Вдосконалення пристроїв тепловідведення замкнутих систем охолодження енергетичних установок суден та морських споруд

10

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

СЕВАСТОПОЛЬСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Автореферат

Вдосконалення пристроїв тепловідведення замкнутих систем охолодження енергетичних установок суден та морських споруд

Спеціальність 05.05.03 - Двигуни та енергетичні установки

Луньов Олександр Олександрович

Севастополь - 2009

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Україна володіє значними біологічними і геологічними запасами шельфу Чорного та Азовського морів. Розробка цих запасів вимагає створення ефективно функціонуючого комплексу спеціалізованих суден і морських споруд (морських бурових платформ та газоперекачувальних станцій тощо). Однією з основних систем енергетичних установок (ЕУ) таких об'єктів є система охолодження (СО). В судновій практиці широке розповсюдження знайшли двоконтурні розімкнуті СО ЕУ, що передбачають споживання забортної охолодної води.

Під час виконання технологічних операцій із розробки ресурсів шельфу спеціалізовані судна та морські споруди інтенсивно забруднюють навколишню акваторію. В таких умовах розімкнуті СО ЕУ не забезпечують надійної експлуатації ЕУ. Крім того, такі системи завдають значного екологічного збитку рибним ресурсам шельфу морів, знищуючи рибну молодь, ікринки, планктон та інше, що підтверджене результатами міжнародної екологічної експертизи та висновками Інституту біології південних морів НАН України. Виконані ними оцінки показують, що одна плавуча бурова установка типу «Шельф» сумарною потужністю ЕУ 5000 кВт за один рік призводить до знищення близько 200 т. риб промислових видів.

Замкнута система охолодження (ЗСО) виключає необхідність споживання забортної охолодної води і відрізняється більшою надійністю й екологічною безпекою під час експлуатації. Вивченню й розробці таких систем присвячені роботи М.Л. Олександра, В.І. Жесткова, В.В.Климова, Ю.М. Мухіна, Б.Є. Синильщикова, К.Ю. Федоровського, В.М. Ципіна, Б.С. Юдовіна та інших вітчизняних і закордонних дослідників.

Циркулюючий у ЗСО теплоносій, зазвичай прісна вода, віддає свою теплоту в спеціальних пристроях тепловідведення, що контактують із забортною водою. Ці пристрої можуть сполучатися з обшивкою корпуса судна, розміщуватись у спеціальних вигородках корпуса судна або занурюватися у забортну воду при розташуванні їх на підводних елементах конструкції морських споруд. При цьому форма теплопередавальних поверхонь пристроїв може бути різною.

Вдосконаленню пристроїв тепловідведення в суднових ЕУ присвячені роботи В.М. Бузника, Г.А. Дрейцера, М.І. Радченко, Б.С. Юдовіна та ін.

З погляду простоти виготовлення, обслуговування та ремонту під час експлуатації, пристрої тепловідведення доцільно виготовляти у вигляді зануреного у забортну воду набору плоских паралельних пластин із зазором між ними - заглибних пластинчастих теплообмінних апаратів (ЗПТОА). Усередині кожної пластини по лабіринтовому каналу рухається охолоджувана прісна вода СО ЕУ. Виносний ЗПТОА морських споруд може розміщуватися на порівняно великих глибинах зі зниженою температурою забортної води, що зменшує необхідну площу тепловіддавальної поверхні та габарити апарата.

Найгірші умови роботи таких апаратів мають місце у випадку нерухомої забортної води, коли тепловіддача здійснюється вільною конвекцією. Ці умови визначають основний розрахунковий режим. Нажаль, відомі з публікацій дані не містять залежностей, які дозволяли б із необхідною точністю виконувати розрахунки тепловідведення в таких апаратах й оцінювати їх ефективність в цілому, що суттєво обмежує можливість подальшого вдосконалення і широкого впровадження у практику суднобудування високонадійних екологічно безпечних ЗСО з ЗПТОА.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в межах трьох держбюджетних НДР Севастопольського національного технічного університету, проведених відповідно до координаційних планів Міністерства освіти і науки України (№ держ. реєстрації 0205U007159, 0106U003269, 0109U001702).

Мета і завдання дослідження. Метою дослідження є розробка науково-обґрунтованої методики розрахунку тепловідведення ЗПТОА в нерухому забортну воду, що забезпечує створення теплогідродинамічно вдосконалених ЗПТОА ЗСО ЕУ суден і морських споруд.

