Исследование теплопередачи в судовых теплообменных аппаратах при интенсификации теплообмена в трубном пространстве и стохастическом процессе его загрязнения. тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.05, кандидат наук Лакиза Максим Владимирович

• Лакиза Максим Владимирович
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Лакиза Максим Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Системы охлаждения СЭУ

1.2 Назначение, классификация и конструктивные особенности судовых ТА

1.3 Надежность и стабильность работы судовых охладителей

1.4 Математическая модель состояния потока

1.5 Методы интенсификации теплообмена в ТА

1.6 Ленточные интенсификаторы различных конструкций

1.7 Спиральные проволочные интенсификаторы

1.8 Методы оценки эффективности способов интенсификации теплообмена

1.9 Постановка цели и задач исследования

ГЛАВА 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА ВНУТРИТРУБНОГО ПРОСТРАНСТВА СУДОВОГО ТА

2.1 Описание экспериментального стенда

2.2 Методика проведения экспериментальных исследований

2.3 Ожидаемая погрешность эксперимента

2.4 Результаты экспериментальных исследований и их анализ

2.4.1 Результаты экспериментального исследования интенсификации теплообмена в кожухотрубном теплообменном аппарате

2.4.2 Результаты экспериментальных исследований интенсификатора типа "витая лента" и "профилированная лента"

2.4.3 Экспериментальное исследование влияния шага надрезов интенсификатора типа "профилированная лента"

2.4.4 Определение аналитических зависимостей для расчета теплоотдачи и коэффициента гидравлического сопротивления со вставками типа "гофрированная лента с надрезами"

2.4.5 Обобщение результатов исследования

2.5 Оценка теплогидравлической эффективности и выбор рациональных

параметров ленточных интенсификаторов

ГЛАВА 3 РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА НА РАБОТУ СУДОВЫХ ОХЛАДИТЕЛЕЙ

3.1 Программное обеспечение

3.2 Исследование теплогидравлических характеристик судовых охладителей воды

3.3 Исследование теплогидравлических характеристик судовых охладителей масла с применением интенсификации теплообмена

3.4 Исследование интенсификации теплообмена маслоохладителя типа МХД-16

ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СЛУЧАЙНОГО ХАРАКТЕРА НАКОПЛЕНИЯ ОТЛОЖЕНИЙ НА ПАРАМЕТРЫ РАБОТЫ СУДОВЫХ ОХЛАДИТЕЛЕЙ

4.1 Определение параметров работы судовых охладителей

4.2 Классификация загрязнений теплообменной поверхности и влияющие параметры

4.2.1 Основные типы загрязнений

4.2.2 Параметры, влияющие на загрязнения

4.2.2.1 Время образования отложений

4.2.2.2 Температура

4.2.2.3. Скорость потока

4.2.2.4 Концентрация загрязняющего вещества и его прекурсора

4.2.2.5 Давление

4.2.2.6 Примеси

4.2.2.7 Параметры конструкции теплообменного аппарата

4.2.2.8 Свойства теплообменной поверхности

4.2.2.9 Интенсификация теплообмена

4.3 Исследование методом ИМ влияния случайного характера накопления

отложений на параметры работы теплообменника

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А (справочное) Методика обработки экспериментальных данных

исследования

ПРИЛОЖЕНИЕ Б (справочное) Свидетельство о регистрации программы для

ЭВМ

ПРИЛОЖЕНИЕ В (справочное) Акты внедрения результатов работы

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование теплопередачи в судовых теплообменных аппаратах при интенсификации теплообмена в трубном пространстве и стохастическом процессе его загрязнения.»

Актуальность работы

В настоящее время развитие судовой энергетики является приоритетным и актуальным направлением. Это обусловлено, в частности, реализацией «Стратегии развития судостроительной промышленности на период до 2020 года и на дальнейшую перспективу».

Одним из основных типов судовых энергетических установок (СЭУ) является дизельная, которая нашла свое применение на судах всевозможного назначения. Уровень совершенства судовых дизелей и энергетических установок (ЭУ) в целом является ключевым при определении технико-экономических показателей и конкурентоспособности в судостроении [1]. В частности, повышение компактности, энергетической эффективности, надежности, безотказности и увеличение ресурса СЭУ важнейшее направление развития судовой энергетики.

