Монтаж судовых холодильных установок

Содержание

1. Общепроектная часть

1.1 Обоснование выбора энергетической установки фрегата

1.2 Состав маршевой части энергетической установки

1.2.1 Система сжатого воздуха

.2.2 Топливная система

.2.3 Масляная система

.2.4 Система пресной охлаждающей воды

.2.5 Система забортной охлаждающей воды

.2.6 Система газовыпуска

.2.7 Система наддува

1.3 Тепловой расчет ДВС

1.3.1 Определение суммарной мощности маршевых двигателей

.3.2 Процесс наполнения

.3.3 Процесс сжатия

.3.4 Процесс сгорания

.3.5 Процесс расширения

.3.6 Процесс выпуска

.3.7 Построение расчётной индикаторной диаграммы

.3.8 Параметры, характеризующие рабочий цикл

.3.9 Динамический расчет двигателя

.3.10 Диаграмма касательных усилий

.3.11 Суммарная диаграмма касательных усилий

.3.12 Определение махового момента и главных размеров маховика

.3.13 Определение уравновешенности ДВС

.4 Состав и расположение энергетической установки

. Специальная часть

.1 Задачи системы кондиционирования воздуха

.2 Выбор оптимальной системы кондиционирования

.3 Описания тепловой схемы и принципа работы мобильной установки кондиционирования

.4 Расчет теплопритоков в помещениях

.5 Подбор оборудования системы кондиционирования

.5.1 Технические характеристики воздухоохладителя типа ОВВМ

.5.2 Технические характеристики воздухоохладительной установки типа УВО

.5.3 Чиллеры с водяным охлаждением

.6 Гидравлический расчёт

. Технологическая часть

3.1 Технологически процесс монтажа холодильной машины в контейнер

.2 Подготовка к монтажу холодильной машины

.3 Монтаж холодильной машины

.4 Испытание холодильной машины после монтажа

. Технико-экономическое обоснование проекта

4.1 Расчет численности монтажной бригады

.2 Технологический процесс монтажа холодильной машины

.3 Расчет полной себестоимости монтажа холодильной машины

5. Охрана труда. Охрана окружающей среды

5.1 Общие требования безопасности

.2 Указание мер безопасности при эксплуатации холодильной установки

5.3 Требования по охране окружающей среды при выполнении монтажа холодильной машины

5.3.1 Охрана окружающей среды при промывке деталей арматуры

.3.2 Охрана окружающей среды при эксплуатации холодильной машины

Список литературы

1. Общепроектная часть

.1 Обоснование выбора энергетической установки фрегата

Современные СЭУ различают по следующим признакам:

·   по роду топлива - установки, в которых используется органическое топливо (продукты переработки нефти), и установки, работающие на ядерном топливе;

·   по роду рабочего тела - установки паровые и газовые; в первых рабочим телом является водяной пар, во вторых - газы (воздух, продукты сгорания органического топлива, азот, гелий и др.);

- по типу главных двигателей - установки с турбинными и поршневыми двигателями (в последнее время особое внимание начинают привлекать комбинированные установки, в которых используются одновременно два вида рабочего тела и различные типы главных двигателей);

·   по характеру цикла - установки, работающие по замкнутому контуру (закрытый цикл) и по открытому контуру (открытый цикл); в последних рабочее тело, совершив полезную работу, удаляется в атмосферу;

·   по способу передачи мощности - установки с прямой, зубчатой, электрической и гидравлической передачами;

·   по количеству валопроводов - установки одновальные и многовальные; в многовальных число валов не превышает пяти.

Паровые установки, работающие на органическом топливе, подразделяются на паротурбинные установки (ПТУ), установки с паровыми поршневыми машинами и комбинированные, состоящие из поршневой машины и турбины. Паротурбинные установки могут быть с зубчатой и электрической передачами. Все современные паровые установки работают по закрытому циклу. Установки с паровыми поршневыми машинами и комбинированные, ввиду их низкой экономичности, в настоящее время встречаются в основном на судах старой постройки.

Установки с двигателями внутреннего сгорания, или, как их сокращенно принято называть дизельные установки (ДУ) работают по открытым циклам. Дизельные установки применяют с прямой, зубчатой, электрической и гидравлической передачами.

Газотурбинные установки (ГТУ) в зависимости от способа сжигания топлива подразделяются на установки с камерами сгорания, которые могут работать по открытым и закрытым циклам, и установки со свободно-поршневыми генераторами газа (ГТУ с СПГГ), которые работают по открытым циклам. Газотурбинные установки могут иметь зубчатую, гидравлическую или электрическую передачу. Примером комбинированных установок могут служить установки с паровыми и газовыми турбинами, с двигателями внутреннего сгорания и паровыми турбинами, с двигателями внутреннего сгорания и газовыми турбинами.

Судовые ядерные установки (СЯУ) в зависимости от вида рабочего тела делятся на паровые, в которых в качестве рабочего тела в турбинах применяется водяной пар, и газовые, в турбинах которых рабочим телом являются газы. В настоящее время в основном применяют паротурбинные СЯУ с зубчатой или электрической передачей.

Для фрегата лучше применить комбинированную энергетическую установку с газотурбинной форсажной частью и дизельной маршевой частью. Это позволит иметь высокую скорость, а также повысить маневренность и экономичность на марше и работе в прибрежной зоне.

Судовые ДВС по сравнению с другими видами тепловых двигателей обладают рядом технико-экономических и эксплуатационных преимуществ:

постоянной готовностью к действию благодаря минимальному времени, необходимому для подготовки двигателя к пуску;

высокой степенью использования теплоты топлива - эффективный КПД лежит в пределах от 40 до 45%.

·   возможностью длительной работы без пополнения запасов топлива на корабле;

В зависимости от способа осуществления рабочего цикла ДВС могут быть четырехтактными и двухтактными. Различают двигатели без наддува, в цилиндры которых поступает воздух атмосферного или близкого к нему давления, и двигатели с наддувом, у которых в цилиндры подается воздух повышенного давления. Большинство энергетических установок (ЭУ) с ДВС в настоящее время выполняется с наддувом.

Преимущества ЭУ с МОД:

- обладают высокой экономичностью;

- большие мощности и моторесурс;

- возможность работы на тяжелых сортах топлива;

- имеют низкие эксплуатационные расходы на профилактическое обслуживание;

- конструктивная простота передачи;

Главным недостатком МОД является большая масса и габариты установки.

Наиболее широкое применение нашли установки с СОД. Мощность таких установок приближается к мощности установок с МОД. При использовании СОД с частотой вращения 350750 об/мин и скоростями 68,9 м/с вместо МОД такой же мощности - масса установки уменьшается в 1,52 раза, а занимаемый при этом объем уменьшается в 1,41,7 раза.

К преимуществам ЭУ с СОД также можно отнести:

·   широкие возможности расположения в машинном отделении;

·   высокая экономичность при работе на промежуточных режимах;

·   надежность работы;

·   меньшая масса и габариты по сравнению с МОД позволяет увеличить количество перевозимого груза.

Недостатками установок с СОД являются:

невозможность работы двигателя на тяжелом топливе (мазуте);

большое количество цилиндров, требующих обслуживания при проведении плановых осмотров и ремонтов;

несколько увеличенный расход смазочного материала;

повышенная шумность;

необходимость применения редуктора.

Быстроходные двигатели с частотой вращения до 2500 об/мин и скоростями поршня >9 м/с устанавливаются на судах, для которых первостепенное значение имеют малая масса установки и ее небольшие габариты.[2]

Преимущества установок с ВОД:

малая масса и габариты;

компактность.

Создание установок с ВОД большой агрегатной мощности требует применения сложных многоцилиндровых конструкций с V-, W- и звездообразным расположением цилиндров. К недостаткам установок с ВОД можно отнести вышеописанные недостатки СОД, а также значительно меньший ресурс, чем у СОД.

Проанализировав описанные выше достоинства и недостатки всех типов ДВС, а также учитывая тип и назначение корабля данного проекта, для которого доминирующими факторами являются: массогабаритные показатели и надежность в эксплуатации, выбираем в качестве двигателя для маршевой части ГЭУ высокооборотный двигатель.

Технические характеристики двигателя:

мощность - 2890 кВт (4000 е.л.с.)

частота вращения коленчатого вала - 1000 об/мин;

диаметр цилиндра - 260 мм;

1.2 Состав маршевой части энергетической установки

.2.1 Система сжатого воздуха

Система сжатого воздуха необходима для получения, хранения и подачи сжатого воздуха к потребителям: главному двигателю, дизель-генераторам, тифонам, на хознужды.

Требования по комплектации системы сжатого воздуха для ЭУ с ДВС регламентированы Правилами Регистра РФ:

один из воздухоохранителей должен быть резервным и предназначаться только для обслуживания главных двигателей с емкостью, достаточной для обеспечения не менее половины пусков; воздухоохранители для обслуживания вспомогательных механизмов должны оставаться резервными и воздух из них не должен расходоваться на другие цели;

пополнение расходуемого воздуха общего воздухоохранителя должно производиться автоматически; при этом до включения компрессора в воздухоохранителе должен всегда сохраняться запас пускового воздуха, обеспечивающий половину общего числа пусков главного и полное число пусков вспомогательных двигателей.

