Высоконадежные экологически безопасные системы охлаждения энергоустановок морских технических средств

ВЫСОКОНАДЕЖНЫЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫЕ СИСТЕМЫ
ОХЛАЖДЕНИЯ ЭНЕРГОУСТАНОВОК МОРСКИХ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

УДК 62-713.1:621.436

Федоровский К.Ю. Федоровская Н.К.

Аннотация. Рассматриваются вопросы создания замкнутых систем охлаждения
энергетических установок морских технических средств, работающих без приема
забортной охлаждающей воды, что обеспечивает высокую надежность и экологическую
безопасность эксплуатации. Приводятся примеры внедрения таких систем в практику, на
базе результатов проведенных исследований.
Ключевые слова: энергетическая установка, экологическая безопасность, замкнутая
система охлаждения.

Abstract. The questions related to design of closed loop cooling systems of marine power
plants are reviewed. The systems exclude using outboard water as coolant for power equipment.
That ensures high reliability and ecological safety of operation. The shipbuilding implementations
of such systems are shown. The implementations are based on results of the research.
Key words: marine power plant, ecological safety, closed loop cooling system.

В практике судостроения широкое распространение получили разомкнутые
двухконтурные системы охлаждения, предусматривающие прием забортной охлаждающей
воды (рисунок 1).

Рисунок 1 – Принципиальная схема разомкнутой двухконтурной системы охлаждения
энергетического оборудования

Для судов, длительное время находящихся вдали от берега, эти системы
обеспечивают достаточно высокую эффективность работы. Однако, имеется сравнительно
большая группа морских объектов (суда технического флота, морские буровые платформы и
т.д.), для которых прием забортной охлаждающей воды является не желательным. Как
правило, такие объекты находятся на мелководье и, в силу выполняемых технологических
операций (дноуглубительные работы, работа плавкранов в грейферном режиме, намыв
грунта и т.д.), создают интенсивное загрязнение окружающей акватории. В результате резко
усиливаются 
процессы 
коррозионно-эрозионного 
разрушения 
трубопроводов 
и
оборудования контура охлаждения забортной воды. Не редки случаи, когда система

охлаждения забивается, что приводит к прекращению циркуляции забортной воды и
аварийной остановки энергетической установки.
Разомкнутые системы охлаждения оказывают существенный экологический ущерб
водным ресурсам морей, где осуществляется эксплуатация морского технического средства.
Известно, что наибольшее количество зоо- и фитопланктона, икринок и рыбной молоди
находится в верхних слоях морей, обычно в шельфовой зоне. Как правило, прием
охлаждающей морской воды судами и другими морскими техническими объектами
осуществляется с глубин до 10 м, что соответствует зоне максимального сосредоточения
рыбной молоди и икринок. Разомкнутая система охлаждения засасывает эти организмы,
которые, проходя через фильтры, трубопроводы, арматуру и т.д., в большинстве своем
погибают 
под 
воздействием 
механического и 
теплового 
факторов. 
Проведенные
исследования специалистами севастопольского  Института биологии южных морей
Академии наук показали, что одна плавучая полупогружная буровая установка типа
«Шельф» за счет работы своей разомкнутой системы охлаждения только за три летних
месяца уничтожает икринки промысловых видов, количество которых эквивалентно
примерно 200 тоннам рыбы промыслового возраста. При этом в расчет не бралась
естественная гибель икринок и рыбной молоди. Таким образом, с учетом достаточно
большого 
количества 
функционирующих 
судов 
и 
морских технических 
средств,
разомкнутые системы охлаждения во время работы интенсивно уничтожают биологические
ресурсы, в том числе рыбные, шельфовой зоны морей.
Весьма иллюстративным в этом плане примером является планируемое некоторое
время назад создание гравитационной морской буровой платформы, предназначенной для
освоения нефтяных месторождений северо-восточного Каспия. Как известно, это район
характеризуется большим количеством рыб ценных промысловых видов.  В силу этого в
техническом задании на создание данной платформы были жестко указаны требования,
направленные на обеспечение экологической безопасности этой платформы. В частности,
было указано, что должен быть полностью исключен прием забортной воды для охлаждения
энергетической установки, в силу указанных выше причин.
Решение проблемы может быть найдено во внедрении в практику замкнутых систем
охлаждения, исключающих прием забортной охлаждающей воды (рисунок 2).  Нагретая в
энергетическом оборудовании охлаждающая пресная вода, в самом общем случае подается к
элементам корпуса судна, соприкасающимся с забортной водой, в результате чего пресная
вода охлаждается. Наибольшее распространение получили так называемые судовые
обшивочные теплообменные аппараты (СОТОА).

