ВЛИЯНИЕ ОБРАСТАНИЯ НА ТЕПЛООТВОД ЧЕРЕЗ СУДОВУЮ ОБШИВКУ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 629.12

К.Ю. Федоровский, заведующий кафедрой Энергоустановок морских судов и сооружений, профессор, д.т.н., e-mail: fedkonst@rambler.ru Н.К. Федоровская, магистрант, e-mail: n.fedorovskaya14@mail.ru Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Севастопольский государственный университет», Морской институт

299053, г. Севастополь, ул. Университетская, 33

ВЛИЯНИЕ ОБРАСТАНИЯ НА ТЕПЛООТВОД ЧЕРЕЗ СУДОВУЮ ОБШИВКУ

Ключевые слова: энергетическая установка, система охлаждения, теплоотвод, коэффициент теплопередачи, обрастание

В настоящее время широко распространены разомкнутые системы охлаждения судовых энергетических установок. Такие системыне всегда надежны и наносят экологический ущерб морям. Для решения проблемы предлагаются замкнутые системы охлаждения. Они исключают приём забортной охлаждающей воды. Теплоотдача в таких системахчасто осуществляется через обшивку корпуса судна. Обшивкасудовоб-растает,что приводит к снижению эффективности теплоотвода. Возникает необходимость оценитьвлияние обрастанияна теплоотвод. С этой целью былипроведены экспериментальные исследования. Поверхность экспериментальноймодели была по-крытамидиями. Они имеютнаибольшие размеры и потому вносят наибольшее термическое сопротивление. Полученные результаты позволили определитьданные, требуемые для расчета площади судовой обшивки.

В настоящее время для охлаждения энергетического оборудования судов широко используются разомкнутые системы охлаждения. Они предусматривают приём заборной охлаждающей воды. Во многих случаях такие системы обеспечивают достаточно эффективное охлаждение оборудования.

Однако имеются в случаи, когда разомкнутые системы не могут в полной мере справиться с поставленной задачей. К их числу можно отнести, например, работу судна в загрязненной акватории. Принимаемая загрязненная забортная вода интенсивно засоряет систему и оказывает мощное коррозионно-эрозионное разрушение её элементов. Это снижает надежность эксплуатации.

Кроме того, разомкнутые системы охлаждения наносят существенный экологический ущерб морям и континентальным водоемам. Обычно системы охлаждения принимают воду с глубин до 10...15 м, на которых, как правило, сосредоточено наибольшее количество планктона [1]. По данным [2] в теплое время года масса зоопланктона в одном кубическом метре воды может достигать сотен граммов. Размеры планктона таковы, что он проходит через фильтр системы и попадает в насосы, теплообменники, арматуру и т.д. В результатепод воздействием теплового и механического факторов [3, 4] значительное количество планктона, а иногда и весь планктон, погибает [5].

Хорошо известно, что планктон является основой пищевой цепочки, формирующейся в морях и континентальных водоемах. Поэтому его уничтожение практически подрывает рыбные ресурсы [5].

Таким образом, в силу указанных технических и экологических причин, целесообразно использовать замкнутые системы охлаждения, исключающие прием забортной воды [6].К такому выводу приходят и разработчики систем охлаждения энергоустановок береговых тепловых электростанций [7, 8]. Для судов дополнительным важ-

ным преимуществом замкнутых систем охлаждения является тот факт, что при их использовании удается сэкономить 1.. .2 процента топлива [9].

Для отвода теплоты в таких системах могут использоваться различные судовые элементы, контактирующие с забортной водой. Известны конструкции с килевыми охладителями [10, 11, 12] , бокскулерами [13] и др. Для отвода теплоты может использоваться подводная часть обшивки корпуса судна (рис. 1). Соответствующие теп-лообменные аппараты называются обшивочными (ОТОА). Судов с указанными системами становится все больше [14].

Хорошо известно, что обшивка корпуса суднаподвержена обрастанию, что неизбежно ведет к снижению эффективности теплоотвода.