Досягнення поставленої мети визначило необхідність розв'язання наступних завдань дослідження:

· аналіз принципів побудови ЗСО ЕУ суден і морських споруд із заглибними пластинчастими теплообмінними апаратами та умов їх роботи з урахуванням конструктивних і експлуатаційних чинників, включаючи різну орієнтацію ЗПТОА;

· визначення особливостей перебігу процесу течії рідини в зазорі між пластинами теплообмінника з урахуванням зміни орієнтації в умовах нерухомої стосовно ЗПТОА забортної води;

· експериментальне моделювання пристрою тепловідведення і процесу тепловіддачі за різної орієнтації тепловіддавальних поверхонь ЗПТОА, виявлення чинників, що визначають ефективність тепловідведення;

· узагальнення експериментальних даних щодо тепловідведення в ЗПТОА за його різної орієнтації та визначення відповідних рівнянь подоби;

· комплексна оцінка ефективності і рівня досконалості, оптимізація параметрів, що забезпечують максимальне вдосконалення ЗПТОА ЗСО ЕУ суден і морських споруд.

Об'єкт дослідження. Процеси відведення теплоти замкнутою системою охолодження енергоустановок суден і морських споруд.

Предметом дослідження є ефективність тепловідведення в нерухому забортну воду заглибного пластинчастого теплообмінника за різної його орієнтації та параметрах з урахуванням особливостей експлуатації ЗСО ЕУ суден і морських споруд.

Методи дослідження. Методологічну основу дисертаційної роботи становлять теорії тепломасообміну та подоби фізичних процесів. Застосовано методи математичного моделювання процесів - при виведенні рівняння подоби; візуалізації протікання рідини - при дослідженні характеру течії охолодної рідини в зазорі за різної орієнтації ЗПТОА і розмірах зазору; теорії подоби - при створенні експериментальної моделі й установки в цілому; експериментального теплотехнічного дослідження - при визначенні ефективності тепловіддачі на моделі теплообмінника; статистичної обробки даних - при аналізі експериментальних результатів і визначенні рівняння подоби; комп'ютерного моделювання - при визначенні ефективності заглибного пластинчастого теплообмінного апарата ЗСО ЕУ і впливу різних чинників.

Наукова новизна одержаних результатів.

· Для умов нерухомої забортної води уточнені особливості течії в зазорах ЗПТОА ЗСО ЕУ суден і морських споруд, обумовлені взаємним впливом пристінних вільно-конвекційних течій, що спричиняють погіршення умов тепловіддачі порівняно з одиночними поверхнями.

· Вперше одержане рівняння подоби, що враховує специфіку процесів тепломасообміну, орієнтацію ЗПТОА ЕУ суден і морських споруд та його конструктивні параметри.

· Дістав подальшого розвитку метод оцінки рівня досконалості з використанням безрозмірного інтегрального показника, що реалізує принципи комплексного підходу і забезпечує можливість його застосування як цільової функції оптимізації параметрів ЗПТОА ЗСО ЕУ.

· Використання інтегрального показника досконалості як цільової функції оптимізації дозволило уточнити параметри, що забезпечують якнайкращі показники ЗПТОА ЗСО ЕУ суден і морських споруд.

· Удосконалено метод розрахунку тепловідведення в ЗПТОА та визначення рівня його досконалості, покладений в основу відповідної методики, яка враховує умови експлуатації ЗСО ЕУ суден і морських споруд.

· Уточнено, що, незважаючи на змінну тепловіддачу кожної з поверхонь зазору при різній орієнтації, середній коефіцієнт тепловіддачі двох поверхонь змінюється несуттєво, відрізняючись не більше ніж на 6…8% порівняно з вертикальною орієнтацією, що обумовлено перемішуванням пристінних конвективних течій.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблена з використанням отриманих результатів досліджень науково-обґрунтована методика розрахунку тепловідведення ЗПТОА ЗСО ЕУ суден і морських споруд та рівня його досконалості з урахуванням найгірших умов експлуатації забезпечує визначення необхідних розмірів ефективно працюючого теплообмінника та оптимізацію його конструктивних параметрів. Це дає можливість вдосконалення та більш широкого впровадження в практику суднобудування високонадійних і екологічно безпечних замкнутих систем охолодження ЕУ.

Результати роботи у вигляді методики розрахунку тепловідведення ЗПТОА і рівня його досконалості впроваджені у провідної у суднобудуванні організації з проектування морських технічних засобів - ЦКБ «Корал», м. Севастополь. У спільному російсько-в'єтнамському підприємстві «В'єтсовпетро» (В'єтнам) розроблена робоча документація і ведеться виготовлення такого ЗПТОА для морської стаціонарної платформи проекту 16716. За оцінками «В'єтсовпетро» економічний ефект від застосування ЗПТОА для цієї платформи становитиме близько 20 тис. доларів США на рік.