Эффективность и надежность работы СЭУ напрямую зависит от судовых теплообменных аппаратов (ТА) в составе установки. Ведь они играют немаловажную роль в обеспечении, во-первых, длительной безотказной работы и, во-вторых, высокой эффективности СЭУ. В частности, для обеспечения отвода теплоты от деталей механизмов используют масляные и водо-водяные охладители. Это обуславливает необходимость совершенствования процессов теплопередачи в данных аппаратах.

Постоянное увеличение необходимой энергетической мощности обусловленной развитием отрасли приводит к увеличению массогабаритных параметров применяемых теплообменников, что, в условиях ограниченного пространства, делает актуальной проблему уменьшения их площади теплообменной поверхности и габаритных размеров или повышения эффективности имеющейся поверхности теплообмена. Данная проблема была рассмотрена в трудах Калинина Э.К., Мигая В.К., Дрейцера Г.А., Антуфьева В.М., Коваленко Л.М., Гортышева Ю.Ф., Олимпиева В.В., Бузника В.М., Лаптева А.Г.,

Попова И.А. и др.

Другой проблемой является негативное воздействие эксплуатационных факторов в течение длительного времени, таких как отложения на теплообменных поверхностях загрязняющих веществ, накипи, продуктов протекания химических реакций, что может вызывать снижение рабочих параметров аппарата и постепенное или внезапное ухудшение технического состояния вплоть до отказа. Также, наличие отложений приводит к росту требуемой поверхности из-за увеличения термического сопротивления. Оценить степень влияния загрязнений не всегда возможно из-за множества факторов и механизмов, участвующих в процессе.

Одним из решений задачи повышения надежности, безотказности и увеличения ресурса ТА является применение различных способов интенсификации теплообмена, которые оказывают положительное влияние на снижение отложений на теплообменной поверхности. Помимо этого, такое воздействие приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи и, соответственно, к снижению необходимой площади поверхности теплообменника.

На данный момент известно достаточное количество способов интенсификации теплообмена позволяющих увеличить коэффициент теплоотдачи, за счет дополнительного возмущения потока, от нескольких процентов до нескольких раз и даже десятков раз. При этом, как правило, происходит увеличение гидравлического сопротивления в теплообменном аппарате в зависимости от выбранного способа. Наиболее распространенным видом турбулизации потока являются пассивные методы, которые не требуют подвода дополнительной энергии для их работы в отличие от активных методов -вибрации, вращения теплообменной поверхности, акустических, электростатических полей и др. Существует множество способов эффективной пассивной интенсификации однофазных течений - закрутка потока, искусственная шероховатость, перемешивание потока.

Степень разработанности проблемы

Вопросами совершенствования систем охлаждения СЭУ и, в частности, дизельных энергетических установок занимались такие специалисты как Селивествов В.М., Безюков О.К., Жуков В.А., Ерофеев В.Л. (ГУМРФ им. адм. С.О.Макарова), Ракицкий Б.В., Павловский В.А., Медведев В.В. (СПбГМТУ), Дорохов А.Ф. (АГТУ), Башуров Б.П. (ГМУ им. адм. Ф.Ф. Ушакова), Тимофеев В.Н. (ЧГУ им. И.Н. Ульянова) и др.

Одним из способов интенсификации, исследуемом в работе, является закрутка потока. Ряд отечественных авторов, таких как Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Мигай В.К., Щукин В.К., Дзюбенко Б.В., Кузма-Китча Ю.А., Попов И.А., Митрофанова О.В. и другие посветили свои исследования закрученному потоку и, в частности, применению витых лент для его воспроизводства. Несмотря на давнюю известность способа закрутки потока витыми лентами, интерес к этому вопросу сохраняется, что подтверждается последними работами Митрофановой О.В., Попова И.А., Лаптева А.Г., Тарасевича С. Э., Колядина Е.А., Eiamsa-ard S., Sami D. Salman. Несмотря на существующие исследования, интенсификация теплообмена закруткой потока с помощью лент, которые имеют различную конструкцию, в частности с геометрическими изменениями по периметру, изучены еще недостаточно, особенно в зоне перехода от ламинарного режима течения к турбулентному, где можно ожидать наибольшего эффекта от искусственной турбулизации потока.

