Введение к работе
Актуальность. Анализ опыта проектирования и эксплуатации судовых теплоэнергетических систем (дизельных установок, судовых котлов, газотурбинных установок и т.д.), показывает, что в настоящее время происходит их постепенное переориентирование на более высоковязкие виды топлива (ВВТ).
ВВТ, прежде чем попасть в камеру сгорания, проходят ряд подготавливающих процессов. Одним из этапов подготовки топлива к сгоранию является процесс отбора из топливных цистерн, где оно хранится. Его предварительно нагревают, чтобы понизить вязкость, тем самым, обеспечив нормальную и эффективную работу насосов и устройств подачи топлива. Для этого на судах, а также стационарных и плавучих нефтебазах, широкое распространены системы с трубчатыми подогревателями, которые обеспечивают поддержание повышенной температуры всего объема топлива или жидкого груза. На судах, которые производят отгрузку ВВТ порционно, также приходится осуществлять нагрев всего объема груза. Необходимо также учесть, что для хранения запасов топлива используют цистерны двойного дна, бортовые и поперечные (диптанки), а также вкладные цистерны. Это приводит к большим тепловым потерям через стенки топливных емкостей (до 60 % от всей теплоты на подогрев).
Возникает актуальная задача поиска и внедрения наиболее эффективных и экономичных способов и организации хранения, перевозки и отгрузки ВВТ. В качестве альтернативы традиционным системам подогрева в данной работе предложена идея использования системы локального подогрева. В ней подогревается не вся масса топлива, а только та её часть, которая требуется для предстоящих операций, что как показано в работе, дает определенный экономический эффект. Системы такого типа могут успешно применяться на судах различных типов, нефтебазах, предназначенных для заполнения и заправки танкеров, а также в нефтехимической промышленности.
Работа выполнялась на кафедре физики ФГОУ ВПО «АГТУ» в соответствии с координационными планами НИР и ОКР в рамках Федеральной целевой программы «Энергоэффективная экономика» и Государственной программы «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности» (на период 2010 – 2020 гг.), а также в соответствии с Приоритетным направлением фундаментальных исследований РАН (одобрено постановлением президиума РАН от 1.07.2003 г. № 233 – «Энергоресурсосбережение и энергоэффективные технологии. Повышение эффективности комплексного использования природных топлив»).
Цель диссертационной работы. Разработка энергоэффективных судовых систем подогрева высоковязких топлив и жидких грузов с трубчатыми подогревателями.
Для достижения поставленной цели необходимо решить комплекс следующих научных задач:
теоретически изучить особенности тепломассообменных процессов при нагреве высоковязких сред над линейным источником теплоты;
теоретически исследовать влияние переменных свойств жидкости на тепломассообмен над линейным источником теплоты;
исследовать влияние типа и параметров нагревательного элемента на тепломассообмен;
теоретически и экспериментально исследовать теплообмен у горизонтального трубчатого подогревателя;
обобщить полученные теоретические решения в виде критериальных уравнений для расчета процессов тепломассообмена над линейным источником теплоты;
разработать методику инженерного расчета системы локального подогрева высоковязких топлив с учетом качки.
Объект исследования. Судовые трубчатые системы подогрева.
Методика исследований. Теоретические исследования базируются на фундаментальных положениях теории конвективного тепломассообмена с применением численных методов решения дифференциальных уравнений, а также с использованием результатов собственных экспериментальных исследований на модели.
Достоверность и обоснованность. Результаты работы получены на основе апробированных методов решений фундаментальных дифференциальных уравнений тепломассообмена при естественной конвекции. Используется общепринятая для рассматриваемого типа жидкостей модель, зависимость вязкости от температуры дается многократно подтвержденной экспоненциальной зависимостью. Результаты, полученные в работе, согласуются с известными теоретическими и экспериментальными обобщениями.
Научная новизна результатов работы:
1. Результаты решений дифференциальных уравнений тепломассообмена над линейным источником теплоты при постоянных теплофизических свойствах подогреваемой жидкости найдены в диапазоне Prж=10104.
2. Численно исследовано влияние переменной вязкости на тепломассообмен при свободной конвекции высоковязких жидкостей над линейным источником теплоты в диапазоне ж/с=0,0011 и Prж=10104.
3. Получены новые критериальные уравнения для расчета линейного массового расхода, температуры динамического и теплового слоев в следе над нагревательным элементом с учетом влияния температурного фактора.
4. Теоретически исследовано влияние типа нагревательного элемента и его параметров на линейный массовый расход и среднеинтегральную температуру в следе.
5. Получены новые уравнения для расчета коэффициента теплообмена у горизонтального трубчатого подогревателя при спокойных условиях и качке в диапазоне Prж=10104.
6. Разработана методика расчета судовых систем локального подогрева в емкостях с учетом качки.
Практическая ценность работы. Результаты проведенных исследований могут служить научной основой новых технических и технологических решений в судовой теплоэнергетике и нефтехимической промышленности. Полученные результаты можно использовать для проектирования наиболее выгодных технологических схем хранения, перевозки и отгрузки высоковязких топлив на судах и нефтебазах, оптимального расчета энергетического оборудования, совершенствования существующих систем подогрева высоковязких жидкостей и жидких грузов. Внедрение результатов работы позволяет уменьшить удельный расход энергии на операции подогрева высоковязких топлив и жидких грузов, уточнить величины поверхностей систем подогрева, определить оптимальный шаг расположения нагревателей и, как следствие, сократить капитальные и эксплуатационные затраты.
Предметом защиты являются следующие основные результаты работы, определяющие ее научную и практическую ценность:
1. Результаты решений основных дифференциальных уравнений пограничного слоя над линейным источником теплоты для двух типов нагревательного элемента в широком диапазоне Prж=10104.
2. Результаты влияния переменной вязкости на динамику тепломассопереноса при свободной конвекции высоковязких жидкостей при нагреве над линейным источником теплоты в диапазоне ж/с=0,0011 и Prж=10104.
3. Критериальные уравнения для расчета линейного массового расхода и стреднеинтегральной температуры в следе для двух типов нагревателей: с заданной температурой поверхности и с заданным тепловым потоком.
4. Методика расчета системы локального подогрева с учетом качки.
Личный вклад автора. В диссертацию включены результаты, полученные лично автором, в том числе – с использованием консультаций научного руководителя.
Апробация работы. Основные положения работы представлялись и докладывались на: V школе-семинаре молодых ученых и специалистов академика РАН Алемасова В.Е. (Казань, 2006); 6-м Минском международном форуме по тепломассообмену ГНУ «ИТМО им. А.В.Лыкова» НАНБ (Минск, 2008); Международной научной конференции «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности АСТИНТЕХ-2009» (Астрахань, 2009); V Всероссийской научно-технической конференции «АНТЭ-09» (Казань 2009). Результаты проведенной работы представлялись на ежегодных научных конференциях ФГОУ ВПО «АГТУ» (2006 – 2010 гг.), на семинарах кафедры физики и кафедры ФГОУ ВПО «АГТУ».
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в списке литературы, лично соискателю принадлежит: [2] – 30 %, [1], [12] , [13] – 40 %, [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9] , [10] , [11] , [12] – 50 %.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, общей характеристики работы, списка условных обозначений, 4 глав, заключения и списка литературы из 115 наименований, содержит 135 страниц текста, включая 47 иллюстраций и 3 таблиц.
