Вдосконалення системи утилізації теплоти випускних газів суднових малообертових дизелів

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ,

МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ КОРАБЛЕБУДУВАННЯ

імені адмірала Макарова

УДК 621.436.13

Спеціальність 05.05.03

Двигуни та енергетичні установки

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ВДОСКОНАЛЕННЯ СИСТЕМИ УТИЛІЗАЦІЇ ТЕПЛОТИ ВИПУСКНИХ ГАЗІВ СУДНОВИХ МАЛООБЕРТОВИХ ДИЗЕЛІВ

Радченко Роман Миколайович

Миколаїв 2011

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному університеті кораблебудування імені адмірала Макарова Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України

Науковий керівник - д-р техн. наук, професор Хлопенко Микола Якович, Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, завідувач кафедри автоматики

Офіційні опоненти: д-р техн. наук, професор Ханмамедов Сергій Альбертович, Одеська національна морська академія Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України, завідувач кафедри суднових енергетичних установок;

канд. техн. наук, професор Шостак Володимир Павлович, Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України, професор кафедри суднових та стаціонарних енергетичних установок

Захист відбудеться " 4 " квітня 2011 р. о 1430 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д38.060.01 Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова за адресою: 54025, м. Миколаїв, пр. Героїв Сталінграда, 9

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова за адресою: 54025, м. Миколаїв, пр. Героїв Сталінграда, 9

Автореферат розісланий " 1 " березня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради д-р техн. наук, професор А.П. Шевцов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність дослідження. Теплові втрати з випускними газами значною мірою визначають паливну ефективність суднових енергетичних установок (СЕУ) з малообертовими дизелями (МОД), яка залежить також від температури зовнішнього повітря та забортної води, зменшуючись із їх збільшенням. Тому доцільним є зниження температури повітря на вході турбокомпресора (ТК) МОД у тепловикористовуючих установках охолодження, що утилізують теплоту випускних газів - термотрансформаторах (ТТ). Глибоке охолодження повітря на вході ТК можливе за умови застосування в ТТ низькокиплячих робочих тіл (НРТ).

Конструктивно найбільш простими та надійними в експлуатації є термотрансформатори ежекторного типу (ТТЕ), в яких функцію компресора виконує струминний апарат - ежектор. До того ж у них є резерви скорочення енергетичних втрат при трансформації теплоти випускних газів у холод, які пов'язані з інтенсивністю фазових переходів НРТ у теплообмінних апаратах (ТОА). Проте їх реалізація потребує принципово нових підходів, які враховували б особливості фазових переходів НРТ на завершальній стадії та їх вплив на ефективність трансформації теплоти випускних газів МОД.

Ефективність утилізації теплоти та охолодження повітря в енергетичних установках і двигунах досліджувалась провідними академічними інститутами, навчальними закладами та організаціями: ІТТФ НАНУ, НТУУ "КПІ" (Київ), НТУ "ХПІ", НАУ "ХАІ" (Харків), МКІ-НУК, ДП НВКГ "Зоря"-"Машпроект" (Миколаїв), ОДАХ, ОНМА, ОНМУ (Одеса), СевНТУ (Севастополь), а також фірмами-виробниками суднових дизелів "MAN", "Wartsila", "Mitsubishi". Проте питання використання теплоти випускних газів для охолодження повітря на вході суднових МОД, і передусім скорочення енергетичних втрат при трансформації теплоти в холод, лишаються невирішеними.

Науково-прикладною задачею, яка вирішується в дисертаційній роботі, є розробка системи утилізації теплоти випускних газів суднових МОД з охолодженням повітря на вході та мінімальними енергетичними втратами при трансформації теплоти, що забезпечує зниження питомої витрати палива.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Наведені в дисертації матеріали узагальнюють результати робіт, виконаних автором у рамках державної науково-технічної програми "Новітні та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі" і планів НДР Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова, НДР № держ. реєстр. 0106U000828 "Розробка теоретичних основ концепції суднової тригенерації", № ДР 0109U002218 "Розробка технологій комбінованого виробництва енергії на низькокиплячих робочих тілах для суднових комплексів енергожиттєзабезпечення", № ДР 0110U003401 GP/F27/0082 по гранту Президента України, в яких автор брав участь на посаді молодшого наукового співробітника.

Об'єктом дослідження є процеси утилізації теплоти випускних газів суднових МОД з охолодженням повітря на вході.

Предмет дослідження - параметри процесів утилізації теплоти випускних газів суднових МОД з охолодженням повітря на вході ежекторними термотрансформаторами.

Метою наукового дослідження є підвищення ефективності утилізації теплоти випускних газів суднових МОД шляхом охолодження повітря на вході ежекторними термотрансформаторами.

Основні задачі наукового дослідження:

- виявити резерви підвищення паливної ефективності суднових МОД використанням теплоти випускних газів для охолодження повітря на вході;

- розробити математичну модель процесів утилізації теплоти випускних газів суднових МОД з охолодженням повітря на вході ежекторним термотрансформатором, яка враховувала б енергетичні втрати при трансформації теплоти з фазовим переходом низько-киплячого робочого тіла - НРТ, перевірити адекватність моделі;

- встановити закономірності процесів утилізації теплоти випускних газів суднових МОД з охолодженням повітря на вході та визначити їх раціональні параметри, що забезпечують мінімальні енергетичні втрати при трансформації теплоти;

- розробити способи раціональної організації процесів утилізації теплоти випускних газів суднових МОД та системи утилізації, які їх реалізують, визначити параметри процесів, які забезпечують високу паливну ефективність МОД (скорочення питомої, рейсових і річної витрат палива) за рахунок охолодження повітря на вході з урахуванням змінних протягом рейсу зовнішніх тепловологісних параметрів.

