Назначение, классификация и требования к теплообменным аппаратам. Охладители масла, воды, воздуха и подогреватели воды, топлива и масла. Их конструкции и особенности эксплуатации.

Общие сведения о теплообменник аппаратах энергетических установок судов

Теплообменный аппарат (ТА) представляет собой устройство, предназначенное для нагревания или охлаждения теплоносителя (воды, воздуха, топлива, масла и др.) с изменением и без изменения его агрегатного состояния. Нагревание одного теплоносителя происхо­дит за счет охлаждения другого. Исключение составляют теплообмен­ники (реакторы и электронагреватели), в которых теплота выделяется в самом аппарате и идет на нагрев теплоносителя.

Аппараты, в которых между теплоносителями происходит массообмен, называют массообменными аппаратами. Аппараты, в которых одновременно протекают тепло- и массообмены, называют тепло-массообменными.

К наиболее распространенным процессам, происходящим в судо­вых ТА, относят нагревание, охлаждение, конденсацию, выпаривание, дистилляцию и т. д.

Теплообменные аппараты классифицируют по следующим при­знакам:

по организации рабочего процесса - на поверхностные или смешивающего типа. В поверхностных ТА среды обмениваются теплотой через разделяющую их стенку, а в смешивающих - путем непосредственного контакта теплоносителей. Поверхностные аппараты делятся на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных ап­паратах теплоотдача осуществляется при непрерывном и одновремен­ном движении теплоносителей. В регенеративных аппаратах теплота передается при поочередном смывании горячим и холодным теплоно­сителями теплоаккумулирующей поверхности;

по виду теплоносителя - на жидкостные, когда теплообмен происходит между жидкостями, газовые, когда теплота передает­ся от горячего газа к холодному, и газожидкостные- теплота пере­дается от жидкости к газу или наоборот;

по организации движения сред- с прямоточным дви­жением горячего и холодного теплоносителей в ТА, с перекрестным током и противотоком рабочих сред, а также на одно-, двух и много­ходовые ТА (рис. 16.1);

по конструкции- в зависимости от типа теплопередающей поверхности. В ТА рекуперативного типа в качестве теплопередающей поверхности используют круглые и оребренные трубы, плоские кана­лы и профильные пластины;

по назначению- на охладители масла, воды, воздуха, подогреватели воздуха, топлива, масла, испарители, кон­денсаторы;

по характеру движения теплоносителей - на аппа­раты самопроточные и с принудительной циркуляцией. В самопроточ­ных ТА охлаждающая забортная вода циркулирует за счет динамичес­кого напора встречного потока, вызываемого движением судна. Принуди­тельную циркуляцию охлаждающей воды через ТА обеспечивают насосы.

В качестве основной конструкции в судовой практике используют­ся кожухотрубные ТА (рис. 16.2) различных модификаций. Аппараты этого типа применимы в случаях низких и высоких температур и дав­лений, при больших градиентах температур, при испарении и конден­сации и использовании сильно загрязненных и коррозионно-активных теплоносителей. В кожухотрубных, ТА достигаются относительно большие отношения теплопередающей поверхности к объему и массе. Методы расчета и технология их изготовления достаточно надежны.

Для газожидкостных и газовых ТА наиболее приемлема конструк­ция с сильно развитой теплопередающей поверхностью со стороны газа (воздуха).

Наряду с кожухотрубными ТА заметное применение в судострое­нии приобретают пластинчатые аппараты (рис. 16.3). Они относительно компактны, отличаются небольшой массой, легко очищаются. Эти ТА конструируют из ряда параллельных гофрированных пластин, из лис­тов с выштамповками различной формы и приваренными профилями, которые увеличивают поверхность теплообмена и турбулизируют по­ток [11,25]. Область применения пластинчатых аппаратов ограничива­ется диапазоном малых давлений между теплоносителями из-за невозможности обеспечить высокую прочность конструкции.

Пластинчатые ТА применяют в качестве охладителей и подогрева­телей теплоносителей, конденсаторов чистых паров и паров из паро­газовых смесей. Пластинчатые ТА выполняют разборными и неразбор­ными. В разборных аппаратах герметизация каналов обеспечивается с помощью прокладок на основе синтетических каучуков. Такие ТА выдерживают температуры от -20 до 140-150^оС и давление не более 2-2,5МПа. Неразборные пластинчатые ТА выполняют сварными. Они могут работать при температурах до 400 °С и давлении до 3 МПа. Коэф­фициент теплопередачи пластинчатых ТА в несколько раз выше, чем у кожухотрубного аппарата.

Сопоставление габаритных размеров пластинчатого ТА с кожухотрубным для одной и той же величины теплосъема показывает, что первые компактнее в 2-3 раза. При аналогичных условиях масса пластинчатого ТА в 3- 4 раза меньше массы кожухотрубного. На каж­дый квадратный метр теплопередающей поверхности в пластинчатых теплообменниках приходится 2,5-5 л теплоносителя, что в несколько раз меньше, чем у кожухотрубных аппаратов.

