Повышение эффективности систем охлаждения судовых двигателей
Бесплатно
Основная коллекция
Тематика:
Водный транспорт
Издательство:
НИЦ ИНФРА-М
Год издания: 2017
Кол-во страниц: 5
Дополнительно
Вид издания:
Статья
Артикул: 656072.0001.99.0129
Тематика:
ББК:
УДК:
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
УДК 62-713.1:621.436 К.Ю. ФЕДОРОВСКИЙ Севастопольский национальный технический университет, Украина ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ СУДОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Рассмотрены результаты экспериментальных исследований различных методов повышения эффективности теплоотвода высоконадежных экологически безопасных замкнутых систем охлаждения судовых двигателей Судовые двигатели, интенсификация теплоотдачи, теплообменные аппараты, газожидкостные струи Введение В настоящее время наибольшее распространение в практике судостроения получили разомкнутые двухконтурные системы охлаждения судовых дви гателей. Циркулирующая через двигатель пресная вода охлаждается водой, принимаемой из-за борта. Однако, такие системы имеют сравнительно низкую надежность, в первую очередь для судов техниче ского флота, особенно при работе в мелководной, часто загрязненной акватории. Кроме того, они су щественно уничтожают рыбные ресурсы морей и рек [1]. Этих недостатков лишены замкнутые сис темы охлаждения (ЗСО), исключающие прием за бортной воды. Существуют конструкции таких сис тем, предусматривающие прокачивание горячей пресной воды от двигателя по специальным каналам вдоль внутренней поверхности судовой обшивки и отвод теплоты в забортную воду (рис. 1). Рис. 1. Схема замкнутой системы охлаждения судового двигателя К сожалению, при стоянке судна эффективность работы таких системы низка, что предопределяет их значительные массогабаритные показатели. Постановка проблемы Широкое внедрение в практику ЗСО сдержива ется отсутствием разработанных применительно к судовым условиям методов интенсификации тепло отдачи в забортную воду и расчетных зависимостей для определения требуемых для теплоотвода пло щадей судовой обшивки. В первую очередь это ка сается обеспечения интенсификации теплоотдачи в наиболее неблагоприятном случае, когда теплоотвод осуществляется в неподвижную относительно судна забортную воду. Также необходима разработка ме тодов интенсификации теплоотдачи, подводимой к судовой обшивке охлаждаемой пресной воды. Выделение нерешенных задач Известно сравнительно большое количество ме тодов интенсификации теплоотдачи [2]: дополни тельная турбулизация потока, вибрация, псевдо ожижение и т.д. Большинство из них по разным причинам не приемлемо для судовых условий, в первую очередь в отношении теплоотдачи в заборт ную воду. Представляет интерес метод, базирующийся на использовании пузырьков воздуха [2]. Однако при веденные зависимости получены для вертикальных каналов применительно к оборудованию химиче
ской промышленности и не учитывают судовую специфику. Таким образом, задачами исследования является разработка с учетом возможности использования в судовых условиях методов: интенсификации теплоотдачи охлаждаемой пресной воды к внутренней стороне судовой обшив ки; интенсификации теплоотдачи от наружной поверхности судовой обшивки в забортную воду. Причем вторая из указанных задач должна быть выполнена для случая теплоотдачи при свободной конвекции. Изложение основного материала В принципе возможны различные способы под вода охлаждаемой жидкости к внутренней стороне судовой обшивке. Конструкции с использованием лабиринтного канала достаточно хорошо изучены и имеют высокую эффективность теплоотдачи [3]. Представляет интерес разработка методов интенси фикации теплоотдачи в случае струйного подвода охлаждаемой жидкости, что конструктивно проще и во многих случаях более предпочтительно. Для ин тенсификации теплоотдачи было предложено уста навливать на выходном патрубке специальный эк ран (рис. 2). Рис. 