Особенностями разработанной схемы системы сжатого воздуха является то, что баллоны (поз. 6) главных двигателей являются воздухоохранителями для всех потребителей. Схема состоит из двух главных компрессоров (поз. 9), одного первичного компрессора (аварийного) (поз. 5), двух баллонов главных двигателей, одного баллона вспомогательных двигателей (поз. 4), водомаслоотделителя (поз. 7), трубопроводов и арматуры, а также подкачивающего компрессора (поз. 8). Аварийный компрессор обслуживает только баллоны вспомогательных двигателей. Для работы тифона служит только воздух высокого давления. Подкачивающий компрессор нужен потому, что частый пуск главных компрессоров для подкачки баллонов нецелесообразен из-за увеличенного износа цилиндропоршневой группы, глубоких провалов напряжения вследствие пуска электродвигателей большой мощности. Подкачивающий компрессор, имеющий умеренную производительность, может работать с большим коэффициентом рабочего времени, поэтому его тепловой режим практически является установившимся, что уменьшает износ, а провалы напряжения невелики по абсолютной величине и редки по времени. Применение подкачивающего компрессора также позволяет значительно уменьшить интервал давлений, в которых расходуется воздух в баллонах между подкачками, и благодаря этому, иметь в баллонах больший запас воздуха.

.2.2 Топливная система

Топливная система предназначена для приема, хранения, перекачки, очистки, подогрева и подачи топлива к двигателям внутреннего сгорания, а также для передачи топлива на берег или на другие суда.

Основные требования к топливной системе главных двигателей, изложенные в Правилах Регистра РФ, сводятся к следующему:

установке резервного топливоподкачивающего насоса (рекомендуется в качестве резерва использовать топливоперекачивающий насос);

установке фильтров перед главным двигателем.

Топливную систему можно разделить на ряд подсистем:

погрузки и перекачки топлива;

сепарации топлива;

подачи топлива к главному двигателю;

охлаждения форсунок.

Система погрузки и перекачки топлива предназначена для приема топлива с берега, перекачку его из одних емкостей в другие и выдачу на берег. В аварийном случае перекачивающий насос (не показан) может подавать топливо непосредственно в расходные цистерны главных двигателей. Перекачка топлива производится электроприводным винтовым насосом. Отстойные цистерны отсутствуют .

Система сепарации предусматривает сепарацию топлива, поступающего непосредственно из танков, и подачу очищенного топлива в расходные цистерны. Для обеспечения надежного всасывания топлива из междудонных танков применен автономный приемный насос (поз. 12) сепаратора, который устанавливается ближе и ниже по отношению к топливным танкам. В непосредственной близости от сепаратора располагается грязевая цистерна, удаление шлама из которой производится сжатым воздухом.

Система подачи топлива к главному двигателю обеспечивает также его фильтрацию и возврат излишков в расходную цистерну топлива (поз. 15).

Система охлаждения топливных форсунок главных двигателей выполнена автономной. Все оборудование располагается на уровне крышек главного двигателя и собрано в единый блок, включающий два насоса, теплообменник, фильтры и цистерну.

Система подачи топлива к вспомогательным двигателям обычно включает только расходную цистерну и трубопровод к двигателю и поэтому не требует рассмотрения.

.2.3 Масляная система

Масляная система предназначена для приёма, перекачивания, хранения, очистки и подачи масла к местам охлаждения и смазки трущихся деталей главных двигателей, редукторов и других агрегатов .

Требования Правил Регистра РФ к масляной системе касаются вопросов комплектации ее насосами и фильтрами:

в системе главного двигателя должны устанавливаться два насоса, один из которых может быть навешенным;

допускается объединение систем двух главных двигателей при наличии как автономных, так и навешенных насосов, при этом навешенных насосов должно быть не менее двух (один из них резервный); фильтры должны устанавливаться на нагнетательной стороне и на приемном трубопроводе (сетки);

фильтры должны быть спарены для возможности очистки на ходу, а конструкция их должна обеспечивать механизированную очистку без разборки.

При проектировании масляной системы должны быть обеспечены: работоспособность системы при всех возможных условиях эксплуатации, живучесть, резервирование, ремонтопригодность и удобство эксплуатации, технологичность, унификация и агрегатирование механизмов, оборудования, труб и арматуры и т.д.

Применение этой схемы позволило уменьшить число маслоохладителей, масляных сепараторов, отказаться от установки маслоперекачивающего насоса.

В системе установлены два циркуляционных масляных насоса (поз. 28) одинаковой производительности, дублирующие друг друга. Это винтовые насосы с циклоидальным зацеплением. Заполнение системы маслом осуществляется самотеком, а выкачка и перекачка - с помощью циркуляционных насосов, предусмотрено также резервное перекачивание масла масляным сепаратором.

В схеме предусматривается один самоочищающийся сепаратор масла (поз. 52). Для предохранения винтов главных циркуляционных насосов установлены сетки на их приеме (поз. 24). На участке системы между насосами и теплообменниками устанавливаются сдвоенные сетчатые (поз. 25) и магнитный (поз. 26) фильтры, автоматически очищаемые воздухом.

Масляная циркуляционная система главного двигателя включает две междудонные маслосточные цистерны и одну вкладную цистерну запаса масла (поз. 20).

В системе устанавливается один маслоохладитель (поз. 27). В качестве основного типа маслоохладителей могут быть рекомендованы надежные в эксплуатации, доступные для осмотра и ремонта кожухотрубные аппараты с высокоэффективной поверхностью теплообмена, очистка которых со стороны масла должна производиться химическим путем.

Одно из основных требований, которое следует учитывать при проектировании масляной системы, состоит в том, что давление масла в охладителе должно быть больше, чем давление воды. Это необходимо для того, чтобы при нарушении герметичности теплообменного аппарата вода не попала в смазочное масло.

Каждый дизель-генератор обслуживается отдельным маслоперекачивающим насосом (не показан), который наполняет циркуляционную цистерну дизель-генератора свежим маслом из цистерны запаса и удаляет загрязненное масло в цистерну отработавшего масла.

.2.4 Система пресной охлаждающей воды

Система пресной охлаждающей воды предназначена для охлаждения деталей главного двигателя: цилиндров, поршней, форсунок и цилиндров дизельгенераторов.

Требования к системам пресной охлаждающей воды по Правилам Регистра:

прогрев главных двигателей перед пуском должен производиться теплой водой, подогретой в поверхностных подогревателях или от системы охлаждения вспомогательных двигателей, подогрев паром не допускается;

допускается установка общей расширительной цистерны для группы двигателей;

насосы водяного охлаждения главных двигателей должны иметь резервные средства, допускается установка одного резервного насоса пресной и забортной воды при условии применения устройств, исключающих смешение пресной и забортной воды;

допускается объединение систем охлаждения главных и вспомогательных двигателей.

В этом контуре пресная вода, охлаждающая рабочие цилиндры главного двигателя, циркулирует от водоводяных охладителей (поз. 33), размещенных на выходе воды из главного насоса, к главному двигателю. В системе установлен резервный насос пресной (поз. 31) воды.

На стоянке портовый насос (поз. 32), включенный параллельно главному насосу, прокачивает воду в направлении: насос - водоводяные охладители - вспомогательные двигатели. Температура пресной воды, поступающей в главный и вспомогательные двигатели, автоматически регулируется термостатом путем изменения перепуска воды мимо водоводяных охладителей. Регулирование осуществляется по импульсу температуры перед главным и вспомогательными двигателями от датчиков.

Производительность главного насоса и поверхность теплообмена водо-водяных охладителей рассчитаны из условия одновременного охлаждения главного и одного вспомогательного двигателей. Расширительный бак - общий для всей системы охлаждения.

Поддержание главного двигателя в "горячем резерве", т.е. возможность его прогрева перед пуском достигается за счет теплоты охлаждающей воды вспомогательных двигателей. В этом случае портовый насос подает воду мимо водо-водяных охладителей по перемычке к вспомогательным двигателям. Отобрав тепло от вспомогательных двигателей, нагретая вода поступает к главному двигателю, откуда минуя испарительную установку (поз. 40), подводиться к насосу. Кроме того, обеспечен взаимоподогрев вспомогательных двигателей.

Такая объединенная система является оптимальной с точки зрения наименьшего количества комплектующих ее механизмов и оборудования, а, следовательно, и с точки зрения простоты и надежности эксплуатации.

Система охлаждения оснащена контрольно-измерительными приборами для измерения температуры, давления, а также для предупреждения падения давления воды в системе.

.2.5 Система забортной охлаждающей воды

Основным назначением системы забортной охлаждающей воды является охлаждение наддувочного воздуха, масла и пресной воды главного двигателя и дизель-генераторов, вспомогательного оборудования машинного отделения (компрессоров, конденсаторов, испарителей, рефрижераторных установок), подшипников гребного вала, дейдвуда и др.

Требования Правил Регистра РФ запрещают использование насосов охлаждения двигателей для осушения трюмов или перекачки балластной воды. Разрешается использовать главные насосы для аварийного осушения машинного отделения.

