Судовые теплообменные аппараты

Теплообменные аппараты на судне являются важными компонентами системы охлаждения и теплопередачи. Они предназначены для эффективного перемещения тепла между различными средами, обеспечивая нормальную работу двигателей, систем кондиционирования воздуха, оборудования для поддержания теплового баланса и других систем на судне.

Наиболее распространенными типами теплообменных аппаратов, используемых на судах, являются пластинчатые теплообменники, теплообменники трубчатого типа и радиаторы. Эти аппараты обеспечивают эффективное охлаждение или нагрев жидкостей и газов, что особенно важно на судах, где управление температурными режимами играет ключевую роль в обеспечении безопасности и эффективности судовых операций. Такие системы также подвергаются строгим проверкам и обслуживанию, чтобы гарантировать их надежную работу в морских условиях.

Термосифоны и тепловые трубы относятся к специальным типам теплообменных аппаратов с промежуточным теплоносителем. Тепловые трубы относятся к классу теплопередающих устройств, общим признаком которых является функционирование по принципу испарительно-конденсатного цикла. Такие устройства, в которых возврат конденсата в зону подвода теплоты осуществляется под действием гравитационных сил, называются двухфазными термосифонами.

Впервые тепловая труба (ТТ) была изобретена в 1897 г. англичанином Дж. Перкинсом. ТТ называются устройства, выполняющие функции теплопроводов типа стержней и ребер. В отличие от теплопроводов из сплошного твердого материала, внутри ТТ осуществляется интенсивный тепломассообмен за счет процессов испарения и конденсации жидкости, находящейся внутри трубы (промежуточного теплоносителя). В результате эффективность теплопередачи (теплопроводность стержня) возрастает в несколько раз.

ТТ в простейшем виде представляет собой полый герметичный предварительно отвакуумированный корпус (рис. 1), внутренняя поверхность которого имеет капиллярную структуру, насыщенную жидким теплоносителем.

Тепловой поток, подводимый от источника теплоты к зоне испарения ТТ, вызывает испарение жидкости с поверхности капиллярной структуры, обращённой в паровой котёл. Полученный пар под действием градиента давления движется по паровому каналу адиабатной зоны в зону конденсации.

ТТ позволяют эффективно решать, как правило, одновременно следующие технические задачи:

• разделение источника подвода и источника отвода теплоты на участках, значительно удалённых и произвольно ориентированных в пространстве по отношению друг к другу;
• обеспечение высокой тепловой проводимости теплопередающих систем;
• трансформация плотности теплового потока, т. е. изменение (концентрация или деконцентрация) в широких пределах теплового потока на участке теплоотдачи (теплосброса) по сравнению с участком теплоподвода;
• создание изотермичности поверхности при низком термическом сопротивлении, позволяющее выполнять выравнивание температурного ноля и сглаживание пиков температуры;
• регулирование и стабилизация температуры объектов.

Основные Показатели и характеристики систем на суднепреимущества тепловых труб:

• простота конструкции, отсутствие подвижных деталей, бесшумность, малые массогабаритные характеристики, отсутствие затрат энергии на перемещение теплоносителя, надёжность работы;
• высокая эквивалентная теплопроводность, под которой понимается отношение передаваемого теплового потока к площади поперечного сечения ТТ и перепаду температуры на единице её длины эта величина на несколько порядков выше теплопроводности лучших теплопроводящих материалов (таких как серебро, алюминий, медь, алмаз и др.).

ТТ по конструкции аналогична термосифону, но в тепловой трубе на внутренней стенке прикреплен фитиль, выполненный, например, из нескольких слоев тонкой сетки. Конденсат возвращается в испаритель под действием капиллярных сил. Бесфитилъные ТТ (гравитационные или гладкостенные ТТ) называют двухфазными термосифонами. Труба может быть любой конструкции (рис. 2).

Возврат конденсата может быть осуществлен другими способами:

• центробежными силами (вращающаяся тепловая труба);
• силами гравитации (термосифон);
• капиллярными силами (стандартная тепловая труба);
• электростатическими объемными силами (электродинамическая тепловая труба);
• магнитными объемными силами (магнитогидродинамическая тепловая труба);
• осмотическими силами (осмотическая тепловая труба).

Конструкция бесфитильных тепловых труб – простая, она включает гладкостенный цилиндр или камеру, заполненную теплоносителем. Из трубы удаляется воздух, после чего она герметично закрывается. В фитильных конструкциях внутренние стенки трубы выложены фитилём, что является отличительной особенностью фитильных тепловых труб. С увеличением радиуса термосифона тепловой поток уменьшается. Уменьшение теплового потока наблюдается и при увеличении отношения длины охлаждаемой части L_о термосифона к нагреваемой L_н, т. е. L_о/L_н. Это подтверждается экспериментальными данными, полученными на теплоносителях в воде, этиленгликоле и глицерине.

При конструировании термосифонов следует выбирать:

где:

• r – радиус трубы.