Работа судовых теплообменников часто сопровождается загрязнением их теплообменных поверхностей, приводящим к ухудшению параметров работы ТА. Изучению влияния различных факторов на процесс загрязнения теплопередающих поверхностей посвящены работы Bott T.R., Epstein N., Zettler H.U., Kazi S.N., Garrett-Price B.A. и др. В частности, влияние различных способов интенсификации рассматривалось в работах Дрейцера Г.А., Дзюбенко Б.В., Kim M.-H., Müller-Steinhagen H. и др. Метод имитационного моделирования (ИМ) был применен Равиным А.А. для моделирования загрязнения теплопередающих

поверхностей ТА. Однако использованный там алгоритм не учитывает стохастический характер роста отложений. Влияние этого обстоятельства на работу ТА, вызванного как наличием и взаимным влиянием на него различных параметров, так и многорежимным процессом эксплуатации СЭУ, изучено недостаточно.

Цель и задачи исследования

Цель исследования: разработка рекомендаций по расчету теплопередачи в судовых теплообменных аппаратов (ТА) при размещении в трубном пространстве интенсификаторов и стохастическом процессе загрязнения теплопередающих поверхностей для создания более компактных и надежных аппаратов.

Задачи исследования:

- провести анализ особенностей конструкции и эксплуатации судовых ТА, а также методов интенсификации теплообмена в их трубном пространстве;

- разработать научно-обоснованные конструкции интенсификаторов теплообмена в судовых ТА;

- разработать автоматизированную экспериментальную установку, а также методику эксперимента для проведения исследования теплоотдачи и гидравлического сопротивления в ТА с использованием внутритрубных интенсификаторов;

- получить на базе проведенных экспериментальных исследований аналитические зависимости для расчета теплообмена и гидравлического сопротивления судовых ТА;

- на основании проведенных экспериментов и полученных зависимостей оценить степень эффективности использования интенсификаторов в существующих ТА СЭУ;

- дать практические рекомендации по использованию разработанных интенсификаторов теплообмена;

- провести анализ процесса образования различных видов отложений на теплообменной поверхности ТА и влияющих на них параметров;

- определить законы и параметры стохастического процесса образования отложений;

- разработать научно обоснованный метод определения влияния случайного характера накопления отложений на параметры работы ТА.

Объект и предмет исследования

Объектом исследований являются судовые теплообменные аппараты с интенсификацией теплообмена в трубном пространстве и загрязнением поверхности теплообмена.

Предметом исследования являются метод интенсификации теплообмена в трубном пространстве ленточными вставками с изменением их геометрической формы и метод оценки влияния стохастического процесса загрязнения теплообменных поверхностей на параметры работы ТА.

Научная новизна результатов работы состоит в следующем:

1. Предложены научно обоснованные конструкции ленточных интенсификаторов теплообмена, позволяющие за счет дополнительного воздействия на пристенный поток повысить эффективность передачи тепла.

2. Получены аналитические зависимости для расчета теплообмена и гидравлического сопротивления в судовых ТА с исследованными интенсификаторами;

3. Проведена расчетная оценка эффективности исследованных интенсификаторов в существующих ТА СЭУ, позволившая дать практические рекомендации по их использованию;

4. Предложен научно обоснованный метод определения влияния случайного характера накопления отложений на параметры работы ТА, позволяющий на основе ИМ определять вероятность превышения допустимых значений параметров и обоснованно принимать решение о величине запаса площади теплообмена при проектировании или периода очистки ТА при эксплуатации, как при интенсификации теплообмена, так и без нее.

Достоверность методов исследования

Степень достоверности результатов обеспечивается адекватностью и корректностью применяемых в работе теоретических положений, математических методов анализа, программных комплексов, а также подтверждается результатами

экспериментальных исследований, выполненных автором лично.

На защиту выносятся:

1. Конструкции модифицированных ленточных интенсификаторов.

2. Методика эксперимента для проведения исследования теплоотдачи и гидравлического сопротивления в ТА с использованием внутритрубных интенсификаторов;

3. Аналитические зависимости для расчета теплообмена и гидравлического сопротивления судовых ТА;

4. Результаты расчетной оценки эффективности применения исследованных интенсификаторов в судовых ТА и рекомендации по их использованию;

5. Методика, алгоритм и программа на ЭВМ для определения влияния случайного характера накопления отложений на параметры работы ТА. Практическая значимость исследования

Проведенные исследования позволяют повысить качество проектирования и эффективность судовых ТА, сократить затраты на проведение опытно-конструкторских работ и натурных испытаний, снизить металлоемкость теплообменного оборудования. Полученные научные и практические результаты применимы в учебном процессе подготовки специалистов по направлению «Энергомашиностроение».