Схема внешнего контура забортной охлаждающей воды представлена на рис. 1.2. Забортная вода забирается их кингстона главным насосом (поз. 36), таким же, как главный насос пресной воды, и подается последовательно в воздухоохладители главного двигателя (поз. 3), в испарительную установку, водомасляные охладители (поз. 27) и водо-водяные охладители (поз. 33), откуда сливается за борт. Забортная вода в количестве 10-15% от производительности главного насоса подается к водомасляным охладителям вспомогательных двигателей, охладителям топлива форсунок, вспомогательному конденсатору и валопроводу.

Такая схема с последовательным расположением наиболее мощных теплообменников по ходу забортной воды более эффективна, чем параллельно-последовательная схема, у которой мощные теплообменники включены параллельно по забортной воде, а водо-водяные охладители расположены за водомасляными охладителями.

При одинаковой мощности установки производительность главного насоса забортной охлаждающей воды в схеме с последовательным расположением основных потребителей приблизительно в 1,5 раза меньше, чем в схеме с параллельной раздачей. При практически одинаковом напоре насосов это обуславливает меньшую мощность привода насоса, но приблизительно в 1,4 раза большую поверхность теплообмена водо-водяных охладителей. Следствием меньшей производительности насоса является уменьшение диаметра трубопроводов (при примерно одинаковых скоростях забортной воды).

На стоянке забортная вода к водо-водяным охладителям и вспомогательным двигателям подается портовым насосом (поз. 38) забортной воды, таким же, как для пресной воды. Водомасляные охладители при этом отключены.

Предусмотрена возможность рециркуляции забортной охлаждающей воды при ее низкой температуре. Контур оборудован сигнализацией, включающейся при падении давления воды ниже допустимого.

Резервирование главных насосов осуществляется одним резервным насосом забортной и пресной воды, таким же, как главный. Резервирование портового насоса на стоянке может быть обеспечено включением либо главного насоса, либо одного из двух насосов охлаждения холодильной установки. В исключительных (аварийных) случаях имеется возможность охлаждения главных и вспомогательных двигателей забортной водой.

1.2.6 Система газовыпуска

Система газовыпуска служит для отвода продуктов сгорания от главных и вспомогательных двигателей. В ее состав входят утилизационный котел (поз. 42), газовыпускные трубопроводы, компенсаторы температурных расширений и другие элементы. Утилизационный котел одновременно выполняет функции искрогасителя и глушителя шума двигателя.

Схема системы газовыпуска определяется типом ГЭУ и назначением судна. Она предназначена для транспортировки газов, имеющих высокую температуру (150-500⁰С), обладающих токсичностью и несущих несгоревшие частицы топлива в виде искр, которые могут вызвать пожар. Это заставляет предъявлять ряд специальных требований к газовыпускным системам при их проектировании.

Согласно Правилам Регистра РФ каждый двигатель должен иметь отдельный газовыпускной трубопровод. Допускается объединение этих трубопроводов при наличии надежных устройств, отключающих неработающий двигатель.

Дымоходы (газовыпускные трубопроводы) главных двигателей изготовляют из стальных труб стандартных размеров небольшой длины (3-5 м), соединяемых между собой с помощью фланцев. Между фланцами ставят паронитовые прокладки для газонепроницаемости стыков.

Для компенсации тепловых удлинений в газовыпускной трубопровод необходимо встраивать специальный эластичный элемент - компенсатор, который не только компенсирует температурные удлинения, но и снижает уровень шума и вибрации. Применяют сальниковые и линзовые компенсаторы. Их устанавливают на длинных прямых участках труб, а также у газовыпускных коллекторов или у выпускных патрубков воздухонагнетателей.

Трубы крепят при помощи жестких опор и упругих пружинных подвесок. Места расположения опор и подвесок определяют так, чтобы масса трубопровода передавалась на корпус судна, а не воспринималась двигателем.

.2.7 Система наддува

К основным способам увеличения массового заряда воздуха относятся повышение: плотности заряда за счет возрастания давления (наддув), плотности воздуха в результате снижения его температуры (после компрессора) и коэффициента наполнения за счет продувки камеры сгорания и дозарядки цилиндра.

Первый способ (наддув) является основным и наиболее эффективным, второй и третий - дополнительными; охлаждение воздуха применяется практически во всех типах двигателей, а дозарядка - главным образом в ВОД. Наибольшее распространение в настоящее время получили системы газотурбинного наддува (ГТН), а также комбинированные системы наддува.

На данном судне для наддува двигателя применяется новый механизм - наддувочный агрегат турбообъемного типа или сокращенно ТОА (турбообъемный агрегат). Конструкция этого ТОА предложена А.Я. Альпиным и А.В. Бобровым.

В новом ТОА отсутствуют как таковые турбина и компрессор, применяемые в обычных наддувочных установках. Процессы расширения выхлопных газов (как в турбине) и сжатия воздуха (как в компрессоре) происходят в одном агрегате, но на разных дугах поворота ротора ТОА.

Совместная работа двигателя с новым ТОА осуществляется следующим образом. Отработавшие в двигателе газы поступают из выпускного коллектора в ТОА и приводят его во вращение, расширяясь на дуге расширения. Воздух, засасываемый из окружающей среды, сжимается в ТОА на дуге сжатия до требуемого давления наддува, затем охлаждается в воздухоохладителе, направляется в ресивер наддувочного воздуха и далее к впускному окну двигателя.

.3 Тепловой расчет ДВС

.3.1 Определение суммарной мощности маршевых двигателей

Ориентировочно значение эффективной мощности (Nе) можно получить при помощи обратного адмиралтейского коэффициента:

 (1)

где DB - водоизмещение судна, т.

В приближённых расчетах, пренебрегающих формулой корпуса и КПД передачи, этим выражением пользуются для оценки суммарной мощности маршевых двигателей.

Значение Ne, можно определить при помощи коэффициента энергонасыщенности:

 (2)

Примерные значения коэффициента энергонасыщенности для фрегата равны: 1,4-1,6.

Выбираем для нашего типа судна:

Находим эффективную мощность по формуле (2):=1.5·4035=6053 кВт =8232 л.с.

Сравниваем полученное значение Ne, со значением оценочной эффективной мощности по формуле (1):

По полученным данным выбираем марку маршевого двигателя.

Принимаем два дизеля 16ЧН26/26

л.с.

об/мин

Сm=8,67 м/с

/D=1

=250 л.с.

где i - число цилиндров,= 16

Габариты=3.42 м

В=1,6 м

Н=2,58 м=17050 кг- коэффициент тактности равен 0,5 для четырёхтактного двигателя.

.3.2 Процесс наполнения

Основными параметрами, характеризующими процесс наполнения, являются:

hН - коэффициент наполнения;

gГ - коэффициент остаточных газов;

Ре - давление в конце наполнения;

ТА - температура рабочей смеси;

РГ - давление остаточных газов;

ТГ - температура остаточных газов.

Расчёт процесса наполнения заключается в определении значений этих параметров. [1]

Давление в конце наполнения:

где С2 - наибольшая скорость протекания свежего заряда при открытии выпускных клапанов.

Для определения С2 необходимо знать скорость поступающего заряда C1 через живые сечения клапана:

где F - площадь поршня;- площадь сечения полностью открытых впускных клапанов.

Величина k = F/f равна для двигателей средней быстроходности 6-9.

Принимаем k = 8

С1=8,67*8=69,36 м/с

С2=1,57*69,36=108,9 м/с

Коэффициент остаточных газов для расчёта четырёхтактных двигателей с наддувом определяется по формуле:

где: Dt - повышение температуры воздуха вследствие нагрева его в системе двигателя составляет по опытным данным для четырехтактных дизелей с наддувом 5¸10 °С. Принимаем Dt = 7;

Dt1 - повышение температуры заряда в следствии сжатия в нагнетательном насосе:

где n - показатель политропы сжатия в нагнетателе. Величина показателя политропы сжатия для ротационных нагнетателей 1,5-1,7.

Принимаем n = 1,5;

Коэффициент степени сжатия e = 15.

Значение температуры ТГ остаточных газов для двигателей средней быстроходности равно 750¸800 К.

Принимаем TГ = 770 К.

При расчёте принимается давление остаточных газов РГ = 1,05¸1,06 кг/см².

Температура смеси в конце наполнения определяется по уравнению:

Коэффициент наполнения через коэффициент остаточных газов определяется следующим образом:

.3.3 Процесс сжатия

Основными параметрами, определяющими процесс сжатия, являются:

РА - давление начала сжатия;

ТА - температура начала сжатия;

e - степень сжатия;- показатель политропы сжатия;

ТC - температура конца сжатия;

РC - давление конца сжатия.

Так как процесс сжатия политропный, то величины, характеризующие начало и окончание его, связаны уравнениями:

Показатель политропы n1=1,37. Выбирается из условия, что для дизелей средней быстроходности n1=1,35¸1,4.

.3.4 Процесс сгорания

Прежде всего, необходимо определить количество воздуха, теоретически необходимого для сгорания 1кг топлива:

Отношение количества воздуха, поступившего в цилиндр, к количеству воздуха, теоретически необходимому, называется коэффициентом избытка воздуха при горении и обозначается a.

