Integrace deskových výměníků tepla do chladicích systémů motorů

Chladicí systémy námořních motorů jsou srdcem a duší pohonných a elektrických výrobních systémů na palubě plavidla. V éře stále rostoucích výkonových hustot a přísnějších emisních požadavků se význam i výzvy spojené s tepelným řízením motoru rozšířily. Rozšíření použití deskových výměníků tepla (PHE) jako optimální volby pro chlazení motorů – díky jejich účinnosti při výměně tepla a kompaktní velikosti, spolu s nutností přesného propojení všech hydraulických, materiálových a provozních vlastností systému za účelem zvýšení jeho životnosti – se stalo standardní praxí.

Proč deskové výměníky tepla pro námořní motory?

Ve srovnání s tradičním plášťovým a trubkovým výměníkem tepla přenáší deskový výměník tepla až pětkrát vyšší součinitel přenosu tepla díky indukované turbulenci způsobené žebrovanými deskami. Účinnost deskového výměníku tepla má za následek výrazně menší rozměry a hmotnost, což je klíčové kritérium pro námořní motory s omezeným dostupným prostorem. Díky modulárnímu návrhu lze snadno přidat další desky, pokud je potřeba vyšší přenos tepla z důvodu změn zatížení motoru nebo požadavků chladicího systému. Malý teplotní rozdíl mezi proudy v deskových výměnících tepla umožňuje lepší chlazení pláště vody a mazacího oleje, čímž se optimalizuje výkon a životnost spalovacího systému motoru.

Klíčové body integrace do chladicího okruhu

Mořské motory mají dvousoučástový chladicí systém, který se skládá z vysokoteplotního okruhu čisté vody pro chlazení bloku motoru a nízkoteplotního okruhu mořské vody pro odvod tepla přeneseného z čisté vody prostřednictvím středního chladiče. Deskové výměníky tepla mohou v tomto systému plnit dvě funkce: buď jako hlavní chladič vodního pláště motoru, nebo jako chladič mazacího oleje. Jako hlavní chladič vodního pláště motoru převádí PHE teplo z okruhu čisté vody do mořské vody a udržuje teplotu vodního pláště v provozním rozmezí 75 °C až 85 °C.

PHE jako chladič mazacího oleje reguluje teplotu mazacího oleje na hodnotě rovné nebo nižší než je stanovená teplota, aby byla zachována správná viskozita.

Kromě chlazení pláště chladicí vody a mazacího oleje se PHE také používají k chlazení nabitého vzduchu turbodmychadla v podobném okruhu, aby se zvýšila hustota vzduchu vstupujícího do motoru a tím se zlepšila účinnost spalování. Každé z těchto použití má různé tlaky, teploty a charakteristiky zanesení, které určují rozměry systému.

Hlediska materiálu a konstrukce pro námořní provoz

Z důvodu korozivního prostředí mořské vody v námořních aplikacích je kriticky důležitý pečlivý výběr vhodných materiálů desek. Titan poskytuje nejlepší ochranu proti pittingové, štěrbinové a galvanické korozi vyvolané chloridy, které se typicky vyskytují při teplém, chlorovaném proudění mořské vody. Na straně čisté vody deskového výměníku tepla (PHE) lze často specifikovat nerezovou ocel třídy 316L za výrazně nižší cenu, přičemž zajišťuje dobrý odpor vůči korozi. Pro více korozivní proudy čisté vody nebo mazacího oleje lze specifikovat slitinu 254 nebo duplexní ocel, které nabízejí vyšší pevnost a lepší odolnost vůči korozi. Výběr materiálu těsnění musí rovněž zohledňovat kombinaci faktorů, jako jsou cyklické teploty, chemické složení tekutiny a účinek deformace pod tlakem.