Маслоохладители. На судах применяют кожухотрубные и пластин­чатые маслоохладители (МО). В кожухотрубных МО между цилиндри­ческим корпусом и крышками установлены решетки — облегченный вариант трубных досок, обеспечивающих жесткость аппарата. По трубкам, как правило, движется охлаждающая вода, масло омывает их.

По ходу охлаждающей воды используют МО двухходовые; со стороны масла- до 14 ходов. В МО со скоростью охлаждающей воды до 1,2 м/с применяют преимущественно латунные трубы с Д_у (10-16), при скорости около 2,5 м/с - трубы из нержавеющей стали.

МО могут быть горизонтального или вертикального исполнения. Последние применяются вСЭУ небольшой мощности.

Признаком нормальной работы МО является разность температур масла до и после охладителя 12-15 °С. Скорость масла в охладителях находится в пределах от 0,4 до 0,9 м/с. Потеря напора в МО по току масла составляет 0,05-0,08 МПа, по току воды - 0,02-0,04 МПа.

Коэффициент теплопередачи МО кожухотрубных составляет от 70 до 290 Вт/(м² • К) для труб с Д_у (10-15) и от 350 до 930 Вт/(м² • К) для труб малого диаметра; с турбулизаторами — до 1.160 Вт/ (м² • К).

Охладители пресной воды. Конструкции охладителей воды (ОВ) сходны с конструкциями МО. В охладителях воды, как правило, одним из теплоносителей является пресная вода, другим - забортная. В кожухотрубном 0В одна из трубных досок обычно делается подвиж­ной. Забортная морская вода прокачивается внутри трубок, а пресная омывает трубы снаружи.

При скорости морской воды до 0,9 м/с в ОВ используют трубы из ме­ди МЗС; до 1,2 м/с - из латуни ЛО 70-1; до 2 м/с и температуре стенки трубы до 50^оС - из медно-никелевого сплава МНЖ 5-1; до 3 м/с и темпе­ратуре стенки трубы до 60- 80 °С - из мельхиора МНЖМц 30-1-1.

Коэффициент теплопередачи у кожухотрубных ОВ в зависимости от конструкции и скоростей теплоносителей находится в пределах

600-2000 Вт/(м² • К). Нижний предел коэффициента имеет место при значительной загрязненности проточной части труб. Потеря давления пресной воды в ОВ составляет 0,1-0,15 МПа.

Воздухоохладители (ВО). Охладители наддувочного воздуха дизелей применяются обычно с оребренными снаружи трубами, внутри которых протекает забортная вода. В ВО холодильных установок внутри оребренных труб протекает теплоноситель или хладагент. В кожухотрубных ВО вода делает два хода по трубам, а воздух попе­речно обтекает трубный пучок. Коэффициент теплопередачи у кожухо­трубного ВО составляет около 200 Вт/(м² • КХ температурный напор -8-12^оС. В судовых холодильных машинах применяются преимущест­венно „мокрые" и „сухие" пакетные воздухоохладители, выполнен­ные большей частью из оребренных стальных и медных труб соответ­ственно с Д_у (24-38) и Д_у (16-18). Шаг ребер в зависимости от размера трубопровода и скорости воздуха может составить от 8 до 50 мм. Коэф­фициенты оребрения ВО высокие (8-15). Скорость воздуха в ВО-6-12 м/с.

Подогреватели воды. В качестве подогревателей питательной воды используются кожухотрубные аппараты с прямыми, спиральными и U-образными трубами.

В подогревателях с U-образными трубами нагреваемая вода посту­пает сразу во все трубы, что достигается установкой перегородки по диаметру водяной камеры. Движение воды происходит сначала в од­ном направлении, а затем в обратном. Пар движется между трубками, конденсируется и выводится наружу.

Скорость движения воды в ТА может достигать 2,2 м/с, что обеспе­чивает высокий коэффициент теплопередачи (800-1000 Вт/(м² • К).

Воздухоподогреватели. Типы воздухоподогревателей (ВП) разно­образны. В зависимости от вида греющей среды их разделяют на газо­вые, паровые (или водяные) и комбинированные. Наибольшее рас­пространение на судах получили газовые и паровые (водяные) ВП. В качестве ВП применяются пластинчатые ТА, а также пакеты, выпол­ненные из гладких и оребренных труб. Внутри труб и пластин проте­кает горячий теплоноситель, снаружи трубы и пластины омывает воз­дух. В парогенераторных установках особое место занимает ВП с про­межуточным теплоносителем. В них передача теплоты от греющей среды (продуктов сгорания) к подогреваемой (воздуху) происхо­дит посредством специального теплоносителя, находящегося внут­ри труб.

Подогреватели топлива и масла. Подогрев высоковязких топлив происходит в паровых подогревателях. Отечественной промышлен­ностью выпускаются секционные (труба в трубе) подогреватели топ­лива (ПТС) и кожухотрубные подогреватели (ПТК) с U-образными трубками. Применяются подогреватели топлива с гладкими или оребреными трубками или трубками, внутренняя поверхность кото­рых имеет турбулизаторы.

