Главная Контакты Добавить в избранное Авторы Вопросы и ответы
,

УДК 62-713.1:621.436

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООТВОДА ЗАМКНУТЫХ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ ЭНЕРГОУСТАНОВОК МОРСКИХ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

Федоровский К.Ю., Владецкий Д.О.

Энергетическая установка (ЭУ) и, в частности, её система охлаждения являются одним из основных элементов судна. В настоящее время в судовой энергетике широко применяются разомкнутые двухконтурные системы охлаждения, предусматривающие прием забортной охлаждающей воды. Однако использование таких систем имеет ряд существенных недостатков. Во время эксплуатации почти всех типов судов и морских технических средств (стационарные и полупогружные буровые платформы и т.д.) имеются режимы работы, когда целесообразно отказаться от приема забортной охлаждающей воды. Примерами могут служить случаи работы судов технического флота в сильно загрязненной акватории, плавания во льдах, стоянки судна в порту и т.д. При этом происходит интенсивное засорение кингстонных ящиков, фильтров, теплообменников и других элементов контура системы охлаждения забортной воды. Кроме того, при эксплуатации буровых платформ по экологическим и техническим причинам [4] целесообразно отказаться от приема забортной охлаждающей воды.

Для морских технических средств, в первую очередь буровых платформ, предлагается создавать замкнутые системы охлаждения. В таких системах часто в качестве теплоотводящих поверхностей выступают различные корпусные конструкции, погруженные в забортную воду. В случае необходимости теплообменные поверхности могут быть выполнены в виде пакета расположенных с зазором параллельных пластин, т.е. погружного пластинчатого теплообменного аппарата (ПТОА) [3]. В таких аппаратах охлаждаемая горячая пресная вода движется внутри пластин по специальным лабиринтным каналам. Теплоотдача от наружных стенок к забортной воде осуществляется при свободной конвекции. Так как данный режим характеризуется довольно низкими значениями коэффициента теплоотдачи, то для обеспечения необходимого теплоотвода требуются значительные площади теплообменника. Интенсификация теплоотдачи в ПТОА может быть выполнена путем подачи воздуха в зазор между теплоотдающими поверхностями по методу, предложенному в [2].

Эффект интенсификации теплоотдачи основан на том, что поднимающиеся пузырьки воздуха турбулизируют жидкость в зазоре и проталкивают ее вдоль поверхности теплообмена, одновременно подсасывая холодную жидкость из окружающего пространства. Кроме того, поднимаясь на поверхность, пузырьки воздуха двигаются по спирали, за счет этого они внедряются в пристенный пограничный слой, разрушая его, и тем самым резко способствуя увеличению теплоотдачи.

Для подтверждения данного процесса, а так же выявления характера взаимодействия газожидкостной струи, с теплоотдающими поверхностями ПТОА, нами были проведены визуальные исследования на прозрачной модели.

На фотографии (рисунок 1) зафиксированы места ударов пузырька по теплоотдающей поверхности, в результате чего, как отмечалось раньше, разрушается пристенный пограничный слой, препятствующий теплоотдачи. Пузырек движется по спирали с постоянным шагом H = 15 мм. Размеры пятна, оставленного пузырьком на прозрачной стенке, позволяют оценить его диаметр. В нашем случае он составляет примерно 3 мм. В процессе эксперимента так же анализировалась зависимость скорости всплытия от радиуса пузырька. Для случая, представленного на рисунке 1 она остается примерно постоянной и равной 0,17 м/с.

 

Подпись: Рис. 1 Визуализация ударов пузырька о теплоотдающую поверхность

Так же было исследовано влияние положения газового коллектора относительно теплоотдающих пластин на характер течения газожидкостной струи (рисунок 2). Так как угол раскрытия газожидкостной струи практически постоянный и равный  γ = 22…24°, то для исключения образования застойных зон и обеспечения максимального воздействия газожидкостной струи на теплоотдающие поверхности газовый коллектор должен быть установлен на некотором расстоянии ниже пластин. С учетом того, что угол раскрытия газожидкостной струи γ постоянный, то оптимальным расстоянием следует считать Z ≈ 2δ, где δ – расстояние между теплоотдающими поверхностями.

 
  Подпись: Рис. 2 Визуализация течения газожидкостной струи
в зазоре между теплоотдающими поверхностями

Для определения уравнения подобия, описывающего процесс теплоотдачи газожидкостных струй, нами были проведены исследования на экспериментальной модели. Она представляла собой две вертикальные параллельные пластины с шириной теплоотдающей поверхности 0,5 м и высотой 0,8 м каждая, расположенные с зазором и помещенные в емкость с водой объемом около 17 м3.

