Замкнутые системы охлаждения судовых энергетических установок


НАУЧНАЯ КНИГА



Севастопольский
_гОС государственный университет


К.Ю. ФЕДОРОВСКИЙ, Н.К. ФЕДОРОВСКАЯ





                ЗАМКНУТЫЕ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ СУДОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК




Монография




Электронно-

znanium.com


Москва ВУЗОВСКИЙ УЧЕБНИК ИНФРА-М
2022

   ФЗ    Издание не подлежит маркировке  
№ 436-ФЗ в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

        УДК 629.12(075.4)
        ББК 39.455
        Ф33

      Рецензенты:
         А.Л. Кирюхин, д-р техн. наук, профессор, Черноморское высшее военноморское училище им. П.С. Нахимова;
         А.К. Сухов, д-р техн. наук, профессор, Институт природно-технических систем

        Федоровский К.Ю.

         Замкнутые системы охлаждения судовых энергетических установок : монография / К.Ю. Федоровский, Н.К. Федоровская. — Ф₃₃ Москва : Вузовский учебник : ИНФРА-М, 2022. — 160 с. — (Научная книга).
         ISBN 978-5-9558-0558-0 (Вузовский учебник)
         ISBN 978-5-16-012712-5 (ИНФРА-М, print)
         ISBN 978-5-16-103030-1 (ИНФРА-М, online)
         Рассматриваются вопросы создания работающих по замкнутому контуру систем охлаждения энергоустановок судов и морских платформ, исключающих необходимость приема забортной охлаждающей воды и отличающихся высокой надежностью и экологической безопасностью эксплуатации. Представлены результаты экспериментальных исследований и примеры практического использования.
         Предназначена для широкого круга специалистов, занимающихся проектированием и эксплуатацией судовых энергетических установок. Может быть полезна специалистам экологического профиля, а также студентам соответствующих специальностей.
УДК 629.12(075.4)
ISBN 978-5-9558-0558-0 (Вузовский учебник)           ББК 39.455
ISBN 978-5-16-012712-5 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-103030-1 (ИНФРА-М, online)      © Вузовский учебник, 2017


Издательский Дом «Вузовский учебник» 127247, Москва, ул. С. Ковалевской, д. 1, стр. 52 www.vuzbook.ru
ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М» 127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1 Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29
E-mail: books@infra-m.ru http://www.infra-m.ru


Подписано в печать 16.07.2021. Формат 60x90/16. Гарнитура Newton.
Печать цифровая. Усл. печ. л. 10,0. ППТ12. Заказ № 00000 Цена свободная

TK 654524-1818210-240317
          Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М» 127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: +7(495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: +7(495) 280-36-29

            Основные сокращения



  ВДГ      —  вспомогательный дизель-генератор
  ВО       —  вспомогательное оборудование
  ЗСО      —  замкнутая система охлаждения
  ЗТОА     —  забортный теплообменный аппарат
  КПД      —  коэффициент полезного действия
  МО       —  маслоохладитель
  МТС      —  морские технические средства
  СО       —  система охлаждения
  ЭУ       —  энергетическая установка
  ТОА      —  теплообменный аппарат
  ОНВ      —  охладитель наддувочного воздуха
  ОТОА — обшивочный теплообменный аппарат УТ — устройство теплоотвода
  ПТ — промежуточный теплообменник

ПТУ --- показатель технического уровня
    Перечень условных обозначений     

b — ширина канала, м;

с --- стоимость, руб.;

Ср   — изобарная теплоемкость,Дж/(кг-К);

d --- диаметр, м;

dэк — эквивалентный диаметр канала, м;
F — площадь теплопередающей поверхности аппарата, м2; f — площадь проходного сечения канала, м2;

G --- массовый расход, кг/с;