В качестве подогревателей масла используются кожухотрубные или змеевиковые (спиральные) ТА. Все шире применяются пластинчатые ТА.

На судах используются также кожухотрубные подогреватели масла с U- образными трубами или прямыми трубами и подвижной трубной доской. Рабочее тело подогревается паром, реже горячей водой и электроэнергией.

ПОДОГРЕВАТЕЛИ И ОХЛАДИТЕЛИ

ТИПЫ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В КАЧЕСТВЕ ПОДОГРЕВАТЕЛЕЙ И ОХЛАДИТЕЛЕЙ (Ермилов)

Типы теплообменных аппаратов. В качестве подогревателей и охладителей различного назначения на судах морского флота ши­роко применяются кожухотрубные теплообменные аппараты, по­верхности теплообмена которых выполнены из гладких круглых труб. В аппаратах с прямыми трубами для разгрузки их от про­дольных усилий нередко используют подвижные (плавающие) трубные доски или компенсаторы. В аппаратах с U-образными трубами и змеевикового типа (см. рис. 62) в трубах не возникает продольных усилий. Недостаток таких аппаратов — возможность очистки труб изнутри только химическими методами. Кожухотруб­ные теплообменные аппараты применяются как в горизонтальном, так и в вертикальном исполнении. В обоих случаях предусматри­вается выпуск воздуха при заполнении аппарата и слив теплоноси­телей.

С целью интенсификации теплообмена и обеспечения оптималь­ных скоростей теплоносителей широко применяются многоходовые кожухотрубные теплообменные аппараты. В межтрубном простран­стве чаще происходит поперечное обтекание пучка труб теплоно­сителем, однако встречаются аппараты и с продольным током теплоносителя. В первом случае в корпусе аппарата устанавлива­ются поперечные неперекрывающие перегородки, а во втором — продольные.

Материал труб. В теплообменных аппаратах, в которых одним из теплоносителей является морская вода, при скорости ее не выше 3 м/с и температуре стенки трубы со стороны морской воды не выше 60—80° С применяют трубы из мельхиора МНЖМц 30-1-1 (см. табл. 9). При скорости воды до 2 м/с и температуре стенки до 50° С можно использовать трубы из медно-никелевого сплава МНЖ 5-1. Трубы из латуни ЛО 70-1 применяют при скорости мор­ской воды до 1,2 м/с, а из меди МЗС — при скорости морской воды до 0,9 м/с.

В аппаратах, в которых теплоносителями являются «пар и кон­денсат» или «пар и масло», широко используются трубы латунные или из нержавеющей стали. Для теплоносителей «жидкое топ­ливо — пар» или «жидкое топливо — конденсат» применяют трубы из углеродистой стали.

В кожухотрубных теплообменных аппаратах наружный диа­метр труб обычно составляет 12—20 мм, а толщина стенок 1— 2 мм. При использовании труб большого диаметра возрастают габарит и масса теплообменных аппаратов. Минимальный на­ружный диаметр труб судовых теплообменных аппаратов состав­ляет 10 мм, так как трубы меньшего диаметра быстрее засо­ряются и их труднее чистить. В трубных досках теплообменных аппаратов трубы диаметром не менее 16 мм, как правило, раз­вальцовываются обоими своими концами с помощью роликовой вальцовки. Закрепление труб меньшего диаметра производится обычными конусными прошивками или шариковой оправкой ударного действия. Металл труб при их раздаче деформируется при этом как наружу, так и внутрь аппарата, что может приве­сти к возникновению чрезмерных остаточных напряжений, про­гибу труб, выпучиванию трубных досок и нарушению плотности соединения.

При закреплении труб труборасширителем ленточно-винтового типа процесс вальцовки трубы начинается со стороны труб­ного пучка и происходит по винтовой линии в сторону наружной поверхности трубной доски. При этом деформация металла на­правлена только в сторону свободного конца трубы, поэтому в трубах не возникает осевых сжимающих усилий. Закрепление труб малого диаметра (10x1 мм) производят также методом протягивания через всю длину трубы специальной протяжки (дорна), изготовленной из высокопрочной и износоустойчивой ин­струментальной стали. Во время продвижения дорна вдоль оси труба может свободно удлиняться. Протяжками закрепляют трубы из мягкого металла.

Надежное закрепление труб в трубных досках обеспечивается их развальцовкой с последующей приваркой. Прочность закреп­ления труб диаметром 16X1,5 мм в этом случае на 50—60% выше прочности соединения способом развальцовки. В последнее время экспериментально установлен и проверен способ закрепле­ния труб в трубных досках энергией взрыва. При взрыве заряда внутри трубы возникает высокое давление, вызывающее дефор­мацию трубы, обеспечивающую прочное и плотное соединение ее с трубной доской. В теплообменных аппаратах, к которым предъявляются особо жесткие требования по плотности закрепле­ния труб (см. рис. 30, а), применяют двойные трубные доски.