Действительное количество воздуха:

Величина a для СОД с наддувом равна 1,6¸2,2.

Принимаем a=1,5.

Мольное количество смеси воздуха и остаточных газов, находящихся в цилиндре до горения:

Количество молей продуктов сгорания:

Действительный коэффициент молекулярного изменения:

4

Количество СО2=0,144¸1

,069 - ХСО2

ХСО2=0,48=48%

Количество Н2О=0,144¸1

,075 - ХН2О

ХН2О=0,52=52%

МГ=СО2+Н2О

%=48%+52%

,06=0,028+0,032

Теплоемкости смеси газов определяют по формулам:

где ri - мольная концентрация отдельных газов:

 и  - мольные теплоемкости отдельных газов при постоянных объемах и давлениях.

Температура TZ определяется из уравнения сгорания.

Уравнение сгорания для смешанного цикла имеет вид:

где x - коэффициент использования тепла;

l - степень повышения давления.

Коэффициент использования тепла x учитывает потери тепла, связанные с догоранием части топлива в процессе расширения, теплообмен со стенками камеры сгорания, диссоциацию.

Для СОД x=0,75¸0,92.

Принимаем x = 0,9.

Для судовых среднеоборотных дизелей значение степени повышения давления l = 1,35¸1,55. Принимаем l = 1,5.

Степень предварительного расширения определяется зависимостью:

Степень последующего расширения:

По опытным данным значения r и d для цикла смешанного сгорания должны находиться в пределах r = 1,4¸1,7 и d = 8¸11.

.3.5 Процесс расширения

Основными параметрами определяющими процесс расширения, являются:- температура начала расширения;

РZ - давление начала расширения;- показатель политропы расширения;- температура конца расширения;

Рb - давление конца расширения.

Давление начала расширения равно:

Давление и температура конца расширения:

У выполненных СОД при работе на номинальных режимах показатель политропы расширения n2 =1,2¸1,3. Принимаем n2=1,3.

.3.6 Процесс выпуска

В связи с тем, что в момент открытия выпускного клапана давление в цилиндре сравнительно высокое, приходится выпускной клапан открывать с некоторым опережением, несколько ранее прихода поршня в НМТ, чтобы избежать большого противодавления на поршень и, кроме того, чтобы ускорить и улучшить очистку цилиндра от остаточных газов.

Ввиду того, что характер колебаний давления газов при выпуске не поддается точному теоретическому подсчету, в расчетах обычно вместо переменного давления используют среднее постоянное давление газов в период выпуска PГ.

Это давление выше давления в выпускной трубе .

По практическим данным можно принять:

Средняя температура отработавших газов для четырёхтактных ДВС - 350¸600°С.

1.3.7 Построение расчётной индикаторной диаграммы

Теоретическую диаграмму строят по параметрам расчетного цикла, поэтому ее называют также расчетной или проектной.

Построение диаграммы начинают с выбора масштабов Р и V.

По оси абсцисс откладывают объёмы (м³), а по оси ординат - давление (Мн/м²).

Обозначим

где А - объём в точке а, выраженный в мм.

Значения VС , VS и VZ, найдем как

Аналитический способ построения диаграммы:

Точка а - РА=0,0835 Мпа VA=29,35м³/кг ТА=328,8 К;

Точка с - РС=3,4 МПа VC=2,189 м³/кг ТС=895 К;

Точка z - PZ=4,97 МПа VZ=3,3 м³/кг ТZ=1991 K;

Точка z’ - PZ’=4,97МПа VZ’=2,189 м³/кг;

Точка b - Pb=0,256 Мпа Vb=29,35 м³/кг;

Точка b’ - Pb’=0,11 Мпа Vb’=29,35 м³/кг;

Точка r - Pr=0,11 Мпа Vr=2,189 м³/кг;

Точка r’ - Pr’=0,0832 Мпа Vr’=2,189 м³/кг.

Для нормальных соотношений длины высоты диаграмм следует принять величину VS/PZ (в масштабе) в пределах:

Далее проводят ось давлений, атмосферную линию и линию выпуска. Политропу сжатия можно построить аналитическим или графическим способом. Аналитический способ основан на использовании уравнения политропы сжатия:

отсюда

Если принятьVa=1, то

Р=Ра/Vn1

При построении диаграммы цикла смешанного сгорания положение точки z’ определяется координатами (VC; b; PZ).

Кривую расширения строят аналогично кривой сжатия.

Из уравнения политропы расширения получают:

=Va=1 ; P=Pb/Vn2

Вычислив ряд значений Рi, строим кривую политропы расширения. Далее, выбрав Рr, откладываем его в масштабе и проводим линию выпуска.

Спланиметрировав участок acz’zba диаграммы, получим ее площадь F=8525 мм², по которой найдем среднее теоретическое индикаторное давление:

Аналитически определим среднее теоретическое индикаторное давление для цикла смешанного сгорания:

Сопоставляем значения , вычисленные по формулам, приведенным ранее.

Расхождение не должно превышать 4%.

Среднее индикаторное давление с учётом поправки на полноту диаграммы:

где j=0,95¸0,98. Принимаем j=0,98.

.3.8 Параметры, характеризующие рабочий цикл

К параметрам, характеризующим действительный рабочий цикл двигателя, относятся давление в конце сжатия, давление в конце горения, среднее индикаторное давление, среднее эффективное давление РС эффективный расход топлива gе, эффективный КПД hе, а также приводятся диаметр цилиндра D и ход поршня.

Среднее эффективное давление РС найдём так:

Согласно опытным данным, механический КПД hМ при работе на

номинальной мощности для судовых четырехтактных ДВС равен 0,89¸0,91. Принимаем hМ=0,9.

Удельный индикаторный расход топлива определим следующим образом:

=0,251 кг/кВт ч

Удельный эффективный расход топлива:

Индикаторный КПД:

Эффективный КПД:

.3.9 Динамический расчет двигателя

Удельные силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме (КШМ) и отнесенные к единице площади поршня Р (Н/м²), можно подразделить на четыре группы:

удельные силы, образующиеся от давления газов на поршень PГ,

удельные силы тяжести движущихся частей РВ,

удельные силы инерции поступательно движущихся частей In,

удельные силы трения в механизме двигателя РT.

Давление газов на поршень РГ - величина переменная и при любом положении мотыля может быть определена по развернутой индикаторной диаграмме.

Силу тяжести РВ можем определить по формуле:

где т - масса поступательно движущихся частей (определяется по опытным данным);- площадь поршня.

Удельные силы инерции поступательно движущихся масс определяют как произведение удельной массы поступательно движущихся частей, отнесенной к единице пощади поршня mn (кг/м²) на их ускорение а (м/с²).

Удельные значения массы поступательно движущихся частей для предварительных расчетов mn = (800¸1000), принимаем mn=900 кг/см². [3]

При построении диаграммы движущих усилий в качестве оси абсцисс принимают атмосферную линию и строят развернутую индикаторную диаграмму.

Вниз от атмосферной линии откладывают удельную силу тяжести движущихся частей и проводят пунктирную линию.

Вычислив по формуле ряд значений In, откладывают их от пунктирной линии с сохранением направления, то есть при направлении силы удельной инерции вверх, ординату In также откладывают вверх, и наоборот. Соединив концы ординат, получим кривую сил инерции.

С достаточной степенью точности кривую удельных сил инерции можно построить по способу Толле, для чего следует отложить расстояние АВ в масштабе абсцисс развернутой индикаторной диаграммы, а затем из точки А в масштабе ординат развернутой диаграммы отложить удельную силу инерции в ВМТ (верхней мертвой точке) Ino равную:

где: R - радиус мотыля;

Величина l находится в пределах 1/3,5¸1/5,5. Принимаем l=1/4.

Средняя угловая скорость вращения коленчатого вала w равна:

где n - число оборотов в минуту, 1000 об/мин.

В том же масштабе из точки В вниз откладывают удельную силу инерции в НМТ:

Точки С и D соединяют прямой. Из точки пересечения CD с АВ откладывают вниз в принятом масштабе ординат величину EF, равную ВD.

Точку F соединяют прямыми с точками С и D. Линии CF и FD делят на одинаковое число равных частей и соединяют точки одного и того же номера прямыми. Через точки С и D по касательным и прямым, соединяющим одинаковые номера, проводят главную огибающую линию, которая и будет кривой удельных сил инерции.

.3.10 Диаграмма касательных усилий

Удельная сила, действующая на 1 м² площади поршня, будет равна соответствующей ординате из диаграммы движущих сил, умноженной на масштаб ординат.

Удельную силу Р раскладывают на две составляющие - нормальную РН и по оси шатуна РШ:

Удельную силу, действующую по оси шатуна, так же раскладывают на две составляющие: радиальную РР и касательную РК:

Объединив эти формулы получим:

Значение величины  для различных углов поворота мотыля a и отношений R/L=l представлены в таблице 1.

Таблица 1

При построении диаграммы касательных усилий по оси абсцисс откладывают углы поворота радиуса мотыля, а по оси ординат значения РK, соответствующим этим углам.

