Повышение надежности и эффективности судовых систем охлаждения

у

     ДОСТИЖЕНИЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО 1
     ПРОГРЕССА И ПЕРЕДОВОЙ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ОПЫТ В
     ОТРАСЛЯХ НАРОДНОГО ХОЗЯЙСТВА j
I




                               в помощь лектору И СПЕЦИАЛИСТУ

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ

СУДОВЫХ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ

ОБЩЕСТВО „ЗНАНИЕ" УКРАИНСКОЙ ССР

КИЕВ 1987

         ОБЩЕСТВО "ЗНАНИЕ" УКРАИНСКОЙ ССР
    ДОСТИЖЕНИЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ПРОГРЕССА И ПЕРЕДОВОЙ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ОПЫТ В ОТРАСЛЯХ НАРОДНОГО ХОЗЯЙСТВА







                                          В помощь лектору и специалисту









           ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ СУДОВЫХ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ



















                     Киев Р87

     В методических рекомендациях рассматриваются вопросы совершенствования судовых систем охлаждения за счет перехода на более надежные и экологически безопасные замкнутые системы. Представлены результаты экспериментального исследования теплопередачи в судовых обшивочных теплообменных аппаратах и опыт их внедрения в практику отечественного плавкраностроения.
     Рассчитаны на научных и инженерно-технических работников судостроительной промышленности.
     Подготовлены кандидатом технических наук К.Ю.Федоровским.





                            (Рекомендованы к печати научно-методической секцией по пропаганде научно-технического прогресса,конкретной экономики и передового производственного опыта при правлении общества "Знание" Украинской ССР и Севастопольским филиалом РДЭЕГП. Отделение судостроения, судоремонта и эксплуатации судов/.

                       Ответственный за выпуск председатель отделения кандидат технических неук В.Г.Матвеенко

                        Научный редактор доктор технических наук
                                             Д.Г.Никитин Рецензенты: кандидат технических наук
                                             Г.В.Гоголев, кандидат технических наук
                                             В.В.Макаров








                                      CJ Общество "Знание" Украинский CCF, 1987

       Задача ускорения развития народного хозяйства, экономий материальных и энергетических ресурсов, поставленная ХХУТ1 съез
дом КПСС [ I ]

  перед страной, решается во всех ее отраслях.

  Это непосредственно относится и к судостроению. Важнейшим элементом судовой энергетической установки (СЭУ) является система охлаждения. Ее надежная работа обеспечивает эффективную эксплуатацию судна, выполнение поставленных перед флотом задач.
      Основное содержание предлагаемых методических рекомендации составляют материалы по повышению надежности и эффективности судовых систем охлаждения за счет перехода на замкнутые системы ох
  лаждения /ЗСО/. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании и модернизации энергетических установок судов и других морских технических средств. *
       Рекомендации изложены в следующей последовательности;
  I. Замкнутая система охлаждения судовой энергетической установки.
  2. Исследование теплопередачи замкнутой системы охлаждения. с судовым обшивочным теплообменным аппаратом.
  3. Опыт внедрения замкнутых систем охлаждения в практику плав-краностроения и перспективы оснащения ими других типов судов.

ЗАМКНУТАЯ СИСТЕМА ОХЛАВДНИЯ СУДОВОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ
                        УСТАНОВКИ


В настоящее время охлаждение большинства СЭУ традиционно
                         •             U
  осуществляется с использованием двухконтурных разомкнутых сис