Методика і методи дослідження. Дослідження включає аналіз ефективності утилізації теплоти випускних газів МОД, розробку математичної моделі процесів трансформації теплоти і перевірку її адекватності експериментальним даним, виявлення закономірностей процесів утилізації теплоти випускних газів МОД з охолодженням повітря на вході, визначення раціональних параметрів процесів, розробку способів раціональної організації процесів та їх реалізацію в схемних рішеннях систем утилізації теплоти суднових МОД. Задача скорочення енергетичних втрат при утилізації теплоти МОД вирішена у спряженій постановці - з урахуванням впливу втрат, зумовлених різницею температур охолоджуваного повітря і киплячого НРТ, на витрати енергії на підтримання відповідної різниці тисків. утилізація газ судновий паливний

Наукові результати, які автор захищає, та їх новизна:

1. Уперше виявлені закономірності процесів утилізації теплоти випускних газів МОД із охолодженням повітря на вході термотрансформатором і застосуванням НРТ, а також особливості впливу цих процесів на параметри та показники МОД (зниження температури повітря на вході МОД і питому витрату палива) і термотрансформатора (тепловий коефіцієнт і питому холодопродуктивність), що характеризуються наявністю екстремумів і враховують зовнішні тепловологісні параметри при експлуатації транспортного судна на конкретних рейсових лініях.

2. Розроблена математична модель процесів утилізації теплоти випускних газів суднових МОД з охолодженням повітря на вході ежекторним термотрансформатором, яка враховує вплив енергетичних втрат, зумовлених різницею температур між охолоджуваним повітрям і киплячим НРТ, на витрати енергії на підтримання ежектором відповідного тиску, що дозволяє виявити та реалізувати резерви підвищення ефективності утилізації теплоти МОД шляхом раціональної організації процесів трансформації теплоти.

3. Задача підвищення ефективності системи утилізації теплоти випускних газів суднових МОД з охолодженням повітря на вході ежекторним термотрансформатором вперше вирішена у спряженій постановці - з урахуванням впливу енергетичних втрат, зумовлених різницею температур в охолоджувачі повітря, на витрати енергії на підтримання відповідної різниці тисків, що дозволяє раціонально організувати процеси трансформації теплоти з мінімальними енергетичними витратами.

4. Уперше розроблені способи раціональної організації процесів утилізації теплоти випускних газів суднових МОД з охолодженням повітря на вході термотрансформатором і застосуванням НРТ: неповне випаровування НРТ, рециркуляція НРТ в охолоджувачі повітря на вході МОД, ежектування сухої насиченої пари НРТ, які забезпечують скорочення енергетичних втрат при трансформації теплоти на 20…30 %.

5. Визначені раціональні параметри процесів утилізації теплоти випускних газів суднових МОД з охолодженням повітря на вході (густина теплового потоку і температурні напори в повітроохолоджувачі, питома холодопродуктивність), що забезпечують мінімальні енергетичні втрати при трансформації теплоти, зниження температури повітря на 20...25 °C і питомої витрати палива на 2,5…3,0 г/(кВт•год) порівняно з МОД без охолодження повітря з урахуванням змінних протягом рейсу зовнішніх тепловологісних параметрів.

Способи і системи утилізації теплоти випускних газів суднових МОД захищені 2 патентами України на винахід.

Достовірність результатів досліджень підтверджена експериментальними даними з трансформації теплоти в холод, забезпечена застосуванням для розрахунку паливної ефективності МОД з охолодженням повітря на вході програми виробника МОД корпорації "MAN", апробованої даними стендових випробувань МОД, збереженням встановлених закономірностей у широкому діапазоні режимів суднової експлуатації, результатами порівняння паливної ефективності МОД із охолодженням повітря на вході та без нього.

Теоретичне значення мають наступні результати дослідження:

- методологічний підхід до підвищення ефективності утилізації теплоти випускних газів суднових МОД охолодженням повітря на вході МОД ежекторним термотрансформатором, який відрізняється спряженою постановкою - з урахуванням впливу енергетичних втрат, зумовлених різницею температур в охолоджувачі, на витрати енергії на підтримання ежектором відповідної різниці тисків, що дозволяє виявити і реалізувати резерви підвищення ефективності процесів трансформації теплоти шляхом їх раціональної організації;

- закономірності процесів трансформації теплоти випускних газів суднових МОД в ежекторному термотрансформаторі на НРТ, що характеризуються наявністю екстремумів параметрів і показників ефективності МОД та ежекторного термотрансформатора;

- принципи та способи раціональної організації процесів утилізації теплоти випускних газів суднових МОД з охолодженням повітря на вході та застосуванням НРТ, які їх реалізують і враховують особливості завершальної стадії процесів трансформації теплоти та співвідношення теплових навантажень економайзерної та випарної секцій генератора силового контуру термотрансформатора.

Практичну цінність становлять результати дослідження:

- методика розрахунку параметрів процесів утилізації теплоти випускних газів суднових МОД з охолодженням повітря на вході (зниження температури повітря, температурних напорів, густини теплових потоків у повітроохолоджувачі, питомої холодопродуктивності, що припадає на одиницю витрати повітря через турбокомпресор), яка враховує змінні протягом рейсу зовнішні тепловологісні параметри;

- рекомендації з раціональних значень параметрів процесів утилізації теплоти випускних газів суднових МОД з охолодженням повітря на вході, що забезпечують максимальне скорочення питомої, рейсових і річної витрат палива;

- схемно-конструктивні рішення систем утилізації теплоти випускних газів суднових МОД з охолодженням повітря на вході, що забезпечують ефективну експлуатацію МОД при підвищених температурах повітря на вході.

Використання результатів роботи. Результати роботи (методи розрахунку раціональних параметрів процесів трансформації теплоти та охолодження повітря із застосуванням НРТ, конструктивних характеристик охолоджувачів; схеми систем утилізації та охолодження) використані при проектуванні систем утилізації та установок охолодження, теплообмінного обладнання суднових і стаціонарних енергетичних комплексів: ВАТ "Завод "Екватор", ДП НПК ГТ "Зоря"-"Машпроект" (м. Миколаїв), ЦКБ "Корал", ДП ЦКБ "Чорноморець" (м. Севастополь), у навчальному процесі Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова при виконанні магістерських робіт і дипломних проектів зі спеціальності "Суднові енергетичні установки та устаткування".