Теплоотдача в ПТОА с использованием газожидкостных струй сопоставлялась с данными, полученными Луневым А.А. [3], для теплоотдачи в условиях свободной конвекции. На рисунке 3 представлены экспериментальные данные при зазоре между теплоотдающими поверхностями δ = 40 мм. Наглядно видно, что в случае использования газожидкостных струй теплоотдача по сравнению со случаем свободной конвекции существенно увеличивается. Анализ показал, что при этом может быть использован принцип суперпозиции, в соответствии с которым результирующая теплоотдача определяется как сумма теплоотдачи при свободной конвекции и теплоотдачи за счет движения пузырьков воздуха.

Данные, представленные на рисунке 3 наглядно показывают эффективность метода интенсификации. При удельном расходе газа WГL = 2,4·10-4 м2/с и температурных напорах между теплоотдающей стенкой и забортной водой 8…10 °С увеличение теплоотдачи

 

 

 

 
 

Подпись: 1 – удельный расход газа WГL = 2,4•10-4 м2/с; 2 – 1,7•10-4 м2/с; 3 – 1,1•10-4 м2/с; 4 – 0,5•10-4 м2/с; 5 – коэффициент теплоотдачи при свободной конвекции [3]
Рис. 3 Зависимость коэффициента теплоотдачи от
температурного напора при δ = 40 мм

достигает 12…17 раз по сравнению со случаем свободной конвекции. Кроме того, увеличение расхода газа существенно интенсифицирует процесс теплоотдачи, например, при температурном напоре tctз = 10 °С, увеличение удельного расхода воздуха с 0,5·10-4 м2/с до 2,4·10-4 м2/с увеличивает коэффициент теплоотдачи  с 2500 до 3800 Вт/м2К.

Однако данный метод интенсификации теплоотдачи имеет свои ограничения. Очевидно, что существует предельное значение удельного расхода воздуха WГL, при котором наступает кризис теплоотдачи. Это происходит вследствие того, что при повышении расхода газа пузырьки воздуха сливаются друг с другом, увеличиваются в размерах и замещают забортную воду из зазора между поверхностями, ухудшая теплоотдачу. Очевидно предположить, что увеличение расхода выше некоторой критической величины может  привести к кризису процесса теплоотдачи.

          С целью выяснения возможности данного явления были проведены соответствующие целенаправленные исследования. Полученные результаты представлены на рисунке 4. Эксперименты проводились при удельных расходах воздуха WГL = 0,5·10-4 … 5,2·10-4 м2/с и расстояниях между теплоотдающими поверхностями δ = 20, 30, 40 и 160 мм. На рисунке 4 показана зависимость между газожидкостной составляющей коэффициента теплоотдачи  и удельным расходом воздуха WГL. Значение  определяется как разность между результирующим коэффициентом теплоотдачи и его свободно-конвективной составляющей.

 

 

 

 

 

 

Подпись: 1 – зазор между теплоотдающими поверхностями δ = 20 мм; 2 – 30 мм; 3 – 40 мм; 4 – 160 мм; 5 – расчет по зависимости (1)
Рис. 4 Зависимость от удельного расхода воздуха WГL

 

 

 

 

 

 

 

 

При увеличении подачи воздуха в зазор между теплоотдающими поверхностями, коэффициент теплоотдачи растет до определенной величины, а затем начинает уменьшаться. Наглядно видно, что для δ = 20 мм такое критическое значение расхода WГL  = 2,5 ·10-4 м2/с, а для δ = 30 мм расход WГL  = 3,75 ·10-4 м2/с.

Нами было выполнено теоретическое исследование данного вопроса с использованием в качестве исходных результатов данные работы [1].  В итоге получена зависимость, описывающая кризис теплоотдачи

.                    (1)

 

 

Результаты, полученные по зависимости (1), хорошо согласуется с экспериментальными данными практически во всем интервале расходов воздуха WГL.

Окончательная обработка экспериментального материала представлена на рисунке 5. Уравнение подобия, соответствующее данной обработке, имеет вид:

 
  Подпись: Рис. 5 Зависимость lg(Nu/Pr0,33Re*0,46(μж/μс)) от lg(δ/H)

 

 

 = 73Re*0,46Pr0,33∙(δ/H)0,69∙(µжс)0,14,                           (2)

где Re* – модифицированное число Рейнольдса. Уравнение (2) справедливо для: Re* = 36.8…629,7; Pr = 4,74…9; µж с = 0,62…2,52; δ/H = 0,025…0,2.

