Исследование и научное обоснование интенсификации теплообмена в судовых газотрубных утилизационных котлах
На правах рукописи
Колядин Евгений Алексеевич
ИССЛЕДОВАНИЕ И НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ
ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА В СУДОВЫХ ГАЗОТРУБНЫХ УТИЛИЗАЦИОННЫХ КОТЛАХ
Специальность 05.08.05 - Судовые энергетические установки
и их элементы (главные и вспомогательные)
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Астрахань-2007
Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Астраханский государственный технический университет» (АГТУ) на кафедре «Эксплуатация водного транспорта»
| Научный руководитель: | кандидат технических наук, доцент Виноградов Сергей Владимирович | ||
| Официальные оппоненты: | доктор технических наук, профессор Иванченко Александр Андреевич | ||
| доктор технических наук, доцент Руденко Михаил Федорович | |||
| Ведущая организация: | ОАО «Астраханское центральное конструкторское бюро» | ||
Защита состоится «29» мая 2007 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета К 307.001.02 при ФГОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет» по адресу: 414025 г. Астрахань, ул. Татищева 16, 5 учеб. корпус, ауд. 308.
Отзывы на автореферат диссертации в двух экземплярах, заверенных печатью организации, просьба направлять Ученому секретарю диссертационного совета К 307.001. 02 по адресу: 414025 г. Астрахань, ул. Татищева, 16, кафедра «Эксплуатация водного транспорта»
Тел./факс 8(8512)546247, 614214; e-mail: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АГТУ.
Автореферат разослан « 27 » апреля 2007 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
кандидат технических наук, доцент А.В. Кораблин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы.
В решении общей проблемы повышения эксплуатационной эффективности судовой энергетической установки (СЭУ) современного судна (морского, речного или смешанного плавания – «река-море») частная задача повышения эффективности ее утилизационного комплекса, на первый взгляд, не представляется существенной или, по крайней мере, играющей сколько-нибудь важную роль. Это, в первую очередь, объясняется самим положением теплотехнических процессов утилизационного комплекса в нижней части термодинамического цикла СЭУ, что принципиально обуславливает относительно низкий термический КПД в рабочих процессах утилизации теплоты и предопределяет некоторую небрежность в отношениях к задачам утилизации на уровнях проектирования, изготовления и эксплуатации утилизационных котлов (УК).
Между тем, правильно организованная во всех отношениях работа УК в большей степени обеспечивает, во-первых, высокую эффективность всей СЭУ, включая главные двигатели и, во-вторых, что не менее важно, нормальную жизнедеятельность судового экипажа. Напротив, неудовлетворительная работа утилизационного комплекса снижает уровень технико-экономических показателей СЭУ и, следовательно, судна и в случаях недопустимых технических ошибок в эксплуатации УК может привести к тяжелым последствиям для судна в целом.
Немаловажным фактом в повышении эксплуатационной эффективности СЭУ является повышение эффективности УК, используя методы интенсификации конвективного теплообмена, что определяет актуальность данного научного исследования.
Цель и задачи исследования
Цель исследования: повышение эффективности судовых газотрубных УК за счет интенсификации теплообмена установкой винтовых ленточных вставок.
Для достижения поставленной цели определены следующие задачи исследования:
- провести анализ конструкции, эксплуатации, эффективности использования УК на судах и методов интенсификации теплообмена;
- предложить научно-обоснованный метод интенсификации теплообмена в судовых УК;
- разработать и создать экспериментальную установку для моделирования и исследования теплоотдачи и аэродинамики в УК при использовании винтовых ленточных вставок как метода интенсификации теплообмена, на основе специально разработанной методики исследования;
- получить на базе экспериментальных исследований аналитические зависимости для расчета теплообмена и аэродинамических характеристик в судовых УК;
- на основании экспериментальных данных и полученных аналитических зависимостей оценить эффективность использования винтовых ленточных вставок в УК существующих СЭУ;
- разработать рекомендации для практического применения предложенного метода интенсификации теплообмена.
