ディーゼル発電機の冷却システムはどのように機能しますか?

ディーゼル発電機の冷却システムはどのように機能しますか?

この章では、ディーゼル エンジンの冷却システムの最も重要な部分と、エンジンが適切に機能するために各部分が重要である理由について説明します。

エンジンを機械的に冷却する
燃料から発生してエンジンに入る全熱の 25 ～ 30% が冷却システムによって吸収されます。
この熱が自然に取り除かれないと、エンジンの内部温度が急速に上昇し、部品が壊れてエンジンが動かなくなります。 すべての商用ディーゼル エンジンには、この熱を収集し、エンジン外部の熱を吸収する媒体に移動するための冷却システムがあります。
最新のエンジンの多くには、燃料が燃焼して必要なパワーを生み出すのに十分な空気があることを確認するターボチャージャー システムが搭載されています。 ターボチャージャーのメカニズムは、燃焼空気をより高温にします。 燃焼用空気がエンジンのシリンダーに入る前に、燃料を燃焼させるのに十分な量の空気があることを確認するために冷却する必要があります (空気密度を維持するため)。 ターボチャージャーのコンプレッサー出口とエンジンのエアマニホールドの間のパイプには、ラジエーターのような熱交換器が入っています。 これをエアインタークーラーまたはアフタークーラーと呼びます。 このラジエーターの仕事は、燃焼空気から熱を取り除くことです。 この熱交換器は、ジャケット水システムまたはサービス水システムのいずれかを使用して、水 (究極のヒートシンク) を得ることができます。
サービス水が使用される場合、サービス水システムとインタークーラー水システムの間に余分な熱交換器があり、インタークーラー水システムの水をきれいにして維持し、空気インタークーラーを損傷しないようにすることができます。

冷却システムの基礎
ほとんどのディーゼル エンジンには、ジャケットのような閉ループの冷却システムがあります。 クーラントがエンジン内を流れる際、シリンダー ライナー、シリンダー ヘッド、その他の部品から熱を奪います。

クーラントがエンジンから出たときに冷却されているほど、エンジンはよりよく機能します。 一方、クーラントの温度が高すぎると、エンジン部品が過熱して構造的な損傷を引き起こす可能性があります。 潤滑油は、ジャケット水と熱交換器を使用して冷却することもできます。 ほとんどのディーゼル エンジンは、約 180°F のジャケット排水温度と、8 ～ 15°F のエンジンによる温度上昇で最適に機能します。

ほとんどのディーゼルエンジンは、冷却剤として水で冷却します。 それでも、水自体がさび、ミネラルの蓄積、凍結を引き起こす可能性があります。
エチレングリコールやプロピレングリコールなどの不凍液は、氷点近くまたは氷点下のエンジンに追加する必要があります。 最も一般的な解決策は、不凍液と水を混合することです。これは、-40 度 F という低い温度でも機能します。市販の不凍液には、錆の発生を防ぐ化学物質が含まれています。 不凍液を入れると熱が伝わりにくくなります。
ほとんどの場合、原子炉で緊急用に使用されるディーゼル エンジンは、氷点下の温度にさらされることはありません。 これらの条件下では、不凍液は必要ありません。 それでも、ミネラルを取り除いた水に腐食を止める化学物質を混ぜることで、腐食を止めることができます。

水の化学: エンジンの冷却に使用される水には、堆積物やスケールの原因となる化学物質が含まれていてはなりません。 ほとんどの場合、脱イオン水が使用されます。 水の pH は 8 から 9.5 の間である必要があります。
シリンダー ライナーやシリンダー ヘッドにスケールが蓄積しないようにするには、Nalco 2000 などの腐食防止剤を追加することをお勧めします。 16 分の 1 インチのスケールは、エンジンに 1 インチのスチールを追加して熱を通しにくくするのと同じです。 クーラントの化学分析が頻繁に行われ、適切な量の腐食防止剤が追加されて、水の化学的性質が適切に保たれます。

エンジンをクールに保つ方法
一部のセットアップでは、インタークーラー内の水とジ​​ャケット内の水がラジエーターの異なる部分によって冷却されます。 ほとんどの場合、ジャケット水回路は、このような状況で潤滑油を冷却するために使用されます。
システムのヘッドを維持するためにエンジンの上に取り付けられた膨張タンク（「ヘッド」または「メイクアップタンク」とも呼ばれる）の助けを借りて、クーラントはエンジンシステム自体に保存されます。 エンジンはポンプを駆動し、ポンプはシステムから空気を引き込み、クーラントをエンジンに送ります。 ほとんどのシステムでは、水はサーモスタットによって制御されるバルブを通ってエンジンから排出されます。 水が冷たすぎる場合は、ラインで熱交換器を循環させます。 熱すぎる場合、水は熱交換器を通過します。
サーモスタット コントロール バルブ (TCV) は、クーラントの温度を検出し、それに反応します。