Таким образом, использование данного метода для интенсификации теплоотдачи в системах охлаждения энергоустановок морских технических средств является достаточно перспективным с точки зрения снижения эксплуатационных затрат и улучшения массогабаритных и энергетических характеристик теплообменного оборудования, что способствует более широкому практическому внедрению замкнутых систем охлаждения.

 

Results of visual researches of current of gas and liquid jets and intensifications warmly feedbacks with use of these jets in immersed lamellar warmly exchange devices of the closed systems of cooling are resulted. Crisis of a heat-conducting path in the given conditions is researched.

 

1.                  Головин А.М. Гидродинамика системы пузырей в жидкости малой вязкости/ А.М. Головин, В.Г. Левич, В.В. Толмачев// Прикладная механика и техническая физика. – 1966. – №2 – С. 63-71.

2.                  Федоровский К.Ю. Визуальные исследования процесса интенсификации теплоотдачи конечному поглотителю затопленными газожидкостными струями/ К.Ю. Федоровский, Д.О. Владецкий// Сб. научных трудов СНИЯЭиП. – Севасто­поль, 2004. – Вып. № 12. – С. 32-36.

3.                  Федоровский К.Ю. Теплоотдача при свободной конвекции в погружном пластинчатом теплообменном аппарате/ К.Ю. Федоровский, А.А. Лунев// Живучесть корабля и безопасность на море: Материалы науч. техн. конф., г. Севастополь, май 2005 г. – С. 94-95.

4.                  Цыпин В.М. Возможности снижения вредного влияния работы энергетических установок буровых платформ на окружающую среду/ В.М. Цыпин, Л.Н. Пшенин // Основы проектирования плавучих буровых установок: Материалы всесоюзной науч. техн. конф., г.Москва, сент. 1980 г. М., 1980. – С. 278-283.

 





Ответы на вопросы [_Задать вопроос_]

Современные технические средства, комплексы и системы

Краснов В.А., Прохорович А.В., Шутов С.В., Деменский А.Н. Анализ флуктуаций размера растущего кристалла (на примере легированных монокристаллов кремния, вытягиваемых из расплава по методу Чохральского)

Завальнюк И.П. Управление высокопроизводительной экструзией неоднородных материалов

Долина В.Г., Писаренко А.В. Синтез складної багатовимірної системи управління випарною станцією на основі рефрактометричних вимірювань

Стопакевич А.А., Тодорцев Ю.К. Анализ современного состояния систем управления брагоректификационными установками спиртового производства

Поливода В.В. Современные компьютерные технологии в АСУ на хлебоприёмном предприятии

Ладанюк А.П., Українець А.І., Кишенько В.Д. Управління автоматизованими технологічними комплексами харчових виробництв на основі сценарного підходу

Ковриго Ю.М., Фоменко Б.В. Врахування обмежень для підвищення якості функціонування систем регулювання енергоблоків ТЕС і АЕС

Евдокимов А.В., Китаев А.В., Агбомассу В.Л. Исследование причин, определяющих вращение рамки с током в магнитном поле после воздействия на нее внешнего импульса

Аппазов Э.С. Применение твердых растворов InGaN в фотовольтаике

Кузнєцов Ю.М., Дмитрієв Д.О. Програмно математичний апарат керування виконавчим органом багатокоординатних верстатів нових компоновок

Черевко О.И., Ефремов Ю.И., Одарченко А.М., Одарченко Д.М, Агафонова Ю.Ю. Теоретическое обоснование перспективного биконического резонатора для СВЧ-устройств при переработке растительного сырья

Хобин В.А. Бабиков А.Ю. Системы экстремального управления молотковыми дробилками с функцией гарантированного соблюдения тепловых режимов их электродвигателей.

Стадниченко В.Н. Исследование влияния изменения эксплуатационных нагрузок на свойства металлокерамических слоёв полученных с использованием трибовосстанавливающих составов

Ісаєв Е.А., Наговський Д.А., Чернецька І.Е. До вибору факторів, що характеризують окомкування тонкоподрібнених залізорудних матеріалів

Федоровский К.Ю., Лунев А.А. Теплоотдача погружного пластинчатого теплообменника системы охлаждения энергоустановок морских технических средств

Пономарьов Я.Ю., Ладанюк А.П., Іващук В.В. Досвід використання нечітких регуляторів в системі атоматизації випарної установки.

Левченко А.А., Кравчук О.И. Эквивалентный макромодуль процесса технического обслуживания радиотехнических средств.

Іволгіна Т.О. Енергетичний підхід до аналізу стійкості руху вимірювальної головки координатно-вимірювальної машини

Ладанюк А.П., Кишенько В.Д., Ладанюк О.А. Системна задача управління біотехнологічними процесами.