2. Схема струйного подвода со специальным экраном При этом достигнуто увеличение коэффициента теплоотдачи на 20…30 % (рис. 3) при одновремен ном снижении гидравлического сопротивления. Рис. 3. Зависимость коэффициента теплоотдачи a от расхода охлаждаемой жидкости W Проведенные визуальные исследования выявили различный характер течения жидкости вдоль тепло отдающей поверхности (рис. 4). Рис. 4. Течение жидкости вдоль теплоотдающей поверхности Выполненные с учетом этого теплотехнические исследования позволили определить соответствую щие различным режимам течения уравнения подо бия (1) – (3). 25 ,0 c 4,0 69 ,0 R r lg 45 ,0 53 ,0 44 ,0 h Pr Pr Pr R r r h Re 14 ,3 Nu ÷÷ ø ö çç è æ ´ ´ ÷ ø ö ç è æ ÷ ø ö ç è æ = при 2000 ... 630 Reh = 25 ,0 c 4,0 082 ,0 R r lg 42 ,0 53 ,0 84 ,0 h Pr Pr Pr R r r h Re 15 ,0 Nu ÷÷ ø ö çç è æ ´ ´ ÷ ø ö ç è æ ÷ ø ö ç è æ = (1) (2)
при 4 h 10 ... 2000 Re = 25 ,0 c 4,0 094 ,0 R r lg 42 ,0 56 ,0 44 ,0 h Pr Pr Pr R r r h Re 14 ,6 Nu ÷÷ ø ö çç è æ ´ ´ ÷ ø ö ç è æ ÷ ø ö ç è æ = при 4 4 h 10 5,2 ... 10 Re × = где Pr и Re , Nu - соответственно числа Нуссельта, Рейнольдса и Прандтля; r, R – соответственно радиус внутреннего отвер стия выходного патрубка и вписанной окружности поверхности теплоотдачи; h – расстояние между экраном и поверхностью. С целью интенсификации теплоотдачи от на ружной поверхности судовой обшивки в забортную воду при стоянке судна (теплоотдача при свободной конвекции) было предложено использовать газо жидкостные струи. Для этого с наружи судовой об шивки снизу теплоотдающей поверхности устанав ливается коллектор, подающий воздух. Известно, что пузырьки воздуха при всплытии в воде имеют поперечные пульсации. Поэтому подаваемый воздух не только проталкивает и турбулизирует неподвиж ную забортную воду вдоль теплоотдающей поверх ности, но и способствует разрушению пристенного пограничного слоя, препятствующего теплоотдаче. Рис. 5. а) визуализация ударов пузырьков воздуха о теплоотдающую поверхность; б) газожидкостная полуограниченная струя Визуальные исследования подтвердили описанный механизм воздействия пузырьков (рис. 5). Теплотехнические исследования проводились на экспериментальной модели высотой 0,8 м и шири ной 0,5 м, помещенной в емкость с неподвижной водой объемом 15 м3. Анализ экспериментальных данных показал, что при незначительных темпера турных напорах, порядка 2…4 °С, газожидкостные струи обеспечивают увеличение коэффициента теп лоотдачи в 20…25 раз (рис. 6) Рис. 6. Сопоставление теплоотдачи газожидкостной струи a и теплоотдачи при свободной конвек ции к a в зависимости от температурного напора Δt между стенкой и жидкостью при различных расходах газа Г W Обработка экспериментального материала (рис. 7) позволила определить уравнение подобия (4), описывающее теплоотдачу газожидкостной струе. Рис. 7. Экспериментальные данные по теплоотдаче полуограниченной газожидкостной струе 14 ,0 с ж 33 ,0 ж 35 ,0 * * Pr Re 015 ,0 Nu ÷÷ ø ö çç è æ m m = а б (3) (4)
где Nu* и Re* – соответственно модифицированные числа Нуссельта и Рейнольдса. Зависимость (4) справедлива при 1450 ... 13 Reh = . Для ряда судов оказывается более предпочти тельна конструкция устройства теплоотвода в виде набора расположенных в забортной воде плоских пластин (рис. 8). Охлаждаемая пресная вода дви жется внутри этих пластин. Здесь также стоит зада ча необходимости интенсификации теплоотдачи в забортную воду, для решения которой также пред ложено использовать газожидкостные струи [4]. Рис. 8 Схема системы охлаждения с пластинчатым теплообменным аппаратом Были проведены визуальные исследования [5] по выявлению влияния расположения источника газа на формирование газожидкостной струи (рис. 9). Рис. 9. Результаты визуальных исследований течения газожидкостной струи в зазоре между пластинами Увеличение расхода газа, подаваемого в зазор между пластинами сначала приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи (рис. 10). Однако при дальнейшем увеличении расхода газа рост теплоот дачи сначала прекращается, а затем наблюдается снижение Г a . Это объясняется кризисом процесса интенсификации теплоотдачи, связанным с вытес нением жидкости газом. В ходе исследований было получено выражение (5), описывающее данный характер процесса. 