Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ направлений совершенствования конструкций и мето-дов расчётов судовых котлов-утилизаторов
1.1. Тепловые потоки энергетических установок речных судов
1.2. Анализ и перспективы развития конструкций котлов-утилизаторов
1.3. Расчетные методы исследования параметров судовых котлов утилизаторов
Выводы по первой главе
2. Обоснование конструктивных параметров водотрубного котла-утилизатора и математическое моделирование процессов тепломассообмена в его проточной части
2.1. Конструкция котла-утилизатора и особенности его работы
2.2. Математическое моделирование процессов тепломассопере-носа в котле-утилизаторе Выводы по второй главе 70
3. Разработка основных положений инженерной методики тепло-вого расчёта котла-утилизатора
3.1. Схема тока котла-утилизатора
3.2. Определение тепловой эффективности котла-утилизатора как комплекса противоточно и прямоточно включенных пар пе-рекрёстноточных теплообменников
Выводы по третьей главе 87
4. Расчётно-экспериментальное исследование котла-утилизатора
4.1. Результаты расчётного исследования характеристик котла-утилизатора
4.2. Результаты проектирования и испытаний натурного образца котла-утилизатора 103
Выводы по четвёртой главе 113
Заключение 115
Библиографический список 117
- Расчетные методы исследования параметров судовых котлов утилизаторов
- Математическое моделирование процессов тепломассопере-носа в котле-утилизаторе
- Определение тепловой эффективности котла-утилизатора как комплекса противоточно и прямоточно включенных пар пе-рекрёстноточных теплообменников
- Результаты проектирования и испытаний натурного образца котла-утилизатора
Введение к работе
Актуальность работы. Мероприятия, направленные на экономию топлива, относятся к перспективным с точки зрения повышения рентабельности флота. Значительная экономия топлива при эксплуатации судовых энергетических установок (СЭУ) может быть получена за счёт полезного использования теплоты отработавших газов (ОГ) главных и вспомогательных двигателей. Анализ тепловых балансов СЭУ показывает, что при эффективном использовании теплоты ОГ судовых двигателей может быть ликвидирована необходимость в сжигании топлива в автономных водогрейных или паровых котлах для получения горячей воды для систем отопления и санитарной воды, или пара на технологические нужды.
Несмотря на то, что целесообразность применения котлов-утилизаторов с целью полезного использования теплоты ОГ двигателей не вызывает сомнения, должного широкого использования этого типа энергетических аппаратов не наблюдается.
Анализ параметров эксплуатирующихся судовых котлов-утилизаторов показывает их низкую тепловую эффективность, составляющую 0,35...0,5, что дополнительно снижает эффективность использования топлива.
Причины недостаточного использования котлов-утилизаторов на флоте объясняются рядом объективных отрицательных факторов:
из-за относительно невысокой температуры ОГ дизелей, температурные напоры в котлах-утилизаторах значительно ниже, чем в автономных котлах. В результате котлы-утилизаторы уступают автономным котлам по удельной теплопроизводительности, габаритам и массе;
низкие температуры газов в проточной части котлов-утилизаторов на долевых нагрузках провоцируют образование кислого конденсата, что способствует развитию коррозии на теплообменных поверхностях, появлению дополнительных затрат, связанных с обслуживанием и ремонтом;
использование в котлах-утилизаторах слабоэффективных в тепловом и газодинамическом отношении теплообменных поверхностей и схем течения теплоносителей приводит к увеличению газодинамического сопротивления газовыпускного тракта, что не позволяет в нужной степени развивать теплообменные поверхности и, в некоторых случаях,
ухудшает условия работы деталей цилиндро-поршневой группы дизелей.
Преодолению отрицательного влияния указанных факторов посвящены работы известных учёных и специалистов: П.И. Бажана, В.К. Го-лубева, П.В. Бойко, Д.И. Денисенко, В.И. Енина, И.И. Лощакова, Э.И. Манушина, Д.И. Осипова и др.
Однако, до настоящего момента вопрос создания теоретической базы разработки судовых котлов-утилизаторов полностью соответствующих современным жёстким требованиям остаётся открытым.