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

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота є самостійно виконаною науковою працею. Автором отримані теоретичні та практичні результати щодо забезпечення ефективного тепловідведення в ЗПТОА ЗСО ЕУ суден і морських споруд з урахуванням найнесприятливіших умов експлуатації. Уточнені особливості течії охолодної рідини в зазорі теплообмінника за умов вільної конвекції. Вперше одержане рівняння подоби, що враховує специфіку процесів тепломасообміну. Проведена з використанням запропонованого інтегрального показника оптимізація дозволила уточнити параметри, що забезпечують вдосконалення ЗПТОА ЗСО ЕУ суден і морських споруд.

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

Апробація результатів дисертації. Основні положення й результати дисертаційної роботи доповідалися на: 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.; Міжнародній науковій і науково-технічній конференції «Сучасні проблеми суднової енергетики», м. Одеса, 2006 р.; Міжнародній науково-технічній конференції «Енергомашинобудування», м. Севастополь, 2006 г; Міжнародній конференції «Прогресивна техніка і технологія», м. Севастополь, 2005 р. і 2006 р.; Міжнародній науково-практичній конференції «Надійність, безпека, ресурс АЕС», м. Севастополь, 2005 р., 2006 р., 2007 р. і 2009 р.; Наукових семінарах кафедри енергоустановок морських суден і споруд СевНТУ у 2005 р. і 2006 р.; Міжнародній науково-практичній конференції «Енергоустановки», м. Севастополь, 2006р., 2007р., 2008р. і 2009р.; Технічній нараді спільного російсько-в'єтнамського підприємства «В'єтсовпетро» (В'єтнам) 2007 р.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 10 друкованих праць. З них 6 (одна без співавторів) у наукових журналах і збірниках наукових праць, які входять до переліку ВАК України і 4 у матеріалах і тезах доповідей науково-технічних конференцій.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, додатків, списку використаних джерел. Дисертація містить 140 сторінок машинописного тексту основного матеріалу, 110 найменувань використаних джерел. Робота проілюстрована 69 малюнками і містить 5 таблиць. У додатках наводяться акти впровадження та інші матеріали, що підтверджують використання результатів досліджень.

Робота виконана на кафедрі енергоустановок морських суден і споруд факультету морських технологій і судноплавства Севастопольського національного технічного університету.

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 дисертації визначено, що одним з перспективних напрямків вдосконалення суднових енергетичних установок (СЕУ) є перехід на ЗСО. Ці системи порівняно з широко використовуваними в суднобудуванні розімкнутими системами виключають необхідність споживання забортної охолодної води. У результаті забезпечується більша надійність і екологічна безпека експлуатації СЕУ.

Особливо гостро ця проблема виникає для спеціалізованих суден розробки шельфу і різноманітних морських споруд, тривалий час працюючих у забрудненій акваторії, що часто пов'язано з виконуваними технологічними операціями. У зазначених умовах розімкнуті СО засмічуються, що веде до припинення їх функціонування, а арматура і трубопровід зазнають інтенсивного абразивного впливу, що знижує їх термін служби і надійність експлуатації.

В результаті проходження забортної води через розімкнуті СО знищуються рибна молодь, ікринки, зоо- і фітопланктон, що підтверджено результатами міжнародної екологічної експертизи. За оцінками Інституту біології південних морів НАН України тільки одна морська бурова платформа з ЕУ сумарною потужністю 5000 кВт за один рік споживає 10 тис. т. забортної води, внаслідок чого знищується близько 200 т. риб промислових видів. Тому екологічний аспект, пов'язаний із впровадженням ЗСО СЕУ, надзвичайно актуальний для України, що передбачає інтенсивне освоєння морських ресурсів шельфу Чорного та Азовського морів.

Є позитивні приклади використання ЗСО у закордонному та вітчизняному суднобудуванні, наприклад, на плавкранах, криголамах, буксирах, землечерпалках тощо. При цьому відведення теплоти у забортну воду відбувається в спеціальних пристроях тепловідведення, які можуть сполучатися з обшивкою корпуса судна, розміщуватися в спеціальних вигородках корпуса судна або занурюватися у забортну воду, розміщуючись на підводних елементах конструкції морських споруд.

Найбільш несприятливі умови роботи таких пристроїв мають місце у випадку, коли вони нерухомі щодо забортної води. При цьому тепловіддача відбувається в умовах вільної конвекції, що для цих пристроїв визначає основний розрахунковий режим. При забезпеченні відведення теплоти в умовах вільної конвекції, гарантовано забезпечується відведення теплоти і під час руху судна (вимушена конвекція).

Проведений аналіз показав, що для спеціалізованих суден розробки морського шельфу і різноманітних морських споруд, найдоцільніше з погляду простоти виготовлення, обслуговування і ремонту використовувати ЗПТОА. Пластини такого апарата розташовуються паралельно із зазором, усередині якого знаходиться забортна вода. Всередині кожної пластини по лабіринтовому каналу рухається охолоджувана прісна вода СО ЕУ. Така форма каналу використовується у більшості існуючих конструкцій пристроїв тепловідведення ЗСО СЕУ.

