Введение к работе
Актуальность проблемы. Системы, транспортирующие тепловую энергию, используются очень широко и, в зависимости от ситуации, имеют различные названия: система обогрева (подогрева, теплоснабжения), система охлаждения (расхолаживания), первый контур и так далее. После освоения электрической и ядерной энергии стало ясно, что наиболее эффективные пути преобразования этих видов энергии, чаще всего, связаны с тепловой энергией. Энергетические потребности человечества непрерывно растут, растут и потоки транспортируемой тепловой энергии. А вместе с ними нарастают проблемы.
В большинстве таких систем циркуляция теплоносителя осуществляется электронасосами. При этом на привод электронасосов, с учетом их недостаточного энергетического совершенства, определяемого низкими значениями КПД, особенно на долевых режимах, затрачивается достаточно ощутимая доля полезной электрической энергии.
Для ядерной энергетики и стационарного теплоснабжения использование электронасосов при транспорте тепловой энергии - это еще и принципиальная невозможность решить свои проблемы.
Специалисты сформулировали единую научно-обоснованную концепцию конструктивной безопасности ядерных реакторов, суть которой заключается в размещении всего оборудования первого контура в одном прочном корпусе. Краеугольным камнем этой концепции являются ядерные моноблочные паропроизводящие агрегаты (ППА). Однако использование циркуляционных насосов первого контура (ЦНПК) с электроприводом, которые не могут быть размещены внутри прочного корпуса ППА, принципиально не позволяет решить эту проблему.
Теплоснабжение в России является одним из важнейших направлений энергетики. Но принятые еще в Советском Союзе технические решения породили серьезные проблемы в этой отрасли. В настоящее время к этим «врожденным» проблемам добавилась еще одна – износ оборудования. Причем у страны нет ресурсов для переоснащения этой отрасли в разумные сроки.
Поэтому поиск эффективных технологий для транспортирования тепловой энергии, которые позволили бы реализовать концепцию конструктивной безопасности ядерных реакторов и кардинально улучшить ситуацию в отрасли теплоснабжения страны, является одной из наиболее актуальных проблем.
Выполненный анализ свидетельствует о том, что основой эффективных технологий могут служить так называемые струйные технологии - технологии, использующие передачу путем непосредственного контакта кинетической энергии одного потока другому потоку.
Цель работы. Разработка теории, принципов и методов реализации струйной технологии применительно к плавучим и стационарным системам теплоэлектроснабжения.
Основными задачами исследования явились:
- разработка универсальных математических моделей струйных аппаратов, методов расчета и программ для расчета характеристик, в том числе эксплуатационных, четырех типов струйных аппаратов: ПВСА для создания циркуляции теплоносителя в первом контуре, ПВСА для создания циркуляции теплоносителя в сетевом контуре системы теплоснабжения, водо-водяного инжектора для двухступенчатого первого контура с пароводяными струйными аппаратами (ПВСА), водо-водяного инжектора для системы теплоснабжения (элеватора);
- разработка математических моделей и программ стационарных и нестационарных процессов в различных системах с ПВСА, в том числе в схемах с водо-водяными инжекторами (элеваторами); оценка достоверности и адекватности разработанных математических моделей;
- конструктивная проработка методами твердотельного проектирования судового ядерного моноблочного ППА типа «Бета»;
- расчетно-теоретические исследования статических и динамических характеристик ядерных моноблочных ППА типа «Бета»;
- расчетно-теоретические исследования условий и закономерностей самостоятельного запуска и остановки ПВСА в ядерных моноблочных ППА типа «Бета» и обоснование схем параллельной работы ПВСА;
- разработка методики и оценка эффективности и работоспособности стенда системы теплоснабжения котельной СПбГМТУ;
- получение на базе экспериментальных данных котельной СПбГМТУ регрессионных зависимостей для интегральных коэффициентов передачи мощности;
- расчетно-теоретические исследования статических и динамических характеристик на примере стенда системы теплоснабжения с ПВСА котельной СПбГМТУ;
- оптимизация параметров ПВСА и систем с ПВСА, создание методологии формирования систем с ПВСА;
- изготовление опытных образцов ПВСА и проведение их экспериментальных исследований с целью оценки предельных напоров при термодинамических параметрах теплоносителя, характерных для систем, транспортирующих тепловую энергию;
- проведение полномасштабных гидравлических и теплотехнических испытаний ППА типа «Бета» на экспериментальном стенде «Бета-К» и системы теплоснабжения с ПВСА на стенде котельной СПбГМТУ.