Цель работы. Целью диссертационной работы является повышение тепловой и газодинамической эффективности судового водотрубного котла-утилизатора на базе применения новых схемных решений и оптимизации конструктивных параметров.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- разработка эффективной тепловой и гидро-газодинамической схе
мы котла-утилизатора;
- разработка математической модели перспективного котла-
утилизатора, для исследования особенностей течения теплоносителей и
тепло-массообмена в его проточной части;
создание основ инженерной методики обоснования оптимальных параметров котла-утилизатора;
экспериментальная проверка эффективности разработанных конструктивных решений и точности расчётной методики.
Объектом исследования является судовой водотрубный котёл-утилизатор.
Предметом исследования являются тепловые и газодинамические процессы в котле-утилизаторе.
Методы исследования. В работе использовались методы математического анализа на базе систем дифференциальных уравнений теплопередачи и течения вязкой жидкости (газа) в трёхмерной постановке с генерацией моделей в программной среде ANSYS CFX, теоретические методы определения температур теплоносителей в парных комплексах теплообменников. Экспериментальное исследование выполнялось на физически полноразмерной модели котла-утилизатора с использованием специально созданного экспериментального стенда по методикам,
рекомендуемым современными национальными стандартами с применением методов теории планирования эксперимента. Положения выносимые на защиту:
-
Разработка технологических требований, основных схемных и конструктивных параметров перспективного судового котла-утилизатора.
-
Разработка математической модели с распределёнными параметрами и результаты моделирования газо-гидродинамических и тепловых процессов в котле-утилизаторе.
3. Основы методики теплового поверочного расчёта котла-
утилизатора со сложно-перекрёстным типом тока.
4. Обоснование основных геометрических и режимных параметров
котла-утилизатора со сложно-перекрёстным типом тока.
Достоверность полученных результатов обоснована корректным использованием методов анализа при создании математических моделей, экспериментальным подтверждением теоретических положений при определении характеристик опытно-промышленного образца котла-утилизатора, применением при проведении экспериментов апробированных и надёжных методов измерений, использованием при планировании экспериментов и обработке опытных данных методик, одобренных национальными стандартами и отраслевыми нормативными документами.
Научная новизна и личный вклад автора заключается в следующем:
-
Разработана математическая модель котла-утилизатора с распределёнными параметрами и исследовано влияние геометрических и конструктивных параметров на тепловые и газодинамические характеристики.
-
Доказано распределение газового потока в трубном пучке нового перспективного котла-утилизатора.
3. Разработана методика теплового поверочного расчёта котла-
утилизатора со сложно-перекрёстным типом тока теплоносителей.
4. Разработаны критерии оценки влияния геометрических парамет
ров котла-утилизатора на показатели эффективности по обобщённому
параметру совершенства.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
-
Разработаны технические требования и основные конструктивные параметры перспективного судового котла-утилизатора.
-
Создан типоразмерный ряд водотрубных котлов-утилизаторов для применения в составе энергетических установок речных судов.
-
Создан пилотный образец полноразмерного водотрубного котла-утилизатора со сложно-перекрёстным типом тока.
-
Применение новых котлов-утилизаторов позволяет значительно увеличить долю теплоты отработавших газов дизелей для полезного использования в системах отопления, горячего водоснабжения и технологических нужд.
Реализация результатов работы состоит в применении разработанной методики теплового расчёта котла-утилизатора на предприятии ООО «Гидротермаль» при создании проекта промышленных образцов типоразмерного ряда котлов-утилизаторов для совместной работы с судовыми двигателями мощностью 200.. .2500 кВт.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на XI Всероссийской выставке научно-технического творчества молодёжи НТТМ-2011, областном конкурсе нижегородских молодежных инновационных команд РОСТ 2011 «Россия - Ответственность -Стратегия - Технологии», международных промышленно-экономических форумах «Великие реки' 2012» и «Великие реки' 2013», 18-й Нижегородской сессии молодых учёных (2013 г.), ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ВГАВТ (2012-2014 гг.).