Методы решения задач исследования
Методологической базой диссертации являются исследования таких ученых как М. А. Михеев, Г. А. Дрейцер, В. А. Осипова, В. К. Мигай, В. К. Щукин, А. К. Ильин, М.К. Овсянников, Л.П. Коршунов, В.М. Селиверстов и др.
В первой главе диссертационной работы использованы методы обработки статистических данных по использованию УК на судах. Объем выборок составил 608 судов с мощностью главных двигателей от 150 до 1000 кВт.
Обработка экспериментальных данных и расчетно-теоретические исследования проводились с использованием современных лицензионных программных продуктов.
Экспериментальные исследования выполнялись методом активного эксперимента на созданной экспериментальной установке, которая оборудована средствами контроля и измерения параметров работы, обеспечивающими точность проводимых замеров в соответствии с действующими нормативными документами и стандартами РФ. Всего было проведено 72 эксперимента, при которых получены конкретные значения экспериментальных данных.
Научная новизна полученных в диссертации результатов заключается в следующем:
- впервые проведен анализ конструкции, эксплуатации и использования УК на судах с мощностью главных двигателей от 150 до 1000 кВт, на основе которого определены возможные способы повышения эффективности УК;
- предложен к использованию и научно обоснован метод интенсификации теплообмена в судовых газотрубных УК при использовании винтовых ленточных вставок;
- создана оригинальная экспериментальная установка, позволяющая моделировать и исследовать процессы конвективного теплообмена и аэродинамики, происходящие в УК, и получен патент на полезную модель;
- на основании экспериментальных данных получены новые аналитические зависимости для расчета теплообмена и аэродинамических характеристик в газотрубных УК с винтовыми ленточными вставками.
Практическая значимость
- собран обширный статистический материал по конструкции, эксплуатации и использованию УК на судах с мощностью главных двигателей от 150 до 1000 кВт, для применения в проектно-конструкторских организациях с целью совершенствования существующих и разработки новых конструкций УК;
- исследованы методы интенсификации конвективного теплообмена и представлены рекомендации для разработки высокоэффективных судовых УК;
- создана экспериментальная установка, позволяющая моделировать и исследовать теплообменные и аэродинамические процессы, происходящие в газотрубных УК;
- предложена уточненная инженерная методика расчета газотрубных УК с винтовыми ленточными вставками;
- получены расчетно-теоретические результаты использования винтовых ленточных вставок в газотрубных УК СЭУ судов различного назначения.
Реализация результатов исследования
Результаты работы переданы к использованию и внедрению в ОАО «Астраханское ЦКБ», СКБ «Каспий» и ЗАО «ССЗ им. Ленина».
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе АГТУ при подготовке инженеров по специальности «Судовые энергетические установки», «Эксплуатация судовых энергетических установок», бакалавров по направлению «Эксплуатация транспортных средств» и в научно-исследовательской работе студентов и аспирантов.
Апробация работы
Основное содержание исследований по мере их выполнения обсуждалось и докладывалось на международных, всероссийских, вузовских конференциях и семинарах: Второй Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии СЭТТ-2005» (г. Москва, 2005 г.); Международной научно-практической конференции «Малая энергетика 2006» (г. Москва, 2006 г.); заседаниях кафедры «Эксплуатация водного транспорта» АГТУ; заседаниях Ученого совета института Морских технологий, энергетики и транспорта АГТУ; ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава АГТУ (2003-2006 гг.); научной конференции посвященной 75-летию АГТУ (2005 г.); межрегиональных семинарах Актуальные проблемы судовой энергетики и машинодвижительных комплексов (г. Астрахань, 2003-2006 гг.); межведомственном научно-техническом семинаре Гидромеханические и теплообменные процессы современных технологий(г. Астрахань, 2004 г.).
Публикации
Результаты исследований опубликованы в 9 работах, в том числе 3 по списку ВАК. Получено 1 свидетельство Роспатента на полезную модель.