Апробация результатов исследования Результаты работы докладывались на:

- Международной конференции "Двигатели 2013": Актуальные проблемы создания и эксплуатации тепловых двигателей в условиях Дальневосточного региона России (Хабаровск, 2013);

- Третьей Всероссийской межотраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы морской энергетики» (СПб, 2014);

- Межвузовской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов "Балтийский экватор - 3" (СПб, 2014);

- Четвертой Всероссийской межотраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы морской энергетики» (СПб, 2015);

- VI межвузовской научно-практической конференции аспирантов, студентов и курсантов "Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России" (СПб, 2015);

- Пятой Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы морской энергетики» (СПб, 2016);

- Шестой Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы морской энергетики» (СПб, 2017).

Внедрение результатов исследования:

Результаты данной работы используются в проектно-конструкторской деятельности ООО «Н-Пром Бюро», ООО «Нева-Теплотехника» и учебном процессе СПбГМТУ.

Публикации

Основные теоретические и практические результаты исследований опубликованы в 12 работах. Из них 5 статей в научных журналах, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных перечнем ВАК, одна зарегистрированная программа для ЭВМ и 6 докладов в трудах конференций.

Объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, перечня принятых сокращений и условных обозначений, списка использованной литературы, включающего 107 наименований, и 3 приложений. Основная часть работы изложена на 160 страницах, включающих 50 рисунков и 42 таблицы.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Системы охлаждения СЭУ

Системы охлаждения предназначены для обеспечения отвода теплоты от деталей механизмов, устройств, приборов, а также рабочих сред ТА [2]. В дизельных установках используются одноконтурные, двухконтурные и трехконтурные системы. В двухконтурных системах используются пресная и забортная вода, в трехконтурных - охлаждение происходит в три этапа -высокотемпературный, среднетемпературный и контур забортной воды. Система охлаждения забортной водой также может быть использована для аварийного осушения машинного отделения или подачи воды различным потребителям [3].

Как правило, в качестве рабочих сред в СЭУ используют забортную или пресную воду, воздух, топливо, масло. На сегодняшний день перспективными теплоносителями также являются органические [4].

Наиболее распространенной и доступной охлаждающей средой на судне является вода. Ее широкое применение также обусловлено высокой теплоемкостью и высоким коэффициентом теплоотдачи, даже, при относительно невысоких скоростях 0,5-2,5 м/с. Забортную воду используют в задачах, где ее нагрев не превышает 45°С, поскольку содержащиеся в ней соли начинают осаждаться на теплообменной поверхности. Помимо солей в забортной воде также могут содержаться различные примеси и микроорганизмы, что негативно отражается на эксплуатации систем охлаждения и особенно теплообменного оборудования. Забортной водой охлаждают маслоохладители циркуляционных систем смазки редукторов, подшипники судового валопровода.

В случае необходимости нагрева рабочей среды выше 45°С применяются системы, состоящие из двух контуров с использованием в качестве теплоносителя второго контура пресной воды. Как правило пресную воду предварительно подготавливают с целью снижения концентрации солей, удаления взвешенных

частиц и добавляют ингибиторы коррозии. Нагрев предварительно обработанной охлаждающей пресной воды возможен до 80-90°С при атмосферном давлении и более - при повышенном.

При использовании в качестве охладителя воздуха необходимо повышенное его количество и скорость до 10 м/с. Это связано с низкой теплоемкостью воздуха и создает определенные трудности его применения в качестве охлаждающей среды из-за повышенного расхода энергии на его прокачку.

При охлаждении забортной водой, в системах водяного охлаждения, вода поступает через кингстонные ящики или ледовые - для судов ледового плавания. Отвод воды из системы за борт происходит через невозвратно-запорные клапаны.

Охлаждение в двухконтурных дизельных установках, обычно, происходит пресной и забортной водой. Охлаждение некоторых узлов происходит маслом или топливом. Различают следующие системы в зависимости от рода жидкости, охлаждающей форсунки, поршни и цилиндры двигателя:

• охлаждение пресной водой;

• охлаждение поршней маслом, а цилиндров и форсунок пресной водой;

• охлаждение цилиндров пресной водой, поршней - маслом, форсунок -топливом.

