Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса, постановка цели и задач исследования 9
1.1 Область применения, принципиальные особенности и недостатки судовых утилизационных котлов 9
1.2 Анализ способов повышения эффективности утилизации теплоты на судах 29
1.3 Методы интенсификации теплообмена в утилизационных котлах 34
1.3.1 Сущность интенсификации теплообмена 34
1.3.2 Воздействие на поток электромагнитных полей 36
1.3.3 Воздействие акустического поля 38
1.3.4 Интенсификация теплообмена сферическими выемками 38
1.3.5 Криволинейные каналы труб 40
1.3.6 .Витыетрубы 41
1.3.7 Интенсификаторы типа диффузор-конфузор 44
1.3.8 Турбулизация потока теплоносителя периодическими кольцевыми диафрагмами 45
1.3.9 Каналы со спиральными выступами и пружинными вставками 46
1.3.10 Закрутка потока в трубах с помощью винтовых вставок 49
1.3.11 Выводы по обзору различных методов интенсификации теплообмена в утилизационных котлах 55
1.4 Постановка цели и задач исследования 57
2 Экспериментальные исследования закрутки потока газа на модели утилизационного котла 59
2.1 Рассмотрение совокупности моделирования и подобия физических процессов 59
2.2 Описание экспериментальной установки 65
2.3 Схема измерений, контрольно-измерительные приборы и методика проведения экспериментальных исследований 70
2.4 Методика обработки экспериментальных данных 76
2.5 Оценка погрешностей измерений 80
Определение аналитических зависимостей для расчета теплоотдачи и аэродинамического сопротивления в трубах утилизационного котла с винтовыми ленточными вставками 84
3.1 Методика обобщения экспериментальных данных и результаты экспериментальных исследований 84
3.2 Обобщенные аналитические зависимости для расчета теплоотдачи и аэродинамического сопротивления в трубах утилизационного котла с винтовыми ленточными вставками 94
Расчетно-теоретическое исследование влияния установки винтовых ленточных вставок на работу утилизационных котлов в составе судовых энергетических установок 98
4.1 Уточненная методика теплового расчета судовых утилизационных водогрейных котлов 98
4.2 Уточненная методика расчета аэродинамического сопротивления судовых утилизационных водогрейных котлов 109
4.3 Результаты расчета показателей работы утилизационных котлов в составе судовых энергетических установок при использовании винтовых ленточных вставок 112
Заключение 122
Список использованных источников 124
Приложения 134
- Методы интенсификации теплообмена в утилизационных котлах
- Описание экспериментальной установки
- Обобщенные аналитические зависимости для расчета теплоотдачи и аэродинамического сопротивления в трубах утилизационного котла с винтовыми ленточными вставками
- Уточненная методика расчета аэродинамического сопротивления судовых утилизационных водогрейных котлов
Введение к работе
Актуальность работы
В решении общей проблемы повышения эксплуатационной эффективности судовой энергетической установки (СЭУ) современного судна (морского, речного или смешанного плавания - «река-море») частная задача повышения эффективности ее утилизационного комплекса, на первый взгляд, не представляется существенной или, по крайней мере, играющей сколько-нибудь важную роль. Это, в первую очередь, объясняется самим положением теплотехнических процессов утилизационного комплекса в нижней части термодинамического цикла СЭУ, что принципиально обуславливает относительно низкий термический КПД в рабочих процессах утилизации теплоты и предопределяет некоторую небрежность в отношениях к задачам утилизации на уровнях проектирования, изготовления и эксплуатации утилизационных котлов (УК).
Между тем, правильно организованная во всех отношениях работа УК в большей степени обеспечивает, во-первых, высокую эффективность всей СЭУ, включая главные двигатели и, во-вторых, что не менее важно, нормальную жизнедеятельность судового экипажа. Напротив, неудовлетворительная работа утилизационного комплекса снижает уровень технико-экономических показателей СЭУ и, следовательно, судна и в случаях недопустимых технических ошибок в эксплуатации УК может привести к тяжелым последствиям для судна в целом.
Немаловажным фактом в повышении эксплуатационной эффективности СЭУ является повышение эффективности УК, используя методы интенсификации конвективного теплообмена, что определяет актуальность данного научного исследования.