エンジンクーラントの温度がバルブの設定値を下回るとすぐに、クーラントはジャケット水熱交換器に送られます。 クーラントの温度が設定値よりも高い場合、バルブはクーラントを熱交換器に送ります。 余分な熱は、原水または給水システムに送られます。 ディーゼルエンジンが始動すると、用水の流れが自然に始まります。
熱交換器の出口またはバイパス ラインを通って、水はジャケット ウォーター ポンプに戻り、最終的にはエンジンに戻ります。 多くのシステムでは、潤滑油システムはジャケット水システムの熱交換器によって冷却されます。 潤滑油をジャケット水よりも低温に保つことが重要なエンジンの場合、オイルの熱は、潤滑油システムの熱交換器を介してサービス/原水システムに直接送られます。
クーラントがシリンダー ブロックに到達すると、内部チャネルおよび/またはパイプを通ってシリンダー ライナーの底部に流れます。 液体が上昇すると、シリンダー ライナーの周りを流れてシリンダー ヘッドに流れ込みます。 クーラントがシリンダー ヘッドを出ると、アウトレット ヘッダーに入り、次にサーモスタット バルブに入ります。
インタークーラーまたはアフタークーラーを備えたエンジンでは、ジャケット水の一部がインタークーラーを通過して、不要な吸気から熱を取り込みます。 インタークーラーまたはアフタークーラーを備えた多くのエンジンでは、この余分な熱は別の熱交換器によってサービス/原水システムに送られます。 インタークーラー内の水は、ジャケット水システム内の水よりも低い温度に冷却する必要があるため、これは良いことです。 ほとんどの ALCO エンジンは、インタークーラー内の水を冷却するためにジャケット ウォーター システムを使用しています。

膨張タンク - 多くのエンジンは、加圧クロージャー付きの膨張タンクを使用するか、システムに必要な水頭 (正味正圧水頭 - NPSH) を維持するのに十分な高さに膨張タンクを取り付けます。 ほとんどの場合、膨張タンクはジャケット冷却水システムの最高点のすぐ上に配置され、システムに空気が入らないようにベント ラインが使用されます。 一部の膨張タンクは、より高い圧力を維持するためにポンプで汲み上げることができます。これにより、冷却液の沸点が上昇します。

スタンドパイプは、エンジンと同じ高さに垂直に設置されたタンクです。 エンジンクーラントを保持し、クーラントが熱くなったときに膨張する空気を補うためのスペースがあります。
通常、直立管は空気中に排出され、圧力がかかっていない冷却システムを構成します。 直立管の水位は、必要な NPSH に達するのに十分な高さにするか、タンクを加圧する必要があります。

ジャケット ウォーター ポンプ: エンジンは、一連のギアを介してエンジンのクランクシャフトによって駆動される単段遠心ジャケット ウォーター ポンプを駆動します。

ご覧のとおり、水はポンプの吸込口に入ります。 エンジンの歯車列がポンプ駆動歯車を駆動し、ポンプ駆動歯車がポンプ シャフトとインペラを回転させます。 インペラが回転する際の遠心力により、冷却液の速度が増します。 クーラントがポンプケーシングに入ると、速度が低下し、それに比例して圧力が上昇します。 クーラントは、ポンプ ケーシングからジャケット ウォーター ヘッダーにこぼれ、高圧でシリンダー ライナーの下端に流れます。

エンジンのクーラントは、サーモスタット コントロール バルブの下部から上昇します。 冷却水温度が低いときは、図の右側のようにスライドバルブのポペットが上がったままになり、冷却水が熱交換器を一周します。
クーラントの温度が上昇すると、温度制御エレメント内のワックス ペレットが膨張します。 これにより、エレメントチューブとバルブポペットが押し下げられます。 そのため、図の左側に示すように、バイパスを通る流れが制限または絞り込まれ、クーラントが熱交換器に送られます。
使用中、バルブは、冷却剤の温度をかなり安定に保つために、華氏約 10 度から 150 度の温度範囲でその位置を変更します。

ジャケット水熱交換器 - ジャケット水熱交換器は通常、シェルとチューブでできています。 シェル側では、通常、エンジン冷却水がチューブ上を流れ、水道水がチューブを流れます。

