Системы охлаждения судового дизеля как объекты

Регулирования температуры

 

Дизель как регулируемый объект представляет собой некоторое теплообменное устройство. Фактическим объектом является система охлаждения двигателя, регулируемым параметром — температура охлаждающей воды на выходе . Статической характеристикой системы автоматического регулировании является зависимость температуры  от нагрузки системы q (количество отводимой или подводимой теплоты, ккал/ч), т.е. = f (q). В действительности — это зависимость от параметров, характеризующих нагрузку дизеля, а именно   или = f (N_e), где  — температура выпускных газов. Характеристики подвода и отвода энергии во многом определяют свойства объекта регулирования и терморегулятора.

 

Рисунок 3.4 - Характеристика подвода q под и отвода q отв энергии,  - температура воды (регулируемый параметр)	Рисунок 3.5 - Принципы регулирования     температуры

 

 

Подвод энергии к системе охлаждения определяется тепловым потоком, поступающим от нагретого рабочего тела (стенки цилиндров) к охлаждающей воде. Количество тепла, передаваемого воде в единицу времени, выражается функцией

 

,                            (3.1)

 

где  - коэффициент теплопередачи двигателя от газов к воде;

 - площадь теплообмена цилиндров двигателя;

   - температура выпускных газов;

 - температура воды (регулируемый параметр).

 

 

Выражение (3.1) отражает линейный закон

,                                                    (3.2)

где ; .

Аналитически в общем виде установить характер зависимости (3.2) невозможно, так как теплопередаточные явления сложны и во многом индивидуальны для каждого двигателя. На рисунке 3.4 представлены характеристики подвода и отвода энергии, полученные экспериментальным путем, где в качестве параметра используется коэффициент а, связанный с величиной .

Отметим, что определить нагрузку ГД или его момент на валу можно по температуре выпускных газов дизеля ,. Отвод энергии определяется нагретой водой и может быть выражен функцией

 

,                                         (3.3)

 

 

где с_В - удельная теплоемкость воды; G_В - расход охлаждающей воды;  - температура воды после водоохладителя (температура холодной воды).

При постоянных G_B и

,                                              (3.4)

 

где т = c _В G_B; d = .

Установившийся режим определяется точкой пересечения характеристик подвода (3.3) и отвода (3.4). Из анализа взаимного расположения характеристик вытекают указанные выше два способа регулирования температуры (рисунок 3.5). Если в режиме подвода  и отвода  при установившемся тепловом состоянии в точке А с нагрузкой q^A и температурой  произойдет уменьшение нагрузки (смещение характеристики подвода в положение   то новое установившееся состояние будет в точке В с нагрузкой q^B и температурой . Сохранить предыдущий температурный режим  можно смещением положения характеристики отвода  в положение  за счет уменьшения коэффициента т, т.е. уменьшения расхода воды G_в при постоянном значении температуры , что приведет к повороту характеристики отвода вокруг точки С. Это первый принцип регулирования, который, как отмечалось выше, на судах не применяется.

Сохранить температурный режим  можно также за счет увеличения коэффициента d, т.е. за счет увеличения температуры  при постоянном значении расхода воды G_B. Это второй принцип регулирования, широко применяющийся в судовой практике.

Как следует из рисунка 3.4, рассматриваемый объект регулирования обладает положительным самовыравниванием и является статическим, что определяет конструкцию терморегулятора и свойства системы регулирования.

Провести анализ динамических свойств системы автоматического регулирования температуры (САРТ) очень сложно, так как иногда даже невозможно получить уравнения, описывающие тепловой процесс, базируясь на законы физики, термодинамики, теории теплопередачи. Поэтому вводятся упрощающие допущения, которые могут исказить действительные процессы. Правомерность принятых допущений и достоверность полученных решений проверяется экспериментально.

Уравнение неустановившегося состояния САРТ

 

,                                    (3.5)

 

где С_Т - теплоемкость системы охлаждения, определяемая через теплоемкость охлаждающей жидкости (воды).

Количество подводимой теплоты в соответствии с (3.1) зависит от переменных , и . Выражение для   находится применительно к каждому конструктивному способу регулирования. Так, для регулирования методом перепуска количество отводимой теплоты в соответствии с (3.3) приближенно характеризуется переменными  и . Линеаризируя (3.5) в точке А (рисунок 3.5) установившегося теплового состояния, можно получить

 

  (3.6)

 

Полагая, что температура воды поступающей из водоохладителя, постоянна (  = const,  = 0), уравнение (3.6) можно записать в виде

 

где

Дифференциальное линеаризованное уравнение теплового состояния дизеля относительно приращения

 

        или

,                                                (3.7)

        где фактор устойчивости

.

Перейдя к относительным координатам, получим

,

где ,  - базисные значения.

Уравнение (3.7) может быть записано и форме

 

                                          (3.8)

где — постоянная времени нагревания дизеля, с;

 — коэффициент усиления по температуре выпускных газов,

или в форме

                                                   (3.9)

 

где  — время нагрева двигателя, с;

 — коэффициент самовыравнивания двигателя по каналу воздействия.

Передаточная функция САРТ

                                               (3.10)

 

Уравнения (3.8) и (3.9) отражают упрощенные процессы, протекающие в дизеле. С учетом процессов, протекающих в водоохладителе (теплообменнике), дифференциальные уравнения динамики будут значительно сложнее и могут быть второго и третьего порядка. Тем не менее уравнения (3.8) и (3.9) отражают основные физические свойства дизеля как объекта регулирования температуры.

 

Вопросы для самопроверки:

 

1. Какую зависимость определяет статическая характеристика системы

автоматического регулирования температуры воды?

2. Как определить нагрузку ГД или его момент на валу по температуре выпускных газов?

3. Напишите уравнение неустановившегося состояния САРТ

4. Напишите передаточную функцию САРТ