CC BY
31УДК 62-71:623.85
Д.О. Владецкий1, А.О. Харченко, Е.А. Владецкая2
1 Севастопольский филиал Государственного морского университета им. адмирала Ф.Ф. Ушакова,
Севастополь, 299009;
2 Севастопольский государственный университет, Севастополь, 299026 e-mail: vladetski@gmail.com
ПОВЫШЕНИЕ ТЕПЛООТДАЧИ ЗАМКНУТЫХ ОДНОКОНТУРНЫХ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ СУДОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Приведены результаты теплотехнических исследований теплоотдачи в погружном пластинчатом теп-лообменном аппарате при использовании газожидкостных струй для интенсификации теплоотдачи в замкнутых одноконтурных системах охлаждения CЭУ.
Ключевые слова: система охлаждения СЭУ, погружной теплообменный аппарат, интенсификация теплоотдачи.
D.O. Vladetskiy1, A.O. Kharchenko, E.A. Vladetskaya2
1 Sevastopol branch of State Maritime University named after Admiral Ushakov F.F.,
Sevastopol, 299009; 2 Sevastopol state university,
Sevastopol, 299026 e-mail: vladetski@gmail. com
INCREASING THE HEAT TRANSFER OF CLOSED SINGLE-CIRCUIT COOLING
SYSTEMS OF SHIP POWER PLANTS
The results of heat engineering studies of heat transfer in a submersible plate heat exchanger with gas-liquid jets to intensify heat transfer in closed single-circuit cooling systems of ship power plants are presented.
Key words: ship power plant cooling system, submersible plate heat exchanger, heat transfer intensification.
Система охлаждения является одним из основных элементов судовой энергетической установки. Широко используемые на судах разомкнутые 2-контурные системы охлаждения предусматривают прием коррозионно-активной и часто загрязненной забортной воды, что в целом ряде случаев (работа в загрязненной акватории, грейферные работы, плавание в мелководье, ледовой шуге и т. д.) не обеспечивает требуемой надежности эксплуатации и экологической безопасности. При этом происходит интенсивное засорение элементов контура системы охлаждения забортной воды (фильтров, теплообменников, насосов, кингстонных ящиков и др.), что зачастую приводит к внезапной остановке СЭУ из-за прекращения подачи охлаждающей воды.
Для того чтобы повысить эффективность эксплуатации энергетической установки и предотвратить ее внезапную остановку из-за прекращения подачи охлаждающей воды, необходимо использовать замкнутые системы охлаждения (ЗСО), исключающие прием забортной охлаждающей воды. Помимо достигаемого при внедрении таких систем повышения надежности эксплуатации и снижения эксплуатационных затрат, также обеспечивается достижение экологического эффекта, связанного с сохранением рыбных запасов морей России.
В рамках замкнутых систем охлаждения отвод теплоты от энергоустановки в забортную воду осуществляется посредством погружных теплообменных аппаратов, которые конструктивно могут быть выполнены различно. Такие аппараты могут располагаться во внешних выгородках корпуса судна (рис. 1), а также могут монтироваться в объеме кингстонного ящика судна, как теплообменник типа box-cooler (рис. 2).
В таких случаях теплообменный аппарат располагается ниже ватерлинии за пределами прочного корпуса судна в специальной внешней выгородке или кингстонном ящике судна. При данной компоновке он защищен от повреждений и хорошо омывается забортной водой.
Судно
-О—
ЭУ
а б в
Рис. 1. Погружной теплообменный аппарат замкнутой системы охлаждения СЭУ, предназначенный для монтажа во внешней выгородке корпуса судна: а - общий вид секции; б, в-расположение теплообменного аппарата во внешней выгородке
Прямоугольный box cooler
Круглый box cooler
Ступенчатый box cooler
(f?
Рис. 2. Погружной теплообменный аппарат (box-cooler) замкнутой системы охпаждения СЭУ, предназначенный для монтажа в кингстонном ящике судна
Однако широкое внедрение в практику замкнутых систем охлаждения энергетических установок сдерживается сравнительно большими массогабаритными характеристиками устройств теплоотвода в забортную воду. Для используемых в таких системах погружных теплообмен-ных аппаратов отсутствуют разработанные способы интенсификации теплоотдачи и соответствующие расчетные методики для наиболее неблагоприятного режима их работы, когда теплоотдача осуществляется в неподвижную относительно судна морскую воду посредством свободной конвекции.
Поэтому для снижения массогабаритных характеристик погружных теплообменных аппаратов и создания тем самым возможностей более широкого внедрения ЗСО в практику необходимо разработать способ интенсификации теплоотдачи забортной воде для случая свободной конвекции.