В некоторых теплообменных аппаратах используются оребрен­ные и ошипованные трубы, за счет чего увеличивают поверхность теплообмена со стороны теплоносителя с меньшим коэффициен­том теплоотдачи. Ребра могут быть различной формы и располо­жения: прямоугольные и круглые поперечные, прямоугольные продольно расположенные и т. д. В теплообменных аппаратах иногда применяются плоские трубы, например 50X4,5 мм. По сравнению с аппаратами, у которых поверхность теплообмена со­стоит из круглых труб, охладители воды с плоскими трубами имеют меньшие массу и габарит.

МАСЛООХЛАДИТЕЛИ, ОХЛАДИТЕЛИ ПРЕСНОЙ ВОДЫ И ВОЗДУХА

На рис. 52 показан маслоохладитель паротурбинной установки двухходовой по охлаждающей воде и восьмиходовой со стороны масла (применяются маслоохладители и с большим, например до 14, числом ходов масла). Для удаления отстоя и чистки мас­лоохладителя в нижней части его корпуса имеются горловины с заглушками. В маслоохладителях часто используют латунные трубы с наружным диаметром 16 мм. Одна из трубных досок у маслоохладителя подвижная с сальниковым уплотнением.

На рис. 53 приведен маслоохладитель дизель-генератора мощ­ностью 200 кВт, установленный на теплоходе «Выборг». Трубы маслоохладителя, имеющие наружный диаметр. 15 мм и толщину стенок 1 мм, расположены вертикально. Верхняя трубная доска подвижная с сальниковым уплотнением. Верхняя водяная камера жестко соединена нa прокладке с трубной доской, что практически исключает возможность обводнения масла за счет поступле­ния забортной воды. Нарушение же плотности сальника легко обнаружить по протечке масла наружу. Такое устройство сальни­кового уплотнения наиболее широко применяется в маслоохла­дителях и охладителях пресной воды на теплоходах. По охлаж­дающей воде маслоохладитель четырехходовой. Для направления, потока масла в корпусе маслоохладителя установлено 13 перего­родок. У семи из них (в том числе крайних верхней и нижней) для прохода масла имеются круглые отверстия в средней части. Наружный диаметр остальных шести перегородок (расположен­ных через одну) меньше внутреннего диаметра корпуса масло­охладителя.

На рис. 54 показан вертикальный маслоохладитель отечест­венной конструкции с демонтируемым трубным пучком. Сборка трубного пучка у аппаратов подобной конструкции производится вне корпуса маслоохладителя. При ремонте трубный пучок мо­жет быть целиком демонтирован, для чего предусмотрены направ­ляющие 8, а внутри корпуса на высоте каждой из диафрагм раз­мещены кольца 9.

Выбор вертикального или горизонтального расположения труб маслоохладителей и других теплообменных аппаратов обуслов­лен удобством их размещения на судне. При большой длине труб чаще применяют горизонтальные теплообменные аппараты, а в установках небольшой мощности — вертикальные. Достоинст­вом вертикальных аппаратов является то, что для их размещения требуется меньше площади в машинном отделении. Недостаток таких аппаратов — обычно затрудненный доступ к нижней водяной камере, нижней трубной доске и другим деталям, располо­женным под настилом машинного отделения.

На теплоходах в большинстве случаев устанавливают по два маслоохладителя, каждый из которых рассчитан на отвод тепла при мощности главного двигателя, составляющей 60% номиналь­ной. Такое резервирование по сравнению с дублированием масло­охладителей, рассчитанных на максимальную нагрузку главного двигателя, позволяет уменьшить габарит, массу и стоимость мас­лоохладителей. В этом случае при выходе из строя одного из маслоохладителей судно может развивать скорость в пределах 80—85% номинальной. Установка одного маслоохладителя до­пускается на теплоходах сравнительно небольшой мощности с ог­раниченным районом плавания. Суммарная поверхность охлаж­дения обоих маслоохладителей может составлять около 37 м2 на 1000 кВт мощности главного двигателя при охлаждении поршней маслом и до 20 м2 на 1000 кВт при охлаждения поршней главного двигателя пресной водой. На турбинных судах устанавливаются, как правило, два маслоохладителя, один из которых является ре­зервным. За последние годы построен ряд судовых паротурбин­ных установок, основные маслоохладители которых охлаждаются главным конденсатом (питательной водой), а резервные — за­бортной водой. Это позволило уменьшить расход топлива на 0,4-0,5%.

Конструкции охладителей пресной воды, применяемых на теп­лоходах, сходны с конструкциями рассмотренных маслоохладите­лей. В охладителях пресной воды одна из трубных досок тоже обычно делается подвижной, забортная вода прокачивается вну­три труб, а пресная вода омывает трубы снаружи. При значи­тельных поверхностях охлаждения применяются трубы несколько большего диаметра. Так, в четырехходовых по забортной и шестиходовых по пресной воде охладителях с поверхностью охлаж­дения по 240 м2, установленных на теплоходе «Александр Пуш­кин», применены латунные трубы с наружным диаметром 20 мм и толщиной стенок 1 мм.

