Wie funktioniert das Kühlsystem eines Dieselgenerators?

​Wie funktioniert das Kühlsystem eines Dieselgenerators?

In diesem Kapitel geht es um die wichtigsten Teile von Kühlsystemen für Dieselmotoren und warum jeder einzelne Teil wichtig ist, damit der Motor gut funktioniert.

Motor mechanisch kühlen
25–30 Prozent der gesamten Wärme, die vom Kraftstoff kommt und in den Motor gelangt, wird vom Kühlsystem aufgenommen.
Wenn diese Wärme nicht von selbst abgeführt wird, steigt die Innentemperatur des Motors schnell bis zu einem Punkt, an dem Teile brechen und der Motor nicht mehr funktioniert. Alle handelsüblichen Dieselmotoren verfügen über ein Kühlsystem, um diese Wärme zu sammeln und in ein Medium zu leiten, das die Wärme außerhalb des Motors aufnimmt.
Viele moderne Motoren verfügen über Turboladersysteme, die sicherstellen, dass genügend Luft vorhanden ist, damit der Kraftstoff verbrennen und die erforderliche Leistung erbringen kann. Der Mechanismus zur Turboaufladung macht die Verbrennungsluft heißer. Bevor die Verbrennungsluft in die Motorzylinder gelangt, muss sie gekühlt werden, um sicherzustellen, dass genügend Luft vorhanden ist, um den Kraftstoff zu verbrennen (um die Luftdichte aufrechtzuerhalten). Ein Wärmetauscher, der wie ein Kühler aussieht, wird in das Rohr zwischen dem Auslass des Turboladerkompressors und dem Luftverteiler des Motors eingesetzt. Dies wird als Luftzwischenkühler oder Nachkühler bezeichnet. Die Aufgabe dieses Heizkörpers besteht darin, der Verbrennungsluft Wärme zu entziehen. Dieser Wärmetauscher kann entweder das Mantelwassersystem oder das Betriebswassersystem verwenden, um sein Wasser (die ultimative Wärmesenke) zu erhalten.
Wenn Betriebswasser verwendet wird, kann zwischen dem Betriebswassersystem und dem Ladeluftkühler-Wassersystem ein zusätzlicher Wärmetauscher vorhanden sein, um das Wasser im Ladeluftkühler-Wassersystem zu reinigen und zu pflegen, damit es den Luft-Ladeluftkühler nicht beschädigt.

Grundlagen des Kühlsystems
Die meisten Dieselmotoren haben ein Kühlsystem, das wie ein Mantel aussieht und einen geschlossenen Kreislauf hat. Wenn das Kühlmittel durch den Motor fließt, nimmt es Wärme von den Zylinderlaufbuchsen, Zylinderköpfen und anderen Teilen auf.

Je kühler das Kühlmittel ist, wenn es den Motor verlässt, desto besser arbeitet der Motor. Andererseits können zu hohe Kühlmitteltemperaturen strukturelle Schäden verursachen, indem Motorteile überhitzen. Schmieröl kann auch mit Mantelwasser und einem Wärmetauscher gekühlt werden. Die meisten Dieselmotoren arbeiten am besten mit einer Mantelwasserauslasstemperatur von etwa 180 °F und einem Temperaturanstieg durch den Motor von zwischen 8 und 15 °F.

Die meisten Dieselmotoren kühlen mit Wasser als Kühlmittel. Dennoch kann Wasser selbst Rost, Mineralablagerungen und Gefrieren verursachen.
Frostschutzmittel wie Ethylenglykol oder Propylenglykol müssen Motoren hinzugefügt werden, die nahe oder unter dem Gefrierpunkt liegen. Die gebräuchlichste Lösung besteht darin, Frostschutzmittel und Wasser zu mischen, was bei Temperaturen von bis zu -40 Grad F funktioniert. Handelsübliches Frostschutzmittel enthält Chemikalien, die Rostbildung verhindern. Das Hinzufügen von Frostschutzmittel erschwert die Wärmeübertragung.
Meistens sind Dieselmotoren, die in Kernreaktoren für den Notdienst eingesetzt werden, keinen Temperaturen unter dem Gefrierpunkt ausgesetzt. Unter diesen Bedingungen ist kein Frostschutzmittel erforderlich. Korrosion kann jedoch gestoppt werden, indem Chemikalien, die Korrosion stoppen, mit Wasser gemischt werden, das von seinen Mineralien befreit wurde.