Апробація і повнота викладення результатів роботи у публікаціях. Основні наукові та практичні результати дисертаційного дослідження доповідалися й одержали позитивну оцінку на міжнародних конференціях: ХІІ-ХV Міжнародні конгреси двигунобудівників (Харків-Рибальське, 2007-2010); ІV м.-н. н.-т. конф. "Суднова енергетика: Стан та проблеми" (Миколаїв, 2008); V м.-н. конф. "Проблеми промислової теплотехніки" (Київ, 2007); 3 і 4 м-н. н.-т. конф. "Муніципальна енергетика: проблеми, рішення" (Миколаїв, 2007, 2009); І м.-н. н.-т. конф. "Холод в енергетиці і на транспорті" (Миколаїв, 2008); 12, 13 Іnt. Symposіum on Heat Transfer and Renewable Sources of Energy "HTRSE-2008, 2010" (Szczecіn, Poland); Іnt. Symposіum "Heat Transfer іn Gas Turbіne Systems" (Antalya, Turkey, 2009).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 20 друкованих наукових праць, у тому числі 12 статей у наукових спеціалізованих виданнях (без співавторів 8), 5 доповідей (3), 1 теза доповіді (1), отримано 2 патенти України на винахід.

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, 5 розділів і висновків. У додатках наведені результати допоміжних розрахунків, документи, що підтверджують впровадження основних результатів дослідження.

Обсяг дисертації складає 159 сторінок основного машинописного тексту і 22 сторінки додатків, 65 рисунків і 2 таблиці. Бібліографія містить 121 найменування на 13 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі за результатами аналізу існуючих систем утилізації теплоти випускних газів визначено резерви їх подальшого вдосконалення шляхом використання теплоти газів для охолодження повітря на вході ТК МОД. Оскільки конструктивно найбільш простими і надійними в експлуатації є термотрансформатори ежекторного типу (ТТЕ), основні елементи яких - теплообмінні апарати (ТОА), а функцію компресора виконує ежектор, то саме вони розглядались як тепловикористовуючі установки охолодження. Повітроохолоджувачі (ПО) з краплевідокремлювачами, які забезпечують відведення вологи, що випадає в результаті конденсації водяної пари з охолоджуваного вологого повітря, встановлюються після фільтра-глушника перед компресором ТК і добре вписуються у прохідний переріз повітропроводу подачі повітря в ТК (рис. 1).

Рис. 1. Система утилізації теплоти випускних газів МОД:

Ф-Г - фільтр-глушник; К - компресор ТК; Т - турбіна ТК;

УК - утилізаційний котел пароводяний; СП - сепаратор пари; ТЯ - теплий ящик; ОНП - охоложувач наддувного повітря водяний; В-ПО - випарник НРТ-повітроохолоджувач; КВ - крапле-відокремлювач; К-т - конденсат; ТТЕ - термотрансформатор ежекторний; Е - эжектор; Кн-Г - конденсатор водяної пари-генератор пари НРТ; Н - насос; ДК - дросельний клапан; ВГ - випускні газі; ЗВ - забортна вода

Термотрансформатор ТТЕ складається з високотемпературного (силового) та низькотемпературного (холодильного) контурів. Теплота відводиться від випускних газів МОД у пароводяному утилізаційному котлі (УК), а вже потім від водяної пари до НРТ, що випаровується при температурі tг = 110…120 єС в генераторі пари НРТ силового контуру ТТЕ. Пара НРТ високого тиску є силовим потоком для ежектора. У низькотемпературному контурі теплота відводиться від повітря на вході ТК (або від проміжного теплоносія, наприклад води) до НРТ, що кипить у випарнику-повітроохолоджувачі (В-ПО) при температурі t0 близько 5 єС. Генератор пари НРТ включає економайзерну секцію, в якій рідке НРТ, що подається насосом з конденсатора, нагрівається від температури конденсації tк до температури tг, та випарну, де рідке НРТ кипить при tг.

Аналіз витрат пари на транспортних суднах (контейнеровозах і балкерах), виконаний із використанням даних проектно-конструкторських організацій та інших джерел, показує, що за теплих кліматичних умов обсяги споживання пари становлять 15…25 % продуктивності УК, а 75…85 % пари може бути використано в ТТЕ для отримання холоду. Визначено мету та задачі дослідження.

У другому розділі обґрунтовано напрям удосконалення системи утилізації теплоти випускних газів суднових МОД охолодженням повітря на вході. Показано необхідність врахування впливу енергетичних втрат, зумовлених температурними напорами и у В-ПО на вході ТК, на енергетичні витрати на підтримання ежектором відповідної різниці тисків, а відтак на ефективність трансформації теплоти ВЕР МОД у холод в цілому і, як результат, - на глибину охолодження повітря на вході ТК та паливну ефективність МОД.

Термодинамічна ефективність трансформації теплоти ВЕР МОД оцінюється тепловим коефіцієнтом ТТЕ ж, який являє собою відношення кількості теплоти, відведеної від повітря на вході ТК у В-ПО, тобто холодопродуктивності ТТЕ Q0, і витраченої теплоти Qг, відведеної від випускних газів до НРТ у генераторі: ж = Q0 /QГ . Коефіцієнт ежекції U і відповідно тепловий коефіцієнт ж залежать від параметрів НРТ на вході приймальної камери ежектора, які в свою чергу - від стану НРТ на виході з В-ПО. При традиційному повному випаровуванні НРТ у В-ПО це пара, перегріта на 5…10 єС у дисперсному режимі випаровування з украй низькою інтенсивністю тепловіддачі від сухої стінки трубки до пари.

Обґрунтований методологічний підхід до підвищення ефективності утилізації теплоти випускних газів суднових МОД і наведена загальна методика проведення дослідження.

