Sveučilište u Zagrebu, Fakultet strojarstva i brodogradnje Katedra za strojeve i uređaje plovnih objekata

BRODSKI POMOĆNI STROJEVI

Izmjenjivači topline

Sveučilište u Zagrebu, Fakultet strojarstva i brodogradnje Katedra za strojeve i uređaje plovnih objekata Izmjenjivači topline Termoenergetski uređaji u kojima se izmjenjuje toplina između dvije struje tekućina. Koriste se u brodskim sustavima:  hlađenja motora,     ulja za podmazivanje, zraka za prednabijanje, goriva, tereta.

Brodski pomoćni strojevi: Izmjenjivači topline

Sveučilište u Zagrebu, Fakultet strojarstva i brodogradnje Katedra za strojeve i uređaje plovnih objekata Podjela    rekuperatori regeneratori direktni (izravni) izmjenjivači Brodski pomoćni strojevi: Izmjenjivači topline

Sveučilište u Zagrebu, Fakultet strojarstva i brodogradnje Katedra za strojeve i uređaje plovnih objekata Rekuperatori    istosmjerni protusmjerni križni Brodski pomoćni strojevi: Izmjenjivači topline ISTOSMJERNI REKUPERATOR PROTUSMJERNI REKUPERATOR

Sveučilište u Zagrebu, Fakultet strojarstva i brodogradnje Katedra za strojeve i uređaje plovnih objekata Termodinamičke osnove Izmjena topline može biti:  provođenje (kondukcija),   konvekcija, zračenje (zanemarivo).

Stijenka koja odvaja dvije struje tekućina je cijevnog ili pločastog oblika.

Brodski pomoćni strojevi: Izmjenjivači topline

Sveučilište u Zagrebu, Fakultet strojarstva i brodogradnje Katedra za strojeve i uređaje plovnih objekata Termodinamičke osnove

PRIJELAZ

topline topliji fluid  ║ ╚═══════ ►

PROVOĐENJE

topline toplija stijenka  hladnija stijenka PRIJENOS (PROLAZ) topline

PRIJELAZ

topline  hladniji fluid ▲ ══════════╝ Brodski pomoćni strojevi: Izmjenjivači topline

Sveučilište u Zagrebu, Fakultet strojarstva i brodogradnje Katedra za strojeve i uređaje plovnih objekata Termodinamičke osnove Toplinski tok u protusmjernom pločastom rekuperatoru:

k A m

,log    k A Δ ... koeficijent prolaza topline [W/m 2 K], ... površina preko koje se izmjenjuje toplina [m 2 ], m , log ... srednja logaritamska razlika temperatura [K]: 

m

, log  ( 

ulaz ulja

 

izlaz vode

) ln 

ulaz ulja



izlaz ulja izlaz ulja

 

izlaz vode

 

ulaz vode

 

ulaz vode

) Brodski pomoćni strojevi: Izmjenjivači topline

Sveučilište u Zagrebu, Fakultet strojarstva i brodogradnje Katedra za strojeve i uređaje plovnih objekata Termodinamičke osnove

k





1

o i



1



u

 

1



1 Brodski pomoćni strojevi: Izmjenjivači topline

1

 

2 2



1



v

Sveučilište u Zagrebu, Fakultet strojarstva i brodogradnje Katedra za strojeve i uređaje plovnih objekata Termodinamičke osnove Toplinski tok u protusmjernom cijevnom rekuperatoru:

k L

  L k ... duljina cijevi [m] ... koeficijent prolaza topline [W/mK]

m

,log Brodski pomoćni strojevi: Izmjenjivači topline

Sveučilište u Zagrebu, Fakultet strojarstva i brodogradnje Katedra za strojeve i uređaje plovnih objekata Termodinamičke osnove

k



R

1

1

 

u



1



1 Brodski pomoćni strojevi: Izmjenjivači topline

ln

R

2

R

1

1



1



ln

R

3

R

2



1



2

ln

R

4

R

3



R

4

1

 

v

Sveučilište u Zagrebu, Fakultet strojarstva i brodogradnje Katedra za strojeve i uređaje plovnih objekata Termodinamičke osnove U inženjerskim proračunima se koristi sljedeći izraz:

k



R u

1

 

u



o zu R u

1



1



ln

R R u v



o zv R v



R v

1

 

v

pri čemu se otpori uslijed onečišćenja određuju iskustveno.