Публикации. Список публикаций по материалам диссертации включает 6 печатных работ в т.ч. 2 работы из «Перечня рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций», и один патент на полезную модель.
Объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка использованной литературы, приложения. Основное содержание работы изложено на 127 страницах машинописного текста и включает 50 рисунков и 9 таблиц. Список литературы состоит из 114 наименований.
Расчетные методы исследования параметров судовых котлов утилизаторов
Интересные работы проводились Новосибирским институтом инженеров водного транспорта (ныне НГАВТ) по прямому преобразованию теплоты отрабо-тавших газов дизельных двигателей в электроэнергию. В-третьих, в силу специфики СЭУ речных судов, с целью использования ВЭР, должно быть разработано новое утилизационное оборудование, отличаю-щееся компактностью и возможностью эффективной работы на частичных и пе-ременных режимах.
В работе [85] показано, что на данном этапе технического развития речного флота является экономически целесообразным совершенствование и разработка систем комплексной утилизации вторичной теплоты СЭУ, направленных на вы-работку теплоты используемой для нужд теплоснабжения, горячего водоснабже-ния (подогрева санитарной воды), технологических нужд (подогрев груза, тяже-лого топлива и др.). Предпосылками для развития данного направления является значительный неиспользуемый запас ВЭР; положительный опыт применения на пассажирских и грузовых судах модернизированного утилизационного оборудо-вания, в частности, интенсифицированных теплообменников-утилизаторов, акку-муляторов теплоты, лабораторные исследования модернизированного котла КАУ-4,5 и др. Кроме того, построечная стоимость систем комплексной утилизации те-плоты на порядок ниже, чем систем утилизации с электромеханическим преобра-зованием, например на основе паротурбинных установок. В условиях ограничен-ного финансирования это является важным.
Конечной целью разработки и внедрения систем комплексной утилизации теплоты является полный отказ от сжигания топлива в автономных водогрейных или паровых котлах и обеспечении всех нужд в теплоте на речных судах за счет использования ВЭР. Для крупных судов пр. 92-016, пр. 301, пр. 302 экономия рас-хода котельного топлива может составить 80…160 тонн за навигацию.
В соответствии с концепцией работы [85], в состав системы комплексной утилизации теплоты СЭУ речного судна должны входить теплогенерирующие устройства: котел-утилизатор (паровой либо водогрейный) и теплообменники-утилизаторы, отбирающие теплоту систем охлаждения и смазывания ГД и ДГ, а также теплоту из систем наддува. Важным элементом системы комплексной ути-лизации речных судов должен быть аккумулятор теплоты. Этот аппарат необхо-дим для согласования графиков производства и потребления теплоты на судне пу-тем накопления теплоты при её избыточном производстве СЭУ и выдаче потре-бителям при недостатке ВЭР, например, при стоянке.
Теплопроизводящим оборудованием в схеме на рисунке 1.1 является подог-реватель-утилизатор 4 контура охлаждения ДГ и котел-утилизатор 2 теплоты от-работавших газов ДГ. Оба источника передают теплоту в теплоаккумулятор 3, ко-торый накапливает теплоту в режиме избытка ВЭР и отдает её в систему санитар-ной воды в период недостатка ВЭР. Следует отметить простоту и функциональ-ность данной схемы. В частности, штатная система охлаждения подвергается ми-нимальной модернизации: в контур охлаждения ДГ встраивается только подогре-ватель-утилизатор 4. Всё регулирование температуры контура охлаждения обес-печивается штатным терморегулятором. Трубная система утилизационного кон-тура охлаждения, находящаяся в аккумуляторе теплоты, может выполнять как функции зарядки, так и разрядки теплового аккумулятора 3.
Эффективность работы данной схемы определяется, в первую очередь, теп-ловой эффективностью утилизационных устройств 4 и 2. Заметим, что предпри-ятиями системы речного флота высокоэффективные утилизаторы до сих пор се-рийно не выпускаются.
В качестве теплообменников-утилизаторов используются охладители дизе-лей. Тепловая эффективность этих аппаратов составляет всего 0,17….0,22, что не-достаточно. Отечественные котлы-утилизаторы также отличаются низким КПД, например, тепловая эффективность водогрейных котлов-утилизаторов серии КАУ кау=0,18…0,28 [85].
