Медно-никелевый сплав мельхиор обладает рядом специфических характеристик, которые сделали продукцию из него широко востребованной при изготовлении промышленных кожухотрубчатых теплообменных аппаратов «морского» исполнения. Термином «морской» обозначается, что в качестве охлаждающей жидкости в теплообменнике может использоваться не только хлорированная или неочищенная пресная вода из открытых водоёмов, но и вода с большим солесодержанием - морская. Аппараты этого типа применяются для охлаждения различных сред, но главным образом их устанавливают на морские суда для охлаждения турбинных и дизельных масел, а также устранения конденсата.
Важные преимущества мельхиора
Для трубной системы «морских» охладителей используют мельхиоровые трубы марок МНЖМц 30-1-1 или МНЖМц 10-1-1, состав которых различается массовой долей никеля+кобальта, равной 29-33% и 9-11% соответственно. На сегодня они считаются одним из наилучших решений вопроса быстрого теплообмена между охлаждаемой и охлаждающей жидкостями за счет отличной теплопроводности мельхиора, которая вдвое выше, чем, например, у титана, трубы из которого также нередко используют в теплообменниках.
Благодаря высокой температуре плавления (+1230°C для марки МНЖМц 30-1-1), мельхиоровые трубы эффективно работают при температуре охлаждаемой среды в кожухе до 400°C. Пластичность труб из твердого и полутвердого мельхиора и высокое временное сопротивление разрыву (для МНЖМц 30-1-1 до 450 Па, для МНЖМц 10-1-1 до 420 Па) позволяет им выдерживать сильное давление рабочей среды в теплообменных аппаратах без растрескивания при расширении. В пользу мельхиора говорит и его технологичность - хорошая свариваемость и механическая обработка.
Конструкция теплообменника: трубная доска, трубы, кожух
Из мельхиора изготавливают самый ответственный узел кожухотрубчатого теплообменного аппарата – трубную систему охладителя. Иногда из мельхиора производят и корпусные детали, делающие теплообменник хоть и несколько дороже по цене, но зато эффективнее, поскольку они дают основному оборудованию дополнительную защиту от перегрева.
Рисунок 1. Конструкция теплообменного аппарата.
1 - мельхиоровые трубы, 2 - трубная доска (решетка), 3 - входной штуцер для охлаждаемой среды, 4 - выходной штуцер для охлаждаемой среды, 5 - входной штуцер для охлаждающей среды (теплоносителя), 6 - выходной штуцер для охлаждающей среды (теплоносителя), 7 - распределительная камера, 8 - перегородка в распределительной камере, 9 - кожух, 10 - поперечные перегородки обеспечивающие зигзагообразное движение теплоносителя, 11 - головка теплообменного аппарата, 12 - крышка.
Ключевыми элементами конструкции охладителя теплообменника выступают холоднокатаные мельхиоровые трубы и трубные доски (трубные решётки). Трубная доска чаще всего представляет собой цельнометаллический диск (реже кольцо или многоугольник) с множеством отверстий по всей площади, которые делают его похожим на всем знакомую классическую решётку для мясорубки, только очень большую, до нескольких метров в диаметре. Толщина трубной доски определяется расчетной жёсткостью конструкции.
Трубные доски располагают друг напротив друга, размещая отверстия противоположных решёток соосно между собой, затем в них вставляют мельхиоровые трубы и закрепляют концы с помощью сварки, развальцовки, или обоими способами одновременно. В конечном итоге получается «трубный пучок», который помещается в металлический кожух цилиндрической формы. Кожух оснащается впускными и выходными штуцерами для охлаждающей воды и для охлаждаемой жидкости, люками и лазами (для ремонта и чистки), крюками, монтажными ушками (для строповки и монтажа теплообменника в вертикальном положении).
Поскольку длина труб охладителя может достигать 6-14 метров и более (под заказ), во избежание их вибрации и повышенного изгибающего напряжения, а также для улучшения аэродинамики охлаждаемой среды, внутри теплообменный аппарат оснащается промежуточными поперечными перегородками. При соблюдении оптимального режима работы, уровня давления, скорости потока охлаждающей среды и своевременного обслуживания, мельхиоровые трубы даже в условиях высокой агрессии морской воды способны прослужить до 25 лет без замены.