Běžně používané materiály pro výměníky tepla s deskovými bloky (PHE) jsou nitril, EPDM a FKM (Viton), každý s jiným rozsahem provozních teplot a odolností vůči konkrétním chemickým složkám kapalin. Je třeba poznamenat, že tlaková ztráta přes PHE by měla být omezena na přibližně 1–2 bar pro obě okruhy, aby nedošlo k přetížení čerpadla nebo k podmínkám s nízkým průtokem.

Hydraulika systému a osvědčené postupy instalace

Správné použití deskového balíku PHE sahá dál. Hydraulika a návrh systému mají významný dopad na správný provoz výměníku tepla. Měl by být navržen tak, aby se snížil objem potrubí a zároveň umožnil snadný přístup k deskovému balíku pro údržbu. Optimální orientace a umístění PHE by měly minimalizovat délku potrubí a umožnit snadný přístup pro čištění deskového balíku, protože PHE je nutné vyprázdnit, aby bylo možné balík vyjmout.

Standardní postup vyžaduje svislé umístění výměníku tepla s deskami (PHE), aby bylo zajištěno správné odvodnění obou okruhů a odvzdušnění zachyceného vzduchu. Do obou proudů kapaliny před vstupem do výměníku tepla s deskami (PHE) je třeba začlenit filtrující síta, aby se desky a těsnicí systém chránily před nečistotami a poškozením. Teploty a tlaky je nutné monitorovat v obou okruzích pomocí vhodně umístěných manometrů a tepelné roztažení obou okruhů kapalin je třeba kompenzovat buď roztažnými smyčkami, nebo flexibilními potrubními spoji, aby nedošlo k nadměrnému namáhání utahovacích šroubů výměníku tepla s deskami (PHE). U plavidel s více motory a jejich příslušnými výměníky tepla s deskami (PHE) musí být instalována uzavírací armatura, která umožní izolaci a údržbu jednoho výměníku tepla s deskami (PHE) bez nutnosti vyřazení celého plavidla z provozu.

Monitorování výkonu a integrace údržby

Integrace systému deskového výměníku tepla (PHE) není operace typu „nainstaluj a zapomeň“, ale vyžaduje sledování provozních parametrů PHE, aby bylo zajištěno, že funguje s návrhovou účinností. Indikátory potenciálních problémů zahrnují výrazné odchylky teploty výstupního média od požadovaných nastavených hodnot, rostoucí tlakový spád v kterémkoli z obvodů a sledování míry pronikání mořské vody do okruhu čisté vody. Pokud je zaznamenáno zhoršení výkonu, chemické čištění PHE obnoví jeho původní účinnost přenosu tepla při organickém znečištění, zatímco odstranění vodního kamene lze provést pomocí vysokotlakého čištění za vysoké teploty. Začleněním plánované pravidelné údržby, která bude prováděna současně s údržbou motoru, lze snížit množství neplánovaných prostojů a prodloužit efektivní životnost desek a těsnicích těsnění.

Závěr

Volba deskových výměníků tepla pro námořní motory zajišťuje optimální podmínky, což umožňuje dosáhnout nejvyšší účinnosti přenosu tepla v nejmenším možném prostoru a zároveň nabízí mimořádnou flexibilitu vzhledem ke kapacitě. Skupina SME se zabývá námořní technikou již více než dvacet let a má zaručený certifikovaný kvalitní systém podle normy ISO pro celé chladicí systémy, který zaručuje důkladné řízení, i při provádění retrofitů. Kromě toho umožňuje stokrát inženyrů a techniků pracujících ve 5 000 m² velké výrobní halě společnosti SME dokončit všechny vaše námořní projekty pod heslem „Beyond Concern“, čímž vám pomáhá a každoročně obsluhuje přibližně tisíc lodí pomocí systémů a originálních náhradních dílů. Skupina SME je ideálním partnerem pro optimalizaci jak výkonu, tak životnosti chladicích systémů vašich námořních motorů; neváhejte se na nás obrátit, abychom společně probrali podrobnosti vašich dalších projektů a mohli vám poskytnout cenovou nabídku pro námořní chladicí systémy.