Методы решения задач исследования
Методологической базой диссертации являются исследования таких ученых как М. А. Михеев, Г. А. Дрейцер, В. А. Осипова, В. К. Мигай, В. К. Щукин, А. К. Ильин, М.К. Овсянников, Л.П. Коршунов, В.М. Селиверстов и
ДР-
В первой главе диссертационной работы использованы методы
обработки статистических данных по использованию УК на судах. Объем
выборок составил 608 судов с мощностью главных двигателей от 150 до
1000 кВт.
Обработка экспериментальных данных и расчетно-теоретических исследований проводились с использованием современных лицензионных программных продуктов.
Экспериментальные исследования выполнялись методом активного эксперимента на созданной экспериментальной установке, которая оборудована средствами контроля и измерения параметров работы, обеспечивающими точность проводимых замеров в соответствии с действующими нормативными документами и стандартами РФ. Всего было проведено 72 эксперимента, при которых получены конкретные значения экспериментальных данных.
Научная новизна полученных в диссертации результатов заключается в следующем:
- впервые проведен анализ конструкции, эксплуатации и использования УК на судах с мощностью главных двигателей от 150 до 1000 кВт, на основе которого определены возможные способы повышения эффективности УК;
предложен к использованию и научно обоснован метод интенсификации теплообмена в судовых газотрубных УК при использовании винтовых ленточных вставок;
создана оригинальная экспериментальная установка, позволяющая моделировать и исследовать процессы конвективного теплообмена и аэродинамики, происходящие в УК, и получен патент на полезную модель;
на основании экспериментальных данных получены новые аналитические зависимости для расчета теплообмена и аэродинамических характеристик в газотрубных УК с винтовыми ленточными вставками.
Практическая значимость
собран обширный статистический материал по конструкции, эксплуатации и использованию УК на судах с мощностью главных двигателей от 150 до 1000 кВт, для применения в проектно-конструкторских организациях с целью совершенствования существующих и разработки новых конструкций УК;
исследованы методы интенсификации конвективного теплообмена и представлены рекомендации для разработки высокоэффективных судовых УК;
создана экспериментальная установка, позволяющая моделировать и исследовать теплообменные и аэродинамические процессы, происходящие в газотрубных УК;
предложена уточненная инженерная методика расчета газотрубных УК с винтовыми ленточными вставками;
получены расчетно-теоретические результаты использования винтовых ленточных вставок в газотрубных УК СЭУ судов различного назначения.
Реализация результатов исследования
Результаты работы переданы к использованию и внедрению в ОАО «Астраханское ЦКБ», СКБ «Каспий» и ЗАО «ССЗ им. Ленина».
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе АГТУ при подготовке инженеров по специальности «Судовые энергетические установки», «Эксплуатация судовых энергетических установок», бакалавров по направлению «Эксплуатация транспортных средств» и в научно-исследовательской работе студентов и аспирантов.
Апробация работы
Основное содержание исследований по мере их выполнения обсуждалось и докладывалось на международных, всероссийских, вузовских конференциях и семинарах: Второй Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии СЭТТ-2005» (г. Москва, 2005 г.); Международной научно-практической конференции «Малая энергетика 2006» (г. Москва, 2006 г.); заседаниях кафедры «Эксплуатация водного транспорта» АГТУ; заседаниях Ученого совета института Морских технологий, энергетики и транспорта АГТУ; ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава АГТУ (2003-2006 гг.); научной конференции посвященной 75-летию АГТУ (2005 г.); межрегиональных семинарах Актуальные проблемы судовой энергетики и машинодвижительных комплексов (г. Астрахань, 2003-2006 гг.); межведомственном научно-техническом семинаре Гидромеханические и теплообменные процессы современных технологий (г. Астрахань, 2004 г.).
Публикации
Результаты исследований опубликованы в 9 работах, в том числе 3 по списку ВАК. Получено 1 свидетельство Роспатента на полезную модель.