Реже применяются охладители, в которых пресная вода, об­текая трубы снаружи, движется параллельно их осям, для чего в корпусе охладителя устанавливаются продольные перегородки. Два охладителя пресной воды подобной конструкции с поверхно­стью охлаждения по 260 м² установлены, например, на теплоходе «Выборг».

На большинстве грузовых теплоходов предусмотрено по два охладителя пресной воды цилиндров главного двигателя. Суммар­ная поверхность охлаждения охладителей пресной воды цилинд­ров составляет от 31 до 40 м2 на 1000 кВт мощности главного двигателя. При охлаждении пресной водой поршней главного двигателя для этой воды нередко устанавливаются автономные охладители. Суммарная поверхность охлаждения охладителей воды цилиндров и поршней на построенных теплоходах достигает 45—55 м² на 1000 кВт мощности главного двигателя. При охлаждении пресной водой форсунок главных двигателей обычно также применяют автономные охладители.

Иногда на теплоходах устанавливают комбинированные охла­дители масла и пресной охлаждающей воды. В таких теплообменных аппаратах одна группа труб предназначена для охлаж­дения масла, а другая —для охлаждения пресной воды.

Охладители наддувочного воздуха дизелей обычно приме­няются с оребренными снаружи трубами, внутри которых проте­кает забортная вода. На рис. 55 показана конструкция трубчатого охладителя воздуха для двигателя фирмы Зульцер. Оребренные снаружи трубы 3 развальцованы в трубных досках 2. Для разгрузки труб от термических напряжений нижняя трубная доска сделана подвижной и уплотнена резиновым кольцом 4. Охлаж­дающая забортная вода, подводимая в водяную камеру 1 по од­ному из патрубков 5, делает два хода по трубам и отводится че­рез другой патрубок 5. Охлаждаемый воздух поперечно обтекает трубный пучок снаружи.

§ 35. ПОДОГРЕВАТЕЛИ ВОДЫ

На судах морского флота широко используются теплообменные аппараты, предназначенные для подогрева воды. В зависимо­сти от назначения подогреваемой воды применяют подогреватели питательной воды для парогенераторов, подогреватели забортной воды и рассола (в испарительных установках), подогреватели, предназначенные для приготовления горячей (пресной или за­бортной) воды на санитарно-бытовые нужды и т. п.

В качестве подогревателей питательной воды (ППВ) могут служить кожухотрубные теплообменные аппараты с прямыми трубами. В небольших подогревателях этого типа при невысоких температурах греющего пара (примерно до 120° С) трубные доски жестко соединены с корпусом подогревателя (рис. 56, а). При более высоких температурах греющего пара применяют конструк­цию с плавающей трубной доской 6 (рис. 56,б). Подогреватели питательной воды с прямыми трубами часто выполняют четырех-и шестиходовыми. Греющий пар несколько раз обтекает пучок труб в поперечном направлении.

Па рис. 56, в показан подогреватель питательной воды с U-образными трубами, оба конца которых развальцованы в одной трубной доске. Такие трубы полностью разгружены от термических напряжений. В водяной камере подогревателя имеется рас­положенная по диаметру перегородка, поэтому нагреваемая вода поступает сразу во все U-образные трубы, двигаясь в них сна­чала в одном, а затем в обратном направлении. Подогреватели с U-образными трубами могут быть выполнены и многоходовыми. В паровом пространстве подогревателя (рис. 56, в) имеется го­ризонтальная перегородка, расположенная в диаметральной плос­кости корпуса, и несколько несплошных поперечных перегородок. Греющий пар, двигаясь вдоль труб в верхней части подогрева­теля в одном, а в нижней части в противоположном направлении, одновременно несколько раз обтекает трубный пучок поперек.

Корпус подогревателя питательной воды выполняют сварным из стали. Для крепления к корпусу приваривают опоры, одна из которых у больших подогревателей подвижная. Чтобы предохра­нить трубы подогревателя от эрозии, в патрубках, по которым подводится греющий пар, устанавливают отбойники. Снаружи к корпусу подогревателя могут быть приварены ребра жесткости.

Трубные доски в подогревателях обычно стальные, а у неболь­ших подогревателей иногда латунные. Водяные камеры в зави­симости от давления нагреваемой воды изготовляют литыми из чугуна или стали. Применяются и стальные сварные водяные ка­меры. Трубы в подогревателе часто имеют наружный диаметр 16—20 мм и толщину стенок до 2 мм.

Трубы развальцовывают обоими концами в трубных досках. В конструкциях, показанных на рис. 56, б, в, трубная батарея может быть целиком вынута из корпуса подогревателя. Для стока конденсата подогреватели с горизонтально расположенными тру­бами устанавливают с наклоном до 10° в сторону сборника; в нижней части поперечных перегородок делают вырезы, а в го­ризонтальных перегородках — отверстия.

