научная статья по теме ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА В ТРУБНОМ ПРОСТРАНСТВЕ И ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ СУДОВЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ Машиностроение

Текст научной статьи на тему «ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА В ТРУБНОМ ПРОСТРАНСТВЕ И ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ СУДОВЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ»

СУДОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

СУДОСТРОЕНИЕ 5'2015

12 10 8 6 4

Дефорхашга, мм

■ ^

Нагрузка

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

-№13 без воздуха, заглушён

№13 давление воздуха штатное

-№13 давление воздуха 0,5 штатного

-№13 (подсоединен и поджат №9Т без воздуха)

№13 (подсоединен и поджат №9. давление штатное) №13 (подсоединен п поджат №9, давление 0Г5 штатного)

Рис. 5. Нагрузочные характеристики АПС-7 №13 при сжатии в направлении оси Ъ

7000

торах типоряда, а для более детального исследования указанных особенностей необходимо исследовать систему, состоящую из большего числа изделий.

В дальнейшем целесообразно учитывать описанный фактор в расчётах амортизирующих креплений.

Литература

1. Амортизаторы резинопневматические со страховкой типа АПС. Технические условия. ДЕИА.304252.009 ТУ.

2. Вкладыши резинометаллические для амортизаторов АПС. Технические условия.

ТУ 38 1051951-90.

3. Инструкция по применению резинопневма-тических амортизаторов типа АПС на кораблях. ГНЦ РФ ФГУП «ЦНИИ имени академика А. Н. Крылова». 1958. Вып. 9408.

4. Амортизирующие конструкции. Испытания по определению статической жесткости и прочности на типовой испытательной машине. Методика. ИМЯН 62-317-04 МИ. ГНЦ РФ ФГУП «ЦНИИ имени академика А. Н. Крылова». 2004. Вып. 42915 (Аттестат №317/6-04).

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА В ТРУБНОМ ПРОСТРАНСТВЕ И ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ СУДОВЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

В. В. Медведев, докт. техн. наук, М. В. Лакиза

(Санкт-Петербургский государственный морской технический университет, е-тс1Ыу$@зт1и.ги)

УДК 536.24

Теплообменные аппараты судовых энергетических установок являются крупным металлоёмким оборудованием, надёжность которого определяет надёжность работы и судового двигателя [1]. Для решения такой актуальной проблемы, как снижение металлоёмкости и увеличение эффективности этих аппаратов, могут использоваться различные способы, например интенсификаторы, турбулизирующие поток в трубном пространстве. Выбор интенсифика-тора обусловлен режимом течения потока. Так, для развитого турбулентного течения могут быть использованы интенсификаторы типа «пружина», а для умеренного турбулентного режима — «витая лента».

Широкое применение витой ленты в качестве завихрителя потока обусловлено простотой её изготовления и универсальностью применения. Анализ публикаций различных авторов позволил сделать вывод о том,

что витые ленты являются достаточно эффективным способом интенсификации теплообмена при умеренных затратах на прокачку теплоносителя, при этом наибольшей теплогидрав-лической эффективностью обладают

витые ленты с изменением их геометрической формы по периметру для создания дополнительной турбулентности в пристенном слое. Эти модификации позволяют увеличить эффективность до 80% по сравнению с обычными лентами. Существует достаточно много вариантов выполнения таких лент. Характеристики эффективности наиболее интересных конструкций модифицированных за-вихрителей внутритрубного потока, предложенных в последние годы (как отечественных, так и и зарубежных), представлены в табл. 1.

Следует отметить, что из-за обилия предлагаемых технических решений встает вопрос о выборе варианта исполнения для конкретных типов

Таблица 1

Характеристики эффективности скрученных лент

Модификация скрученной ленты Среда Re•10"3 Шаг ¡/6 Ыи/Ыи0

Уменьшение ширины [2] Воздух 6—13,5 3, 4, 5 1,11 1,125

С ребрами из проволоки [3] Воздух, вода 0,1—90 2,5—6 1,4 1,65

С винглетами [4] Вода 3—27 3, 4, 5 1.1—2,55; 1.02—1,64 2,5—7,02; 1,08—1,95

Двойная [5] Вода 3,7—21 3—4 До 2 До 3

С изменением угла скрутки [6] Вода 3 — 12 3—5 До 2,85 До 9

С небольшими надрезами по периферии [7] Вода 1—20 3 2,6—12,8 3—31

С 11-образными вырезами [8] Вода 2—12 2; 4,4; 6 2,1 4,45

С глубокими надрезами Воздух 1—40 1—2,5 6,3—9,5 25—35

по периферии [9]

СУДОСТРОЕНИЕ 5'2015

СУДОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Рис.1. Общий вид экспериментальной установки, созданной «Н-Пром Бюро», Санкт-Петербург

Рис. 2. Интенсификатор типа «профилированная лента» с шагом поперечных надрезов 1 см (а) И 2 см (б) соответственно

теплообменников. Применительно к судовым водо- и маслоохладителям представляют интерес исследования, в которых в качестве рабочей среды выступали бы вода и масло в режимных условиях, близких к судовым, при разных вариантах вы-

ва-Теплотехника». Описание схемы установки и методики проведения экспериментов приведено в [10].