Охлаждение пресной воды, а также масла в таких системах осуществляется в водо- и маслоохладителях забортной водой. При этом на выходе из ТА температура забортной воды не должна превышать 55°С. Это необходимо для того, чтобы на стенках теплообменной поверхности не осаждалась накипь. Пресная вода на входе в двигатель имеет температуру не ниже 55°С, а на выходе не более 60-75°С для главных малооборотных ДВС и 75-85°С для главных среднеоборотных и вспомогательных двигателях.

1.2 Назначение, классификация и конструктивные особенности судовых ТА

Судовые теплообменные аппараты представляют собой устройства для охлаждения и нагревания жидкостей, в которых происходят процессы передачи

тепла от одной среды к другой. По своему назначению судовые ТА можно разделить на энергетические, вспомогательные и бытовые [5-7].

К первой группе относятся аппараты систем охлаждения масла и воздуха главных и вспомогательных дизелей, подогрева питательной воды в конденсатно-питательных системах и подогрева топлива перед форсунками дизелей.

К вспомогательным относят ТА для подогрева или охлаждения рабочей среды в судовых системах и вспомогательных устройствах.

Бытовые ТА используются в санитарно-бытовых и отопительных системах, а также в системах кондиционирования воздуха.

По принципу работы основное большинство судовых ТА можно отнести к рекуперативным аппаратам, процесс теплопередачи в которых происходит через разделяющую стенку (теплообменную поверхность). Такие аппараты, также принято называть, аппаратами поверхностного типа.

Судовые теплообменные аппараты подразделяются на подогреватели, охладители, конденсаторы.

Конструктивные особенности судовых ТА зависят от:

• целевого назначения;

• типа теплоносителей, участвующих в процессе теплообмена;

• рабочих параметров;

• режима работы.

Требования, предъявляемые к судовым ТА:

• продолжительный срок службы и высокая надежность в течении эксплуатации;

• простота обслуживания и ремонта;

• компактность и эффективность работы;

• низкая стоимость изготовления.

Основными типами теплообменных аппаратов, применяемых на судах по конструкции поверхности теплопередачи можно выделить:

• кожухотрубные с трубами круглого сечения (рисунок 1.1);

• аппараты с плоскими трубами (рисунок 1.2);

• пластинчатые;

• змеевиковые.

Пластинчатые аппараты состоят из набора штампованных пластин различного профиля, которые образуют теплообменную поверхность. Материал изготовления пластин - нержавеющая сталь. В случае если одна из применяемых сред морская вода - используют пластины из титана или алюминиевой бронзы, поскольку каждая пластина омывается обоими теплоносителями с разных сторон.

Применяются пластинчатые ТА в качестве масло- и водоохладителей, подогревателей масла, топлива и воды и др.

Рисунок 1.1 - Кожухотрубный теплообменный аппарат с круглыми трубками

Наиболее широко применяемые в судовой технике разборные пластинчатые аппараты, которые состоят из набора пластин на горизонтальных штангах, закрепленных в стойках. Пластины группируются в пакеты, образуя ходы для сред. Направление движения потоков в аппарате может быть противоточное, прямоточное или комбинированное. При этом сами потоки движутся в изолированных одна от другой системах щелевидных каналов. Ширина каналов и их герметичность обеспечивается за счет резиновых уплотнительных прокладок.

о

Забортная оода

^ г

Охлаждаемая бода

Рисунок 1.2 - Кожухотрубный теплообменный аппарат с плоскими трубками

Основные преимущества пластинчатых теплообменников заключаются в более высоком коэффициенте теплопередачи и, следовательно, более компактных габаритных размерах. Высокий коэффициент теплопередачи обусловлен развитой турбулизацией потока и небольшой толщиной теплопередающих пластин. Одновременно с этим, пластины являются и отрицательной стороной пластинчатого теплообменника. Наличие сложной системы уплотнений между пластинами создает неудобство в обслуживании аппарата и требует периодической замены. Все это приводит к значительным эксплуатационным затратам и снижению надежности. Также, значение допускаемых давлений и термической стойкости уплотнений относительно невелики.

