СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ СРЕДЫ В ЗАБОРТНОМ ОБОРУДОВАНИИ И СУДОВОЙ ЗАБОРТНЫЙ ОХЛАДИТЕЛЬ
METHOD OF COOLING MEDIUM IN OUTBOARD EQUIPMENT AND SHIPBOARD COOLER

Группа изобретений относится к области судовых систем, в частности к судовому забортному оборудованию и может быть использовано на обитаемых глубоководных аппаратах (ГВА), например, на подводных лодках.
Известен способ охлаждения среды (воды, масла, конденсата и др.) в судовом забортном охладителе (С.Н. Ткач. Исследование влияния режимных и конструктивных параметров забортного охладителя на теплоотдачу в межтрубном пространстве // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова, 2017 г., Т. 9, №5, с. 1040-1050). Через трубные полости забортного охладителя, размещенного в бортовом ящике надводного судна, прокачивают охлаждаемую среду и обеспечивают естественную циркуляцию забортной воды в бортовом ящике. Процесс охлаждения идет за счет конвективного теплообмена. Способ малоэффективен в отношении теплосъема и не пригоден для условий эксплуатации ГВА на большой глубине под высоким гидростатическим давлением.
Известен способ охлаждения среды в судовом забортном охладителе типа «труба в трубе» по авторскому свидетельству №467218, опубл. 15.04.1975 г. (авторы В.А. Андреев, И.Ф. Жуков, В.В. Сергеев, Э.А. Шкляр). Способ реализуют следующим образом: охлаждаемую среду принудительно (под напором насоса) прокачивают внутри труб, образующих трубчатку, а снаружи трубчатки обеспечивают ее омывание восходящим потоком забортной воды за счет «тепловой тяги», что и обеспечивает охлаждение среды. Недостаток такого способа - низкая эффективность процесса охлаждения из-за малой скорости восходящего потока забортной воды.
Наиболее близким аналогом заявляемого технического решения, принятым в качестве прототипа, является способ охлаждения среды в судовом забортном охладителе типа «труба в трубе» по авторскому свидетельству №472068, опубл. 30.05.1975 г. г.(авторы: В.А. Андреев, И.Ф. Жуков, В.В. Сергеев, Э.А. Шкляр). Способ заключается в том, что охлаждаемую среду принудительно прокачивают по трубе большего диаметра, а хладоноситель (забортную воду) также принудительно прокачивают по трубе меньшего диаметра. При выходе из трубы меньшего диаметра забортную воду сбрасывают за борт.
Недостатком способа-прототипа является его низкая эффективность из-за того, что:
- не предусмотрена утилизация «бросового» тепла: поток забортной воды, подогретой в охладителе, выбрасывают за борт;
- не предусмотрено использование забортного давления как потенциальной энергии для выполнения «попутной» работы без дополнительных затрат извне;
-подогретая забортная вода при сбросе за борт создает «тепловой след», демаскирующий забортный охладитель и, соответственно, ГВА;
- способ провоцирует повышенный шум и вибрацию, возникающие при прокачивании воды через трубы охладителя.
Известны также устройства для реализации способов охлаждения среды в судовом оборудовании.
Известны судовые забортные теплообменные аппараты, применяемые на надводных судах для охлаждения рабочих сред: воды, масла, конденсата и др. (С.Н. Ткач. Исследование влияния режимных и конструктивных параметров забортного охладителя на теплоотдачу в межтрубном пространстве // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова, 2017 г., Т. 9, №5, с. 1040-1050). Процесс теплообмена в таких аппаратах идет за счет естественной циркуляции забортной воды в так называемом «теплом ящике», помещенном в забортном пространстве надводного судна. Такие технические решения не пригодны для условий эксплуатации ГВА на большой глубине под высоким гидростатическим давлением.