Рисунок 2 – Принципиальная схема замкнутой системы охлаждения энергетического
оборудования с СОТОА

В 
общем 
случае 
СОТОА 
представляет 
собой 
лабиринтный 
канал,
образованный судовой обшивкой, элементами набора и дополнительно наваренными с
внутренней 
стороны 
листами 
(рисунок 
3). 
Размер 
зазора 
между 
обшивкой 
и
дополнительными листами обычно колеблется в пределах 12…35 мм. Именно в этом канале
и движется пресная охлаждаемая вода, передавая теплоту через обшивку корпуса забортной
воде.

а
б
в

Рисунок 3 – Схема отвода теплоты с помощью судового обшивочного

теплообменного аппарата с лабиринтным каналом:

а – размещение аппарата на судовой обшивке; б – лабиринтное течение вдоль обшивки

судна; в – поперечное сечение канала аппарата; 1 – обшивочный теплообменник;

2 – подвод и отвод пресной воды; 3 – судовая обшивка;

4 – элементы набора корпуса судна; 5 –дополнительно наваренные листы;

6 – канал прохода пресной воды

Сечение канала определяется расходом пресной воды и требуемой скоростью ее
движения. Обычно эта скорость не превышает 0,3…0,5 м/с. Теплоотдача от наружной
поверхности судовой обшивки забортной воде может происходить при вынужденной
конвекции (движение судна) и свободной конвекции (судно неподвижно относительно
воды). Последний случай является наиболее не благоприятным, поскольку достигаемые при
этом 
значения 
коэффициента 
теплоотдачи, 
а, 
следовательно, 
и 
коэффициенты
теплопередачи, в несколько раз выше по сравнению со случаем движения судна. Именно
стоянка судна является основным расчетным режимом СОТОА и в целом замкнутой системы
охлаждения.
Детальный анализ конструкции СОТОА и режимов работы показал, что с
теплотехнической точки зрения имеется ряд особенностей, которые не позволяют
использовать для расчета таких аппаратов хорошо известные зависимости, например, для
изотермических поверхностей. Было проведено исследование особенностей характера
движения жидкости в лабиринтном канале (рисунок 4).  Выявлено, что в результате этого на
наружной 
поверхности 
судовой обшивки 
формируется 
сложная 
неизотермическая
поверхность, которая создает специфические условия теплоотдачи забортной воде.

А - А

5

3

4

6

А

А

Б

1

2

вид Б

Рисунок 4 – Визуализация течения охлаждаемой пресной воды
в лабиринтном канале СОТОА

Для 
проведения 
исследований 
была 
создана 
экспериментальная 
установка,
включающая модель СОТОА размером 1х1м, размещенную в емкости  объемом около 17 м3

с неподвижной морской водой. В результате выявлено, что на коэффициент теплоотдачи α
существенное влияние оказывает температурный напор между наружной поверхностью
судовой обшивки и забортной водой (рисунок 5). Увеличение Δt приводит к ощутимому
росту коэффициента  α. Из рисунка также видно, что α существенно зависит от угла наклона
поверхности судовой обшивки φ. При переходе от вертикального бортового положения
аппарата (φ=0) до горизонтального днищевого положения (φ=-90 °) значение α резко
уменьшается, причем, чем больше температурный напор Δt, тем сильнее эта разница.

Рисунок 5 – Зависимость коэффициента теплоотдачи обшивки корпуса судна
забортной воде α от угла наклона поверхности судовой обшивки j и температурного
 напора Δt (Δt1> Δt2> Δt3)

Кроме того, было выявлено, что значение коэффициента теплоотдачи α при днищевом
горизонтальном расположении СОТОА существенно зависит от размеров поверхности,
уменьшаясь с увеличением размера аппарата (площади теплопередающей части судовой
обшивки).
Обшивка корпуса судна окрашивается с целью предотвращения коррозии.
Коэффициент 
теплопроводности 
краски 
существенно 
меньше 
коэффициента
теплопроводности металла, из которого выполняется обшивка корпуса. Это приводит к
ухудшению теплопередачи. Проведенные исследования позволили получить необходимые
данные для учета влияния краски на теплопередачу.
Другой особенностью работы СОТОА является факт обрастания обшивки. Это также
вносит дополнительное термическое сопротивление, ухудшающее теплоотвод. Влияние
данного фактора было исследовано на примере мидий четырехлетнего возраста, при котором

они достигли достаточно больших размеров и, по сравнению с другими обрастателями
(водоросли, балянус и т.д.), имеют максимальные размеры. Как следствие, и оказываемое
ими термическое сопротивление является максимальным. В конечном счете, выработаны
рекомендации по учету данного фактора на теплопередачу.
Замкнутая система охлаждения с СОТОА была применена на самоходных плавкранах
проекта 15201 («Слава Севастополя») (рисунок 6), грузоподъемностью 500 т., построенных
Севастопольским морским заводом. Положительные отзывы, полученные в отношении
первого построенного плавкрана, позволили уверенно применить такую систему при
строительстве следующих плавкранов.