Результаты испытаний различных конструкций завихрителей, включающих в себя различные варианты выполнения лент (сплошные витые, модифицированные, с насечками, рваными насечками, винглетами и т. п.), показывают, что существует возможность влиять как на интенсивность теплообмена, так и на гидравлическое сопротивление. Это влияние разнонаправленное, что ожидаемо, однако возможен компромисс, который обычно оценивается с помощью известных критериев оценки эффективности интенсификации. Наилучшие значения критериев были получены на конструкциях профилированной скрученной ленты, показанных на рис. 2. Профилированная лента имеет размеры 1000х19х0,7 мм, шаг закрутки в/ё = 7. Результаты экспериментов с этими лентами, проведённых на воде и масле, представлены на рис. 3 и 4 и обобщены с помощью формул

Ыи = 0,06 Ке°'7 Рг 0'43(/ё) "°,21 ; \ = 14,2Ке -0'39 Рг-0,13(/ё)"0,36,

(1) (2)

полнения завихрителей. Поскольку выявить такие исследования не удалось, были выполнены специальные сравнительные испытания на экспериментальной установке компании «Н-Пром Бюро» (рис. 1), при поддержке компаний HTRI (США) и «Не-

где Ыи — число Нуссельта; Яе — число Рейнольдса; Рг — число Прандтля;

шаг поперечных надрезов; ё — диаметр трубы; — коэффициент гидравлического сопротивления. Формулы (1) и (2) справедливы в диапазоне Яе = 360...2,2-104; Рг = 4,55...143, где погрешность вычислений составляет ±8% с доверительной вероятностью 0,98.

Поскольку реальные судовые теплообменники имеют более сложную конструкцию, чем рабочий учас-

Рис. 3. Средняя теплоотдача интенсификаторов типа «профилированная лента»:

1, 2 — масло, = 0,5 и 1 соответственно; 3, 4 — вода, / : 0,5 и 1 соответственно, 5 - расчет по (1)

Рис. 4. Гидравлическое сопротивление интенсификаторов типа «профилированная лента»:

1, 2 — масло, /ё = 0,5 и 1 соответственно; 3, 4 — вода, = 0,5 и 1 соответственно, 5 — расчет по (2)

СУДОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

СУДОСТРОЕНИЕ 5'2015

ток экспериментального стенда, то представляет практический интерес теплогидравлический расчёт теплообменника в целом. Одним из распространённых типов маслоохладителей является МХД-13. Особенностью его конструкции можно считать использование сложных в изготовлении паяных тонкостенных плоских труб размерами 27х4,5 мм. Это позволяет интенсифицировать процесс теплообмена в аппарате, но резко снижает надёжность его работы, поскольку трубы, изготовленные таким способом, ненадёжны и быстро приходят в негодность. Одним из способов повышения надёжности маслоохладителя может стать использование наиболее распространённых бесшовных труб круглого сечения.

Для получения количественной оценки получаемого эффекта работа маслоохладителя была смоделирована в программном обеспечении Xchanger Suite v.7.1 компании HTRI, которая специализируется на исследованиях процессов теплообмена более 50 лет. Это программное обеспечение позволяет проводить теплогидравлические расчёты большинства видов теплообменно-го оборудования.

Программное обеспечение содержит в себе обширные базы теплоносителей, материалов и элементов конструкции теплообменных аппаратов, что даёт возможность быстро и точно выполнить инженерный расчёт.

Расчёт с трубами круглого сечения и входными параметрами для судового маслоохладителя типа

Рис. 5. Судовой маслоохладитель типа

МХД-13, смоделированный в среде ХеЬапдег 5ш1е у.7.1

МХД-13 проводился в программном модуле кожухотрубчатых теплообменных аппаратов Х^Г

Расчет теплообменника с ин-тенсификатором типа «профилированная лента» осуществлялся путём подстановки в программу данных, полученных по уравнениям (1) и (2).

Выполнение расчёты (табл. 2) показывают, что использование наиболее распространённых бесшовных круглых труб 25х2 мм приводит к росту площади теплообмена до 200 м2. Это увеличивает массогаба-ритные характеристики теплообменника и препятствует возможности их широкого применения в аппаратах данного типа. Использование круглых труб меньшего диаметра способствует некоторому снижению площади теплообменной поверхности. Наибольший эффект получается при интенсификации теплоотдачи от масла во внутритрубном пространстве при использовании описанной выше профилированной ленты. И в этом случае площадь теплообмена остается больше исходной, но рост площади теплообмена не является таким

фатальным, как при использовании гладких труб, а надёжность работы трубного пучка резко возрастает, поскольку отсутствует пайка. Таким образом, интенсификация теплообмена маслоохладителей типа МХД и повышение их надёжности могут быть достигнуты в случае применения профилированных лент, размещённых в бесшовных трубах. Дальнейшее снижение массогабаритных параметров охладителей возможно за счёт применения интенсификаторов с трубами меньшего диаметра, однако при этом могут возникнуть проблемы другого рода, связанные, в частности, с накоплением отложений на теплообменных поверхностях и увеличением трудоёмкости их механической очистки от этих отложений.

Авторы выражают признательность компаниям «Н-Пром Бюро», HTRI и «Нева-Теплотехника» за поддержку в проведении данных исследований.

Литература

1. Равин А. А. Методы диагностики судового энергетического оборудования. СПб.: Изд-во СПбГМТУ, 2013.

2. Naga Sarada S., Sita Rama Raju A.V, Kalyani Radha K., Shyam L. Sunder Enhancement of heat transfer using varying width twisted tape inserts // International Journal of Engineering, Science and Technology. 2010. Vol. 2. № 6.

3. Тарасевич С. Э., Яковлев А. Б., Шишкин А. В., Гиниятуллин А.А. Особенности тепломассообмена в каналах с оребренными скрученными лентами/^Ш Школа-семинар молодых ученых и специалистов академика РАН В. Е. Алемасова. Казань, 2012

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Машиностроение»