УДК 62-713.1:621.436

В судостроении широкое распространение получили разомкнутые системы охлаждения энергетических установок. Такие схемы успешно эксплуатируются для тех типов судов, которые длительное время находятся в сравнительно чистой акватории. Суда технического флота (плавкраны, землечерпалки и др.), а так же стационарные технические средства (например, буровые платформы) часто находятся не только в загрязненной акватории, но и сами создают мощное её загрязнение. Забор в систему загрязненной воды приводит к засорению элементов системы охлаждения забортной водой и их эрозионному разрушению. Попадание в систему охлаждения механических примесей в 2 – 3 раза усиливает коррозионно-эрозионное разрушение трубопроводов. Первые язвенные поражения появляются уже через 1 – 1,5 года эксплуатации. Резко снижается надежность эксплуатации судовой энергетической установки, ресурс оборудования. Затраты на ремонт системы забортной воды могут достигать 10 – 12% общей стоимости ремонтных работ на судне. Кроме того, большинство морских технических средств находится в прибрежной, сравнительно мелководной акватории, где сосредоточены основные биоресурсы морей.

Международная экологическая экспертиза [1] показала, что примерно 50 – 70% микроорганизмов, рыбной молоди и икринок, попадающих в элементы разомкнутых систем охлаждения вместе с забортной водой, погибают. Специалистами Института биологии южных морей АН Украины были выполнены расчеты, применительно к системе охлаждения энергоустановки мощностью 5000 КВт морской буровой платформы типа «Шельф». В результате определено, что в случае её работы в течение года в районах Азовского или Каспийского морей могут иметь место потери промысловых сортов рыбы, измеряемые сотнями тонн.

Это предопределило тот факт, что при создании буровой платформы, предназначенной для эксплуатации в районе северо-восточного Каспия, в техническом задании на её проектирование было дано четкое указание на создание систем охлаждения, исключающих прием забортной охлаждающей воды. Фактически необходима замкнутая система охлаждения. Имеется определенный опыт создания таких систем для судов, технического флота [2]. Однако буровые платформы часто выполняются стационарными и, в отличие от судна, устанавливаются на фермовых основаниях. Для таких объектов стоит задача создания теплообменных аппаратов, отводящих теплоту в неподвижную морскую воду.

С точки зрения простоты изготовления и обслуживания одним из наиболее рациональных вариантов такого аппарата является набор параллельно расположенных плоских полых пластин с лабиринтными каналами внутри. По данным каналам движется охлаждаемая пресная вода (рисунок 1). Так, например, в условиях мелководья северо-восточного района Каспия имелись ограничения по высоте. Теплоотдача при движении охлаждаемой пресной воды в лабиринтном канале такого аппарата хорошо изучена [2]. Для расчета теплоотдачи забортной воде нельзя использовать хорошо известные зависимости для изотермических поверхностей, поскольку по данным [3] ошибка может достигать 50%.

Стоит задача разработать методы теплотехнического расчета таких устройств. Поскольку пластины располагаются в пакете с зазором между собой, то нельзя также использовать зависимости для теплоотдачи через судовую обшивку, полученные в [2,3]. Требуются специальные исследования.

Рис. 1 Пластинчатый погружной теплообменный аппарат

Для исследования процессов была создана экспериментальная установка. Экспериментальная модель состояла из двух параллельных пластин высотой 0,8 м и шириной 0,5 м с внутренним лабиринтным каналом каждая. С использованием специального устройства изменялось и фиксировалось расстояние между этими пластинами в диапазоне от 80 до 240 мм. Температура поверхности пластин измерялась с помощью термопар. Также контролировалась температура горячей воды на входе и выходе. Для предотвращения непредусмотренных теплопотерь все необходимые поверхности экспериментальной модели были тщательно теплоизолированы. Экспериментальная модель размещалась в емкости объёмом 17 м3 с неподвижной водой, имитируя условия теплоотдачи при свободной конвекции. Экспериментальная установка обеспечивала прокачивание горячей пресной воды с расходом до 0,001 м3/с и её прогрев до 90°С. Измерение расхода жидкости осуществлялось объёмным методом.

Проведенные экспериментальные исследования четко показали зависимость теплоотдачи от зазора между пластинами d (рисунок 2).

1 – температурный напор Δt = 7 °С; 2 –  27 °С; 3 – 40 °С

Рис. 2 Зависимость коэффициента теплоотдачи α от зазора между пластинами при различных температурных напорах Δt

При температурном напоре равном 27 °С увеличение зазора с 80 мм до 240 мм увеличивает теплоотдачу на 20%.

На рисунке 3 показана обработка экспериментальных данных в координатах lg(Nu) lg(PrGr). Из графика следует, что для всех зазоров тангенс угла наклона линий равен 0,33. Это означает, что показатель степени при (PrGr) равен 0,33. Отсюда вытекает, что процесс теплоотдачи автомоделен по отношению к высоте теплоотдающей поверхности Н. Другими словами, численное значение коэффициента теплоотдачи по высоте поверхности постоянно.

Рис. 3 Зависимость lg(Nu) от lg(PrGr).

На рисунке 4 представлена зависимость lg(Nu/(PrGr)0,33) от lg(δ/Н).

Рис. 4 Зависимость lg(Nu/(PrGr)0,33) от lg(δ/Н)

В результате уравнение подобия, описывающее теплоотдачу от поверхности этого аппарата к забортной воде в условиях свободной конвекции, выглядит следующим образом:

Nu = 104 ∙ (PrGr)0,33∙(δ/H)0,21                                                    (1)

Данное уравнение справедливо для (PrGr) = 346,5 … 3127 и (δ/Н) = 0,1 … 0,3.

На рисунке 5 показано сопоставление результатов с известными данными. Как видно теплоотдача у пластин установленных с зазором меньше теплоотдачи просто одиночной пластины [3], и тем более меньше теплоотдачи изотермической поверхности [4].

1 – одиночная пластина [3]; 2 – зазор d  = 240 мм; 3 – 180 мм; 4 – 100 мм; 5 – изотермическая поверхность [4]

Рис. 5 Сопоставление теплоотдачи в погружном пластинчатом аппарате с известными значениями [3,4].

Таким образом, расчет теплоотдачи забортной воде в случае использования погружного пластинчатого аппарата может и должна вестись только с использованием полученной нами зависимости (1).

1.                  Oertzen J.A. Beciflussung durch Abwarme / J.A. Oertzen // Abh. Akad., Wiss. DDR. – 1974. – P. 147–155.

2.                  Федоровский К.Ю. Особенности теплообмена в судовых замкнутых системах охлаждения / К.Ю. Федоровский // Повышение надежности энергетического обеспечения морских буровых работ // Киев: Знание. – 1980. – 12-16 с.

3.                  Федоровский К.Ю./ Свободно-конвективный теплообмен плоской неизотермической поверхности при различной её ориентации/ К.Ю. Федоровский // Инженерно-физический журнал. – 1988. – Т.55. – №2. – 186-190 с.

4.                   Исаченко В.П./ Теплопередача./ В.П. Исаченко // Учебник для ВУЗов. Изд 3-е. // М.: Энергия, – 1975. – 488 с.