Теплообменные аппараты

Общие сведения

В судовых охладителях, устанавливаемых на судах, тепло от нагретых жидкостей передается в водоохладители забортной воды на главных двигателях, где охлаждению подвергается вода из зарубашечного пространства, масло, идущее на охлаждение, надувочный воздух, предназначенный для продувки и зарядки цилиндров, а также вода или масло, охлаждающие поршни.

В других теплообменных аппаратах, наоборот, при помощи пара подогревают тяжелое топливо или забортную воду для промывки цистерн и грузовых танков на танкерах.

Почти на всех теплообменных аппаратах тепло передается от более нагретой жидкости к менее нагретой жидкости, к более холодной, через промежуточную теплопроводную стенку, воспринимающую промежуточную температуру. Температура при передаче тепла через стенку изменяется приблизительно так, как показано на рис. 7.1.

Температурный график теплопередачи через стенку

В пограничном слое, прилегающем к стенке со стороны горячей жидкости, температура падает от средней температуры жидкости до температуры стенки. Небольшая разность температур наблюдается в самой стенке, так как она обладает тепловым сопротивлением. На холодной стороне жидкость, соприкасающаяся со стенкой, имеет более высокую температуру, но затем в пограничном слое снижается до средней температуры массы жидкости, находящейся по другую сторону стенки.

В некоторых случаях важно знать, какое влияние оказывает на эффективность работы теплообменного аппарата изменение количества охлаждающей воды. Для этого существуют графики, кривые, показывающие зависимость температуры воды охлаждающей рубашки главного двигателя и смазочного масла от количества охлаждающей воды. На этом графике по оси ординат откладывается разность температур охлаждающей рубашки воды и смазочного масла с одной стороны и охлаждающей воды — с другой, а по оси абцисс — количество забортной воды в процентах от номинального. Поток охлаждаемой жидкости и скорость теплопередачи приняты постоянным.

Конструктивные типы теплообменных аппаратов

Теплообменные аппараты трубчатого типа. На судах большой частью применяют теплообменные аппараты трубчатого типа (см. рис. 7.2).

Теплообменный аппарат трубчатого типа

Трубчатый теплообменник с прямыми трубками

Внутри корпуса, к которому подключена циркуляционная система охлаждаемой жидкости, помещен пучок труб, закрепленных обоими концами в трубных досках. Перегородки в корпусе заставляют поток охлаждаемой жидкости несколько раз менять направление, пересекая пучок в поперечном направлении. По обоим концам корпуса имеются водяные коллектора, через которые охлаждающая жидкость проходит внутри труб.

Трубчатый теплообменный аппарат прямоугольного исполнения

Маслоохладители, охладители пресной воды и воздуха

В маслоохладителях с прямыми трубками, применяемых на теплоходах и судах с паротурбинными установками, одна из трубных досок выполняется плавающей (подвижной); охлаждающая вода обычно прокачивается внутри трубок, а масло обтекает трубки снаружи.

На рис. 7.5 показан типичный маслоохладитель, изготовляемый фирмой Бурмейстер и Вайн. Два таких маслоохладителя с поверхностью охлаждения по 80 м2 установлены на т/х «Ижевск-лес» мощностью 2900 э. л. с. По охлаждающей воде маслоохладитель двухходовой, трубки имеют наружный диаметр 11 мм и толщину стенок 1 мм. Масло обтекает трубки снаружи, делая шесть ходов поперек трубного пучка, для чего в маслоохладителе установлено пять перегородок. Для чистки маслоохладителя в нижней части его стального сварного корпуса имеются три горловины с заглушками. Водяные камеры литые. Одна из трубных досок плавающая с сальниковым уплотнением; для уплотнения используется кольцо из маслостойкой резины.

Маслоохладитель восьмиходовой со стороны масла

На рис. 7.6 показан маслоохладитель (паротурбинной установки) двухходовой со стороны охлаждающей воды и восьмиходовой со стороны масла. Трубки латунные с наружным диаметром 14 и толщиной стенок 1 мм. Одна из трубных досок подвижная с сальниковым уплотнением.

Топливоподогреватели

Топливоподогреватели предназначены для подогрева тяжелого топлива перед подачей его к форсункам двигателя. Подогрев производят в теплообменнике трубчатого типа с гладкими трубками или трубками, имеющим внутреннее устройство, при котором поток проходящего внутри труб топлива приобретает турбулентный характер, или с трубами, к которым припаиваются ребра (в этом случае поток проходит снаружи труб). Нагревающей средой является конденсирующий пар. Пучок ребристых труб, представляющий собой довольно компактный узел, показан на рис. 7.7.