Chemie des Wassers: Wasser, das zum Kühlen eines Motors verwendet wird, sollte keine Chemikalien enthalten, die Ablagerungen oder Ablagerungen verursachen. Meistens wird demineralisiertes Wasser verwendet. Der pH-Wert des Wassers sollte zwischen 8 und 9,5 liegen.
Es ist am besten, einen Korrosionshemmer wie Nalco 2000 hinzuzufügen, um zu verhindern, dass sich auf den Zylinderlaufbuchsen und Zylinderköpfen Kalk ansammelt. Ein sechzehntel Zoll Maßstab entspricht dem Hinzufügen von 1 Zoll Stahl zum Motor, um die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass Wärme durchgelassen wird. Von Zeit zu Zeit wird eine chemische Analyse des Kühlmittels durchgeführt, und es wird die richtige Menge an Korrosionsinhibitor hinzugefügt, um die Chemie des Wassers aufrechtzuerhalten.

Wie man einen Motor kühl hält
Bei einigen Konfigurationen werden das Wasser im Ladeluftkühler und das Wasser im Mantel durch verschiedene Teile des Kühlers gekühlt. Meistens wird in diesen Situationen der Mantelwasserkreislauf zur Kühlung des Schmieröls verwendet.
Mit Hilfe eines Ausgleichsbehälters (auch „Kopf“ oder „Nachspeisebehälter“ genannt), der über dem Motor installiert wird, um einen Druck auf das System zu halten, wird Kühlmittel im Motorsystem selbst gespeichert. Der Motor treibt die Pumpe an, die Luft aus dem System zieht und Kühlmittel zum Motor schickt. In den meisten Systemen verlässt das Wasser den Motor durch ein Ventil, das von einem Thermostat gesteuert wird. Ist das Wasser zu kalt, lässt es eine Leitung um den Wärmetauscher herumlaufen. Das Wasser läuft durch den Wärmetauscher, wenn es zu heiß ist.
Das Thermostatventil (TCV) erkennt, wie heiß das Kühlmittel ist und reagiert darauf.

Sobald die Temperatur des Motorkühlmittels unter den Sollwert des Ventils fällt, wird Kühlmittel durch den Mantelwasserwärmetauscher geleitet. Wenn die Temperatur des Kühlmittels höher als der Sollwert ist, schickt das Ventil das Kühlmittel durch den Wärmetauscher. Die überschüssige Wärme wird dann dem Roh- oder Brauchwassersystem zugeführt. Wenn ein Dieselmotor startet, beginnt der Brauchwasserfluss von selbst.
Durch den Ausgang des Wärmetauschers oder die Umgehungsleitung fließt Wasser zurück zur Mantelwasserpumpe und schließlich zum Motor. In vielen Systemen wird das Schmierölsystem durch einen Wärmetauscher im Mantelwassersystem gekühlt. Bei Motoren, bei denen es wichtig ist, das Schmieröl kühler als das Mantelwasser zu halten, wird die Ölwärme über den Wärmetauscher im Schmierölsystem direkt an das Betriebs-/Rohwassersystem geleitet.
Wenn das Kühlmittel den Zylinderblock erreicht, fließt es durch interne Kanäle und/oder Rohre zum Boden der Zylinderlaufbuchsen. Wenn die Flüssigkeit nach oben steigt, fließt sie um die Zylinderlaufbuchsen herum und in die Zylinderköpfe. Wenn das Kühlmittel die Zylinderköpfe verlässt, gelangt es in einen Auslasssammler und dann zum Thermostatventil.
Bei Motoren mit Ladeluftkühlern oder Nachkühlern fließt ein Teil des Mantelwassers durch die Ladeluftkühler, um nicht benötigte Wärme aus der einströmenden Luftladung aufzunehmen. Bei vielen Motoren mit Ladeluft- oder Ladeluftkühler wird diese zusätzliche Wärme über einen separaten Wärmetauscher an das Betriebs-/Rohwassersystem geleitet. Das ist gut, weil das Wasser im Ladeluftkühler auf eine niedrigere Temperatur gekühlt werden sollte als das Wasser im Mantelwassersystem. Die meisten ALCO-Motoren verwenden das Mantelwassersystem, um das Wasser im Ladeluftkühler zu kühlen.

