Система отвода выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания и устройство для жидкостного охлаждения и очистки газов

 

Изобретение относится к судостроению, в частности к системе отвода выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания. Система отвода выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания подводной лодки содержит соединенный с дизелем газопровод с внутренней и наружной захлопками и устройство для жидкостного охлаждения и очистки выхлопных газов с датчиком уровня воды и сепаратором, расположенными внутри подводной лодки между дизелем и внутренней захлопкой газопровода. Устройство для жидкостного охлаждения выхлопных газов состоит из впускной расширяющейся камеры, выпускной сужающейся камеры и расположенной между ними камеры шнековых завихрителей, имеющей вварные конусообразные патрубки, один из которых расположен в центре, остальные - по окружности. В конусообразные патрубки встроены и раскреплены по центру смесители, состоящие из шнека и распылителя воды. Устройство выполнено охлаждаемым, зарубашечное пространство впускной камеры используется как коллектор для подвода воды на распылители. Устройство может быть использовано для охлаждения, увлажнения производственных газов, а также для абсорбции каких-либо компонентов из газовой смеси на многих предприятиях. Достигается значительное улучшение массогабаритных характеристик системы отвода выхлопных газов, снижение температуры выхлопных газов до 40 - 60°, а также тепловой, газовой следности и уровня акустического поля при сохранении гидродинамического сопротивления выхлопного тракта в допустимых для дизеля пределах. 2 с. п. ф-лы. 2 ил.

Изобретение относится к области судостроения, в частности к двигателестроению, а более конкретно к системе отвода выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, имеющей устройство жидкостного охлаждения и очистки газов в условиях подводной лодки в режимах надводного хода и работы дизеля под перископом, а также может быть применено для судовых двигателей внутреннего сгорания и в дизельных установках, работающих в береговых стационарных условиях.

Известна система отвода выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания на подводной лодке, содержащая соединенный с дизелем газопровод с внутренней и наружной захлопками, выхлопным коллектором и участками газопровода для работы дизеля в надводном положении и под перископом (см. С.Н.Прасолов, М.Б. Амитин. Устройство подводных лодок. М., "Воениздат", 1973, с. 273, 277-279).

Данная система выбрана в качестве наиболее близкого аналога изобретения.

Известно устройство для жидкостного охлаждения и очистки выхлопных газов, включающее корпус, патрубки подвода и отвода газа и воды, распылители воды (см. Н.И.Егоров. Охлаждение газа в скрубберах. Госхимиздат, М.1954, с. 5, 16, 117-120).

Данное устройство выбрано в качестве наиболее близкого аналога изобретения.

Известная система сложна в обслуживании, занимает в надстройке и ограждении выдвижных устройств подводной лодки значительный объем и имеет большой вес. Вместе с тем с ростом мощностей дизельных установок, устанавливаемых на подводных лодках, значительно увеличиваются диаметры выхлопных трубопроводов и запорной арматуры, а т. к. газопровод на подводных лодках выполняется двухконтурным (с рубашкой охлаждения), то его масса и габариты значительно возрастают.

Все это может быть терпимо при размещении газоотвода в конструкции двухкорпусной подводной лодки, имеющей сильно развитую надстройку, однако при переходе к конструкции однокорпусных или полуторакорпусных подводных лодок, вследствие практически отсутствия свободных объемов вне прочного корпуса, вопрос уменьшения массогабарита системы отвода выхлопных газов принимает наиважнейшее значение.

Существенного снижения массогабаритных характеристик системы отвода выхлопных газов (уменьшения ее диаметра и общего веса) можно добиться путем охлаждения выхлопных газов, однако известное устройство не соответствует требованиям по габаритам, которые определены скоростью истечения газа, большими гидродинамическими сопротивлениями и требуемой степенью охлаждения.

Техническим результатом изобретения является обеспечение эффективного охлаждения выхлопных газов дизеля до температуры 45-60^oC, улучшение массогабаритных характеристик системы отвода выхлопных газов (ее длины, диаметра, количества узлов, общего веса и габаритов применяемой запорной арматуры), снижение тепловой, газовой следности, уровня акустического поля и стоимости изготовления, повышение надежности, живучести, безопасности эксплуатации, упрощение обслуживания и эксплуатации, а также ее конструкции при сохранении гидродинамического сопротивления системы выхлопных газов в допустимых для дизеля пределах, предотвращение заброса газожидкостного потока со взвешенными частицами сажи в ограждение ходового мостика при надводном ходе подводной лодки.