Отрезок, равный основанию диаграммы движущих усилий, разбивают на участки по 15°. Для учета поправки Брикса берут отрезок АВ, равный одному ходу поршня в масштабе чертежа развернутой индикаторной диаграммы. Проводят полуокружность радиусом R=0,13м и вправо от центра О откладывают поправку Брикса:

где L - длина шатуна:

Рисунок 1 - К аналитическому определению касательных усилий

Из точки О' через каждые 15° проводят прямые до пересечения с полуокружностью. Спроецировав полученные точки пересечения на основание АВ, получим различные положения поршня с учетом влияния конечной длины шатуна, которые наносим на диаграмму движущих усилий. Для участков сжатия и выпуска величину ОO' откладывают влево от ВМТ.

Далее снимают с диаграммы движущих усилий величины Р для 15°, 30°, 45° и т.д.

Затем, вычисляют значения РК и откладывают их в масштабе по вертикали на отрезке оси ОХ из точек, соответствующих тем же углам поворота радиуса мотыля.

Ординату наивысшей точки диаграммы, соответствующей концу горения, определяют следующим образом. Из точки Z опускают перпендикуляр на ось абсцисс, который продолжают до пересечения с полуокружностью. Затем полученную точку соединяют с центром О' и измеряют угол a1. Далее значение РК для угла a1 определяют обычным способом. Для дизелей наибольшее значение PК достигает при a1=18¸26° за ВМТ.

Соединив концы отмеченных ординат плавной кривой, получим диаграмму удельных касательных усилий. Знак удельной силы РК считается положительным, если направление РК совпадает с направлением движения поршня, и отрицательным, если РК направлена в сторону, противоположную его перемещению. При положительном значении РК силы, действующие в механизме, будут являться движущими, а при отрицательном - силами сопротивления.

Площадь диаграммы удельных касательных усилий есть величина, пропорциональная работе касательной силы за один цикл. Силы инерции изменяют только форму диаграммы, а площадь ее остается неизменной, так как работа этих сил за полный цикл равна нулю.

.3.11 Суммарная диаграмма касательных усилий

Изменение касательного усилия всего двигателя представляется суммарной диаграммой касательных усилий, которая для всех цилиндров может быть построена путем суммирования ординат кривых касательных усилий от всех цилиндров, сдвинутых по отношению друг к другу на угол a0 - угол поворота радиуса мотыля между двумя последовательными вспышками.

Угол a0 из условия равномерности вращения коленчатого вала принимается для четырёхтактных двигателей равным 720^о/i.

Для построения суммарной диаграммы основание диаграммы касательных усилий делят на участки, соответствующие углу оборота мотыля между двумя последовательными вспышками.

Далее каждый участок делят на одинаковое число равных отрезков и нумеруют их.

Ординаты кривой, соответствующие одним и тем же номерам точек, графически суммируют, в результате чего находят ординаты суммарной кривой касательных усилий.

Соединив концы ординат, получим кривую одного участка. На остальных участках кривая будет повторяться.

На суммарную диаграмму касательных усилий наносят линию сопротивления приводимого в действие агрегата (гребной винт, электрогенератор). Постоянная удельная сила сопротивления tС находится из уравнения:

Значение tC можно найти так же, как отношение разности положительных и отрицательных площадок суммарной диаграммы касательных усилий рабочих цилиндров к длине диаграммы.

.3.12 Определение махового момента и главных размеров маховика

Из диаграммы касательных усилий видно, что в каждый момент прохождения цикла суммарное значение касательного усилия будет изменяться как по величине, так и по направлению. Следовательно и вызванный этим усилием крутящий момент так же не останется постоянным. Это означает, что коленчатый вал вращается неравномерно.

Неравномерности вращения характеризуются степенью неравномерности:

где wmax - максимальная угловая скорость за цикл, с-1;

wmin - минимальная угловая скорость за цикл, с-1;

wcp - средняя угловая скорость, равная:

Рекомендуемые значения степенью неравномерности при номинальном режиме работы двигателей лежат в следующих пределах d=(1/100...1/300). Принимаем d=1/300.

Вес и размеры маховика можно определить из выражения махового момента двигателя:

- масса маховика, кг;- диаметр окружности, проходящий через центр тяжести маховика;М - момент инерции вращения маховика.

=16,9-2,58=14,3 кг м2

где J - момент инерции массы всех вращающихся частей шатунно-мотылевого механизма, приведенный к шейке мотыля;ДВ - момент инерции массы движущихся частей двигателя.

Значение J может быть определено из выражения:

 кг/м²

Момент инерции массы движущихся частей двигателя оценивается следующим образом:

=0,2·764·0,132=2,58 кг/м²

где Мп=mn·F·i=764 кг/м²- радиус мотыля.

Диаметр DМ определяется из уравнения:

=2,8·0,26=0,76 м

Диаметр должен быть выбран из расчета, чтобы окружная скорость на внешней окружности обода чугунного маховика не превышала 25-30 м/с, а стального - 40¸45 м/с.

=44 м/с

Масса маховика

 кг

Масса обода:

кг

Полная масса маховика:

=150 кг

1.3.13 Определение уравновешенности ДВС

Под внешней неуравновешенностью ДВС понимается наличие в нем периодических сил или моментов сил, передающихся на фундамент. Причиной внешней неуравновешенности ДВС являются силы инерции приведенных поступательно движущихся масс (ПДМ) и неуравновешенных вращающихся масс КШМ всех цилиндров, а также опрокидывающие моменты (определяется характером диаграммы суммарных тангенциальных сил).

Порядок аналитического способа расчета уравновешенности ДВС

следующий:

. Строится в произвольном масштабе схема вала, определяется центр тяжести ДВС и расстояния от центра тяжести до осей всех цилиндров. Обозначим условно массу одного цилиндра за 1. Координату центра масс Х можно определить из уравнения

=7.5H

. Принимается величина условной центробежной силы РУ=1 Н.

. Находятся углы развала мотылей j для всех цилиндров ДВС при положении мотыля первого цилиндра в ВМТ.

. Строится схема мотылей, и каждый мотыль нагружается условной центробежной силой РУ=1 Н.

. Определяются силы инерции 1-го порядка, как составляющие условных центробежных сил инерции:

·   в вертикальной плоскости

·   в горизонтальной плоскости

б. Определяется момент сил инерции относительно центра тяжести двигателя в вертикальной и горизонтальной плоскостях:

где РУ - условная центробежная сила;

j - угол развала мотылей;- расстояние от центра тяжести двигателя до оси соответствующего цилиндра.

Принято, что величина h имеет знак плюс, если расположена слева относительно центра тяжести, и знак минус, если расположена справа относительно центра тяжести. Знак момента определяется знаком h.

. Находятся неуравновешенные силы и моменты сил инерции как алгебраическая сумма сил и моментов сил инерции всех цилиндров. Результаты сводятся в таблицу

Затем определяется:

Положение вектора моментов на диаграмме мотылей относительно мотыля первого цилиндра, расположенного в ВМТ, определяется углом j1 из выражения:

. Аналогично определяются неуравновешенные силы инерции и моменты сил инерции 2-го порядка:

·   строится схема мотылей 2-го порядка

-определяются угол 2j, силы инерции 2-го порядка и моменты сил инерции 2-го порядка;

·   данные расчетов заносятся в таблицу

·   определяются:

. Определяются неуравновешенные силы и моменты от системы сил вращающихся масс. Неуравновешенные силы и моменты сил инерции определяются при положении мотыля в ВМТ. Методика определения аналогична методике определения неуравновешенных сил и моментов инерции 1-го порядка. Строится схема мотыля 1-го порядка, определяются углы j. Каждый мотыль нагружается условной центробежной силой РУ=1 Н, которая переносится в точку О на оси коленчатого вала и каждая из перенесенных сил раскладывается на две составляющие, которые находятся по уравнениям:

Неуравновешенный момент в вертикальной и горизонтальной плоскостях находится по зависимостям:

горизонтальной плоскостях находится по зависимостям:

Результаты расчетов заносятся в таблицу максимально неуравновешенный момент равен:

=0

=0

1.4 Состав и расположение энергетической установки

Энергетическая установка размещена в трех смежных отсеках:

- отделении вспомогательных механизмов;

носовом машинном отделении;

кормовом машинном отделении.

Расположение основного оборудования в отделении вспомогательных механизмов, в носовом машинном отделении и кормовом машинном отделении показано на рисунке 2.

Каждое машинное отделение и отделение вспомогательных механизмов имеет один главный и один запасной вход и выход.

Для обслуживания механизмов и аппаратов в машинных отделениях и в отделении вспомогательных механизмов предусмотрены площадки, настилы, переходные трапы и ограждения.

Главная энергетическая установка с маршевыми и форсажными двигателями, двухвальная, с винтами фиксированного шага, работающая по схеме CODAG.

На каждую линию вала работает один маршевый и один форсажный двигатель своего борта вместе или по раздельности:

- маршевый дизельный двигатель - через двухскоростной нереверсивный редуктор и звукоизолирующую муфту;

форсажный газотурбинный двигатель - через односкоростной нереверсивный редуктор и шинно-пневматическую муфту.