Наличие вставки между Накипеобразование в испарителях морской воды и методы его предотвращения на суднеиспарителем и конденсатором интенсифицирует теплообмен. Как показали специальные исследования, лучшие результаты были получены при применении теплоизолированной вставки с переходным каналом.

Читайте также: Судовые вспомогательные механизмы и теплообменные аппараты

Бесфитильные тепловые трубы работают под давлением, что осложняет их обслуживание и снижает надежность. Работа бесфитильных тепловых труб осуществляется следующим образом. При подводе тепла теплоноситель в двухфазных термосифонах вскипает, в конвективных – нагревается. Двухфазная смесь (жидкий теплоноситель) транспортируется за счет разности плотностей в зону теплоотвода. Сконденсированный, или «охлаждённый», жидкий теплоноситель поступает за счет сил гравитации в зону теплоотвода, и процесс повторяется.

Зона теплоотвода (нижняя часть) бесфитильных тепловых труб называется испарителем, а зона теплоотвода (верхняя часть) – конденсатором. Средняя часть труб включает адиабатическую зону. Процессы, протекающие в бесфитильных тепловых трубах, сложнее процессов протекания в конвективных термосифонах. Вода, являясь наиболее доступным и дешевым теплоносителем, имеющим значительную скрытую теплоту парообразования, употребляется наиболее часто. Температурный интервал применения также достаточно широк: 57 … 200 °С. Однако при температуре более 1 000 °С имеется недостаточно информации по исследованию бесфитильных тепловых труб для того, чтобы можно было разработать единую методику их расчета. Наиболее полно изучены бесфитильные тепловые трубы, в которых в качестве теплоносителя используется вода.

В фитильных тепловых трубах возврат конденсата происходит по капиллярам фитиля. Испарительные термосифоны могут передавать большие тепловые потоки за счет использования скрытой теплоты парообразования. Например, тепловая труба будет иметь теплопроводность в сотни раз большую, чем медь, если используется вода при температуре t = 150 °С. Если применять литий при температуре t = 150 °С, то в осевом направлении может быть передан тепловой поток 10… 20 кВт/см². При соответствующем выборе рабочей жидкости и материала корпуса могут быть созданы тепловые трубы для работы в интервале от 4 до 2 300 К.

Тепловая труба может использоваться и как трансформатор теплового потока, т. е. подвод и отвод теплоты происходят при различных температурных уровнях (рис. 3).

Основное преимущество тепловых труб заключается в чрезвычайно высокой теплопроводности и изотермичности поверхности при низком термическом сопротивлении.

Возможное применение тепловых труб:

• в криогенных установках ядерных ускорителей;
• для охлаждения электронного оборудования;
• в установках вентиляции и кондиционирования воздуха;
• в печках;
• для охлаждения и нагрева двигателей и т. п.

Такие аппараты позволяют исключить низкотемпературную коррозию при предварительном нагреве воздуха или воды уходящими газами котлов и печей. Тепловые трубы особенно перспективны для работы в агрессивных условиях. Так как коэффициенты теплоотдачи при кипении и конденсации в тепловых трубах достаточно велики, необходимо интенсифицировать внешний теплообмен от конденсаторов тепловых труб.