Третій розділ присвячено розробці математичної моделі процесу перетворення теплоти випускних газів МОД в холод, який використовується для зниження температури повітря на вході ТК. Схема системи утилізації теплоти випускних газів МОД в ТТЕ дана на рис. 1, а робочий цикл ТТЕ - на рис. 2.

Рис. 2. Процеси в циклі ТТЕ:

12 зниження тиску пари у приймальній камері ежектора; 23 і 93 змішування пари з випарника і пари на виході з сопла ежектора в камері змішування; 34 збільшення тиску пари в дифузорі ежектора; 45 конденсація пари; 5-6 - дроселювання рідини; 61 - кипіння у випарнику; 5-7 - підвищення тиску рідини в насосі; 7-8' - нагрів рідини високого тиску в економайзерній секції генератора від температури конденсації до температури кипіння; 8'-8 - кипіння рідини при високому тиску у випарній секції генератора; 8-9 - розширення пари в соплі ежектора

Ефективність ТТЕ характеризується тепловим коефіцієнтом , де U = G0 /Gг - коефіцієнт ежекції (відношення витрат НРТ низького тиску, всмоктуваного ежектором із випарника, та силового НРТ високого тиску, що подається з генератора в сопло ежектора). Відносні теплові навантаження (на одиницю масової витрати НРТ) економайзерної та випарної секцій генератора: qГ = qГэ + qГи (рис. 2).

Структура математичної моделі складається з трьох вкладених блоків (рис. 3).

Рис. 3. Структура математичної моделі

Блок "МОД" включає в себе розрахунок питомої витрати палива МОД, витрати та температури випускних газів і наддувного повітря в залежності від температури охолодженого повітря на вході ТК за програмою "Mandieselturbo" фірми-виробника суднових дизелів "MAN", а також процесів охолодження повітря на вході ТК і утилізації теплоти випускних газів. Взаємний зв'язок цих процесів здійснюється за допомогою блоку "ТТЕ", в якому розраховується зниження температури повітря Дtв у В-ПО на вході ТК у залежності від температури tуг газів після турбіни ТК, тепловий коефіцієнт ж і холодопродуктивність ТТЕ Q0 = ж·Qг, для чого у блоці "ТОА" знаходять максимальну густину теплового потоку qmax, якій відповідають оптимальні температурні напори иopt, масова швидкість НРТ (сw)opt і аеродинамічний опір В-ПО ДРво.

Особливість математичної моделі ТТЕ полягає в тому, що враховується вплив енергетичних втрат від зовнішньої незворотності в низькотемпературному циклі ТТЕ через логарифмічну різницю температур повітря та киплячого НРТ и у В-ПО, зумовлену падінням температури кипіння Дt0 та перегрівом пари у дисперсному режимі кипіння Дtд (блок "ТОА"), на енергетичні витрати ежектора на підтримання різниці тисків ДP, яка відповідає Дt0 і Дtд. Цей вплив враховується тепловим коефіцієнтом ж = f(U, t0, tг, tк, Дtд). Зменшення ж через зниження t0, обумовлене депресією Дt0 через гідравлічний опір киплячого НРТ ДP0 і перегрів пари НРТ у дисперсному режимі кипіння Дtд, спричиняє скорочення холодопродуктивності ТТЕ, Q0 = = ж·Qг, відповідно й глибини охолодження повітря Дtв на вході ТК.

Математична модель ежектора розроблена на базі методики Соколова-Зінгера визначення коефіцієнта ежекції U = G0 /Gг = f(t0, tг, tк) та напору ДР = Рк - Р0 = f(U, t0, tг, tк), уточненої введенням залежності t0 = f(Дt0, Дtд).

Холодопродуктивності ТТЕ повна та питома, віднесена до витрати повітря через ТК: Q0 = ж·Qг і q0 = Q0/ Gв або q0 = ж·qг, де qг = = Qг /Gг. Зниження температури повітря на вході ТК: Дtв = Q0/(Gв·о·св), де о·- коефіцієнт вологовипадіння являє собою відношення повної кількості теплоти (різниці ентальпій повітря у В-ПО), відведеної від вологого повітря у В-ПО, до кількості явної теплоти, яка визначається різницею температур по сухому термометру, о = (Iв1 - Iв2)/[свл(tв1 - - tв2)], де свл - теплоємність вологого повітря.

Температура охолодженого повітря на вході ТК: tв2 = tв1 - Дtв.

Блок "ТОА" призначений для визначення максимальної густини теплового потоку q = k та відповідних масової швидкості сw, температурного напору (логарифмічної різниці температур між охолоджуваним повітрям і киплячим НРТ). У практиці оптимального проектування випарників НРТ параметри циклу, що залежать від роботи інших елементів (ежектора, конденсатора), зберігають незмінними, для чого розрахунки проводять при фіксованій температурі t02 кипіння НРТ на виході з випарника. Тоді температура кипіння на вході випарника t01 = t02 + Дt0 і вираз для розрахунку и: 

(при х1…хгр); (при хгр…х2).

Температуру повітря tв.гр при паровмісті хгр на межі переходу від дисперсно-кільцевого до дисперсного режиму течії знаходять із відношення теплових навантажень зони дисперсного режиму випаровування (в діапазоні хгр…х2) і для всього процесу випаровування (х1…х2) по повітрю та НРТ: .

Падіння температури кипіння Дt0 через гідравлічний опір ДР0 обчислюють з рівняння Клаузіуса?Клапейрона , де r ? питома теплота фазового переходу; vп і vж ? питомі об'єми пари і рідини. Гідравлічний опір ДР0 знаходять за методом Локкарта-Мартінеллі, відповідно до якого втрати тиску на тертя двофазового потоку ДР0 виражають через аналогічну величину для рідкої фази (ДР0)ж: ДР0 = Фж2(ДР0)ж; Фж - параметр Мартінеллі обчислюється зі співвідношення Фж = Фп/Xtt = Xtt1+ 2,85Xtt0,48, в якому параметр Мартінеллі-Нельсона Хtt = (Рж/Рп)0,5 визначається як , де п і ж ? коефіцієнти динамічної в'язкості пари та рідини; п і ж ? відповідні масові густини.