На рис. 7.7 можно видеть вертикальный маслоохладитель с поверхностью охлаждения 21 м2 турбогенератора. Маслоохладитель четырехходовой по охлаждающей воде и многоходовой по маслу.

Вертикальный маслоохладитель

Латунные трубки имеют диаметр 15 и толщину стенок 1 мм. Верхняя трубная доска плавающая с сальниковым уплотнением. Для очистки этого маслоохладителя его корпус демонтируют.

У всех рассмотренных маслоохладителей трубки из сплавов цветных металлов развальцованы обоими своими концами в трубных досках. У больших по поверхности охлаждения маслоохладителей иногда применяют трубки диаметром до 20 мм при F = 240 м2.

На теплоходах с неограниченным районом плавания в большинстве случаев устанавливают по два маслоохладителя, каждый из которых рассчитан на отвод тепла при мощности главного двигателя, составляющей 60% от номинальной. Установка одного маслоохладителя допускается на теплоходах сравнительно небольшой мощности с ограниченным районом плавания. Суммарная поверхность охлаждения обоих маслоохладителей в среднем составляет 27 м2 на 1000 э. л. с. мощности главного двигателя при охлаждении поршней маслом и до 15 м2 на 1000 э. л. с. при охлаждении поршней главного двигателя пресной водой.

Конструкции трубчатых охладителей пресной воды, применяемых на теплоходах, сходны с конструкциями маслоохладителей. В некоторых случаях теплообменный аппарат одной и той же конструкции используется либо в качестве маслоохладителя либо в качестве охладителя пресной воды. Если такой унификации не предусматривается, конструкция охладителей пресной воды несколько проще: отсутствуют горловины для удаления отстоя и осадков.

На большинстве теплоходов установлено по два охладителя пресной воды цилиндров главного двигателя, реже — по одному. Суммарная поверхность охлаждения охладителей пресной воды цилиндров в среднем составляет от 23 до 29 м2 на 1000 кВт мощности главного двигателя.

На рис. 7.8 показан подогреватель топлива типа «Паракойл». Нагревательные элементы у этого подогревателя прямые, состоят из стальных оребренных трубок, нижние концы которых развальцованы в трубной доске. Верхние концы трубок открыты, а нижние развальцованы в трубной доске. Греющий пар поступает через патрубок проходит через трубки и затем удаляется через патрубок. Топливо для подогрева подходит к парубку и таким образом снаружи греющие элементы омываются подогреваемым топливом. В стальном корпусе подогревателя расположены сегментные перегородки, обеспечивающие поперечное обтекание топливом пучка труб.

Подогреватель тяжелого топлива типа «Паракойл»

Зарубежные фирмы изготовляют подогреватели топлива и иных конструкций. Так в подогревателе типа «Сунрод» греющий элемент представляет собой трубку, покрытую большим числом медных шипов, загнутых по направлению движения подогреваемого топлива. В подогревателях типа ТОДД, предназначенных для подогрева топлива при небольших его расходах, греющий элемент представляет собой изогнутую по спирали трубку — змеевик, внутри которой протекает топливо.

Охладители надувочного воздуха

Охладители надувочного воздуха дизелей обычно применяются с оребренными снаружи трубками, внутри которых протекает забортная вода.

Трубчатый охладитель воздуха фирмы Зульцер.

На рис. 7.9 показана конструкция трубчатого охладителя воздуха двигателя фирмы «ЗУЛЬЦЕР». Оребренные снаружи трубки 3 развальцованы в трубных досках 2. Для разгрузки трубок от термических напряжений нижняя трубная доска выполнена подвижной и уплотнена резиновым кольцом 4. Охлаждающая забортная вода подводится по одному из патрубков 5, проходит в два хода по трубкам и отводится через другой патрубок 5. Охлаждаемый воздух поперечно обтекает трубный пучок снаружи (перпендикулярно плоскости рисунка).

Сходную конструкцию имеет охладитель воздуха двигателя фирмы Зульцер, показанной на рис 7.9 и двигателя МАН-Б&В на рис. 7.10.

