Расчет теплопередачи в судовом обшивочном теплообменном аппарате

    УДК 639.12.03—711.001.5:536.2
    К. Ю. Федоровский РАСЧЕТ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В СУДОВОМ ОБШИВОЧНОМ ТЕПЛООБМЕННОМ АППАРАТЕ



В большинстве энергетических установок для охлаждения используются двухконтурные разомкнутые системы, предусматривающие прием судном забортной воды. Трубопроводы контура забортной воды подвержены коррозионно-эрозионному разрушению и засорению, что приводит к низкой надежности системы [1]. У судов ледового плавания возникают дополнительные трудности из-за обмерзания обшивки корпуса и ледового ящика при низких температурах. Кроме того, забор воды приводит к гибели содержащихся в ней планктона, икринок и рыбной молоди, что наносит ощутимый экономический ущерб [2].
    Повысить надежность и экологическую безопасность позволяет применение замкнутых систем охлаждения (рис. 1). Пресная вода нагревается в охлаждаемом энергетическом оборудовании 1 и прока

44

Пром, теплотехника, 1987ₜ т. 9, № 6

ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ

чивается насосом 2 через судовой обшивочный теплообменный аппарат 3 (СОТОА). СОТОА представляет собой лабиринтный канал 4 прямоугольного сечения, образованный обшивкой корпуса судна, элементами набора и расположенным между ними дополнительным листом, параллельным обшивке. Величина зазора обычно равна 12— 25 мм. Горячая пресная вода, проходя через теплообменник, отдает

Рис. 1. Схема одноконтурной замкнутой системы охлаждения с судовым обшивочным теплообменным аппаратом

Рис. 2. Результаты обработки опытов по теплоотдаче при различных положениях стенки. 1 — ф = —90°; 2--75°; <3 — 0°

свою теплоту через обшивку корпуса забортной воде. Для предотвращения коррозии в пресную воду добавляют специальные присадки.
    В настоящей работе приведена методика теплотехнического расчета СОТОА.
    Требуемая площадь обшивки корпуса судна под теплообменник определяется обычными соотношениями




                F- -Я-- JL-_L-J__L + sA




КМ ' К а.              X ’



где Q — количество отводимой теплоты; А/ — температурный напор; К— коэффициент теплопередачи; си, а<2— коэффициенты теплоотдачи в лабиринтном канале и от обшивки судна к забортной воде; б, Z — толщины слоев и коэффициенты теплопроводности краски, обшивки и слоя обрастания различными организмами.
    В наиболее неблагоприятном режиме СОТОА работает во время стоянки судна. Теплоотдача забортной воде в этом случае осуществляется свободной конвекцией. Этот режим следует считать основным расчетным для таких аппаратов.
    Для определения коэффициентов теплоотдачи выполнены экспериментальные исследования на модели СОТОА с теплопередающей стенкой 1X1 м и толщиной 10 мм. Стенка размещалась в баке объемом 20 м³ с неподвижной морской водой. Предусматривалась возможность изменения ориентации теплопередающей стенки от положения горизонтально вниз (ф=—90°) до положения горизонтально вверх (ф = = 90°). Угол ф = 0° соответствует вертикальному положению стенки (борт судна).
    Количество прямых участков лабиринтного канала изменялось от 7 до 25, его высота — от 12 до 44 мм. Пресная вода прокачивалась со скоростью 0,2—2,9 м/с при температуре 25—98 °C. В экспериментах температура морской воды в баке в зависимости от сезона изменялась в пределах 1—27 °C.


