Критерии эффективности ТА

Для оценки совершенства ТА используют следующие критерии эффективности:

- термодинамические;

- энергетические;

- конструктивные;

- экономические.

При проектировании нового ТА чаще всего решают оптимизационную задачу по отысканию минимальных массы и габаритов с малым гидравлическим сопротивлением при наименьшей стоимости изготовления. Эти условия взаимно противоречивы. Поэтому находят разумный компромисс.

Наименование критерия эффективности	Обозначение	Что оценивает	Определение
Коэффициент тепловой эффективности (КТЭ)		Степень теплового совершенства	ТЭ – способность передачи такого количества теплоты, которым располагает греющий теплоноситель и, которое возможно передать в идеальных условиях. Т.е насколько совершенней ТА с точки зрения 2-го закона термодинамики.
Коэффициент теплопередачи	k, Вт/м2·К	Теплопередающую способность 1 м2 поверхности
Энергетическая эффективность	N	Соотношение между тепловым потоком и затратой мощности на прокачку теплоносителей
Коэффициент использования массы	Rm, Вт/кг·К	Конструктивное совершенство
Коэффициент использования объема (компактности)	Rv, Вт/м3·К	Конструктивное совершенство

где _∆t_max – наибольший перепад из сравниваемых _∆t₁ и _∆t₂

и - температуры на входе в ТА теплоносителей

_∆t_ср – среднелогарифмическая разность температур теплоносителей

, , - масса, площадь и объем теплопередающей поверхности.

Экономический критерий. Приведенные затраты (руб/год) могут быть определены по следующей формуле

К₃ – начальные затраты; К_та – на ТА; К_н – на нагнетательное оборудование; К_м.та – на монтаж ТА; К_{м. н} – на монтаж нагнетателей.

τ_но – нормативный коэффициент окупаемости оборудования;

Э – эксплуатационные затраты.

Э = (К_та+К_мта) (α_та+р_та)+(К_н+К_мн) (α_н+р_н)+(р₁+р₂)S_эτ_р+S_тн,

р_та и р_н - расходы на текущий ремонт и обслуживание;

S_э - стоимость энергии на привод нагнетательного оборудования;

τ_р - время работы ТА в году;

S_тн – стоимость теплоносителей.

Гидравлический расчет сводится к определению коэффициентов сопротивления трения и местных сопротивлений. Значение коэффициента суммарного сопротивления ζ , отнесенное к одному погонному метру пути теплоносителя, используется в качестве критерия при сравнении ТА.

1 Комплексный показатель совершенства ТА

Оценка свойств ТА будет оптимальной, если в качестве критерия использовать комплексный показатель (КП) совершенства ТА.

Считаем, что отдельные критерии U_j имеют одинаковую степень важности.

где U_j – частные безразмерные характеристики (критерии) ТА (0…1); U_j получают путем нормирования тепловой эффективности ( ); гидравлического сопротивления ( ); коэффициента теплопередачи k ( ) эталонным значениям η, ζ, k и т. д;

n – число показателей.

Этот метод позволяет ранжировать показатели критериев эффективности.

Помимо перечисленных показателей нужно учитывать технологичность и стоимость изготовления ТА, их серийность. В качестве оценочной величины используют стоимость 1 м³ объема или 1 кг массы ТА.

3 Основные положения компоновочного расчета

Компоновку ТА в основном определяют параметры:

· поверхность теплообмена F,

· активная длина труб l,

· число ходов теплоносителя, движущегося в трубах и в межтрубном пространстве, общее число труб,

· диаметр корпуса.

Приведем основные выражения по расчетам кожухотрубного аппарата.

Количество охлаждающей воды, циркулирующей в ТА:

Q – количество теплоты, воспринятое водой, кДж/сек.

В многоходовом ТА число труб в одном ходе, по уравнению сплошности

w_в – скорость охлаждающей воды; w_в=0,6-1,5 м/с.

Скорость теплоносителя, движущегося по трубкам:

G – расход теплоносителя, кг/ч

z – число ходов теплоносителя

N – общее количество трубок в аппарате

Расход пара (например, на подогрев топлива или другого теплоносителя):

где Q – количество тепла, необходимое для подогрева масла или другого теплоносителя, кВт;

i_п и i_к – энтальпия пара и конденсата, кДж/кг;

η – коэффициент, учитывающий потерю теплоты через корпус ТА: η = 1,01…1,05

Активная длина труб, т.е. длина трубки между трубными досками, в ТА с прямыми трубками

– наружный диаметр трубы;

Число ходов охлаждающей воды, движущейся по трубам.

Индекс «т» - означает, что теплоноситель (вода) движется по трубам.

Количество ходов среды в межтрубном пространстве:

f_мт – площадь живого сечения межтрубного пространства, м².

Перегородки (поперечные, продольные, кольцевые и сегментные) устанавливают так, чтобы скорость движения теплоносителя оставалась на всем пути примерно одинаковой.

Компоновочный расчет спирального ТА – стр. 37 [1];

Компоновочный расчет змеевикового ТА – стр. 38 [1].

4 Характеристика отказов ТА

На стадии проектирования ТА закладывается фундамент его работоспособности путём выбора:

· материалов;

· геометрии;

· оптимального количества деталей и узлов;

· способа создания прочноплотных соединений.

Указанный выбор соответствует режимам и характеру нагружения и обеспечивает требования надёжности.

Весь объём работ по количественной оценке надёжности создаваемого ТА приходится на стадию проектирования и включает в себя:

· установление характеристики отказов ТА;

· оценку надёжности по данным об аналогах;

· определение безотказности;

· определение долговечности.

