Підвищення ефективності тепловідведення замкнутих систем охолодження суднових енергоустановок із занурюваними пластинчастими теплообмінними апаратами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Севастопольський національний технічний університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Підвищення ефективності тепловідведення замкнутих систем охолодження суднових енергоустановок із занурюваними пластинчастими теплообмінними апаратами

Владецький Дмитро Олегович

УДК 62-713.1:621.436

Спеціальність 05.08.05 -

суднові енергетичні установки

Севастополь - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі енергоустановок морських суден та споруд факультету морських технологій і судноплавства Севастопольського національного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

охолодження судновий енергоустановка тепловідведення

Науковий керівник:	доктор технічних наук, професор Федоровський Костянтин Юрійович, завідувач кафедри енергоустановок морських суден та споруд Севастопольського національного технічного університету Міністерства освіти і науки України.
Офіційні опоненти:	доктор технічних наук, професор Голіков Володимир Антонович, проректор з наукової роботи Одеської національної морської академії Міністерства освіти і науки України. доктор технічних наук, професор Якімов Владислав Олексійович, завідувач кафедри Севастопольського військово-морського ордена Червоної Зірки інституту ім. П.С. Нахімова Міноборони України.
Провідна установа:	Національний університет кораблебудування ім. адмірала С.О. Макарова Міністерства освіти і науки України, м. Миколаїв

Захист відбудеться "12" квітня 2007 р. о 14 годині на засіданні Спеціалізованої вченої ради К50.052.03 при Севастопольському національному технічному університеті за адресою: 99053, м. Севастополь, Студмістечко, СевНТУ.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Севастопольського національного технічного університету за адресою: 99053, м. Севастополь, Студмістечко, СевНТУ.

Автореферат розісланий "12" березня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук, доцент К.В. Перепадя

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Проблема забезпечення України власними енергетичними ресурсами вимагає розробки нафтових і газових родовищ морського шельфу Чорного та Азовського морів. Це передбачає наявність комплексу різних типів суден технічного флоту і морських бурових установок, обладнаних СЕУ з високою надійністю, ефективністю та екологічною безпекою експлуатації.

Система охолодження є одним з основних елементів суднової енергетичної установки. Широко використовувані на суднах розімкнуті 2-х контурні системи охолодження передбачають прийом корозійно-активної і часто забрудненої забортної води, що у цілому ряді випадків (робота в забрудненій акваторії, грейферні роботи, плавання на мілководді, льодовій шузі тощо) не забезпечує необхідної надійності експлуатації. При цьому відбувається інтенсивне забруднення елементів контуру системи охолодження забортної води (фільтрів, теплообмінників, насосів, кінгстонних ящиків і т.і.), що найчастіше приводить до раптової зупинки СЕУ через припинення подачі охолодної води.

Крім того, розімкнуті системи охолодження завдають істотної екологічної шкоди біологічним запасам морів, оскільки, значна кількість рибної молоді та ікринок, потрапляючи в систему разом із забортною водою, гине. Виконані Інститутом біології південних морів Національної академії наук України оцінки показують, що одна морська плавуча бурова платформа типу "Шельф" з установленою сумарною потужністю енергоустановки 5000 кВт за рік знищує 200 т. риб промислових видів.

Для зазначених об'єктів доцільно створювати замкнуті системи охолодження (ЗСО), що виключають прийом забортної охолодної води. Розробці даних систем присвячені роботи Б.С. Юдовіна, К.Ю. Федоровського, С.В. Рижкова, Ю.М. Мухіна, Б.Є. Синильщикова, М.Л. Олександра, В.В. Клімова, В.І. Жесткова, В.М. Ципіна та низки інших вітчизняних і закордонних дослідників.

Циркулюючий у замкнутих системах теплоносій може віддавати теплоту забортній воді в апаратах різної конструкції. Серед них суднові обшивні теплообмінні апарати, заглибні теплообмінні апарати (ЗТОА), апарати, винесені за межі обшивки корпусу судна тощо. Найбільш несприятливий режим роботи таких пристроїв пов'язаний з тепловіддачею в нерухому щодо судна забортну воду. Тепловідведення у цьому випадку здійснюється за вільної конвекції, а досяжні значення коефіцієнта тепловіддачі - мінімальні, що обумовлює необхідність значної площі теплопередавальної поверхні і відповідно габаритів і маси пристроїв тепловідведення.

Питанням підвищення ефективності процесів тепломасообміну присвячені роботи В.М. Бузника, Е.К. Калініна, Г.А. Дрейцера, С.А. Ярхо, Л.М. Коваленка, В.А. Голікова, А.Ф. Глушкова та ін. У розглянутих замкнутих систем охолодження СЕУ досліджені процеси теплопередачі та її інтенсифікації стосовно суднових обшивних ТОА. Для пристроїв тепловідведення, що використовують у своїй конструкції набір паралельних пластинчастих поверхонь між якими перебуває забортна вода, такі способи належною мірою не розроблені.

Відсутність науково-розробленого способу підвищення ефективності тепловідведення ЗСО СЕУ, в умовах нерухомості забортної води щодо судна, стримує широке впровадження в практику високоефективних, екологічно безпечних замкнутих систем охолодження СЕУ з заглибними пластинчастими теплообмінними апаратами.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Представлена робота виконана в межах двох держбюджетних НДР Севастопольського національного технічного університету, проведених відповідно до координаційних планів Міністерства освіти і науки України (№ держ. реєстрації 0205U007159, 2005 р. і № держ. реєстрації 0106U003269, 2006 р.).