Предусмотрена возможность работы одним из маршевых двигателей на обе линии вала.

На каждом из маршевых редукторов установлено валоповоротное устройство для проворачивания линии вала своего борта.

На каждом из форсажных редукторов установлено устройство для стопорения линии вала своего борта.

Состав и схема компоновки главной энергетической установки показаны на рисунке 2.

Рисунок 2 - Состав и схема компоновки главного газотурбинного агрегата

- Маршевый дизельный двигатель

- Фрикционно-кулачковая муфта (двигатель-редуктор)

- Фрикционно-кулачковая муфта (редуктор-приставка)

- Маршевый редуктор

- Маршевая редукторная приставка

- Звукоизолирующая муфта

- Форсажный газотурбинный двигатель

- Форсажный редуктор

- Шинно-пневматическая муфта

В состав ГЭУ входят:

- маршевая часть, включающая два маршевых двигателя (1), два маршевых редуктора (4) и маршевую редукторную приставку (5);

форсажная часть, включающая два форсажных реверсивных двигателя (7), два односкоростных редуктора (8) и две шинно-пневматические муфты (9);

локальные системы автоматического управления, защиты, регулирования и контроля.

Маршевые двигатели (1) подключены к своим редукторам (4) фрикционно-кулачковыми муфтами (2). Между форсажными двигателями (7) и их редукторами (8) разобщительных муфт нет.

Линия вала каждого борта проходит через расточку большого колеса форсажного редуктора и соединена с маршевым редуктором звукоизолирующей муфтой (6).

При наполнении сжатым воздухом воздушных баллонов шинно-пневматических муфт (9) форсажные редукторы подключаются к валопроводу.

При опорожненных баллонах шинно-пневматических муфт валопровод и форсажные редукторы друг с другом не связаны.

Помимо маршевых и форсажных редукторов в состав ГЭУ входит маршевая редукторная приставка (5), подключаемая к маршевым редукторам фрикционно-кулачковыми муфтами (3).

При включенных фрикционно-кулачковых муфтах (3) любой маршевый двигатель может работать на оба гребных винта, чем обеспечивается повышенная экономичность установки. Неработающий маршевый двигатель при этом отключается от редуктора своей фрикционно-кулачковой муфтой (2), а форсажные редукторы отсоединяются от валопровода шинно-пневматическими муфтами (9).

2. Специальная часть

.1 Задачи системы кондиционирования воздуха

Основная задача мобильной установки кондиционирования воздуха - создание комфортного микроклимата в жилых и служебных помещениях судна при неработающих, по тем или иным причинам, штатных системах кондиционирования и вентиляции. Под микроклиматом понимают совокупность физико-химических свойств воздушной среды и тепловых излучений в помещениях.

На судах колебания содержания кислорода в воздухе помещений незначительны и практически не влияют на самочувствие людей. Загрязнение воздуха пылью, дымом и другими вредными веществами, а также поступление тепла (холода), вызывающее изменение физических параметров воздуха (температуры и относительной влажности), оказывают неблагоприятное воздействие на человека. Воздух, подаваемый в помещения системой кондиционирования, должен ассимилировать эти вредные примеси, причем количество и параметры воздуха должны обеспечивать ассимиляцию преобладающей вредности.

Содержание углекислого газа в воздухе в небольших количествах практически безвредно для человека. Однако одновременно с выделением СО2 через дыхательные органы человека выделяются аммиак, сероводород и т. п. Вследствие длительного пребывания людей в закрытых помещениях появляются также запахи человеческого тела, табачного дыма, приготовляемой пищи. Из-за невозможности точного определения вредных выделений людьми принимается, что все загрязнения воздуха человеком пропорциональны выделениям углекислоты, и расчет количества наружного воздуха, подаваемого в помещения, производится по некоторой допустимой норме ее концентрации. Это количество воздуха является минимальным, обеспечивающим необходимый химический состав воздуха в помещениях, и подача его, как правило, не вызывает затруднений.

Значительно сложнее обеспечить в судовых помещениях определенное сочетание физических параметров воздуха - температуры и относительной влажности, - которые вместе с подвижностью воздуха и температурой ограждений характеризуют метеорологические условия в помещении.[9]

Теплообмен организма человека с окружающей средой происходит в основном тремя путями: конвекцией, излучением и испарением влаги с поверхности кожи. Количество тепла, выделяемого человеком, непостоянно и зависит от возраста, физической нагрузки, параметров окружающей среды и т.д.

Человек чувствует себя хорошо, когда в установившемся режиме организм отдает столько тепла и влаги в окружающую среду, сколько вырабатывает. Нарушение тепловлажностного равновесия между человеком и окружающей средой приводит к переохлаждению или перегреву тела. При этих условиях организм человека становится более восприимчивым к заболеваниям. Нарушение функций организма лучше всего восстанавливается при температуре воздуха 25°С, относительной его влажности 45-65% и скорости движения 0,2-0,4 м/сек.

Интенсивность передачи тепла конвекцией и излучением зависит от перепада температур между поверхностью тела человека и окружающей средой, включая внутренние ограждения помещений. С повышением температуры окружающей среды этот перепад температур уменьшается, а следовательно, уменьшается и количество тепла, отводимого от тела человека конвекцией и излучением. Тепло, отводимое от человека этим путем, называется сухим, или явным qявн.

Если температура воздуха равна или выше температуры тела человека, то отвод тепла происходит только путем испарения влаги с поверхности кожи при относительной влажности менее 100% и с выдыхаемым воздухом. Тепло, отводимое от человека, путем испарения, называется влажным, или скрытым, qскр.

На рис. 2.1 показано изменение количества ощутимого и скрытого тепла, отводимого от человека, находящегося в спокойном состоянии, в зависимости от температуры окружающего воздуха. Из графика видно, что при температуре воздуха ниже 15°С теплоотдача испарением играет незначительную роль. При температуре выше 28°С основная часть тепла отводится путем испарения. При этом существенное значение будет иметь степень подвижности воздуха.

Рис. 2.1. График изменения количества ощутимого и скрытого тепла, отводимого от человека, в зависимости от температуры окружающего воздуха.

При увеличении физической нагрузки на человека происходит перераспределение статей теплового баланса в сторону увеличения доли тепла, отводимого с испарением влаги. На судах, плавающих в южных и тропических районах, температура в жилых помещениях часто превышает температуру тела человека. В этих широтах атмосферный воздух обычно высокой влажности, что ухудшает отвод тепла от тела человека испарением. Все это приводит к снижению работоспособности, появлению чувства подавленности и т.д.

Таким образом, для создания микроклимата требуемых параметров система кондиционирования воздуха должна обеспечивать:

. Подачу в помещение воздуха в количестве, необходимом для ассимиляции вредных примесей.

. Очистку подаваемого в помещение воздуха от пыли, дыма и других загрязнений.

. Охлаждение и осушение или подогрев и увлажнение подаваемого воздуха для поддержания в помещении заданной температуры и относительной влажности.

. Необходимую подвижность воздуха в обитаемой зоне помещения.

Системой комфортного кондиционирования воздуха называется комплекс средств и устройств, обеспечивающих создание и поддержание в судовых помещениях микроклимата заданной кондиции при различных параметрах наружной среды и внутренних тепло- и влаговыделениях.

.2 Выбор оптимальной системы кондиционирования

Системы кондиционирования воздуха можно классифицировать по следующим основным признакам:

1. Сезонности работы (сезонные, круглогодичные).

. Назначению (комфортные и технологические).

. Месту получения холода и тепла и месту обработки воздуха:

а) центральные - производство холода (тепла) и обработка всего количества вентилирующего воздуха централизованы (рис. 2.2, а); центральные системы применяются для обслуживания нескольких одинаковых по тепловлажностному режиму помещений (на судах может быть установлено несколько центральных систем кондиционирования воздуха);

б) местные - централизовано только производство холода и тепла, а воздух обрабатывается в каждом помещении отдельно или в одном месте - для небольшой группы смежных помещений (рис. 2.2, б); хладоноситель и теплоноситель от центральной установки подаются по трубопроводам к местным кондиционерам;

в) местно-центральные - производство холода и тепла централизовано, а обработка воздуха осуществляется частично в центральном кондиционере, где обычно обрабатывается свежий воздух, и в местных эжекционных кондиционерах, где обрабатывается рециркуляционный воздух (рис. 2.2, в);

г) групповые, отличающиеся от местных только тем, что обработка воздуха осуществляется в групповых кондиционерах, обслуживающих большие группы смежных и несмежных помещений (рис. 2.2, г);

д) местно-групповые - предварительная обработка свежего (или свежего с рециркулируемым) воздуха производится в групповом кондиционере, а доведение его параметров до требуемых значений осуществляется в местных кондиционерах (рис. 2.2, д); хладоносители и теплоносители обрабатываются в центральной установке и подаются к соответствующим кондиционерам;

е) автономные - производство холода (тепла) и обработка воздуха осуществляются в отдельных автономных кондиционерах, располагаемых непосредственно в кондиционируемых помещениях (рис. 2.2, е); применяются также групповые автономные кондиционеры, обслуживающие несколько близлежащих судовых помещений.