Brodski pomoćni strojevi: Izmjenjivači topline

Sveučilište u Zagrebu, Fakultet strojarstva i brodogradnje Katedra za strojeve i uređaje plovnih objekata Termodinamičke osnove Općenito se koeficijent prijelaza topline računa kao:

Nu

  

d

 

Nu(Pr, Re, Gr)

    Nu … Nusseltova značajka, Pr ... Prandtlova značajka, Re ... Reynoldsova značajka (bitna kod prisilnog strujanja), Gr ... Grashoffova značajka (bitna kod prirodnog strujanja) Brodski pomoćni strojevi: Izmjenjivači topline

Sveučilište u Zagrebu, Fakultet strojarstva i brodogradnje Katedra za strojeve i uređaje plovnih objekata Termodinamičke osnove Za dovoljno duge cijevi ( L >40 d ) na unutarnjoj strani vrijedi:

Nu

  

u



d u

  0.125

0.75

Pri čemu su:

Pr



a

 

c p

   

c p



Re

 

u

4



V n d u

4



V



4



m n d u n d u

Brodski pomoćni strojevi: Izmjenjivači topline

Sveučilište u Zagrebu, Fakultet strojarstva i brodogradnje Katedra za strojeve i uređaje plovnih objekata Termodinamičke osnove S vanjske strane cijevi vrijedi prema Grimsonu:

Nu

   

d a



0.32



f A



Re

0.61



Pr

0.31

Re

 

e



ulja a

Brodski pomoćni strojevi: Izmjenjivači topline

Sveučilište u Zagrebu, Fakultet strojarstva i brodogradnje Katedra za strojeve i uređaje plovnih objekata Termodinamičke osnove Brodski pomoćni strojevi: Izmjenjivači topline

Sveučilište u Zagrebu, Fakultet strojarstva i brodogradnje Katedra za strojeve i uređaje plovnih objekata Termodinamičke osnove Ako je broj redova cijevi manji od 10, koeficijent prijelaza topline se smanjuje za faktor prema tablici: Broj redova

f Z

10 1 8 0.98

6 0.95

4 0.88

2 0.79

1 0.7

Koeficijent prijelaza topline za pločaste izmjenjivače nije moguće jednoznačno odrediti. Određuje se toplinski tok za jednu ploču u ovisnosti o razlici temperatura na ulazu te prema tome potreban broj ploča.

Brodski pomoćni strojevi: Izmjenjivači topline

Sveučilište u Zagrebu, Fakultet strojarstva i brodogradnje Katedra za strojeve i uređaje plovnih objekata Proračun pada tlaka Kroz cijevi:   Linijski pad tlaka Lokalni pad tlaka λ ξ je faktor trenja i određuje se prema Moodyevom dijagramu.

je faktor dodatnog otpora i određuje se prema tablicama.

Brodski pomoćni strojevi: Izmjenjivači topline

Sveučilište u Zagrebu, Fakultet strojarstva i brodogradnje Katedra za strojeve i uređaje plovnih objekata Moodyev dijagram Brodski pomoćni strojevi: Izmjenjivači topline

Sveučilište u Zagrebu, Fakultet strojarstva i brodogradnje Katedra za strojeve i uređaje plovnih objekata Lokalni gubici    utjecanje u veliki spremnik = 1 ušće (uvaljana cijev) = 0.5

zakretanje protoka u cijevi za 180 ° : Brodski pomoćni strojevi: Izmjenjivači topline

Sveučilište u Zagrebu, Fakultet strojarstva i brodogradnje Katedra za strojeve i uređaje plovnih objekata Pad tlaka na strani ulja Po formuli:  gdje je: … Eulerov (kavitacijski) broj Brodski pomoćni strojevi: Izmjenjivači topline