Мета та завдання дослідження. Метою дослідження є розробка методики розрахунку тепловідведення підвищеної ефективності в замкнутій системі охолодження СЕУ у найгірших умовах роботи пластинчастого ЗТОА.

Досягнення поставленої мети визначило необхідність вирішення наступних завдань дослідження:

· аналіз умов роботи ЗСО СЕУ з заглибними пластинчастими теплообмінними апаратами, розробка способу підвищення ефективності тепловідведення ЗСО СЕУ в нерухому щодо судна забортну воду;

· визначення особливостей формування та стікання використовуваного для інтенсифікації тепловіддачі газорідинного струменя і його взаємодії з тепловіддавальними поверхнями пластинчастого ЗТОА;

· вивчення та описування можливої кризи процесу інтенсифікації тепловіддачі;

· моделювання пристроїв тепловідведення і процесу тепловіддачі газорідинного струменя, виявлення істотних чинників і визначення на цій основі узагальнених розрахункових залежностей;

· оцінка ефективності тепловідведення ЗСО СЕУ з інтенсифікацією теплопередачі в ЗТОА з урахуванням впливу різних чинників (фарбування, обростання тощо).

Об'єкт дослідження. Процеси перенесення замкнутою системою охолодження теплоти, що відводиться від суднової енергетичної установки.

Предметом дослідження є тепловідведення пластинчастого заглибного теплообмінного апарата в нерухому щодо судна забортну воду.

Методи дослідження. Методологічну основу дисертаційної роботи складають теорії тепломассообміну і подоби фізичних процесів.

Для досягнення поставленої в роботі мети використовувалися наступні методи: математичного моделювання процесів - при дослідженні кризи тепловіддачі газорідинному струменю та виведенні шуканого рівняння подоби в загальному вигляді; візуалізації стікання рідини - при дослідженнях газорідинного струменя і його взаємодії з тепловіддавальною поверхнею; експериментального теплотехнічного дослідження - при вивченні процесів тепловіддачі на моделі теплообмінного апарата; статистичної обробки даних - для аналізу експериментальних результатів і визначення рівняння подоби, що описує тепловіддачу; теорії подоби - при створенні експериментальної моделі і в цілому установки; моделювання на ЕОМ - при оцінці ефективності роботи заглибного теплообмінного апарата і визначенні впливу різних чинників.

Наукова новизна отриманих результатів.

- Уточнено механізм взаємодії газорідинного струменя з тепловіддавальною поверхнею, що, в умовах нерухомої щодо судна забортної води, приводить до переміщення рідини уздовж теплообмінних поверхонь, руйнування пристінного примежового шару, що забезпечує істотне збільшення коефіцієнта тепловіддачі, зниження масогабаритних характеристик ЗТОА і, як наслідок, підвищення ефективності тепловідведення ЗСО СЕУ.

- Встановлено вплив розташування газового колектора на процес інтенсифікації тепловіддачі газорідинним струменем і надані рекомендації щодо розміщення газового колектора в зазорі ЗТОА, що забезпечують найкращі умови взаємодії струменя і тепловіддавальної поверхні апарата.

- Вперше для пластинчастого заглибного теплообмінного апарата виявлена можливість настання кризи теплообміну, визначені причини її виникнення і відповідні розрахункові залежності. На підставі цього надані рекомендації щодо питомої витрати газу та відстані між тепловіддавальними поверхнями.

- Вперше для умов плоского зазору ЗТОА отримане рівняння подоби, що описує тепловіддачу від поверхні до газорідинного струменя в умовах нерухомої щодо судна забортної води.

- Виконане науково обґрунтоване удосконалення методики розрахунку тепловідведення підвищеної ефективності в ЗТОА ЗСО і визначено вплив різних чинників на теплову ефективність роботи таких апаратів.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблена з використанням отриманих результатів дослідження науково-обґрунтована методика розрахунку тепловідведення підвищеної ефективності дозволяє створювати пластинчасті заглибні теплообмінні апарати ЗСО СЕУ, які відрізняються істотно меншими масою та габаритами, що створює умови для більш широкого впровадження в практику суднобудування надійніших і екологічно безпечніших замкнутих систем охолодження СЕУ.

Результати роботи впроваджені у провідних у суднобудуванні організаціях з проектування морських бурових платформ - ЦКБ "Корал" і суднового теплообмінного обладнання - ЦКБ "Таврія". За їх оцінками економічний ефект від використання заглибного пластинчастого ТОА з газорідинною інтенсифікацією тепловіддачі в ЗСО СЕУ потужністю 5000 кВт, становить близько 62 тис. доларів США на рік.

Отримані автором дисертації результати використовуються в навчальному процесі на факультеті Морських технологій і судноплавства Севастопольського національного технічного університету.

Особистий внесок автора. Дисертаційна робота є самостійно виконаною науковою працею, у якій представлений персональний авторський підхід і особисто отримані теоретичні та практичні результати щодо розробки перспективного способу підвищення ефективності тепловідведення ЗСО СЕУ, спрямованого на зниження масогабаритних характеристик заглибних теплообмінних апаратів і в цілому замкнутих систем охолодження СЕУ. Уточнено механізм впливу газорідинного струменя на тепловіддавальну поверхню і вплив розташування газового колектора. Уперше для пластинчастого заглибного теплообмінного апарата виявлена криза теплообміну, визначені причини її виникнення. Вперше для зазначених умов отримане рівняння подоби, яке описує тепловіддачу поверхні апарата газорідинному струменю за нерухомої щодо судна забортної води. Уточнено вплив на теплову ефективність заглибного теплообмінного апарата фарбування та обростання.