Методы интенсификации теплообмена в утилизационных котлах
Следствием интенсификации процессов теплообмена является увеличение коэффициента теплопередачи, который при чистых поверхностях теплообмена определяется коэффициентами теплоотдачи со стороны греющего и нагреваемого теплоносителей. Очевидно, что интенсификация теплообмена должна осуществляться со стороны теплоносителя, имеющего меньшее значение коэффициента теплоотдачи.
Практическая сторона интенсификации теплообмена содержит в себе ряд задач. Во-первых, это теплофизическая задача исследования и изыскания гидродинамических и тепловых условий, обеспечивающих оптимальное соотношение между интенсивностью теплообмена и гидравлическими потерями при высоком уровне теплообмена. Во-вторых, этот задача очистки поверхности нагрева от термически вредных отложений и обеспечения минимальности этих отложений. В-третьих, это обеспечение длительной и надежной работы интенсифицированных поверхностей теплообмена (проблемы эрозии, коррозии, прочности и т.д.). В-четвертых, это создание достаточно дешевой и легко выполнимой технологии изготовления этих поверхностей. [35]
Применительно к течению однофазных теплоносителей используются турбулизаторы потока на поверхности, шероховатые поверхности, развитые за счет оребрения поверхности, закрутка потока спиральными ребрами, шнековыми устройствами, завихрителями, установленными на входе в канал, подмешивание к потоку жидкости газовых пузырей, а к потоку газа - твердых частиц или капель жидкости, вращение или вибрация поверхности теплообмена, пульсации потока теплоносителя, воздействие на поток электромагнитных полей, отсос потока из пограничного слоя, струйные системы. Эффективность этих методов различна, в лучшем случае удается увеличить теплоотдачу в 2 - 3 раза, но для разных способов интенсификации при существенно различных затратах времени. [36,37]
Необходимо отметить, что возможностей интенсификации теплообмена при кипении гораздо больше, чем в однофазных потоках. Так, коэффициент теплоотдачи при пленочном кипении удается увеличить до 10 раз, а критический тепловой поток более чем в 3 раза. Наряду с турбулизаторами, закручивающими устройствами, оребрением для интенсификации теплообмена при кипении используют нанесение на поверхность тонких покрытий из низкотеплопроводного или пористого материала, устанавливают неизотермические ребра, используют шероховатые поверхности.
Как известно, при взаимодействии твердой теплопередающей непроницаемой стенки с омывающем ее однофазным потоком образуется пограничный слой, являющийся основным сопротивлением теплопередаче. Очевидно, чем больше толщина пограничного слоя и чем ниже теплопроводность теплоносителя, тем меньше теплоотдача, поэтому для интенсификации теплообмена необходимо так воздействовать на пограничный слой, чтобы он стал более тонким, или разрушить его вообще.
Уменьшение толщины пограничного слоя можно достигнуть увеличением суммарной скорости взаимодействия потока теплоносителя и теплопередающей поверхности, а полного разрушения пограничного слоя - элементами шероховатости и турбулизирующими вставками.
Наиболее простой метод интенсификации теплообмена состоит в увеличении скорости набегающего потока. В случае внутренней задачи, несмотря на то, что все гидравлическое сопротивление сводится к полезному сопротивлению трения, определяющему процесс переноса тепловой энергии, увеличение скорости с целью интенсификации теплообмена ограничено, так как с ее ростом сильно возрастает гидравлическое сопротивление. В этом случае из всего полного сопротивления тела лишь часть его связана с процессом переноса тепловой энергии, т.е. является полезной. Остальная часть гидравлического сопротивления приводит лишь к увеличению мощности, необходимой для проталкивания газа через теплообменник. Поэтому наиболее приемлемыми, вероятно, будут такие методы интенсификации теплообмена, которые обеспечивают увеличение интенсивности теплообмена без существенного увеличения сопротивления движению теплоносителя. [38,39]
Повышение эффективности теплообмена - это комплексная задача, охватывающая вопросы изыскания оптимального соотношения между теплосъемом и потерями на сопротивление, вопросы экономического обоснования оптимальности выбора характеристик теплообменного устройства, вопросы удовлетворения техническим и производственным требованиям. В свете вышеперечисленных требования перейдем к рассмотрению различных методов интенсификации теплообмена применимых в утилизационных котлах.