Для суден ЗПТОА розташовується у спеціальних вигородках корпуса, а для морських споруд - розміщається на підводних елементах конструкції. При цьому з конструктивних і експлуатаційних причин, наприклад, крен судна, ЗПТОА можуть мати різну орієнтацію, що суттєво впливає на ефективність тепловідведення.

Виконаний аналіз свідчить про відсутність необхідних даних щодо тепловіддачі в ЗПТОА, які дозволили б з необхідною точністю визначити площу теплопередавальної поверхні, що змушувало задавати порівняно великі страхові запаси до розрахункового значення площі. У результаті габарити таких ТОА виявлялися завищеними, що стримувало впровадження ЗСО в практику суднобудування.

Таким чином, визначення розрахункових залежностей, отриманих на основі спеціальних досліджень, забезпечить уточнення методу розрахунку досягнутого тепловідведення і визначення з максимальною точністю площі та габаритів ЗПТОА. Це є умовою для пошуку шляхів підвищення ефективності й в остаточному підсумку вдосконалення таких теплообмінників і СО.

У другому розділі сформульована мета і завдання дисертаційного дослідження, подана технологічна карта дисертації, проведене обґрунтування обраної методики і техніки вимірів. Підтверджено, що використані засоби вимірювання забезпечують досягнення необхідної точності визначення шуканих величин.

Під час розв'язання основних завдань дисертаційних досліджень використовувалися методи фізичного і математичного моделювання.

З використанням системи диференціальних рівнянь тепловіддачі, енергії, нерозривності і руху отримане в загальному вигляді шукане рівняння подоби, яке вимагає визначення ряду величин на основі обробки експериментальних даних.

Створена експериментальна установка візуальних досліджень дозволила на моделі ЗПТОА заввишки 0,6 м визначити особливості протікання і взаємодії навколостінних конвектівних потоків у зазорі між пластинами за різної орієнтації, розміру зазору і температурного напору між стінкою та рідиною. енергетичний морський пластинчастий тепловідведення

Експериментальні теплотехнічні дослідження проводилися на моделі ЗПТОА (рис. 1), заввишки 0,8 м і завширшки 0,5 м, розміщеної в ємності обсягом 17 м³ з нерухомою охолодною водою. Гаряча охолоджувана вода рухалася всередині кожної пластини по лабіринтовому каналу. Температура поверхонь і робочих середовищ вимірювалася термопарами.

Експериментальна установка (рис. 2) забезпечувала моделювання й дослідження процесів тепловіддачі у широкому діапазоні зміни параметрів робочих середовищ відповідно до умов експлуатації ЗСО ЕУ суден і морських споруд. У ході тепло-технічних експериментів орієнтація моделі ЗПТОА змінювалася в межах ц_д від 0° до -45° (рис. 3).

У третьому розділі наведені результати візуальних досліджень конвективних течій уздовж поверхонь ЗПТОА.

Дослідження виконані як для зовнішніх поверхонь апарата, що віддають теплоту в необмежений простір (рис. 4), так і для поверхонь, що утворюють плоский зазор (рис.5…7).

Визначено, що зміна орієнтації ЗПТОА суттєво змінює напрямки потоків рідини, їх інтенсивність і довжину ділянок ламінарної і турбулентної течій. Зменшення зазору між пластинами (рис. 5 і рис. 6) і збільшення температурного напору Дt між стінкою і забортною водою сприяють більш ранньому змиканню й перемішуванню пристінних конвективних течій. Збільшення нахилу апарата щодо вертикалі (рис. 7) змінює картину течій.

Висхідний потік від нижньої пластини проникає у пристінну течію уздовж верхньої пластини, внаслідок чого змінюються загальний характер течії, і відповідно тепловіддача.

Четвертий розділ дисертації присвячений дослідженням тепловіддачі за різної орієнтації ЗПТОА в найбільш несприятливому випадку, пов'язаному зі знаходженням у нерухомій забортній воді.

Орієнтація поверхні суттєво впливає на значення коефіцієнта тепловіддачі б (рис. 8). Утворююча зазор поверхня, орієнтована (див. рис. 3) вгору (ц = +45°), має на 45…50% більше значення б, порівняно з поверхнею, орієнтованою вниз (ц = -45°).

Збільшення зазору д між пластинами поліпшує умови тепловіддачі (рис. 9 і рис. 10), що пов'язано зі зменшенням взаємного впливу і перемішування пристінних течій, а також кращим доступом у зазор охолодної забортної води.

Оскільки процес відбувається в умовах вільної конвекції, то на наведених графіках чітко спостерігається вплив температурного напору Дt між стінкою і охолодною водою.