З опублікованих у співавторстві наукових праць використовуються тільки ті ідеї та розробки, які є результатом особистого наукового внеску (див. уточнення у списку наукових публікацій автора за темою дисертації).

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися на: Міжнародній науково-технічній конференції "Безпека мореплавства та її забезпечення при проектуванні і побудові суден", м. Миколаїв, 2004 р.; Міжвузівському науково-технічному семінарі "Вдосконалення технічної експлуатації суднових енергетичних установок морських транспортних суден", м. Одеса, 2004 р.; Міжнародній науково-технічній конференції "Суднова енергетика: стан та проблеми", м. Миколаїв, 2005 р.; Міжнародній науково-технічній конференції "Живучість корабля і безпека на морі", м. Севастополь, 2005 р.; III International Kummer Symposium, Академія наук Австрії та НАН України, м. Севастополь, 2005 р.; Scientific seminar of Vienna technical university, Vienna, 2005 р.; Міжнародній науковій та науково-технічній конференції "Сучасні проблеми суднової енергетики", м. Одеса, 2006 р.; Міжнародній науково-технічній конференції "Енергомашинобудування", м. Севастополь, 2006 р.; Міжнародній конференції "Прогресивна техніка і технологія", м. Севастополь, 2004 р., 2005 р. і 2006 р.; Міжнародній науково-практичній конференції "Надійність, безпека, ресурс АЕС", м. Севастополь, 2004 р., 2005 р. і 2006 р.; Наукових семінарах кафедри енергоустановок морських суден та споруд СевНТУ в 2004 р., 2005 р. і 2006 р.

Публікації. За темою дисертаційної роботи автором опубліковано 11 друкованих праць: 6 статей у збірниках наукових праць з переліку ВАК і 5 тез доповідей на конференціях.

За результатами дослідження подані дві заявки на винаходи, отримані повідомлення про завершення першого етапу експертизи (№ 2005 04602, № 2005 04608).

Структура дисертації. Дисертація складається з введення, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел, що включає 128 найменувань, додатків. У додатку наводяться акти та інші матеріали, що підтверджують використання результатів досліджень. Основний матеріал викладений на 130 сторінках машинописного тексту, містить 2 таблиці та 50 рисунків.

Робота виконувалася на кафедрі Енергоустановок морських суден та споруд факультету Морських технологій і судноплавства Севастопольського національного технічного університету.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета та завдання дослідження, обрані об'єкт і предмет дослідження, відображена наукова новизна і практична цінність отриманих результатів.

У першому розділі визначено, що перехід на замкнуті системи охолодження є перспективним напрямком в удосконалюванні систем охолодження енергетичних установок суден технічного флоту і морських бурових платформ, які значну частину часу проводять в умовах забрудненої акваторії. Крім підвищення надійності експлуатації та зниження експлуатаційних витрат, що досягається при впровадженні таких систем, забезпечується досягнення відчутного екологічного ефекту, пов'язаного зі збереженням рибних запасів морів України.

Для організації замкнутої системи охолодження СЕУ в якості тепловіддавальних у забортну воду поверхонь використовуються різні елементи корпусу судна або бурової платформи, що стикаються із забортною водою (порожнистий кіль, насадки гвинта, перо керма, виносні трубчасті та пластинчасті теплообмінники, розміщені в кінгстонних ящиках або зовнішніх вигородках корпусу судна).

Внаслідок всебічного аналізу можливих конструкцій заглибних теплообмінних апаратів ЗСО СЕУ, була запропонована класифікації таких теплообмінників.

Заглибні теплообмінні апарати використовуються в ЗСО головних і допоміжних двигунів широкого спектру суден: танкер типу "Fox Sunrise" (Норвегія); багатофункціональні вантажні судна типів "Claudia" і "Clarissa" (Голландія); морські плавкрани проекту 15201 (СРСР); автомобільні пороми "Madeline", "Klondike", "Landing Queen" (США); рятувальні судна типу "Coral Sea" (США) і "Grampian Commander" (Шотландія); "Eurovessel" (Велика Британія); криголами "Вінд", "Оден" та багато інших.

Можливість широкого впровадження ЗСО в практику суднобудування визначається створенням ефективно працюючих у нерухомій морській воді пристроїв тепловідведення з малими масогабаритними показниками. Найгіршими умовами роботи таких теплообмінних пристроїв є тепловідведення у нерухому щодо судна забортну воду, коли тепловіддача відбувається за вільної конвекції. Серед можливих варіантів конструктивного виконання пристроїв тепловідведення найбільш перспективними з погляду обслуговування та ремонту є пластинчасті теплообмінні апарати. Показано, що для таких конструкцій відсутні розроблені способи інтенсифікації тепловіддачі і відповідні достовірні методики теплотехнічного розрахунку.

Серед можливих способів інтенсифікації тепловіддачі в пластинчастому ЗТОА найбільш перспективним є спосіб, пов'язаний зі створенням біля тепловіддавальних поверхонь газорідинних струменів. Проведений інформаційний аналіз показує, що за цих умов можуть бути досягнуті високі значення коефіцієнтів теплопередачі, що забезпечує малі масогабаритні показники пристроїв тепловідведення та системи охолодження в цілому.

Крім того, проведений аналіз вказав на відсутність необхідних даних щодо тепловіддачі в пластинчастих ЗТОА, які дозволяють розробити достовірну методику розрахунку теплопередачі в них при використанні обраного методу інтенсифікації тепловіддачі. Для цього необхідне проведення спеціальних теплотехнічних досліджень з вивчення процесу газорідинної інтенсифікації тепловіддачі в ЗСО СЕУ.