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и приложения. Глава 1: «Состояние вопроса, постановка цели и задач исследования». Глава 2: «Экспериментальные исследования закрутки потока газа на модели утилизационного котла». Глава 3: «Определение аналитических зависимостей для расчета теплоотдачи и аэродинамического сопротивления в трубах утилизационного котла с винтовыми ленточными вставками». Глава 4: «Расчетно-теоретическое исследование влияния установки винтовых ленточных вставок на работу утилизационных котлов в составе судовых энергетических установок».
В целом диссертация содержит 143 страницы текста, 35 рисунков, 15 таблиц, список используемых источников из 105 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении раскрывается актуальность темы, научная новизна, практическая значимость, область реализации результатов исследования.
В первой главе проведен анализ конструкции, эксплуатации и использования УК на судах различного назначения, проанализированы различные методы интенсификации конвективного теплообмена, предложен к использованию научно-обоснованный метод повышения эффективности судовых утилизационных водогрейных котлов (УВК), сформулированы цель и задачи исследования.
Анализ показал, что на 37% судов различного назначения с мощностью главных двигателей от 150 до 1000 кВт используются УК, причем на 64% этих судов установлены газотрубные УВК серии КУВ и КАУ, 36% составляют утилизационные паровые котлы (УПК) (Рис. 1.).
Газотрубные УВК по сравнению с водотрубными обладают большим водосодержанием, а, следовательно, более устойчивы к температуре воды на выходе, что особенно актуально в современных автоматизированных водогрейных котлах. Обзор газотрубных УК выпускаемых иностранными фирмами показал, что по конструкции они аналогичны котлам серии КУВ и КАУ.
УК работают в более низком температурном диапазоне, чем котлы, работающие на топливе, поэтому утилизационные поверхности нагрева более развиты и громоздки, а коэффициент полезного действия (эффективность) в 2-4 раза меньше (Рис. 2.).
| Рис. 1. Сведения по использованию УК на судах различного назначения | |
| а) | б) |
| Рис. 2. Зависимости поверхности нагрева (а) и КПД (б) от паропроизводительности для утилизационных и вспомогательных паровых котлов (ВПК) | |
Выполненный в диссертационной работе анализ литературных источников по способам повышения эффективности утилизации теплоты определил интенсификацию конвективного теплообмена как наиболее перспективный способ для модернизации существующих и создания современных высокоэффективных УК.
Анализ работ В.К. Мигая, Э.К. Калинина, Г.А. Дрейцера, В.К. Ермолина, В.К. Щукина, В.П. Харитонова, В.М. Бузника, Г. Н. Делягина и др. в области интенсификации теплообмена позволил выбрать из всего многообразия предлагаемых методов интенсификации конвективного теплообмена наиболее целесообразный для газотрубных УВК – закрутку потока газа в трубах при использовании винтовых ленточных вставок (Таблица 1).
Закрутка потока в трубах является эффективным методом интенсификации конвективного теплообмена. В этом случае увеличиваются местные пристеночные скорости, за счет добавления тангенциальной скорости v (Рис. 3), и происходит общая перестройка течения, которые способствуют разрушению пограничного слоя и росту теплоотдачи.
К достоинствам данного метода следует также отнести:
- простоту изготовления и установки винтовых ленточных вставок;
- отсутствие значительных изменений конструкции существующих УК;
- возможность применения для сильнозагрязненных газовых потоков не нарушая технологические и механические свойства труб;
- наибольшее увеличение теплоотдачи (Nuинт/Nuо) по сравнению с полыми трубами в диапазоне изменения Re 51032·104, характерных для газотрубных УК.
Известные зависимости для расчета коэффициента теплоотдачи и аэродинамического сопротивления в трубах с винтовыми ленточными вставками дают противоречивые результаты. В них не совсем точно определены числа подобия, и они получены при искусственной гидродинамической стабилизации потока, что не соответствует реальной картине течения в существующих газотрубных УК, в которых существенное влияние на конвективный теплообмен оказывает неустойчивость гидродинамического режима при сильном воздействии концевых эффектов.
|
|
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Рис. 3. Распределение скоростей в трубе с винтовой ленточной вставкой | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
На основании вышеизложенного была определена необходимость дальнейших исследований теплообмена и аэродинамики в трубах с винтовыми ленточными вставками для последующего применения полученных результатов при проектировании и расчетах высокоэффективных УК.