    тем охлаждения (рис.1). Забортная вода забирается насосом 5 и через фильтр 4 подается в водо-водяной теплообменник 3, где охлаждает пресную воду. Пресная вода, циркулируя по замкнутому контуру*охлаждает энергетическое оборудование I. Поскольку морская вода имеет высокую коррозионную активность, контур забортной воды выполняется, как правило, из МНЖ материалов, применение которых лимитировано и рекомендуется всемерно сокращать. Эксплуатация судна на мелководье сопровождается приемом в систему загрязненной воды. Мельчайшие частички, двигаясь в потоке с большой скоростью, приводят к эрозионному разрушению трубопроводов. В результате этого надежность и срок службы элементов контура забортной воды,оказываются низкими. Значительны и эксплуатационные затраты, связанные с обслуживанием двухконтурных систем охлаждения. Судовая практика знает случаи аварийной остановки СЭУ вследствии забивания фильтров забортной воды, например, медузой.
         Помимо чисто технических недостатков таких систем, их эксплуатация характеризуется и негативным экологическим воздействием. В большинстве случаев максимальная .глубина приема судами забортной воды не превышает 15 м. Известно, что на таких глубинах сосредоточено максимальное количество кормового планктона, икринок и рыбной молоди [2*]      • Попав в систему охлаждения,
    они под воздействием механического (в фильтре, насосе, арматуре и т.д.) и теплового (в теплообменнике) факторов практически все погибают [ 3]     . Так, например, в Каспийском море эксплуатиру    ется плавучая буровая установка "Шельф”. Потребление забортной воды составляет около 15 тысяч мэ в сутки. Забор осуществляется с глубины 5-15 м. Для оценки принимаем, что в среднем на I м³ встречается I икринка и на каждые 4 м³ - одна единица рыбной молоди промысловых видов [4]      . Тогда за одни сутки через сис
4

Рис.1. Упрощенная схема двухконтурной разомкнутой системы

                  охлаждения:
^пп^ж5^но5яэнергет5ческое оборудование; 2-насос пресной воды: .-водо-водяной теплообменник; 4-фильтр забортной воды; 5-насос забортной воды; б-клинкет




Рио.2. Упрощенная схема одноконтурной замкнутой системы
                  охлаждения:

             энергетическое оборудование; 2-насос прёоной воды; 5~эл?м₽^мАбпп^Н2Йллеплообменн ч аппаРа?; 4-обшивка корпуса судна: вТды^набоРа» ^-дополнительный лист; 7-канал для прохода пресной

2-заказ 316

тецу охлаждения их пройдет соответственно около 400 и 100 тысяч, штук. Ущерб, наносимый рыбным запасам от этого с учетом вшиваемо ст и до достижения промыслового возраста^исчисляется сотнями тысяч рублей, в год на одну такую установку»
        Существенно повысить надежность и экологическую безопасность эксплуатации системы охлаждения СЭУ позволяет переход на замкнутую систему охлаждения (рис.2).Пресная вода,используемая в системе,нагревается в охлаждаемом энергетическом оборудовании I и прокачивается насосом 2 через судовой обшивочный теплообменный аппарат 3 (СОТОА). СОТОА представляет собой лабиринтный канал 7 прямоугольного сечения, прилегающий с внутренней стороны к иишиваи 4 корпуса судна. Канал 7, обычно высотой 12-25мм, образован элементами набора 5 и дополнительным листом о. юричал пресная вода, проходя по нему» отдает свою теплоту через обшивку 4 корпуса забортной воде. Для предотвращения коррозии в пресную воду добавляют специальные присадки. Такая система не требует забора для охлаждения СЭУ забортной воды и отличается большей простотой.
        Зарубежная судостроительная практика имеет примеры использования замкнутых систем охлаждения. Так, землечерпалка " Ludwig FtQHZlub * (ФРГ) первоначально была оборудована разомкнутой системой охлаждения. Опыт эксплуатации 'Первых ле? указал на явные ее недостатки и потребовал первоборудования*судна с целью оснащения его 300 с СОТОА [б], После этого она успешно работает ♦ В нашей стране с начала 70-х годов эксплуатируются два плавкрана "Оудоподъем” ( построены в ФРГ), СЭУ которых снабжена полностью замкнутой системой охлаждения.
        ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ С СУДОВЫМ ОБШИВОЧНОМ ТЕПЛООБМЕННЫМ АППАРАТОМ
        Внедрение ЗСО в практику отечественного судостроения сдерживалось отсутствием методики теплотехнического расчета СОТОА.