У другому розділі сформульовані мета і завдання дисертаційного дослідження, представлене обґрунтування обраної методики і техніки вимірів. Підтверджено, що застосовані засоби виміру дозволяють досягти необхідної точності визначення шуканих величин.

При розв'язанні основних завдань дисертаційного дослідження використовувалися методи фізичного і математичного моделювання.

З метою отримання узагальненого рівняння подоби, яке б описувало процес інтенсифікації тепловіддачі, як вихідна була записана система диференціальних рівнянь (1), що описує рух і тепловіддачу двофазного газорідинного потоку:

де , - відповідні проекції швидкості рідкої фази на осі x і y; , - відповідні проекції швидкості газової фази на осі x і y; , - густина фаз; , , , - відповідні динамічні та кінематичні коефіцієнти в'язкості фаз; x, y - декартові координати; - середній діаметр газового пухирця; д - характерний лінійний розмір; g - прискорення вільного падіння; - температура тепловіддавальної стінки; - коефіцієнт температуропровідності; - коефіцієнт тепловіддачі.

Після низки перетворень отримано в загальному вигляді рівняння подоби, що вимагає визначення низки величин з використанням експериментальних даних.

Створена установка візуальних досліджень дозволила досліджувати процес формування і стікання газорідинних струменів, а також їх взаємодію з тепловіддавальними поверхнями пластинчастого ЗТОА.

Теплотехнічні дослідження процесу інтенсифікації тепловіддачі проводилися в умовах, максимально наближених до натурних. Експериментальна модель пластинчастого ЗТОА (рис. 1) складалася з двох розміщених із зазором паралельних вертикальних пластин з висотою теплопередавальної стінки 0,8 м і шириною 0,5 м кожна, поміщених у ємність з водою обсягом 17 м³. Усередині пластин був лабіринтовий канал для проходу гарячої прісної води. Її підведення та відведення здійснювалося через відповідні патрубки.

Експериментальна установка (рис. 2) забезпечувала моделювання умов теплообміну в широкому діапазоні зміни параметрів робочих середовищ. Вимір температур робочих середовищ і тепловіддавальної поверхні проводилися з використанням термопар.

Третій розділ присвячений визначенню особливостей стікання використовуваного для інтенсифікації тепловіддачі газорідинного струменя і його взаємодії з тепловіддавальними поверхнями пластинчастого ЗТОА.

Проведені візуальні дослідження підтвердили спіралеподібний характер руху одиночного газового пухирця в зазорі між плоскими паралельними тепловіддавальними поверхнями ЗТОА і чітко показали наявність зіткнень пухирців з тепловіддавальною поверхнею (рис. 3), що приводить до руйнування пристінного примежового шару і, як наслідок, інтенсифікує тепловіддачу забортній воді.

Визначено, що формування газорідинного струменя веде до підсмоктування рідини з навколишнього простору і її проштовхуванню в зазорі ЗТОА (рис. 4). За рахунок спливаючих пухирців газу в зазорі має місце істотна турбулізація потоку, що, як відомо, позитивно позначається на коефіцієнті тепловіддачі.

Виявлено, що недоцільно істотно збільшувати зазор між пластинами, тому що це знижує проникнення газорідинного струменя до стінки й погіршує її вплив на пристінний примежовий шар.

Проведені візуальні дослідження щодо впливу зазору між пластинами, розташування газового колектора за висотою цього зазору, а також окремого розташування колекторів на кожній з тепловіддавальних поверхонь однозначно вказали на необхідність розміщення подавального газового колектора на осі зазору в районі нижньої крайки пластин (рис. 4, д). У цьому випадку газорідинний струмінь, розвиваючись за шириною, буде обмивати теплообмінні поверхні відразу по всій їх площі.

Четвертий розділ присвячений теплотехнічним дослідженням газорідинної інтенсифікації тепловіддачі в заглибному пластинчастому теплообмінному апараті.

Виконані теоретичні та експериментальні дослідження вперше виявили наявність кризи тепловіддачі, обумовленої заміщенням рідини газом у зазорі ЗТОА. Внаслідок теоретичного розгляду цього питання було виявлено в загальному вигляді рівняння, що описує кризу тепловіддачі, а теплотехнічні дослідження дозволили уточнити невідомі коефіцієнти цього рівняння. Ця аналітична залежність дозволяє розрахувати коефіцієнт тепловіддачі газорідинному струменю залежно від питомої витрати газу W_ГL і відстані між тепловіддавальними пластинами та визначити критичне значення питомої витрати газу W_ГL для будь-якого значення :

.

При збільшенні подачі газу в зазор між тепловіддавальними поверхнями, коефіцієнт тепловіддачі росте до певного значення, а потім починає зменшуватися (рис. 5). Визначено, що для кожного значення д існує своє граничне значення питомої витрати газу W_ГL, перевищення якого недоцільно і веде до зниження . Для д = 20 мм таке критичне значення витрати W_ГL = 2,6·10^-4 м²/с, а для д = 30 мм витрата газу W_ГL = 3,9·10^-4 м²/с.

Таким чином, даний метод інтенсифікації тепловіддачі в зазорі ЗТОА має обмеження. Перевищення критичного значення W_ГL не тільки не приводить до зростання коефіцієнта тепловіддачі забортній воді , але навіть і зменшує його. Тому, найдоцільніше обмежувати питому витрату газу W_ГL і для досягнення максимальної інтенсифікації тепловіддачі в процесі експлуатації ЗТОА не перевищувати його критичні значення.

