سیستم خنک کاری دیزل ژنراتور

خنک کاری دیزل ژنراتور

یک دیزل ژنراتور در هنگام کار، حرارت زیادی تولید می‌کند که اگر کنترل نشود، می‌تواند منجر به خرابی موتور و افت توان آن شود. به منظور جلوگیری از این مشکلات و حفظ عملکرد بهینه، سیستم خنک کننده وظیفه دارد حرارت را کنترل  کند و  با جذب حرارت اضافی از موتور، دمای آن را در محدوده‌ای ایده‌آل نگه دارد. بدون سیستم خنک کننده کارآمد، دیزل ژنراتور ممکن است نتواند به طور مداوم و قابل اعتماد کار کند، بنابراین این سیستم بسیار حیاتی و مهم است. در این به مقاله به معرفی انواع سیستم‌های خنک کاری مورد استفاده در دیزل ژنراتورها می‌پردازیم.

توزیع انرژی در دیزل ژنراتور

قبل از اینکه به جزئیات  سیستم خنک کاری برای دیزل ژنراتور بپردازیم، بهتر است توزیع انرژی در یک دیزل ژنراتور معمولی را بررسی کنیم. قانون پایستگی انرژی بیان می‌کند که انرژی به وجود نمی‌آید و از بین نیز نمی‌رود، بلکه از حالتی به حالت دیگر تبدیل می‌شود. همانطور که در شماتیک زیر مشاهده می کنیم، انرژی ورودی دیزل ژنراتور سوخت مصرفی آن است و معمولا کمتر از 40% انرژی حاصل از احتراق در آن (بسته به نوع موتور، فرآیند احتراق، سوخت مصرفی، نوع دینام و غیره) در نهایت به عنوان انرژی الکتریکی در خروجی قابل حصول است. بیشتر انرژی ناشی از احتراق سوخت به راحتی به انرژی گرمایی تبدیل می‌شود. اگرچه بیشتر موتورهای دیزلی مدرن امروزی با استفاده از توربوشارژرها، مقداری از انرژی خروجی اگزوز را نیز استفاده می کنند اما با این حال، هنوز مقدار قابل توجهی گرما از طریق سطوح داغ و مایع خنک کننده آن به محیط اطراف منتقل می شود. اگر این حرارت از اطرف موتور دفع نشود، منجر به آسیب رساندن به دیزل ژنراتور می‌گردد و از طول عمر آن می‌کاهد. لذا وجود یک سیستم خنک کنده برای دفع حرارت اطراف دیزل ژنراتور بسیار ضروری است.

توزیع انرژی در دیزل ژنراتور

اجزا و عملکرد سیستم خنک کاری دیزل ژنراتور

سیستم خنک کاری بخش مهمی از دیزل ژنراتور را شامل می‌شود. به طور کلی سیستم خنک کاری در دیزل ژنراتور سه عملکرد مهم را انجام می‌دهد. ابتدا گرمای اضافی را از موتور خارج می کند. دوم، موتور را در سریع ترین زمان ممکن به دمای کارکرد مناسب می‌رساند و در نهایت دمای موتور در در محدوده‌ای که بهینه‌ترین  عملکرد را دارد حفظ می کند. اجزای یک سیستم خنک کاری شامل قطعات زیر می‌گردد:

• واتر پمپ
• رادیاتور
• فن رادیاتور
• ترموستات
• شلنگ‌ها و اتصالات
• گرمکن آب

همانطور که دمای زیاد موجب آسیب رسیدن به دیزل ژنراتور می‌گردد، کار در دماهای پایین نیز موجب کاهش طول عمر موتور دیزلی می‌شود؛ لذا دیزل ژنراتور باید در یک محدوده دمایی مشخص کار کند. عملکرد سیستم خنک کننده در دیزل ژنراتور بدین صورت می‌باشد که پس از روشن شدن دستگاه، دیزل ژنراتور شروع به گرم شدن می‌کند و بعد از آنکه به محدوده دمای مناسب رسید، ترموستات (که مانند یک شیر قطع و وصل مایع خنک کننده عمل کرده و بر اساس دما کار می‌کند) مسیر عبور مایع خنک کننده از طرف بدنه موتور به سمت رادیاتور را باز کرده و واتر پمپ با پمپاژ مایع خنک کننده به شبکه رادیاتور، بخش زیادی از حرارت ناشی از احتراق که جذب مایع خنک کننده شده را به طرف رادیاتور می‌فرستد.  مایع خنک‌کننده گرم داخل رادیاتور با عبور از لوله‌هایی که در معرض هوای سردتر هستند، حرارت خود را به جریان هوایی که توسط فن خنک کننده از کنار موتور کشیده می شود منتقل کرده گرما را از طریق تشعشع از خود دور می‌کنند.