Известно, что воздействие электромагнитных полей позволяет интенсифицировать теплообмен. Наложение постоянного или переменного электрического поля на объём диэлектрического теплоносителя вызывает стационарную или нестационарную (вихревую) электрическую конвекцию теплоносителя, возникающую как при свободном, так и при вынужденном движении теплоносителя. Электрическая конвекция интенсифицирует теплообменные процессы, её возникновение связано с электростриктивной и электроиндуктивной силами [38].
Экспериментально установлено [40] возрастание в 2-2,5 раза коэффициентов теплопроводности и динамической вязкости и уменьшение в 3 раза коэффициентов взаимной диффузии жидкостей в постоянных, низкочастотных и высокочастотных полях. Эти данные показывают, что возрастание теплоотдачи в электрических полях может быть обусловлено как возбуждением электроконвективных явлений, так и интенсификацией процессов молекулярного переноса в жидкостях.
Также обнаружено [41], что даже при большой интенсивности электрического поля в кольцевой трубе с концентрическим внутренним электродом интенсификация исчезает, как только достигается турбулентный режим течения. При низких скоростях воздуха коронный разряд дает маленький эффект, за исключением экспериментов, проводимых с тремя электродами, расположенными под оребренной трубой [42], в которых отмечено увеличение коэффициентов теплоотдачи на 60%.
В условиях свободной конвекции теплоотдача нагретой проволоки при наложении внешнего электрического поля возрастает на 30 -г 50% и более. При вынужденном течении жидкости теплоотдача в постоянном поле возрастает на 20 -г 30%, а в переменном - в 3 - 4 раза. Увеличение скорости вынужденной конвекции ослабляет эффект интенсификации теплообмена.
Несмотря на то, что для реализации этого способа интенсификации теплообмена можно воспользоваться электрическими полями, существующими в современном энергетическом оборудовании, применение данного метода на практике довольно затруднительно. Кроме того, эффективность этого метода интенсификации невысока, так как электрическое поле воздействует не только на пристенный слой, в котором сосредоточено основное термическое сопротивление тепловому потоку, но и на всё сечение канала.
Описание экспериментальной установки
На рис. 2.1 и 2.2 представлена схема и общий вид разработанной экспериментальной установки для исследования теплообмена и аэродинамического сопротивления на модели газотрубного утилизационного водогрейного котла, изготовленного в виде кожухотрубного теплообменника типа «труба в трубе», при различных конструкциях, материалах, эксплуатационных состояниях теплообменных поверхностей (труб), на различных режимах работы, а также с применением различных методов интенсификации конвективного теплообмена при течении воздуха в трубе.
Теплообменник 1 имеет теплопередающую трубу 2 диаметром 57/50 мм, длиной 1000 мм и внутренним диаметром кожуха 100 мм. В качестве горячей (греющей) среды использовался воздух, нагнетаемый из окружающей среды с помощью вентилятора 16 и нагреваемый нагревателем 5. Воздух поступал в теплопередающую трубу через входную расширительную камеру, охлаждался в экспериментальном участке, и пройдя выходную расширительную камеру выбрасывался в атмосферу, моделируя движение газов в трубах газотрубного утилизационного котла. Расход воздуха плавно регулировался изменением мощности вентилятора при помощи регулятора напряжения 17. В качестве холодной (нагреваемой) среды использовалась вода, которая омывала стенку теплопередающей трубы снаружи. Расход воды регулировался вентилем 10. Для подвода и отвода воды с обеих сторон кожуха приварены штуцеры. Движение рабочих сред происходило по схеме прямотока. На входе и выходе экспериментального участка проводилось измерение температуры рабочих сред. Кожух теплообменника, а также входная и выходная расширительные камеры покрыты тепловой изоляцией из минеральной выты и стеклоткани.
Конструкция теплообменника предусматривает легкую разборку и замену экспериментального участка, для исследования и моделирования теплообменных процессов с различными коэффициентами теплопроводности труб, конструкциями и эксплуатационными состояниями теплообменной поверхности, а также для установки внутри теплопередающей трубы различных вставок, интенсифицирующих теплоотдачу от воздуха к стенке трубы.
