Замкнутые системы охлаждения энергоустановок судов с использованием импактных струй

УДК 62-713.1:621.436

К.Ю. ФЕДОРОВСКИЙ, Н.К. ФЕДОРОВСКАЯ

ЗАМКНУТЫЕ СИСТЕМЫ ОХЛАДЕНИЯ ЭНЕРГОУСТАНОВОК
СУДОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИМПАКТНЫХ СТРУЙ

Представлены результаты экспериментальных исследований по обеспечению теплоотдачи на внутренней поверхности судовой обшивки за счет использования импактных струй. С
учетом имеющихся конструктивных особенностей выполнено моделирование и исследование
течения  и теплоотдачи затопленных струй, натекающих на плоскую поверхность и радиально
растекающихся после этого. Проведенные визуальные исследования выявили различные режимы
радиального течения пристенной струи. Определены критические числа Рейнольдса и соответствующие  обобщающие уравнения подобия, описывающие теплоотдачу.
Ключевые слова: теплоотдача, импактная струя, режимы течения, коэффициент
теплоотдачи, экологический ущерб.

Обозначения:
d – внутренний диаметр сопла
h – зазор между кромкой сопла (стенкой экрана) и поверхностью
R – радиус вписанной окружности теплообменной поверхности
W – расход жидкости
Числа подобия:
Nu – Число Нуссельта
Pr  - число Прандтля
Re – число Рейнольдса.
Греческие символы:
α - коэффициент теплоотдачи
ξ  - коэффициент местного сопротивления
индексы:
s – поверхность
d – диаметр
h – зазор

Введение. Широко распространенные в настоящее время разомкнутые системы охлаждения судовых энергетических установок предусматривают потребление забортной воды.
Содержащиеся в этой воде планктон, икринки и рыбная молодь, попав в систему охлаждения
и пройдя фильтры, арматуры, насосы и теплообменники, практически полностью погибают.
Тем самым наносится существенный экологический ущерб рыбным запасам морей и внутренних водоемов.
Решение проблемы создания высокоэффективных экологически безопасных систем
охлаждения связано с разработкой и внедрением замкнутых систем охлаждения, исключающих прием забортной охлаждающей воды. Для отвода теплоты может быть использована
подводная часть судовой обшивки (рисунок 1). Как вариант для этого могут быть использованные имеющиеся на судне цистерны, например балластные. Важным преимуществом такого решения является простоты перевода уже существующих разомкнутых систем на работу по замкнутому контуру. Нагретая в энергетическом оборудовании вода сбрасывается в
цистерну, передавая свою теплоту через судовую обшивку забортной воде.

 Рисунок 1 – Схема теплоотвода через обшивку корпуса судна:
1 – обшивка корпуса судна; 2 – цистерна; 3 – коллектор подвода охлаждаемой воды;
4 – сопла; 5 – элементы набора; 6 – забортная вода

Обычно в цистерне находится практически неподвижная вода. Теплоотдача от охлаждаемой воды к внутренней поверхности судовой обшивки осуществляется при свободной
конвекции. Хорошо известно, что значения коэффициентов теплоотдачи при этом оказываются сравнительно малыми. Это требует разработки эффективного метода передачи теплоты
через судовую обшивку. Применение импактных струй позволяет сравнительно простыми
средствами существенно увеличить теплоотдачу.
Отличительной особенностью обшивки корпуса судна является наличие на внутренней стороне силовых элементов, расположенных в большинстве случаев перпендикулярно к
поверхности обшивки (рисунок 1). Подвод жидкости осуществляется в пространство между
элементами набора.
Совершенно ясно, что такая конструкция будет сказываться на характере течения импактной струи и процессе теплоотдачи. Возникает необходимость в определении особенностей протекающих процессов и соответствующих зависимостей, описывающих теплоотдачу.
Импактные струи достаточно широко используются в практике. С их помощью сравнительно просто могут быть организованы процессы нагрева или охлаждения поверхностей.
При этом достигаются достаточно высокие значения коэффициентов теплоотдачи. На выходе
из сопла формируется осесимметричная струя, которая после соударения с поверхностью
преобразуется в расходящуюся радиальную пристенную струю. При этом на происходящие
процессы оказывают влияние: конструктивные особенности системы сопло – поверхность,
число Рейнольдса  и др. [1, 2, 3, 4].
Для получения необходимых сведений были предприняты экспериментальные исследования.
Цель исследования. Определение особенностей происходящих процессов  в замкнутых систем охлаждения с использованием импактных струй, а также зависимостей, описывающих теплоотдачу к обшивке корпуса судна.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Определение особенностей процессов взаимодействия затопленной импактной
струи с поверхностью.
2. Проведение экспериментальных исследований процессов теплоотдачи пристенной
струи.
3. Анализ и обобщающая обработка полученных экспериментальных данных.
Экспериментальное исследование. Для более полного понимания происходящих
процессов были проведены в комплексе визуальные и  теплотехнические исследования. Для
этого были созданы соответствующие экспериментальные установки.
Используемая модель визуальных исследований, представляла собой прямоугольную
емкость с прозрачной стенкой размером 0,25х0,25м. Эта стенка имитировала обшивку кор