انواع سیستم‌های خنک کاری در دیزل ژنراتور

سازندگان دیزل ژنراتورهای صنعتی، طرح‌های مختلفی را برای سیستم خنک کاری ارائه می دهند. رایج‌ترین سیستم‌های خنک کننده حلقه بسته که در دیزل ژنراتورها مورد استفاده قرار می‌گیرند عبارتند از:

1. یک مسیر و یک واتر پمپ (Single Pump Single Loop)

این سیستم ها دارای یک مسیر واحد و یک واتر پمپ واحد برای مسیر خنک کاری هستند و بسته به نوع سیستم افترکولر مورد استفاده، به دو دسته زیر تقسیم می‌شوند:

1.1. افتر کولر هوا خنک

در این سیستم‌ها، تنها یک مسیر خنک‌کاری از طریق مایع خنک کننده وجود دارد؛ بدین ترتیب که مایع خنک کننده از رادیاتور به بدنه موتور وارد شده و پس از جذب حرارت موتور مجددا به رادیاتور باز می‌گرد. خنک کاری هوای ورودی موتور نیز از طریق یک مبدل حرارتی هوا خنک و مجزا از سیستم خنک کاری موتور انجام می‌شود. موتورهای سری QSK23 کامینز پاور که در دیزل ژنراتورهای C825D5 و C900D5 مورد استفاده قرار گرفته از این نوع سیستم خنک کاری بهره می‌برند.

اجزای سیستم خنک کاری دیزل ژنراتور با افترکولر هواخنک 

1.2. افترکولر آب خنک

در این نوع موتورها، هوای ورودی از توربو شارژ پس از خنک شدن از طریق مایع خنک کننده در افترکولر، وارد محفظه سیلندر می‌شود. به عبارتی  سیستم خنک کاری هوای توربوشارژ با همان خنک کننده موتور انجام می‌شود و از نوع آب خنک است. موتورهای سری KTA38 کامینز پاور که در دیزل ژنراتورهای C1000D5B و C1100D5B و C1250D5A استفاده شده اند، از این نوع سیستم خنک کاری استفاده می‌کنند.

دیاگرام سیستم خنک کاری دیزل ژنراتور با یک واتر پمپ و یک مسیر

2. دو مسیر و یک واتر پمپ

در این نوع سیستم‌های خنک کاری مورد استفاده در دیزل ژنراتورها، خنک کاری موتور و افترکولر از طریق یک واتر پمپ اما از مسیرهای جداگانه انجام می‌شود. موتورهای KTA50-G3 و KTA50-GS8 که به ترتیب در دیزل ژنراتورهای C1400D5 و C1675DA کامینز پاور مورد استفاده قرار گرفته‌اند، از این نوع سیستم خنک کاری بهره‌ می‌برند. دیاگرام مسیر خنک کاری دیزل ژنراتور در این سیستم‌ها مطابق شکل زیر می‌باشد:

دیاگرام سیستم خنک کاری دیزل ژنراتور با یک واتر پمپ و یک مسیر

3. دو مسیر و دو واتر پمپ

در این مدل سیستم‌های خنک کاری، یک مسیر و یک واتر پمپ برای خنک کاری موتور و یک مسیر و یک واتر پمپ مجزا برای خنک کاری هوای ورودی دیزل ژنراتور از مسیر توربو شارژر، در نظر گرفته شده است. کلیه موتورهای سری QSK60 که در دیزل ژنراتورهای C2000D5، C2250D5 ، C2500D5A و C2750D5BE کامینز پاور به کار گرفته شده‌اند از این نوع سیستم خنک کاری استفاده می‌کنند.دیاگرام این سیستم‌های خنک کاری مطابق شکل زیر می‌باشد:

دیاگرام سیستم خنک کاری دیزل ژنراتور با دو واتر پمپ و دو مسیر 

اهمیت رادیاتور در سیستم خنک کاری دیزل ژنراتور

رادیاتور یکی از اجزای اصلی سیستم خنک کاری یک دیزل ژنراتور است که وظیفه اصلی آن خنک کردن مایع خنک کننده ای است که از موتور عبور می‌کند. این مایع حرارت را از موتور و قسمت‌‌های داغ جذب کرده و به رادیاتور منتقل می‌کند. سپس رادیاتور با استفاده از یک فن ، حرارت را از مایع خنک کننده خارج می‌کند. رادیاتور یک جزء حیاتی از سیستم خنک کاری یک دیزل ژنراتور است. انتخاب نوع مناسب رادیاتور بستگی به شرایط محیطی دارد که دیزل ژنراتور در آن کار می‌کند. با انتخاب رادیاتور مناسب، می‌توان عملکرد و طول عمر دیزل ژنراتور را افزایش داد. کیفیت ساخت رادیاتور بستگی به چندین عامل دارد. این عوامل شامل مواد اولیه استفاده شده، فرآیند ساخت، طراحی و کنترل کیفیت در طول فرآیند تولید است.