По сравнению с пластинчатыми, кожухотрубные аппараты не имеют многочисленных прокладок и являются намного более надежными с этой точки зрения. Хотя они обладают пониженным коэффициентом теплопередачи по сравнению с пластинчатыми, существует целый ряд методов интенсификации теплообмена, который с достаточной легкостью применим в кожухотрубных

аппаратах. Поэтому использование данных методов и правильного подхода к проектированию оптимальной конструкции кожухотрубных теплообменников позволяет им оставаться конкурентоспособными по отношению к пластинчатым, а с учетом их высокой надежности - позволяет быть востребованными в судовой технике.

Аппараты змеевикового типа являются одной из разновидностей кожухотрубных аппаратов. Такой аппарат состоит из змеевика (спиральной трубы) расположенного в корпусе. Поскольку площадь сечение змеевика значительно меньше площади сечения в корпусе для прохождения теплоносителя устанавливают заполнитель в центре аппарата. Такие теплообменники чаще всего используют как охладители или подогреватели воды для бытовых нужд, когда существует высокий температурный перепад.

Теплообменные аппараты с плоскими трубками часто применяются на судах с дизельными установками. Такие аппараты имеют меньшие габаритные размеры и вес по сравнению с кожухотрубными теплообменниками. Кожух охладителя может иметь любую необходимую форму. Плоские трубки изготовляют как гладкие, так и с применением дополнительной интенсификации теплообмена за счет лунок или решеток.

Трубки с олунением состоят из двух пластин на поверхности которых наносятся лунки диаметром 5 и глубиной 2 мм. При сборке пластин внутренние выступы лунок располагают друг напротив друга, получая сложную форму канала.

При изготовлении плоских трубок с решеткой между пластинами устанавливается турбулизатор в виде выштампованной решетки. Турбулизатор увеличивает коэффициент теплоотдачи в канале, а также придает дополнительную жесткость трубке.

Одними из наиболее распространенных ТА на судах являются охладители и подогреватели воды [6] (таблица 1.1). В этих аппаратах в качестве одного из теплоносителей обычно используется пресная вода или дистиллят, которые

служат для охлаждения деталей машин в СЭУ, таких как цилиндры дизелей, а также электрических машин, аккумуляторных батарей. Для охлаждения теплоносителя, воспринимающего тепло в процессе работы судна, используют, как правило, забортную воду (морскую или речную), причем забортная вода располагается в трубном пространстве аппарата. Такое расположение облегчает доступ к теплообменной поверхности наиболее подверженной загрязнению.

Таблица 1.1 - Характеристики основных типов судовых ТА [6]

Назначение ТА Тепловая нагрузка, кВт Площадь поверхности теплообмена, м2 Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К) Гидравлическое сопротивление, кПа

Маслоохладитель 100 - 800 50 - 400 180 - 300 300 - 500

Охладитель пресной воды 100 -10000 90 - 500 600 - 2000 100 - 150

Подогреватель топлива 150 - 250 6 - 12 100 - 200 300 - 500

Подогреватель питательной воды 200 -6000 40 - 100 2500 - 2700 40 - 60

Подогреватель газ. топлива 200 - 500 25 - 40 170 - 300 25 - 40

Судовые ТА могут иметь различное конструктивное исполнение по количеству ходов в трубном и межтрубном пространствах (таблица 1.2). Увеличение количества ходов по трубному пространству достигается за счет установки перегородок в распределительных камерах, по межтрубному - в кожухе. Увеличение количества ходов приводит к увеличению скорости потока и более эффективному использованию поверхности теплообмена, однако создает возможность для отложения механических включений (водорослей и др.) в местах поворотов камер.

Таблица 1.2 - Типоразмерный ряд водомасляных и водо-водяных ТА

Тип охладителя Шифр Теплоносители Расходы теплоносителей (мах), л/мин Давления теплоносителей (мах), МПа (кг/см2) Температуры теплоносителей (мах), °С

Водомасляные ОМ-10 вода 1000 0,294 (3,0) факт.

масло 100 0,49 (5,0) 85

ОМ- 23 вода 1670 0,294 (3,0) факт.

масло 262 0,49 (5,0) 100

ОМ- 40 вода 1670 0,294 (3,0) факт.