Найкраще тепловідведення має місце за вертикального (ц_д = 0°) розташування апарата. Узагальнююча обробка експериментальних даних для цього випадку дозволила визначити рівняння подоби:

. (1.1)

У якості визначальної взята середня за висотою зазору ЗПТОА температура охолодної забортної води . Характерний лінійний розмір д. Це рівняння слушне в діапазоні зміни (Pr·Gr) = 6,3·10⁵…4,9·10⁹.

Узагальнююча обробка експериментальних даних за різної орієнтації ЗПТОА (рис. 11) дозволила визначити рівняння подоби:

. (1.2)

Рівняння слушне в тому ж діапазоні зміни (Pr·Gr), що й у рівнянні (1.1). Використовувалися ті ж визначальна температура й характерний лінійний розмір. Рівняння охоплює будь-які значення кута нахилу ц у діапазоні від -45є до +45є, включаючи й вертикальне положення.

Наведені рівняння (1.1) і (1.2) дозволяють розрахувати тепловіддачу окремо кожної з поверхонь, що утворюють зазор. Аналіз експериментальних даних виявив, що середня по двох поверхнях зазору тепловіддача незначно змінюється зі зміною орієнтації й усього на 6…8% відрізняється від випадку вертикального положення (ц_д = 0°). Це спрощує попередню оцінку ефективності тепловідведення такого апарата на ранніх етапах проектування.

Крім того, виявлено, що прогрівання охолодної забортної води за висотою H зазору визначається лінійною густиною теплового потоку (Q/H). Виведене відповідне рівняння, що дозволяє розрахувати значення прогрівання й середню температуру води за висотою зазору (визначальну температуру в рівняннях подоби).

Аналіз і зіставлення наведених рівнянь подоби з відомими рівняннями вказав на їхню новизну.

Таким чином, наведені вище залежності, отримані внаслідок спеціальних досліджень з урахуванням наявних особливостей, дозволяють розрахувати тепловіддачу в широкому діапазоні зміни параметрів і на їхній основі розробити методику, що забезпечує необхідну точність розрахунків тепловідведення в ЗПТОА ЗСО СЕУ і в цілому його ефективності.

П'ятий розділ присвячений аналізу ефективності і рівня досконалості ЗПТОА ЗСО, а так само оптимізації його параметрів. В основу оцінки ефективності покладене співвідношення витрат і отриманого результату. Використана система приватних відносних показників, що характеризують вартість, масу, габаритний об'єм, витрати потужності на прокачування охолоджуваної води в ЗПТОА ЗСО СЕУ.

Узагальнена оцінка рівня досконалості виконана для чотирьох літнього періоду експлуатації за допомогою інтегрального показника досконалості (ІПД), побудованого за адитивним принципом.

, (1.3)

де: Q* - відведена системою теплота, Дж;

[N], [C], [M], [V] - приведені до витрат теплоти відповідно витрати потужності на прокачування, вартість, маса, габаритний об'єм, Дж.

Оскільки ІПД є відношення витрат до отриманого результату, то чим менше його значення, тим більше досконалий апарат.

З використанням цих показників проведене дослідження впливу на ефективність і рівень досконалості таких чинників, як: розмір внутрішнього каналу пластин (швидкість у каналі), зазор між пластинами, використовувані матеріали й фарбування поверхонь. Визначено, що такі теплообмінники доцільно виготовляти з вуглецевої сталі, а не з кольорових матеріалів.

Показано, що ІПД може бути використаний як цільова функція оптимізації параметрів ЗПТОА. Зокрема визначено, що оптимальні показники ефективності стосовно дизельної СЕУ досягаються за швидкостей охолоджуваної прісної води усередині пластин близько 0,5 м/с (рис. 12) і зазорах між пластинами 20…40 мм (рис. 13).

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі дано теоретичне й експериментальне обґрунтування нового розв'язання актуального наукового завдання забезпечення максимальної ефективності й рівня досконалості ЗПТОА ЗСО ЕУ суден і морських споруд з урахуванням найбільш несприятливих умов експлуатації, пов'язаних з тепловіддачею в нерухому щодо судна забортну воду

Виконане дисертаційне дослідження дозволяє сформулювати наступні висновки й рекомендації:

1. Впровадження в практику високонадійних екологічно безпечних замкнутих систем охолодження енергетичних установок стримується відсутністю належною мірою розроблених методів забезпечення ефективності пристроїв тепловідведення, що є найважливішим елементом ЗСО ЕУ. Для спеціалізованих суден розробки шельфу й морських споруд найбільш доцільне застосування ЗПТОА. Основним розрахунковим режимом таких апаратів повинен бути режим знаходження судна або морської споруди в нерухомій воді, коли процес тепловіддачі відбувається в умовах вільної конвекції. Для таких умов відсутні розрахункові залежності, які враховують специфіку теплогідродинамічних процесів, і, як наслідок, відповідні методики, що забезпечують необхідну точність розрахунків тепловідведення й площі ЗПТОА. Це не дозволяє досягти необхідного рівня досконалості, зокрема мінімальних масогабаритних характеристик і необхідної ефективності ЗПТОА ЗСО ЕУ в цілому, що стримує їхнє широке впровадженню в практику суднобудування.