С целью увеличения эффективности работы системы комплексной утилиза-ции теплоты в схему может быть включен подогреватель-утилизатор. Так в рабо-те [85] приведена схема экспериментальной установки с подогревателем-утилизатором, котлом-утилизатором и аккумулятором теплоты (рисунок 1.2).
Данная схема обеспечивает эффективный отбор и использование вторичной теплоты дизель-генераторной установки. При этом на нужды теплоснабжения или подогрева санитарной воды, может быть использовано до 90% вторичной теплоты ДГ. Аккумулятор теплоты позволяет согласовать между собой графики производ-ства и потребления тепловых потоков.
Схема может быть применена не только в составе дизель-генераторной ус-тановки, но и в комплексе с главными двигателями.
В теплофикационных системах утилизации могут применятся не только во-догрейные котлы, но и паровые. Так на теплоходах пр. 301 и пр. 302 установлены паровые утилизационные котлы серии AKS1,0-16. Эти котлы используют теплоту отработавших газов дизель-генераторов с двигателями 6NVD26/20 для производ-ства пароводяной смеси, которая насосами подается в пароводяной барабан авто-номного парового котла (рисунок 1.3).
Математическое моделирование процессов тепломассопере-носа в котле-утилизаторе
Для указанных трех схем аналитические решения получены. Однако на практике действительное течение может быть частично перемешанным, что опре-деляется геометрией проточной части ТА и режимом течения. Авторы [64] указы-вают, что для этих случаев готовых аналитических решений не существует.
Кроме того отмечается ещё одно условие применимости понятия среднего температурного напора: равномерность распределения потока теплоносителя по сечению ТА.
В пределах выполнения указанных ограничений в [64] даны графические зависимости в форме диаграмм F-P и -P-S для выполнения тепловых расчётов перекрёстноточных ТА. На рисунке 1.18 в качестве примера приведены -P и -P-S диаграммы не перемешанного перекрёстного тока. Всего в [64] рассмотрено 9 типов неперекрестного тока (рисунок 1.19) [64] Тепловые расчеты с использованием -P и -P-S диаграмм перекрёстного тока выполняются в том же порядке как и для выше приведённых схем парал-лельного тока.
На базе предложения о постоянстве коэффициента теплопередачи и удель-ных теплоёмкостей теплоносителей существуют методы, обладающие большой степенью универсальности. Так в литературе [73] приводится метод ступенчатого расчёта ТА, пригодный для анализа аппаратов с любыми типами тока.
Технология методики ступенчатого расчета аналогична технологиям чис-ленных методов расчета ТА, но с той разницей, что она оперирует не бесконечно малыми интервалами, а элементами конечной величины. Последовательность рас-смотрения термического состояния элементов иллюстрируется схемой на рисун-ке 1.20 [73].
Все элементы системы сводятся к трём известным схемам тока: противоток, прямоток и перекрёстный ток. По отношению к ним получены базовые зависимо-сти связи параметров: эффективность теплообмена общего поперечного тока че-рез эффективность отдельной ступени для m ступеней.
Следует отметить, что все перечисленные методы расчета можно считать достоверными в той мере, в которой выполняются изложенные в их основу допу-щения. Для котлов-утилизаторов, где греющим теплоносителем являются отрабо-тавшие газы дизелей, в наименьшей мере выполняются условия равномерности течения газа по фронту теплообменной части, постоянство скорости газового теп-лоносителя по ходу движения в трубном пучке и возможность линейного осред-нения теплофизических свойств газа.
Попытка учёта переменного характера некоторых факторов выполнена в работе [57]. Дискретно – континуальная модель теплообмена в трубном пучке котла-утилизатора базируется на уравнениях:
Следует отметить, что описанная в [57] дискретно-континуальная модель эффективная при достаточно большом количестве рядов трубок (n =15).