Sveučilište u Zagrebu, Fakultet strojarstva i brodogradnje Katedra za strojeve i uređaje plovnih objekata Pad tlaka na strani ulja Brodski pomoćni strojevi: Izmjenjivači topline

Sveučilište u Zagrebu, Fakultet strojarstva i brodogradnje Katedra za strojeve i uređaje plovnih objekata Konstrukcija  Cijevni izmjenjivači Brodski pomoćni strojevi: Izmjenjivači topline

Sveučilište u Zagrebu, Fakultet strojarstva i brodogradnje Katedra za strojeve i uređaje plovnih objekata Cijevi su uvaljane u pregradu komore, u nekim slučajevima zavarene ili zalemljene Prirubnice napravljene prema standardima i moguće ih je rotirati za po 90 ° Cijevi od bakra, admiralitetske mjedi, legure bakra i nikla, nehrđajućeg čelika ili titana Komore od čeličnog lijeva, bronce ili nehrđajućeg čelika Prirubnice velikog promjera zbog manje potrebne brzine i manjeg pada tlaka Zazori u pregradama trebaju biti što manji kako bi se smanjilo prostrujavanje tekućine 1, 2 ili 4 prolaza Postolje je podesivo zbog lakše montaže Brodski pomoćni strojevi: Izmjenjivači topline Plašt od mjedi ili nehrđajućeg čelika

Sveučilište u Zagrebu, Fakultet strojarstva i brodogradnje Katedra za strojeve i uređaje plovnih objekata Pločasti izmjenjivači Sastoje se od blisko postavljenih ploča između kojih naizmjenice struje toplija i hladnija tekućina.

Brodski pomoćni strojevi: Izmjenjivači topline

Sveučilište u Zagrebu, Fakultet strojarstva i brodogradnje Katedra za strojeve i uređaje plovnih objekata Pločasti izmjenjivači   rastavljivi  zabrtvljeni nerastavljivi   zavareni (čelik) zalemljeni (bakar) Brodski pomoćni strojevi: Izmjenjivači topline

Sveučilište u Zagrebu, Fakultet strojarstva i brodogradnje Katedra za strojeve i uređaje plovnih objekata Pločasti izmjenjivači Konfiguracija i oblika ploča se bira kako bi se intenzivirale turbulencije i povećao koeficijent prijelaza topline.

Brodski pomoćni strojevi: Izmjenjivači topline H-ploča V-ploča

Sveučilište u Zagrebu, Fakultet strojarstva i brodogradnje Katedra za strojeve i uređaje plovnih objekata Usporedba cijevnih i pločastih izmjenjivača topline     ekonomske značajke pogonske značajke težina i dimenzije pouzdanost Brodski pomoćni strojevi: Izmjenjivači topline

Sveučilište u Zagrebu, Fakultet strojarstva i brodogradnje Katedra za strojeve i uređaje plovnih objekata Hladnjak ulja za podmazivanje Protok [m 3 /h] Promjena temperature [°C] Dozvoljeni pad tlaka [bar] Izmijenjena toplina [kW] Morska voda 310 s 32 na 34.1

0.5 (0.2) Površina za izmjenu topline [m 2 ] Koeficijent prolaza topline – čisto [W/m 2 K] Koeficijent prolaza topline – prljavo [W/m 2 K] Broj ploča/cijevi Dimenzije ploče/cijevi Pad tlaka ulje/voda [bar] Duljina/visina/širina [mm] Materijal površine i debljina stjenke [mm] Težina praznog [kg] Duljina za izvlačenje cijevnog registra [mm] Brodski pomoćni strojevi: Izmjenjivači topline Ulje za podmazivanje SAE 30 270 s 50.7 na 45 1.0 (0.5) 735.6

Pločasti Varitherm 805 HV 74 813 669 153 0.49 m 2 0.98/0.51

2052/910/1578 Titan, 0.6

1391 Cijevni H2 711/2750 147 386 350 1460 12x1 0.98/0.31

3576/860/970 CuZn21Al12, 1 2790 2750