Развитие судовых энергетических установок, увеличение их мощности, долговечности и надёжности обуславливает создание простых, надёжных, эффективных в изготовлении и эксплуатации судовых теплообменных аппаратов, которые являются неотъемлемой частью энергетических установок.
Теплообменные аппараты (ТА) — устройства, в которых осуществляется процесс передачи теплоты от одного теплоносителя к другому. Вследствие чего, теплообменные аппараты получили широкое распространение в разных отраслях.
К характерным дефектам теплообменных аппаратов относят:
1) эрозионное изнашивание поверхностей и коррозионные разрушения;
2) образование накипи и отложений в трубах;
3) нарушения плотности в местах соединения трубок с трубными решётками;
Основные Эксплуатационные требования — это надёжность аппаратов в течение заданного срока и простота обслуживания в судовых условиях.
По принципу работы теплообменные аппараты подразделяются на поверхностные, где передача тепла происходит через твёрдую стенку, и смесительные, где теплоносители контактируют непосредственно. Поверхностные теплообменные аппараты подразделяются на рекуперативные и регенеративные. Рекуперативные теплообменные аппараты так же классифицируются:
1) по назначению: подогреватели и охладители, испарители и конденсаторы;
2) по числу ходов: одноходовые и многоходовые;
3) по роду рабочих сред: пар-жидкость, жидкость-жидкость, газ-жидкость, газ-газ;
4) по направлению потока рабочих сред: прямоточные, противоточные, перекрёстного тока;
5) по поверхности теплообмена: змеевиковые, пластинчатые, двухтрубные типа «труба в трубе», пластинчатые и др.
По назначению судовые подогреватели (испарители) и охладители (конденсаторы) жидкостей можно подразделить на:
1) Энергетические — применяют в системах подогрева топлива, для подогрева питательной воды в конденсатно-питательных системах и в системах охлаждения воды и масла главных двигателей;
2) Вспомогательные — используют в судовых системах и вспомогательных установках для охлаждения (подогрева) воды или вязких жидкостей;
3) Бытовые — применяют в системах отопления судовых помещений, кондиционирования воздуха и в санитарно-бытовых системах.
Так как смесительные теплообменные аппараты редко используются на судах, я не стал их рассматривать в данной статье.
Основными на судах являются рекуперативные теплообменные аппараты поверхностного типа, а именно кожухотрубные и пластинчатые.
Рекуперативный ТА — это теплообменный аппарат, в котором горячий и холодный теплоносители движутся в разных каналах, теплообмен между ними происходит через стенку.
Кожухотрубный теплообменный аппарат состоит из пучка труб, который размещён в собственной камере, и кожуха, который сварен из листа 4 мм и более. Принцип работы основан на том, что движение рабочих сред осуществляется по разным кожухам, а сам процесс теплообмена происходит в пространстве между ними.
К достоинствам нужно отнести: износостойкость, устойчивость к гидравлическим ударам (гидравлический удар — скачок давления в системе, заполненной жидкостью, вызванный быстрым изменением скорости потока этой жидкости), ремонтопригодность, долговечность, невысокую цену. К недостаткам стоит отнести большие массогабаритные характеристики, пониженный коэффициент теплопередачи по сравнению с пластинчатыми.
Основные параметры кожухотрубных теплообменных аппаратов (с плавающей головкой):
‒ Температура теплообменивающих сред варьируется от -70̊ С до +450̊ С
‒ Поверхность теплообмена — 10–1246 м2
‒ Давление в трубном пространстве — 1,6 МПа — 7,845 МПа
‒ Материал трубного пучка: углеродистая и нержавеющая стали, латунь, медь и др.
Рис. 1. Кожухотрубный теплообменный аппарат
В судовой технике также широко применяются разборные пластинчатые теплообменные аппараты. Они состоят из набора пластин на горизонтальных штангах, закреплённых в стойках. Пластины изготавливаются из коррозионно-стойких сплавов толщиной 0,4–1,0 мм методом холодной штамповки. Пластины группируются в пакеты, образуя ходы для сред. Направление движения потоков в аппарате может быть прямоточное, противоточное или комбинированное. При этом сами потоки движутся в изолированных одна от другой системах щелевидных каналов. Ширина каналов и их герметичность обеспечивается за счёт резиновых уплотнительных прокладок.
К достоинствам следует отнести: малые массогабаритные характеристики, не требуется специальный фундамент для установки, не чувствителен к вибрации, лучшая теплопередача, возможно изменение площади поверхности теплообмена. Недостатком пластинчатого теплообменного аппарата является гидравлические потери, по причине чего скорость воды в каналах не должна превышать 0,4 м/с, а так же дороговизна производства.
Основные параметры пластинчатых теплообменных аппаратов:
‒ Материал пластин: титан, тонколистовые стали (AISI304, AISI316), 254SMO, Hastelloy и др.
‒ Поверхность теплообмена одного аппарата может колебаться от 0,1м2 до 2100м2 в зависимости от назначения
‒ Температура в пластинах не превышает 180̊ С
‒ Давление в пластинах не превышает 2,45 МПа
Рассмотрим пример теплообменного аппарата.
На двухконтурных ядерных энергетических установках в паропроизводящей установке используется кожухотрубный теплообменный аппарат — парогенератор. Парогенератор — устройство для получения пара определённых параметров. Так как в данных теплообменных аппаратах важна надёжность в качестве материала для трубной системы (в которой происходит парообразование) используется, в основном, сплав на основе титана, а именно 15Х2МФА. В ней содержится 0,12 % C, 2,8 %Cr, 0,8 % Mo и 0,2 % V. Сплавы на основе титана не склонны к межкристаллитной коррозии, общей коррозии подвержены даже меньше, чем нержавеющие стали.
На основании вышеизложенных аргументов можно сделать вывод, что кожухотрубные теплообменные аппараты надёжнее и экономически выгоднее, чем пластинчатые, но по некоторым техническим характеристикам уступают пластинчатым теплообменным аппаратам.
Литература:
- Копачинский П. А., Тараскин В. П., Судовые охладители и подогреватели жидкостей — Ленинград: Судостроение, 1968. — 244с
- URL: http://sudoremont.blogspot.ru/2014/04/teplo-aparat.html (01.12.2017)
- URL: https://studopedia.ru/6_45087_tema--teploobmennie-apparati-sudovih-ustanovok.html (01.12.2017)
- URL: http://www.vesnafm.ru/ms/169-sistema-podogreva-gruza.html (29.10.2017)
- URL: http://seaships.ru/vapourgenerator.htm (30.10.2017)
- URL: http://par-turbina.ucoz.net/ (31.10.2017)
- URL: http://isu.smtu.ru/files/disser/47_disser_file.pdf (07.11.2017)
- ГОСТ 14246–79