ジャケット水保温システム
モーターをしばらく停止すると、エンジン内部の温度が大幅に低下します。 緊急事態における原子力用途のディーゼルの典型である冷たいエンジンの急速な始動と急速な負荷は、エンジンに多くのストレスを与え、通常の動作温度に達するまでエンジンの摩耗を早めます。
ジャケット水保温システムは、標準のジャケット水冷システムと同じ平面図に示されています。 この部品は、エンジン冷却水の温度を通常の動作温度またはそれに近い温度に保ちます。 これは、すべての部品が通常の温度にあるという意味ではありません。
ディーゼルエンジンは圧縮時の熱を利用して始動するため、エンジンを暖めておくと始動が早くなり、吸気温度が低すぎてエンジンが始動しなくなる可能性が低くなります。

保温ポンプ: 保温ポンプは、電気を動力源とする単段遠心ポンプです。 エンジンが停止している場合でも、加熱されたクーラントがエンジンを通過し続けるという点で、エンジン駆動ポンプに似ています。

保温ヒーター：ジャケット保水保温ヒーターは、潤滑油保温ヒーターと同じく浸漬式の電気カイロです。
別のスタンドパイプまたは加熱タンクに入れます。 サーモスタットによって制御され、エンジンを適切な温度に保ちます。

システムのしくみ: エンジンが「スタンバイ」モードにある場合、「保温」システムがオンになります。 保温ポンプはシステム内を真空にし、水をエンジンのジャケットの給水口に送ります。 エンジンが作動しているとき、逆止弁を保温システムに配置して、間違った方向の流れを止めることができます。 加熱された冷却水はエンジン内を流れ、水冷されたシリンダーやシリンダーヘッドなどの部品を温めます。

冷却水システム
インタークーラーウォーターシステムは、エンジンの燃焼用吸気管に取り付けられたインタークーラーまたはアフタークーラーに水を供給します。 ターボチャージャーコンプレッサーの後、エンジンの空気マニホールド/プレナムの前で燃焼空気を冷却するのは、ラジエーターのような熱交換器です。
冷却すると空気の密度が高くなり、より多くの酸素がより多くの燃料を燃焼させ、より多くのパワーを生み出します。 さらに、燃焼空気はピストンクラウンを冷却します。
中間冷却に使用される水は、通常、周囲の空気の温度に非常に近い必要があります。 このため、通常ははるかに高い温度 (160 ～ 180oF) のジャケット水ではなく水道水を使用することをお勧めします。
代表的なインタークーラーとアフタークーラーの水系統図
これらの部品は、ジャケット ウォーター システムで使用されているものと同じであるため、これ以上説明しません。
一部のインタークーラー水システムでは、特に寒い天候やエンジンがあまり機能していないときに、インタークーラーの水が冷たくなりすぎないようにするためにサーモスタットが使用される場合があります。 これにより、燃焼空気中の水分の凝縮を可能な限り防ぎます。 一部のシステムでは、必要なときにインタークーラーを加熱できるように、ジャケット水システムとインタークーラー水システムがリンクされています。
エンジンに入る燃焼空気が冷たすぎると、エンジンの始動に時間がかかり、負荷が低いときにうまく機能しなくなり、シリンダー ライナーが十分に潤滑されない可能性があります。 この影響を軽減するために、いくつかのメーカーは、サーモスタットでインタークーラーへの冷却水の流れを制限したり、必要に応じて暖かいジャケット水を供給したりしています。
回路内のサーモスタット バルブは、インタークーラー内の水が冷たくなりすぎないようにし、エンジンに入る空気も冷たくなりすぎないようにします。 空気が冷たすぎると、エンジン内で結露が発生し、排気管から「白煙」が出ることがあります。

それをクールにするより多くのこと
ほとんどの場合、ディーゼル発電機は開口部の少ない建物に保管されています。
エンジンや発電機など、EDG ルームにはいくつかの熱源があります。 最高のパフォーマンスを得るには、このエリアのスイッチギア、コントロール パネル、監視機器、燃料タンク、空気圧縮機、および空気貯蔵タンクを低温に保つ必要があります。
EDG ルームは、華氏 122 度 (50 度) を超えることはありません。 そのため、熱を取り除き、部屋の温度を許容される最高レベルより低く保つために、十分な冷気 (周囲空気) を取り込む必要があります。 室温はエンジン自体にはあまり影響しませんが、非常に高い EDG 室温は発電機やその他の部品に影響を与える可能性があります。 エンジンの燃焼用の空気が室内から来る場合、エンジンに入ってくる熱気により、エンジンの出力が低下する可能性があります。