2. Проведені візуальні дослідження вказали на наявність специфіки теплогідродинамічних процесів, що відбуваються, пов'язаної зі взаємодією пристінних конвективних течій охолодної води в зазорі апарата, що однозначно вказує на неможливість використання для розрахунків тепловідведення та необхідної площі ЗПТОА залежностей для одиночних поверхонь.

3. Для розглянутої конструкції ЗПТОА вперше отримане рівняння подоби, що описує тепловідвід в умовах нерухомої щодо судна забортної охолодної води. Рівняння подоби справедливе в широкому діапазоні зміни параметрів, включаючи зміну орієнтації від 0 до 45 градусів, і забезпечує можливість розробки методики розрахунків тепловідведення в ЗПТОА і його ефективності в цілому з досить високою точністю.

4. Виявлено, що, незважаючи на зміну орієнтації ЗПТОА в межах від 0 до 45 градусів тепловіддача окремо розглянутої поверхні може відрізнятися на 40…45%. У той же час середній за двома поверхнями зазору коефіцієнт тепловіддачі змінюється несуттєво і не більше ніж на 6…8 % відрізняється від значень для вертикальної орієнтації апарата (ц_д = 0). Це суттєво спрощує процедуру попередньої оцінки ефективності тепловідведення в ЗПТОА ЗСО ЕУ суден і морських споруд.

5. Виконана оцінка ефективності ЗПТОА, як основного елемента тепловідведення ЗСО СЕУ, що базується на понятті приведених витрат і принципах комплексного підходу, виявила вплив різних чинників, включаючи швидкість охолоджуваної прісної води усередині пластин, розмір зазору між пластинами, використовуваного матеріалу й фарбування. Запропонований безрозмірний інтегральний показник досконалості (ІПД), що включає в себе одиничні показники вартості, маси, габаритного об'єму й витрат енергії на прокачування, може бути використаний як функція оптимізації параметрів. Так, зокрема визначено, що якнайкращі значення ІПД ЗПТОА ЗСО дизельної СЕУ досягаються при швидкостях охолоджуваної прісної води усередині пластини близько 0,5 м/с і зазорах між пластинами 20…40 мм. Також визначено, що теплообмінник доцільно виготовляти з вуглецевої сталі, а не з кольорових металів (наприклад, МНЖ-5-1), широко застосовуваних для елементів системи, що працюють на забортній воді.

6. Розроблена на базі результатів проведених досліджень науково-обґрунтована методика розрахунків тепловідведення ЗПТОА і рівня його досконалості забезпечує можливість вдосконалення таких систем і впроваджена у провідної у суднобудуванні України організації з проектування морських бурових платформ - ЦКБ «Корал». У СП «В'єтсовпетро» (В'єтнам) розроблена робоча документація і ведеться виготовлення такого ЗПТОА для морської стаціонарної платформи проекту 16716. За оцінками СП «В'єтсовпетро» економічний ефект від впровадження ЗПТОА в ЗСО ЕУ цієї платформи становитиме близько 20 тис. доларів США на рік.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Лунев А.А. Теплоотдача погружного теплообменника системы охлаждения энергоустановки судов технического флота / Лунев А.А. // Вестник СевГТУ: Механика, энергетика, экология: Зб. науч. трудов / СевНТУ. - Вып. 75. - Севастополь: СевНТУ, 2006. - С. 213-216.

2. Федоровский К.Ю. Исследование теплообмена при свободной конвекции в погружном пластинчатом теплообменнике замкнутых систем охлаждения / Федоровский К.Ю., Лунев А.А. // Сб. наук. праць СНУЯЕтаП / СНУЯЕтаП. - Вип. 3(19). - Севастополь: СНУЯЕтаП, 2006 - С. 63-68. (Особисто здобувачем визначена залежність коефіцієнта тепловіддачі від температурного напору й розрахована необхідна площа теплообмінника при розміщенні його на різних глибинах).

3. Федоровский К.Ю. Теплоотдача погружного пластинчатого теплообменника системы охлаждения энергоустановок морских технических средств / Федоровский К.Ю., Лунев А.А. // Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы.: Научно-технический журнал / ХНТУ. - Вып. 1(19). - Херсон: ХНТУ, 2007. - С. 145-148. (Особисто здобувачем визначений вплив на тепловіддачу зазору й температурного напору, виконане узагальнення експериментальних даних і отримане рівняння подоби при вертикальній орієнтації).