пуса судна. С внутренней стороны перпендикулярно к стенке в центре было установлено
подводящее сопло. Имелась возможность изменять расстояние от сопла до стенки. Емкость
была полностью заполнена водой, что создавало условия формирование затопленной струи.
Установка обеспечивала  регулирование расхода жидкости через сопло. При этом достигалось  максимальное значение скорости воды в сопле 1,8 м/с, что соответствовало значению
числа Рейнольдса 2,4·105. Для визуализации течения в воду добавлялись затемняющая жидкость на основе воды, серебрин и поверхностно-активное вещество. Наблюдения осуществлялись с наружной стороны прозрачной стенки, которая дополнительно подсвечивалась направленным источником света.
Результаты выполненных визуальных исследований при различных числах Рейнольдса показаны на рисунок 2. Выходящая из сопла жидкость ударяется о поверхность и далее
растекается в радиальных направлениях, образуя пристенную радиальную струю.

3
10
65
,1
Re
×
=
d
3
10
2,2
Re
×
=
d
5
10
35
,2
Re
×
=
d

Рисунок 2 – Характер течения пристенной струи при сопловом подводе жидкости

Наглядно видно, что по мере изменения числа Re соответствующим образом изменял
ся и характер течения жидкости вдоль поверхности. Так, при
3
10
65
,1
Re
×
=
d
 наблюдается
ламинарное течение жидкости.  При этом четко наблюдались малоподвижные кольцевые
структуры, являющиеся следствием ударного взаимодействия импактной струи с поверхностью. По мере увеличения числа Рейнольдса размер кольцевых структур уменьшается и наблюдается более интенсивное их движение наружу. На наружной части колец возникают
турбулентные пульсации, которые далее имеют тенденцию к затуханию. При Red, равном
2,4·105, по всей площади имеют место развитые турбулентные вихри. Их интенсивность максимальна в центральной части и снижается по мере удаления от цента,.
Проведенные визуальные исследования позволили определить, что нижнее критическое число Рейнольдса лежит приблизительно в области значений (1…2)·104., а верхнее – в
области значений около 1·105 .
В ходе непосредственного наблюдения за происходящими процессами в глубине, на
удалении от стенки, были выявлены вторичные течения, направленные к соплу. Это объяснялось подсосом жидкости из окружающего пространства, что подтверждает существующие
представления о движении жидкости  в области выходной кромки сопла [1, 2, 3].
Теплотехнических исследований проводились на специально созданной экспериментальной модели (рисунок 3). Она состояла из двух частей: полости 1 – горячей охлаждаемой
воды и полости 2 – холодной охлаждающей воды. Размеры первой составляли 0,5х0,5х0,5 м,
а второй – 0,5х0,5х0,2 м. Полости имели одну общую стенку 3 размером 0,5х0,5 м толщиной
5 мм, через которую осуществлялась передача теплоты. Подвод горячей воды в центр стенки
3 выполнялся через теплоизолированный патрубок 4 с резьбовым окончанием, куда могли
присоединяться различные насадки, в частности сопло. Была предусмотрена возможность
изменения расстояния h от торца сопла до стенки 3. Полость 1 была полностью заполнена
водой. Все боковые поверхности экспериментальной модели были тщательно теплоизолированы.

 Температура стенки 3 со стороны сопла измерялась семью хромель-копелевыми термопарами с диаметром термоэлектородов 0,15 мм. Измерение термо-ЭДС осуществлялось с
помощью потенциометра. На модели измерялись температуры входа и выхода горячей и холодной воды.
Экспериментальная модель подключалась к теплогидравлическому стенду. Была предусмотрена возможность изменения расхода горячей воды. Максимальное значение этого
расхода достигало 11 м3/ч. Имелась система замера расхода теплоносителя. Электрический
нагреватель системы позволял задавать различные мощности. В ходе экспериментов нагрев
воды достигал 80…85°С, что соответствует максимально возможному температурному
уровню в реальных условиях.

Рисунок 3 – Схема экспериментальной модели теплотехнических исследований:
1 – полость горячей (охлаждаемой) воды; 2 – полость охлаждающей воды; 3 – теплопередающая стенка;
4 и 5 – соответственно патрубки подвода и отвода горячей воды; 6 и 7 – соответственно патрубки подвода и
отвода охлаждающей воды

Теплотехнические исследования проводились на соплах с внутренним диаметром 18 и
38 мм. Расстояние h от сопла до поверхности задавалось равным 5 мм, 12 мм и 20 мм. Зависимость среднего по поверхности коэффициента теплоотдачи α от расхода W жидкости через
сопло при различных диаметрах показана на рисунке 4.