Он достигается тем, что система отвода выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания подводной лодки, содержащая соединенный с дизелем газопровод с внутренней и наружной захлопками, выхлопным коллектором и участками газопровода для работы дизеля в надводном положении и под перископом, снабжена устройством для жидкостного охлаждения и очистки выхлопных газов с датчиком уровня воды и сепаратором, расположенными внутри подводной лодки между дизелем и внутренней захлопкой газопровода. А в устройстве для жидкостного охлаждения и очистки выхлопных газов, включающем корпус, патрубки подвода и отвода газа и воды, распылители воды, корпус состоит из соединенных между собой впускной расширяющейся камеры, выпускной сужающейся камеры и расположенной между ними камеры шнековых завихрителей с обечайкой, разделительными переборками и с вваренными в последние конусообразными патрубками, одни из которых расположен в центре, а остальные по окружности разделительных переборок и обечайки камеры, со встроенными в них смесителями, состоящими из шнека и распылителя воды, раскрепленных по центру патрубка, при этом камеры снабжены рубашкой охлаждения, а зарубашечное пространство впускной камеры подключено к патрубку подвода воды и к распылителям, причем патрубок подвода газа подключен к впускной расширяющейся камере, а патрубок отвода газа - к впускной сужающей камере.

Это дало возможность, за счет резкого охлаждения выхлопных газов дизелей, значительно снизить габариты и количество запорной арматуры, внутренний диаметр трубопровода газоотвода на участке после сепаратора, а также отказаться от охлаждения участка наружного газоотвода (выполнить его однополостным), уменьшить его длину, сократить часть запорной арматуры и совместить ряд узлов газопровода, чем значительно упростить конструкцию системы отвода выхлопных газов, ее обслуживание и эксплуатацию, повысить надежность, живучесть и безопасность эксплуатации, снизить тепловую, газовую следность, уровень акустического поля и стоимость изготовления при сохранении гидродинамического сопротивления системы отвода выхлопных газов в допустимых для работы дизеля пределах.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена система отвода выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания с устройством жидкостного охлаждения и очистки, общий вид; на фиг.2 - устройство жидкостного охлаждения и очистки газов, общий вид.

В систему отвода выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания подводной лодки (фиг.1) входят дизель 1 с выхлопным коллектором, компенсатор 2, охлаждаемые участки 3 газопровода, устройство 4 для жидкостного охлаждения газов, датчик 5 уровня воды в устройстве, сепаратор 6, компенсатор 7, охлаждаемая внутренняя захлопка 8 газопровода, неохлаждаемая наружная захлопка 10 газопровода, неохлаждаемые участки 11, 12 легкого газопровода и выхлопной коллектор 13, расположенный в верхней кормовой части ограждения выдвижных устройств подводной лодки.

Устройство для жидкостного охлаждения газов (фиг.2) состоит из трех камер: впускной 14, шнековых завихрителей 15 и выпускной 16, имеющих фланцы для соединения между собой и газопроводом с помощью крепежа.

Впускная камера 14 состоит из двух фланцев 17 и 18, соединенных между собой конусообразной обечайкой 19 с рубашкой, образующей полость охлаждения и служащей одновременно коллектором для подачи воды через вварной штуцер 20 на распылители 21 воды камер шнековых завихрителей.

Камера шнековых завихрителей состоит из двух разделительных переборок 22 и 23 с вваренными в них конусообразными патрубками 24, из которых один расположен в центре, а остальные - по окружности разделительных переборок и обечайки 25, которая имеет наварыш 26 для подсоединения фланца трубы подвода и наварыш 27 - отвода охлаждающей воды.

Разделительные переборки имеют отверстия во фланцах 18, 28 для крепления впускной и выпускной камер.

Камеры выпускная состоит из двух фланцев 28 и 29, соединенных между собой конусообразной обечайкой 30 с рубашкой, образующей полость охлаждения. В рубашку камеры вварен штуцер 31 подвода и штуцер 32 отвода охлаждающей воды.

В патрубках 24 размещены смесители, состоящие из шнека 33 и распылителя 21 воды, представляющего собой трубу с двумя противоположно расположенными щелями для подачи воды, размещенными по образующей.

Конец трубы каждой форсунки со стороны выпускной камеры заглушен и раскреплен по центру патрубка 24.

Для обеспечения эффективной работы системы, предотвращения заливания газоотвода и возможных при этом гидравлических ударов в цилиндрах дизеля устройство для жидкостного охлаждения газов устанавливается под углом 190-192^o.

Для получения минимально гидродинамического сопротивления в системе отвода выхлопных газов (снижение нагрузки на дизель) сепаратор устанавливается сразу же за устройством жидкостного охлаждения газов.

Работа системы отвода выхлопных газов и устройства для жидкостного охлаждения и очистки газов (см. фиг.1,2).