6

Рис*3* Изменение ориентации теплопередающей стенки

-90         -60        -30 О 30                            60 <f>f ipad.



100 I----------------------------L_-----------------L--------    -ОО • -60         -30       0        30        60 tpppaO

   Рис.Ь. Зависимость коэффициента теплопередачи К неокрашенного и необросшего аппарата от угла наклона^(скорость пресной волн¹1,1 м/с)

Требуемая площадь обшивки корпуса судна под теплообменник определяется по зависимости

Q



            м²


                                   ?


где

,                          * А.
     Q - количество отводимой теплоты, Вт;

         д t - температурный напор,

°C;

          /V - коэффициент теплопередачи, Вт/м^С.
     Коэффициент теплопередачи К может быть найден по

         ⁼                 7^\       7~~ ⁷ С
—— + —X— * .7 <5—      -А —>
               Л С   Л* \Л ]™Р' (^2



формуле

(2)

где LfcC^ - коэффициенты теплоотдачи соответственно в лабиринт ном канале и от обшивки к забортной воде, Вт/м^С; '•
      S, и 8^- толщина соответственно обшивки корпуса и одного слоя краски, м;
               коэффициент теплопроводности соответственно матери-риала обшивки корпуса и краски, Вт/ м С;
          П - количество слоев краски;
     / \
      — J - эквивалентное термическое сопротивление слоя обрас    \ Л )йбр.           Mip
               тателей, -     •
     Теплообмен в СОТОА характеризуется рядом особенностей. Не-изотермичность и неравномерность теплоотвода по сечению и длине лабиринтного канала формируют сложные температурные граничные условия на наружной поверхности обшивки корпуса судна. Это не позволяет использовать для расчета -г и в зависимости (2) хорошо известные из теории теплообмена [б J зависимости для прямых изотермических каналов и плоских поверхностей.
     Наиболее неблагоприятный режим работы COTUA связан со стоянкой судна. Теплоотдача от обшивки воздуха забортной воде осу

8

ществляется посредством свободной конвенции. Указанный режим следует считать основным расчетным для наших аппаратов, поскольку при движении судна требуемый теплоотвод гарантированно будет обеспечен за счет перехода от свободной конвенции к вынужденной.
     Эти обстоятельства определили необходимость проведения экспериментальных исследований теплообмена в СОТОА при стоянке судна [8 |       . Была изготовлена модель аппарата с размерами теплопередающей стенки I х I и толщиной 10 мм. Она размещалась в баке объемом 20 м³ с неподвижной морской водой. Измерение температур осуществлялось с использованием термопар. На внутренней и наружной поверхностях теплопередающей стенки установлено по 16 штук.
     Была предусмотрена возможность изменять ориентацию теплопередающей стенки аппарата (рис.З.). Исследовалось восемь угловых по-ложений ( у> = -90?   - 75°; - 60°; - 30°;     0; 30°; 60°; 90°).
В процессе экспериментов изменялись количество прямых участков и размеры лабиринтного канала СОТОА, создавались скорости движения пресной воды в канале от 0,3 до 2,9 м/с и обеспечивались ее средние температуры от 30°С до 97 °C.
     Анализ полученных экспериментальных данных указал на наличие сложного температурного поля на внутренней и наружной поверхностях стенки, изменяющегося с изменением углового положения (угол у ) и скорости охлаждаемой пресной воды. Это подтвердило факт, невозможности использования для расчета теплообмена СОТОА хорошо известных из теории теплопередачи зависимостей для изотермических каналов»и плоских поверхностей.
     Экспериментальные данные по теплоотдаче в лабиринтном канале обобщались критериальным уравнением


                          (&)"■ (№Г‘ ((V



3-заказ 316