Надежность- свойство объекта выполнять заданные функции в определенных условиях эксплуатации. Это комплексное свойство, включающее безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость.

Безотказность - свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность на протяжении некоторого времени (наработки).

Долговечность - свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния в определенных условиях эксплуатации с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонтов.

По теории надёжности отказ - событие, заключающееся в нарушении работоспособности изделия. Отказ судового ТА - случайное событие, связанное с нарушением герметичности между полостями теплообменивающихся сред.

Основные признаки отказов судовых поверхностных ТА:

1.Подсосы воздуха.

2.Увеличение давления в охлаждаемой (нагреваемой) замкнутой системе.

3.Увеличение солёности среды, охлаждаемой морской воды.

4. Попадание одной среды в полость смежной.

Отказы судовых ТА, определяемые в эксплуатации по этим признакам, являются результатом трёх основных причин:

А.Протечек через неплотности в соединениях в результате проявления скрытых дефектов производства.

Б.Нарушение плотности трубы по месту заделки в трубной решётке из-за образования усталостной трещины (вибрационные, ударные, переменно-статические, термические и статические нагрузки).

В.Нарушение герметичности труб от трения диафрагмы.

Таблица - Примеры характеристики отказов некоторых судовых ТА.

Тип ТА, среды	Состояния давления	Признаки	Причины	Последствия
Маслоохладитель (масло – морская вода)			А; В	Прекращение работы ГТЗА
Водоохладитель (дистиллят - морская вода)		2;3	A;Б;В	Засоление промежуточной системы охлаждения. Перегрев механизмов.
Воздухоохладитель (воздух - морская вода)			Б; В	Эрозия рабочих колес компрессоров. Обезвоживание системы охлаждения и перегрев компрессоров.
Подогреватель питательной воды (питательная вода - пар)		2;4	А; В	Загрязнение питательной воды и преждевременное образование накипи в трубках котла. Обезвоживание питательной системы.
Подогреватель топлива (топливо-пар)		2;4	А; В	Срыв процесса горения. Авария парового котла.
Подогреватель масла (масло-пар)		2;4	А; В	Выход из строя подшипников ГТЗА. Снижение k - перегрев котла.
Конденсатор СЭУ (пар - морская вода)		1;3	А; Б	Увеличение тепловой нагрузки на паровой двигатель. Выход из строя трубок котла.
Испаритель СОУ (пар - морская вода)		1;3	A;B	Сброс засолённого дистиллята - нехватка пресной воды на судне.
Конденсатор СОУ (конденсат - морская вода.)		1;3	А;B	Снижение производительности СОУ.

Каждой причине отказа соответствует определённая физическая модель. Она имеет своё математическое выражение - закон распределения случайной величины: наработки до отказа или предельного состояния и числа дефектных соединений.

Причина	Физическая модель образования отказов по схеме:	Описание модели
А	-мгновенных повреждений из-за скрытых технологических дефектов производства	Закон малых событий – закон Пуассона. α – параметр распределения. (Вероятность того, что число дефектных соединений , примет допустимое значение ).
Б	-мгновенных повреждений из-за влияния на усталостный износ концентрации напряжений в трубе, образующихся при закреплении;	Экспоненциальный закон распределения, функция плотности которого: , параметр распределения
-накапливающихся повреждений	Логарифмический нормальный закон распределения: и параметры масштаба и сдвига.
В	-образование фрикционного износа накапливающихся повреждений	Нормальный закон распределения (закон Гаусса).

5 Оценка надёжности по данным об аналогах

Задача ускоренной оценки надёжности по данным об аналогах базируется на эксплуатационной и экспериментальной информации об отказах аналогичных по конструкции ТА или их узлов, в условиях, приближённых к заданным. Выполняется статистическая обработка результатов наблюдений. Исчерпывающими характеристиками для получения показателей надёжности являются:

-закон распределения случайной величины наработки до отказа или предельного состояния (эксплуатация невозможна или нецелесообразна);

-точечные оценки параметров закона распределения;

-доверительные границы точечных оценок параметров, определяемые по заданной доверительной вероятности, которая может принимать значения 0.8,0.9 и 0.95.

Назначается соответствующий план наблюдений.

План 1. Наиболее общий, характерен для наблюдений за ТА в процессе эксплуатации на судне.

Ведут наблюдения за теплообменниками в течение времени Т; отказавшие ТА заменяют новыми или ремонтируют.

План 2. Характерен для наблюдений за ТА в процессе опытной эксплуатации или сдаточных испытаний.

Ведут наблюдения за ТА до возникновения r отказов или предельных состояний всех аппаратов; отказавшие заменяют или ремонтируют.

План 3. Для наблюдений в процессе экспериментального выбора способа закрепления труб в решётке.

Ведут наблюдения за моделями ТА в течение Т; отказавшие элементы ТА не заменяют.

6 Оценка безотказности и долговечности

Показатель безотказности - вероятность безотказной работы за рейс . Оценка безопасности сводится к нахождению вероятности безотказной работы ТА за время рейса ( ). Она определяется произведением вероятностей безотказной работы элементов двух групп: соединений труб с решётками и труб в зоне заделки

вычисляют по принятой математической модели. В выражение входит предел усталости узла заделки трубы, полученный экспериментально.

Оценку долговечности ТА производят путём сравнения двух ресурсов: ресурса труб в зоне заделки и ресурса труб в месте прохода через направляющие перегородки или рёбра.

В первом случае ресурс обуславливается усталостной долговечностью в зоне заделки. Её определяют ускоренными испытаниями трех моделей. Ресурс труб, определяемый механическим износом, оценивают ускоренным методом нагружения более 4...6 образцов, имитирующих реальную пару трения ТА.