Была разработана следующая технология изготовления и установки в трубу винтовой ленточной вставки. Лента из стального листа толщиной 2 мм и размерами 1000x50 мм зажималась в токарно-винторезном станке на оси вращения: с одной стороны в трехкулачковом патроне, с другой в зажим для резцов. Вращая рукояткой патрон и придерживая зажим для резцов производилось скручивание ленты в ленточную спираль с необходимым шагом закрутки винтовой линии. Затем лента устанавливалась внутрь трубы с зазором, обеспечивающим свободный проход ленты в трубе.
Поочередно применялись 5 вставок, выполненные из стального листа толщиной 2 мм. Полный шаг между соседними витками (S) вставок варьировался таким образом, чтобы получить относительные шаги (S/d) 6, 7, 8,
Подготовка экспериментальной установки к проведению измерений производилась в следующем порядке: 1) открытие регулирующего крана для циркуляции воды через теплообменник; 2) регулировкой крана установка необходимого расхода воды; 3) включение электродвигателя вентилятора и нагревателя; 4) установка необходимого расхода и степени нагрева воздуха. Принципиальная схема измерений представлена на рис. 2.4. По контрольно-измерительным приборам наблюдалось изменение температур воздуха и воды на входе и выходе из экспериментального участка (tg ,tg", tw , tw"). При установлении стационарного режима (постоянство tg ,t g", tw , tw") начинался основной опыт, во время которого производились замеры и осуществлялась запись показаний всех приборов. Таким образом, измерение величин, необходимых для определения теплоотдачи и аэродинамического сопротивления при стационарном процессе теплообмена, производилось в условиях тепловой стабилизации, которая определялась по постоянству расходов и температуры воздуха и воды на входе и выходе из теплообменного участка. Для каждого винтовой вставки производилось 12 эксперимента, отличающихся между собой массовым расходом воздуха, которые позволили в последствии описать функциональными зависимостями теплоотдачу и аэродинамику каждой вставки. Более того, планирование эксперимента позволило описать общими зависимостями теплоотдачу и аэродинамику всех вставок в пределах области измерений. Все измерения велись с учетом рекомендаций [84,85,86,87,88]. Для получения надежных данных измерения дублировались: температура воздуха и воды до и после экспериментального участка измерялась при помощи лабораторных и технических ртутных термометров и хромель-копелевых термопар. Как показали результаты эксперимента, оба метода измерения температуры давали одни и те же значения. Для измерения температуры воздуха до и после экспериментального участка применялись технические ртутные термометры типа ТТ-П с ценой деления 5 С, пределами измерений 0+450 С и погрешностью измерений 5 С, а для - температуры воды - лабораторные ртутные термометры типа TJ1-6M с ценой деления 0,5 С, пределами измерений 0+55 С и погрешностью измерений 0,5 С. Температура стенки теплопередающей трубы измерялась при помощи хромель-копелевых термопар с диаметром электрода 0,5 мм, установленных по образующей в восьми сечениях экспериментального участка и зачеканенных в стенку трубы (Рис.2.5). Холодные концы всех термопар соединялись с медными соединительными проводами и термостатировались в термостате при постоянной температуре, которая измерялась ртутным термометром типа ТЛ-6М с ценой деления 0,5 С, пределами измерений 0+55 С и погрешностью измерений 0,5 С. После термостата соединительные провода подводились к многопозиционному переключателю, соединенному с потенциометром ПП-63 класса точности 0,05. Измерение динамического давления (скоростного напора) производилось при помощи трубки Пито-Прандтля, выполненной в соответствии с существующими требованиями [84,85,89], по показаниям микроманометра ММН-240 класс точности 1. Скоростная трубка устанавливалась на впускном трубопроводе, на расстоянии 20 мм от расширительной камеры. По динамическому давлению рассчитывалась скорость потока, а затем массовый расход воздуха. Аэродинамическое сопротивление участка трубы с установленными винтовыми ленточными вставками и без них определялось на
Обобщенные аналитические зависимости для расчета теплоотдачи и аэродинамического сопротивления в трубах утилизационного котла с винтовыми ленточными вставками
На основе результатов обработки экспериментальных данных, получены обобщенные аналитические зависимости в виде Nu=f(Re, S/d) и =f(Re, S/d).