Рис. 1. Схема ОТОА: 1 - судовая обшивка;

2 - элементы набора корпуса судна; 3 - дополнительные листы;

4 - лабиринтный канал; 5 - парубки подвода и отвода теплоносителя

Видовой состав обрастателей и плотность их расположения на поверхности формируются под воздействием большого количества разнообразных факторов. Для судов технического флота и малоподвижных морских технических средств возможно даже наслоение обрастателей. Обычно основными видами обрастателей при этом являются болянус и мидии (рис. 2). Мидии обладают максимальными размерами среди обрастателей и, следовательно - максимальным термическим сопротивлением.

Рис. 2. Внешний вид болянуса и мидии

По этой причине исследование влияния обрастания на теплоотвод осуществлялось с использованием мидий. Эксперименты проводились на модели ОТОАплоща-дью теплопередающей поверхности 1 м2. Её поверхность была подвергнута искусственному обрастанию с учетом рекомендаций сотрудников ФГБУН «Институт морских биологических исследований им. А.О. Ковалевского» РАН. Выловленные в бухте трех-четырехлетние мидии (возраст мидий примерно соответствует междоковому периоду эксплуатации судна) сразу же переносились на теплообменник биссусными нитями к поверхности. После двух суток нахождения в проточной морской воде они достаточно прочно присоединялись к аппарату (рис. 3).

Рис. 3. Поверхность модели ОТОА, обросшая мидиями

На рисунке 4 представлен график зависимости коэффициента теплопередачи чистого Кэдст и обросшего Кобр аппарата от температурного напора Лt между стенкой

ОТОА и морской водой. Степень обрастания поверхности ^^^ составляла 0,7.

Рис. 4. Зависимость коэффициента теплопередачи К чистого (1) и обросшего (2) теплообменника от температурного напора М

При температурном напоре Лt = 10 °С значение Кчист -Кобр = 90 Вт/(м2-К). С увеличением температурного напора наблюдается увеличение параметра Кэдст - Кобр. Если Д= 30 °С, то Кэдст - Кобр = 130 Вт/(м2-К), т.е. этот параметр увеличился в 1,4

раза по сравнению с Лt = 10 °С. В случае обрастания поверхности коэффициент теплопередачи равен:

К = 1

обр = ±+ + ± + '

а1 ^ с а2 ^ обр

где а! и а2 соответственно коэффициенты теплоотдачи на внутренней и наружной поверхностях судовой обшивки, Вт/(м2К);

обр и — соответственно термическое сопротивление слоя обрастателей и судовой

^ обр ^ с

обшивки, (м2К)/Вт.

Поскольку

1 5с — + —

а, Х„

а

К

, то

' К К

'обр Кобр Кчист

Термическое сопротивление обрастателей зависит от плотности их расположения на поверхности. Результаты экспериментальных исследований при различных Робр/Р

показаны на рисунке 5. Увеличение площади ^обр занимаемой обрастателями приводит к повышению термического сопротивления. Зависимость 50бр/'0бр полностью

обросшей поверхности (Робр/Р = 1,0) от температурного напора А представлена на

рис. 6.

Обработка результатов ряда опытов показала, что отношение Кобр/Кэдст при прочих равных условиях зависит от а 2, которое, в частности, связано с ориентацией судовой обшивки. Так, при Робр/Р = 0,68 и А1 = 30 °С в случае днищевого расположения ОТОА К0ф /Кчяст = 0,9, а в случае бортового расположения имеет место Кф К» = 0,75. Это можно объяснить изменением относительного вклада и 1 а2 в общее термическое сопротивление.

Рис. 5. Зависимость термического сопротивления обрастателей 5обр/'обр от плотности их расположения на поверхности Робр/Р (А1 = 10 °С)

Рис. 6. Зависимость термического сопротивления 80бр/'0бр от температурного напора А1 при полностью обросшей поверхности Робр/Р = 1,0

1

1

5

1

1

Средняя толщина слоя мидий при проведении эксперимента, равнялась примерно 20...25 мм. Приняв этот размер за величину Зобр, можноопределить значение Яобр. Тогда в интервале Д = 5.35 °С Хобр « 0,039.. .0,063 Вт/(м-К).

Поскольку обрастатели снижают теплоотвод, то это ведет к увеличению требуе-мойплощади теплопередающей поверхности судовой обшивки.В таких условиях возникает закономерный вопрос о возможности предотвращения обрастанияс учётом-нагрева поверхности обшивки корпуса судна, вследствие теплоотвода через неё.