Вторая глава посвящена описанию разработанной экспериментальной установки, методики проведения экспериментальных исследований и обработки экспериментальных данных, а также оценки погрешности измерений.
В соответствии с правилами моделирования и на основе теории подобия спроектирована и создана экспериментальная установка (рис.4, 5а), позволяющая исследовать теплоотдачу и аэродинамику в трубе с изменяющимся расходом и геометрией канала посредством установки винтовых ленточных вставок (рис. 5б) с различными относительными шагами (S/d). Разработана методика проведения экспериментальных исследований.
При проведении эксперимента поочередно применялись 5 винтовых ленточных вставок, выполненных из стального листа толщиной 2 мм. Полный шаг между соседними витками (S) вставок варьировался таким образом, чтобы получить относительные шаги (S/d) 6, 7, 8, 10, 12.
В ходе проведенных экспериментов температура нагретого воздуха на входе в экспериментальный участок изменялась в пределах от 130 до 230 °С, температура воздуха на выходе из экспериментального участка менялась от 90 до 140 °С. Температура воды на входе в экспериментальный участок составляла от 10,2 до 12,4 °С, на выходе из него – от 20,8 до 30,7 °С, расход воды, проходящей через установку - 0,0125 кг/с. Скорость воздуха в трубе изменялась от 4,7 до 9,5 м/с, число Рейнольдса при этом составляло 770017500. Замер температуры стенки трубы производился в 8 сечениях по образующей хромель-копелевыми термопарами. Температура стенки трубы изменялась от 28,2 до 34,1 °С. Результаты изменения температуры стенки по сечениям теплопередающей трубы в зависимости от S/d показаны на графике (рис. 6) в виде относительной температуры стенки – tст/tw, где tст – температура стенки трубы в сечении; tw - температура воды на входе в экспериментальный участок. Из графика видно, что относительная температура стенки с уменьшением S/d от 12 до 6 возрастает на 1570%.
Перед проведением основного эксперимента был исследован теплообмен и аэродинамическое сопротивление полой трубы (без установки вставок), который показал, что отклонение экспериментальных данных по теплообмену и аэродинамике от известных зависимостей Nu=0,02·Re0,8 и =0,316Re-0,25 составляет +14%. Данные отклонения связаны: по теплообмену - с конструкцией экспериментального теплообменного аппарата и прототипа - газотрубного УВК, а именно с отсутствием участка гидродинамической стабилизации потока и влияния концевых эффектов; по аэродинамике - с тем, что шероховатость
 1 - газо-водяной теплообменник; 2 - теплопередающая труба; 3 - входная расширительная камера; 4 - выходная расширительная камера; 5 – нагреватель; 6 - уравнительная емкость; 7 - переливной трубопровод; 8 - трубопровод подачи воды; 9 - трубопровод отвода воды; 10 - регулирующий вентиль; 11 - трубопровод горячего воздуха; 12 - выхлопной трубопровод; 13– ртутные термометры; 14 - хромель-копелевые термопары; 15 – термостат с многопозиционным переключателем; 16 – центробежный вентилятор; 17 - регулятор напряжения; 18 - потенциометр ПП63; 19 – мерная емкость; 20 – трубка Пито-Прандтля; 21 – счетчик воды Рис. 4. Схема экспериментальной установки | |
| S/d 6 7 8 10 12 | |
| позиции согласно рис. 4 а) | б) |
| Рис. 5. Общий вид экспериментального теплообменного аппарата (а) и винтовых ленточных вставок (б) | |
| Рис. 6. Результаты термометрирования стенки трубы |
поверхности экспериментальной трубы не соответствует значениям шероховатости гладкой трубы.
