Введение
Развитие судовых энергетических установок, увеличение их мощности, надежности и долговечности обуславливает создание надежных, эффективных, простых в изготовлении и эксплуатации судовых теплообменных аппаратов, являющихся неотьемлимой частью энергетических установок.
Судовые охладители и подогреватели жидкостей представляют собой устройства, в которых происходит передача тепла от одной среды (теплоотдающей) к другой (тепловоспринимающей).
По характеру обмена теплом судовые охладители и подогреватели являются в основном теплообменными аппаратами поверхностного типа, когда передача тепла от теплоотдающей среды к тепловоспринимающей происходит через разделяющую их поверхность, а по принципу работы – рекуперативными (передача тепла происходит при одновременном протекании теплообменивающихся сред).
По назначению судовые охладители и подогреватели жидкостей можно подразделить на энергетические, вспомогательные и бытовые. Аппараты первой группы применяются в системах охлаждения воды и масла главных двигателей, для подогрева питательной воды в конденсатно-питательных системах и подогрева топлива перед форсунками паровых котлов. Аппараты второй группы используются в судовых системах и вспомогательных установках для охлаждения или подогрева воды или вязких жидкостей. В системах кондиционирования воздуха, отопления судовых помещений и санитарно-бытовых системах применяются аппараты третьей группы.
Несмотря на то что судовые охладители и подогреватели жидкостей различаются по назначению, роду теплоносителей и конструкции, можно сформулировать общие требования, которые необходимо учитывать при их проектировании. Основные эксплуатационные требования – это надежность аппаратов в течение заданного срока и простота обслуживания в судовых условиях.
В данной работе перед студентом поставлена задача – рассчитать несколько видов судовых теплообменных аппаратов с техническими характеристиками, указанными в задании. Так же небоходимо провести сравнение полученных параметров аппаратов с параметрами аппаратов из каталога фирм-производителей.
Целью данной работы является ознакомление студента с методиками конструирования теплообменных аппаратов.
Расчет подогревателя топлива
Исходные данные
Количество подогреваемой вязкой жидкости: Gж =5000 кг/ч
Температура вязкой жидкости на входе в подогреватель: tж1=20оС
Давление греющего пара: p1=11 
105Па
Температура вязкой жидкости на выходе из подогревателя: tж2 =90оС
Марка жидкости: мазут топочный 40
Описание объекта
Для паровых котлов судовых энергетических установок в качестве топлива применяют мазуты различных марок. Для правильного распыливания и сжигания жидкого топлива в форсунках котлов необходимо, чтобы его вязкость была достаточно мала, что может быть получено только в результате нагрева мазутов в поверхностных теплообменных аппаратов до определенной температуры. Греющая среда, как правило – водяной пар. Высокие температуры греющего пара, приводящие к значительным термическим напряжениям в материалах, требования по исключению попадания топлива в греющий пар, возможность коксования топлива и в связи с этим затруднительная очистка поверхностей нагрева определили следующие судовые конструкции кожухотрубных подогревателей топлива:
Секционные, с U-образными трубками, с прямыми трубками, закрепленными в неподвижных трубных досках, с прямыми трубками и плавающей трубной доской, змеевиковые. Из перечисленных конструкций наиболее широко применяются секционные подогреватели топлива и с U-образными трубками, для производительности по топливу более 1000 кГ/час. Конструкция подогревателей топлива с U-образными трубками по сравнению с другими конструкциями имеет значительные преимущества. Отсутствуют вторая трубная доска и вторая крышка, что уменьшает вес и габариты подогревателя, а так же трудоемкость изготовления. Вдвое уменьшается количество вальцовочных соединений трубок с трубной доской, в результате чего увеличивается надежность работы подогревателя (нарушение плотности вальцовки трубок в трубных досках – наиболее распространенных дефект при эксплуатации). U-образные трубки свободно удлиняются под действием температуры, в связи с чем вальцовочные соединения разгружаются от температурных напряжений. Недостаток подогревателей топлива с U-образными трубками являются невозможность очистки внутренней поверхности трубки механическим путем, а так же трудность замены вышедшей из строя трубки.
Схема подогревателя с U-образными трубками представлена в приложении 1.
Методика теплового и гидравлического расчетов
Одним из основных вопросов при проектировании подогревателей вязких жидкостей является определение αв от внутренней поверхности трубки к жидкости.
Для определения αв приводятся различные формулы. По результатам обработки опытных данных, полученных при испытаниях флотских мазутов марок 12, 20 и топочного 40, составлено критериальное уравнение для мазутов:
Для 
; 
.
Критерий Нуссельта 
характеризует интенсивность теплообмена;
- коэффициент теплопроводности жидкости 
Критерий Пекле 
характеризует подобие тепловых потоков.
- температуропроводность 
- коэффициент кинематической вязкости.
После преобразования уравнения получают расчётную зависимость для мазутов:
где 
-
С – теплоёмкость 
- коэффициент динамической вязкости 
- весовая скорость 
; 
;
- внутренний диаметр трубки, м
- число трубок в одном ходе;
- гидравлический (эвивалентный) диаметр, м; 
; 4f – площадь сечения
Аналогично составлено критериальное уравнение для масел по результатам испытаний турбинных масел УТ и Т.
и 
После преобразования уравнения получают расчётную зависимость для масел: 
Все физические параметры вязкой жидкости определяют при средней температуре. Желательно, входящие в формулы величины определять опытным путём. На практике допустимы приближённые формулы.
Коэффициент теплопередачи определяют по зависимости:
Для вязких жидкостей величинами 
и 
можно пренебречь, так как их абсолютные значения малы по сравнению с 
, т.е. принять 
.
Расчёт подогревателя для вязкой жидкости ведут для каждого отдельного хода (при этом 
- мала и средние можно определить точнее).
Затем находят среднее значение 
для всего подогревателя:
где z –число ходов; 
- среднелогарифмическая разность температур.
Критерием правильности расчёта подогревателя может быть комплекс
,
где 
- средняя разность температур для каждого хода;
- на выходе данного входа; 
- на входе данного входа;
- разность температур двух сред в начале потока жидкости в рассматриваемом ходе; 
– в конце.
Отклонение этого критерия для каждого хода от средней арифметической величины всех значений 
для данного подогревателя должно находятся в пределах 
.
[м²].