Чтобы греющий пар конденсировался полностью, его конден­сат удаляется через конденсатоотводчик, часто называемый кон­денсационным горшком. Применяются поплавковые и термоста­тические конденсатоотводчики. Снаружи корпус подогревателя покрывают изоляцией и обшивают тонкой листовой сталью.

В водяных камерах подогревателей сверху необходимо уста­навливать клапаны для выпуска воздуха, а внизу — спускные пробки. На трубопроводах перед подогревателем и на выходе из него предусматривают карманы для термометров. К паровому пространству подогревателя присоединяют предохранительный клапан, водоуказательную колонку и клапаны для удаления воз­духа и подвода пара при выщелачивании.

В современных паротурбинных установках при котельном дав­лении около 8 МПа (~81,6 кгс/см2) температура питательной воды достирает 230—250° С. Для повышения экономичности в та­ких установках применяют до пяти ступеней подогрева.

В последнее время в паротурбинных установках с повышен­ными параметрами пара все шире стали применять трехсекционные подогреватели (рис. 57). В них питательная вода, поступающая по трубопроводу 3, последовательно подогревается сначала в секции переохлаждения конденсата 4, затем в конденсационной секции 6 и, наконец, в пароохладительной секции 1. В конденса­ционной секции, как и в обычном подогревателе, греющий пар конденсируется при температуре насыщения, а питательная вода подогревается до температуры примерно на 3°С меньше. В паро-охладительную секцию 1 по трубопроводу 2 поступает перегретый греющий пар, отбираемый от ГТЗА, который (обычно оставаясь еще перегретым) затем отводится в конденсационную секцию. По­этому в пароохладительной секции питательная вода подогре­вается до температуры насыщения греющего пара или даже превышает ее на 1—2° С.

На рисунке также приведена температура греющего пара, конденсата и питательной воды для случая, когда давление греющего пара составляет 1555 кПа, а соответствующая тем­пература насыщения его 200° С. Применение пароохладительной секции позволило подогревать питательную воду до 201° С. Из секции переохлаж­дения конденсат 5 удаляется охлажденным до 175 °С, т. е. меньше температуры насыщения на 25 °С и выше температуры поступаю­щей питательной воды лишь на 7° С.

Два-три трехсекционных- подогревателя можно скомпоновать в одном блоке.

Для подогрева питательной воды применяются также подо­греватели змеевикового типа (подогреватели воды для бытовых нужд, скоростного типа). Подогреватели пресной воды бытового назначения обычно применяют с U-образными трубами. В подо­гревателях забортной воды предпочтительнее применять прямые трубы.

§ 36. ПОДОГРЕВАТЕЛИ ТОПЛИВА И МАСЛА

Подогрев высоковязких моторных топлив и мазутов, как пра­вило, осуществляется в паровых подогревателях топлива. Иногда применяются и электрические подогреватели топлива.

Отечественной промышленностью выпускаются нормализован­ные секционные подогреватели топлива (ПТС) и кожухотрубные подогреватели топлива (ПТК) с U-образными трубами. Секци­онные подогреватели (рис. 58) относятся к теплообменным аппа­ратам типа «труба в трубе». Греющий пар в подогревателях этого типа проходит внутри трубы 2, к наружной поверхности прямых участков которой приварены продольно расположенные ребра. Эта труба вместе с ребрами размещается внутри другой трубы 1, имеющей больший диаметр. Нагреваемое топливо про­текает в кольцевом пространстве между этими трубами.

Секционные подогреватели отличаются простотой конструкции и надежностью в эксплуатации, удобны для размещения. К не­достаткам их следует отнести сравнительно большие габариты при большой производительности.

При расходе подогреваемого топлива свыше 1000 кг/ч можно применять подогреватели топлива с U-образными трубами (рис. 59), развальцованными в сдвоенных трубных досках 5. Крышка подогревателя 7 стальная литая. Подогреватель этого типа (например, модели ПН5/40) рассчитан на расход топлива от 950 до 5750 кг/ч. Поверхность нагрева подогрева­теля 5 м², наружный диаметр труб, 17 мм и толщина стенок 1 мм. Применение сдвоенных трубных досок при качественном монтаже подогревателей практически исключает за­грязнение конденсата греющего пара подо­греваемым топливом.

В качестве подогревателей топлива, в част­ности на судах с паротурбинными установ­ками, нашли применение и кожухотрубные ап­параты с прямыми трубами, развальцован­ными в жестко закрепленных трубных досках. На рис. 60 показан восьмиходовой подогрева­тель топлива со стальными прямыми трубами, развальцованными обоими концами. Внутри труб протекает топливо, снаружи они омыва­ются паром. Применение стальных труб по­зволило упростить конструкцию подогревателя благодаря тому, что стальной сварной корпус его приварен к трубным доскам. Различие удлинений стальных труб и корпуса сравнительно невелико и не вызывает заметных термических напряжений. В приемном патрубке греющего пара устроен пароотбойник, внутри корпуса имеются поперечные перегородки. Конденсат греющего пара удаляется из сборника. На подогревателях устанавливают предохранительные клапаны для предотвращения чрезмерного по­вышения давления в корпусе подогревателя при возрастании дав­ления греющего пара или разрыве трубы.

