Анализ методов проектирования охладителей систем обеспечения теплового режима судовых энергоустановок

УДК 629.12.03-714.001.24

АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОХЛАДИТЕЛЕН СИСТЕМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА СУДОВЫХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК

А. Р. Аблаев, канд. техн. наук; доцент ФГАОУ ВО «Севастопольский государственный университет»

Представлены методы проектирования судовых кожухотрубчатых охладителей масла и воды. В результате обзора выявлено, что в настоящее время отсутствует в систематизированном и полном объеме методическое обеспечение интегрированной системы автоматизированного проектирования судовых теплообменных аппаратов (САПР СТА), которая, в свою очередь, была бы внедрена в систему САО/САМ/САЕ и в дальнейшем в систему подготовки производства. Из анализа следует, что не все эксплуатационные режимы судовых энергетических установок обеспечиваются охладителем масла. Это связано с тем, что поверхность охладителя и его расходные характеристики рассчитывались только на номинальном режиме, а другие режимные характеристики не оценивались. Сложность работы судовых охладителей масла и воды заключаются в том, что меняются параметры тепловой нагрузки на эти аппараты, изменяются температура и соленость забортной воды в зависимости от района плавания. Определить влияние работы охладителя масла на изменение мощности энергетической установки при изменении характеристик охлаждающего теплоносителя (забортной воды), таких как начальная температура, расход, соленость, без проведения дополнительных испытаний на каждом режиме сложно. Затруднительно также изменение солености и температуры забортной воды во время проведения испытаний. Таким образом, проектант энергетической установки не знает, каким образом будет изменяться режим ее работы при нахождении корабля (судна) в разных районах Мирового океана. Это свидетельствует о необходимости совершенствования методов тепловых и гидродинамических расчетов СТА с интеграцией их в общую систему проектирования. В таких условиях проблема использования интегрированных САПР СТА приобретает особую актуальность.

Судовая энергоустановка, компьютерно-интегрированная система, тепловой расчет, судовой охладитель

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время ни одна судостроительная фирма не может оставаться конкурентоспособной, если она не в состоянии обеспечить высокое качество изготовляемых комплектующих изделий, в том числе и теплообменных аппаратов, быструю их модернизацию или смену модельного ряда. При этом на современном рынке является нормой наличие большого количества модификаций базовой модели. Гарантировать высокие темпы работ с сохранением высокого качества и большой гаммы конечной продукции очень сложно без применения компьютерных интегрированных систем САО/САМУСАЕ, позволяющих одновременно осуществлять процессы проектирования, инженерного анализа и подготовки производства.

Процесс создания судовых теплообменных аппаратов (СТА) и их модификаций сопровождается развитием методов проектирования.

Охладители масла и воды являются составной частью судовых энергетических установок. При создании новых и модернизации существующих судовых теплообменных аппаратов, наряду с минимизацией их теплообменной поверхности, существенное внимание уделяется их гидродинамическим свойствам, надежности при резких перепадах давлений и др.

Используемые в настоящее время методики проектирования судовых теплообменных аппаратов позволяют производить расчеты (тепловые, гидродинамические) без учета особенностей протекающих в них процессов. В работах [1-2] рассмотрен теплогидродинамический расчет только для противоточного и прямоточного движения теплоносителей в теплообменных аппаратах. При анализе способов проектирования, представленных в исследованиях [3-6], можно сделать вывод, что они применимы лишь для теплообменных аппаратов, в которых типоразмер и геометрические параметры трубной и межтрубной полостей ограничены. По судовым кожухотрубчатым охладителям данные не представлены. Результаты, полученные в серии работ [7-8], учитывают эксплуатационные особенности судовых охладителей при многоходовых течениях теплоносителей в трубной и межтрубной полостях, но при этом не приняты во внимание данные стендовых испытаний для судовых охладителей масла и воды [9]. Поэтому информация, необходимая для проведения автоматизированного расчета СТА, не является достаточно полной, а исследования, касающиеся данной проблематики, не в полной мере позволяют представить обобщенную методику проектирования судовых охладителей.

Целью настоящей статьи является анализ методов проектирования судовых охладителей масла и воды для подготовки методического обеспечения компьютерно-интегрированной системы проектирования указанных объектов.

МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ

Благодаря высокой надежности и технологичности кожухотрубчатые охладители масла и воды широко применяются в настоящее время и будут применяться в дальнейшем в составе судовых энергетических установок [9]. В работе этих аппаратов используются методы отвода тепла за борт. Например, расчет параметров охладителей пресной воды (ОПВ), установленных в многоконтурной системе водяного охлаждения (СВО), представляет собой достаточно трудоемкий и длительный процесс (рис. 1) [7]. Он ориентирован в основном на решение двух типовых задач: проверку достаточности поверхности теплообмена в проектируемой конструкции ОПВ (конструктивный расчет теплообменника) либо определение параметров работы (температур) при подборе необходимых ОПВ и проверке их работы в условиях, отличных от спецификационных (поверочный расчет).