H — высота, длина поверхности в направлении свободной

 конвекции жидкости, м;

  h — высота канала, глубина погружения, м;
  К — коэффициент теплопередачи, Вт/м2;
  L — длина теплопередающей части обшивки корпуса, м;
  l      — длина канала, характерный размер, м;
  lп   — длина прямого участка между поворотами канала, м;
  М      —  масса, кг;
  N      —  мощность, кВт;
 Ne      — эффективная мощность энергетической установки, кВт;
  Р      —  давление, Н/м2;
  Q      —  тепловой поток, Вт;
  q      —  плотность теплового потока, Вт/м2;
  t      — температура, °С;
  At     —  температурный напор, °С;
  V      —  объем, м3;
  v      —  скорость, м/с;
  vs     —  скорость движения судна, м/с;
  W      —  объемный расход, м3/с;


3

a — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²-К);
у — угол поворота аппарата в плоскости теплопередающей поверхности, град;
S      — толщина, м;
ц      — коэффициент полезного действия;
Z      — коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К);
р      — динамический коэффициент вязкости, Н-с/м²;
о      — кинематический коэффициент вязкости, м²/с;
р      — плотность, кг/м³;
т      — время, с;
ф — угол наклона поверхности аппарата по отношению к вертикальному положению, град.
Br ''■ ^cPrmReⁿₓ   — число Брюна
     Xc x
p„ Р'- P"             U V
Eu =-----2—        — Число Эйлера
      p- v²
             H³
Gr = gp(tc -1ж) —  — Число Грасгофа

V            --- Число Прандтля  
Pr = ---                         
a                                
а a-x        --- Число Нуссельта 
Nu =---                          
X                                
Ra = Pr - Gr --- Число Релея     
v vd                             
Re = ---     --- Число Рейнольдса
V                                

            Индексы



  ж      —  жидкость, теплоноситель (охлаждаемые)
пв     —   пресная вода
  з      —  забортная вода
  с      —  стенка
ок     —   обшивка корпуса
кр     —   краска
пт     —   промежуточный теплообменник
от     —  обшивочный теплообменник
       — (черта над буквой) — знак осреднения
во     —   вспомогательное оборудование
гд     —  главный двигатель
1и 2 — рассматриваются соответственно внутренняя и внешняя поверхности теплопередающей стенки

            ВВЕДЕНИЕ



   Важнейшим элементом любого судна или морской платформы является энергетическая установка. Ее нормальное функционирование связано с необходимостью отвода теплоты, что обеспечивается системой охлаждения. В настоящее время на судах наибольшее распространение получили разомкнутые системы охлаждения, предусматривающие потребление забортной охлаждающей воды.
   Разомкнутые системы выполняются многоконтурными. Каждый из контуров имеет насос и потребляет энергию. Контур забортной воды обычно изготавливается из цветных металлов, что повышает стоимость системы охлаждения. Не всегда обеспечивается требуемая надежность работы разомкнутых систем, особенно в условиях загрязненной акватории.
   Помимо указанного, разомкнутые системы интенсивно уничтожают рыбную молодь и планктон, являющийся основой пищевой цепочки. Так, например, по оценкам сотрудников ФГБУН «Институт морских биологических исследований им. А.О. Ковалевского» РАН система охлаждения морской буровой платформы проекта 10170 за год может уничтожать до 200 т промысловых видов рыб.
   Замкнутые системы охлаждения лишены указанных недостатков. Среди проектов судов, представляемых в последнее время для рассмотрения Главным управлением Российского морского регистра судоходства, приблизительно в одной трети случаев используется замкнутая система охлаждения с забортными теплообменниками.
   В 2013г. в Международную конвенцию МАРПОЛ 73/78 в приложение VI включена новая глава 4 «Требования по энергоэффективности судов». В ней устанавливаются требования по допустимым удельным затратам энергии, которые с течением времени ужесточаются. Поскольку замкнутые системы в большинстве случаев выполняются одноконтурными, то исключение контура и насоса забортной воды экономит примерно 0,4.. .1,0% мощности главного двигателя.
   Важнейшим элементом замкнутой системы охлаждения является устройство, обеспечивающее теплоотвод в забортную воду. Возможны различные варианты таких устройств.
   В данной работе приведены результаты многолетних исследований устройств теплоотвода, совмещенных с судовой обшивкой корпуса (обшивочных теплообменников). Представлены не только результаты модельных исследований, но и результаты натурных испытаний таких теплообменных аппаратов.
   Авторы благодарны сотруднику ЦКБ «Коралл» В.М. Цыпину за многолетнюю совместную работу, связанную с практическими шагами по внедрению замкнутых систем охлаждения в практику отечественного судостроения.
   Авторы признательны Е.Ю. Демуровой за проведенную большую работу по подготовке рукописи к изданию.