Объект исследования. Системы, транспортирующие тепловую энергию, и их элементы.
Предмет исследования. Теория струйных технологий в системах, транспортирующих тепловую энергию.
Методы исследования. При решении поставленных в диссертационной работе задач использовались методы исследования сложных систем: методы анализа, системный подход, методы математического моделирования, а также законы термодинамики, теплотехники, гидродинамики и другие.
Математические модели корректировались на основе экспериментальных исследований. Экспериментальные исследования выполнялись с использованием современной автоматизированной системы сбора, обработки и отображения информации. Расчетно-аналитические исследования сопровождались опытно-конструкторской проработкой наиболее ответственных элементов систем.
Научная новизна. Новизна научных результатов, полученных соискателем, состоит в том, что:
- разработаны универсальные математические модели, методы расчета и программы для расчета характеристик, в том числе эксплуатационных, четырех наиболее предпочтительных типов струйных аппаратов: ПВСА для создания циркуляции теплоносителя в первом контуре, ПВСА для создания циркуляции теплоносителя в сетевом контуре системы теплоснабжения, водо-водяного инжектора для двухступенчатого первого контура с пароводяными струйными аппаратами (ПВСА), водо-водяного инжектора для системы теплоснабжения (элеватора);
- разработаны математические модели и программы стационарных и нестационарных процессов в различных системах с ПВСА, в том числе в схемах с водо-водяными инжекторами (элеваторами); дана оценка достоверности и адекватности разработанных математических моделей;
- методами твердотельного проектирования выполнена конструктивная проработка судового ядерного моноблочного ППА типа «Бета»; особое внимание было уделено разработке трактов циркуляции теплоносителей первого и второго контуров;
- выполнены расчетно-теоретические исследования статических и динамических характеристик ядерных моноблочных ППА типа «Бета»;
- исследованы условия и закономерности самостоятельного запуска и остановки ПВСА в ядерных моноблочных ППА типа «Бета» и обоснованы схемы параллельной работы ПВСА; исследованы переходные режимы запуска и срыва ПВСА в ППА «Бета»;
- разработана методика и выполнена оценка эффективности и работоспособности стенда системы теплоснабжения котельной СПбГМТУ с учетом наиболее показательного отопительного сезона 2002-2003 годов;
- на базе экспериментальных данных котельной СПбГМТУ созданы регрессионные зависимости для интегральных коэффициентов передачи мощности;
- выполнены расчетно-теоретического исследования статических и динамических характеристик на примере стенда системы теплоснабжения с ПВСА котельной СПбГМТУ;
- выполнена оптимизация параметров ПВСА и систем с ПВСА, создана методологии формирования систем с ПВСА.
- изготовлены опытные образцы ПВСА и проведено их экспериментальное исследование с целью оценки предельных напоров при термодинамических параметрах теплоносителя, характерных для систем, транспортирующих тепловую энергию;
- проведены полномасштабные гидравлические и теплотехнические испытания ППА типа «Бета» на экспериментальном стенде «Бета-К» и системы теплоснабжения с ПВСА на стенде котельной СПбГМТУ.
Практическая ценность. Созданы оптимальные конструкции струйных аппаратов; предложены и научно обоснованы наиболее предпочтительные плавучие и стационарные системы теплоснабжения; разработаны и апробированы математические модели, методики, алгоритмы и программы расчета струйных аппаратов и систем, транспортирующих тепловую энергию, с этими аппаратами.
Изготовлены опытные образцы ПВСА и проведено их экспериментальное исследование с целью оценки предельных напоров при термодинамических параметрах теплоносителя, характерных для систем, транспортирующих тепловую энергию.
Проведены полномасштабные гидравлические и теплотехнические испытания ППА типа «Бета» на экспериментальном стенде «Бета-К» и системы теплоснабжения с ПВСА на стенде котельной СПбГМТУ.
Реализация результатов работы.