Предложенная в диссертационной работе методика обработки экспериментальных данных позволила определить:
- коэффициенты теплоотдачи от воздуха к стенки g и от стенки к воде w (Вт/(м2·К)), по зависимостям:
, 
;
где: Qg – количество теплоты, отданной воздухом, в экспериментальном участке, Вт; tg - средняя температура воздуха, °С; tст - средняя температура стенки теплопередающей трубы, °С; tw - средняя температура нагреваемой воды, °С; F - площадь поверхности теплообмена экспериментального участка трубы, м2;
- коэффициент теплопередачи через стенку трубы (Вт/(м2·К))
;
где: ст - толщина стенки теплопередающей трубы, м; ст - коэффициент теплопроводности стальной стенки теплопередающей трубы, Вт/(м·К);
- коэффициент аэродинамического сопротивления
;
где: pс – разность статических давлений потока до и после экспериментального участка, Па; l - длина теплообменного участка трубы, м; d – внутренний диаметр трубы установки, м; g - средняя плотность воздуха, кг/м3; g - скорость потока воздуха в трубе, м/с;
- проверку правильности выполненных измерений и расчетов.
Была проведена оценка погрешности всех измеряемых и рассчитываемых величин, необходимых для исследования теплоотдачи и аэродинамики в данном эксперименте.
В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований, методика обобщения экспериментальных данных, а также обобщенные аналитические зависимости для расчета теплоотдачи и аэродинамического сопротивления в трубах УВК с винтовыми ленточными вставками.
Методика обобщения экспериментальных данных производилась математической обработкой данных в виде безразмерных критериальных зависимостей вида: Nu = A·Ren, Nu =C·(S/d)k, = B·Rem и = E·(S/d)h для каждой винтовой ленточной вставки. Показатели степени k, n, m, h в критериальных уравнениях определялись расчетом на основании математической обработки опытных данных и характеризуются тангенсом угла наклона соответствующей прямой к оси абсцисс, а постоянные А, В, С, Е - из соотношения для любой точки соответствующей прямой: А=Nu/Ren, В = /Rem, С = Nu/(S/d)k, Е = /(S/d)h.
Из графиков (рис. 7, 8) видно, что для вставок с S/d 6, 7, 8, 10, 12 теплоотдача (Nuинт/Nuo) увеличилась соответственно в 2,1; 1,9; 1,8; 1,7; 1,6 раза, аэродинамическое сопротивление (инт/ о) соответственно в 3,6; 3,2; 2,9; 2,6; 2,4 раза. В таблицы 2 и 3 сведены результаты по исследованию теплоотдачи и аэродинамики труб с винтовыми ленточными вставками.
| Рис. 7. Изменения теплоотдачи для винтовых ленточных вставок с разными S/d в зависимости от числа Re | ||||||||||||||||||||||||||
Таблица 2 Результаты обработки опытных данных по теплообмену для вставок с различными S/d
| ||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||
| Рис. 8. Изменения аэродинамического сопротивления для винтовых ленточных вставок с разными S/d в зависимости от числа Re | ||||||||||||||||||||||||||
| Таблица 3 Результаты обработки опытных данных по аэродинамике для труб с вставками при различных S/d
| ||||||||||||||||||||||||||
Далее, на основании математической обработки экспериментальных данных были получены обобщенные аналитические зависимости в виде: Nu=f(Re,S/d) и = f(Re,S/d).
Обработка данных по теплообмену показала, что теплоотдача в пределах изменения параметров, имевших место в эксперименте (6<S/d<12; 7,7·103<Re<17,5·103), с доверительным интервалом ±3% и вероятностью 97% описывается обобщающей аналитической зависимостью:
Nu = 0,2216·Re0,71 ·(S/d)-0,41
Анализ данных по аэродинамике показал, что коэффициент аэродинамического сопротивления в пределах изменения параметров, имевших место в экспериментах, с доверительным интервалом ±5 % и вероятностью 93 % описывается обобщающей аналитической зависимостью:
= 18,9·Re-0,425 ·(S/d)-0,6
Полученные зависимости позволяют достаточно просто оценить увеличение теплоотдачи и аэродинамического сопротивления газового потока при применении винтовых ленточных вставок с различными геометрическими характеристиками и на основе оценки подобрать наилучший вариант геометрии вставки для конкретной конструкции газотрубного УВК.
