Введение к работе
Актуальность темы. Экономия энергетических ресурсов относится к главнейшим задачам, стоящим перед народным хозяйством. Одним из путей решения данной задачи на морском транспортном флоте является применение высокоэкопомичных двигателей и использование их вторичных энергоресурсов для обеспечения судовых потребителей тепловой и электрической энергией.
В настоящее время основными двигателями судов мирового транспортного флота являются длинно- и сверхдлишюходовыс малооборотные дизели (МОД) ведущих дизелестроительных фирм и их лицензиатов. Это обусловлено высокими КПД таких двигателей, а также широкими диапазонами мощностей и частот вращения, способными удовлетворить требования большинства заказчиков и судовладельцев.
Однако использование таких МОД вызывает проблему обеспечения потребностей ходового режима транспортного судна в тепловой и электрической энергии за счет вторичных энергоресурсов без дополнительных затрат топлива. Для таких двигателей, по сравнению с МОД предыдущих поколений, характерно не только повышение общей экономичности, но и перераспределение статей энергетического баланса (понижение потерь теплоты с отработавшими газами, повышение потерь теплоты с охлаждением наддувочного воздуха и т.д.). Поэтому традиционные системы утилизации для большинства судов оказываются неэффективными и нецелесообразными в сочетании с современными МОД. В качестве альтернативы традиционным системам зарубежные фирмы применяют на судах комплексные, валогенераторные, турбокомпаундные и комбинированные системы.
В опубликованных работах достаточно подробно исследована тепловая и технико-экономическая эффективность названых систем утилизации ісплогьі МОД для расчетного (проектировочного) режима. Вместе с тем, эффективность энергосбережения на судне во многом определяется как типом систем утилизации, так и реальными эксплуатационными режимами главного двигателя (ГД).
Морские транспортные суда с целью экономии топлива часто эксплуатируются на экономических ходах с соответственно низкими коэффициентами использования мощности главного двигателя. По данным ЦНИИ МФ эти коэффициенты для танкеров и сухогрузов составляют 57-82%. Поэтому реальные эксплуатационные режимы судовых дизелей являются долевыми (частичными).
Снижение эксплуатационной мощности ГД приводит к уменьшению его экономичности и теплового потенциала вторичных энергоресурсов. Это положение требует комплексного исследования статических характе-
4 рнстик, которые до снх пор не были исследованы с точки зрения рационального перераспределения энергетических потоков, направленного прежде всего на повышение эффективности МОД и соответственно его энергосберегающих систем. Поэтому задача поддержания работоспособности и эффективности систем утилизации теплоты на долевых режимах работы судовых МОД является актуальной. Широкое применение современных МОД на транспортных судах, а также постоянный рост цен на нефть и нефтепродукты делают эту проблему еще более важной.
Цель работы. Повышение эффективности судовых МОД на долевых режимах работы на основе использования их вторичных энергоресурсов.
Разработка математических моделей и программ для получения статических характеристик различных систем утилизации теплоты МОД, используемых при проектировании таких систем и прогнозировании их характеристик на эксплуатационных режимах.
На защиту выносятся:
комплексные математические модели, алгоритмы и программы по проведению поверочных расчетов различных систем утилизации теплоты судовых двигателей внутреннего сгорания различного класса и назначения;
статические характеристики блоков утилизационного котла, воздухоохладителя, контура пресной воды и энергосберегающих систем в целом применительно к МОД'типового транспортного судна;
результаты сравнения эффективности и работоспособности традиционных турбогенераторных, комплексных, валогеиердторных, дизельге-нераторных и комбинированных систем утилизации в широком диапазоне долевых нагрузок судового МОД;
рекомендации для проектных организаций дизельной продукции, оборудованной энергосберегающими системами, с целью повышения ее эффективности и надежности в реальных условиях эксплуатации.
Достоверность и обоснованность полученных результатов определяется следующим:
в качестве исходной информации при создании математических моделей и проведении исследований использованы проектные и экспериментальные данные зарубежных и российских фирм по современным малооборотным двигателям;
математические модели разработаны на основе уравнений законов сохранения, термодинамики, газодинамики, теплообмена и с учетом рекомендаций общепринятых, в частности, нормативных методов расчета теплоэнергетического оборудования;
результаты проведенных исследований подтверждаются стендовыми н ходовыми испытаниями ЦНИИ МФ, не противоречат сложившейся практике проектирования МОД и их систем утилизации и, вместе с тем,
5 содержат новую информацию, позволяющую делать более конкретные и обоснованные рекомендации.
Научная новизна. Впервые представлен комплексный подход оценки работоспособности и эффективности различных систем утилизации теплоты МОД с учетом особенностей его работы на долевых режимах и взаимного функционирования элементов этих систем.
Выявлены особенности и общие закономерности влияния напэузки ГД на параметры и характеристики основных элементов оборудования систем утилизации.
Впервые получены сравнительные статические характеристики различных энергосберегающих систем (традиционной турбогенераторной, комплексной, дизельгенераторной, валогенераторной и комбинированной) в широком диапазоне рабочих режимов МОД морского транспортного судна.
Практическая ценность работы. Разработанные комплексные математические модели и программы доведены до практической реализации. Это позволяет использовать их при проектировании и прогнозировании хараісгеристик основного оборудования и различных систем утилизации дизелей при работе их в реальных условиях эксплуатации.
Результаты выполненных исследований позволяют получить новые знания для проектирования и эксплуатации систем утилизации МОД с целью повышения их эффективности и надежности. Полученные статические характеристики являются осноеой для исследования динамических характеристик систем использования вторичных энергоресурсов МОД.
Реализация работы. Материалы диссертационной работы приняты к внедрению в конструкторском отделе ОАО "Амурский судостроительный завод" и учебном процессе КнАГТУ, ГМТУ, Дальрыбвтуза.
Апробация. Основные результаты работы доложены и обсуждены на второй международной конференции стран АТР (Владивосток, !997 г.), на научно-технических конференциях КнАГТУ (Комсомольск-на-Амуре, 1997, 1998, 1999 гг.) и ДВГТУ (Владивосток, 1998 г.), на международной конференции "Проблемы прочности и эксплуатационной надежности судов" (Владивосток, 1999 г.), на научно-технической конференции "Двигатели двадцать первого века" (ГМТУ, Санкт-Петербург, 2000 г.), на региональном научно-техническом семинаре по ДВС (ХГТУ, Хабаровск, 2000 г.).
Публикации. Автором по теме диссертации опубликовано 12 научных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения (118 страниц текста, 25 рисунков, 9 таблиц), списка литературы (112 наименований) и трех приложений (23 страницы, 4 рисунка, 13 таблиц). Обший объем работы 150 страниц.