Пром, теплотехника, 1987, т. 9, № 6

45

ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ

     Температуры измерялись 32 термопарами, установленными на внутренней и наружной поверхностях теплопередающей стенки. По показаниям термопар определялась средняя температура поверхности. Пятью термопарами в различных точках контролировалась температура горячей пресной воды. Для оценки тепловых потерь использовались дополнительные термопары, размещенные в тепловой изоляции.
     В экспериментах изучались восемь угловых положений теплопередающей стенки. На рис. 2 представлены опытные данные для трех из них. Обработка результатов представлялась уравнением подобия:

Nu= c(PrGr)ⁿ

Ргмв
Ргст

—0,09

Значения коэффициентов с и п для различных приведены в табл. 1. Соответствующие зависимости для промежуточных углов имеют вид:

     Nu = 0,047 [ctg (100° + ф)]¹’⁹⁶ (PrGr)⁰’³⁵ttg⁽¹⁰⁰°⁺⁴>⁾]⁰’³¹

— 90°<ф< —60°;
                                                 0,09
, — 60°<ф<90°;


Nu = 0,117 cos

А-45“

'0,43
    (PrGr)⁰’³³

Pr
  MB РгГ

рг    \—0,09
   мв ]

                                         Рг
2,05-10“<PrGr < 5,63-10¹²; 1,1 < -т^-С 15,8. Pr


Здесь Nu, Gr, Pr — числа Нуссельта, Грасгофа, Прандтля; мв, ст— индексы, соответствующие морской воде и стенке. В качестве определяющих температур использовались среднеарифметические температуры поверхности стенки и забортной воды, а в качестве характерного размера — длина поверхности в направлении свободноконвективного движения воды. Полученные выражения служат для определения коэффициента теплоотдачи от обшивки судна к забортной воде.
    Коэффициент теплопередачи в лабиринтном канале определяется уравнением подобия [1]
                / Д \0,9 / рг \0,25 / / \ —3,0
Nu = 46Re°B4Pr^                      , 8-IO’<ReₙB<33.10‘;
                \ ⁴п ' \ ¹ ст ! \ ст '

    2,1 <ргпв<3,⁹; 1<у^<1,2; 1,9-10~² <      < 7,8-10~²;
Чт                 ¹п
                           Рг
0,8 <<0,94, Ргст


где Re — число Рейнольдса; J₃k, 1п — эквивалентный диаметр и длина прямого участка лабиринтного канала; t — средняя температура; пв — индекс, относящийся к пресной воде.

Таблица 1                                                
Коэффициенты         Значения при ф, град                
             ---90 ---75 ---60  -30   0    30   60   90 
С             1,4  0,22  0,065 0,087 0,1  0,11 0,12 0,12
п             0,2  0,28  0,33  0,33  0,33 0,33 0,33 0,33

46

Пром, теплотехника, 1987, т. 9, № 6

ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ

    Влияние покраски корпуса на теплоотдачу выполнено для широко используемой в судостроении краски ЭКЖС-40. Установлено, что для

одного слоя в зависимости от температуры отношение б/Л —(0,4... ... 1,4)-Ю-⁴ (м²-К)/Вт.
    Обрастание обшивки корпуса различными организмами приводит к ухудшению теплопередачи. Оценка влияния слоя обрастания выполнена для мидий, обладающих наибольшим объемом внутренних полостей. Было выполнено искусственное обрастание модели аппарата по

рекомендациям Института биологии южных морей АН УССР. Использовались четырехлетние мидии, что соответствует междоковому периоду эксплуата



Рис. 3. Зависимость коэффициента теплопередачи модели от угла наклона (скорость пресной воды 1,1 м/с) —а и от скорости пресной воды — б

Рис. 4. Сопоставление результатов натурного испытания днищевого СОТОА плавкрана «Слава Севастополя» с данными расчета: ф— стоянка; О — при скорости 4—7 узлов; сплошная линия — результаты расчета при стоянке