Воздухоохладители на входе в цилиндры двигателя фирмы МАН

Общий вид конструкции воздухоохладителя малооборотного фирмы МАН

Пластинчатые теплообменные аппараты

В настоящее время на современных судах применяется пластинчатые теплообменные аппараты типа «Де Лаваль», используемые в качестве маслоохладителей охладителей пресной воды, подогревателей воды в испарительной установках.

На рис. 7.12 показана конструкция пластины. Каждая пластина штампована желобчатым способом, имеет четыре отверстия для подвода и отвода греющей и нагреваемой сред. Между пластинами установлены резиновые прокладки, благодаря которым обеспечивается плотность и распределяются потоки охлаждаемой и нагреваемой сред в каналы между смежными пластинами.

Резиновые прокладки устанавливаются на клею в специальных пазах.

Рифленые пластины вызывают турбулентный поток обоих жидкостей (см рис. 7.12) и тем самым способствуют лучшей теплопередаче.

Внешний вид пластины и движение противотока греющей
и нагревающей сред

На рис. 7.13 представлен пластинчатый теплообменный аппарат, состоящий из ряда пластин 5, прижатых с помощью нажимной плиты 6 и стяжных болтов 7 к станине 4. Охлаждаемая и нагреваемая среды подводятся к аппарату и отводятся от него через патрубки. На опорные штанги 1 при сборке и разборке аппарата подвешивают пластины 5.

Теплообменный аппарат пластинчатого типа

Схема течения охлаждаемой и нагреваемой сред в каналах между пластинами может быть различной. На рис. 7.15 показана схема, при которой обеспечен противоток, причем по одной группе параллельно включенных каналов охлаждаемая среда течет вверх (сплошные линии), а по другой — нагреваемая среда течет вниз (штриховые линии). Возможно последовательное включение нескольких групп, по несколько групп, по несколько каналов.

Схема движения противотока в пластинчатом теплообменнике

Особенности эксплуатации тепло-и массообменных аппаратов

Тепло- и массообменные аппараты широко распространены на судах, они различны по принципу действия и конструктивному исполнению. Каждый аппарат должен обслуживаться в строгом соответствии с инструкцией по его обслуживанию. Все тепло-массовые аппараты непрерывно работают в течение продолжительного периода, а в отключенном состоянии должны постоянно находиться в готовности к действию.

В период эксплуатации возникает необходимость регулирования температуры охлаждаемой жидкости.

Регулирование температуры в теплообменных аппаратах. Если охлаждающей жидкостью является забортная вода, то регулирование температуры охлаждаемой жидкости в теплообменных аппаратах можно осуществлять тремя основными способами:

  • Путем перепуска части потока охлаждаемой жидкости помимо охладителя, в то время как оставшаяся часть пропускается через охладитель;
  • Дросселированием водяного потока или перепуском части охлаждающей воды помимо охладителя;
  • За счет регулирования температуры воды на входе в охладитель, осуществляемого в судовых в судовых системах перепуском части выходящей из охладителя нагретой воды в приемную полость насоса.

Последний вариант не обеспечивает удовлетворительного регулирования и применяется часто в комбинации с первыми двумя способами.

При всех трех способах регулирования можно применять автоматику, но лишь при втором способе приемлемо ручное управление. Как правило, регулирующий клапан забортной воды следует устанавливать за охладителем во избежания давления в нем, приводящего к возникновению кавитации с последующей аэрацией воды. Это особенно важно в том случае, если теплообменный аппарат монтируется в верхней части системы забортной воды и выше ватерлинии. Значительное снижение скорости потока в трубах теплообменника может привести к отложению ила в горизонтальных трубках.

Для регулирования потока охлаждаемой жидкости через охладитель можно применять регулирующие клапаны с непосредственным воздействием от температурного датчика, но обычно для этих целей используют пневматический привод. В теплообменных аппаратах, где подогревающей средой является пар, применяют автоматические системы регулирования.

Постоянная готовность теплообменника к действию требует от обслуживающего персонала пунктуального проведение планово-предупредительных осмотров и ремонта.

При уходе за теплообменными аппаратами основное внимание нужно обращать на то, чтобы теплопередающие поверхности были чистыми, а каналы и проходы не засорены. Загрязнение аппарата выразится в росте разности температур охлаждающей и охлаждаемой жидкостей с течением времени, сопровождаемом обычно увеличением разности давлений на входе и выходе при неизменном расходе.