Рисунок 4 – Зависимость коэффициента теплоотдачи α от расхода жидкости W, подаваемого через
сопло при различных его диаметрах d (R = 0,25 м; h = 0,012 м)

Увеличение W приводит к росту значений α. Однако, не выявлена связь коэффициента
теплоотдачи и диаметра сопла d. На рисунке 5 показана зависимость теплоотдачи при различных расходах W и расстояниях h. В диапазоне
53
,0
...
13
,0
=
d
h
 значения α не зависят от h.

Рисунок 5 – Зависимость коэффициента теплоотдачи α при сопловом подводе
от расхода жидкости W (d = 0,038 м; R = 0,25 м)

Результаты обобщающей обработки экспериментальных данных показаны на рисунке
6.

Рисунок 6 – Зависимость

(
) 25
,0
33
,0
Pr
Pr
Pr
lg

s

Nu
 от
d
Re
lg
 при R = 0,25 м; Red = 5·103…4·105;

Pr = 2,54…4,87; Pr/Prs = 0,66…0,96; h/d = 0,13…0,67; R/d = 6,6…13,9;  a – Red = 5·103…2·104;
b – Red = 2·104…105; c – Red = 105…4·105

С учетом результатов визуальных исследований экспериментальные точки аппроксимируются линией с двумя изломами. Каждый участок этой линии  соответствует различным
режимам течения. Причем, по данным обобщающей обработки нижним критическим числом
Рейнольдса следует считать значение 2·104, а верхним – значение 1·105. Для выделенных
участков аппроксимирующей линии определены следующие уравнения подобия:

при
4
3
10
2
...
10
5
Re
×
×
=
d

25
,0
33
,0
45
,0
Pr
Pr
Pr
Re
7,5
÷÷
ø

ö
çç
è

æ
×
=
s
d
Nu
;                                                 (1)

при
5
4 10
...
10
2
Re
×
=
d

25
,0
33
,0
83
,0
Pr
Pr
Pr
Re
15
,0
÷÷
ø

ö
çç
è

æ
×
=
s
d
Nu
;                                                (2)

при
5
5
10
4
...
10
Re
×
=
d

25
,0
33
,0
4,0
Pr
Pr
Pr
Re
26
÷÷
ø

ö
çç
è

æ
×
=
s
d
Nu
.                                                  (3)

Зависимости справедливы при:
87
,4
...
54
,2
Pr =
,
96
,0
...
66
,0
Pr
Pr
=
s
,
67
,0
...
13
,0
=
d
h
;

9,
13
...
6,6
=
d
R
.
Проведенные визуальные исследования позволили выявить различные режимы течения жидкости вдоль теплообменной поверхности.
Совместный анализ результатов визуальных и теплотехнических исследований при
сопловом подводе позволил определить границы различных режимов течения жидкости. При

этом нижнее критическое число
3
10
2
Re
×
=
d
, а верхнее – 105. Для каждого из режимов течения получены описывающие теплоотдачу зависимости. На рисунке 7 дано сопоставление
этих зависимостей с известными. Имеется хорошее согласование с работой [4], где средняя
теплоотдача определялась для импактной струи в диапазоне
0,1
...
25
,0
=
d
h
. Максимальное

отличие результатов в области
5
3
10
4
...
10
5
Re
×
×
=
d
 не превышает 30…35 %. Линия 2 является как бы осредняющей ломаной линии 1, описывающей результаты настоящего исследования. Это объясняется тем, что в работе [8] не был учтен факт смены режимов течения жидкости, вследствие чего полученный экспериментальный материал аппроксимирован в логарифмических координатах прямой линией.

Рисунок 7 – Сопоставление результатов исследования теплоотдачи импактной струи
при h = 0,020 м; R = 0,25 м; d = 0,038 м:
1: а – зависимость (1); b – зависимость (2); c – зависимость (3)
2 – [4] для
10
...
25
,0
=
d
h
; 3 – [5] для
2,6
...
5,0
=
d
h
; 4 – [6, 7]; 5 – [8];

6 – [9] для
8
...
3
=
d
h
; 7 – [10] для
16
...
2
=
d
D

В полученных в данном исследовании зависимостях (1) – (3), максимальное значение
показателя степени при числе Red, равное
0,83, имеет место для переходной области

(
5
3 10
...
10
2
Re
×
=
d
). При ламинарном и турбулентном течениях эти показатели равны соответственно 0,45 и 0,4. Полученные результаты для ламинарного течения следует сопоставить
с результатами работ [3, 4 , 8]. По мере смещения исследуемой области чисел Рейнольдса в
сторону меньших значений  угол наклона линии снижается и, в случае работы [5], становится практически равным нашему случаю. Определенное исключение в этом плане составляют
результаты работы [9], где угол наклона достаточно велик, но не превышает значение для
переходной области. Здесь могло сказаться конструктивное исполнение подводящего патрубка или повышенная турбулизация подводимого потока [2].