Втрати тиску на тертя рідкої фази: (ДР0)ж = жж L (w)2(1 - - х)2/(2dвнж), де L - довжина трубки; коефіцієнт тертя жж для турбулентної течії знаходиться за законом Блазіуса жж = 0,3164Reж0,25, а Reж = (сw)(1 ? x)dвн/ж.

Коефіцієнт теплопередачі, віднесений до внутрішньої поверхні труб (на стороні киплячого НРТ) , де п коефіцієнт тепловіддачі до повітря, віднесений до зовнішньої ребристої поверхні; Rз ? термічний опір забруднень і матеріалу стінки; - степінь оребрення. Коефіцієнт тепловіддачі при кипінні a обчислюється при поточному значенні паровмісту х.

Зі збільшенням сw коефіцієнти тепловіддачі при кипінні a і теплопередачі k зростають, але зростає й гідравлічний опір ?P. Через обумовлене ним падіння температури кипіння Дt0 зменшується температурний напір . Протилежний вплив сw на k і обумовлює існування максимуму функції q = k (рис. 4). Як НРТ застосовано озонобезпечний хладон R142B.

Рис. 4. Коефіцієнти тепловіддачі ба і теплопередачі k, температурний напір , падіння тиску Р та густина теплового потоку q в залежності від масової швидкості сw НРТ R142B у випарнику при t0 = 0 єC; tв1 = 35 єC; tв2 = 10 єC; швидкість повітря у фронтальному перерізі 6 м/с; степінь оребрення = 16; внутрішній діаметр трубок dвн = 0,01 м

Максимальній густині теплового потоку qmax відповідає мінімальна поверхня В-ПО, Fmin = Q0 / qmax , або мінімальний температурний напір (при незмінній поверхні В-ПО). У другому випадку охолодження повітря на вході ТК МОД проходить при максимальній температурі кипіння НРТ t0 у В-ПО, тобто при мінімальних значеннях різниці температур конденсації tк та кипіння t0 і відповідної різниці тиску Рк-Р0, тобто з мінімальним підвищенням тиску в ежекторі, а значить, мінімальними енергетичними витратами в циклі ТТЕ на стискання НРТ ежектором, що враховується тепловим коефіцієнтом ж, який залежить від t0: ж = f(U, t0, tг, tк, Дtд).

Адекватність математичної моделі процесів утилізації теплоти з виробництвом холоду в ТТЕ перевіряли за тепловим коефіцієнтом ж, який залежить від коефіцієнта ежекції U. Результати зіставлення розрахункових Uр і ?р з експериментальними величинами Uе і ?е дано на рис. 5. Як видно, розбіжність не перевищує 10…20 %, що вважається задовільним.

а б

Рис. 5. Результати порівняння розрахункових теплових коефіцієнтів ?р з експериментальними ?е:

^ - МКІ-НУК; Д - ОДАХ; а - t0 = var; tк = const;

б - t0 = const; tк = var; ^ - R12, t0 = 7 °С; tг = 140 °С; tк = 37 °С (МКІ-НУК); Д - R142В, t0 = 7 °С; tг = 80 °С; tк = 35 °С (ОДАХ)

Експериментальні дані з впливу перегріву пари на всмоктуванні ежектора (у випарнику) на коефіцієнт ежекції U і тепловий коефіцієнт ТТЕ ж на рис. 6 свідчать про те, що перегрів пари у випарнику на 5 єС призводить до зниження ж на 10 %.



Рис. 6. Залежність коефіцієнтів ежекції U (а) та теплових коефіцієнтів ? (б) від температури tвс і перегріву Дtвс пари на всмоктуванні ежектора при температурі кипіння t0 = 7 °С:

--- - розрахункові ?р; - - - і ^ - експериментальні ?е

Необхідність урахування завершальної стадії кипіння НРТ у змійовиках В-ПО стає очевидною з аналізу локального теплообміну (рис. 7).

Рис. 7. Зміна a, в і k в залежності від паровмісту х (а), довжини змійовика В-ПО L (б), температури повітря tв, киплячого НРТ R142В t0, температурного напору і густини теплового потоку q (в): tв1 = 35 С; tв2 = 10 С, t02 = 0 С; НРТ - R142B

Різке зниження коефіцієнта тепловіддачі до НРТ a, який стає нижче за його величину до повітря в, віднесену до внутрішньої поверхні змійовиків В-ПО, і спричиняє зниження k і густини теплового потоку q, має місце при граничному паровмісті хгр = = 0,90…0, 95, який відповідає осушенню стінки трубки з переходом від дисперсно-кільцевої до дисперсної течії.

Врахування локальної інтенсивності випаровування НРТ відкриває можливість раціонально організувати процеси трансформації теплоти з вилученням завершальної стадії випаровування НРТ з украй низькою інтенсивністю тепловіддачі від сухої стінки трубки до дисперсної суміші та перегрівом пари (рис. 7), подавати на всмоктування ежектора суху насичену пару замість перегрітої при більш високій температурі кипіння (завдяки скороченню температурного напору у В-ПО в результаті інтенсифікації теплообміну та відсутності перегріву пари), що забезпечує збільшення теплового коефіцієнта ТТЕ ж, глибини охолодження повітря на вході МОД і, як наслідок, скорочення питомої витрати палива.

У четвертому розділі дано результати розрахунку показників ефективності трансформації теплоти випускних газів МОД з охолодженням повітря на вході. Схема системи утилізації теплоти випускних газів після ТК в ТТЕ та результати розрахунку питомої, що припадає на одиницю витрати газів (повітря) через ТК, теплоти, відведеної від випускних газів (питомого теплового навантаження на генератор ТТЕ) , питомої холодопродуктивності , коефіцієнта ежекції U і теплового коефіцієнта ж, зниження температури повітря Дtв на вході ТК МОД при коефіцієнтах вологовипадіння о = 1…3 наведені на рис. 8.



