6. Судовые теплообменные аппараты

6.1 Особенности процессов теплопередачи в судовых энергетических установках

Прежде чем приступить к собственно рассмотрению теплообменных аппаратов кратко рассмотрим особенности происходящих теплообменных процессов в двигателях различных типов энергетических установок, используемых на судах.

Дизельные установки. Теплопередача в двигателях внутреннего сгорания имеет исключительно важное значение. При работе двигателя температура, давление и скорость газа в его цилиндрах изменяются в больших пределах. Если рассмотреть работу, например четырехтактного двигателя, то несколько упрощенно процесс теплообмена в цилиндре представится следующим образом. При всасывании происходит конвективный теплообмен между де­талями двигателя и воздухом, поступившим в цилиндр. В это время тепловой поток направлен от деталей двигателя к воздуху. В пе­риод сжатия тепловой поток в течение некоторого времени направ­лен от деталей к воздуху, а затем, по мере нагревания последнего, меняет свое направление на противоположное. В период выталкивания продуктов сгорания происходит аналогичный процесс.

В периоды горения и расширения продуктов сгорания теплообмен наиболее интенсивный. впрыскиваемая струя топлива и движение поршня сильно турбулизируют смесь внутри объема цилиндра. В момент воспламенения топлива и в последующие периоды в цилиндре двигателя возникает факел, являющийся мощными источниками теплового излучения.В цилиндре двигателя наблюдается взаимное влияние теплообмена излучением и конвективного теплообмена.

Весь процесс теплопередачи в цилиндре является нестационар­ным периодически изменяющимся во времени. Температура и давление газов в цилиндре двигателя изменяются в широких пределах в течение цикла. Однако, поскольку частота циклических пульсации велика, то изменение во времени температурного поля даже на поверхности втулки цилиндра незначительно и не превышают 5-15^оС.

Втулки цилиндров и ряд других неподвижных элементов двигателя в судовых условиях охлаждаются пресной водой, которая в дальнейшем также охлаждается, но уже забортной водой в специальной теплообменнике. Движущиеся части двигателя охлаждаются смазывающим маслом, которое в свою очередь также охлаждается забортной водой в маслоохладителе. Суммарный отвод теплоты от двигателя достигает в среднем одной трети от общего количества подведенной теплоты с топливом.

Изложенное свидетельствует о большой сложности процессов теп­лопередачи в современных двигателях внутреннего сгорания. Нарушение теплопередачи ведет к выходу двигателя из строя.

Наибольшим дополнительным напряжениям подвергаются де­тали цилиндра во время пуска двигателей и при маневрировании, т. е. во время нестационарных процессов передачи тепла.

газотурбинные установки. В основных рабочих процессах, протекающих в газовых турбинах, теплопередача играет вспомогательную роль, но имеет решающее значение для обеспечения надежности работы турбины.

Имеются материалы, обеспечивающими длительную работу деталей турбин без искусственного охлаждения только до температур примерно 600 -700С. Однако КПД и удельный расход топлива таких турбин существенно хуже по сравнению с дизелями. Повышение начальной температуры газа до 1100-1200С дает возможность значительно улучшить эти показатели и сделать применительно к судам газовые турбины конкурентоспособными по отношении к дизелям. однако при этом требуется обеспечить эффективное и надежное охлаждение деталей турбины.

Наиболее нагруженными деталями тур­бины в первую очередь следует считать де­тали лопаточного аппарата (рабочие и направ­ляющие лопатки) и ротор, обеспечение эффективного охлаждения которых является довольно сложной задачей. Для этого разработаны и применяются сравнительно много различных методов. В настоящее время широко используются охлаждаемые воздухом лопатки, для чего они делаются полыми и имеют специальные отверстия как на торце, так и на поверхности самой лопатки (Рис. ). Поступающий воздух охлаждает лопатку изнутри и поступает наружу, обтекая поверхность лопатки и, тем самым охлаждая и защищая её от высокотемпературного газа.

Рис.. Охлаждаемая лопатка

Охлаждение дисков может выполняться несколькими способами. При радиальном обдуве ротора охлаждающий воздух направляется вдоль его поверхности; при струйном обдуве - перпенди­кулярно к его поверхности, и, наконец, охлаждение может осуществляться продувкой воздуха через лопаточные зазоры хво­стовиков или специальные отверстия в них.

Дать фото и результаты САЛОВА

Нарушение процессов охлаждения элементов газотурбинного двигателя ведет к его аварии.

паротурбинные установки. В данных установках имеются три основных элемента: парогенератор, паровая турбина и конденсатор. Парогенератор (Рис.) с точки зрения теплообмена - сложный теплообменный аппарат, так как главное его назначение - передача тепла от газового теплоносителя, образующегося при сгорании топлива в топке, к воде и пару, который является теплоносителем в судовой энергетической установке. Таким образом, теплопере­дача - основа рабочего процесса парогенератора.