Автор статьи

Виктор Свиридов

Судовой механик

Список литературы

1. Азаров А. Промышленные вихревые трубы: производство, применение, развитие // Техномир, промышленный журнал. – 2007. – № 1.
2. Алмазов Г. К. [и др.]. Элементы оборудования систем / Г. К. Алмазов, B. В. Степанов, М. Г. Гуськов, 1982.
3. Антонов Н., Карасев П. А. О применении современных инженерных решений при компенсации температурных деформаций трубопроводов тепловых сетей // Теплоэнергоэффективные технологии. – 2007. – № 3-4.
4. Артёмов Г. А. [и др.]. Системы судовых энергетических установок / Г. А. Артёмов, В. П. Волошин, А. Я. Шквар, В. П. Шостак. – СПб.: Судострое­ние, 1990.
5. EapanefiKo А. В. [и др.]. Холодильные машины / А. В. Бараненко, Н. Н. Бухарин, В. И. Пекарев и др. – СПб.: Политехника, 2006.
6. Баранов В. И. [и др.]. Средства борьбы с загрязнением моря отходами с судов / В. И. Баранов, Ю. М. Брусельницкий, Б. В. Подсевалов, В. Н. Яценко // Судостроение за рубежом. – 1976. – № 2 (10).
7. Баскаков С. П. Подготовка грузовых танков на химовозах: учеб. пособие. – СПб.: ГМА им. адм. С. О. Макарова, 2001.
8. Баскаков С. П. Системы газоотвода: учеб. пособие. – СПб., 2002.
9. Буренин В. В. Современные конструкции центробежных насосов для нефтеперерабатывающих, нефтехимических и химических производств // Нефтепереработка и нефтехимия. – 2005. – № 4.
10. Гор А. Ю. Качественная герметизация: основные принципы подбора и установки уплотнений // Теплоэнергоэффективные технологии. – 2007. – № 3-4.
11. Епифанов Б. С. Судовые системы: учебник. – J1 .: Судостроение, 1980.
12. Кодекс постройки и оборудования судов, перевозящих химические вещества наливом. – London: IMO, 2000.
13. Колесников О. Г. Судовые вспомогательные механизмы. – Л.: Транспорт.
14. Костылев И. И., Денисенко Н. И., Петухов В. А. Безопасность эксплуатации технологического комплекса танкера: учеб.-справ. пособие. – СПб.: Элмор, 2001.
15. Костылев И. И., Петухов В. А., Подволоцкий Н. М. Безопасность и эксплуатация танкеров-химовозов: учеб.-справ. пособие. – СПб.: Белл, 2006.
16. Костылев И. И., Киязевский К. Ю., Петухов В. А. Судовая энергетическая установка атомного ледокола «Таймыр»: учеб.-справ. пособие. – СПб.: Белл, 2004.
17. Куценко В. Н., Исаев С. И., Шишлов А. Н. Судовое вспомогательное энергетическое оборудование. – СПб., 2002.
18. Международная Конвенция МАРПОЛ 73/78: консолидир. изд. – 2002.
19. Международная Конвенция СОЛАС 74 с поправками: консолидир. изд. – 2001.
20. Международное руководство по безопасности для нефтяных танкеров и терминалов. – СПб.: ЗАО ЦНИИМФ, 2002.
21. Международное руководство по безопасности для нефтяных танкеров и терминалов. – 4-е изд. – СПб.: ЗАО «ЦНИИМФ», 2004.
22. Международный кодекс постройки и оборудования судов, перевозящих опасные химические грузы наливом. – СПб.: ЗАО «ЦНИИМФ», 1997.
23. Мельник B. C., Сурин С. М. Технология обработки сточных вод морских судов. – М.: В/О «Мортехинформреклама», 1986.
24. Никитин А. М. Управление технической эксплуатацией судов: учебник. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2006.
25. Нунунаров С. М., Бегагоен Т. Н. Грузовые и специальные системы танкеров. – М.: Транспорт, 1969.
26. Общие и специальные правила перевозки наливных грузов. – М., 1997.
27. Овсянников М. К., Петухов В. А. Дизель в пропульсивном комплексе морских судов: справочник. – СПб.: Судостроение, 1987.
28. Овсянников М. К., Петухов В. А. Судовые дизельные установки: справочник. – СПб.: Судостроение, 1986.
29. Овсянников М. К., Петухов В. А. Судовые автоматизированные энергетические установки: учебник. – М.: Транспорт, 1989.
30. Овчинников И. Н., Овчинников Е. И. Судовые системы и трубопроводы. – Л.: Судостроение, 1983.
31. Петров Ю. С. Вентиляция и кондиционирование воздуха: учебник. – Л.: Судостроение, 1984.
32. Петухов В. А. Безопасность и эксплуатация газовозов: учеб.-справ. пособие. – СПб.: Элмор, 1999.
33. Правила регистрации операций с нефтью, нефтепродуктами и другими веществами, вредными для здоровья людей или для живых ресурсов моря, и их смесями, производимыми на судах и других плавучих средствах: РД 31.04.17-97.
34. Правила Российского морского регистра судоходства. – СПб., 2009.
35. Применко Н. В., Заматаев М. В. Новые технологии противоаварийной защиты трубопроводов // Нефть. Газ. Промышленность. – 2007. – № 2 (30).
36. РД 31.04.23-97. Наставление по предотвращению загрязнения с судов.
37. Свистунов В. М., Пушняков И. К. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. – 2-е изд. – СПб.: Политехника, 2006.
38. Семена М. Г., Гершуни А. Н., Зарипов В. К. Тепловые трубы с металловолокнистыми капиллярными структурами. – Киев: Вища школа, 1984.
39. Системы инертного газа. СПб.: ЗАО «ЦНИИМФ»,1996.
40. Тематический каталог группы предприятий «Метран» // Уровнемеры, датчики давления. – 2008. – № 5. – Вып. 1 и 2.
41. Хайдуков О. П., Трусов А. С., Кузнецов Е. В. Системы инертных газов на танкерах и их эксплуатация: учеб. пособие. – Новороссийск: НГМА , 2000.
42. Харин В. М. [и др.]. Судовые вспомогательные механизмы и системы / В. М. Харин, Б. Г. Декин, О. Н. Занько, В. Т. Писклов. – М.:, Транспорт, 1992.
43. Швецов Г. М., Ладин Н. В. Судовые холодильные установки. – М.: Транспорт, 1986.
44. Clean seas guide for oil tankers. – London: OC1MF, 2002.
45. Dr. Verwey. Tank Cleaning Guide, 1998.
46. Cargo Operating Manual. LNGC Excalibur (H 2206). – EXMAR, 2003.
47. Medical first aids guide for use in accidents involving dangerous goods. – London: IMO, 2002.
48. Tanker safety guide (Chemical carriers & liquefied gases). – London: ICS, 2002 .
49. Chemicals and Tank Cleaning Guide. – UNITOR, 1997.