Известен судовой забортный охладитель по авторскому свидетельству №467218, опубл. 15.04.1975 г. (авторы В.А. Андреев, И.Ф. Жуков, В.В. Сергеев, Э.А. Шкляр). Охладитель включает корпус теплообменного блока с пакетом теплообменных труб, закрепленных в трубных досках, патрубки для подвода и отвода охлаждаемой среды, а также патрубки входа и выхода забортной воды. Охладитель работает на принципе естественной циркуляции забортной воды с различной плотностью (принцип «тепловой тяги») вокруг теплообменных труб. Недостаток такого охладителя - малая эффективность процесса охлаждения из-за невозможности использования принудительной (с помощью насоса) циркуляции забортной воды, а также громоздкость конструкции, определяемая значительными размерами вытяжной трубы, обеспечивающей «тепловую тягу».
Наиболее близким аналогом заявляемого технического решения является судовой забортный охладитель (авторское свидетельство №901168, опубл. 30.01.1982 г., автор А.Д. Чумаченко). Судовой забортный охладитель включает корпус теплообменного блока с пакетом теплообменных труб, закрепленных в трубных досках, и патрубками для подвода и отвода охлаждаемой среды в межтрубное пространство, а также две крышки, примыкающие к трубным доскам, одна из которых снабжена патрубками входа и выхода забортной воды. Охладитель предусматривает возможность принудительного, например, с помощью насоса, прокачивания забортной воды через теплообменный блок с последующим сбросом ее за борт.
К недостаткам известного технического решения относится недостаточная эффективность забортного оборудования, обусловленная тем, что в охладителе не предусмотрена утилизации «бросового» тепла, отводимого от охлаждаемой среды, подогретая в охладителе забортная вода сбрасывается за борт без утилизации. Это снижает эффективность забортного оборудования по критерию КПД. Также охладитель является источником повышенной вибрации и шума, возникающих при принудительном прокачивании забортной воды через трубную полость. Кроме того, при работе охладителя формируется «тепловой след» от сбрасываемой за борт теплой воды, что ухудшает скрытность объекта (ГВА).
Указанные недостатки ограничивают возможность использования забортного охладителя на перспективных ГВА, где предъявляются высокие требования в отношении эффективности забортного оборудования, в том числе и в части виброакустических характеристик.
Задачей предлагаемой группы изобретений является создание высокоэффективного способа охлаждения среды в забортном оборудовании и судового забортного охладителя для его осуществления.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение эффективности работы забортного оборудования за счет расширения его функциональных возможностей, использования забортного давления в качестве источника энергии, утилизации бросового тепла и нейтрализации «теплового следа», оставляемого забортным охладителем, и гашения вибрации.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе охлаждения среды в забортном оборудовании, включающем подачу охлаждаемой среды в межтрубное пространство теплообменного блока и принудительную подачу охлаждающей среды (забортной воды) через трубы теплообменного блока, выходящую из труб забортную воду направляют на вход опреснительного блока, в котором ее подвергают опреснению на мембранных опреснительных элементах, далее рассол сбрасывают за борт, а опресненную воду по прямому назначению используют. При этом охлаждение ведут преимущественно при забортном давлении не менее осмотического давления морской воды.
Указанный технический результат также достигается тем, что судовой забортный охладитель выполнен в виде многофункционального модуля. Модуль содержит теплообменный блок с пакетом теплообменных труб, закрепленных в трубных досках, патрубками подвода и отвода охлаждаемой среды в межтрубное пространство, а также две примыкающие к трубным доскам крышки. Одна из крышек снабжена патрубками входа и выхода забортной воды. Также в многофункциональном модуле коаксиально теплообменному блоку размещен опреснительный блок таким образом, что корпус его пристыкован своими торцами к крышкам. В полости корпуса опреснительного блока установлен, как минимум, один мембранный опреснительный элемент с центральным коллектором, который соединен со штуцером для отвода опресненной воды. Патрубок выхода забортной воды соединен с полостью корпуса опреснительного блока. На участке корпуса опреснительного блока в пределах полости крышки, не имеющей патрубков, выполнены сквозные отверстия. При этом сквозные отверстия выполнены с условием, что суммарное проходное сечение отверстий не менее проходного сечения патрубка входа забортной воды.