Для оценки эффективности применения винтовых ленточных вставок использовался критерий теплогидравлической эффективности, предложенный В.К. Мигаем в виде:
Результаты представлены на графике (Рис. 9) в виде зависимости критерия эффективности И от числа Рейнольдса Re при различных относительных шагах закрутки S/d. Из графика видно, что эффективность винтовых ленточных вставок с различным шагом закрутки увеличивается при уменьшении числа Re, наименьшая эффективность, в пределах изменения параметров, имевших место в экспериментах, наблюдается в интервале чисел Re от 13103 до 15103.
| Рис. 9. Зависимость критерия теплогидравлической эффективности винтовых ленточных вставок с различными S/d от числа Re |
В четвертой главе по уточненным методикам теплового и аэродинамического расчетов УВК с винтовыми ленточными вставками и без них, с использованием полученных в 3 главе аналитических зависимостей, были проведены расчетно-теоретические исследования показателей работы УВК в составе СЭУ судов различного назначения. Выборка составила 32 проекта судов, 12 из которых имеют в своем составе УВК КУВ-100, 12 – КАУ-4,5 и 8 – КАУ-1,7.
Уточненная методика теплового расчета УВК основана на обобщенной математической модели УВК предложенной М.Н. Покусаевым и С.В. Виноградовым. Обобщенная модель УВК представляет собой синтез известных математических моделей, учитывает особенности конструкции, условия эксплуатации, теплопередачи, влияния отложений и пульсации давления в потоке газа на теплообмен в УВК. В основу модели положен принцип поинтервальной линеаризации (деления поверхности нагрева УВК на интервалы по ходу движения теплоносителей), позволяющий учитывать детальные изменения режима теплопередачи при движении теплоносителей от одной координаты поверхности к другой. Результаты расчета по предыдущему интервалу будут являться исходными данными для следующего.
Для расчета теплоотдачи со стороны газов в обобщенной модели используется формула А.И.Леонтьева, учитывающая пульсацию потока газа в трубах. Но, учитывая параметры отработавших газов судовых дизелей в УВК, а также конструкции газотрубных УВК (наличие приемной расширительной камеры), нецелесообразно использовать формулу А.И.Леонтьева, полученной при Re=66103105 и частоте пульсации давления 900 Гц. Поэтому в уточненной методике расчета для определения теплоотдачи со стороны газов без винтовых ленточных вставок используется известное критериальное уравнение М.А.Михеева для турбулентного потока:
где: Re, Pr – критерии Рейнольдса и Прандтля; индекс «g» для газа, «ст» - стенки трубы.
Для определения коэффициента теплоотдачи в трубах УВК с винтовыми ленточными вставками используется аналитическая зависимость, полученная в 3 главе:
Nugв = 0,2216·Reg0,71 ·(S/d)-0,41
Для расчета теплоотдачи со стороны воды используется критериальное уравнение:
где: Gr – критерии Грасгофа; индекс «w» для воды.
В основу уточненной методики расчета УВК положена формула:
где: k - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К); 
; Ср, - изобарная теплоемкость, Дж/(кг К); G – массовый расход, кг/с; 
; 
;
tg, tw- температура газов и воды перед котлом, оС; tg, tw- температура газов и воды на выходе из котла, оС;
Уравнения для расчета температур tg и tw имеют вид:
;
;
где: 
.
Уточненная методика расчета аэродинамического сопротивления УВК базируется на нормативном методе аэродинамического расчета котельных установок. Для расчета коэффициента аэродинамического сопротивления при течении газов по трубам УВК без винтовых ленточных вставок используется формула:
где: - абсолютная шероховатость внутренней поверхности трубы, м;
при установке винтовых ленточных вставок используется аналитическая зависимость, полученная в 3 главе:
= 18,9·Reg-0,425 ·(S/d)-0,6.