5

Глава 1


            ЗАМКНУТЫЕ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ



        1.1 Назначение и основные преимущества систем


   Одним из важнейших элементов судовой энергетической установки является ее система охлаждения (СО). Надежное функционирование данной системы определяет безаварийную эксплуатацию энергоустановки и в целом судна.
   В настоящее время наибольшее распространение получили разомкнутые двухконтурные системы охлаждения (рис. 1.1). В таких системах пресная вода, циркулирующая через охлаждаемое энергетическое оборудование, охлаждается морской водой, принимаемой из окружающей акватории. Данные системы достаточно надежно работают на судах, которые эксплуатируются в глубоководных чистых акваториях. Однако имеются случаи, когда разомкнутые системы не обеспечивают требуемой надежности работы, что при неблагоприятном стечении обстоятельств может привести к аварийной ситуации. Весьма наглядным является случай, когда морской самоходный плавкран в ходе сдаточных ходовых испытаний попал в зону с большим количеством медуз, которые быстро забили фильтры системы охлаждения. Несмотря на то, что регламент этих испытаний исключал возможность остановки главного двигателя плавкрана, все же это пришлось сделать.


Рис. 1.1. Принципиальная схема разомкнутой двухконтурной системы охлаждения энергетического оборудования

   Нахождение судна в мелководной загрязненной акватории также чревато аналогичными последствиями, поскольку система охлаждения интенсивно засасывает грунт. Так, например, в районе Керченского пролива, где имеется множество песчаных банок, экипажи судов зачастую вынуждены предпринимать дополнительные меры снижения или полного исключения приема забортной воды. Для этого может быть выполнено переключение системы охлаждения на имеющиеся цистерны

6

забортной воды. Очевидно, что в таком случае длительность работы системы ограничена временем прогрева воды в цистерне до максимально допустимого уровня.
   Имеются многочисленные морские технические средства (МТС), которые значительное время находятся на мелководной акватории или же, в силу выполняемых технологических операций, создают дополнительное загрязнение (рис. 1.2). К их числу относятся дноуглубительные суда, плавкраны, морские буровые платформы и др.


Рис. 1.2. Работа судна в загрязненной акватории

   Угроза аварийной остановки энергоустановки из-за забивания системы в указанных условиях резко возрастает. Такие ситуации возникали, например, на буксире «Севастополец», плавкранах типа «Черноморец», «Богатырь», на морских буровых установках [1].
   При разгрузке дноуглубительных судов происходит интенсивное засорение кингстонных ящиков. На некоторых таких судах для исключения аварийной остановки ЭУ в данных условиях предусматривается установка до восьми кингстонных ящиков. По мере засорения осуществляется их последовательное переключение.
   Подготовка ледового причала, осуществляемая ледоколом на мелководье при частых реверсах, также приводит к интенсивному забору в систему грунта [2, 3].
   Попадание в СО с забортной водой механических примесей в 2.3 раза усиливает коррозионно-эрозионные разрушения трубопроводов вследствие абразивного воздействия на защитные окисные пленки [4]. По данным [5, 6], первые язвенные поражения трубопроводов появляются уже через 1.1,5 года эксплуатации. Фактический срок службы трубопроводов забортной воды до появления первых повреждений не превышает 6.8 лет. Затраты на ремонт системы забортной воды могут достигать 10.12% от общей стоимости ремонтных работ на судне.


7

   Известны случаи затопления машинного отделения судов по причине поступления забортной воды через разрушившиеся элементы системы (например, суда «Джон Рид» и «Николай Крыленко»).
   Таким образом, возникает объективная необходимость в отказе от приема судном забортной воды для обеспечения работы системы охлаждения энергетической установки. По сути, речь идет об использовании замкнутых систем охлаждения (ЗСО). Рассмотрим в этой связи примеры создания таких систем, большинство которых касается зарубежных судов.
   В [7] приводится довольно широкий спектр судов, оборудованных данными системами. Среди них военные корабли, рыболовецкие суда, паромы (рис 1.3), буксиры, яхты и т.д.