На рис. 6 представлені експериментальні дані щодо впливу на коефіцієнт тепловіддачі температурного напору за різних значень питомої витрати газу. На даному графіку для порівняння також представлені залежності, отримані О.О. Луньовим для аналогічного теплообмінного апарата, що працює в умовах вільної конвекції (без інтенсифікації тепловіддачі газорідинними струменями).

Наочно видно вплив на тепловіддачу кількості подаваного газу. Чим вище витрата газу, тим вище ефект інтенсифікації. При питомій витраті газу W_ГL = 2.4·10^-4 м²/с і температурних напорах між тепловіддавальною стінкою та забортною водою 8…10 °С збільшення тепловіддачі досягає 12…17 разів порівняно з (випадок вільної конвекції). Аналіз графіків, представлених на рис. 6, дозволяє відзначити одну особливість. Якщо при заданій питомій витраті газу W_ГL від значень відняти відповідні температурному напору - значення , то одержимо величину . Це вказало на можливість використання для опису розглянутого процесу принципу суперпозицій, відповідно до якого результуюча тепловіддача визначається як сума тепловіддачі при вільній конвекції та тепловіддачі за рахунок руху пухирців газу:

= - .

З урахуванням цього виявлено, що газорідинна складова коефіцієнта тепловіддачі не залежить від різниці температур між поверхнею тепловіддачі та забортною водою - , а визначається тільки величиною питомої витрати газу W_ГL і відстанню між тепловіддавальними пластинами .

Залежність від відстані між тепловіддавальними поверхнями ЗТОА д представлена на рис. 7. Видно, що збільшення відстані між теплообмінними поверхнями д за фіксованої питомої витрати газу W_ГL приводить до зменшення . Це добре узгоджується з отриманими в цій роботі результатами візуальних досліджень і пояснюється тим, що за постійної витрати газу збільшення зазору між тепловіддавальними пластинами приводить до утворення уздовж тепловіддавальних поверхонь зон з ламінарним режимом стікання, непіддатних турбулізуючому впливу газорідинних струменів. За умови збільшення зазору д у два рази, з 20 до 40 мм, і постійній питомій витраті газу W_ГL = 2,4·10^-4 м²/с, зменшується з 4150 до 3400 Вт/м²К, а за W_ГL = 1,1·10^-4 м²/с з 3350 до 2550 Вт/м²К.

Теплотехнічні дослідження однозначно вказали на ефективність обраного методу інтенсифікації тепловіддачі нерухомій щодо судна забортній воді (рис. 8). Ефективність методу порівняно з тепловіддачею за вільної конвекції різко зростає в міру зменшення температурного напору між тепловіддавальною поверхнею і забортною водою, а за температурних напорів - = 2…3 °С збільшення тепловіддачі досягає 15…25 разів.

З урахуванням висновків, отриманих під час візуальних і теплотехнічних досліджень, визначено, що недоцільно збільшувати відстань між тепловіддавальними пластинами ЗТОА понад 20…40 мм і питому витрату повітря W_ГL понад (2,5…5,0)•10^-4 м²/с, тому що це приведе до збільшення необхідної витрати газу та масогабаритних характеристик ЗТОА.

Обробка експериментальних даних відповідно до виявленого у розділі 2 загального вигляду шуканого рівняння подоби показана на рис. 9. У результаті узагальнене рівняння подоби, що описує тепловіддачу газорідинному струменю в розглянутому заглибному пластинчастому теплообмінному апараті, має вигляд:

= 2,2•Re*^0,46•Pr^0,33•(д/)^0,69•(µ_р/µ_с)^0,14. (2)

У якості визначальної використана температура t_р. Характерний лінійний розмір д. Залежність справедлива за Re* = 36,8…629,7; Pr=4…10; µ_р/µ_с = 0,62…2,52; д/=4…32

Зіставлення результатів, розрахованих згідно залежності (2), з результатами розрахунку за відомими залежностями для обтікання однорідною рідиною плоскої поверхні і тепловіддачі при примусовому русі рідини у вертикальному каналі прямокутної форми показало, що газорідинний струмінь, за рівних швидкостей потоку, забезпечує у 1,6…2 рази більші значення коефіцієнта тепловіддачі . Це пояснюється виявленим і описаним раніше досить ефективним руйнуванням пристінного примежового шару спливаючими пухирцями газу.

Таким чином, використання даного методу для інтенсифікації тепловіддачі в ЗТОА замкнутих систем охолодження енергоустановок суден технічного флоту і морських бурових платформ є досить ефективним з погляду зниження масогабаритних характеристик теплообмінного обладнання.

Отримане рівняння подоби (2) дозволяє розрахувати тепловіддачу поверхні газорідинному струменю в широкому діапазоні зміни параметрів і на цій основі розробити методику розрахунку тепловідведення підвищеної ефективності в найгірших умовах роботи ЗСО СЕУ з ЗТОА.

П'ятий розділ присвячений аналізу ефективності роботи пластинчастого заглибного теплообмінного апарата з інтенсифікацією теплопередачі з урахуванням впливу різних факторів (фарбування, обростання тощо). Крім того, у ньому представлений алгоритм розробленої методики розрахунку тепловідведення підвищеної ефективності в замкнутій системі охолодження СЕУ у найгірших умовах роботи пластинчастого ЗТОА.

