Оптимизация рисунка пластин для теплообмена на морских судах

Поддерживаемый производственным цехом площадью 5000 м² в Наньтуне и более чем 100 инженерами-электриками и механиками, SME Group уже более 20 лет обслуживает отрасль морской и оффшорной инженерии и по-прежнему предоставляет высококачественные и современные услуги в этой сфере: ежегодно мы выполняем более 500 заказов и поставляем оборудование более чем на 1000 судов в год. В этом блоге обсуждается оптимальный рисунок пластины для пластинчатого теплообменника — ключевого элемента морских систем, а также то, как эти оптимальные рисунки обеспечивают тепловую и экономическую эффективность за счёт лучшего понимания управления гидравлическим сопротивлением и тепловым потоком в наших системах охлаждения, обогрева и рекуперации тепла.

Угол «шеврон» и его компромисс между теплопередачей и перепадом давления

Самым важным геометрическим параметром при проектировании ПТЭ является угол «елочки» (или «рыбьей кости»). Как обычно, чем больше угол «елочки» (например, от 60° до 75°), тем выше интенсивность турбулентности, а следовательно — и коэффициент теплопередачи; однако одновременно резко возрастают перепад давления и потребляемая насосом мощность. С другой стороны, меньшие углы (от 30° до 45°) создают меньшее гидравлическое сопротивление, но обеспечивают более низкую тепловую эффективность. При использовании в морских применениях вязких жидкостей, таких как смазочное масло, в конструкциях СМЭ редко применяется одна пластина. На сегодняшний день область применения СМЭ включает комбинированные пластинчатые конструкции: например, пластины с большим углом прохода для воды и меньшим углом для масляного контура, либо аналогичные комбинированные решения, позволяющие достичь приемлемой тепловой эффективности без чрезмерных потерь давления. Такой гибридный подход представляет собой комплексное оптимальное решение с точки зрения теплопередачи и гидравлики — что особенно важно для проектов модернизации и строительства новых судов, в которых участвует СМЭ.

Глубина, шаг и соотношение сторон гофрирования

Помимо угла наклона, глубина гофрирования (h), шаг (P) и соотношение сторон (2b/λ) напрямую влияют на эксплуатационные характеристики. Чем больше глубина гофрирования, тем больше площадь поверхности теплопередачи и тем сильнее происходит разделение потоков, что позволяет повысить количество передаваемого тепла в локальной области за счёт вторичного перемешивания. Однако это также увеличивает коэффициент трения и приводит к большему перепаду давления. Исследования, выполненные по методу Тагучи для морских газовых нагревателей, позволили определить оптимальное соотношение параметров: диаметр гофры — 6 мм, глубина гофры — 1 мм, угол наклона гофры — 45°; при этом комплексный показатель эффективности (TP) вырос на 37,41 % по сравнению с традиционным исполнением. Эти основанные на данных методы оптимизации применяются в SME для определения геометрии пластин под конкретные условия эксплуатации судна, чтобы не отказываться от преимуществ в тепловой эффективности из-за чрезмерных затрат на перекачку.

Асимметричные и модифицированные узоры для переменных требований к потоку

Поток горячей стороны. В морской системе процесс потока горячей стороны может использовать тот факт, что его массовый расход может значительно отличаться от расхода в других системах; например, расход через контур подогрева воды может превышать расход через краны жилых помещений в несколько раз. При симметричном применении этого подхода ко всем каналам потока общий перепад давления в контуре с высоким расходом возрастает, однако механическая прочность и тепловая эффективность остаются неизменными. Пластины каналов неравномерного потока — например, одна пластина с увеличенной площадью поперечного сечения одного из каналов за счёт уменьшения глубины штамповки или изменения рельефа рёбер в этом канале — обеспечивают снижение потерь давления в таком увеличенном канале в максимально допустимых пределах с точки зрения механической прочности и сохраняют высокую эффективность теплопередачи. Кроме того, недавние исследования показали повышение термогидравлической эффективности в пластинчатых теплообменниках с шевронным рисунком (угол наклона >1° в разделённых «ёлочках»), где эффект усиления турбулентности превосходит рост гидравлического сопротивления. Такую передовую оптимизацию оценивают инженеры SME для судов, эксплуатируемых в сильно различающихся режимах, а предлагаемые решения с добавленной стоимостью позволят судовладельцам снизить энергопотребление.

Рельефная и новая геометрия поверхности

В недавних исследованиях изучалась возможность замены традиционных «елочных» рисунков на пластины с вогнутыми («волновыми точками») элементами и круглыми выпуклыми пластинами. С помощью численной оптимизации методом поверхности отклика были определены оптимальные параметры (диаметр «волновой точки» около 5,2 мм, глубина 0,9 мм и угол наклона 42°), обеспечивающие максимальную производительность (коэффициент JF) на 11,92 % выше, чем у традиционных «елочных» конструкций. В этой новой конструкции геометрия элементов разработана так, чтобы способствовать возникновению турбулентности и формированию теплового пограничного слоя, при этом сохраняя приемлемое падение давления. Компания SME продолжает внимательно отслеживать подобные инновации и внедряет проверенные решения в проекты модернизации и строительства новых судов, помогая клиентам соответствовать самым последним стандартам эффективности и выбросов.

Заключение: точная конструкция пластин для повышения эффективности морских систем

Оптимизация рисунка пластин не является стандартной операционной процедурой и требует детального изучения свойств жидкости, расходов, допустимых перепадов давления и тепловой нагрузки. Группа SME сертифицирована по стандартам ISO 9001/14001/45001 и обладает более чем двадцатилетним опытом в области теплообмена для морских применений при реализации каждого проекта. Наша локальная сеть обеспечивает оперативную реакцию на верфях по всему миру, особенно в материковом Китае, что позволяет вашим теплообменникам работать на пределе возможностей. SME предоставляет гарантию сроком 12 месяцев и стремление делать больше, чем просто удовлетворять и превосходить ваши ожидания — стремление дополнительно экономить энергию благодаря оптимизации рисунка пластин для достижения измеримой энергосберегающей эффективности. Свяжитесь сегодня с нашими техническими экспертами, чтобы обсудить конкретные требования к отоплению вашего судна.