Для определении аэродинамического сопротивления в трубах УВК в условиях теплообмена применяется формула:
где: L - рабочая высота трубок котла, м; d – внутренний диаметр трубок котла, м; g - средняя плотность газов, кг/м3; - скорость потока газа в трубках котла, м/с; Тст и Т – средние по трубе абсолютные температуры газа и стенки, оК.
Результаты исследования представлены на графиках (рис. 10, 11) в виде сравнительного анализа показателей работы УВК базовой конструкции и с установленными в трубах винтовыми ленточными вставками. В качестве показателей принятых для сравнения выбраны: температуры теплоносителей на выходе из УВК (температура газов tg и температура воды tw), тепловая мощность УВК Pк, коэффициент утилизации и полное аэродинамическое сопротивление котла hк.
При установке винтовых ленточных вставок происходит снижение температуры газов на выходе из УВК, что является следствием более полного использования теплоты отработавших газов дизелей и приводит к повышению показателей эффективности Pк и в среднем на 38%. Данное повышение
 |
 |
 |
| Рис. 10. Результаты расчета показателей работы УВК в составе СЭУ |
| Рис. 11. Результаты расчета изменения показателей УВК |
происходит на фоне незначительного возрастания полного аэродинамического сопротивления котла hк в среднем на 16%. Рост полного аэродинамического сопротивления котла при существующих конструкциях систем газовыхлопа дизелей СЭУ не оказывает существенного влияния на общее сопротивление системы, которое не должно превышать максимального противодавления отработавших газов дизеля регламентированного заводом изготовителем (3 кПа) или правилами морского Регистра судоходства РФ (5 кПа).
Наилучшие показатели при установки винтовых ленточных вставок получены для утилизационных комплексов с УВК КАУ-4,5, что объясняется с конструкцией УВК серии КАУ.
При установке в трубах УВК винтовых ленточных вставок температура газов на выходе снижается на 12%, что положительно влияет на уменьшение тепловых выбросов в атмосферу.
Основные результаты и выводы
1. Проведенный анализ СЭУ судов различного назначения с мощностью главных двигателей от 150 до 1000 кВт, конструкции, эксплуатации и использования УК показал, что:
- на 37% судов установлены УК, из которых 64% газотрубные УВК серии КУВ и КАУ;
- КПД УК по сравнению с котлами, работающими на топливе в 24 раза меньше;
- при одинаковых значениях производительности УК имеют более развитые поверхности нагрева, что приводит к росту массогабаритных показателей.
2. На основании анализа методов интенсификации конвективного теплообмена в трубах предложен к использованию научно-обоснованный метод закрутки потока газа в трубах винтовыми ленточными вставками, как наиболее целесообразный для применения в газотрубных УК.
3. Разработана и создана оригинальная экспериментальная установка, позволяющая моделировать и исследовать процессы теплообмена и аэродинамики в газотрубных УК. Получен патент на полезную модель.
4. Предложена и отработана методика проведения экспериментальных исследований на установке.
5. Получены, на основании математической обработки экспериментальных данных, новые аналитические зависимости, определяющие взаимосвязь критерия Nu и коэффициента аэродинамического сопротивления с критерием Re и геометрическими характеристиками винтовых ленточных вставок, с учетом особенностей конструкции и условий эксплуатации УК.
6. Эффективность и целесообразность применения закрутки потока газа винтовыми ленточными вставками доказана с использованием критерия теплогидравлической эффективности поверхности теплообмена И, который в исследуемом диапазоне чисел Re и относительного шага S/d изменялся от 1,2 до 1,5.
7. Уточнена методика теплового и аэродинамического расчета, позволяющая оценивать показатели работы газотрубных УВК с винтовыми ленточными вставками.