Подогреватели масла применяются при необходимости умень­шения вязкости масла, например перед его сепарированием или иногда при подготовке установки к вводу в действие. На судах часто используют кожухотрубные маслоподогреватели с U-образ­ными трубами, с прямыми трубами и подвижной трубной доской, а также змеевиковые. Греющей средой в них служит пар или горячая вода.

Иногда теплообменные аппараты одной и той же конструкции применяются в качестве как подогревателей топлива, так и по­догревателей масла. На рис. 61 показан паровой подогреватель сепараторов тяжелого топлива теплохода «Выборг». Аналогична конструкция подогревателя сепарируемого масла на этом тепло­ходе. Подогреватель имеет поверхность нагрева 6,5 м2, образо­ванную прямыми трубами (15X1 мм).

В качестве подогревателей топлива и масла применяются так­же теплообменные аппараты змеевикового типа. В таких аппара­тах (рис. 62) поверхность нагрева образована одним или не­сколькими спирально изогнутыми змеевиками. Подогреваемое топливо (масло) прокачивается внутри труб змеевиков, а грею­щий пар омывает змеевики снаружи.

Зарубежные фирмы изготовляют подогреватели топлива и иных конструкций. Так, в подогревателе типа «Сунрод» греющий эле­мент представляет собой трубу, покрытую большим числом мед­ных шипов, загнутых по направлению движения подогреваемого топлива.

На рис. 63 показан подогреватель топлива типа «Паракойл», нагревательные элементы которого состоят из стальных верти­кальных труб 5 (нижние концы развальцованы в трубной доске, а верхние —глухие). Внутри каждой трубы 5 находится латун­ная труба 6 меньшего диаметра. Верхние концы труб 6 открыты, а нижние развальцованы во второй трубной доске. Греющий пар поступает через патрубок 1, проходит через трубы 6, а затем че­рез канал кольцевого сечения между трубами 5 и 6. Конденсат греющего пара удаляется через патрубок 2 из камеры между трубными досками. Снаружи греющие элементы омываются по­догреваемым топливом, поступающим через патрубок 3 и удаляе­мым через патрубок 4.

§ 37. ПЛАСТИНЧАТЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

В последнее время все шире применяются пластинчатые теплообменные аппараты типа «Де Лаваль», используемые в каче­стве маслоохладителей, охладителей пресной воды, подогревате­лей топлива и масла, подогревателей воды в испарителях и т. д. Поверхность теплообмена в этих аппаратах образована штампо­ванными гофрированными пластинами обычно из листовой нер­жавеющей стали толщиной 1 — 1,3 мм. Пластины омываются с од­ной стороны охлаждаемой (греющей), а с другой — нагреваемой средой. Каждая пластина (рис. 64) имеет четыре отверстия для подвода и отвода греющей и, нагреваемой сред. Между пласти­нами установлены резиновые прокладки, благодаря которым обеспечивается плотность и распределяются потоки охлаждаемой и нагреваемой сред в каналы между смежными пластинами. В за­висимости от назначения и производительности аппарата зазор между смежными пластинами составляет 2—6 мм и больше.

Резиновые прокладки устанавливают на клею в специальных пазах. Как видно из рисунка, две из трех прокладок на показанной стороне пластины имеют форму кольца, что препятствует до­ступу одной из теплообменивающихся сред. На обратной стороне пластины такие кольцевые прокладки изолируют доступ другой из сред.

На рис. 65 представлен пластинчатый теплообменный аппарат, состоящий из ряда пластин 5, прижатых с помощью нажимной плиты 4 и стяжных болтов 3 к станине 6. Охлаждаемая и нагреваемая среды под­водятся к аппарату и отводятся от него через патрубки 1. На опорные штан­ги 2 при сборке и разборке аппарата подвешивают пластины.

Схема течения охлаждаемой и на­греваемой сред в каналах между пла­стинами может быть различной. На рис. 66 показана схема, при которой обеспечен противоток, причем по одной группе параллельно включенных каналов охлаждаемая среда течет вниз (сплошные линии), а по другой — нагреваемая среда течет вверх (штрихо­вые линии). Возможно последовательное включение нескольких групп, т. е. нескольких пакетов, состоящих из ряда пластин.

Имеются пластинчатые теплообменные аппараты, у которых приемные патрубки расположены со стороны станины, а отлив­ные— со стороны нажимной плиты. Такая конструкция менее удобна, так как возникает необходимость отключения патрубков при чистке аппарата. Основные достоинства пластинчатых теплообменных аппаратов — их компактность и удобство чистки. Для чистки отдают гайки нажимных болтов, сдвигают вдоль опорных штанг сначала нажимную плиту, а затем последовательно каж­дую из пластин. На концах опорных штанг при этом удобно уста­новить упорные фланцы или иные ограничители.