а б

Рис. 8. Схема системи утилізації теплоти випускних газів (а), залежності , , U , ж і Дtв від температури tг та тиску Рг кипіння R142b в генераторі (б): tв…tв3,0 - о = 1,0…3,0; Кн-ГЕ і Кн-ГВ - конденсатор водяної пари-економайзерна та випарна секції генератора; Е - ежектор; Кн - конденсатор НРТ; Н - насос; ДК - дросельний клапан; ОНП - охолоджувач наддувного повітря водяний; УК - утилізаційний котел; КВ - краплевідокремлювач; К-т - конденсат; К - компресор; Т - турбіна; СП - сепаратор пари; ТЯ - теплий ящик; CпП - споживачі пари; ЗП - зовнішнє повітря; ВГ - відхідні гази; - - - - випарна секція генератора;- економайзерна секція

Як видно, утилізація теплоти випускних газів в ТТЕ забезпечує охолодження повітря на вході МОД на 10…12 С при о = 2,5…2,0. Менша величина Дtв відповідає охолодженню повітря з більш високою відносною вологістю ц = 80 % (більшим о) і обумовлена великими витратами холоду на конденсацію водяної пари з повітря.

Глибину охолодження повітря Дtв на вході МОД можна збільшити, якщо додатково до теплоти випускних газів використовувати теплоту наддувного повітря (рис. 9). 

а б

Рис. 9. Схема системи утилізації теплоти випускних газів і наддувного повітря (а), залежності , , U , ж і Дtв від температури tг та тиску Рг кипіння R142b в генераторі (б):

tв…tв3,0 - о = 1,0…3,0; - - - - випарна секція генератора; ••• - економайзерна секція

Як видно, утилізація теплоти випускних газів і наддувного повітря забезпечує охолодження повітря на вході МОД на 20…25 С. Збільшення Дtв майже вдвічі досягається завдяки подвійному зростанню кількості утилізованої теплоти за практично однакових величинах для економайзерної та випарної секцій генератора.

Вилучення завершальної стадії випаровування НРТ з украй низькою інтенсивністю теплообміну у В-ПО (рис. 7) забезпечує збільшення густини теплового потоку, теплового коефіцієнта і відповідно Дtв на 20…30 %. Схема системи утилізації теплоти з рециркуляцією НРТ у В-ПО показана на рис. 10. Як видно, при рециркуляції НРТ у В-ПО повітря охолоджується на 25…30°С.



а б

Рис. 10. Схема системи утилізації теплоти випускних газів і наддувного повітря з рециркуляцією НРТ (а), залежності , , U , ж і Дtв від температури tг та тиску Рг кипіння R142b в генераторі (б): tв…tв3,0 - о = 1,0…3,0; tв…tв3,0 - о = 1,0…3,0; Ін - інжектор; ВР - відокремлювач рідини

П'ятий розділ присвячено аналізу паливної ефективності МОД 8S50ME (експлуатаційна потужність 10 МВт) балкера типу "Київ" із використанням теплоти випускних газів і наддувного повітря для охолодження повітря на вході з урахуванням зміни зовнішніх тепловологісних параметрів на конкретній рейсовій лінії. Скорочення витрати палива в абсолютних ДВe і відносних величинах за кожний рейс на лінії Одеса-Іокогама (6 рейсів за рік) подано діаграмами на рис. 11. Світлим кольором показана економія палива при утилізації теплоти випускних газів і наддувного повітря та дефіциті холоду на окремих ділянках рейсу, а темним кольором - економія палива при використанні додаткових джерел теплоти, наприклад води високотемпературного контуру охолодження МОД.



а б

Рис. 11. Скорочення витрати палива в абсолютних ДВe (а) і відносних (б) величинах за окремі I-VI рейси Одеса-Іокогама

Економія палива , що споживає МОД за окремі рейси, становить 1,2…1,6 %. Річна економія палива складає 150…190 т (річне споживання палива 13200 т). При цьому капітальні витрати на обладнання системи утилізації окупляться протягом 4…5 років.



ВИСНОВКИ

1. У дисертації вирішено важливу для суднової енергетики науково-прикладну задачу розроблено системи утилізації теплоти випускних газів суднових МОД з охолодженням повітря на вході та мінімальними енергетичними втратами при трансформації теплоти, що забезпечує зниження питомої витрати палива.

2. Задача скорочення енергетичних втрат при трансформації теплоти випускних газів МОД ежекторним термотрансформатором (ТТЕ) вперше вирішена у спряженій постановці - з урахуванням впливу енергетичних втрат, обумовлених різницею температур між охолоджуваним повітрям і низькокиплячим робочим тілом (НРТ), на витрати енергії на підтримання ежектором відповідної різниці тисків, що спричиняють зниження теплового коефіцієнта ж трансформації теплоти газів і, відповідно, зростання питомої витрати палива be.

Такий методологічний підхід дозволяє виявити резерви скорочення енергетичних втрат на завершальній стадії процесу трансформації теплоти, розробити способи та системи раціональної організації процесу утилізації теплоти з охолодженням повітря на вході МОД, які забезпечують підвищення паливної економічності МОД транспортних суден - скорочення питомої, рейсових і річної витрат палива.

3. Розроблена математична модель процесів утилізації теплоти випускних газів суднових МОД з охолодженням повітря на вході, яка враховує енергетичні втрати через низьку інтенсивність теплопередачі на завершальній стадії трансформації теплоти з фазовим переходом НРТ та вплив втрат, обумовлених різницею температур між охолоджуваним повітрям і НРТ, на витрати енергії на підтримання відповідної різниці тиску. Адекватність моделі підтверджена задовільним узгодженням розрахункових значень теплових коефіцієнтів процесу трансформації теплоти з експериментальними.