Обработка данных по теплообмену показала, что максимальное отклонение экспериментальных значений от обобщающей кривой не превышает ±4% при вероятности 100%. На рисунке 3.7 показана обобщающая зависимость экспериментальных данных по теплообмену.
При этом пунктирными линиями выделен доверительный интервал ±3%. Т.о. теплоотдача в пределах изменения параметров, имевших место в эксперименте (6 S/d 12; 7,7-10 Re 17,5-10 ), с доверительным интервалом ±3% и вероятностью 97% описывается обобщающей аналитической зависимостью:
Анализ данных по аэродинамическим сопротивлениям показал, что максимальное отклонение экспериментальных значений от обобщающей кривой (доверительный интервал) не превышает ±6 %. На рисунке 3.8 показана обобщающая зависимость экспериментальных данных по аэродинамике, при этом пунктирными линиями выделен доверительный интервал ±5 %. Т.о. аэродинамическое сопротивление в пределах изменения параметров, имевших Ч Ч место в эксперименте (6 S/d 12; 7,7-10 Re 17,5-10), с доверительным интервалом ±5 % и вероятностью 93 % описывается обобщающей аналитической зависимостью:
Полученные расчетные зависимости позволяют достаточно просто оценить увеличение теплоотдачи и аэродинамического сопротивления газового ( потока при применении винтовых ленточных вставок с различными геометрическими характеристиками, и на основе оценки подобрать наилучший вариант геометрии вставки для конкретной конструкции рекуперативного теплообменника с разнофазными теплообменивающимися средами. Полученные расчетные зависимости рекомендуются при подборе винтовых вставок для конвективных поверхностей утилизационных водогрейных котлов. і
Уточненная методика теплового расчета УВК основана на обобщенной математической модели УВК предложенной М.Н. Покусаевым и СВ. Виноградовым [94]. В основу методики теплового расчета УВК положены исследования В.П.Ильченко, Г.Е.Каневца, АЛ.Клеменко, А.Кольборна, С.С.Кутателадзе, О.Н.Маньковского, В.М.Селиверстова, Х.Хаузена, А.Шака и др. Она представляет собой синтез известных методов расчета котлов и теплообменных аппаратов: нормативный метод расчета котельных агрегатов [96], метод с экспоненциальным изменением температуры [97,98], метод с распределенными параметрами [95,99,100], метод с поинтервальным разбиением [101]; учитывает особенности конструкции, условий эксплуатации, теплопередачи и влияния отложений. Используется принцип поинтервальной линеаризации (деления поверхности нагрева УВК на интервалы по ходу движения теплоносителей), позволяющий учитывать детальные изменения режима теплопередачи при движении теплоносителей от одной координаты поверхности к другой. Результаты расчета по предыдущему интервалу будут являться исходными данными для следующего.
Программа уточненной методики теплового расчета разработана с использованием программного продукта Microsoft Excel. Исходными данными для расчета являются конструктивные параметры УВК и параметры режима теплового процесса в нем [3,4,22].
К необходимым конструктивным параметрам УВК относятся: DK -внутренний диаметр кожуха котла, м; Dra - наружный диаметр изоляции газоперепускной трубы (при ее наличии), м; Lt- рабочая высота трубок котла, м; Ztr - число теплопередающих трубок; St - толщина стенки трубок, м; А -коэффициент теплопроводности материала трубок, Вт/(м-К); Sc - толщина слоя сажи, м; SH- толщина слоя накипи, м; di - диаметр трубок, м.
К необходимым параметрам режима относятся: tg - температура газов перед котлом, С; tw - температура воды перед котлом С; Gg - массовый расход газов через котел, кг/с; Gw- массовый расход воды через котел, кг/с; ta - температура окружающей среды, С.