4. Лунев А.А. Исследование теплообмена при свободной конвекции в погружном пластинчатом теплообменнике замкнутых систем охлаждения / Лунев А.А., Федоровский К.Ю. // Вестник СевГТУ: Механика, энергетика, экология: Зб. науч. трудов / СевНТУ. - Вып. 80. - Севастополь: СевНТУ, 2007. - С. 51-53. (Особисто здобувачем отримане рівняння подоби, що узагальнює широкий діапазон зміни зазорів між пластинами).

5. Лунев А.А. Теплоотдача при свободной конвекции в погружном теплообменнике с различными углами наклона / Лунев А.А., Федоровский К.Ю. // Вестник СевГТУ: Механика, энергетика, экология: Зб. науч. трудов / СевНТУ. - Вып. 87. - Севастополь: СевНТУ, 2008. - С. 96-98. (Особисто здобувачем визначені коефіцієнти тепловіддачі й рівняння подоби при різних кутах нахилу апарата).

6. Лунев А.А. Исследования течения жидкости в погружном пластинчатом теплообменнике системы охлаждения энергоустановок / Лунев А.А., Федоровский К.Ю. // Вестник СевГТУ: Механика, энергетика, экология: Зб. науч. трудов / СевНТУ. - Вып. 88. - Севастополь: СевНТУ, 2008. - С. 142-145. (Особисто здобувачем проведені візуальні дослідження течії рідини у вертикальних поверхонь теплообмінника й визначені ділянки зміни режимів течії).

7. Федоровский К.Ю. Теплоотдача при свободной конвекции в погружном пластинчатом теплообменном аппарате системы охлаждения энергоустановки / Федоровский К.Ю., Лунев А.А. // Мат. междунар. науч.-техн. конф. «Живучесть корабля и безопасность на море». - Севастополь: СВМИ им. Нахимова, 2005. - С. 136-138. (Особисто здобувачем визначена залежність коефіцієнта тепловіддачі від температурного напору при вертикальнім розташуванні теплообмінника).

8. Федоровский К.Ю. Исследование теплоотвода в погружном пластинчатом теплообменном аппарате / Федоровский К.Ю., Лунев А.А. // Мат. міжнар. наук.-техн. конф. «Суднова енергетика: стан та проблеми». - Миколаїв: НУК ім. Адмірала Макарова, 2005. - С. 134-136. (Особисто здобувачем визначена залежність коефіцієнта тепловіддачі від зазору між вертикальними пластинами теплообмінника).

9. Лунев А.А. Теплоотдача погружного теплообменника замкнутой системы охлаждения энергоустановки судов технического флота / Лунев А.А., Федоровский К.Ю. // Мат. міжнар. наук. и наук.-техн. конф. «Сучасні проблеми суднової енергетики». - Одеса: ОНМА, 2006. - С. 85-87. (Особисто здобувачем визначене рівняння подоби при вертикальній орієнтації).

10. Федоровский К.Ю. Теплоотвод в погружном пластинчатом аппарате ЗСО дизельной энергетической установки / Федоровский К.Ю., Лунев А.А. // Мат. междунар. науч.-техн. конф. «Энергомашиностроение». - Севастополь: СевНТУ, 2006. - С. 31-32. (Особисто здобувачем визначений вплив на коефіцієнт тепловіддачі кута нахилу апарата).

АНОТАЦІЯ

ЛУНЬОВ О.О. Вдосконалення пристроїв тепловідведення замкнутих систем охолодження енергетичних установок суден та морських споруд. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.05.03 - Двигуни та енергетичні установки. Севастопольський національний технічний університет, Севастополь, 2009.

Метою дослідження є розробка науково-обґрунтованої методики розрахунку тепловідведення заглибного пластинчастого теплообмінного апарата (ЗПТОА) в нерухому забортну воду, що забезпечує створення теплогідродинамічно вдосконалених ЗПТОА замкнутих систем охолодження (ЗСО) енергетичних установок (ЕУ) суден і морських споруд.

Широке впровадження таких систем стримується відсутністю отриманих в результаті спеціальних досліджень залежностей і як наслідок методик, що забезпечують необхідну точність розрахунку тепловідведення в ЗПТОА і максимального рівня досконалості. У результаті проведених візуальних і теплотехнічних досліджень на великомасштабних моделях ЗПТОА виявлені особливості перебігу процесів і визначені необхідні для виконання розрахунку тепловідведення рівняння подоби, що враховують в широкому діапазоні можливу зміну параметрів апарату і умови експлуатації. На цій основі проаналізована ефективність ППТОА ЗСО ЕУ, визначені оптимальні параметри апарату, що забезпечують його вдосконалення.

Ключові слова: енергетичні установки, система охолодження, тепловідведення, досконалість теплообмінника, судна і морські споруди.

ЛУНЕВ А.А. Совершенствование устройств теплоотвода замкнутых систем охлаждения энергетических установок судов и морских сооружений. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.03 - Двигатели и энергетические установки. Севастопольский национальный технический университет, Севастополь, 2009.