8. Получены результаты сравнительных расчетно-теоретических исследований показателей работы УВК в составе СЭУ при установке винтовых ленточных вставок, которые показали:
- коэффициент утилизации и тепловая мощность УВК повышаются в среднем на 38%;
- полное аэродинамическое сопротивление УВК увеличивается в среднем на 16%, что составляет 10% увеличение сопротивления системы газовыпуска;
- наилучшие показатели при установке винтовых ленточных вставок получены для утилизационных комплексов с УВК КАУ-4,5;
- температура газов на выходе снижается на 12%, что положительно влияет на уменьшение тепловых выбросов в атмосферу.
Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:
- Колядин, Е. А. Влияние закрутки потока газов на конвективный теплообмен в утилизационных газотрубных котлах [Текст] / Е. А. Колядин // Вестник Астраханского государственного технического университета. – 2007. – №2(37). – С. 159–162. По списку ВАК РФ
- Колядин, Е. А. Повышение эффективности работы судовых утилизационных котлов [Текст] / Е. А. Колядин, С. В. Виноградов, А. В. Воробьев // Транспортное дело России. – 2005. – Спецвыпуск №4. – С. 15–17. По списку ВАК РФ
- Виноградов, С. В. Экспериментальная установка для исследования совместной работы судового дизеля и утилизационного водогрейного котла (УВК) [Текст] / С. В. Виноградов, А. В. Воробьев, С. С. Дмитриев, Е. А. Колядин // Транспортное дело России. – 2005. – Спецвыпуск №4. – С. 8–10. По списку ВАК РФ
- Колядин, Е. А. Эффект температурного разделения газов (эффект Ранка) [Текст] / Е. А. Колядин, С. В. Виноградов // Вестник Астраханского государственного технического университета. – 2004. – №1(20). – С. 194–198.
- Виноградов, С. В. Стенд для исследования теплообменных процессов в судовых утилизационных котлах [Текст] / С. В. Виноградов, Е. А. Колядин, А. А. Толстов // Судовая техника. Причины отказов и их устранение. Совершенствование и развитие. – 2005. – М.:ООО «Корабел». – С. 3–4.
- Виноградов, С. В. Интенсификация теплообмена в утилизационных котлах [Текст] / С. В. Виноградов, Е. А. Колядин, А. В. Воробьев // Вторая Международная научно-практической конференция «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и тепловые процессы) СЭТТ-2005». Труды конференции. – М.: ВИМ. – 2005. – Том 2. – С. 163–166.
- Виноградов, С. В. Экспериментальные исследования методов интенсификации теплообмена в утилизационных водогрейных котлах [Текст] / С. В. Виноградов, Е. А. Колядин, А. В. Воробьев // Вестник Астраханского государственного технического университета. – 2005. – Специальное приложение к №5(28). – С. 114–117.
- Виноградов, С. В. Некоторые результаты совместной работы судового дизеля и утилизационного водогрейного котла при отключении цилиндров [Текст] / С. В. Виноградов, А. В. Воробьев, С. С. Дмитриев, Е. А. Колядин // Вестник Астраханского государственного технического университета. – 2005. – Специальное приложение к №5(28). – С. 112–113.
- Колядин, Е. А. Исследование процессов интенсификации теплообмена в утилизационных водогрейных котлах [Текст] / Е. А. Колядин, С. В. Виноградов, М. Н. Покусаев // Малая энергетика-2006: труды Международной научно-практической конференции. 21-24 ноября 2006 г., г. Москва, Россия. – 2006. – С. 335–337.
- Пат. 45816 Российская Федерация, МПК7 F 28 D 1/04. Устройство (стенд) для моделирования теплообменных процессов [Текст] / Виноградов С.В., Колядин Е.А. ; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Астраханский государственный технический университет. – № 2004137836/22 ; заявл. 23.12.04 ; опубл. 27.05.05, Бюл. № 15. – 3 с.
Подписано в печать 23.04.2007 г.
Тираж 100 экземпляров. Заказ № _____
Отпечатано в типографии ФГОУ ВПО АГТУ
414025, г. Астрахань, ул. Татищева,16.