заб
заб
Поскольку охладитель забортный, он работает под внешним гидростатическим давлением Р, зависящим от глубины погружения ГВА. Поток охлаждающей среды, выходящий из труб, также находится под давлением Р. Если данный поток направить на вход обратноосмотического опреснительного модуля, оснащенного полупроницаемой мембраной, при этом рабочее давление будет не менее осмотического давления забортной воды, то начнется процесс опреснения воды по принципу обратного осмоса. Забортная вода в опреснительном модуле разделяется на два потока: опресненная вода (пермеат) и рассол. Опресненная вода по забортному трубопроводу отводится вовнутрь ГВА и используется по прямому назначению, например, для питья. Рассол выбрасывается за борт. При этом не требуется специальный насос высокого давления, процесс идет только за счет забортного давления.
Сущность изобретения поясняется рисунками, где:
- на фиг. 1 изображен судовой забортный охладитель в разрезе,
- на фиг. 2 представлена схема размещения судового забортного охладителя за бортом ГВА.
Судовой забортный охладитель выполнен в виде многофункционального модуля, состоящего из гидравлически и технологически связанных между собой теплообменного блока 1 и опреснительного блока 2.
Теплообменный блок 1 содержит (фиг. 1) пакет теплообменных труб 3, закрепленных в трубных досках 4 и 5, патрубок 6 для подвода охлаждаемой среды в межтрубное пространство и патрубок 7 для отвода охлажденной среды. Для обеспечения прочности при работе на больших глубинах корпус теплообменного блока 1 выполнен толстостенным. Для интенсификации теплообмена в блоке 1 предусмотрены поперечные перегородки 8. Две крышки 9 и 10, примыкающие к трубным доскам 4 и 5, могут быть съемными, либо выполненными за одно целое с блоком 1. Крышка 9 снабжена патрубками: 11 - для входа и 12 - для выхода забортной воды. Патрубок 12 одновременно служит для выхода рассола. Крышка 10 выполнена без патрубков. Поскольку при работе охладителя крышки практически разгружены (давление внутри крышек такое же, что и снаружи, за бортом), крышки могут быть выполнены облегченными.
В теплообменном блоке 1 коаксиально размещен опреснительный блок 2, включающий цилиндрический корпус 13, который пристыкован с помощью толстостенных заглушек 14 и 15 к крышкам 9 и 10. В полости корпуса 13 установлен, как минимум, один мембранный опреснительный элемент (МОЭ) 16, представляющий собой пакет полупроницаемых мембран 17, намотанных в виде рулона вокруг центрального коллектора 18. МОЭ 16 установлен таким образом, что его торцевая кромка отстоит от заглушки 15 на расстоянии Н, что обеспечивает торцевой вход забортной воды в пакет мембран. При использовании нескольких МОЭ они могут быть соединены последовательно друг за другом с помощью коллекторов, при этом увеличивается выход опресненной воды. Коллектор 18 служит для сбора опресненной воды, он соединен со штуцером 19, размещенным на заглушке 14 корпуса 13 опреснительного блока 2. Патрубок 12 для выхода забортной воды (рассола) сообщается с полостью корпуса 13. В стенках корпуса 13, расположенных в Полости крышки 10 в пределах расстояния Н, выполнены сквозные отверстия 20. Эти отверстия предназначены для подачи забортной (морской) воды на МОЭ 16. Отверстия 20 выполнены таким образом, что площадь их суммарного проходного сечения составляет не менее площади проходного сечения патрубка 11 входа забортной воды. Указанные проходное сечение отверстий и их расположение на участке Н обеспечивают сбалансированный вход забортной воды в полость МОЭ 16 без дросселирования потока и с сохранением необходимого напора, обеспечивающего преодоление гидравлического сопротивления МОЭ. Это позволяет использовать забортное давление в качестве основного источника энергии для процесса опреснения по принципу обратного осмоса. Кроме того, одновременно обеспечивается утилизация бросового тепла, отводимого вместе с забортной водой из полости теплообменного блока.