Рисунок 6 – Самоходный плавкран проекта 15201, оборудованный замкнутой системой
охлаждения с СОТОА

На рисунке 7 показана фотография СОТОА данных плавкранов при их строительстве.
Аппарат размещается на днищевой поверхности (φ=-90 °) в районе балластной цистерны
плавкрана. Обшивка корпуса 1 между элементами набора 2 перекрыта дополнительными
листами 3, образующими лабиринтный канал для движения охлаждаемой воды. На рисунке
виден патрубок 4 подвода (отвода) пресной воды. Лежащий левее дополнительный лист с
патрубком будет наварен рядом с патрубком 4. Зазор между листами 3 и обшивкой 1 был
равен 15 и 32 мм. Суммарная площадь судовой обшивки, выделенная под такой аппарат,
составляла около 100 м2. Размещение СОТОА в районе балластной цистерны давало
возможность обеспечить дополнительный теплоотвод к находящейся в цистернах забортной
воде. Изготовление такого аппарата не потребовало применения специальных технологий и
оборудования.

Рисунок 7 – Общий вид судового обшивочного теплообменника

плавкрана проекта 15201:

1 – судовая обшивка;2 – элементы набора корпуса судна;

3 –дополнительно наваренные листы; 4 – фланец присоединения патрубка

подвода (отвода) пресной воды.

Тепловая эффективность замкнутой системы охлаждения была проверена в ходе
ходовых испытаний плавкрана. Максимальное отклонение значений коэффициентов
теплопередачи, определенных расчетным путем на основании разработанной методики, и
опытных значений натурных испытаний СОТОА не превысило 10…20%.
Полученный положительный опыт изготовления и эксплуатации экологически
безопасных замкнутых систем охлаждения позволяет рекомендовать их для различных типов
буровых платформ. Как указывалось ранее, этот вопрос весьма актуален для Каспийского
моря. Для полупогружных буровых платформ для отвода теплоты с помощью таких систем
охлаждения могут быть использованы участки обшивки корпуса понтонов или же внутри
понтонов могут быть сделаны выгородки, внутри которых размещен погружной
теплообменный аппарат (ПТОА) пластинчатого 
типа с лабиринтным движением
теплоносителя (рисунок 8).  Для гравитационных платформ ПТОА может быть выполнен
выносным.

Рисунок 8 - Схема размещения ПТОА на полупогружной и гравитационной буровой
платформе
Ранее отмечалось, что наиболее благоприятный режим работы таких теплообменных
устройств имеет место в случае, когда забортная вода неподвижна по отношению к
теплоотдающей поверхности. При этом возможности теплоотвода уменьшаются по мере
увеличения температуры забортной воды, которая для некоторых районов Каспия в летний
период может быть весьма высокой. В случае, если не предпринимать никаких мер, это
потребует больших площадей теплоотдающей поверхности таких аппаратов и увеличения их
стоимости, что является крайне нежелательным. Для решения проблемы нами предложен и
исследуется метод газожидкостной интенсификации теплопередачи. Суть метода состоит в
том, что в район СОТОА посредством воздушного коллектора подается в очень небольших
количествах сжатый воздух. Пузырьки воздуха, подымаясь вверх, проталкивают забортную
воду вдоль теплопередающей части СОТОА или ПТОА, эффективно разрушают
препятствующий теплообмену пристенный пограничный слой и существенно увеличивают
теплоотвод.
Проведенные исследования показали перспективность данного метода, поскольку он
позволяет увеличить теплоотдачу в 8…20  раз по сравнению со случаем теплоотдачи  в

неподвижную забортную воду (при свободной конвекции). Важной особенностью метода
является то, что его относительная эффективность увеличивается по мере увеличения
температуры забортной воды [1] . Это создает условия для существенного снижения
требуемой площади СОТОА или ПТОА, уменьшения габаритов замкнутой системы
охлаждения энергоустановки и, как следствие, возможности для более широкого внедрения в
практику 
данных 
систем, 
отличающихся высокой надежностью и экологической
безопасностью работы.

Литература:
1. Федоровский К.Ю., Ениватов В.В. Анализ эффективности замкнутых систем
охлаждения энергетических установок судов / Сборник научных трудов Национального
университета кораблестроения. - Николаев.- 2013г. - № 5-6.- с.4-8.

Сведения об авторах

Федоровский Константин Юрьевич. - д.т.н., профессор, заведующий кафедрой
Энергоустановок морских судов и сооружений, Институт кораблестроения и морского
транспорта Севастопольского государственного университета
Тел. +7(978)7096617
fedkonst@rambler.ru

Федоровская 
Надежда 
Константиновна 
- 
студентка 
Севастопольского
государственного университета