Для интенсификации теплоотдачи от наружной поверхности box-cooler забортной воде предложен способ, базирующийся на использовании газожидкостных струй [1]. В нижней части теплообменника установлен газовый коллектор, через который осуществляется подвод воздуха в зазоры между теплоотдающими поверхностями (рис. 3).
Горячая пресная вода от энергетической установки, проходя через впускной коллектор 2, подается внутрь каждой теплообменной пластины 1. Двигаясь внутри ее по лабиринтному каналу, пресная вода отдает теплоту забортной воде и поступает в выпускной коллектор 3. Для формирования затопленной газожидкостной струи 5 в нижней части теплообменных пластин устанавливается газовый коллектор 4 с выполненными по длине отверстиями, через которые осуществляется подвод воздуха.
Экспериментально определено, что формирование газожидкостной струи приводит к подсосу жидкости из окружающего пространства и ее проталкиванию вдоль поверхностей теплообмена. За счет всплывающих пузырьков газа в зазоре имеет место существенная турбулизация потока, что, как известно, положительно сказывается на коэффициенте теплоотдачи.
Для определения обобщающего уравнения подобия, описывающего процесс интенсификации теплоотдачи газожидкостными струями, были проведены теплотехнические исследования на экспериментальной модели пластинчатого box-cooler. Она представляла собой две вертикальные параллельные пластины с шириной тепло-отдающей поверхности 0,5 м и высотой 0,8 м каждая, расположенные с зазором и помещенные в емкость с водой объемом около 17 м3. Установка обеспечивала моделирование условий теплообмена, максимально приближенных к реальным, и позволяла варьировать в широком диапазоне параметры рабочих сред.
Теплотехнические исследования однозначно подтвердили эффективность выбранного метода интенсификации теплоотдачи неподвижной забортной воде. Коэффициент теплоотдачи с использованием газожидкостных струй сопоставлялся с результатами теплоотдачи аналогичного теплообменного аппарата в условиях свободной конвекции. Эффективность метода по сравнению с теплоотдачей при свободной конвекции резко возрастает по мере уменьшения температурного напора между теплоотдающей поверхностью и забортной водой, и при температурных
напорах tc -13 = 2.. ,3°С увеличение теплоотдачи достигает 15.. .25 раз.
Однако данный способ интенсификации теплоотдачи имеет свои ограничения. Известно, что теплоотдача воздуху во много раз хуже, чем теплоотдача воде. Закономерно предположить, что увеличение расхода воздуха сначала улучшит теплоотдачу, а впоследствии это может привести к ее уменьшению - кризису теплоотдачи. Очевидно, что существует предельное значение концентрации газа kr в зазоре между теплоотдающими поверхностями, при котором наступает кризис теплоотдачи. Это происходит вследствие того, что при повышении расхода пузырьки воздуха замещают забортную воду в зазоре между теплоотдающими поверхностями, тем самым, ухудшая теплоотдачу.
Теплотехнические исследования позволили определить, что критическим значением концентрации газа в зазоре между теплообменными поверхностями является kr = 6,7% (рис. 4).
Увеличение концентрации газа в зазоре между теплоотдающими поверхностями выше критической нецелесообразно и ведет к резкому уменьшению коэффициента теплоотдачи вследствие вытеснения воздухом жидкости в зазоре. Получена зависимость (1), описывающая явление
кризиса и позволяющая рассчитать коэффициент теплоотдачи аг в зависимости от концентрации газовых пузырей в зазоре ПТОА:
аГ = 1,25 -105кг -0,93-106к2г. (1)
Газожидкостная составляющая коэффициента теплоотдачи, рассчитанная по зависимости (1), достигает максимума при концентрации пузырьков воздуха в зазоре kr = 6,7% и равняется аГ ~ 4200 Вт/(м2 • К).
Рис. 3. Box-cooler с газожидкостной интенсификацией теплоотдачи
а, , Вт/м2К
4000 3000 2000
1000
Ш ш о ¿г,, Г?: И - ъ
■ ° * « 6 \
Ш¥ г/ о -1 ■ -2 О -3 д -4 • - 5
4 /
кг,%
Рис. 4. Зависимость аГ от концентрации воздуха кг в зазоре ПТОА: 1 - S = 0,02 м; 2 - 0,03 м; 3 - 0,04 м; 4 - 0,1 м; 5 - 0,16м; 6- зависимость (1)
Коэффициент теплопередачи к неокрашенного и не обросшего пластинчатого box-cooler, в зависимости от удельного расхода воздуха WrL и расстояния между теплоотдающими пластинами 5, показан на рис. 5.