4. Вперше виявлені закономірності процесів трансформації теплоти випускних газів суднових МОД з охолодженням повітря на вході та застосуванням НРТ, а також особливості впливу цих процесів на показники ефективності МОД (питому витрату палива) і термотрансформатора (тепловий коефіцієнт, питому, що припадає на одиницю витрати повітря через ТК МОД, холодопродуктивність), які характеризуються наявністю екстремумів і враховують зміну зовнішніх тепловологісних параметрів при експлуатації судна на конкретних рейсових лініях.

5. Вперше розроблені принципи та способи раціональної організації процесів трансформації теплоти випускних газів суднових МОД з охолодженням повітря на вході (неповне випаровування НРТ, рециркуляція НРТ в охолоджувачі повітря, ежектування сухої насиченої пари НРТ), що їх реалізують і забезпечують скорочення енергетичних втрат на 20…30 %.

6. Визначені раціональні параметри процесів утилізації теплоти випускних газів суднових МОД з охолодженням повітря на вході (густина теплового потоку та температурні напори в охолоджувачі, масова швидкість киплячого НРТ, питома холодопродуктивність), що забезпечують зниження температури повітря на 20…25 єC і питомої витрати палива на 2,5…3,0 г/(кВт·год) порівняно з МОД без охолодження повітря на вході.



ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В НАУКОВИХ СПЕЦІАЛІЗОВАНИХ ВИДАННЯХ

1. Радченко Р.Н. Использование теплоты уходящих газов для предварительного охлаждения воздуха судовых ДВС / Р.Н. Радченко // Двигатели внутреннего сгорания. Харьков: НТУ "ХПИ".- 2008.- № 1.- С. 110-114.

2. Радченко Р.Н. Тригенерационные циркуляционные испарительные контуры низкокипящих рабочих тел предварительного охлаждения воздуха дизелей / Р.Н. Радченко // Авиационно-космическая техника и технология.- 2009. - № 7 (64). - С. 27-30.

3. Радченко Р.Н. Оптимизация испарителей теплоиспользующих установок охлаждения воздуха на входе турбокомпрессоров дизелей / Р.Н. Радченко // Зб. наук. праць НУК. - 2009. - Вип. 1 (424). - С. 116-123.

4. Радченко Р.Н. Испарители с рециркуляцией низкокипящего рабочего тела контура охлаждения воздуха дизелей / Р.Н. Радченко // Зб. наук. праць НУК. - 2009. - Вип. 2 (425). - С. 137-141.

5. Радченко Р.Н. Математическая модель эжекторной теплоиспользующей установки охлаждения воздуха / Р.Н. Радченко, А.А. Лехмус // Зб. наук. праць НУК. - 2009. - Вип. 5 (428). - С. 108-115.

6. Радченко Р.Н. Верификация математической модели эжекторной утилизационной установки промежуточного контура охлаждения наружного воздуха дизеля / Р.Н. Радченко // Авиационно-космическая техника и технология.- 2009. - № 4 (61). - С. 79-82.

7. Радченко Р.Н. Эффективные испарительные контуры теплоиспользующих систем охлаждения воздуха на входе дизелей // Наукові праці ОНАХТ. Одеса: ОНАХТ. - 2009. - Вип. 35. - Т. 1. - С. 167-171.

8. Радченко Р.Н. Обоснование выбора рациональных решений воздухоохладительных узлов теплоиспользующих установок кондиционирования судовых ДВС // Авиационно-космическая техника и технология. - 2007. - № 9 (45). - С. 31-36.

9. Радченко Р.Н. Использование сбросного тепла малооборотных дизелей для охлаждения воздуха на входе турбокомпрессоров / Р.Н. Радченко, Н.Я. Хлопенко // Авиационно-космическая техника и технология. - 2010. - № 8 (75). - С. 24-28.

10. Радченко Р.Н. Утилизационный циркуляционный испарительный контур низкокипящего рабочего тела для предварительного охлаждения воздуха дизелей / Р.Н. Радченко, Т. Бохдаль // Авиационно-космическая техника и технология. - 2010. - № 9 (76). - С. 62-67.

11. Радченко Р.Н. Теплоиспользующие контуры непосредственного и промежуточного охлаждения воздуха на входе дизельных установок / Р.Н. Радченко, Т. Бес, А,А. Сирота // Авиационно-космическая техника и технология. - 2010. - № 10 (77). - С. 66-69.

12. Радченко Р.Н. Интегрирование эжекторных теплоиспользующих установок охлаждения в системы воздухоподготовки главных судовых двигателей / Р.Н. Радченко // Техногенна безпека: Наукові праці ЧДУ ім. П.Могили. Миколаїв: ЧДУ. 2009. Т. 111. Вип. 98. С. 44-50.

Основні публікації, в яких додатково викладено зміст дисертації:

13. Радченко Р.Н. Оптимальные характеристики испарителей теплоиспользующих установок охлаждения воздуха на входе судовых дизелей/ Р.Н. Радченко, Н.Я. Хлопенко // Матеріали I Міжнар. н.-т. конф. "Холод в енергетиці і на транспорті", ч. II. - Миколаїв: НУК. - 2008. - С. 160-168.

14. Радченко Р.Н. Рециркуляционные испарительные контуры теплоиспользующих установок предварительного охлаждения воздуха судовых дизелей/ Р.Н. Радченко //Суднова енергетика: Стан та проблеми: Матеріали IV міжнародної науково-технічної конференції студентів, аспірантів, науковців та фахівців. - Миколаїв: НУК, 2009. - С. 151-152.

15. Радченко Р.Н. Производство холода для собственных нужд в малооборотных дизельных установках простого и когенеративного типов / Р.Н. Радченко, А. Стахель // Муніципальна енергетика: проблеми, рішення: Матеріали третьої міжнар. наук.-техн. конф. Миколаїв: НУК,2009.-С.33-36.

16. Radchenko R.N. Increasing the efficiency of marine diesel engines by intake air cooling in waste heat recovery refrigeration systems / R.N. Radchenko // Proceedings of the 12 International Symposium on Heat Transfer and Renewable Sources of Energy: HTRSE2008. Szczecin, Poland. 2008. P. 553560.

