Исследование теплообмена в замкнутых системах охлаждения

УДК 629.12.03-711.001.5:536.2





                ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА
                В ЗАМКНУТЫХ СИСТЕМАХ ОХЛАЖДЕНИЯ




            К. Ю. Федоровский


   В настоящее время для отвода избыточного тепла от судовой энергетической установки (ЭУ) наиболее часто используют двухконтурную разомкнутую систему охлаждения. Как показывает практика, в контуре забортной воды особенно сильно протекают процессы коррозии и обрастания, что существенно снижает сроки и надежность его эксплуатации. Для ряда судов (плавкраны, землечерпалки, буксиры и др.) указанные факторы проявляются еще в большей степени, что связано с их работой на мелководье в условиях сильно загрязненной акватории. Кроме того, вода, поступающая в водоем из системы охлаждения, оказывает вредное воздействие на окружающую среду.
   Таким образом, вопрос создания замкнутых систем охлаждения является весьма важным для повышения надежности эксплуатации судов, уменьшения трудоемкости ремонтных работ и охраны окружающей среды от загрязнения [1]. Наиболее часто с этой целью применяются обшивочные теплообменные аппараты (ОТОА). В общем случае они представляют собой систему смежных каналов прямоугольной формы (рис. 1), прилегающих с внутренней стороны к обшивке корпуса судна. Горячая пресная вода, нагретая в ЭУ, проходя через ОТОА, отдает свое тепло забортной воде.
   Широкое использование ОТОА в практике отечественного судостроения сдерживается отсутствием достаточно точных расчетных зависимостей по теплопередаче в них. Расчет аппарата должен производиться для наиболее неблагоприятного, с точки зрения теплопередачи, случая. Таковым, по нашему мнению, является стоянка судна, при которой теплоотдача забортной воде осуществляется посредством свободной конвекции. Теоретические и экспериментальные данные, приведенные в ряде технических источников, например в работе [2], не учитывают всех специфичных условий работы таких теплообменников. Из рассмотрения конструкции ОТОА 3*

видно, что теплоотдача в каналах характеризуется неравномерностью по периметру сечения, изменяющимися по длине температурным напором и плотностью теплового потока, влиянием поворотов и т. д. Таким образом, на внутренней и наружной стенках обшивки судна в районе расположения ОТОА складываются весьма сложные тепловые граничные условия. Это не может не сказаться на процессе теплопередачи.

    В целом, величина коэффициента теплопередачи К (Вт/(м²-К) теплообменника определяется из известного выражения:

где а₂ — коэффициенты теплоотдачи соответственно в канале аппарата и от обшивки корпуса забортной воде, Вт/(м²-К);
       5—толщина обшивки корпуса судна, м;
       X — коэффициент теплопроводности материала обшивки корпуса судна, Вт/(м-К).
    С целью получения зависимостей для расчета коэффициентов теплоотдачи в (1) были проведены специальные экспериментальные исследования. В модели ОТОА с размерами теплоотдающей поверхности 1X1 м создавалось движение горячей пресной воды, аналогичное схеме рис. 1. При этом за счет применения теплоизоляции обеспечивалась неравномерность теплоотвода по периметру сечения канала. Для моделирования натурных условий теплообменник помещался в емкость вместимостью 20 м³ с неподвижной морской водой. С учетом различных вариантов размещения ОТОА в корпусе судна была предусмотрена возможность изменения угла наклона ф модели теплообменника.
    Проведенные исследования позволили уточнить специфичные для данных аппаратов особенности процесса теплообмена, основные из которых были упомянуты выше. На рис. 2 даны опытные значения коэффициента теплопередачи К. Качественный анализ показывает, что его величина существенно зависит от угла наклона ф и температурного напора Д/ в аппарате и возрастает с их увеличением. Видно, что интенсификация теплообмена за счет At более эффективна для больших значений ф. Следовательно, чтобы получить

минимальные площади ОГОА, необходимо обеспечить максимально возможные значения указанных параметров.
     Критериальная обработка экспериментального материала по теплоотдаче в каналах аппарата представляется в виде зависимости (8 • 10³<Re<33 • 10⁴):

/ л/ \°’⁹/Рг \°’²⁵/Г \³ fK,-46.Re«.<P4<(49 (£g-)            (2)


 где tZ₉K — эквивалентный гидравлический диаметр канала, м; I — длина прямого участка между поворотами канала, м;
  ив, ст — индексы относятся к словам «пресная вода» и «стенка» соответственно.

Рис. 1. Схема движения пресной охлаждаемой воды вдоль обшивки корпуса судна

     В качестве определяющих взяты средняя температура пресной воды и эквивалентный гидравлический диаметр канала.
     Изучение вопроса теплоотдачи от наружной стенки обшивки судна забортной воде позволило установить ряд критериальных зависимостей (2 • 10H<PrGr< <8- 10¹²):
 угол наклона ср=—90° (днищевое положение)

Nu. = 1,2 (PrGr)⁰,²;         (3)

  ср ——60 °

                                  Nu₂ = 0,055 (PrGr)⁰'³³;     (4)
<р = 0° (бортовое положение)

Nu₂ = 0,09 (PrGr)⁰-³³;

(5)

Ф = 90° (ориентация теплопередающей поверхности вверх при горизонтальном положении аппарата)

Nu₂ = 0,1 (PrGr)⁰’³³

(6)

    В качестве определяющей температуры бралось среднее значение между температурами стенки и морской воды. Определяющим размером являлась высота теплопередающей поверхности (/7=1 м).
    Из рассмотрения (3) видно, что коэффициент теплоотдачи зависит от размеров поверхности. Этот вывод, так же

Судостроение № 7, 1981 г.



как и результаты расчета по (3), хорошо согласуется с данными работы [3].
    Сравнение полученных критериальных уравнений по расчету чисел Nui и Nu₂ с известными из теплопередачи выражениями [4] показывает на отличие, которое объясняется отмеченными выше особенностями процесса теплообмена в ОТОА.
    Использование данных зависимостей, по сравнению с известными, позволяет со значительно большей точностью определить требующуюся для аппарата системы охлаждения площадь, что обеспечивает возможность более широкого применения замкнутых систем охлаждения с ОТОА в практике судостроения.


Рис. 2. Зависимость коэффициента теплопередачи К аппарата от угла наклона модели теплообменника ср

ЛИТЕРАТУРА

    1.    Замкнутая система охлаждения для энергетических установок судов технического флота /К. Ю. Федоровский, В. Н. Литошенко, Д. Г. Никитин и др. — Судостроение, 1980, № 5.
    2.    Во bote k I. Wymiana ciepla w clilodnicach poszycio-wych.—Budownictwo Okretowe, 1976, N 4.
    3.    Кумсишвили Г. Г. Теплоотдача обращенных вниз плоских поверхностей при постоянном тепловом потоке в условиях естественной конвекции. — Сообщения АН ГССР, 66, № 3, 1972.
    4.    Теплотехнический справочник (Общ. ред. В. И. Юренева и П. Д. Лебедева). Т. 2, М., Энергия, 1976.