охлаждения:

Qi - количество тепла, передаваемое от горячего к холодному теплоносителю, кВт; ^ - расход горячего

воды, °С; N - потребители; Бi - байпасы

Особая роль среди всех аппаратов систем охлаждения отводится маслоохладителям, которые являются одними из основных элементов маслоснабжения дизельных, паротурбинных и атомных энергоустановок.

Развитие судовых энергетических установок обуславливает все более жесткие требования к массогабаритным характеристикам СТА, их надежности, экономии материалов, в том числе широко применяющихся остродефицитных. Рыночные отношения требуют существенного сокращения сроков проектирования новых изделий СТА при одновременном повышении их качества.

В настоящее время скорость проектирования, например выполнения теплогидродинами-ческих расчетов, существенно увеличилась за счет применения компьютерной техники. Однако качество выполнения этих расчетов за последние 20 лет практически не изменилось [10]. Это связано с тем, что в прикладных программах, как показал анализ, применяются общеизвестные уравнения теплопередачи и гидродинамики, не учитывающие существенные признаки конструкторских решений теплообменных аппаратов, к которым относятся СТА, специфику их назначения и условий эксплуатации.

Таким образом, расчеты ведутся на частных программах разработчиков теплообмен-ного оборудования, в которых используются частные математические модели.

Оптимизация подбора, конструирования и проектирования, с учетом изменения режимных условий работы СТА, как правило, не проводится. В этих условиях особое значение приобретает проблема разработки и создания компьютерно-интегрированных методов расчета с получением математических методов моделирования тепловых и гидродинамических процессов, принципы которых могли бы, с одной стороны, распространяться на широкий класс теплообменников при их конструировании, а с другой - использоваться в выборе теплообменников при проектировании судовых систем. В этих системах теплообменные аппараты эксплуатируются в широком диапазоне воздействия тепловых и гидродинамических параметров.

Таким образом, должны быть разработаны алгоритмы и программы, позволяющие оценивать изменяющуюся характеристику теплообменного аппарата при изменении внешних воздействующих факторов.

При конструировании оптимального теплообменника существенное значение имеет также точность методики, по которой выполняются тепловой и гидродинамические расчеты. В связи с этим организации, занимающиеся проектированием теплообменников, вынуждены анализировать обширный круг информации для выбора расчетной методики или зависимости, позволяющей уменьшить разбег погрешностей расчета. Имеющаяся в нашей и зарубежной литературе информация разнится по методике и точности расчета. Большинство рекомендованных зависимостей для расчета коэффициента теплоотдачи и гидравлических сопротивлений получено расчетно-эмпирическим методом в лабораторных условиях на одиночных элементах и в лучшем случае на масштабных моделях. Применение этих зависимостей при расчете реальных аппаратов может приводить к большим погрешностям, чем нарушается сопоставимость его результатов при выборе оптимального варианта. Кроме того, при создании новых конструкций теплообменников требуется применить новую форму теплопере-дающей поверхности или поменять компоновку известной поверхности. В первом случае требуется создание масштабной модели с новой поверхностью и на основании использования теории подобия проведение экспериментов в широком диапазоне режимных параметров. Затем необходимо их обобщить математическими моделями и ввести в структуру теплового и гидродинамического расчета, а также расчетов других параметров: надежности, прочности, вибрации и т.д. Для введения этих новых компонентов, не изменяя последовательности и структуры целостного конструкторского либо режимного расчета, требуется, чтобы их разработка велась на уровне модулей.

Во втором случае надо изменить только компоновку поверхности, например, в подсистеме «Компоновка» в общей структуре «конструкторского», «поверочного» либо «режимного» расчетов и т.д.

Еще более острые проблемы возникают при разработке и реализации сложных конструкций СТА, в которых требуется точное знание распределения температур по всей поверхности теплообмена и их влияния на циклическую прочность узлов и деталей. Усложняются условия работы СТА, что требует вычислений и знания этих условий, например, о частотах и формах свободных и автоколебаний теплообменных труб, характеристиках амортизирующего крепления СТА и др.

В таких условиях проблема использования компьютерно-интегрированных методов расчета для проектирования СТА приобретает особую актуальность.

В эволюции создания компьютерно-интегрированных методов расчета в проектировании теплообменных аппаратов можно условно выделить три этапа.