Тернова Т.І. Алгоритм оцінювання деформацій рапорту періодичних об'єктів

Рожков С.А., Федотова О.Н. Алгоритм обучения системы распознавания автоматической системы разбраковки тканей

Пупена О.М, Ельперін І.В, Ладанюк А.П. Особливості проектування комп’ютерно-інтегрованих систем управління

Квасніков В.П., Кочеткова О.В. Проектування координатно–вимірювальної машини на нейронних мережах

Водічев В.А., Мухаммед М.А. Дослідження системи стабілізації потужності різання металообробного верстата з фази-регулятором

Шутов С.В., Аппазов Э.С., Марончук А.И., Самойлов Н.А. Методика испытания термофотовольтаических преобразователей

Хобин В.А. Повышение качества формирования смесей средствами интеллектуализации алгоритмов управления порционным дозированием

Терновая Т.И. Автоматическая система разбраковки тканей с печатным рисунком методом компенсации информационных потоков

Рожков С.А., Бражник Д.А. Использование нейросетевых структур для построения систем распознавания образов

Місюра М.Д., Кишенько В.Д. Математичні моделі технологічних процесів пивоварного виробництва як об’єктів автоматизації

Ладанюк А.П., Власенко Л.О. Автоматизоване управління бізнес-процесами в комп’ютерно-інтегрованих структурах підприємства

Жукова Н.В., Литвинов В.І. Вирішення проблеми погодженого руху валків з неоднаковими катаючими діаметрами профілезгинальних станів

Денисова А.Е., Тодорцев Ю.К., Максименко И.Н. К вопросу об автоматизации интегрированной установки теплоснабжения с возобновляемыми источниками энергии

Бессараб В.И. Компьютеризированная система управления водоотливным хозяйством угольных шахт по критерию минимума энергозатрат

Хобин В.А. Регулятор переменной структуры для объектов технологического типа

Тонконогий В.М. Трехконтурная АСУ нанесением ионно-плазменного покрытия на режущий инструмент.

Колесникова Е.В., Кострова Г.В. Формирование базы данных АСУТП дуговой сталеплавильной печи.

Водічев В.А. Автоматизована система керування швидкостями робочих рухів то-карного верстата для підвищення ефективності обробки торцевих поверхонь.

Бергер Е.Г., Дмитрієв Д.О., Бергер Є.Е., Діневич Г.Ю. Синтез строфоїдографів за методом параметричних сімей.

Бабак В.П., В.Н. Стадніченко, О.Г. Приймаков Прогнозування надійності, дов-говічності та витривалості авіаційних матеріалів

Бабак В.П., Стадниченко В.Н., Приймаков О.Г., Токарчук В.В. Прогнозування витривалості авіаційних матеріалів .

Куцак Р.С. Використання методу координатного еталону в задачах автоматизації контролю якості тканини.

Попруга А.Г. Усовершенствование электрических нагревателей по критерию экономии энергии.

Пашковский А.А., Далечин А.Ю. Система регистрации спектров фотолюминес-ценции

Никольский В.В., Цюпко Ю.М. Применение пьезоэлектрических датчиков в сис-теме кондиционирования воздуха судовых систем микроклимата.

Крапивко Г.И., Хлопёнова И.А. Повышение коэффициента полезного действия кремниевых фотоэлектронных преобразователей методом лазерной гравировки.

Кихтенко Д.А. Управление шаговыми двигателями в микрошаговом режиме, оп-тимизация управления.

Горохов В.А. Автоматизированная транспортно-складская система в текстильной и легкой промышленности.

Водічев В.А. Система стабілізації потужності різання фрезерного верстата з взаємозв'язаним керуванням швидкостями робочих рухів.

Шутов С.В., Аппазов Э.С., Марончук А.И. Испытание фотоэлектрических преобразователей в условиях экстремальных температурных колебаний.

Худяев А.А. К проблеме повышения точности воспроизведенияв классе многоканальных воспроизводящих систем с эталонной настройкой каналов.

Тверезовський В.С., Бараненко Р.В. Принцип побудови елементів вимірювальних систем, представлених цифровими програмно керованими давачами.

Никольский В.В., Сандлер А.К. Моделирование процессов в вискозиметре с пьезоэлектрическим приводом.

Марончук И.Е., Андронова Е.В., Баганов Е.А., Курак В.В. Использование метода импульсного охлаждения насыщенного раствора-расплава для формирования наноразмерных структур InSb в матрице GaSb.

Водічев В.А. Аналого-цифровий регулятор режиму металообробки для верстатів з числовим програмним керуванням.

Блинов Э.И., Кравцов В.И., Кравцов А.В., Недбайло А.Н. Управление гибкими протяженными объектами направленными силовыми воздействиями.