DD217274A1

DD217274A1 - Verfahren zur verminderung der pumpengesamtantriebsleistung in mehrkreisfluessigkeitskuehlsystemen, insbesondere fuer verbrennungskraftmaschinen

Info

Publication number: DD217274A1
Application number: DD25183083A
Authority: DD
Inventors: Alfred Schulz; Volker Diedrichs; Bernhard Gless
Original assignee: Seefahrt Inghochschule
Priority date: 1983-06-08
Filing date: 1983-06-08
Publication date: 1985-01-09

Abstract

Die Erfindung bezieht sich vorrangig auf die Betriebsregimefuehrung der im Schiffsmaschinenbetrieb verwendeten Kuehlwassersysteme von Verbrennungskraftmaschinen und ist erweiterbar auf andere Mehrkreiskuehlsysteme. Das Ziel der Erfindung besteht vor allem in der Minimierung der erforderlichen Gesamtantriebsleistung aller in den Kuehlwassersystemen eingesetzten Pumpenantriebe. Dazu werden die Drehzahlen aller Pumpenantriebe und die Stellungen aller Absperrorgane unter Benutzung einer Steuereinrichtung, vorzugsweise Mikrorechner, so verstellt, dass die Gesamtantriebsleistung bei Einhaltung zulaessiger Grenzwerte bezueglich der Kraftmaschine und des Kuehlsystems minimal wird. Weitere nuetzliche Effekte bestehen darin, dass nicht in jedem Fall alle den Ist-Zustand des Gesamtsystems charakterisierenden Groessen messtechnisch ermittelt zu werden brauchen, wenn deren Bestimmung aus gemessenen Groessen mittels der Steuereinrichtung moeglich ist sowie, dass durch gezielte Erhoehung der Pumpendrehzahlen ueber deren Nennwert hinaus zusaetzliche Reserven gegeben sind. Fig. 1

Description

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a/ Tite 1 der Erfindung:

Verfahren zur Verminderung der Pumpengesamtantriebsleistung in Ifehrkreisf lüssigkeitskühlsystemen, insbesondere für Verbrennungskraftmaschinen.

b/ Anwendungsgebiet der Erfindung: . ' '

Die Erfindung bezieht sich Vorrangig auf die im Schiffs-, maschinenbetrieb verwendeten Kühlwassersysteme von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von Dieselmotoren, mit mindestens zwei medienmäßig getrennten, mittels Wärmeübertrager gekoppelten Kühlwasserkreisläufen. Der Erfindergedanke., kann prinzipiell erweitert werden auf Kühlkreisläufe mit anderen Medien als Wasser und andere Mehrkreiskühlsysteme als solche für Verbrennungskraftmaschinen, zum Beispiel solche in Kraftwerken, Chemieanlagen o. ä.

c/ Charakteristik der bekannten technischen Lösungen,: Infolge der Auslegung der Kühlwassersysteme der Verbrennungskraftmaschinen nach deren maximaler Leistung sowie maximalen Umweltbedingungen, insbesondere der Seewassereintritts temperatur, besteht eine prozeßbedingte .Notwendigkeit der Anpassung des Kühlwassersystemzustarides vor allem an die jeweils aktuelle Verbreniiungskraftiiiaschinenleistung sowie die aktuellen Umweltbedingungen, um vorgegebene Sollwerte aufrechtzuerhalten. Die bekannten <

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technischen Lösungen mit mindestens zwei Kühlwasserkreisläufen und jeweils gesondert .angetriebenen-Pumpen sind dadurch charakterisiert, daß in allen der mindestens zwei Kühlwasserkreisläufen Pumpen mit variabler Drehzahl eingesetzt werden und die Drehzahlen der Pumpen und die Stellungen der Absperrorgane in ihrer Gesamtheit mittels einer Steuereinrichtung (vorzugsweise ein oder mehrere Mikrorechner oder Bordcomputer) so verändert werden, daß die Sollwerte der Drehzahlveränderungen der Pumpen und der Veränderungen der Stellungen der Absperrorgane in Abhängigkeit des Verbrennungskraftmaschinen-, Kühlsystem- und Umweltzustandes zur Einhaltung vorgegebener Sollwerte, insbesondere bezüglich der Verbrennungskraftmaschine, und zulässiger Grenzwerte, insbesondere bezüglich der Verbrennungskraftmaschine und des Kühlsystems, bestimmt werden. Der Hauptmangel der bekannten technischen Lösungen für Kühiwassersysteme mit mindestens zwei Kreisläufen besteht in dem Sachverhalt, daß die Verstellung aller Pumpendrehzahlen und aller Stellungen der Absperrorgane nicht.so erfolgt, daß das Minimum der erforderlichen Gesamtleistung aller Pumpen auftritt.

d/ Ziel der Erfindung;

Das Ziel der Erfindung besteht in der Minimierung der erforderlichen Gesamtantriebeleistung aller Pumpen bei Einhaltung vorgegebener Sollwerte bezüglich der Verbrennungskraftmaschine und zulässiger Grenzwerte bezüglich der Verbrennungskraftmaschine und des Kühlsystems. Ein weiterer nützlicher Effekt besteht in der'Realisierung einer Reserve für die Anpassung des KuhIsystemzustandes über die Auslegungszuständehinaus, wenn infolge auslegungsbedingter Toleranzen bei der Anpassung der Aatriebsmotoren an die Pumpen eine Drehzahlerhöhung dieser über den Nennwert hinaus möglich, ist.