Однако, заложенная в исходных уравнениях возможность учета локальных значений теплопроводности и удельной теплоемкости не была осуществлена при выводе уравнений (1.28) (1.29). Ряд упрощающих допущений включает: равенство локальных и средних значений коэффициентов теплоотдачи, постоянства массо-вой скорости в трубах и межтрубном пространстве, отсутствие смешивания пото-ков газа в межтрубном пространстве, отсутствие теплопроводимости труб по оси Х и газа в направлении движения. Все это ограничивает возможности использо-вания предложенного метода для уточненного анализа теплообменных процессов в котлах-утилизаторах.
В книге [74] отмечается, что во многих случаях с достаточной для практики точностью можно считать, что коэффициент теплопередачи линейно зависит от температуры одного из потоков, полная теплоемкость которого является наи-меньшей. Для случая перекрёстного тока в такой постановке задача теплопереда-чи в ТА была решена Колборном [74].
Современные мощные ЭВМ инициировали использование численных мето-дов расчёта теплообменников. При этом появилась возможность учёта влияния нелинейности параметров теплоносителей по мере продвижения по теплообмен-ной поверхности, неравномерности распределения расходов или температур по фронту и другое. Для целей данной работы наибольший интерес представляет схема перекрёстного тока.
В данной задаче объём теплообменника условно разбивается на элементар-ные площадки (рисунок 1.21), для которых можно записать в дифференциальной форме уравнений теплопередачи и баланса в двумерной постановке [71]:
После перехода к конечным разностям строится расчётная сетка, каждый элемент которой представляет собой микротеплообменник. В пределах каждого микротеплообменника изменение параметров считается линейным. Задаются гра-ничные условия массивами температур, расходов теплоносителей и в случае не-обходимости, других параметров. Поскольку в начале первой итерации выходные температуры задаются для определения теплофизических характеристик, для ка-ждого ряда необходимы 2 или 3 итерации.
Полученные выходные данные температур используются как выходные для следующего ряда.
Такой подход достаточно подробно изложен в [67]. Точность таких расчё-тов тем выше, чем больше разбиений выполнено по теплообменной матрице. На практике [67] рекомендуется по каждой координате иметь не менее 20…40 раз-биений.
Численные методы нашли широкое применение в исследовательских расчё-тах специализированных организаций. Однако из-за большой трудоёмкости под-готовительных работ и последующей обработки результатов в инженерной прак-тике используются не часто.
Кроме того, в данной постановке остаётся открытым вопрос получения ло-кальных значений коэффициента теплопередачи. Решение может быть получено путём дополнения системы уравнений (1.30) уравнениями динамики жидкости и энергии.
По результатам анализа рассмотренных методов расчёта параметров ТА можно сделать следующие выводы: - в инженерной практике активно применяются методики на базе осреднён-ных параметров (определяющей температуры, среднеинтегрального температур-ного напора, осреднённого коэффициента теплопередачи и др.). Они позволяют использовать для определения тепловой эффективности, площади теплообменной поверхности простые алгебраические зависимости, полученные интегрированием систем уравнений теплопередачи и теплового баланса для расчётных, но опреде-лённых схем тока теплоносителей; - точность результатов расчётов по методикам с осреднёнными параметра-ми определяется соответствием использованных допущений реальным физиче-ским процессам. Для простых и распространённых схем тока имеются достаточно эффективные рекомендации и поправки, учитывающие реальные особенности процессов. Для нестандартных решений такие поправки и рекомендации должны быть разработаны для каждого конкретного случая; - численные методы расчётов ТА с распределёнными параметрами позво-ляют значительно уточнить условия теплообмена и течения теплоносителей. Од-нако, ввиду высокой трудоёмкости они пока применяются в исследовательских и аналитических целях; - с учётом развития возможностей вычислительных средств и программного обеспечения, перспективными являются методы расчёта тепломассообмена в трубной системе ТА на базе использования систем уравнений энергии для вязкой жидкости. С точки зрения классификации расчётов ТА такой расчёт будет отно-ситься к поверочному.