Аналіз ефективності методу інтенсифікації тепловіддачі, базується на зіставленні досягнутого тепловідведення і необхідних для цього витрат на подавання газу. У результаті виявлено, що для досягнення тих же коефіцієнтів тепловіддачі енерговитрати на формування газорідинних струменів виявляються у 5...8 разів меншими, ніж у разі створення навколо тепловіддавальних поверхонь примусового потоку однорідної рідини.

Виконаний з використанням розробленої методики розрахунок пластинчастого ЗТОА дозволив уточнити, що використання газорідинних струменів дозволяє істотно (4...6 разів) знизити масогабаритні характеристики пристроїв тепловідведення при виготовленні апарата з матеріалів, які не потребують фарбування і непіддатних обростанню. У противному випадку масогабаритні характеристики апарата зменшуються в 2,5...3,5 рази.

Як приклад у розділі наведені результати опрацювання оснащення суднової енергетичної установки потужністю 2000 кВт пластинчастим ЗТОА з підвищеною ефективністю тепловідведення.

Наведені засновані на результатах дослідження рекомендації щодо проектування таких ТОА і в цілому ЗСО СЕУ. Зокрема, на підставі аналізу можливих способів запобігання обростанню запропонована система, що використовує відпрацьовані гази ДВЗ і виключає процес обростання тепловіддавальних поверхонь ЗТОА.

Розроблені система охолодження і заглибний теплообмінний апарат заявлені в Українському інституті промислової власності як винаходи, отримані пріоритетні довідки (№ 2005 04602, №2005 04608).

Висновки

У дисертаційній роботі дане теоретичне та експериментальне обґрунтування нового вирішення актуального наукового завдання - розробки ефективного способу інтенсифікації тепловідведення в найгірших експлуатаційних умовах, пов'язаних з тепловіддачею в нерухому щодо судна забортну воду. Це дозволяє знизити масогабаритні характеристики як ЗТОА, так і в цілому замкнутих систем охолодження СЕУ.

Виконане дисертаційне дослідження дозволяє сформулювати наступні висновки та рекомендації:

1. Удосконалювання систем охолодження енергетичних установок суден технічного флоту і морських технічних засобів стримується відсутністю пристроїв тепловідведення, що ефективно працюють у нерухомій щодо судна забортній воді. Для використовуваних у таких системах пластинчастих ЗТОА відсутні розроблені способи інтенсифікації тепловіддачі та відповідні розрахункові залежності. Як наслідок, відсутні достовірні методики теплотехнічних розрахунків теплообмінних апаратів з інтенсифікацією тепловіддачі, що не дозволяє знизити масогабаритні характеристики теплообмінних апаратів і перешкоджає широкому впровадженню в практику суднобудування високонадійних, екологічно безпечних ЗСО СЕУ.

2. Виконані візуальні дослідження підтвердили можливість використання газорідинних струменів для інтенсифікації тепловіддачі і уточнили механізм цього процесу в умовах нерухомої щодо судна забортної води. Газорідинний струмінь забезпечує, з одного боку, проштовхування забортної води уздовж поверхонь теплообміну, а, з іншого боку, руйнування пристінного примежового шару за рахунок поперечних пульсацій пухирців газу, що приводить, в остаточному підсумку, до збільшення тепловіддачі.

3. На підставі теоретичних і експериментальних досліджень уперше виявлена криза тепловіддачі при використанні газорідинних струменів, а також отримані відповідні аналітичні залежності. Ця криза приводить до зниження тепловіддачі внаслідок заміщення в зазорі пластинчастого ЗТОА забортної води газом. Уперше визначено, що недоцільно збільшувати відстань між тепловіддавальними пластинами ЗТОА понад 20…40 мм і питому витрату газу W_ГL понад (2,5…5,0)•10^-4 м²/с.

4. Теплотехнічні дослідження однозначно підтвердили ефективність запропонованого методу інтенсифікації тепловіддачі нерухомій щодо судна забортній воді та уточнили досягнутий результат. Для розглянутого пластинчастого ЗТОА при температурних напорах усього - = 2…3 °С підвищення тепловіддачі може досягати 15…25 разів.

5. Для розглянутої конструкції ЗТОА вперше отримане узагальнене рівняння подоби, що описує процес інтенсифікації тепловіддачі за допомогою газорідинних струменів. Рівняння справедливе в широкому діапазоні зміни параметрів і забезпечує можливість розробки достовірної методики теплотехнічного розрахунку таких теплообмінних апаратів.

6. Проведений аналіз показав, що досягнуті при використанні даного методу інтенсифікації значення коефіцієнта тепловіддачі можуть бути порівнянні та навіть вище значень за примусової конвекції однорідної рідини, що підтверджує ефективність методу і механізм інтенсифікації тепловіддачі, пов'язаний з руйнуванням примежового пристінного шару. Причому, для досягнення тих же коефіцієнтів тепловіддачі енерговитрати на формування газорідинних струменів виявляються у 5…8 разів меншими, ніж у разі створення уздовж тепловіддавальних поверхонь примусового потоку однорідної рідини.

7. Виконаний з використанням розробленої методики розрахунок пластинчастого ЗТОА з підвищеною ефективністю тепловідведення дозволив уточнити, що використання газорідинних струменів дозволяє істотно (4…6 разів) знизити масогабаритні характеристики пристроїв тепловідведення ЗСО СЕУ при виготовленні апарата з матеріалів, що не потребують фарбування і непіддатних обростанню. У противному випадку масогабаритні характеристики апарата зменшуються в 2,5…3,5 рази.