Методика расчета позволяет производить расчет УВК, на основании которого определяются следующие выходные параметры УВК:
Результаты расчета по предыдущему интервалу будут являться исходными данными для следующего интервала. После введения исходных параметров рассчитываются следующие величины: Наружный диаметр трубок с учетом накипи, м где n - число интервалов (разбиений); Lt - рабочая длина трубок, м. Площадь поверхности теплопередающей стенки на одном интервале, м
Все теплофизические параметры теплоносителей, такие как v, X, р, ср, в создаваемой модели задаются в виде зависимостей от температуры теплоносителя [98,102,103]. Получение непрерывных функциональных зависимостей свойств теплоносителей от их температуры производилось при помощи аппроксимации табличных данных.
Постоянными приняты ширина пределов аппроксимирования и значения рабочего давления для воды и газов. Верхний предел аппроксимирования принят: При расчете использовались следующие значения рабочего давления теплоносителей р: Коэффициент теплопередачи в создаваемой модели рассчитывается по формуле (4.4). Для расчета ag и aw соответственно встала задача выбора наиболее подходящих критериальных уравнений из всего их множества. Для выбора критериальных уравнений необходимо определить режимы течения теплоносителей. Для определения режима течения следует получить значения безразмерного комплекса:
Для расчета теплоотдачи со стороны газов в обобщенной модели используется формула А.И.Леонтьева, учитывающая пульсацию потока газа в трубах. Но, учитывая параметры отработавших газов судовых дизелей в УВК, а также конструкции газотрубных УВК (наличие приемной расширительной камеры), нецелесообразно использовать формулу А.И.Леонтьева, полученной при Re=66-l(r-rl(r и частоте пульсации давления 900 Гц. Поэтому в уточненной методике расчета для определения теплоотдачи со стороны газов без винтовых ленточных вставок используется известное критериальное уравнение М.А.Михеева для турбулентного потока [104]: где: Prg - число Прандтля газов, при температуре газов; Ртст - число Прандтля газов, при температуре стенки; eg - поправка на изменение коэффициента теплоотдачи в зависимости от длины участка. Т.к. длина участка равна d то є зависит только от Re, и равна 8=1,65 при Re=104; є=1,51 при Re=2-104 [104]. Введение поправки є обусловлено её существенным влиянием на коэффициент теплоотдачи в связи с малой рабочей длиной трубок рассчитываемых УВК. Таким образом, выражение для расчетов коэффициентов теплоотдачи со стороны газов будет иметь вид:
Уточненная методика расчета аэродинамического сопротивления судовых утилизационных водогрейных котлов
Уточненная методика расчета аэродинамического сопротивления в УВК основывается на нормативном методе аэродинамического расчета котельных установок [105], включающему в себя методику расчета аэродинамического сопротивления, обобщенные данные многочисленных результатов исследования течения газов и воздуха в трактах, все необходимые аналитические и графические зависимости, основные расчетные формулы, а также исходные данные по всем параметрам, которые используются в расчете.
Программа аэродинамического расчета разработана с использованием программного продукта Microsoft Excel и имеет интерактивную связь с программой уточненного теплового расчета. Кроме того, для расчета используются конструкционные размеры УВК [3,4,22], объемный расход выхлопных газов, температура газов в УК, которые берутся из теплового расчета.
К необходимым конструктивным параметрам УВК при аэродинамическом расчете относятся: di=ds - диаметр входного и выходного патрубка, м; 0 - диаметр первой расширительной камеры, м; (Із - диаметр трубок, м; cLi - диаметр второй расширительной камеры, м; Lt - рабочая высота трубок котла, м; Zn - число трубок. К необходимым параметрам режима относятся: tgcp - средняя температура газов в котле, С; Vg- объемный расход газов через котел, м3/с. Сопротивление котла складывается из местных сопротивлений и сопротивлений от трения в трубах котла. Для определения сопротивлений рассчитываем следующие величины:
Площадь поперечного сечения входного и выходного патрубка, м для стальных котельных труб А = 0,0001 м [93]. В уточненной методики расчета аэродинамического сопротивления в УВК, при расчете коэффициента аэродинамического сопротивления в трубах с винтовыми ленточными вставками воспользуемся формулой полученной в 3 главе: где: Тст и Т - средние по трубе абсолютные температуры газа и стенки, К.