Наиболее частой причиной снижения эффективности работы теплообменника является засорение его со стороны забортной воды. Способ очистки водяной части охладителя зависит от его конструкции. Если охладитель трубчатый, то в аппаратах малого размера пучок труб вынимают из корпуса. В более крупных аппаратах доступ к трубам открывается при снятии крышек коллекторов. Наросты, грязь, накипь удаляют при помощи инструмента, подставляемого предприятием — изготовителем аппарата. Перед установкой охладителя на судне после ремонта рекомендуется произвести промывку его пресной водой. В некоторых аппаратах, таких как охладитель масла, охлаждающего поршни двигателя, загрязнение и образование осадков может происходить на наружной поверхности труб. В большинстве случаев предприятия-изготовители рекомендуют производить промывку охладителя химическими веществами на месте без его разборки.

В теплообменниках пластинчатого типа, согласно рекомендациям предприятия-изготовителя, производят разборку пластин и механическую чистку их поверхностей. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы не повредить покрытие пластин в канавках районе окон. В случае замены уплотнений следует строго придерживаться инструкции завода-изготовителя.

Коррозия, возникшая вследствие воздействия забортной воды, может вызвать разрушения теплопередающих поверхностей и утечку жидкости. Малую утечку одной жидкости в другую можно обнаружить на сразу, большую же утечку установить легко, например по уменьшению количества смазочного масла или воды, охлаждающей рубашки цилиндров.

Методы контроля и определения технического состояния теплообменников

По перепадам температур и давлений рабочих сред, определенных на основе показаний штатных приборов (термометров и манометров), контролируется загрязненность теплообменника.

Очистка теплообменника производится при выходе перепадов температур и давлений за пределы, установленные инструкцией по эксплуатации.

Определение загрязненности воздухоохладителя при отсутствии штатных термометров производится на основе измерений температур поверхностей воздушных и водяных входных и выходных патрубков (труб) с помощью контактных термометров.

На основе осмотра (при снятой крышке теплообменника) с помощью эндоскопов определяется состояние трубок (наличие трещин, свищей, пропусков в соединениях трубок с трубной доской).

На основе измерений с помощью толщиномера определяется износ стенок корпусов, труб и других элементов теплообменника.

В теплообменниках трубчатого типа любой конструкции место утечки выявить несложно. После спуска забортной воды и снятие коллектора концы труб открываются, и протекание жидкости через дефектную трубу можно обнаружить сразу, если охлаждаемой жидкостью служит масло или вода. Если же требуется обнаружить утечку в воздухоохладителе, конденсаторе то нужно поочередно глушить каждую трубу с одного конца и подавать сжатый воздух с другого. Утечку можно обнаружить по манометру: давление в этой трубе не будет держаться.

В большие по габариту теплообменные аппараты, такие как главный конденсатор, где трудно добиться, чтобы трубы были сухими, обычно вводят в корпус люминесцентную краску. Если на трубы конденсатора и трубные доски направить ультрафиолетовый свет, то любое протекание легко обнаружится, так в этом месте краска засветится ярко-зеленым цветом.

В теплообменных аппаратах пластинчатого типа единственным способом обнаружения утечки является визуальный осмотр поверхности пластин.

В период длительной стоянки рекомендуется осушать водяную сторону теплообменных аппаратов производить их чистку и промывку пресной водой, после чего аппараты рекомендуется оставить сухими до тех пор, пока судно снова не будет наплаву.

Вентиляция и осушение теплообменных аппаратов

Для обеспечения исправной работы теплообменные аппараты необходимо заполнить забортной водой полностью. В аппаратах с вертикальным расположением труб или пластин вентиляция осуществляется автоматически. Если поток направлен снизу вверх, так же легко происходит вентиляция и при горизонтальном расположении труб или пластин в одноходовом и многоходовом вариантах при условии, что вход воды выполнен снизу, а выход — сверху. При подобной конструкции вода полностью спускается из водяной полости при осушении водяной системы.

При конструкции теплообменника, отличной от рассмотренной, в верхней точке водяной полости устанавливают воздушный краник, который открывается при первом заполнении водяной полости, а затем лишь периодически для проверки заполнения аппарата в нижней части аппарата оборудуется спускная пробка.

Литература

Вспомогательные механизмы и судовые системы. Э. В. КОРНИЛОВ, П. В. БОЙКО, Э. И. ГОЛОФАСТОВ (2009)

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Rating 0.00 (0 Votes)

Метки: Теплообменные аппараты

Для того, чтобы оставить комментарий, войдите или зарегистрируйтесь.