Выводы.
В результате проведенных визуальных исследований выявлен различный характер течения пристенной струи. Это позволило определит соответствующие каждому режиму обобщающие зависимости по теплоотдаче.
В конечном счете, сравнительно простыми методами решается исходная задача интенсификации теплопередачи через обшивку корпуса судна по сравнению со случаем теплоотдачи при свободной конвекции.
Полученные результаты позволили разработать необходимую методику расчета таких
устройств теплоотвода.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.
Carcasci, C. An experimental investigation on air impinging jets using visualization methods /  C. Carcasci // Int. J. Therm. Sci. – 1999. – Vol. 38. – S. 808 – 818.
2.
Дыбан Е.П. Конвективный теплообмен при струйном обтекании тел / Е.П. Дыбан, А.И. Мазур. –
Киев: Наук. думка, 1982. – 303 с.
3.
Исаченко В.П. Струйное охлаждение / В.П. Исаченко, В.И. Кушнырев. – М.: Энергоатомиздат,
1984. – 216 с.
4.
Höppner, G. Der-mittlere Wärme-und Stoffübergang bei der senk-rechten Aublasung ebener isothermer
Flächen mit turbulenten Einzelstrahlen und Strahlduschen /  G. Höppner // Luft-und Kältetechnik. – 1970. – Vol. 6. – №
6. – S. 283–289.
5.
Брдлик П.М. Теплообмен между осесимметричной струей и пластиной, расположенной нормально
к потоку / П.М. Брдлик, В.К. Савин // ИФЖ. – 1965. – 8. – № 2. – С. 146–155.
6.
Гардон Р. Характеристики теплопередачи при ударе двумерных воздушных струй / Р. Гардон, К.
Акфират // Тр. Амер. об-ва инж.-мех. Теплопередача. – 1966. – Т. 88. – № 1. – С. 110 – 118.
7.
Gardon, R. The role of turbulence in determining the heat transfer characteristics of impinging jets / R.
Gardon, J. Akfirat // Int. J. Heat and Mass Transfer. – 1965. – Vol. 8. – № 10. – S. 1261 – 1272.
8.
Sitharamayya, S. Heat transfer between an axisymmetric jet and a plate held normal to the flow / S.
Sitharamayya, K. Subba Raju // Can. J. Chem. Eng. – 1969. – Vol. 47. – № 4. – S. 365 – 368.
9.
Pawlowski, M. Badania zaleznosci wnikania ciepla ad mocy przetlaczania przy strumieniewym
skierowani u powietrza na plaska powierzchnie / M. Pawlowski, E. Suszek, B. Siwon // Inz. chem. – 1979. – Vol. 9. –
№ 1. – S. 179 – 192.
10. Vallis, E.A. Radial distribution on convective heat transfer coefficient between an axisymmetric turbulent
jet and a flat plate held normal to the flow / E.A. Vallis, M.A. Patrick, A.A. Wragg // Proc. 6th Int. Heat Transfer Conf.
Toronto. – 1978. – Vol. 5. – Pap. FC (b)–21. – S. 297 – 303.

Федоровский Константин Юрьевич
ФГАОУ ВО «Севастопольский государственный университет», г. Севастополь,
Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Энергоустановки морских судов и сооружений»
299053, г. Севастополь, ул. Университетская,  33
E-mail: fedkonst@rambler/ru

Федоровская Надежда Константиновна
ФГАОУ ВО «Севастопольский государственный университет», г. Севастополь,
Сотрудник тематической лаборатории «Эффективные энергоустановки и технологии»
299053, г. Севастополь, ул. Университетская,  33
E-mail: n.fedorovskaya14@mail.ru

K.Yu. Fedorovskiy, N.K Fedorovskaya,

CLOSED COOLING SYSTEM POWER PLANTS
VESSELS USING IMPACT JET

This paper presents the results of experimental studies on providing heat to the inner surface of the shell plating
of the ship through the use of impact jets. In this work, we carried out (by taking into account the existing design features)
a modeling and a study of the flow and heat transfer of flooded jets that flow over a flat surface and then spread radially.
The visual study revealed different patterns of radial flow of the wall jet. Critical Reynolds criteria and relevant summarizing similarity equations describing heat transfer are determined.
Key words: heat transfer, impact jet, flow patterns, heat transfer coefficient, environmental damage.