Охладители воды и масла

Охладители воды судовых ДВС обычно выполняются водо-водяными (ВВО). Охладители воды транспортных и стационарных ДВС выполняются водо-воздушными. Водо-воздушные рекуперативные теплообменники обычно называют радиаторами. Охладители воды стационарных ДВС могут выполняться как в виде радиаторов, так и в виде градирен или барботерных теплообменных аппаратов (вода охлаждается при пропускании (барботировании) через ёмкость с водой пузырьков охлаждающего воздуха). Для стационарных ДВС возможно также использование ВВО, если имеются подходящие условия для применения системы охлаждения с такими теплообменниками.

Водо-водяные охладители

Водо-водяные охладители судовых ДВС (или ВВО) выполняются в виде кожухотрубных или пакетнопластинчатых теплообменников. Конструктивная схема кожухотрубного теплообменника показана на рис. 2.

Корпус такого теплообменника изготавливается в виде трубы большого диаметра, в котором размещается трубный пучок из гладких (не оребрённых) трубок малого диаметра. Концы трубок крепятся в трубных досках. Обычно одна из трубных досок обладает подвижностью для обеспечения компенсации тепловых расширений.

Размещение трубок в трубных досках может выполняться по системе диагональной разбивки, по системе концентрических окружностей и по ряду иных возможных геометрий. Основой выбора системы расположения труб в трубных досках является стремление к максимальному заполнению объёма корпуса при обеспечении возможной равномерности размещения теплообменной поверхности по этому объёму.

Одновременно учитываются требования к технологичности, прочности, устойчивости пучка к загрязнениям и некоторые другие. Обычно заборная вода проходит внутри трубок пучка, а пресная вода проходит между трубками. Для регулирования скорости воды внутри трубок охладитель может выполняться по забортной воде как одноходовым, так и многоходовым. Для обеспечения необходимой скорости пресной воды и придания определённого направления её течению внутри корпуса устанавливаются диафрагмы. Благодаря установке диафрагм схема течения теплоносителя с внешней стороны трубного пучка приближается к многократно-перекрёстному току.

Рис. 2. Конструктивная схема кожухотрубного водо-водяного охладителя с сегментными диафрагмами: 1 — подвижная трубная доска; 2,5 — водяные крышки; 3 — уплотнение между корпусом подвижной трубной доской; 4 — неподвижная трубная доска; 6 — трубки трубного пучка; 7 — диафрагмы; 8 — корпус (кожух)

Всё это делает реальную картину обтекания пучка трубок потоком весьма сложной и влияет на точность и сложность теплотехнических расчётов теплообменника. Кроме сегментных диафрагм встречаются также кольцевые и стержневые.

Стержневая диафрагма представляет собой набор стержней, расположенных примерно в одной плоскости, перпендикулярной осям трубок пучка (подобно струнам в теннисной ракетке). Стержни пропускают между трубками, а наружные концы крепят в отверстиях колец, охватывающих пучок в местах размещения диафрагм. Часть сечения пучка, как и в случае применения диафрагм иной конструкции, остаётся свободной и используется для поворота потока в обратном направлении перед его движением через последующий зазор с рядом расположенной диафрагмой. Имеются сведения, что наиболее компактные конструкции кожухотрубных теплообменников обеспечиваются применением сегментных диафрагм.

Подводящие и отводящие патрубки теплоносителей в подобных конструкциях могут располагаться как по одну сторону пакета, так и с обеих его сторон. Поверхности пластин имеют систему выступов и впадин, образованных штамповкой. В настоящее время на поверхности пластин штампуют горизонтальные гофры треугольного или синусоидального сечения. Возможны также не только сплошные горизонтальные формы гофр, но и гофры дугообразной формы, прерывистые гофры треугольного, цилиндрического или сфероидального профиля. Это так называемые ленточно-поточные пластины, имеющие наибольшее распространение для ВВО. Жидкость между пластинами здесь движется в основном поперечно осевым линиям гофр. Форма потока жидкости между пластинами подобна форме волнистой ленты. Такая структура потока способствует интенсивной турбулизации теплоносителя и улучшает теплообмен при прочих равных условиях. Ранее применялись пластины с иной организацией потока. Они. либо имели выступы, предназначенные только для обеспечения жёсткости (плоские пластины), либо имели выштампованные зигзагообразные или продольные каналы, вдоль которых двигалась жидкость (канальчатые пластины). Такие каналы мало интенсифицировали теплообмен, но сильно увеличивали гидравлическое сопротивление. Если рабочие скорости воды в аппаратах из канальчатых пластин должны быть в пределах 1,5.2,5 м/с, то в аппаратах из ленточно-поточных пластин эти скорости при той же интенсивности теплообмена могут быть снижены до 0,3.0,9 м/с.

Большинство применяемых пластинчатых охладителей отличаются от трубчатых прежде всего тем, что допускают разборку и последующую качественную механическую чистку. В то же время опыт эксплуатации судовых теплообменников свидетельствует, что при обычных условиях эксплуатации необходимость в таких операциях в межремонтные периоды чаще всего отсутствует, а существующие способы очистки кожухотрубных теплообменников в условиях периодических ремонтов не представляют особых сложностей.

Одновременно отмечается относительно меньшая надёжность работы пластинчатых теплообменников. Вероятность появления течи в полостях таких теплообменников и смешения теплоносителей для них выше, чем для кожухотрубных. Последнее обстоятельство может быть решающим, если условия эксплуатации соответствуют вышеназванным. В то же время есть отдельные районы эксплуатации дизельных энергетических установок, где возможность срочной и качественной очистки в межремонтные периоды может быть важным преимуществом. В частности, необходимости в таких чистках возникают при работе ВВО в водоёмах с тёплой, минерализованной водой и сильно развитой системой водных микроорганизмов, склонных образовывать отложения на стенках водяных каналов теплообменников.

Если же сравнивать объёмы и массы трубчатых и пластинчатых водо-водяных охладителей, то их соотношение зависит от удельной тепловой нагрузки. При нагрузках выше 0,0055 кВт/м2 преимущество имеют кожухотрубные охладители. Указанное соотношение справедливо для типовых конструкций пластинчатых ВВО.

Эти конструкции содержат большое число тяжёлых и громоздких элементов, применение которых не всегда и не везде является принципиально необходимым. В принципе, возможно создание более лёгких и компактных конструкций, основанных на неразборных (сварных) соединениях пластин. Однако в этом случае теряется важное преимущество возможности межремонтной очистки, а также снижается надёжность в связи с появлением дополнительных напряжений от сварки и появления всякого рода неоднородностей в металле теплообменной поверхности, ведущих к образованию трещин и свищей в соединениях пластин. Следует отметить, что поиски более рациональных конструкций пластинчатых теплообменников продолжаются, в то время как принципиальное развитие конструкций кожухотрубных практически завершено. Соответственно не следует исключать возможности появления новых пластинчатых ВВО с более удачными показателями.

Поток воздуха принято направлять от вентилятора к радиатору, что обеспечивает повышенную турбулизацию потока перед входом в теплообменный элемент. Часто ВВР устанавливают в одном блоке с масляным радиатором, воздуховоздушным охладителем наддувочного воздуха, а возможно и с другими теплообменниками, которые размещают последовательно по ходу охлаждающего воздуха от вентилятора. Расход воздуха от вентилятора может регулироваться с помощью жалюзи.