- 3 - . . e/ Darlegung des Wesens der Erfindung: Die durch die Erfindung zu lösende technische Aufgabe besteht ihrem Wesen nach darin,· die. Drehzahlen aller Pumpen und die Stellungen aller Absperrorgane in ihrer Gesamt- " he it durch eine Steuereinrichtung so zu verstellen·,¹ daß ⁽ der Arbeitspunkt des Kühlwassersystems mit minimaler, erforderlicher Gesamt antriebsleistung bei Einhaltung der vorgegebenen Sollwerte und zulässigen'· Grenzwerte erreicht wird. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch "gelöst, daß die erforderliche Anpassung des Kühlsystemzustandes an die aktuelle Leistung der Verbrennungskraftmaschine und die aktuellen Umweltbedingungen zur Aufrechterhaltung. der vorgegebenen Sollwerte bezüglich der Verbrennungskraftmaschine solange ausschließlich mittels einer Ver- stellung der Pumpendrehzahlen erfolgt, bis zulässige Grenzwerte bezüglich der Verbremiungskraftmaschine und/oder bezüglich des Kühlsystems erreicht werden. In diesem Bereich .sind infolge der Stellungen der Absperrorgane vorhandene Bypässe unwirksam und die Bestimmung der Drehzahlsollwerte der Pumpen erfolgt zur Minimierung der erforderlichen Gesamtleistung durch die Steuereinrichtung, zum Beispiel nach Suchverfahren oder anderer Methoden. Bei Erreichen eines oder mehrerer Grenzwerte in einem oder mehreren der mindestens zwei Kreisläufe erfolgt eine weitere Anpassung in den Kreisläufen, in welchen der oder die Grenzwerte erreicht werden, durch Veränderung der Stellung der Absperrorgane zur Aufrechterhaltung der vorgegebenen Sollwerte. Vorzugsweise vorgegebener und einzuhaltender Sollwert bezüglich der Verbrennungskraftmaschine ist die Austrittstemperatur des Kühlmittels. Zulässige Grenzwerte sind vorzugsweise . .

^- bezüglich der Verbrennungskraftmaschine der minimal zulässige Kühlmitteldruck vor und. Kühlmittelvolumenstrom durch die Verbrennungskraftmaschine sowie die ..

maximal zulässige Temperaturdifferenz zwischen Kühlmitte le in- und -austritt;

- bezüglich des Kühl&ystems die maximal zulässigen Temperaturen der Wicklungen der elektrischen Pumpenantriebsmotoren, die minimal zulässigen Kuhlflüssig-· keitsdrücke in den einzelnen Kreisläufen sowie die minimal zulässigen Strömungsgeschwindigkeiten in den Rohrleitungen und Wärmeübertragern. Besonders im Seewasserkreislauf kann die minimal zulässige Strömungsgesohwi ndigkeit von dem Verschmutzungsgrad und der Sintrittstemperatur des Seewassers abhängig gemacht werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß gegenüber bekannten technischen Lösungen

- innerhalb des durch die genannten zulässigen Grenzwerte bestimmten Bereiches des Ist-Zustandes des Gesamtkühlsystems zur Aufrechterhaltung der/des genannten geforderten Soll-Werte(s) ausschließlich eine Verstellung der Pumpendrehzahlen so erfolgt, daß die erforderliche Gesamtantriebsleistung aller Pumpen minimal wird;

- bei dem Erreichen eines oder mehrerer zulässiger Grenzwerte in einem oder mehreren Küh!flüssigkeitskreis laufen die weitere Anpassung des Kühlsystemzustandes zur Aufrechterhaltung der/des geforderten Soll~Werte(s) so erfolgt, daß die genannten zulässigen Grenzwerte erreicht, aber nicht überschritten werden und die erforderliche¹ Gesamtantriebsleistung für alle Pumpen unter dieser Randbedingung minimal wird;

- zum Zwecke einer Verätellung der Pumpendrehzahlen und einer Verstellung der Absperrorgane mit dem genannten Ziel die Steuereinrichtung (vorzugsweise

ein oder mehrerer Mikrorechner) die dazu erforderlichen Veränderungen auf der Grundlage des Ist-Zustandes mittels Suchverfahren, Extremwertalgorithmen oder anderen Verfahren in ihrer Gesamtheit bestimmt;

