВ ГД (ВДГ) Δhопв Дж/кг Принято     45       40 40 40  
    33 Сопротивление МО ГД (ВДГ) Δhмо Дж/кг Принято       30     30 30 30  
    34 Сопротивление ВО ГД (ВДГ) Δhво Дж/кг Принято       30            
    35 Сопротивление фильтра Δhф Дж/кг Принято 15                  
    36 Сопротивление на входе Δhвх Дж/кг
    		0,98                  
    37 Сопротивление на выходе Δhвых Дж/кг
    		        2,08         1,79
    38 Сопротивление погибов (90) Δhпог Дж/кг
    		11,54 2,04 7,18 12,18 4,07 1,75 7,37 5,53 7,37 3,50
    39 Сопротивление тройников Δhтр Дж/кг
    		18,83 4,98 0,00 0,00 2,49 2,14 0,00 0,00 0,00 2,14
    40 Сопротивление клинкетных задвижек Δhкл.з Дж/кг
    		1,18                  
    41 Сопротивление невозвратно-запорных клапанов Δhкл Дж/кг
    		49,44       12,46         9,29
                                 
      1-2 2-3 3-а-4 3-b-4 4-5 2-6 6-c-7 6-е-7 6-d-7 7-8
    42 Количество  запорных клапанов k1 шт. Принимаем из схемы  трассировки 8 1 2 2 0 1 2 2 2 0
    43 Коэф. потерь местного сопротивления клинкетных задвижек ζ2 - Приложение 1 0,3                  
    44 Количество  клинкетных заглушек k2 шт. Принимаем из схемы  трассировки 1                  
    45 Коэф. потерь местного сопротивления невозвратно-запорных клапанов ζ3 - Приложение 1 6,3       6         5,2
    46 Количество  невозвратно-запорных клапанов k3 шт. Принимаем из схемы  трассировки 4       1         1
    47 Коэф. потерь местного сопротивления тройников ζ4 - Приложение 1 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2
    48 Количество  тройников k4 шт. Принимаем из схемы  трассировки 8 2 0 0 1 1 0 0 0 1
    49 Напор в системе Нс Дж/кг
    		228,0
    50 Расход суммарный Gc м3/ч Gc = G1-2 1645,8
    51 Выбор насоса марка - - 4 насоса  марки  НЦВ 630/30. Подача Gc = 630 м3, напор насоса H=300 м3/ч, частота вращения n = 1450 об/мин, мощность насоса N = 70 кВт, кавитационный запаса hg = 50 Дж/кг. 
    52 Максимальный  напор Hmax Дж/кг
    		250,8
    53 Коэф. запаса для насоса запорной воды Kw - Принимаем 1,2
    54 Напор насоса Hн Дж/кг - 300
    55 Коэф. запаса Кз - K3 = Kw 1,2
    56 Располагаемый кавитационный запас на входе в насос Δhр Дж/кг
    		36,3
    57 Статическое давление в приёмном патрубке насоса Р1n Па Принимаем 41000
               

                                                                                                                  Таблица 4

    Участки цепи 1 1-2 2-3 3-a-4 4-5 Сумма
    99,0 10,6 61,1 31,2 201,9
    2 1-2 2-3 3-b-4 4-5 219,9
    99,0 10,6 79,1 31,2
    3 1-2 2-6 6-c-7 7-8 228,0
    99,0 6,8 93,7 28,5
    4 1-2 2-6 6-e-7 7-8 210,8
    99,0 6,8 76,5 28,5
    5 1-2 2-6 6-d-7 7-8 222,0
    99,0 6,8 87,7 28,5

     

     

    3. Построение суммарной характеристики сети насоса

     

        Используя основные уравнения энергии (уравнения  Эйлера и Бернулли), можно получить следующие выражения для определения напора:

     

    где: k1,k2,k3 – некоторые коэффициенты, определяются таким образом:

          где: – коэффициент быстроходности.

          Безразмерные  коэффициенты  k1 и k3 входящие в выражение, определяются по следующим зависимостям, полученным в результате статического анализа.

           ; 

               ; 

    Для ns = 194:

    А1=0,0022;

    А3=0,0020;

    B1=0,630;

    B3=0,339. 

    Для :

    ;

    ;

    ;

    . 

    Тогда:

           ;

           ;

          

          

            

    Напор сети:

                                                                  Таблица 5

        № Qi Qc Hн
        1 0,0 0,0 374,0
        2 0,03 0,17 366,6
        3 0,06 0,34 344,0
        4 0,09 0,51 306,4
        5 0,12 0,69 253,6
        6 0,15 0,86 185,6

     

    Напор сети:

    где:  - коэффициент, зависящий от потерь напора на участке .

    Проектирование систем охлаждения судовой дизельной установки