Температура наружного воздуха на входе оказывает также существенное влияние на эффективность дизелей, приводящих электрогенератор. Так, каждые 10 °С повышения температуры воздуха приводят к снижению эффективного КПД η_е дизелей на 0,5...0,7 % и соответствующему возрастанию удельного расхода топлива b_е. Сокращение массовой подачи воздуха в цилиндры, обусловленное снижением его плотности, вызывает уменьшение мощности двигателей на 5...7 %. Возрастание температуры t_зв забортной воды, подаваемой на охладители наддувочного воздуха (ОНВ) и отличающейся от температуры наружного воздуха на 2...4 °С при высоких и умеренных ее значениях, приводит к снижению эффективности охлаждения наддувочного воздуха, которое могло бы демпфировать негативное воздействие повышенных температур воздуха на входе турбокомпрессора (ТК). Следствием этого является дополнительное ухудшение показателей экономичности работы приводных дизелей в целом и электрогенераторов в частности.

Известным способом снижения температуры наддувочного воздуха судовых дизелей является турбодетандерное охлаждение (ТДСО), применяемое в двигателях фирмы "Купер-Бессемер" еще с 1950 г., в которых сжатие воздуха осуществляется последовательно в двух центробежных компрессорах с приводом первого компрессора от утилизационной турбины (УТ), установленной на газовыхлопе, а второго - от воздушного турбодетандера, при расширении в котором и происходит окончательное охлаждение наддувочного воздуха. При этом предусмотрено также промежуточное его охлаждение водой после каждого из компрессоров. Главным достоинством ТДСО является отсутствие специального холодильного агента, роль которого выполняет воздух, и относительная простота конструкции. Низкие КПД турбокомпрессорных агрегатов на то время (η_ТК = 0,55...0,60) и малые степени повышения давления компрессоров (π_к = 1,3...2,7) обусловливали невысокую эффективность турбодетандерного охлаждения наддувочного воздуха судовых дизелей "Купер-Бессемер" по сравнению с обычным водяным.

Благодаря высоким КПД и π_к современных ТК (η_ТК = 0,7 и приближаются к 0,75, π_к = 3,5...4,5) при нагрузках двигателей выше 50 % образуется избыток энергии выпускных газов (сверх необходимой для наддува дизелей), для реализации которого ведущими дизелестроительными фирмами разработаны системы более полной утилизации энергии выпускных газов, в частности, турбокомпаундные системы (ТКС) с байпасированием части выпускных газов (10...15 % общего расхода), минуя ТК, на вход дополнительной газовой турбины и использованием получаемой в турбине механической энергии для привода гребного вала (дополнительно к мощности главного двигателя) или электрогенератора. Турбокомпаундные системы утилизации применяются в двухтактных главных двигателях. При этом пар, вырабатываемый утилизационным котлом (УК), используется в паровой турбине, мощность которой также либо передается на гребной вал, либо используется для привода электрогенератора.

Таким образом, при нагрузках дизелей свыше 50 % благодаря повышенным КПД современных турбокомпрессорных агрегатов (π_к = 0,70...0,75 против 0,55...0,60 в 1950-х годах) образуется избыток энергии выпускных газов (свыше необходимой для турбонаддува), который реализуется различными системами утилизации. Объемы избыточной энергии зависят от температуры выпускных газов: для четырехтактных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с температурой газов после двигателя t_у.г. = 450...500 °С они больше, чем для двухтактных с гораздо меньшими значениями t_у.г.

Целью исследования является оценка целесообразности предварительного охлаждения воздуха на входе наддувочных турбокомпрессоров судовых дизелей в турбодетандерной холодильной машине, использующей энергию выпускных газов.

В основу концепции турбодетандерного охлаждения воздуха на входе судовых дизелей положена гипотеза использования избыточной (сверх необходимой для наддува) энергии выпускных газов, образующейся при нагрузках дизелей свыше 50 %, для увеличения производительности турбокомпрессора. В случае двухтактных дизелей избыточная энергия составляет 10...15 % мощности двигателя Ne, для четырехтактных - 20 % и выше.

Правомерность указанной гипотезы вытекает из следующих рассуждений. Поскольку КПД турбокомпрессорных агрегатов η_ТК существенно зависит от степени повышения давления π_к, принимая максимальное значение при некоторой оптимальной величине π_кopt, например для ТК типа МЕТ МА η_ТКmax = 0,74 при π_кopt = 3,3, и снижаясь до η_ТК = 0,67 при последующем увеличении π_к до 4,5, то представляется целесообразным реализовывать избыточную энергию выпускных газов не путем повышения давления наддувочного воздуха сверх требуемого для наддува (с учетом последующего его уменьшения в турбодетандере до давления наддува), что вызывает снижение КПД ТК, как в традиционной турбодетандерной системе охлаждения наддувочного воздуха, а увеличением производительности ТК с использованием энергии избыточного количества наддувочного воздуха в ТДСО воздуха на входе двигателя.

В отличие от ТДСО наддувочного воздуха, работающей при повышенных π_к (сверх необходимых для наддува) и, следовательно, при пониженных КПД ТК, в предлагаемых ТДСО охлаждения воздуха на входе ТК увеличение производительности ТК происходит при оптимальных величинах π_к, не превышающих требуемые для наддува, т.е. без уменьшения КПД ТК. Согласно вышеприведенной гипотезе источником энергии для ТДСО воздуха на входе судовых дизелей служит избыточная мощность высокоэффективных турбонаддувочных агрегатов (с η_ТК = 0,7...0,75), образующаяся при нагрузках дизелей свыше 50 % и реализуемая путем увеличения производительности ТК с использованием энергии избыточного количества наддувочного воздуха в ТДСО.

Результаты расчетов показывают, что при исходных температурах воздуха, подаваемого на вход ТК двигателя, составляющих 35 °C (наружный воздух, соответствующий тропическим условиям эксплуатации) и 45 °C (воздух в машинном отделении), температура воздуха на выходе из турбодетандера может достигать —40 °C и —30 °C, соответственно. В зависимости от количества избыточного наддувочного воздуха, подаваемого в турбодетандер ТДСО, снижение температуры воздуха на входе ТК двигателя ∆t_в за счет смешения наружного воздуха с охлажденным в ТДСО составит около 10 °C (при расходе сжатого воздуха через турбодетандер ТДСО 10 % от общего его расхода) и почти 20 °C при 20 % суммарного расхода.

С учетом того, что каждые 10 °C снижения температуры воздуха на входе вызывают увеличение эффективного КПД η_е судовых дизелей на 0,5...0,7 %, можно ожидать абсолютного повышения η_е на 1,0...1,5 % за счет применения турбодетандерного охлаждения воздуха на входе двигателя.