Тепловоспринимающая способность водозаполненной цистерны при совместной работе с судовым обшивочным теплообменным аппаратом

     УДК 639.12.03—711.001.5:536.2

   Федоровский К. Ю. ТЕПЛОВОСПРИНИМАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ВОДОЗАПОЛНЕННОЙ ЦИСТЕРНЫ ПРИ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЕ С СУДОВЫМ ОБШИВОЧНЫМ ТЕПЛООБМЕННЫМ АППАРАТОМ



Получены зависимости температуры пресной воды от времени в замкнутой системе охлаждения, позволяющие судить об эффективности применения цистерн с водой для восприятия пиковых тепловых нагрузок энергетической установки судна.

Необходимость повышения надежности и экологической безопасности судовых энергетических установок обусловила внедрение в практику замкнутых систем охлаждения. Горячая пресная вода, нагретая в охлаждаемом оборудовании, подается в судовой обшивочный теплообменный аппарат (СОТОА) [1]. Он обеспечивает передачу теплоты через обшивку корпуса судна забортной воде.
     Энергетические установки ряда судов, особенно технического флота, имеют циклическую загрузку с явно выраженными пиками [2]. Их длительность, как правило, незначительна. В таких условиях расчет требуемой площади СОТОА ведется на среднюю загрузку. Охлаждение установки при пиковых загрузках может быть обеспечено за счет различных технических средств. Одним из простейших является размещение СОТОА в районе расположения цистерн с водой [3]. По тех
Ф ФЕДОРОВСКИЙ к. ю., 1991

ISSN 0204^3602. Пром, теплотехника, 1991. т. 13, № 1, 1 — 112

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОТЫ И ТОПЛИВА

нологическим причинам, в случае пиковых загрузок установки, цистерны заполняются забортной водой. Это обеспечивает дополнительный теплоотвод от СОТОА. С целью интенсификации теплоотдачи к воде в цистерне может быть использовано специальное устройство [4], обеспечивающее принудительное движение воды вдоль СОТОА.
    Тепловоспринимающая способность цистерны зависит от количества воды в ней, ее температуры и других параметров. Соответственно будет различным время, за которое средняя температура охлаждаемой пресной воды /1 повысится до максимально допустимого уровня. Рассмотрим систему (рис. 1), в которой коэффициенты теплопередачи


Рис. 1. Схема совмещения судового обшивочного теплообменного аппарата с водоза-нолненной тепловоспринимающей цистерной

Рис. 2. Зависимость средней температуры пресной воды от времени т при Afₜ=5 Т и различных емкостях цистерны М₂ (/ —- М₂=0; 2 — 75; 3 — 150; 4 — 375 Т)
Рис. 3. Зависимость средней температуры пресной воды от времени т (штриховая линия — при Mj='%; сплошная — при М₂— 150 Т; 1 —    =2,5 Т; 2 — ГО; 3 — 15)


к цистерне и через обшивку движущегося судна равны соответственно К₂ и А₃. Температура забортной воды — /₃, а воды в цистерне t₂. Предположим, что на пиковой загрузке в СОТОА с пресной водой сбрасывается тепловой поток q. Величины q₂ и q₃ соответствуют отводимым тепловым потокам. Тогда приращение количества теплоты пресной воды, циркулирующей в системе, за промежуток времени du равно;
dQt = (q — q₂ — qₐ)dx.                    (1)
Известно, что
dQi ~CYMₓdtₓ,                         (2)
где Ci и — теплоемкость и масса пресной воды, циркулирующей в контуре СОТОА.
    Отводимые тепловые потоки
Я 2 ~ К 2^2 (G G)»                      (3)
¥з ' *з^з('1   ^з)»                     Н *
где F₂ и F₃ — площади теплопередающей поверхности к воде в цистерне и к забортной воде.
    Поскольку судно движется со скоростью, близкой к постоянной, а в цистерне обеспечивается вынужденное движение воды вдоль СОТОА, то при имеющихся в реальных условиях температурных уровнях значения К₂ и А₃ с достаточной степенью точности могут быть приняты постоянными.
    Подведенная к воде в цистерне теплота идет на ее прогрев
C₂M₂dt₂ == K₂F₂ (/. — /₂) Jt,
где C₂ и M₂— соответственно теплоемкость и масса воды в цистерне. Тогда
C₂M₂dt₂