Рисунок 2.2- Принципиальные схемы систем кондиционирования воздуха

Классификации по месту получения холода (тепла) и способу обработки воздуха: а - центральные; б - местные; в - местно-центральные; г - групповые; д - местно-групповые; е - автономные.

- холодильная машина; 2 - центральный кондиционер; 3 - местный кондиционер; 4 - групповой кондиционер; 5 - автономный кондиционер.

Системы кондиционирования воздуха можно классифицировать только по месту обработки воздуха. В этом случае они будут подразделяться на следующие:

центральные - обработка всего вентилирующего воздуха для ряда помещений осуществляется в центральном или групповом кондиционерах;

местные или автономные - воздух обрабатывается в небольших местных кондиционерах, размещаемых в самих помещениях;

местно-центральные - осуществляется двухступенчатая обработка воздуха сначала в центральном, а затем в местном кондиционере.

При такой классификации указанные выше групповые системы будут относиться к центральным, автономные - к местным и местно-групповые - к местно-центральным.

В практике кондиционирования системы часто классифицируют по давлению, создаваемому вентилятором, и подразделяют на низконапорные и высоконапорные. К низконапорным относят системы со скоростями движения воздуха в воздуховодах менее 15 м/сек, а к высоконапорным - с более высокими скоростями.

Напор, развиваемый вентилятором, зависит не только от скорости движения воздуха, но и от требуемой величины давления перед воздухораспределительным устройством, конструкции и длины воздуховодов. Величина давления перед воздухораспределителем зависит от его конструкции (с эжектированием или без него). Поэтому правильнее классифицировать системы по скорости движения воздуха и наличию эжекционных устройств в воздухораспределителях.

. По скорости движения воздуха в воздуховодах системы кондиционирования подразделяются на низкоскоростные (скорость воздуха в магистральных воздуховодах составляет 15-17 м/с, в отводах 6-8 м/с), среднескоростные (соответственно 17-22 и 8-12 м/с) и высокоскоростные (22-30 и 12-20 м/с). [6, стр. 146].

Основное конструктивное преимущество высокоскоростных систем по сравнению с низкоскоростными - меньшее сечение воздуховодов. Однако с повышением скорости возрастают гидравлические сопротивления, в связи с чем увеличиваются затраты мощности на привод вентилятора и значительно нагревается воздух (на 4-7С⁰). Последнее обусловливает увеличение требуемой холодопроизводительности системы. Высокоскоростные системы при скоростях около 20 м/сек имеют повышенный уровень шума. [9, стр. 9]

. По числу магистральных воздуховодов системы кондиционирования подразделяются на одноканальные, двухканальные и бесканальные. В одноканальных системах весь воздух в кондиционерах обрабатывается до заданных параметров и поступает в обслуживаемые помещения по одному каналу. В двухканальных воздух подается в помещение по двум параллельным воздуховодам. Параметры воздуха в каждом канале имеют свои заданные значения. В помещениях воздух смешивается в необходимых количествах, в результате чего обеспечиваются его требуемые параметры. Бесканальные системы применяются при установке в помещениях местных или автономных кондиционеров.

. По составу обрабатываемого в центральном кондиционере воздуха системы подразделяются на:

а) прямоточные - тепловлажностной обработке подвергается только наружный воздух;

б) рециркуляционные - обрабатывается смесь наружного воздуха и воздуха из помещений.

Кроме центрального кондиционера, рециркуляция воздуха может осуществляться также в специальных эжекционных воздухораспределителях, установленных в судовых помещениях.

. По способу индивидуального регулирования температуры воздуха в обитаемых помещениях различают системы кондиционирования с регулированием:

а) количества подаваемого воздуха;

б) температуры подаваемого воздуха;

в) количества и температуры подаваемого воздуха одновременно.

Возможность индивидуального регулирования параметров воздуха в помещениях в соответствии с условиями эксплуатации помещений и индивидуальными физиологическими особенностями пассажиров и членов команды - одно из основных условий обеспечения заданного уровня комфорта.

Выбор того или иного метода индивидуального регулирования обусловливается возможностью поддержания заданных температур во всех помещениях при их различной тепловой нагрузке.

. По типу холодильных машин различают системы кондиционирования воздуха с машинами:

а) парокомпрессорными (парокомпрессионными);

б) воздушными;

в) пароэжекторными;

г) абсорбционными;

д) термоэлектрическими.

В зависимости от вида энергии, используемой в холодильных машинах, различают машины, потребляющие механическую и тепловую энергию. К машинам, потребляющим механическую энергию, относятся парокомпрессорные и воздушные. Остальные машины потребляют тепловую энергию.

Для целей кондиционирования воздуха в отечественном судостроении применяются исключительно парокомпрессорные холодильные машины, потребляющие дорогостоящую механическую энергию. Несмотря на то, что наиболее доступным и дешевым видом энергии на судах является бросовое тепло от главных двигателей, использование его для холодильных машин еще не получило широкого распространения в судовой практике.

. По роду применяемого агента различают системы кондиционирования:

а) с рассольным охлаждением (т.е. охлаждением с помощью промежуточного хладоносителя);

б) с непосредственным охлаждением.

В первом случае хладоносителями в системе служат вода или водные растворы солей, называемые рассолом. Во втором - специальные жидкости (хладагенты), которые испаряются непосредственно в воздухоохладителях.

Поскольку окончательно установившейся классификации систем кондиционирования воздуха пока еще нет, в ее основу могут быть положены также и другие признаки, здесь не рассмотренные.

В данной работе в основу положена классификация систем кондиционирования по сезонности работы, месту обработки воздуха, скорости его движения, степени регулирования параметров воздуха, количеству магистральных воздуховодов и составу воздуха, обрабатываемого в центральном кондиционере.

На рис. 2.3 приведена схема классификации систем кондиционирования воздуха, в соответствии с которой можно определить наименование системы кондиционирования в нашем случае.

Рисунок 2.3 - Классификация схем кондиционирования воздуха

Из анализа вышерассмотренного материала можно сделать следующие выводы:

. В каютах и других небольших судовых помещениях, обслуживаемых групповыми или центральными кондиционерами, удовлетворительное поддержание температурного режима может быть обеспечено только при индивидуальном регулировании параметров подаваемого воздуха.

. Индивидуальное регулирование температуры в помещениях может осуществляться одним из следующих методов:

а) изменением количества подаваемого воздуха;

б) одновременным изменением температуры и количества подаваемого воздуха;

в) изменением температуры подаваемого воздуха.

Регулирование температуры в помещении изменением количества подаваемого воздуха может привести к подаче свежего воздуха ниже санитарной нормы. Кроме того, при этом методе регулирования могут быть нарушены параметры воздуха в других помещениях. Поэтому регулирование температуры воздуха в помещениях изменением температуры подаваемого воздуха - наиболее удобный способ. В этом случае температуру подаваемого воздуха можно изменять его охлаждением в концевых теплообменниках. При охлаждении воздуха в доводочных кондиционерах необходимо применять рассольное охлаждение, что увеличивает вес, габариты, мощность и стоимость системы кондиционирования. В этом случае, необходимо изолировать трубопроводы во избежание выпадения конденсата на них и для уменьшения тепловых потерь. А также необходимо применять шпигаты, элиминаторы для отвода сконденсированной влаги, конденсирующейся при охлаждении воздуха в охладителях. [6, стр. 183]

Один из основных факторов, определяющих качество системы - способ воздухораспределения. Правильный выбор типа и моста расположения воздухораспределителя, а также соответствующий перепад температур обеспечивают хорошее самочувствие людей. Благодаря рациональному выбору воздухораспределения обеспечивается оптимальный перепад температур между воздухом в помещении и приточным и соответственно уменьшается количество подаваемого воздуха.

Когда судно стоит на ремонте, его судовая энергетическая установка, камбуз и другие объекты, выделяющие тепло не работают, основными источниками тепло- и влаговыделений являются теплообмен с воздухом и водой через борт судна, люди, кабельные трассы и лампы ремонтного освещения. Так что помещения на судне являются близкими по теплововлажностному балансу. Следовательно для нашей системы применима центрально-местная система кондиционирования воздуха.

Охлаждение воздуха в центральных системах кондиционирования целесообразно осуществлять в воздухоохладителях непосредственного охлаждения, что упрощает, облегчает и удешевляет холодильную установку и сокращает расходы электроэнергии.

Однако в нашем случае оправдано применение рассольного охлаждения, так как прокладка магистральных воздуховодов на большое расстояние представляет значительные трудности, а разместить центральные кондиционеры с отдельными холодильными машинами непосредственного охлаждения вблизи обслуживаемых помещений невозможно из-за отсутствия места. Следовательно необходима транспортировка хладоносителя на значительное расстояние (в центрально-местных системах). В этом случае хладоноситель, охлаждаемый в центральной холодильной установке, подается к воздухоохладителям с рассольным охлаждением, расположенным в обслуживаемых помещениях.

Центральные кондиционеры в большинстве случаев размещают вблизи обслуживаемых помещений. Одним центральным кондиционером обслуживаются помещения, близкие по тепловлажностному балансу.