2 ГL ГL 6 ГL ГL 5 Г W 18 ,0 W 10 93 ,0 W 18 ,0 W 10 25 ,1 ÷÷ ø ö çç è æ + d × × ÷÷ ø ö çç è æ + d × × = a Рис. 10. Зависимость коэффициента теплоотдачи Г a от удельного расхода газа WГL при различных зазорах между пластинами (1 – 20 мм, 2 – 30 мм, 3 – 40 мм, 4 – 100 мм, 5 – 160 мм) Окончательная обработка экспериментальных данных по теплоотдаче (рис. 11) позволила опреде лить уравнение подобия (6). Рис. 11. Экспериментальные данные по теплоотдаче газожидкостной струи внутри плоского канала (5)
,0 с ж 69 ,0 п 33 ,0 46 ,0 * Г d Pr Re 2,2 Nu ÷÷ ø ö çç è æ m m ÷÷ ø ö çç è æ d = где δ – зазор между пластинами; п d – средний диаметр пузыря; ж m и с m – коэффициенты динамической вязко сти соответственно при температуре жидкости и стенки. Зависимость справедлива при 630 ... 8, 36 Re* = . Подача газожидкостных струй в зазор между пластинами теплообменника обеспечивает увеличе ние коэффициента теплоотдачи по сравнению со случаем теплоотдачи при свободной конвекции ана логичное представленному на рис. 6. Приведенные выше зависимости легко встраи ваются в существующие методики теплотехниче ского расчета теплообменных аппаратов и позволя ют получить достоверные результаты в случае при менения рассмотренных методов повышения эф фективности теплоотвода ЗСО. В ходе исследования был проведен анализ эф фективности метода интенсификации теплоотдачи посредством газожидкостных струй. Сопоставля лось увеличение теплоотвода с необходимыми для этого затратами энергии на подачу требуемого ко личества сжатого воздуха. В результате было опре делено, что использование газожидкостных струй является более эффективным по сравнению со слу чаем, если для достижения того же теплоотвода че рез зазор проталкивалась однородная жидкость, т.е. обеспечивалась бы вынужденная конвекция. Подача воздуха вдоль судовой обшивки исполь зуется для увеличения скорости движения быстро ходного судна, борьбы с обледенением и т.д. По этому рассмотренный метод интенсификации газо жидкостными струями приемлем для судостроения и не требует разработки специальных устройств и технологий. Выводы и перспективы Предложенные методы повышения эффективно сти систем охлаждения судовых двигателей позво ляют в несколько раз снизить массогабаритные по казатели замкнутых систем охлаждения. Это создает условия для широкого внедрения в практику судо строения более перспективных с технической и эко логической сторон ЗСО. Литература 1. Федоровский К.Ю., Цыпин В.М. Экологи чески рациональные технологии обеспечения охла ждения судового оборудования // Технология судо строения. – 1990. - № 10. – С. 73-75. 2. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидроди намическое сопротивление: Справочное пособие / С.С. Кутателадзе. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 367 с. 3. Федоровский К. Ю. Расчет теплопередачи в судовом обшивочном теплообменном аппарате // Пром. теплотехника. – 1987. - № 6. – С. 44-48. 4. Федоровский К. Ю., Владецкий Д.О. Газо жидкостная интенсификация теплоотдачи в замкну тых системах охлаждения энергетических установок / К.Ю. Федоровский, Д.О. Владецкий // Сб. научных трудов СНИЯЭиП. – Севастополь, 2006. - № 19. – С. 44-50. 5. Федоровский К. Ю., Владецкий Д.О. Визу альные исследования течения затопленных газо жидкостных струй в вертикальном плоском канале / К.Ю. Федоровский, Д.О. Владецкий // Вестник Сев ГТУ. – Севастополь: СевГТУ, 2005. - № 67. Механи ка, энергетика, экология. – С. 131-136. Поступила в редакцию 31.05.2007 г. Рецензент: д-р техн. наук, проф. Сухов А.К. Севастопольский национальный технический университет, Севастополь. (6)