دمای کار رادیاتور

در دیزل ژنراتورها معمولا برای بیان دمای کار رادیاتور از دو تعریف استفاده می‌شود. تعریف اول که رایج‌ترین بوده دمای محیط (Ambient Temperature) است که منظور از آن، دمای هوایی است که از قسمت ورود هوا به اتاق دیزل ژنراتور وارد شده ولی هنوز با دیزل ژتراتور تبادل حرارتی انجام نداده است. این دما معمولاً به صورت میانگین دمای دو نقطه که در فاصله یک متری از انتهای ژنراتور در زاویه 45 درجه از آن و ارتفاع یک متری از سطح زمین و مطابق شکل زیر اندازه گیری می شود.

تعریف دیگری که برای دمای کار رادیاتور استفاده می‌شود، دمای هوای هسته رادیاتور (Air on Core) است و منظور از آن، دمای هوایی است که پس از گذشتن از قسمت ژنراتور و موتور، از مرکز رادیاتور عبور می کند و به طور قابل توجهی گرمتر از هوای ورودی به اتاق دیزل ژنراتور است. هنگامی که هوا در طول دیزل ژنراتور گردش می‌کند پس از تبادل حرارتی با قسمت‌های ژنراتور،  بدنه موتور و اگزوز، دمای آن حداقل حدود 10 درجه سانتیگراد افزایش می‌یابد. به عبارت دیگر هنگامی که دمای کار رادیاتور بر اساس Air on Core بیان می‌شود، این دما از دمای محیط بیشتر بوده چراکه دمای هوای واقعی در هسته رادیاتور بالاتر از درجه دمای هوای ورودی سیستم خنک کاری است. در شکل زیر تفاوت دو معیار اندازه‌گیری دمای کار رادیاتور بیان شده است.

محل اندازه‌گیری دمای کار رادیاتور بر اساس شاخص‌های AOC و دمای محیط 

نتیجه گیری

یکی از مواردی که در خرید دیزل ژنراتور باید در نظر گرفت سیستم خنک کاری آن می‌باشد. سیستم‌های خنک کاری در دیزل ژنراتورها بسته به نوع موتور و توان آن، برای خنک کاری بدنه موتور و هوای ورودی توربو شارژ از مسیرهای واحد یا مجزا استفاده می‌کنند. در دیزل ژنراتورهای توان بالا به دلیل اهمیت سیستم خنک کاری در طول عمر و راندمان آن، از دو واتر پمپ و دو مسیر مجزا برای خنک کاری بدنه موتور و هوای توربو شارژ استفاده می‌شود. یکی از مهم‌ترین اجزای سیستم خنک کاری دیزل ژنراتور رادیاتور آن بوده که کیفیت و طراحی آن نقش بسزایی در بهبود عملکرد سیستم خنک کاری دستگاه دارد. سازندگان معتبر دیزل ژنراتور با شبیه سازی جریان هوا در یک اتاق که دیزل ژنراتور در آن تحت آزمایش می‌باشد، دمای محیط را در نقاط مختلف اتاق و رادیاتور اندازه‌گیری می‌کنند تا دمای مناسب برای کارکرد مطمئن دستگاه مشخص شود. اما مونتاژ کنندگان متفرقه دیزل ژنراتور به دلیل اینکه امکان اجرای تست‌های معتبر را ندارند، ممکن است در انتخاب رادیاتور دچار خطا شوند. برخی از مونتاژ کنندگان متفرقه، در بیان دمای کار رادیاتور به جای شاخص دمای محیط (Ambient Temperature) شاخص دمای مرکز رادیاتور (Air-on-Core) بیان کرده و ادعا می‌کنند که این دیزل ژنراتور برای کار در دمای 50 درجه طراحی شده است! در حالیکه سیستم خنک کاری آن دیزل ژنراتور برای کار در دمای محیط 40 درجه در نظر گرفته شده و دمای هوا در مرکز رادیاتور آن به حدود 50 درجه سانتی گراد می‌رسد و در صورتی که دمای محیط به 50 درجه سانتی گراد برسد، دمای مرکز رادیاتور حدود به 60 درجه (بر اساس Air-on-Core) رسیده و باعث کاهش راندمان و طول عمر دیزل ژنراتور می‌شود.