Известно, что для южных морей взрослые организмы и личинки обрастателей погибают при температуре воды 44 °С в течение 5.15 минут [15],а при температуре воды 37 °С гибель наступает в течение 3.4 часов.

Былопроведено исследованиевоздействия на обрастатели нагрева поверхности теплообменника. В результате проведенных экспериментов определено, что обрастате-ли погибают при температуре более 42°С, определяемой как среднеарифметическое температур наружной поверхности обшивки судна и забортной воды /3. При таких условиях мидии раскрывались, их бисусные нити отрывались от поверхностии, в конечном счете,они опадали. Данное обстоятельство дает возможность сравнительно просто очищать от обрастателей поверхность ОТОА без докования судна.

Применительно к ОТОА можно считать, что поддержание температуры наружной поверхности обшивки судна в пределах 40.44 °С предотвратит присоединение к поверхности личинок обрастателей. На рисунке7 показана зависимость требуемой для этого температуры охлаждаемого теплоносителя на внутренней поверхности теплопе-

редающей стенкт t ж при различных температурах забортной воды / з. Так, при температуре = 22 °С tж = 55 °С, а при /3 = 7 °С tж должна быть не менее 79 °С. С уменьшением tз происходит увеличение а2, что, в свою очередь, снижает tс2 и требует дополнительного повышения t ж.

Рис. 7. Зависимость требуемой для гибели обрастателей температуры t ж от температуры забортной воды /3

Таким образом, при эксплуатации ОТОА необходимая для предотвращения обрастания поверхности температура t ж может быть обеспечена, например, в случае охлаждения в ОТОА воды внутреннего контура дизелей. При этом повышение температурного уровня охлаждаемого теплоносителя не только способствует повышению коэффициента теплопередачи, но и может исключить обрастание поверхности, что положительно скажется на габаритах ОТОА

Кроме этого, для борьбы с обрастателями в замкнутой системе охлаждения может быть предусмотрен дополнительный нагреватель, например паровой или электрический. Это позволяет при отключенном дизеле нагреть циркулирующую в системе пресную воду до требуемых для уничтожении обрастателей температур.

Полученные результаты позволяют учесть влияние обрастания на теплопередачу через обшивку корпуса судна или же предотвратить обрастание поверхности за счет термического воздействия.

Список литературы:

[1] Моря СССР, Планктон. http://www.bruo.ru/pages/150.html

[2] Мир животных. ЗоопланктонЧерногоморя.http://www.zooeco.com/strany/str-01-10-21.html.

[3] issues and environmental impacts associated with once-through cooling at California's coastal power plants california/ energy commission, Staff Report, June 2005 CEC-700-2005-013. http://www.energy.ca.gov/2005publications/CEC-700-2005-013/CEC-700-2005-013.PDF.

[4] how power plants kill fish & damage our waterways. https://vault.sierraclub.org/.../2011-08-fish-blenders.pdf.

[5] Martin R. Speight, Peter A. Henderson. Marine Ecology: Concepts and Applications. - Wiley-Blackwell, 2013 , - 272 р

[6] ФедоровскийК.Ю. Замкнутые системы охлаждения судовых энергетических установок / К.Ю. Федоровский, Н.К. Федоровская. - Москва.: Вузовский учебник: Инфра-М,2017. - 160с

[7] Kari Lydersen.Power plant cooling rules aim to reduce fish kills. http://midwestenergynews.com/ 2011/05/03/power-plant-cooling-rules-aim-to-reduce-fish-kills/.

[8] VladDorjets.Many newer power plants have cooling systems that reuse water. http://www.eia.gov/ todayinenergy/detail.php?id= 14971.

[9] Шурпяк В.К. Учет особенностей систем охлаждения при оценке энергетической эффективности судов / науч.-техн. Сб. Рос. Морского регистра судоходства, № 37. С.Петербург, 2014 с. 51-55

[10] SpecifyingaTrawler.http://bluewater-trawlers.blogspot.com/2008/11/hull-construction.html.

[11] Specialty Gridcooler Keel Coolers.http://www.fernstrum.com/products/gridcooler-keel-cooler/ specialty-coolers/.