Ausgleichsbehälter – Viele Motoren verwenden einen Ausgleichsbehälter mit einem unter Druck stehenden Verschluss, oder der Ausgleichsbehälter ist hoch genug montiert, um die erforderliche Förderhöhe (netto positive Druckhöhe – NPSH) im System aufrechtzuerhalten. Meistens wird der Ausgleichsbehälter direkt über dem höchsten Punkt des Mantelkühlwassersystems platziert, und Entlüftungsleitungen werden verwendet, um das System luftfrei zu halten. Einige Ausgleichsbehälter können aufgepumpt werden, um einen höheren Druck aufrechtzuerhalten, was dazu beiträgt, den Siedepunkt der Kühlflüssigkeit zu erhöhen.

Ein Standrohr ist ein vertikal aufgestellter Tank, der sich auf gleicher Höhe wie der Motor befindet. Es hält Motorkühlmittel und hat einen Raum für Luft, um die Ausdehnung des Kühlmittels auszugleichen, wenn es heiß wird.
Standrohre werden normalerweise zur Luft entlüftet, wodurch ein druckloses Kühlsystem entsteht. Der Wasserstand im Standrohr muss hoch genug sein, um den erforderlichen NPSH zu erreichen, oder der Tank muss unter Druck stehen.

Mantelwasserpumpe: Der Motor treibt die einstufige Mantelwasserpumpe an, die von der Kurbelwelle des Motors über eine Reihe von Zahnrädern angetrieben wird.

Wie zu sehen ist, tritt Wasser in den Saugeingang der Pumpe ein. Das Motorgetriebe treibt das Pumpenantriebszahnrad an, das wiederum die Pumpenwelle und das Laufrad dreht. Die Geschwindigkeit des Kühlmittels wird durch die Zentrifugalkraft erhöht, wenn sich das Laufrad dreht. Wenn das Kühlmittel in das Pumpengehäuse eintritt, nimmt seine Geschwindigkeit ab und sein Druck steigt proportional an. Kühlmittel strömt mit höherem Druck aus dem Pumpengehäuse in den Mantelwassersammler zum unteren Ende der Zylinderlaufbuchsen.

Das Kühlmittel für den Motor kommt durch den Boden des thermostatischen Regelventils nach oben. Wenn die Kühlmitteltemperatur niedrig ist, wie auf der rechten Seite des Diagramms gezeigt, bleibt der Schieberventilkegel in der oberen Position und das Kühlmittel fließt um den Wärmetauscher herum.
Bei steigender Kühlmitteltemperatur dehnen sich die Wachskügelchen in den Temperierelementen aus. Dadurch werden das Elementrohr und der Ventilkegel nach unten gedrückt. So wird der Durchfluss durch den Bypass begrenzt oder gedrosselt, wie auf der linken Seite des Diagramms dargestellt, und Kühlmittel wird zum Wärmetauscher geleitet.
Im Betrieb ändert das Ventil seine Position über einen Temperaturbereich von etwa 10 bis 150 Grad Fahrenheit, um die Temperatur des Kühlmittels ziemlich stabil zu halten.

Mantelwasserwärmetauscher – Mantelwasserwärmetauscher bestehen normalerweise aus einem Mantel und Rohren. Auf der Mantelseite fließt normalerweise Motorkühlmittel über die Rohre, während Brauchwasser durch die Rohre fließt.

Jacket Water Keepwarm Systeme
Wenn ein Motor für eine Weile abgeschaltet wird, sinkt die Temperatur im Inneren des Motors stark ab. Das schnelle Starten und schnelle Laden eines kalten Motors, wie es für Dieselmotoren in Nuklearanwendungen in Notsituationen typisch ist, setzt den Motor einer großen Belastung aus und verschleißt ihn schneller, bis er seine normale Betriebstemperatur erreicht.
Das Mantelwasser-Warmhaltesystem ist auf dem gleichen Plan wie das standardmäßige Mantelwasser-Kühlsystem dargestellt. Dieser Teil hält die Temperatur des Motorkühlmittels auf oder nahe der normalen Betriebstemperatur. Dies bedeutet nicht, dass alle Teile ihre normale Temperatur haben.
Da Dieselmotoren die Wärme aus der Verdichtung zum Starten verwenden, startet das Warmhalten des Motors viel schneller und macht es unwahrscheinlicher, dass der Motor nicht anspringt, weil die Ansauglufttemperatur zu niedrig ist.

Warmhaltepumpe: Die Warmhaltepumpe ist eine einstufige Kreiselpumpe, die mit Strom betrieben wird. Sie ähnelt der motorbetriebenen Pumpe darin, dass sie erwärmtes Kühlmittel auch bei ausgeschaltetem Motor durch den Motor fließen lässt.