ИО            “ 1SSM 0204-3602. Пром, теплотехника, 199/, т. 13, № 1, 1 — 112

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОТЫ И ТОПЛИВА

Проинтегрируем выражение в интервале изменения температуры от начального значения /" до /₂



Значение С находим исходя из условия, что при т = 0 величина /₂ ■ t*. Тогда
, . /1- /2        л С₂/И?
т A In —i---—, где А •-= А * ,
*14               А 2^* 2
откуда

^2             •                       (5)


Подставив (5) в (3) и далее, выполнив соответствующие подстановки (2) (3), (4) в (1), получим




^1



/i - /2 ^т/Д


—Q dx.

Выполнив интегрирование полученного дифференциального уравнения с помощью степенного ряда вида при начальных условиях т 0, /, = /“, будем иметь

Я +         + K.F.I.

________________________

       K₂F.ₜ + K₃F₃



При отсутствии цистерны в уравнение (1) q₂ 0 и выражение (6) будет иметь вид
К = + f q ⁺/lF³t? — /И (1 — е~^).
\ Азгз          ]


Рассмотрим характер изменения температуры /ь применительно к замкнутой системе охлаждения судового дизель-генератора мощностью 1000 кВт. СОТОА рассчитан на обеспечение 60 % загрузки при температуре забортной воды /₃=25°С. Принимаем: /<₃ = 500 Вт/м² к, К₂ = = 200 Вт/м²к, /Г² = /?з = 95 м², /₂Н = 28°С, /1н = 36°С. Считаем, что установка выходит на пиковую 100 % загрузку.
    Как видно из рис. 2, отсутствие тепловоспринимающей цистерны приводит к быстрому увеличению температуры /1 и затем ее стабилизации. Последнее объясняется увеличением температурного напора в СОТОА, что соответственно увеличивает теплосброс через обшивку и компенсирует дополительный теплоотвод от охлаждаемого оборудования. Если максимально допустимое значение t\ равно 42°C, то пиковая загрузка может быть обеспечена примерно в течении 12—15 минут. Работа СОТОА совместно с тепловоспринимающей цистерной позволяет существенно увеличить это время. Так, при емкости цистерны А4₂ = = 75 т предельная температура t} не будет достигнута даже за шесть часов непрерывной работы. Увеличение количества воды М₂ в цистерне приводит к соответствующему увеличению этого времени.
    На процесс изменения температуры /1 оказывает влияние и количество пресной воды Mi в контуре замкнутой системы (рис. 3). Ее увеличение приводит к снижению темпа роста /1. Причем это влияние оказывается большим для системы без тепловоспринимающей цистерны. Однако общий эффект остается во много раз меньше по сравнению со случаем наличия тепловоспринимающей цистерны.


JSSN 0204-3602. Пром, теплотехника, 1991, т. 13, № 1, 1 — 112                       ¹11

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОТЫ И ТОПЛИВА


SUMMARY. Time dependences of sweet water temperature in the closed cooling system are obtained. They permit judging the efficiency of application of tanks with water to react to peak heat demands of power vessel plant.



1. Федоровский К. Ю. Расчет теплопередачи в судовом обшивочном теплообменном аппарате / Пром. теплотехника.— 1987.— 9, № 6.— С. 44—48.
2. Замкнутая система охлаждения для энергетических установок судов технического Флота. / К. Ю. Федоровский, Д. Г. Никитин и др.//Судостроение.— 1980.— №5.— С. 26—27.
3. Замкнутая система охлаждения плавкрана грузоподъемностью 500 т / К. Ю. Федоровский, В. М. Цыпин и др.//Там же.— 1987.—№ 12.— 15—17.
4. А. с. 1188048 СССР, В 63 J 2/12. Система охлаждения судовых двигателей / К. Ю. Федоровский.— Опубл. 30.10.85, Бюл. № 40.


Севастоп. приборостр. ин-т


Получено 12.12.88