Недостатком пластинчатых теплообменных аппаратов явля­ется наличие у них большого числа соединений с резиновыми прокладками и возможность появления трещин у пластин. Такие аппараты применяются при умеренных температуре и давлении теплообменивающихся сред (около 0,1 МПа и иногда до 0,3 МПа по манометру). Так, например, на теплоходах серии «Красноград» установлены по два маслоохладителя пластинчатого типа с поверхностью теплообмена 50 м², два охладителя пресной воды системы охлаждения цилиндров главного двигателя с общей по­верхностью теплообмена 170 м², охладители пресной воды, порш­ней и форсунок.

§ 41. ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

В процессе эксплуатации необходимо контролировать темпера­турный режим тешюобменных аппаратов, систематически фикси­руя температуру и давление теплоносителей на входе в аппарат и на выходе из него.

Действие паровых подогревателей питательной воды оценивают по разности температур δt = t_н — t₂, которая зависит от нагрузки подогревателя. Возрастание раз­ности температур δt может произойти в результате образования воздушных мешков в паровом или водяном пространстве подогре­вателя, загрязнения его поверхности нагрева или неудовлетвори­тельного действия конденсатоотводчиков. При неизменном дав­лении греющего пара это приводит к снижению конечной тем­пературы подогреваемой воды из-за уменьшения коэффициента теплопередачи или активной поверхности нагрева (при затоплении ее конденсатом). Если вследствие неудовлетворительного действия конденсатоотводчиков через них удаляется не только весь кон­денсат, но и часть греющего пара, то снижается экономичность ус­тановки и может нарушиться режим в том подогревателе или сборнике, куда вместе с конденсатом будет поступать пар. В экс­плуатации необходимо контролировать уровень конденсата и уда­лять воздух из парового пространства подогревателей. В вакуум­ных подогревателях необходимо обеспечивать непрерывный отсос воздуха.

Во избежание снижения коэффициента теплопередачи из-за образования воздушных мешков в маслоохладителях и охладите­лях пресной воды необходимо не реже одного раза в сутки уда­лять через воздушные краны воздух из водяных камер. Одна из неполадок маслоохладителей и охладителей пресной воды — их неплотность. На теплоходах давление масла и пресной воды всегда поддерживается большим, чем давление забортной воды, поэтому при неплотностях масло и пресная вода уносятся с охлаждающей водой. Об утечках пресной воды из системы охлаждения дизелей судят по уровню воды в расширительной цистерне, а об утечках масла — по уровню в масляной цистерне. Однако таким способом утечки масла могут быть обнаружены лишь после зна­чительной его потери.

Для своевременного обнаружения утечек масла применяют маслоуказатель (рис. 68), к которому по трубе с клапаном 1 по­ступает забортная вода по выходе ее из маслоохладителя. Маслоуказатель имеет прозрачный цилиндрический корпус 3, крышки 2 которого установлены на резиновых прокладках с помощью стяж­ной шпильки. Вода из маслоуказателя удаляется через трубу 5, поэтому уровень в нем поддерживается выше верхнего среза этой трубы. При утечках масло, скапливающееся на поверхности уровня, можно своевременно обнаружить и устранить неплот­ности. Уравнительная труба 4 используется для промывки маслоуказателя, через нее происходит перелив воды при чрезмерном открытии кла­пана 1.

Рис. 68. Маслоуказа­тель.

Осмотр через лючки водяных полостей масло­охладителей и протекторов рекомендуется про­изводить не реже двух раз в год. Если пластины разъедены более чем на 50%, их следует заме­нить. Для очистки труб маслоохладителей и по­догревателей топлива используют моющую при­садку ВНИИП-102 с подогревом до 60—80° С и 3—5%,-ный раствор тринатрийфосфата, каусти­ческой соды (Na2CO3) и другие химические растворители. В по­следнее время для очистки маслоохладителей используют трихлорэтилен (С2НС13); в связи с токсичностью трихлорэтилена при его применении необходимо в соответствии с инструкциями строго со­блюдать технику безопасности. С водяной стороны трубы масло­охладителей очищают так же, как и трубы конденсаторов.

При обнаружении в теплообменном аппарате поврежденной трубы ее можно временно заглушить, испытав аппарат на плот­ность. Повреждение трубы часто сопровождается резким повыше­нием или понижением давления жидких теплоносителей, например топлива или масла в подогревателях.

В пластинчатых теплообменных аппаратах иногда наблюда­ются трещины в пластинах и повреждения резиновых прокладок. Такие повреждения могут быть вызваны чрезмерной или неравно­мерной затяжкой стяжных болтов (см. рис. 65); поэтому фирмы, изготовляющие пластинчатые теплообменные аппараты, рекомен­дуют контролировать общую толщину сжатых пластин вместе с прокладками с учетом температуры теплоносителей.