- es dann nicht in jedem Fall notwendig ist, die den Ist-Zustand des Gesamtkühlsystems charakterisierenden Größen meßtechnisch zu ermitteln, wenn, deren üestimuiung aus gemessenen Größen mittels der Steuereinrichtung möglich ist';" ' ' · . . _::>

- bei einer Belastung des Kühlsystems über den Ausle-r· gungszustand hinaus, zum Beispiel infolge erhöhter Verbrennungskraftmaschinenleistung und/oder erhöhtei· Umweltbedingungen (Seewassereintrittstemperatur), durch e.ine' Erhöhung der \Pumpendrehzahlen die geforderten Sollwerte solange aufrechterhalten werden, wie die zulässigen Grenzwerte (insbesondere die Wicklungstemperaturen der elektrischen Pumpenantriebsmotoren) nicht überschritten werden. <

f/ Ausführungsbeispiel: , ,

Als ein das, Wesen der Erfindung'deutlich charakterisierendes Ausführungsbeispiel wird das Verfahren zur Verminderung der Pumpengesamtantriebeleistung in Mehrkreis-, flüssigkeitskühlsystemen für Verbrennungskraftmaschinen in seiner Anwendung auf das aus Frisch- und Seewasserkreislauf bestehende Kühlwassersystem von Schiffsdieselmotoren betrachtet. Liegen die der Ausführung des Gesamtkühlsystems zugrunde gelegten Bedingungen vor, dann fordert die mit Ifenndrehzahl arbeitende Frischkühlwasserpumpe 1 das Frischwasser zu einem Wärmeübertrager 3. Von, dort wird das Kühlwasser dem oder den Dieselmotoren 6 zugeführt. Der den Wärmeübertrager umgehende Bypass 5 ist infolge der Stellung des Absperrorgans 4- unwirksam. Die gleichfalls mit Itenndrehzahl arbeitende- Seewasserpumpe 8

fördert das Seewasser zu dem Wärmeübertrager 3 und den Einrichtungen 11 und 12. Von dort gelangt das Seewasser zu den Ausgußventilen 13 und 17. Der Bypass 14 zwischen Seewasserausgußventil 13 und See- oder Mischkasten 10 ist infolge der Stellung des Absperrorgans 15 wirkungsr· los.

Verringert sich infolge geringerer Leistung des Dieselmotors 6 und/oder geringerer Eintrittstemperatur des Seewassers die Austrittstemperatur des Dieselmotor-Kühlwassers, xvelche gemessen und der Steuereinrichtung 18 zugeführt wird, dann bestimmt die Steuereinrichtung die mittels der Drehzahlstelleinrichtungen und Elektromotoren 2 und 9 einzustellenden Drehzahlen der Pumpen 1 und 8 zur Aufrephterhaltung der geforderten Austrittstemperatur des Dieselmotorkühlwassers so, daß die erforderliche Gesamtantriebeleistung beider Pumpen.minimal wird.

Die dargestellte Anpassung des Gesamtkühlsystemzustandes an veränderte DieseMotorleistungen und/oder Seewassereintrittstemperaturen durch ausschließliche Veränderung der Pumpendrehzahlen erfolgt solange, wie vorgegebene Grenzwerte besonders für

- die maximale Temperaturdifferenz zwischen Kühlwasserein- und -austritt^:des Dieselmotors 6,

- den .minimalen Kühlwasservolumenstrom durch den Dieselmotor 6,

- den minimalen Küh!wasserdruck am Dieselmotoreintritt,

- die minimale Strömungsgeschwindigkeit des Seewassers durch den Wärmeübertrager 3, welche vom Verschmutzungsgrad und der Eintrittstemperatur des Seewassers abhängig sein kann,

-die minimalen Volumenströme des Seewassers durch die Einrichtungen 11 und 12, ' .

- die minimalen Drücke des Seewassers an den Seewassereintritten der Einrichtungen 11 und 12 sowie

- die maximalen Temperaturen der Elektromotoren 2

- 7 - .. . . ' ' und 9 (besonders die Wicklun^stemperaturen)

nicht überschritten werden. - V

Zur Feststellung dieses Sachverhaltes werdeil die· genannten Grenzwerte der Steuereinrichtung eingegeben und mit den entsprechenden zu messenden und/oder durch die Steuereinrichtung zu bestimmenden Ist-Werte verglichen. Im allgemeinen zu messen und der Steuereinrichtung zuzuführen sind die Ein- und Austrittstemperaturen des Dieselmotorkühlwassers, der Verschmutzungsgrad'und die Eintrittstemperatur des Seewassers sowie die Umgebungstemperaturen der- Elektromotoren. :.