Определение тепловой эффективности котла-утилизатора как комплекса противоточно и прямоточно включенных пар пе-рекрёстноточных теплообменников
Разработанная математическая модель котла-утилизатора с распределенными параметрами позволяет решать задачи анализа в разделах теплопередачи и гидрогазодинамики.
Однако, ввиду чрезвычайно высокой трудоёмкости подготовительных ра-бот, продолжительности вычислительных процедур и необходимости использова-ния высокопроизводительной вычислительной техники, применять полученную математическую модель в проектной практике весьма затруднительно. В связи с этим, с учетом полученных данных о структуре и параметрах потоков теплоноси-телей, целесообразно разработать основы инженерной методики расчёта судового котла-утилизатора предложенной конструкции с использованием известных базо-вых понятий и соотношений, применяемых для моделей теплообменников с со-средоточенными параметрами. Рассматриваемая конструкция котла-утилизатора предполагает во всех схе-мах использование осесимметричного поперечного реверсивного тока по газовой стороне (рисунок 3.1)
С целью увеличения скорости движения нагреваемой жидкости по трубам целесообразно по окружности кольцевой системы теплообменных труб организо-вать несколько ходов. Предварительный анализ показывает, что для обеспечения эффективной скорости 0,3…1,0 м/с внутри труб, число ходов должно составлять 4…12. Разбиение фронта трубной доски на участки однонаправленного тока мо-жет выглядеть согласно рисунку 3.2
С точки зрения удобства размещения патрубков подвода-отвода нагревае-мой жидкости на корпусе котла число ходов целесообразно применять четным: 4; 6; 8; 10; 12. Для дальнейшего анализа систему тока котла представим в форме развёрт-ки. Для четырёхходовой схемы (рисунок 3.3). Аналогично можно представить развёртки для вариантов с другим количе-ством ходов по нагреваемой жидкости. Готовых интегральных зависимостей для расчета суммарной тепловой эф-фективности или среднего температурного напора для данной схемы в рассмот-ренной литературе не найдено. Однако, в соответствии с известными подходами [66, 73], полученные варианты схем тока можно разбить на систему элементарных перекрёстноточных теплообменников соединённых в комплекс (рисунок 3.4).
С целью упрощения дальнейших выкладок целесообразно рассмотреть ком-плекс как группу из четырёх пар перекрёстноточных теплообменников, включён-ных с общим противотоком (1-2; 5-6) и с общим прямотоком (3-4; 7-8).
В конструкторской практике для определения параметров теплообменника на конечных стадиях проектирования чаще применяется методика поверочного расчёта, т.е. для известной геометрии проточной части при известных основных параметрах теплоносителей, известной схеме тока рассчитывают выходные тем-пературы теплоносителей.
Рассмотрим одно из возможных решений данной задачи в приложении к ис-ходной схеме на рисунке 3.4. Поскольку входные температуры по газу у каждой пары одинаковы, а сами пары включены по нагреваемой жидкости последовательно, нет необходимости решать систему уравнений для всех элементарных теплообменников комплекса.
Достаточно найти удобные представления для противоточной и прямоточ-ной схемы включения пар, поскольку они в общей схеме повторяются. Любые дальнейшие изменения в сторону увеличения числа ходов потребуют лишь при-ложения полученных соотношений к каждой паре последующей по течению жид-кости.
Рассмотрим пару условных перекрёстноточных теплообменников, вклю-чённых с общим противотоком (рисунок 3.5). На схеме (рисунок 3.5) теплообменники пронумерованы цифрами 1 и 2. Температуры t1, t2 относятся соответственно к первому и второму теплообменни-ку. Первый подстрочный индекс 1относится к газу, 2 - к воде. Второй под-строчный индекс 1 относится к входу, 2 – к выходу.
Примем, что в числе исходных данных известны входные температуры теп-лоносителей t211 и t121, массовые расходы теплоносителей mг,mв, средние значе-ния теплоносителей сг , св, теплофизические свойства теплоносителей г, в,г, в, Pг,Pв, все линейные размеры трубных пучков, включая число рядов, шаги и раз-меры труб, физические характеристики материала труб и других элементов. В ре-зультате предварительного расчета найдены в первом приближении значения теп-ловой эффективности теплообменников 1 и 2. Определены отношения пол-ных теплоемкостей теплоносителей.