Keepwarm Heater: Der Jacket Waterkeep Warm Heater ist ein elektrischer Taucherwärmer, genau wie der Schmieröl-Warmhalteerhitzer.
Es wird in ein separates Standrohr oder einen Heiztank gestellt. Es wird von einem Thermostat gesteuert, um den Motor auf der richtigen Temperatur zu halten.

Funktionsweise des Systems: Wenn sich der Motor im „Standby“-Modus befindet, schaltet sich das „Keepwarm“-System ein. Die Warmhaltepumpe erzeugt ein Vakuum im System und schickt Wasser in den Mantelwassereinlass des Motors. Wenn der Motor läuft, können Rückschlagventile in das Warmhaltesystem eingebaut werden, um den Fluss in die falsche Richtung zu stoppen. Das erwärmte Kühlmittel fließt durch den Motor und erwärmt die Zylinder, Zylinderköpfe und andere wassergekühlte Teile.

System für Kühlwasser
Das Ladeluftkühler-Wassersystem versorgt den Ladeluftkühler oder Nachkühler, der an den Verbrennungsluftansaugrohren des Motors installiert ist, mit Wasser. Es ist ein Wärmetauscher wie ein Kühler, der die Verbrennungsluft nach dem Turboladerkompressor und vor dem Luftverteiler/Plenum des Motors kühlt.
Durch die Kühlung wird die Luft dichter, wodurch mehr Sauerstoff mehr Kraftstoff verbrennen und mehr Leistung erzeugen kann. Außerdem kühlt die Verbrennungsluft die Kolbenböden.
Das für die Ladeluftkühlung verwendete Wasser muss typischerweise ziemlich nahe an der Temperatur der Umgebungsluft liegen. Aus diesem Grund ist es normalerweise besser, Brauchwasser anstelle von Mantelwasser zu verwenden, das eine viel höhere Temperatur (160 bis 180oF) hat.
Ein typisches Diagramm für ein Ladeluftkühler- und Nachkühler-Wassersystem
Da es sich um dieselben Teile wie im Mantelwassersystem handelt, werden wir nicht mehr darauf eingehen.
In einigen Ladeluftkühler-Wassersystemen kann ein Thermostat verwendet werden, um zu verhindern, dass das Ladeluftkühlerwasser zu kalt wird, insbesondere bei kaltem Wetter oder wenn der Motor nicht viel arbeitet. Dadurch wird möglichst verhindert, dass Feuchtigkeit in der Verbrennungsluft kondensiert. Bei einigen Systemen sind das Mantelwassersystem und das Ladeluftkühler-Wassersystem miteinander verbunden, sodass der Ladeluftkühler bei Bedarf beheizt werden kann.
Wenn die in den Motor einströmende Verbrennungsluft zu kalt ist, kann es sein, dass der Motor länger startet, er arbeitet möglicherweise nicht so gut, wenn die Last niedrig ist, und die Zylinderlaufbuchse wird möglicherweise nicht so gut geschmiert. Um diese Auswirkung abzumildern, drosseln mehrere Hersteller den Kühlwasserfluss zum Ladeluftkühler thermostatisch und/oder liefern bei Bedarf warmes Mantelwasser.
Das Thermostatventil im Kreislauf verhindert, dass das Wasser im Ladeluftkühler zu kalt wird, wodurch auch die in den Motor strömende Luft nicht zu kalt wird. Zu kalte Luft kann zu Kondensation im Motor und „weißem“ Rauch aus dem Auspuffrohr führen.

Mehr Dinge, die es cool machen
Meistens wird der Dieselgenerator in einem Gebäude mit wenigen Öffnungen aufbewahrt.
Im EDG-Raum gibt es mehrere Wärmequellen, wie den Motor und den Generator. Um die beste Leistung zu erzielen, müssen die Schaltanlagen, Steuertafeln, Überwachungsgeräte, Kraftstoff-Tagestanks, Luftkompressoren und Luftspeichertanks in diesem Bereich auf einer niedrigen Temperatur gehalten werden.
Der EDG-Raum kann nicht heißer als 122 Grad F (50 Grad) werden. Daher ist es notwendig, genügend kühle Luft (Umgebungsluft) hereinzubringen, um die Wärme abzuführen und die Raumtemperatur unter dem maximal zulässigen Wert zu halten. Auch wenn die Raumtemperatur keinen großen Einfluss auf den Motor selbst hat, können sehr hohe EDG-Raumtemperaturen Auswirkungen auf den Generator und andere Teile haben. Wenn die Luft für die Verbrennung des Motors aus dem Raum kommt, kann die in den Motor einströmende heiße Luft ihn weniger leistungsstark machen.