Alle anderen erforderlichen Ist-Werte, welche zu dem genannten Vergleich mit den zulässigen Grenzwerten benötigt werden, müssen dann nicht gemessen werden, wenn es möglich ist, diese durch die Steuereinrichtung zu bestimmen. So kann zum Beispiel auf die Zuführung von Meßwerten für die Pumpendrehzahlen zur Steuereinrichtung¹ 18 verzichtet werden, wenn die Drehzahlstelleinrichtungen für< die Elektromotoren 2 und 9.mit entsprechenden Drehzahlreglern ausgerüstet sind. Analoges gilt für die Erfassung des Volumenstromes, da dieser entsprechend der zu bestimmenden Kennlinie des jeweiligen wirksamen Gesamtströmungssystems aus den Pumpendrehzahlen mittels der Steuereinrichtung bestimmt werden kann. Gleiches gilt für die genannten Kühlwasserdrücke. Das dargestellte Prinzip ist übertragbar auf . die Ermittlung der Stellungen der Absperr organe 4-, 15, 19 und 20, wenn die entsprechenden Stelleinrichtungen 7, 16, 21 und 22 mit Heglern.ausgerüstet sind. Das Prinzip ist gleichfalls übertragbar'auf die Bestimmung der,Wicklungstemperaturen der Elektromotoren mit Drehzahlstell einrichtung 2 und 9, da bei gegebener Spannung der Strom aus der Drehzahl und die Temperaturen aus dem Strom mittels: der Steuereinrichtung · bestimmt xverden können.! ._: ·

In allen der genannten Fälle stellen dann die durch die Steuereinrichtung 18 bestimmten Soll-Werte für die Stelleinrichtungen gleichzeitig die Ist-Werte der entsprechenden Größe dar, aus denen weitere Größen für den genannten Vergleich bestimmt werden können. Wird durch die Steuereinrichtung die Funktion der Hegler der Stelleinrichtun- _ gen mit erfüllt, ist demgegenüber eine entsprechende Zuführung der jeweiligen Meßwerte zur Steuereinrichtung erforderlich.

Werden ein, mehrere oder alle zulässigen Grenzwerte erreicht, dann erfolgt die weitere Anpassung des Kühlsystemzustandes an eine weiter veränderte Dieselmotor-Ieistung und/oder Seewassereintrittstemperatur durch Verstellung der Pumpendrehzahlen und der Stellungen der Absperrorgane 4, 15» 19, 20 so, daß die geforderte Austrittstemperatur des Dieselmotorkühlwassers gehalten, der oder die zulässigen Grenzwerte erreicht, aber nicht überschritten und die erforderliche Gesamtantriebsleistung unter diesen Bedingungen minimal wird. Dazu werden die erforderlichen Soll-Werte der Pumpendrehzahlen und der Stellungen aller Absperrorgane 4, 15, 19, 20 in ihrer Gesamtheit durch die Steuereinrichtung 18 bestimmt und den entsprechenden Stelleinrichtungen 2, 9, 7, 16, 21, 22 zugeführt. ,

Claims

Erfindung?? anspruch:

1. Verfahren zur Verminderung der Pumpengesamt antriebsleistung in Mehrkreisf lüssigkeitskühlsystemen-, insbesondere für Verbrennungsloraftmaschinen, vprzugs-/ weise für Schiffsdieselmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassung des Kühlsystemzustandes an veränderte Zustände der Verbrennungskraftmaschine und/oder der Umwelt zur Aufrechterhaltung von einzuhaltenden Sollwerten bezüglich der Verbrennungskraftmaschine bei Einhaltung zulässiger Grenzwerte bezüglich der Verbrennungskraftmaschine und des Kühlsystems (einschließlich der Elektromotoren der Pumpen) mittels der Verstellung aller Pumpendrehzahlen und gegebenenfalls der Stellung aller Absperrorgane in ihrer Gesamtheit so erfolgt, daß die erforderliche Gesamtantriebsleistung aller Pumpen minimal wird·

2„ Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassung solange durch ausschließliche Veränderung der Pumpendrehzahlen erfolgt, wie zulässige Grenzwerte nicht überschritten werden; an-T schließend die Anpassung durch die Veränderung der

Pumpendrehzahlen und die der Stellungen der Absperr organe so erfolgt j daß der öder die Grenzwerte erreicht, aber nicht überschritten werden und die Gesamtantriebsleistung aller Pumpen unter diesen Bedingungen minimal wird.

3. Verfahren nach Punkt i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Erhöhung der Leistungsfähigkeit des Kühlsystems dadurch erreicht wird, daß gegebenenfalls durch eine Erhöhung der Pumpendrehzahlen in einem durch die Wicklungstemperaturen der elektrischen Pumpenantriebsmotoren begrenzten Bereich die Volumenströme der Kühlflüssigkeit erhöht werden.