Поскольку отсутствуют потери теплоносителей на пути между теплообмен-никами 1 и 2 отношение полных теплоёмкостей для обоих:
При этом автор [66] рекомендует на первом этапе принимать величины раз-биения равными. В задачах данной работы, для условий котла утилизатора, соот-ношение полных теплоемкостей нагреваемого и греющего теплоносителя весьма велики и составленной N= 10…20. По предварительным расчётам в котлах рас-сматриваемого типа тепловая эффективность каждого элементарного теплооб-менника как в противоточной, так и в прямоточной паре в данном случае значи-тельна и составляет = 0,65…0,75. Для этих условий, действительно, тепловые потоки каждой пары (рисунок 3.4) с погрешностью не более 5% можно считать одинаковыми. Например, при разбиении поверхности котла по количеству ходов воды на 4 В тоже время существует возможность уточнения результатов и уменьше-ния количества итераций дальнейшим делением теплового потока каждой пары на две неравные части для каждого элементарного теплообменника . Для ука-занных параметров N= 10…20; = 0,65…0,75 по результатам расчетов может быть принято = 0,75 ; = 0,25 , где 1 и 2 индексы очередности элементарных теплообменников по ходу течения газа.
Может быть рассчитан в первом приближении по методикам [66]. В пределах каждого элементарного теплообменника определяющие темпе-ратуры далее вычисляются как среднее арифметическое по входу и выходу в со-ответствии с известными подходами [66] В Блоке № 8 определяются режимы течения теплоносителей. На первом этапе расчета вычисляются теплофизические характеристики те-плоносителей.
Результаты проектирования и испытаний натурного образца котла-утилизатора
На базе алгоритма, разработанного в разделе 3 данной работы, создана про-грамма поверочного теплового и газодинамического расчётов котла-утилизатора рассматриваемой схемы. Газодинамический расчёт построен на принципах и ме-тодике, изложенной в литературе [66], и поэтому в данной работе не приводится.
Программа использована для исследования влияния основных конструктив-ных параметров котла-утилизатора на его тепловую эффективность, газодинами-ческое сопротивление и некоторые габаритные характеристики.
Для исследования выбраны параметры, характерные для работы котла в со-ставе судового дизеля механической мощностью 736…1000 кВт. Данная мощ-ность наиболее востребована в главных установках речных судов, в том числе пр.301, пр.302, пр.92-016, пр.507, 507б, пр.428, пр.578, и др. И в настоящее время она обеспечивается, например, дизелями 6ЧРН36/45.
Расчёты выполнены для номинального режима нагрузки 883 кВт. В число переменных параметров, наиболее сильно влияющих на эксплуатационные харак-теристики котла-утилизатора, включены длина теплообменных труб (Lтр), число рядов теплообменных труб (nр), диаметр начальной окружности трубного пуч-ка(Dнач), связанный с диаметром входного патрубка (Dв).
В соответствии с рекомендациями [64,65,66] выбраны теплообменные тру-бы с наружным диаметром Dтрн= 20мм и фронтальным шагом S1 = 1,35. При за-данных S1 шагах и диаметре труб Dтр указанные параметры в значительной сте-пени определяют тепловую эффективность, сопротивление и габариты котла.
В расчетном исследовании эти параметры приняты в качестве функций от-клика при варьируемых параметрах Lтр, nр, Dв. Выполнение расчётов с перебором всех варьируемых параметров на всех уровнях соответствует расчётному полному факторному эксперименту с числом опытов – 80.
Постоянными параметрами считаем начальную температуру газов на входе в котёл-утилизатор, теплофизические характеристики газов и воды на входе в ко-тёл, массовый расход газов через котёл, диаметры теплообменных труб, шаги трубной системы (таблица 4.1).
В таблице 4.2 приведены значения варьирующихся параметров и соответст-вующие искомые величины тепловой эффективности котла к и газодинамическо-го сопротивления проточной части котла Рк от входного до выходного патруб-ков.