Выбор скорости воздуха в магистральных воздуховодах определяется возможностями их размещения на судне. Однако не следует стремиться к предельному увеличению скорости воздуха (30-40 м/сек), так как это приводит к увеличению потери напора в воздуховодах, росту мощности вентиляторов и холодильной машины и значительному увеличению шумности системы. На судах небольшого водоизмещения, где разместить двухканальную систему затруднительно, следует применять центрально-местную среднескоростную систему, в которой в качестве концевых охладителей воздуха выступают локальные поверхностные воздухоохладители.

Как показывает анализ существующих систем кондиционирования воздуха, их энерговооруженность и расход холода на одного человека соответственно составляют: для центральных одноканальных низкоскоростных 1000-2500 ккал/ч (0,5-1,2 кВт); для центрально-местных одноканальных высокоскоростных 2000-3200 ккал/ч (1,4-1,6 кВт); для центральных двухканальных высокоскоростных 1700-3000 ккал/ч (1,3-1,8 кВт). Меньшие значения этих показателей, очевидно, могут быть приняты за основу при проектировании систем комфортного кондиционирования воздуха. [9, стр. 43]

Холодильные установки - агрегаты для поддержания в охлажденном объекте температуры ниже температуры окружающей среды. Например, они служат для создания пониженной температуры в системах кондиционирования.

Судовые холодильные установки классифицируют по принципу действия на паровые, газовые и термоэлектрические.

Паровые холодильные установки - установки, в которых охлаждающий эффект достигается главным образом за счет парообразования рабочего тела - хладагента в процессе его кипения при низких температурах.

В газовых (воздушных) холодильных установках эффект охлаждения достигается путем расширения предварительно сжатого в компрессоре газа (воздуха). В этих установках хладагент в процессе совершения цикла не меняет своего агрегатного состояния.

Термоэлектрические холодильные установки - установки, принцип действия которых основан на том, что в спаях разнородных полупроводников под влиянием проходящего через них электрического тока возникает разность температур. Эти установки используются в основном в качестве рефрижераторных холодильных установок и установок автономных кондиционеров.

По способу сжатия хладагента судовые паровые холодильные установки делят на компрессорные, пароэжекторные и абсорбционные.

В компрессорных холодильных установках пары хладагента сжимаются с помощью компрессора.

В пароэжекторных установках пары хладагента сжимаются с помощью парового эжектора.

В абсорбционных холодильных установках пары хладагента сжимаются в так называемом термохимическом компрессоре. В качестве хладагента в них используется вода, а в качестве абсорбента (поглотителя паров хладагента) - бромистый литий. Пары хладагента в абсорбере поглощаются крепким раствором бромистого лития в воде (всасывание компрессора) и выпариваются из слабого раствора в генераторе (нагнетание компрессора). Абсорбер, насос и генератор образуют термохимический компрессор.

По применяемому в качестве хладагента веществу различают компрессорные установки: (фреоновые, воздушные и аммиачные), пароэжекторные холодильные установки (водяные или пароводяные и фреоновые), абсорбционные (бромистолитиевые и водоаммиачные).

По назначению судовые холодильные установки делят на установки системы кондиционирования воздуха, рефрижераторные установки, установки технического кондиционирования.

Холодильные установки системы кондиционирования воздуха подразделяют на установки, обслуживающие центральные, групповые, местные и автономные кондиционеры. Установки, обслуживающие центральные и групповые кондиционеры, предназначены для охлаждения воздушной среды большой (в масштабе судна) группы помещений или помещений всего корабля в целом. К таким установкам относятся пароводяные эжекторные, бромистолитиевые абсорбционные и компрессорные фреоновые холодильные установки большой холодопроизводительности. Установки, обслуживающие местные и автономные кондиционеры, предназначены для охлаждения воздушной среды одного или нескольких корабельных помещений. К таким установкам относятся фреоновые компрессорные или термоэлектрические установки малой холодопроизводительности.

Системы кондиционирования воздуха (СКВ) на базе воздушных турбокомпрессорных холодильных машин ВТКХМ имеют некоторые преимущества по сравнению с другими системами, благодаря которым они перспективны в тех случаях, когда энергозатраты не являются определяющим фактором. Основной недостаток этих систем кондиционирования - повышенные энергозатраты, трудность подбора безредукторного привода компрессора на 10-100 тыс. об/мин и шумность.

Парокомпрессорная холодильная машина (ПКХМ) отличается высокой экономичностью (действительный холодильный коэффициент малых машин Qo≤15 кВт и средних Qo=15-120 кВт при tс= -30-0°С и tк= 40-30°С составляет εе=1,8-4,7), малыми габаритами и компактностью в сравнении с другими холодильными машинами.

Тепловой коэффициент водоаммиачных, фреоновых и судовых бромисто-литиевых абсорбционных машин в режиме кондиционирования составляет приблизительно 0,4-0,5. Однако в бромисто-литиевых машинах наблюдается существенный недостаток- это необходимость поддержания глубокого вакуума в испарителе и адсорбере, и умеренного вакуума в генераторе и конденсаторе, так как хладагентом в этих машинах служит вода.

Общий недостаток адсорбционных холодильных машин, в отличие от ПКХМ, - наличие большого числа теплообменных аппаратов с повышенными тепловыми нагрузками, а следовательно, - большие масса и габариты этих машин.

Водяная эжекторная холодильная машина ВЭХМ выгодно отличается от других машин простотой конструкции, надежностью в эксплуатации, относительно низкой стоимостью и тем, что в качестве рабочего тела в них используется вода. Но они имеют низкую эффективность, большую массу и габаритные размеры вследствие больших тепловых нагрузок на аппараты и объемов водяного пара. Необходимость поддержания глубокого вакуума в испарителе и в конденсаторе также является существенным недостатком ВЭХМ.

Компоновка современных ВЭХМ обеспечивает некоторое уменьшение их габаритов за счет совмещения в одном блоке, например, испарителя и эжекторов и взаимного расположения испарителей и конденсаторов.

Фреоновые эжекторные холодильные машины ФЭХМ, обладая всеми достоинствами ВЭХМ (за исключением того, что хладон все же менее удобное рабочее тело, чем вода: дороже, более текучий), выгодно отличаются от водяных отсутствием вакуума, возможностью получения низких температур, большей простотой и компактностью, более высокой экономичностью работы.

Фреоновый парогенератор обогревается водяным паром или отходящими от двигателя газами, водой и т.п.

Эффективность работы ФЭХМ зависит от режима работы и от свойств хладона, применяемого в качестве рабочего тела. Также можно увеличить эффективность машины введением в схему ФЭХМ пароперегревателя и регенеративного теплообменника. Еще большей эффективности можно добиться введением двойной регенерации. Теплообменник РТО, устанавливаемый на "всасе" эжектора, обеспечивает переохлаждение конденсата перед регулирующим клапаном и, следовательно, увеличение холодопроизводительности машины.

Наиболее существенный недостаток турбокомпрессорной холодильной машины ТКХМ - относительная и, следовательно, повышенная стоимость турбоагрегата. Это в значительной степени связано с высоко скоростными опорными узлами, которые должны обеспечивать надежную работу ротора компрессора при частотах его вращения n=20000-60000об/мин.

Большой плюс такой машины заключается в малых габаритах и массе.

В мобильной установке используется парокомпрессорная холодильная машина - как наиболее оптимальный вариант.

Электровентиляторы и основное оборудование (теплообменные аппараты и регулировочная арматура) на судах устанавливают преимущественно в специальных выгородках, называемых вентиляторными. Очень часто эти выгородки служат для совместного размещения оборудования общесудовой вентиляции и системы кондиционирования воздуха. Вентиляторные могут быть автономными и централизованными. Автономные вентиляторные располагаются вблизи обслуживаемых помещений, имеют небольшую площадь и предназначены для вентиляторов, обслуживающих одно или несколько однородных помещений. Централизованные вентиляторные служат для размещения большого количества оборудования нескольких вентиляционных систем, обслуживающих большое количество помещений, иногда нескольких отсеков. Вентагрегаты использованные в схеме мобильной установки установлены на тамбур-шлюзах (приточный установлен на носовом, вытяжной - на кормовом). Они прогоняют воздух через все судно, следовательно система вентиляции, используемая в МУКВ считается централизованной. Как автономные, так и централизованные вентиляторные имеют свои преимущества и недостатки.

Централизованные вентиляторные выгодны с точки зрения подвода электроэнергии и охлаждающей воды. Суммарные площади, занимаемые ими, довольно малы. Весьма удобным является, и размещение устройств приема и выброса воздуха для централизованных вентиляторных. Недостатком централизованных вентиляторных можно считать большую (иногда значительную) длину трубопроводов от вентиляторных до обслуживаемых помещений, но в нашем случае трубопроводов нет, следовательно, этот недостаток отсутствует.

На судах с небольшим составом обслуживаемых помещений и ограниченным парком вентиляторов и центральных кондиционеров вентиляторные, как правило, являются небольшими по объему, а их расположение подчиняется общему расположению основных помещений судна.