масло 373 0,49 (5,0) 100

Водо-водяные ОВ-5 вода - 1 конт. 590 0,098 (1,0) факт.

вода - 2 конт. 1000 0,294 (3,0) факт.

ОВ-31 вода - 1 конт. 2835 0,098 (1,0) факт.

вода - 2 конт. 1670 0,294 (3,0) факт.

Наибольшее распространение на судах получили кожухотрубные теплообменники, состоящие из кожуха и пучка труб внутри него [8].

Кожухи больших диаметров изготавливаются из листа методом развальцовки и имеют продольный сварной шов. Кожухи малого диаметра до 0,6 м выполняют из трубы. К кожуху привариваются патрубки, через которые поступает и отводится теплоноситель, омывающий трубы снаружи.

Наиболее широко используемые трубки в ТА могут быть как прямые с развальцовкой на концах в трубных досках, так и Ц-образные с развальцовкой в трубной доске с одной стороны [9]. Прямые трубки используют в случаях, когда необходима периодическая чистка, если внутритрубная среда содержит соли, способные осаждаться на внутренней поверхности. Среда подается в трубы через коллекторы.

Для предохранения труб от вибрации и изгибов используют перегородки (рисунок 1.3). Перегородки расположены в межтрубном пространстве и придают

потоку поперечное движение относительно трубного пучка. При поперечном обтекании труб теплоотдача потока увеличивается, однако наличие перегородок также увеличивает потери давления в межтрубном пространстве.

Наружный диаметр теплообменных трубок, используемых в ТА 10-50 мм, наиболее часто используются трубки в пределах 12-20 мм с толщиной стенки 1-2 мм. Применяют трубы как из углеродистых и нержавеющих сталей, так и цветных металлов. От диаметра труб сильно зависят массогабаритные размеры.

При разности температур рабочих сред до 60°С применяют конструкцию аппарата с жестко закрепленными трубами в трубных решетках. При большей разности температур используют Ц-образные трубы или подвижные (плавающие) трубные доски. Также, чтобы частично компенсировать разность в длине трубок и корпуса используют компенсаторы [7].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Лакиза Максим Владимирович, 2017 год

Список использованных источников

1. ГОСТ 15150-69 «Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды».

2. ГОСТ Р 51672-2000 «Метрологическое обеспечение испытаний продукции для целей подтверждения соответствия. Основные положения».

Лист регистрации изменений

Изм. Номера листов (страниц) Всего листов в докум. № решения на изм. Входящий № сопроводит. документа Подп. Дата

Измененных Замененных Новых Аннули рован-ных

175

ПРИЛОЖЕНИЕ Б (справочное) Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ

176

ПРИЛОЖЕНИЕ В (справочное) Акты внедрения результатов работы

Общество с Ограниченной Ответственностью

Нева-ТеплоТехника

Россия. 196602. Санкт-11етербург. г. Пушкин, ул. Малиновская, л.8. пом.12Н Тел./факс: -»-7(812) 677-93-49. infix/ ncva-tenlo.ru. www.ncva-tcnlo.ru

ИНН: 7802736510 КПП: 782001001 ОКНО: 69256718 ОКВЭД: 74.8 ОКА10: 40294501000

утверждаю

Генеральный директор ООО "Нева-Теплотехника" В.В. Кон/фатьев радя 2017 г.

АКТ

о внедрении (иснолыовинии) ре)

диссертационной работы\ Лакизм Максима Владимиров

V'Ok ..... ГО- Jf

•к?£г.?РбУг

Настоящий акт составлен о том, что результаты диссертационной работы М.В. Лакизы «Исследование теплопередачи в судовых теплообменных аппаратах при интенсификации теплообмена в трубном пространстве и стохастическом процессе его загрязнения», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук, использованы в проектно - конструкторской деятельности ООО «Нева-Теплотехника» при:

1. Подготовке технических предложений по модернизации теплообменного оборудования с целью повышения его теплопроизводительности на нефтеперерабатывающих предприятиях за счет применения турбулизаторов потока типа '"гофрированная лента с надрезами'" в трубном пространстве подогревателей сырой нефти:

2. Дополнении базы расчетных зависимостей на основании результатов проведенных экспериментальных исследований теплогидравлических характеристик различных интенсификаторов теплообмена типа "гофрированная лента с надрезами";

3. Оценке возможности уменьшения массогабаритных показателей ряда теплообменных аппаратов, включая судовые, с использованием программного комплекса HTRI Xchanger Suite с внедренными в трубный тракт интенсификаторами теплообмена типа "гофрированная лента с надрезами";

4. Совершенствовании методов прогнозирования роста отложений в кожухогрубных теплообменниках при их эксплуатации.