Полученные результаты представлены в графической форме как к = f1(nр, Lт) и Рк = f2(nр, Lт) для пяти уровней варьирования Dв на рисунках 4.1- 4.5:
Параметры тепловой эффективности к и газодинамического сопротивления , являясь показателями конструктивного совершенствования котла-утилизатора, изменяются в противоположных направлениях в зависимости от конструктивных параметров и Lт. В связи с этим, для поиска наилучшего вари-анта конструктивных соотношений котла-утилизатора целесообразно построить обобщённый параметр, учитывающий основные требования, предъявленные к су-довому котлу-утилизатору:
В числе главных требований в соответствии с результатами исследования раздела 1 данной работы: - высокая тепловая эффективность для наиболее полного использования эн-тальпий отработавших газов; ; - низкое газодинамическое сопротивление для обеспечения свободного вы-хлопа, снижение потерь энергии газов, улучшение температурных условий работы клапанов, компрессионных колец, лопаток турбины агрегата надду-ва; ; - минимальная площадь теплообменный поверхности для снижения массы теплообменных элементов; - минимальный объём занимаемый котлом-утилизатором для обеспечения удобства размещения и эксплуатации, . Воспользуемся подходом, описанный в [4]. Представим обобщенный параметр совершенства котла-утилизатора как , (4.1) где – безразмерные индексы желательности Харрингтона для тепловой эффективности, сопротивления, площади и объёма соответственно. Индексы же-лательности могут быть определены согласно [1] по функции желательности вида где yi - кодированные значения параметра (в данном случае , , A,V)
Для дальнейшего обратится к результатам таблицы 4.2 (данного раздела). Учтём ограничения, связанные с возможностью длительной безаварийной экс-плуатации котлов-утилизаторов.
По требованием эксплуатационной документации на судовые дизельные двигатели у большинства из них допустимое противодавление на газовыпуске со-ставляет 2,0…2,4 кПа. При этом примерно половина этой величины падает на ко-тёл-утилизатор, а остальное на газовыпускной трубопровод. Таким образом, при-мем допустимое наибольшее газодинамическое сопротивление котла-утилизатора 1,2 кПа: Наименьшим желательным сопротивлением можно считать результаты работы [85] – 0,72 кПа.
Требование наибольшей тепловой эффективности котла-утилизатора дол-жет быть ограничено условием отсутствия конденсата на трубах котла. Для мало-сернистых судовых топлив температура газа на выходе из котла не должна быть ниже 105 С. [80] Для этого тепловая эффективность не должна превышать 0,9…0,91. В тоже время тепловая эффективность должна быть достаточно высо-кой для эффективности работы судовой системы утилизации. Примем в качестве минимально необходимого значения hк = 0,78;
Всем отмеченным условиям из 80 расчетных вариантов удовлетворяют 13. Примем условные обозначения расчётных вариантов котлов в форме A x B x C, где А диаметр входного патрубка в мм, B-число рядов труб, C- длина труб, м; То-гда, например, котёл – утилизатор с входным патрубком 300 мм, числом рядов труб 8, длинной труб 1,75 будет обозначен как 300 х 8 х 1,75.
В соответствии с [4] выполним кодировку табличных значений k, , , и приведем их к безразмерной форме для их общей шкалы желательности в пре-делах: минимально желательное значение -0,5, максимально желательное значе-ние +3,0. Уравнения связи параметров при кодировке определённые для принятых пределов:
На основе данных таблицы 4.1 по формулам (4.1- 4.8) вычислены величины yi, di, Di. Результаты расчетов сведены в таблицу 4.3.
В соответствии с данными таблицы 4.3 наилучшим обобщенным парамет-ром совершенства обладает вариант котла с условным обозначением 450х8х1,25.
Данный результат носит в определённой степени частный характер, так как расчеты выполнялись для котла, который устанавливается на двигатель с расхо-дом-отработавших газов 1,8 кг/с. Для того, чтобы распространить результат на случай других массовых расходов необходимо определить наиболее важные фи-зические параметры, от которых в наибольшей степени зависят составляющие обобщенного параметра совершенства.