Рис. 1.3. Паром «Skeena Queen»

   Наиболее актуален вопрос создания ЗСО для судов технического флота. Весьма наглядным является опыт оснащения такой системой землечерпалки «Ludwig Franzius» (рис. 1.4), построенной в Германии [8].

Рис. 1.4. Землечерпалка «Ludwig Franzius»

   Первоначально она была оборудована традиционной разомкнутой двухконтурной СО, предусматривающей использование забортной воды. Однако в первые же годы эксплуатации наблюдались частые отказы этой системы вследствие коррозии и засорения. В дальнейшем была

8

выполнена модернизация судна с целью создания ЗСО с обшивочным теплообменным аппаратом (ОТОА), обеспечивающим прокачивание охлаждаемого теплоносителя вдоль внутренней стороны судовой обшивки и передачу теплоты забортной воде. После этого судно успешно эксплуатировалось много лет.
   Это одно из немногих судов, по которым в печати имеются сведения по теплотехническим испытаниям замкнутой системы охлаждения с ОТОА. Соответствующие данные приведены в таблице 1.1.
   ЗСО имеются на буксирах SCH — 2302 [9], KS3 — 1990 [10], «Кингшток», ледоколах «J.Langen» [11], «Винд», «Оден», ледокольном пароме «Вокейшленд», буксирных судах фирмы «O&K Jastram Motor» [12].
   Нарис. 1.5 представлено фото буксира «Les Easom», оборудованного ЗСО с вынесенным за борт трубчатым теплообменником [13].


Рис. 1.5. Буксир «Les Easom»

   В Германии была построена серия самоходных плавкранов типа «Magnus» грузоподъемностью 800 т (рис. 1.6).


Рис. 1.6. Самоходный плавкран типа «Magnus» грузоподъемностью 800 т

   Они оборудованы полностью замкнутой системой охлаждения ЗСО с ОТОА, расположенными как на днище, так и на борту. Это обеспечило надежное функционирование плавкранов в районе Бангладеш даже в очень сильно заиленной акватории в период отливов.


9

Таблица 1.1

Результаты теплотехнических испытаний судна «Ludwig Franzius»

 №                        Размер-                                                 Двига-  Двига-  Двига- 
п/п Величина               ность   Двигатель 1     Двигатель 2     Двигатель 3    тель 4  тель 5  тель 6 
1   Скорость судна        уз.        0     10,25     0    9,9        0     12,3      0     12,3         0
2   Мощность двигателя    кВт     798       809     871     809     842     831     857   871     390    
3   Температура воды на     °C    83,5     75,6    87,5    74,5    87,5    79,0    85,0    76,2   75,0   
    входе в ОТОА                                                                                         
4   Температура воды на     °C    76,2     42,5    80,0    53,0    79,5    55,0    78,5    43,6   53,0   
    выходе из ОТОА                                                                                       
5   Температура морской     °C    13,5     13,5    14,5    14,5    13,0    13,5    14,0    13,5   14,5   
    воды                                                                                                 
6   Отводимое тепло по    Вт      522 000 523 000 552 000 523 000 543 000 536 000 547 000 553 000 257 000
    тепловому балансу                                                                                    
7   Температурный напор     °C    66,6     43,6    68,5    48,4    70,8    54,5    67,0    44,5   48,8   
8   Коэффициент             Вт    390       597     403   541       379     486     409     617   291    
    теплопередачи                                                                                        
9   Нагрузка на поверх-   кВт/м2  39,7     40,2    43,6    40,4    41,7    41,2    42,8    43,4   21,7   
    ность*                                                                                               
10  Скорость воды в кана- м/с     1,47     0,28    1,50    0,51    1,44    0,39    1,54    0,35   0,24   
    ле теплообменника                                                                                    

* — мощность двигателя, отнесенная к площади ОТОА.