8. Розроблена стосовно пластинчастих ЗТОА методика забезпечує одержання достовірних результатів розрахунку і впроваджена в провідних у суднобудуванні організаціях з проектування морських бурових платформ - ЦКБ "Корал" і суднового теплообмінного обладнання - ЦКБ "Таврія". За їх оцінками економічний ефект від використання заглибного пластинчастого теплообмінного апарата з газорідинною інтенсифікацією тепловіддачі в замкнутій системі охолодження СЕУ потужністю 5000 кВт, становить близько 62 тис. доларів США на рік.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Владецкий Д.О. Кризис теплоотдачи в пластинчатых теплообменниках систем охлаждения энергоустановок морских технических средств/ Д.О. Владецкий // Вестник СевГТУ, "Механика, энергетика, экология". - Севастополь, 2006. - №75. - С. 217-222.

2. Владецкий Д.О. Интенсификация теплоотдачи газожидкостными струями в вертикальном плоском канале/ Д.О. Владецкий // Рыбное хозяйство Украины. - Керчь, 2005. - №3/4. - С. 47-49.

3. Владецкий Д.О. Интенсификация теплоотвода замкнутых систем охлаждения энергоустановок морских технических средств/ Д.О. Владецкий, К.Ю. Федоровский // "Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы". - Херсон, 2006. - №2. - С. 154-158. (Особисто здобувачем досліджений процес газорідинної інтенсифікації тепловіддачі нерухомій щодо судна забортній воді й отримані відповідні експериментальні дані).

4. Владецкий Д.О. Визуальные исследования течения затопленных газожидкостных струй в вертикальном плоском канале / Д.О. Владецкий, К.Ю.Федоровский // Вестник СевГТУ, "Механика, энергетика, экология". - Севастополь, 2005. - №67. - С. 131-136. (Особисто здобувачем виконане моделювання процесу тепловіддачі й визначений механізм взаємодії газорідинного струменя з тепловіддавальними поверхнями).

5. Владецкий Д.О. Газожидкостная интенсификация теплоотдачи в замкнутых системах охлаждения энергетических установок/ Д.О. Владецкий, К.Ю. Федоровский // Сб. научных трудов СНИЯЭиП. - Севастополь, 2006. - №19. - С. 44-50. (Особисто здобувачем проведене моделювання теплообмінного пристрою, отримані експериментальні дані й досліджено кризу процесу газорідинної інтенсифікації тепловіддачі).

6. Владецкий Д.О. Визуальные исследования процесса интенсификации теплоотдачи конечному поглотителю затопленными газожидкостными струями / Д.О. Владецкий, К.Ю. Федоровский // Сб. науч. тр. СНИЯЭиП. - Севастополь, 2004. - №12. - С. 283-287. (Особисто здобувачем визначений вплив положення газового колектора й відстані між теплообмінними поверхнями на характер протікання газорідинного струменя).

7. Владецкий Д.О. Интенсификация теплоотвода в замкнутой системе охлаждения энергоустановки морской буровой платформы / Д.О. Владецкий, К.Ю. Федоровский К.Ю.// Энергомашиностроение: Материалы международной научно-технической конференции, СевНТУ, 17 мая 2006 г. - Севастополь, 2006. - С. 37. (Особисто здобувачем визначене рівняння подоби, що описує тепловіддачу газорідинному струменю).

8. Владецкий Д.О. Интенсификация теплопередачи в замкнутых системах охлаждения энергоустановок морских буровых платформ и судов технического флота/ Д.О. Владецкий, К.Ю. Федоровский // Сучасні проблеми суднової енергетики: Материалы международной научной и научно-технической конференции, ОНМА, 15 мая 2006 г. - Одесса, 2006. - С. 31-33. (Особисто здобувачем отримана аналітична залежність, що описує кризу тепловіддачі).

9. Владецкий Д.О. Интенсификация теплоотдачи в погружных пластинчатых теплообменниках/ Д.О. Владецкий, К.Ю. Федоровский // Живучесть корабля и безопасность на море: Материалы международной научно-технической конференции, СВМИ им. Нахимова, 25 мая 2005 г. - Севастополь, 2005. - С. 132-136. (Особисто здобувачем розрахована теплова ефективність газорідинного способу інтенсифікації тепловіддачі).

10. Владецкий Д.О. Повышение эффективности теплоотвода в погружном пластинчатом теплообменном аппарате/ Д.О. Владецкий, К.Ю. Федоровский // Суднова енергетика: стан та проблеми: Материалы международной научно-технической конференции, НУК, 19 октября 2005 г. - Николаев, 2005. - С. 132-134. (Особисто здобувачем отримані експериментальні дані щодо впливу питомої витрати повітря на коефіцієнт тепловіддачі).

11. Владецкий Д.О. Исследование высокоэффективных безопасных устройств теплоотвода систем охлаждения энергоустановок морских технических средств/ Д.О. Владецкий, К.Ю. Федоровский // Безопасность мореплавания и ее обеспечение при проектировании и постройке судов: Материалы международной научно-технической конференции, НУК, 21 октября 2004 г. - Николаев, 2004. - С. 65-67. (Особисто здобувачем визначений механізм інтенсифікації тепловіддачі газорідинними струменями).

Анотація

Владецький Д.О. Підвищення ефективності тепловідведення замкнутих систем охолодження суднових енергоустановок з занурюваними пластинчастими теплообмінними апаратами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.08.05 - Суднові енергетичні установки. Севастопольський національний технічний університет, Севастополь, 2007.