Судовой забортный охладитель размещается за бортом прочного корпуса ГВА 21 (фиг. 2). Гидравлическая связь охладителя с ГВА 21 осуществляется по специальным (забортным) трубопроводам: через патрубки 6 и 7 подвода и отвода охлаждаемой среды, а также через штуцер 19 для отвода опресненной воды в ГВА 21. Для работы теплообменного блока необходимы два принудительных потока: поток охлаждающей забортной воды внутри теплообменных труб и поток охлаждаемой среды в межтрубном пространстве. Оба потока обеспечиваются внешними насосами ГВА, не входящими в состав забортного охладителя.
2
2
Для работы опреснительного блока необходим поток забортной (соленой) воды над поверхностью полупроницаемой мембраны под рабочим давлением не менее осмотического, например, 2,8 МПа (28 кгс/см) для стандартной океанской воды с солесодержанием 35 г/л. Это рабочее давление обеспечивается забортным гидростатическим давлением, например, при глубине погружения ГВА на 280 м и глубже. При давлении менее 2,8 МПа (28 кгс/см) процесс обратного осмоса замедляется или может вообще прекратиться. Для прокачивания забортной воды через опреснительный блок также требуется некоторый напор, необходимый для преодоления продольного (между слоями МОЭ) сопротивления мембран. Однако этот напор ничтожно мал по сравнению с рабочим давлением процесса обратного осмоса, обеспечивающим продавливание забортной воды через мембрану (поперечный поток). Таким образом, для прокачивания забортной воды через опреснительный блок и через теплообменный блок может быть использован один и тот же насос, например, центробежный.
Способ охлаждения среды в забортном оборудовании с использованием в нем заявляемого судового забортного охладителя осуществляют следующим образом (фиг. 1 и 2).
2
Включают забортный центробежный насос 22, размещенный вблизи судового забортного охладителя. Холодная забортная вода через патрубок 11 входит под напором в полость охладителя, проходит внутри теплообменных труб 3, подогревается за счет отбора тепла от горячей среды в межтрубной полости и попадает в полость крышки 10, а из нее через отверстия 20 - в полость корпуса 13 опреснительного блока 2. Направление потоков воды на фиг. 1 показано тонкими стрелками. Специальные манжеты (они на фиг. 1 не показаны) обеспечивают движение потока забортной воды через МОЭ 16 только в одном направлении, как показано большой стрелкой на боковой поверхности МОЭ 16. Поскольку охладитель находится за бортом, то забортная вода под гидростатическим давлением 28 кгс/см или более (в зависимости от глубины погружения ГВА) подается в опреснительный блок 2 и опресняется на полупроницаемых мембранах 17 внутри МОЭ 16 по принципу обратного осмоса с образованием продуктов опреснения: рассола и опресненной воды. При этом с повышением температуры забортной воды, подогретой в трубах теплообменного блока 1, КПД процесса опреснения повышается: теоретически и экспериментально доказано, что с повышением температуры забортной воды на 1°С увеличивается выход опресненной воды на 3%.
Одновременно при движении забортной воды через МОЭ 16 происходит гашение пульсации потока воды от внешнего насоса 22, снижение вибрации охладителя и уменьшение шума за счет шумогасяших свойств МОЭ 16 и упругих характеристик полупроницаемых мембран 17. Образно говоря, МОЭ 16 работает как своеобразный демпфер. Рассол давлением насоса 22 выбрасывается за борт через патрубок 12, а опресненная вода через штуцер 19 отводится из охладителя по специальному забортному трубопроводу в полость ГВА 21, где сливается в емкость под атмосферным давлением и затем используется экипажем для бытовых нужд, например, для питья. При этом с наружной стороны (в охладителе) на полупроницаемую мембрану 17 воздействует забортное давление, а с внутренней стороны (в полости коллектора 18, соединенного с ГВА 21) - практически атмосферное, что и обеспечивает перепад давления на мембране, необходимый для процесса обратного осмоса.