Рис. Судовой парогенератор

Фото нашего котла

В парогенераторе имеются все виды теплообмена - излучение, конвекция, теплопроводность. Как известно, интенсивность каж­дого из способов передачи тепла различна. Это приводит к тому, что поверхность нагрева нагружена весьма неравномерно. Напри­мер, радиационная поверхность, расположенная в топке, во много раз работает интенсивнее, чем конвективная. Конвективная по­верхность нагрева также нагружена неодинаково. Поверхность, расположенная ближе к топке, где тепло передается излучением и конвекцией, значительно интенсивнее работает, чем, например, поверхность, расположенная в конце газового тракта, где тепло передается в основном конвекцией при сравнительно низкой тем­пературе газов. Наконец, со стороны воды и пара интенсивность теплоотдачи гораздо больше, чем со стороны газов.

Таким образом, теплопередача в парогенераторе лимитируется низкими значениями коэффициента теплоотдачи со стороны газов. Поэтому естественно стремление интенсифицировать процессы тепло­отдачи в газовом тракте судовых парогенераторов.

Топки судовых парогенера­торов имеют сравнительно малый объем (обычно 10—30 м³, дохо­дящий до 5 м³ и меньше) и большие (до 30-40 м/сек и больше) скорости газов в топке. При этих условиях соотношение между теплом, переданным в топке излучением и конвекцией, изменяется — возрастает доля тепла, переданного конвекцией, и снижается доля тепла, переданного излучением.

во вспомогательных огнетрубных па­рогенераторах применяются винтообразные трубки, внутри которых движется газ. В результате закручивания потока газов интенси­фицируется теплообмен.

Однако основным способом обеспечения эффективного теплообмена в судовых парогенераторах является повыше­ние скорости газов в конвективной поверхности нагрева собственно парогенератора и применение оребренных поверхностей нагрева. Вследствие этого несколько интенсифицируется процесс теплопередачи в топке и значительно - в конвективных поверхностях нагрева. При обеспечении скоростей газов порядка 150-200 м/сек коэффициент теплопередачи может достигать 250-300 ккал/м²час° С.

конденсатор обеспечивает конденсацию пара и также по своей сути является довольно сложным теплообменным аппаратом. Отвод теплоты конденсации пара осуществляется через теплопередающие поверхности в забортную охлаждающую воду. В среднем, около половины подведенной с топливом теплоты отводится в конденсаторе.

В рабочих процессах, протекающих в паровых турбинах, теплопередача играет вспомогательную роль.

Как видно, обеспечение эффективно и надежно протекающих процессов теплопередачи является важнейшим условием нормальной работы судовых энергетических установок различных типов. Значительная часть этих процессов проходит в теплообменных аппаратах.

Теплообменным аппаратом называется устройство, в котором осуществляется процесс передачи теплоты от одного теплоносителя к другому. Такие аппараты многочисленны и по своему назначению и конструктивному исполнению. По принципу действия теплообменные аппараты могут быть разделены на рекуперативные, регенеративные и смесительные.

Рекуперативными называются такие аппараты, в которых теплота от горячего теплоносителя к холодному передается через разделяющую их стенку.

Регенеративными называются такие аппараты, в которых одна и та же теплообменная поверхность периодически омывается то горячим, то холодным теплоносителем. При протекании горячего теплоносителя теплота аккумулируется теплообменной поверхностью, а при протекании холодного теплоносителя вдоль этой поверхности накопленная теплота отдается данному теплоносителю.

В рекуперативных и регенеративных аппаратах процесс передачи теплоты неразрывно связан с поверхностью твердого тела. Поэтому такие аппараты называются также поверхностными.

В смесительных аппаратах процесс теплопередачи происходит путем непосредственного соприкосновения и смешения горячего и холодного теплоносителей. В этом случае теплопередача протекает одновременно с материальным обменом. Только рекуперативные теплообменники позволяют полностью исключить контакт теплоносителей. Поэтому в практике судостроения в подавляющем большинстве случаев используются именно этот тип аппаратов.

Рекуперативные аппараты в общем случае имеют много разновидностей. ус­ловную классификацию можно выполнить по следующим признакам:

• по назначению — охладители, подогреватели, испарители;

• по роду рабочих сред — пар—жидкость, жидкость—жид­кость, газ—жидкость, газ—газ;

• по числу ходов — одноходовые, многоходовые;

• по направлению потока рабочих сред — прямоточные, противоточные, смешанного и перекрестного тока;

• по жесткости конструкции — жесткие, полужесткие, не­жесткие (с U-образными трубками, с плавающей головкой и др.);

• по материалу — металлические, неметаллические, комби­нированные.

• по конфигурации поверхности теплообмена — кожухотрубчатые, пластинчатые, змеевиковые, специальные;