Газовый поток, поступая с относительно большой скоростью от дизеля 1, через компенсатор 2, служащий для компенсации перемещений от вибраций дизеля, охлаждаемый участок 3 газопровода поступает в впускную камеру 14 устройства 4 для жидкостного охлаждения газов, на входе которого внутри расположены конусообразные патрубки 24 со встроенными шнековыми завихрителями 33, образующими конфузорную зону, увеличивающую скорость газа, получает сильно закрученное вихревое движение. Жидкость (вода) через штуцер 20 поступает в распылители 21 воды и далее в патрубки 24, образуя водяную завесу, которая эффективно дробится на порции, перемешивается в потоке до мелкодисперсного состояния под действием поля центробежно-массовых сил закручивающегося газового потока. При этом образуется развитая поверхность контакта газа и жидкости, которая непрерывно обновляется за счет постоянного их поступления.

После шнекового завихрителя, на выходе из камер устройства для жидкостного охлаждения газов, насыщенный газ поступает в диффузорную зону, где конденсируется, что также улучшает интенсивность охлаждения. В этих условиях температура газа с 470-550^oC снижается до 45-60^oC, при этом значительно снижается уровень шума.

Пройдя выпускную камеру 16 и охлаждаемый участок 3 газожидкостная смесь, состоящая из насыщенных парами воды выпускных газов дизеля, поступает в прямоточный сепаратор 6, где происходят процессы очистки газов от продуктов неполного сгорания топлива и сепарации капельной жидкостной из двухфазного газового потока с помощью шнекового завихрителя, шнек которого закручен в сторону, противоположную закрутке шнеков устройства для жидкостного охлаждения газов.

Загрязненная несгоревшим топливом и маслом, а также водорастворимыми компонентами токсичных загрязнений (альдегидами, окислами серы, высшими окислами азота), вода с примесью основной массы сажи (90-98%) стекает в поддон сепаратора и удаляется в специальную цистерну обводненных нефтепродуктов или удаляется за борт с помощью эжекционного насоса. Обработанный (охлажденный, осушенный и очищенный) газ через компенсатор 7, компенсирующий перемещение от обжатия прочного корпуса при погружении подводной лодки, охлаждаемый участок 3 газопровода и внутреннюю захлопку 8 поступает в неохлаждаемый прочный участок 9, неохлаждаемую двухпозиционную наружную захлопку 10 и далее за борт через неохлаждаемый участок 11 газопровода в район переменной ватерлинии при работе дизеля в надводном положении подводной лодки или через неохлаждаемый участок 12 газопровода, выхлопной коллектор 13 в верхнюю оконечность ограждения выдвижных устройств при работе дизеля под перископом.

Искры, вылетающие из коллектора дизеля, гасятся в патрубках камеры шнекового завихрителя.

Внутренние объемы устройства для жидкостного охлаждения газов и сепаратора являются дополнительными объемами системы отвода выхлопных газов при запуске дизелей.

Эффект глушения шума выхлопных газов достигается за счет дробления газов на порции, завихрения, перемешивания, прохождения через водяную завесу, изменения направления закрутки и ступенчатого расширения в камерах охлаждения и сепаратора.

Датчик 5 уровня воды реагирует на достижение максимального уровня воды в газовой полости устройства для жидкостного охлаждения газов и дает сигнал на закрытие наружной захлопки 10 и остановку дизеля.

Наружная 10 и внутренняя 8 захлопки системы отвода выхлопных газов выполняют роль первого и второго запоров.

Снижение температуры выхлопных газов приводит к уменьшению его скорости истечения из системы отвода и уменьшению его объемного расхода.

Увеличена надежность, работоспособность системы при частичном заливании газоотвода (особенно в штормовую погоду) в момент изменения диапазонов нагрузки и частоты вращения коленчатого вала дизеля (при неустановившихся и переходных режимах его работы) за счет увеличения скорости потока газа в не залитых водой патрубках устройства, обеспечивающих эффективное перемешивание.

Формула изобретения

1. Система отвода выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания подводной лодки, содержащая соединенный с дизелем газопровод с внутренней и наружной захлопками, выхлопным коллектором и участками газопровода для работы дизеля в надводном положении и под перископом, отличающаяся тем, что она снабжена устройством для жидкостного охлаждения и очистки выхлопных газов с датчиком уровня воды и сепаратором, расположенными внутри подводной лодки между дизелем и внутренней захлопкой газопровода.

2. Устройство для жидкостного охлаждения и очистки выхлопных газов, включающее корпус, патрубки подвода и отвода газа и воды, распылители воды, отличающееся тем, что корпус состоит из соединенных между собой впускной расширяющейся камеры, выпускной сужающейся камеры и расположенной между ними камеры шнековых завихрителей с обечайкой, разделительными переборками и с вваренными в последние конусообразными патрубками, один из которых расположен в центре, а остальные - по окружности разделительных переборок и обечайки камеры, со встроенными в них смесителями, состоящими из шнека и распылителя воды, раскрепленных по центру патрубка, при этом камеры снабжены рубашкой охлаждения, а зарубашечное пространство впускной камеры подключено к патрубку подвода воды и к распылителям, причем патрубок подвода газа подключен к впускной расширяющейся камере, а патрубок отвода газа - к выпускной сужающейся камере.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2