Результаты исследований использованы при выполнении двух заключенных с Министерством образования и науки Российской Федерации
государственных контрактов на выполнение поисковых научно-исследовательских работ в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы:
- «Разработка научно-технологической базы для создания ядерного моноблочного паропроизводящего агрегата для плавучих АЭС с высоким уровнем безопасности и энергосбережения за счет использования струйных технологий», ГК № П965 от 20.09.2009,
- «Разработка научно-технологической базы для создания энергосберегающей безбойлерной системы теплоснабжения со струйными средствами циркуляции не требующими затрат электроэнергии на циркуляцию теплоносителя», ГК № 14.740.11.0106 от 08.09.2010.
Результаты исследований использованы при выполнении двух контрактов на выполнение научно-исследовательских работ, проводимых в рамках предоставления грантов Санкт-Петербурга в сфере научной и научно-технической деятельности:
- «Разработка и оптимизация характеристик энергосберегающих систем теплоснабжения со струйными средствами циркуляции, не требующих затрат электроэнергии на циркуляцию теплоносителя теплоносителя», контракт 47/05 от 23.05.2005.
- «Разработка и оптимизация характеристик энергосберегающих безбойлерных систем теплоснабжения со струйными средствами циркуляции, не требующих затрат электроэнергии на циркуляцию теплоносителя», контракт 34/06 от 16.05.2006.
Методы расчета использованы при создании энергосберегающей системы теплоснабжения с пароводяными струйными средствами циркуляции на Приморской учебно-научной базе СПбГМТУ.
Полученные научные и практические результаты используются в учебном процессе при подготовке специалистов в СПбГМТУ по специальностям 180103 «Судовые энергетические установки» и 180104 «Судовое оборудование» в рамках дисциплины «Проектирование судового главного оборудования».
На защиту выносятся:
- универсальные математические модели и методы расчета характеристик, в том числе эксплуатационных, четырех наиболее предпочтительных типов струйных аппаратов: ПВСА для создания циркуляции теплоносителя в первом контуре, ПВСА для создания циркуляции теплоносителя в сетевом контуре системы теплоснабжения, водо-водяного инжектора для двухступенчатого первого контура с пароводяными струйными аппаратами (ПВСА), водо-водяного инжектора для системы теплоснабжения (элеватора);
- математические модели и программное обеспечение для расчетно-теоретических исследований стационарных и нестационарных процессов в различных системах с ПВСА, в том числе в схемах с водо-водяными инжекторами (элеваторами);
- схемы параллельной работы ПВСА;
- методика оценки эффективности и работоспособности стенда системы теплоснабжения котельной СПбГМТУ с учетом наиболее показательного отопительного сезона 2002-2003 годов;
- регрессионные зависимости для интегральных коэффициентов передачи мощности, определенные на базе экспериментальных данных котельной СПбГМТУ;
- методология формирования систем с ПВСА.
- результаты полномасштабных гидравлических и теплотехнических испытаний ППА типа «Бета» на экспериментальном стенде «Бета-К» и системы теплоснабжения с ПВСА на стенде котельной СПбГМТУ.
Апробация работы. Основное содержание диссертации докладывалось на:
- на региональных научно-технических конференциях с международным участием «Кораблестроительное образование и наука» в 2003 и 2005 годах,
- научно-техническом совете СПбГМТУ в 2003-2011 годах,
- на научно-технических совещаниях научно-образовательного центра «Перспективные энергоустановки морской техники» СПбГМТУ в 2005-2011 годах,
- на научных семинарах и заседаниях кафедры Энергетики СПбГМТУ в 1980-2011 годах,
- на Всероссийской межотраслевой научно-технической конференции СПбГМТУ в 2012 году,
- на международных конференциях в ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова по проблемам транспортной энергетики в 1999, 2003, 2007 и 2010 годах,
- на заседаниях секции энергетики в Доме учёных имени М. Горького в 2009, 2010 и 2011 годах.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 35 работ, из них 4 статьи опубликованы в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК для докторских диссертаций, в соавторстве с долей автора от 20 % до 80 %.
Всего опубликовано 7 статей в научных журналах, 7 патентов на изобретения и полезные модели, 3 программы для ЭВМ и 18 научно-технических отчетов. Семь работ выполнено в личном авторстве, доля автора в остальных работах составляет от 15 % до 80 %.
Личный вклад. В диссертации излагаются результаты, вклад в которые автора был определяющим на всех этапах, включая постановку задачи, проведение теоретических исследований и непосредственное участие в экспериментах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, списка использованной литературы из 117 наименований и приложений. Основная часть работы изложена на 219 страницах текста, включающего 240 рисунков и 38 таблиц.