17. Radchenko R. Effective evaporator circuits of waste heat recovery refrigeration systems for pre-cooling gas turbine inlet air / R.N. Radchenko // Proceedings of the ICHMT Int. Symposium "Heat Transfer in Gas Turbine Systems", Antalya, Turkey, 9-14 August, 2009. - 4 р.

18. Radchenko R. Increasing the efficiency of marine diesel engines by intake air cooling in ejector waste heat recovery refrigeration systems / R. Radchenko // Proceedings of the 13 International Symposium on Heat Transfer and Renewable Sources of Energy: HTRSE2010. Szczecin, Poland. 2010. P. 535-540

19. Патент України на винахід № 90165 Радченко М.І. Спосіб роботи ежекторної холодильної машини / М.І. Радченко, А.М. Радченко, Р.М. Радченко. - Бюлетень № 7. - 2010.

20. Патент України на винахід № 81780 Радченко М.І. Спосіб перетворення теплової енергії в механічну роботу з утилізацією теплоти продуктів згоряння / М.І. Радченко, В.В. Романов, Б.Д. Білека, О.А. Сирота, Р.М. Радченко, А.А. Андрєєв, Д.В. Коновалов, М.О. Тарасенко. - Бюлетень № 3. - 2008.

Особистий внесок здобувача у праці, що опубліковані у співавторстві: [5] математична модель ТТЕ; [9, 15] аналіз ефективності систем утилізації теплоти випускних газів МОД з охолодженням повітря на вході, їх раціональні параметри; [10, 11, 13] методи розрахунку оптимальних параметрів випарників-охолоджувачів повітря; [19] - спосіб роботи термотрансформатора з ежектуванням сухої насиченої пари; [20] - спосіб утилізації теплоти випускних газів двигунів з охолодженням повітря.

АНОТАЦІЯ

Радченко Р.М. Вдосконалення системи утилізації теплоти випускних газів суднових малообертових дизелів. ? Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.03 - Двигуни та енергетичні установки. - Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, Миколаїв, 2011.

Дисертація присвячена підвищенню паливної ефективності суднових МОД шляхом використання теплоти випускних газів ежекторним термотрансформатором для охолодження повітря на вході. Розроблена математична модель процесів утилізації теплоти, яка враховує енергетичні втрати через низьку інтенсивність теплопередачі на завершальній стадії трансформації теплоти з фазовим переходом низькокиплячого робочого тіла (НРТ), дозволяє скоротити енергетичні втрати. Розроблені способи організації процесів трансформації теплоти: неповне випаровування НРТ, рециркуляція НРТ в охолоджувачі повітря, ежектування сухої насиченої пари НРТ, які забезпечують скорочення енергетичних втрат на 20…30 %. Визначені раціональні параметри процесів утилізації теплоти випускних газів суднових МОД з охолодженням повітря на вході, що забезпечують зниження температури повітря на 20…25 єC і питомої витрати палива на 2,5…3,0 г/(кВт·год).

Ключові слова: малообертовий дизель, утилізація теплоти, випускні гази, охолодження повітря, питома витрата палива.



АННОТАЦИЯ

Радченко Р.Н. Совершенствование системы утилизации теплоты выпускных газов судовых малооборотных дизелей. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.03 - Двигатели и энергетические установки. - Национальный университет кораблестроения имени адмирала Макарова, Николаев, 2011.

Диссертация посвящена повышению топливной эффективности судовых МОД путем использования теплоты выпускных газов эжекторным термотрансформатором для охлаждения воздуха на входе двигателя. Разработана математическая модель процессов утилизации теплоты выпускных газов судовых МОД с охлаждением воздуха на входе, которая учитывает энергетические потери при трансформации теплоты с фазовым переходом низкокипящего рабочего тела (НРТ), влияние потерь, обусловленных разностью температур между охлаждаемым воздухом и НРТ, на затраты энергии на поддержание эжектором соответствующего давления.

Разработаны способы организации процессов утилизации теплоты выпускных газов МОД с охлаждением воздуха на входе: неполное испарение НРТ, рециркуляция НРТ в охладителе воздуха на входе МОД, эжектирование сухого насыщенного пара НРТ, которые обеспечивают сокращение энергетических потерь при трансформации теплоты на 20…30 %. Определены рациональные параметры процессов, обеспечивающие минимальные энергетические потери при трансформации теплоты, снижение температуры воздуха на 20…25 єC и удельного расхода топлива на 2,5…3,0 г/(кВт?ч) с учетом меняющихся в течение рейса наружных тепловлажностных параметров.

Ключевые слова: малооборотный дизель, утилизация теплоты, выпускные газы, охлаждение воздуха, удельный расход топлива.



SUMMARY

Radchenko R.N. Improving the exhaust gas heat recovery system of marine low speed diesels. - Manuscript.

The dissertation for the scientific degree of the candidate of technical sciences on speciality 05.05.03 - Engines and power plants.- National University of Shipbuilding named after admiral Makarov, Mikolayiv, 2011.

The dissertation is devoted to increasing the fuel efficiency of marine low speed diesels (LSD) by using the heat of exhaust gas in ejector heat transformer to cool the intake air. A mathematical model of waste heat recovery processes has been developed that takes into account the energy losses due to low intensity of heat transfer at the final stage of heat transforming with phase shange of low boiling working fluid (LBWF), allow to reduce the energy losses. The methods of performing the the processes of heat transforming: nonfull evaporation of LBWF, recirculation of LBWF, ejecting the dry saturated vapour of LBWF, those provide reducing the energy losses by 20…30 %, are developed. The rational parameters of processes of recovering the heat of exhaust gas of marine LSD with intake air cooling, providing decreasing the temperature of air by 20…25 єC and fuel consumption by 2,5…3,0 g/(kW?h) have been received.

Key words: low speed diesel, waste heat recovery, exhaust gas, cooling of air, fuel consumption.

Размещено на Allbest.ru