Общее сопротивление котла (Па) определяется по формуле Используя приведенные в п. 4.1 и 4.2 уточненные методики теплового и аэродинамического расчета УВК были проведены расчетно-теоретические исследования показателей работы УВК в составе СЭУ судов различного назначения. Первый этап исследования заключался в расчете действующих утилизационных комплексов (СДВС - УВК) с базовой конструкцией УВК (без установленных винтовых ленточных вставок в трубах котла), второй - в расчете действующих утилизационных комплексов с установленными винтовыми ленточными вставками в трубах УВК.
При расчете действующих утилизационных комплексов марки главных двигателей и УВК были выбраны на основе анализа проектов судов различного назначения с мощностью главных двигателей от 150 до 1000 кВт, в состав СЭУ которых входят УВК (таблица 4.1).
Выборка составила 32 проекта судов: 12 из которых имеют в своем составе УВК - КУВ-100; 12 - КАУ-4,5; 8 - КАУ-1,7.
Результаты исследования представлены в таблице 4.2 - 4.3 и на графиках (рис. 4.2 - 4.5) в виде сравнительного анализа показателей работы УВК базовой конструкции и с установленными в трубах винтовыми ленточными вставками. В качестве показателей принятых для сравнения выбраны: температуры теплоносителей на выходе из УВК (температура газов tg" и температура воды tw"), тепловая мощность УВК Рк, коэффициент утилизации Ч? и полное аэродинамическое сопротивление котла AhK.
Температура газов на выходе из УВК при установки винтовых ленточных вставок уменьшилась в среднем на 35С (12%). Наибольшее уменьшение наблюдается у утилизационных комплексов с котлами КАУ-4,5. Температура воды на выходе из УВК при установки винтовых ленточных вставок увеличилась в среднем на 10С.
Анализ значений коэффициента утилизации УВК с винтовыми ленточными вставками показал, что в среднем Ч увеличился на 40% и составил: для утилизационных комплексов с УВК КУВ-100 0,401 по сравнению с 0,307 (30,7%) для базовых конструкций УВК; для КАУ-4,5 -0,326 по сравнению с 0,229 (42,8%); для КАУ-1,7 - 0,270 по сравнению с 0,194 (39%).
Тепловая мощность УВК с винтовыми ленточными вставками увеличивается в среднем на 37% и составила: 209 кВт по сравнению с 160 кВт (30%) для УВК КУВ-100; 61 кВт - 43 кВт (43%) для КАУ-4,5; 37 кВт - 26 кВт (38%) для КАУ-1,7.
Полное аэродинамическое сопротивление УВК с винтовыми ленточными вставками по сравнению с базовыми конструкциями увеличилось в среднем на 165 Па (16%): для УВК КУВ-100 - на 274 Па (24%), для УВК КАУ-4,5 - 77 Па (7%), для УВК КАУ-1,7 - 190 Па (24%).
При уменьшении относительного шага закрутки винтовой ленточной вставки от 12 до 6 наблюдается увеличение значений рассчитываемых параметров за исключением температуры газов на выходе из УВК, значение которой уменьшаются. При установке винтовых ленточных вставок происходит снижение температуры газов на выходе из УВК, что является следствием более полного использования теплоты отработавших газов дизелей и приводит к повышению показателей эффективности Рк и F в среднем на 38%. Данное повышение происходит на фоне незначительного возрастания полного аэродинамического сопротивления котла AhK в среднем на 16%. Рост полного аэродинамического сопротивления котла при существующих конструкциях систем газовыхлопа дизелей СЭУ не оказывает существенного влияния на общее сопротивление системы, которое не должно превышать максимального противодавления отработавших газов дизеля регламентированного заводом изготовителем («3 кПа) или правилами морского Регистра судоходства РФ (5 кПа). Наилучшие параметры работы при установки винтовых ленточных вставок показали утилизационные комплексы с УВК КАУ-4,5. Это связано с конструкцией УВК серии КАУ и с правильно подобранным дизелем для данного котла. При установке в трубах УВК винтовых ленточных вставок температура газов на выходе снижается на 12%, что положительно влияет на уменьшение тепловых выбросов в атмосферу.