ции судна. Установлено, что отношение б/Х в зависимости от температуры составляет (0,8—1,4)-Ю⁻³ (м²-К)/Вт.
    На экспериментальной модели установлено, что коэффициент теплопередачи существенно увеличивается с ростом угла наклона (рис. 3). Коэффициент теплопередачи также растет с повышением температурного напора между пресной и морской водой.
    Повышение скорости движения пресной воды в лабиринтном канале нецелесообразно, так как при этом сравнительно слабо возрастает коэффициент теплопередачи и требуются дополнительные затраты на привод насосов. Установлено, что в тракте пресной воды достаточно обеспечить число Рейнольдса КеПв= (30 ... 40) • 10³.
    На рис. 4 представлены экспериментальные данные, полученные при испытании СОТОА, установленного на плавкране «Слава Севастополя». Там же приведены расчетные значения, полученные при проектировании. Экономический эффект от внедрения СОТОА на таком плавкране составляет около 80 тыс. руб. в год.
    При плавании судов во льдах на переднюю половину обшивки корпуса налипает мелкобитный лед. В результате скорость судна снижается примерно на 40—45 %. Для предотвращения этого явления используются различные методы, обеспечивающие температуру обшивки корпуса более 2 °C. Используется, например, подогретая в конденсаторе забортная вода, пар или электрические нагреватели.
    Установка замкнутых систем охлаждения (ЗСО) с СОТОА позволяет обеспечить необходимый подогрев без дополнительных устройств. Для судовой энергетической установки (СЭУ) ледокола температура охлаждаемой пресной воды составляет в среднем 20—30 °C и более. Расчеты показывают, что если такую пресную воду прокачать по каналам вдоль обшивки судна, то при температуре забортной воды ми

Пром. теплотехника, 1987, т. 9, № 6

47

ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ

нус 2 °C на наружной поверхности обшивки температура превысит 2 °C и налипание льда предотвратится.
    Для охлаждения воздуха главных генераторов, электродвигателя и выпрямительной установки, маслотурбогенераторов и валопроводов, а также пресной воды энергетической установки требуемая площадь СОТОА составляет 1055 м², что несколько меньше четвертой части смоченной поверхности обшивки ледокола. В табл. 2 даны массовые и стоимостные характеристики различных типов теплообменных аппаратов, которые могут использоваться с этой целью. При этом не учтено облегчение и удешевление всей системы при использовании СОТОА. связанные с тем, что в этом случае не нужен контур забортной воды. Приведенные данные позволяют считать ЗСО весьма перспективной для судов ледового плавания.


Таблица 2

     Характеристики           Тип используемых теплообменных аппаратов:        
                          кожухотрубные  пластинчатые            СОТОА        
Общая теплообменная по-                                                       
верхность, м2             2726           4880                     1055        
Марка теплообменника      ОКН 376---1050 пр. 0,6-100---2Т         ---         
Размеры теплообменника, м 3,48X1,96X1,82 0,73X1,77X2,73   Размещается в наборе
                                                          корпуса судна       
Количество теплообменни-                                                      
ков, шт                   5              32                       ---         
Суммарная масса всех                                                          
теплообменников, кг       31100          96000                   106850       
Ориентировочная суммар-   314000         458000                  192000       
ная стоимость, руб                                                            

    Для устранения ущерба, наносимого рыбным ресурсам при работе морской буровой установки, система охлаждения ее энергетического оборудования также может быть выполнена замкнутой. Для отвода теплоты при этом удобно использовать погружные теплообменные аппараты (ПТОА). ПТОА представляет собой плоскую пластину с лабиринтным каналом, по которому движется охлажденная пресная вода. Аппарат размещается на глубине 30—50 м, где независимо от времени года температура воды 8—10 °C. Подсчитано, что охлаждение энергетической установки, включающей шесть дизелей мощностью по 340 кВт, может быть обеспечено двумя ПТОА с общей теплообменной поверхностью около 70 м².



SUMMARY. Results from experimental studies in ship plating heat-exchange apparatuses for closed cooling system and their introduction on floating cranes are presented. These apparatuses are considered for prospects of using in other types of ships.


1. Федоровский К. Ю. Исследование теплообмена в замкнутых системах охлаждения//Судостроение.— 1981.— № 7.— С. 19—20.
2. Oertzen I. A. Beeinflussung morinen Litoral-Okosysteme durch Abwarme // Abh. Akad. Wiss. DDR.— 1974.—N 1.— S. 147—155.
3. Федоровский К. Ю., Никитин Д. Г. Метод расчета обшивочного теплообменного аппарата энергетических установок // Информ, листок о науч.-техн. достижении.— 1984.—№ 84-22.-4 с.

Севастоп. приборостроит. ин-т                                    Получено 01.10.86
После доработки 12.02.87



48

Пром, теплотехника, 1987, т. 9, № 6