Использование указанных результатов позволяет:

- расширить диапазон предлагаемых технических решений при совершенствовании установленного теплообменного оборудования и создании нового;

- обоснованно подходить к выбору средств и методов интенсификации при решении задач повышения эффективности теплообменных аппаратов различного применения;

- моделировать работу трубчатых теплообменников, находящихся в промышленной эксплуатации, перед принятием решения об их совершенствовании за счет внедрения турбулизаторов типа «гофрированная лента»;

- эксплуатирующим теплообменное оборудование организациям более обоснованно подходить к формированию графиков обслуживания, в том числе в части периодической его очистки от отложений (загрязнений).

Акт выдан для представления в диссертационный совет.

Зам. Генерального директора но техническим вопросам, к.т.н.

В.Ь. Сударев

УТВЕРЖДАЮ

Генеральный директор ООО "Н-Пром Бюро

к.т.н., C.JI. Деменок

«15» декабря 2016 г.

АКТ

внедрении результатов

диссертационной работы ЛАКИЗЫ МАКСИМА ВЛАДИМИРОВИЧА на соискание

Настоящий акт составлен о том, что результаты диссертационной работы Лакизы М.В. «Исследование теплопередачи в судовых теплообменных аппаратах при интенсификации теплообмена в трубном пространстве и стохастическом процессе его загрязнения», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук, используются в проектно - конструкторской деятельности ООО "Н-Пром Бюро" в виде:

1. Технических предложений по применению интенсификаторов теплообмена типа "гофрированная лента с надрезами" в трубном пространстве судовых ТА с целью повышения их эффективности и снижения металлоемкости.

2. Экспериментальных данных по исследованию теплоотдачи и гидравлического сопротивления в трубах с интенсификаторами теплообмена типа "гофрированная лента с надрезами".

3. Результатов расчета судовых теплообменных аппаратов на программном комплексе HTRI Xchanger Suite 7.2 с интенсификаторами теплообмена типа "гофрированная лента с надрезами".

4. Рекомендаций по практическому применению, изготовлению и монтажу интенсификаторов теплообмена типа "гофрированная лента с надрезами".

5. Методик определения влияния случайного характера накопления отложений на параметры работы ТА.

Использование указанных результатов позволяет: повысить качество проектирования и эффективность судовых ТА: сократить затраты на проведение опытно-конструкторских работ и натурных испытаний; снизить металлоемкость теплообмен ною оборудования.

ciciiciiii кандидата технических наук

Акт выдан для предста

1тационныи совет.

Зам. генерального директора /оI

к.т.н., С.М. Сивуха

УТВЕРЖДАЮ

•4Троректор по образовательной

, ^ ^ „„-г-,, ггггш т

АКТ

о внедрении в учебный процесс результатов диссертационной работы Лакизы Максима Владимировича, выполненной на тему «Исследование теплопередачи в судовых теплообменных аппаратах при интенсификации теплообмена в трубном пространстве и стохастическом процессе его загрязнения»

Результаты диссертационной работы Лакизы М.В., посвященной решению одной из важных задач применения интенсификации теплообмена в судовых теплообменных аппаратах для обеспечения снижения их массогабаритных характеристик и обеспечения надежности работы в условиях загрязнения поверхностей теплообмена, нашли практическое применение в учебном процессе кафедры «Судовые двигатели внутреннего сгорания и дизельные установки», в частности:

по направлению 26.04.02 «Кораблестроение, океанотехника и системотехника

объектов морской инфраструктуры», профиль «Энергетические комплексы и оборудование морской техники» в вариативную часть дисциплины «Обеспечение надежности энергетических установок» квалификации магистр.

подготовки «Двигатели внутреннего сгорания» в вариативную часть дисциплины «Системы двигателей» квалификации бакалавр.

по направлению 13.03.03 «Энергетическое машиностроение», профиль

Декан ФКЭ и А,

заведующий кафедрой СДВС и ДУ к.т.н., доцент

С.П. Столяров