Метою дисертаційної роботи є розробка методики розрахунку тепловідведення підвищеної ефективності в замкнутій системі охолодження СЕУ за найгірших умов роботи пластинчастого заглибного теплообмінного апарата. Створення навколо тепловіддавальних поверхонь газорідинних струменів є найбільш перспективним способом інтенсифікації тепловіддачі нерухомій забортній воді в пластинчастому заглибному теплообміннику. У результаті проведених візуальних досліджень процесу виявлена істотна турбулізація потоку і механізм руйнування пристінного примежового шару. Виконані теоретичні та експериментальні дослідження вказали на наявність кризи тепловіддачі. Отримано відповідні аналітичні залежності, на підставі яких надані рекомендації з питомої витрати газу та відстані між тепловіддавальними поверхнями. Отримане рівняння подоби дозволяє розрахувати тепловіддачу поверхні газорідинному струменю в широкому діапазоні зміни параметрів і на цій основі розробити методику розрахунку тепловідведення підвищеної ефективності в найгірших умовах роботи ЗСО СЕУ з ЗТОА. Виконаний з використанням розробленої методики аналіз дозволив уточнити, що використання газорідинних струменів для інтенсифікації тепловіддачі дозволяє істотно (4...6 разів) знизити масогабаритні характеристики пристроїв тепловідведення.

Ключові слова: суднова енергетична установка, система охолодження, теплообмінні апарати, газорідинна інтенсифікація тепловіддачі.

Анотация

Владецький Д.О. Повышение эффективности теплоотвода замкнутых систем охлаждения судовых энергоустановок с погружными пластинчатыми теплообменными аппаратами. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.08.05 - Судовые энергетические установки. Севастопольский национальный технический университет, Севастополь, 2007.

Целью диссертационной работы является разработка методики расчета теплоотвода повышенной эффективности в замкнутой системе охлаждения СЭУ при наихудших условиях работы пластинчатого погружного теплообменного аппарата.

Проведенный информационный анализ показал, что создание у теплоотдающих поверхностей газожидкостных струй является наиболее перспективным способом интенсификации теплоотдачи неподвижной забортной воде в пластинчатом погружном теплообменнике. Определено, что при этом могут быть достигнуты высокие значения коэффициентов теплопередачи, что обеспечивает малые массогабаритные показатели устройств теплоотвода и системы в целом. Однако отсутствие необходимых данных по теплоотдаче в пластинчатых ПТОА не позволяет разработать достоверную методику расчета теплопередачи в них при использовании выбранного способа интенсификации теплоотдачи.

Для определения характера взаимодействия газожидкостной струи с теплоотдающими поверхностями были проведены визуальные исследования процесса. В результате выявлена существенная турбулизация потока и механизм разрушения пристенного пограничного слоя. Все это обеспечивает интенсификацию теплоотдачи забортной воде. Уточнено влияние расположения газового коллектора на процесс интенсификации теплоотдачи газожидкостной струей и даны рекомендации по размещению газового коллектора, обеспечивающие наилучшие условия взаимодействия струи и теплоотдающей поверхности аппарата.

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования указали на наличие кризиса теплоотдачи, обусловленного замещением жидкости газом в зазоре ПТОА. Получены соответствующие аналитические зависимости, на основании которых даны рекомендации по удельному расходу газа и расстоянию между теплоотдающими поверхностями.

Запись системы дифференциальных уравнений, описывающих движение и теплоотдачу двухфазного газожидкостного потока и соответствующие преобразования, выявили в общем виде уравнение подобия, а теплотехнические исследования позволили уточнить соответствующие искомые величины. Полученное уравнение подобия позволяет рассчитать теплоотдачу поверхности газожидкостной струе в широком диапазоне изменения параметров и на этой основе разработать методику расчета теплоотвода повышенной эффективности в наихудших условиях работы ЗСО СЭУ с ПТОА.

Выполненный с использованием разработанной методики анализ позволил уточнить, что использование газожидкостных струй для интенсификации теплоотдачи позволяет существенно (4…6 раз) снизить массогабаритные характеристики устройств теплоотвода при изготовлении аппарата из материалов, не требующих покраски и неподверженных обрастанию. В противном случае массогабаритные характеристики аппарата уменьшаются в 2,5…3,5 раза.

Ключевые слова: судовая энергетическая установка, система охлаждения, теплообменные аппараты, газожидкостная интенсификация теплоотдачи.

Absract

D.O. Vladetsky. Increase of heat removal in ship power plant closed cooling systems with immersed plate heat exchangers. - Manuscript.

The thesis for a degree of candidate of technical sciences on speciality 05.08.05 - Ship power plants. Sevastopol national university of technology, Sevastopol, 2007.

The aim of the thesis is to develop a method of calculation of heat transfer in ship power plant closed cooling systems with immersed plate heat exchangers of high heat removal efficiency.

Formation of gas-liquid streams along heat exchanging surfaces of immersed plate heat exchanger is one of the most effective ways of increasing heat transfer to stagnant overboard water. Visualization of the process showed intense turbulence of the flow ensuring increase of heat transfer. Experiments discovered an appearance of heat transfer crisis caused by an excess of gas in the flow between heat exchanging walls. Proper equations were received. Determined equations made it possible to calculate heat transfer in ship power plants closed cooling systems with immersed plate heat exchangers.

Experimental results together with conducted analysis showed that proposed way of heat transfer intensification allows to increase heat transfer to stagnant overboard water (up to 20…25 times) and decrease mass and size of immersed plate heat exchangers (up to 4…6 times).

Key words: ship power plant, cooling system, heat exchangers, gas-liquid heat transfer intensification.

Размещено на Allbest.ru

...