[12] Duramax DuraCooler Patented Streamlined Header Design.http://www.duramaxmarine.com/heat-duracooler.htm.

[13] Bloksma Box Cooler. http://www.separatorequipment.com/products/kelvion/machine-cooling-systems /bloksma-box-cooler-k-type.

[14] DrydockingServices. http://www.diversifiedmarineinc.com/Drydock.htm.

[15] Зевина Г.Б. Обрастание в морях СССР / Г.Б. Зевина. - М.: МГУ, 1972. - 920 с.

THE INFLUENCE OF FOULING ON THE HEAT SINK THROUGH THE SHIP'S PLATING

K.Yu. Fedorovsky, Dr. Sc. (Tech.), Head of the Department of Power Installations of Marine Ships and Structures, Professor

N.K. Fedorovskaya, Undergraduate, «Sevastopol State University», 299053, Russia, Sevastopol, University str. 33

Keywords: power unit, cooling system, heat sink, heat transfer coefficient, fouling

Currently open cooling systems for ship power units are widespread. Such systems are not always reliable and cause environmental damage to the seas. Closed cooling systems are offered to solve the problem. They exclude the intake of cooling seawater. Heat sink in such systems is often carried out through the hull plating. The ship's plating is cluttered and it leads to the heat transfer efficiency decrease. The need to evaluate the fouling effect on the heat sink arises. For this purpose experimental studies were conducted. The experimental model surface was covered with mussels. They have the largest dimensions and, therefore, contribute to the greatest thermal resistance. The results obtained allowed us to determine the data required for the calculation of the ship's plating area.

References:

[1] Sea USSR, Plankton.Available at:http://www.bruo.ru/pages/150.html(accessed 19 May 2016).

[2] Animal world. Zooplankton of the Black Sea.Available at:http://www.zooeco.com/strany/str-01-10-21 .html(accessed 19 May2016).

[3] issues and environmental impacts associated with once-through cooling at California's coastal power plants california/ energy commission, StaffReport, June 2005 CEC-700-2005-013.Available at:http://www.energy.ca.gov/2005publications/CEC-700-2005-013/CEC-700-2005-013.PDF(accessed 15 January 2017).

[4] how power plants kill fish & damage our waterways, Available at: https://vault.sierraclub.org/ .../2011-08-fish-blenders.pdf (accessed17 January 2017).

[5] Martin R. Speight, Peter A. Henderson. Marine Ecology: Concepts and Applications. - Wiley-Blackwell, 2013 , - 272 р.

[6] FedorovskyK.Yu., Fedorovskaya N.K., Closed cooling systems for ship power plants. Moscow, Infra-M, 2017. 160p.

[7] Kari Lydersen.Power plant cooling rules aim to reduce fish kills. Available at: http://midwest-energynews.com/2011/05/03/power-plant-cooling-rules-aim-to-reduce-fish-kills/ (accessed16 January 2017).

[8] VladDorjets. Many newer power plants have cooling systems that reuse water. Available at: http://www.eia.gov/todayinenergy/detail.php?id=14971 (accessed16 January 2017).

[9] Shurpyak V.K. Consideration of the features of cooling systems in assessing the energy efficiency of ships / Russian Maritime Register of Shipping, - 2014. - No. 37. -pp. 51-55.

[10] SpecifyingaTrawler. Available at: http://bluewater-trawlers.blogspot.com/2008/11/hull-construc-tion.html (accessed 16 January 2017).

[11] Specialty Gridcooler Keel Coolers.Available at:http://www.fernstrum.com/products/gridcooler-keel-cooler/specialty-coolers/(accessed 17 January 2017).

[12] Duramax DuraCooler Patented Streamlined Header Design Available at: http://www.duramax-marine.com/heat-duracooler.htm. (accessed 17 January 2017).

[13] Bloksma Box Cooler. Available at: http://www.separatorequipment.com/products/kelvion/ ma-chine-cooling-systems/bloksma-box-cooler-k-type (accessed 17 January 2017).

[14] Drydocking Services.Available at:http://www.diversifiedmarineinc.com/Drydock.htm (accessed 24January 2016).

[15] Zevina G.B. Fouling in the seas of the USSR . Moscow: MSU, 1972. 920 p. Статья поступила в редакцию 12.02.2019 г.