Первый этап относится к начальному периоду применения ЭВМ в проектировании ТА и сводится к автоматизации процесса вычислений при использовании упрощенных методов, заимствованных из проектной практики ручного счета. Наряду с очевидными преимуществами перед ручным счетом, такими, как значительное сокращение времени расчетов, избавление расчетчиков (как правило, квалифицированных специалистов) от громоздких и утомительных расчетов, устранение посредством этого предпосылок к возникновению случайных ошибок, применение ЭВМ при таком подходе к расчетам ТА является малоэффективным, поскольку не используются в полной мере её возможности.

Ко второму этапу относится проведение оптимизирующих расчетов ТА.

Как показал опыт, автоматизация проектирования ТА для нефтехимических производств, основанная на более совершенных методах расчета, обеспечивает, кроме существенной экономии времени (в 5-10 раз), повышение качества. Указанное находит выражение в снижении массогабаритных характеристик и улучшении энергетических показателей ТА.

Последующий опыт применения ЭВМ в проектировании [11] свидетельствует о том, что разработка алгоритмов проектных и оптимизирующих расчетов и их постоянное накопление послужили базой к переходу на создание систем (подсистем) автоматизированного проектирования ТА.

Наличие усовершенствованных управляющих программ, развитие компонентов прикладных программ позволяют перейти к созданию компьютерно-интегрированных методов расчета - третий этап.

Для этого сначала необходимо создать обобщенные структуры различных видов расчета.

Разработка модулей теплового расчета, теплопередачи и гидродинамики должна производиться применительно к судовым кожухотрубчатым охладителям масла и воды, конструкция которых представлена на рис. 2.

10

1 - корпус; 2 - трубы теплообменные; 3 - решетка трубная; 4 - крышка глухая; 5 - опора подвижная; 6 - перегородка; 7 - опора неподвижная; 8 - крышка с патрубками; 9 - протекторы; 10 - патрубок; 11 - фланец корпуса; 12 - кница

В этих аппаратах охлаждаемая среда движется в межтрубном пространстве поперечным потоком между перегородками, а охлаждающая - в трубном пространстве. Аппараты такой конструкции нашли широкое применение во многих отраслях промышленности. Поэтому методике теплового и гидравлического расчета применительно к таким аппаратам посвящено большое количество исследований. Однако их применение в ряде случаев необходимо адаптировать, учитывая конструкторские особенности СТА, а в ряде случае полностью изменить.

В реализации компьютерно-интегрированной системы расчета особое место занимает разработка методических вопросов. Об этом свидетельствует накопленный опыт внедрения автоматизированных локальных расчетов.

ОБСУЖДЕНИЕ

При конструировании оптимального СТА существенное значение имеет также точность методик, по которым выполняются тепловой и гидродинамические расчеты. В связи с этим организации, занимающиеся проектированием таких аппаратов, вынуждены анализировать обширный круг информации при выборе расчетных методик или зависимостей, позволяющих уменьшить погрешности расчета. Имеющаяся в нашей и зарубежной литературе информация разнится по методам и точности расчета. Большинство рекомендованных зависимостей для расчета коэффициента теплоотдачи и гидравлических сопротивлений получено расчетно-эмпирическим методом в лабораторных условиях на одиночных элементах и в лучшем случае на масштабных моделях. Применение этих зависимостей при расчете реальных аппаратов может приводить к большим погрешностям, чем нарушается сопоставимость его результатов при выборе оптимального варианта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящее время скорость проектирования, например выполнения теплогидродина-мических расчетов, существенно увеличилась за счет применения компьютерной техники. Однако качество выполнения этих расчетов практически не изменилось. Это связано с тем, что в используемых частных программах, как показал анализ, применяются общеизвестные уравнения теплопередачи и гидродинамики, не учитывающие существенные признаки конструкторских решений теплообменных аппаратов, к которым относятся СТА, специфику их изготовления и условий эксплуатации.

Оптимизация конструктивных элементов СТА с учетом их технологичности при конструировании и изменении тепловых нагрузок при их эксплуатации, как правило, не проводится. В таких условиях особое значение приобретает проблема разработки компьютерно-интегрированных методов расчета и моделирования тепловых и гидродинамических процессов, принципы которых могли бы, с одной стороны, распространяться на широкий класс теплообменников при их конструировании, а с другой - использоваться в выборе теплообменников при проектировании судовых систем.