Как работает теплообменный аппарат
Горячее дизельное или турбинное масло поступает в кожух теплообменника через впускной штуцер, и после прохождения по межтрубному пространству внутри кожуха, выходит охлажденным через штуцер выпуска. Морская холодная вода под давлением подаётся в трубный пучок. В простых моделях охлаждающая вода может проходить по трубному пучку в один «ход», т.е. двигаясь прямым потоком по трубам, она выходит через штуцер с противоположной стороны кожуха.
Самыми распространенными являются «двухходовые» теплообменные аппараты, в которых вода проходит двумя разнонаправленными не смешивающимися потоками. Сначала вода идёт по половине труб пучка в одну сторону, затем разворачивается и возвращается по другим трубам пучка обратно «на выход». Этот способ охлаждения выгодно отличается от «одноходового» улучшенной теплопередачей между жидкостями при одинаковой длине труб и кожуха. Существуют и более сложные 4-х, 6-ти и 8-ми ходовые модели.
Увеличение эффективности теплообменника
В контексте вышесказанного следует добавить, что эффективность теплообменного аппарата зависит не только от количества «ходов» охлаждающей воды, но и от площади проходного сечения труб пучка, который определяется по формуле:
где fтп - площадь проходного сечения труб; n – количество труб; dвн – внутренний диаметр труб; z – количество ходов.
Зная коэффициент теплопроводности мельхиора, допустимую скорость среды и площадь проходного сечения труб пучка, при изготовлении теплообменника можно скорректировать теплоотдачу, например, в сторону роста, за счёт увеличения числа труб и диаметра кожуха, но при этом сохранив его длину - параметр, который является наиболее критичным для размещения аппарата в ограниченном корабельном пространстве.
Ключевые критерии выбора мельхиоровой трубы для теплообменника
Ключевыми достоинствами, из-за которых мельхиоровые трубы выбирают для теплообменных аппаратов «морского» исполнения, является высокая коррозионная стойкость и механическая прочность сплава при сохранении его пластических свойств. Дело в том, что эффективность работы теплообменника, где в роли охладителя выступает жидкость, а в нашем случае морская вода, зависит от скорости её движения. Чем выше скорость, тем интенсивнее теплопередача, тем меньше отложений соли и взвеси на стенках труб, тем дольше теплообменный аппарат прослужит.
Вместе с тем, чрезмерная скорость охлаждающей воды очень опасна для подавляющего большинства металлов и сплавов, поскольку вызывает у них струйную или ударную коррозию. Возникает такая коррозия вследствие ударов турбулентной аэрированной струи по внутренней поверхности охлаждающих трубок, которые разрушают ламинарный защитный слой жидкости возле внутренней стенки трубы и вызывают скоротечный процесс коррозионной эрозии металла. Согласно теории турбулентности, поток воды внутри трубы переходит в турбулентный режим при превышении скорости 1 метр в секунду.
Большинство случаев коррозионной эрозии отмечается на судовых теплообменниках, где разрушительное воздействие турбулентности на металл многократно усиливается высокой концентрацией соли и других примесей в теплоносителе. Такой агрессии рабочей среды долго не выдерживает ни нержавеющая сталь, ни латунь, зато мельхиор марок МНЖМц 10-1-1 и МНЖМц 30-1-1 противостоит ей лучше всех известных сплавов. При том что, допустимая скорость потока для стали и мельхиора примерно одинакова, сталь очень быстро корродирует, и в морской воде, и в парах воды. Латунь, превышающая сталь по стойкости к коррозии, в два раза уступает мельхиору по допустимой скорости потока, у которого она достигает 3 м/с, что на 30% выше оптимальной скорости охлаждающей среды в теплообменниках всех типов. Так что выбор в пользу мельхиоровой трубы очевиден.