Вт/м-К
1600
1400
1200
1000
800
600
400
20 мм 30 мм 40 мм
100 мм
160 мм
Ч
W„ ■ 10
м2/с
Рис. 5. Зависимость коэффициента теплопередачи к пластинчатого ПТОА от удельного расхода воздуха ШГ1 при различных расстояниях между теплоотдающими поверхностями
На эффективность работы погружного теплообменника существенное влияние также оказывает выбор материала для изготовления теплоотдающих поверхностей: углеродистая сталь, алюминиевая бронза, медно-никелевый сплав. Углеродистая сталь дешевле, чем алюминиевая бронза и медно-никелевый сплав, но она обладает низким коэффициентом теплопроводности, что определяет большие площади теплообменника.
Кроме того, в реальных конструкциях, для защиты от обрастания и коррозии теплоотдаю-щие поверхности из углеродистой стали и алюминиевой бронзы необходимо покрывать 2.. .3 слоями защитной антикоррозионной и противообрастающей краски, в состав которых входят вещества, токсичные для морских организмов (окись меди, окись ртути и др.).
В результате обработки экспериментальных данных по теплоотдаче было получено уравнение подобия, описывающее процесс интенсификации теплоотдачи газожидкостными струями. Искомое уравнение подобия, соответствующее данной обработке, имеет вид:
NUr = 2,2 ■ Re*0,46 • Pr03 • (5/dn )0,69 • (Цж/Цс)0Д4, (2)
где Re* - модифицированное число Рейнольдса. Уравнение (2) справедливо для: Re* = 36,8.629,7; Pr = 3.10; Цж/Цс = 0,62.2,52; 5/ J = 4.32.
Полученное уравнение подобия позволяет рассчитать теплоотдачу поверхности газожидкостной струе в широком диапазоне изменения параметров и на этой основе разработать методику теплотехнического расчета пластинчатого box-cooler. Разработанная методика позволяет определить для конкретной энергетической установки необходимую площадь box-cooler, учитывая обрастание и покраску теплоотдающих поверхностей.
Расчеты показали, что для энергетической установки мощностью Ne = 500 кВт площадь такого box-cooler (с учетом покраски и обрастания теплоотдающих поверхностей) будет равна F = 14 м2. При расстоянии между теплоотдающими пластинами 0,03 м габариты такого аппарата не превысят 1,5 х 0,8 х 0,21 м, расход воздуха через газовый коллектор 3,6 м3/ч.
Выполненный с использованием разработанной методики теплотехнического расчета пластинчатого box-cooler анализ позволил уточнить, что использование газожидкостных струй позволяет существенно (4.6 раз) снизить массогабаритные характеристики устройств теплоотвода ЗСО СЭУ при изготовлении аппарата из материалов, не требующих покраски и не подверженных обрастанию. В противном случае массогабаритные характеристики аппарата уменьшаются в 2,5.3,5 раза.
Для рассматриваемой конструкции box-cooler впервые получено обобщающее уравнение подобия, описывающее процесс интенсификации теплоотдачи посредством газожидкостных струй. Уравнение справедливо в широком диапазоне изменения параметров и обеспечивает возможность разработки достоверной методики теплотехнического расчета таких теплообменных аппаратов.
Таким образом, создание вдоль поверхности теплообмена газожидкостного потока не только существенно увеличивает теплоотдачу при свободной конвекции, но также позволяет уменьшить энергетические затраты на интенсификацию теплообмена и более эффективно использовать теплоотдающие поверхности погружного теплообменного аппарата по сравнению со случаем вынужденного течения потока однородной жидкости. При обеспечении в погружном теплообменнике оптимального расхода воздуха использование данного способа интенсификации теплоотдачи является достаточно перспективным с точки зрения улучшения массогабаритных и энергетических характеристик теплообменного оборудования, что способствует практическому внедрению замкнутых систем охлаждения судовых энергетических установок.
Переход на замкнутые системы охлаждения с box-cooler возможен и целесообразен для различных типов судов и морских технических средств. Приведенные здесь примеры убедительно это подтверждают.
Литература
1. Владецкий Д. О. Тепловая эффективность процесса газожидкостной интенсификации теплоотдачи в погружном теплообменнике // Вестник СевГТУ. Механика, энергетика, экология. -Севастополь, 2009. - Вып. 97 - С. 94-97.
2. Аэрационные системы экополимер. - М.: Группа компаний экополимер, 2006 [Электронный ресурс]. - URL: http://www.ecopolymer.com/product/
3. Владецкий Д.О., Владецкий Д.О. Визуальные исследования процесса интенсификации теплоотдачи путем формирования вдоль теплообменной поверхности газожидкостной струи // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии: Научно-технический журнал. - Орел, 2017. - № 4-1(324). - С. 91-96.