Проектирование охладителей масла и воды, несомненно, является наукоемким процессом, особенно при их совершенствовании, в том числе при использовании интенсифицирующих поверхностей теплообмена. При этом внедрение информационных систем для совершенствования СТА в соответствии с передовыми направлениями их развития повышает конкурентоспособность этой конкретной продукции, а для проектирующих организаций, разрабатывающих и изготавливающих их, позволяет:

1. повысить качество выпускаемой проектно-конструкторской документации за счет уменьшения числа ошибок, связанных с передачей информации;

2. сократить сроки проектирования путем создания банка данных и использования обобщенного опыта выполненных ранее разработок;

3. повысить надежность и эффективность разрабатываемых СТА за счет использования вычислительного эксперимента на стадии проектирования;

4. повысить качество проектных работ и формализовать процесс проектирования СТА путем расширения конструктивных параметров элементов конструкций.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Исаченко, В. П. Теплопередача / В. П. Исаченко, В. А. Осипова, А. С. Сукомел. -Москва: Энергия, 1975. - 488 с.

2. Кэйс, В. М. Компактные теплообменники / В. М. Кэйс, А. Л. Лондон. - Москва: Энергия, 1967. - 224 с.

3. Сырцов, Л. А. Экспериментальное исследование конвективного теплообмена на основе теории подобия / Л. А. Сырцов, И. В. Наумчик, А. В. Хорошавин // Труды военно-космической академии им. А. Ф. Можайского. - 2015. - № 649. - С. 198-204.

4. Медведев В. В. Интенсификация теплообмена в трубном пространстве и повышение надежности судовых теплообменных аппаратов / В. В. Медведев, М. В. Лакиза // Судостроение. - 2015. - № 5. - С. 40-42.

5. Cadmaster. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.cadmaster.ru/magazin/numbers (дата обращения: 03.03.2019).

6. Mlynarczak, A. Box coolers as an alternative to existing cooling systems / A. Mlynarczak // Scientific Journals Maritime University of Szczecin. - 2013. - nr. 36 (108) z. 2. - Pp. 131-136.

7. Медведев, В. В. Использование имитационного моделирования для прогноза риска эксплуатации судовых маслоохладителей с учетом загрязнения их поверхности / В. В. Медведев, М. В. Лакиза // Имитационное и комплексное моделирование морской техники и морских транспортных систем (ИКМ МТМТС 2017): IV Междунар. науч.-практ. конф.: труды. -Санкт-Петербург: Изд-во АО «ЦТСС», 2017. - С. 94-99.

8. Медведев, В. В. Оценка риска при проектировании и эксплуатации судовых тепло-обменных аппаратов с учетом загрязнения поверхностей теплообмена / В. В. Медведев, М. В. Лакиза // Морской вестник. - Санкт-Петербург. - 2016. - № 4(60). - С. 59-62.

9. Охладители масла и воды кожухотрубные с прямыми трубками. Технические условия // ОСТ 5.4254-86. - Москва, 1987. - 51 с.

10. Соболенко, А. Н. Судовые энергетические установки: дипломное проектирование: учеб. пособие: в 2 ч. / А. Н. Соболенко, Р. Р. Симашов. - Москва: Моркнига, 2015. - Ч. 1. -478 с.

11. Каневец, Г. Е. Обобщенные методы расчета теплообменников / Г. Е. Каневец. -Киев: Наукова думка, 1979. - 352 с.

ANALYSIS OF THE METHODS OF DESIGNING THE COOLERS OF THE SYSTEMS OF SUPPORTING THE HEAT REGIME OF SHIP ENERGY INSTALLATIONS

A. R. Ablaev, PhD, Associate Professor FGAOU VO «Sevastopol State University»

The design methods for shipboard shell-and-tube oil and water coolers are presented. As a result of the review, it was revealed that currently there is no systematic and complete methodological support for the integrated computer-aided design of ship heat exchangers (CAD SHE), which in turn would be integrated into the CAD / CAM / CAE system and later on into the production preparation . From the analysis it follows that not all operating conditions of ship power plants are provided with an oil cooler. This is due to the fact that the surface of the cooler and its flow characteristics were calculated only on the nominal mode, and other operating characteristics were not evaluated. The complexity of the work of ship oil and water coolers lies in the fact that the parameters of the heat load on these devices change, the temperature and salinity of the outboard water change depending on the navigation area. Determining the effect of the oil cooler on changing the power of the power plant when the characteristics of the cooling coolant (seawater) change, such as initial

temperature, flow rate, salinity, without additional testing in each mode is difficult. It is also difficult to change the salinity and temperature of the seawater during the tests. Thus, the designer of the power plant does not know how the mode of its operation will change when the ship (ship) in the World Ocean is different. This indicates the need to improve the methods of thermal and hydrody-namic calculations of SHE with their integration into the overall design system. Under these conditions, the problem of using integrated CAD SHE is of particular relevance.

Ship power plant, computer-integrated system, thermal calculation, ship cooler