Целью исследования является разработка научно-обоснованной методики расчета теплоотвода погружного пластинчатого теплообменного аппарата (ППТОА) в неподвижную забортную воду, обеспечивающей создание теплогидродинамически совершенных ППТОА замкнутых систем охлаждения (ЗСО) энергетических установок (ЭУ) судов и морских сооружений.

Проведенный информационный анализ показал, что известные зависимости не учитывают в полной мере особенности конструкции ППТОА и происходящих в них процессов. Как следствие, отсутствуют соответствующие методики, обеспечивающие необходимую точность расчета теплоотвода и площади ППТОА, а также уровня совершенства. Это не позволяет минимизировать массогабаритные характеристики теплообменника и достичь максимального уровня совершенства ППТОА и вцелом ЗСО ЭУ, что препятствует их широкому внедрению в практику судостроения.

С использованием системы дифференциальных уравнений, описывающих движение и теплоотдачу в зазоре ППТОА в условиях свободной конвекции, выведено в общем виде искомое уравнение подобия и получены величины, требующие экспериментального определения, с учетом имеющейся специфики происходящих процессов.

В результате выполненных визуальных исследований, проведенных на модели ППТОА, были выявлены особенности течения жидкости при свободной конвекции в плоском зазоре между пластинами, связанные с развитием и взаимодействием пристенных конвективных течений на поверхностях образующих зазор. Это взаимодействие усиливается по мере увеличения угла наклона ц поверхности, уменьшения зазора д и увеличения температурного напора Дt. Характер пристенного конвективного течения в зазоре имеет отличие от течения у одиночной поверхности.

Проведенные экспериментальные теплотехнические исследования указали, что решающее влияние на эффективность теплоотвода ППТОА оказывают: температурный напор между стенкой и забортной водой, ориентация и размер зазора. Увеличение температурного напора и зазора приводит к существенному возрастанию теплоотдачи. Изменение ориентации в сторону больших углов наклона ц от вертикали ухудшает теплоотдачу.

Обобщающая обработка экспериментальных данных позволила определить необходимые величины и, в конечном счете, уравнение подобия, описывающее теплоотдачу в зазорах ППТОА для каждой из поверхностей при различной ориентации. Данное уравнение подобия, полученное в результате специальных исследований, может быть использовано в соответствующей методике расчета теплоотвода ППТОА, применительно к ЗСО ЭУ судов и морских сооружений. Как следствие обеспечивается необходимая достоверность и точность получаемых результатов расчета.

С использованием понятия приведенных затрат и принципов комплексного подхода выполнена оценка эффективности ППТОА, как основного элемента, обеспечивающего теплоотвод ЗСО СЭУ. В результате выявлено влияние на эффективность скорости течения теплоносителя в лабиринтных каналах пластин, размера зазора между пластинами, используемого материала и покраски поверхности пластин. Показано, что предложенный в работе безразмерный интегральный показатель совершенства, включающий в себя единичные показатели (стоимость, масса, габаритный объем и затраты энергии на прокачивание), может быть использован в качестве целевой функции оптимизации параметров ППТОА. Для дизельной ЭУ определены оптимальные параметры такого теплообменника, обеспечивающие максимальный уровень совершенства ППТОА ЗСО ЭУ.

Ключевые слова: энергетические установки, система охлаждения, теплоотвод, совершенство теплообменника, суда и морские сооружения.

О.О. LUNОV. Perfection of devices heat removal closed cooling systems in ships and off-shore installations power plants. - Manuscript.

The thesis for a scientific degree of candidate of technical sciences by specialty 05.05.03 - Engines and power plants. Sevastopol national university of technology, Sevastopol, 2009.

The aim of research is working-out of scientifically-grounded method of calculation of heat transfer in immersed plate heat exchangers in immobile outboard water, providing creation of heat-hydrodynamic perfect immersed plate heat exchanger of closed cooling systems in ships and off-shore installations power plants.

Wide inculcation of such systems is restrained by absence of the dependences obtained as a result of the special researches and as a consequence of methods, providing necessary truth of calculation of heat transfer in immersed plate heat exchanger and a maximal level of perfection. As a consequence of conducted visual and heat engineering researches on basis of the large-scale models immersed plate heat exchanger the features of proceeding process are revealed and the similarity equations, which are necessary for making calculation of the heat transfer are determined, taking into account wide-ranging possible changes of vehicle parameters and service conditions. Thereupon the efficacy of immersed plate heat exchanger of closed cooling system power plant is analyzed, the optimal parameters of vehicle, providing its perfection are defined.

Key words: power plants, cooling system, heat transfer, perfection of heat exchanger, ships and off-shore installations.

Размещено на Allbest.ru