Автоматика.
    Автоматизация.
        Электротехнические
            комплексы и системы.

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.

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.

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 W_ГL = 2,4·10^-4 м²/с и температурных напорах между теплоотдающей стенкой и забортной водой 8…10 °С увеличение теплоотдачи

достигает 12…17 раз по сравнению со случаем свободной конвекции. Кроме того, увеличение расхода газа существенно интенсифицирует процесс теплоотдачи, например, при температурном напоре t_c – t_з = 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 W_ГL, 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 W_ГL = 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 W_ГL. Значение  определяется как разность между результирующим коэффициентом теплоотдачи и его свободно-конвективной составляющей.

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 W_ГL  = 2,5 ·10^-4 м²/с, а для δ = 30 мм расход W_ГL  = 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 W_ГL.

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

 = 73∙Re*^0,46∙Pr^0,33∙(δ/H)^0,69∙(µ_ж/µ_с)^0,14,                           (2)

где Re* – модифицированное число Рейнольдса. Уравнение (2) справедливо для: Re* = 36.8…629,7; Pr = 4,74…9; µ_ж /µ_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.

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.