Охлаждаемая горячая среда (например, пресная вода, конденсат, масло и т.п.) из полости ГВА 21 под напором подается в охладитель через патрубок 6, проходит в межтрубном пространстве между поперечными перегородками 8, охлаждается и уже охлажденная через патрубок 7 возвращается в ГВА 21. При этом передача тепла от горячей среды к холодной осуществляется одновременно через наружные поверхности теплообменных труб 3 и наружную поверхность корпуса 13 опреснительного блока 2, непосредственно контактирующую с охлаждаемой средой. Таким образом, опреснительный блок 2, как составная часть многофункционального блока участвует также в процессах охлаждения среды и утилизации бросового тепла.
Производительность судового забортного охладителя по опресненной воде зависит от глубины погружения ГВА (и, соответственно, от величины рабочего давления), солености забортной воды и ее температуры. С учетом данных параметров должны выбираться соответствующий тип МОЭ и их количество. В режиме автономного плавания ГВА обслуживание судового забортного охладителя, включая теплообменный блок и опреснительный блок, не требуется, необходимые регламентные операции выполняются только в период его нахождения в базе.
При использовании судового забортного охладителя достигается повышение эффективности забортного оборудования ГВА. Указанный технический результат достигается за счет того, что:
- судовой забортный охладитель выполнен в виде многофункционального модуля, в котором коаксиально корпусу теплообменного блока размещен опреснительный блок, в связи с чем одновременно реализуются два процесса: охлаждение среды и опреснение морской воды;
- опреснительный блок пристыкован своими торцами к крышкам, что дает возможность использования одного и того же потока забортной воды для целей охлаждения среды и опреснения, а также обеспечивает оптимальную компоновку многофункционального блока;
- предлагаемое расположение патрубков входа и выхода забортной воды направляет поток забортной воды в судовом забортном охладителе гарантированно через один или несколько МОЭ, при этом также обеспечивается улучшение виброакустических характеристик забортного оборудования за счет шумо- и виброгасящих свойств мембранных опреснительных элементов;
- в полости корпуса опреснительного блока возможно размещение одного или нескольких МОЭ, соединенных со штуцером для отвода опресненной воды. При использовании нескольких МОЭ, соединенных последовательно, производительность по опресненной воде может быть увеличена до требуемого значения;
- размещение сквозных отверстий предусмотрено на участке корпуса опреснительного блока в пределах полости крышки, не имеющей патрубков, что обеспечивает утилизацию бросового тепла: подогретая в теплообменном блоке забортная вода сразу же направляется на МОЭ для опреснения;
- предусмотрена утилизация бросового тепла от теплообменного блока и использование забортного давления в качестве рабочего давления процесса опреснения, что обеспечивает значительное сокращение энергетических и трудовых затрат при работе забортного оборудования;
- обеспечивается маскировка следа ГВА за счет рассола, выходящего из опреснительного модуля. Поскольку рассол повышенной плотности и повышенной температуры выбрасывается за борт, забортный охладитель (и сам ГВА, соответственно) оставляют за собой «след», который может быть обнаружен. Известно, что нагретая вода имеет более низкую плотность, чем холодная и поэтому поднимается к поверхности и становится различима с помощью средств обнаружения, например, с помощью инфракрасных (ИК) детекторов, установленных на летательных аппаратах. Скрытность ГВА таким образом может быть нарушена. В предлагаемом способе теплый рассол не сможет подниматься к поверхности, поскольку он более соленый, чем морская вода и имеет плотность более высокую, чем морская вода. Следовательно рассол, как минимум, будет распространяться на горизонтальном уровне под водой, либо даже опускаться ниже, если его соленость окажется значительной. При этом обнаружение «следа» от охладителя и от ГВА в поверхностных слоях морской воды с помощью ИК-детекторов будет невозможным.
Предлагаемое техническое решение может быть использовано в перспективных проектах ГВА.