Міністерство освіти І науки України

Національний університет кораблебудування

імені адмірала Макарова

Коновалов Дмитро Вікторович

УДК 621.565.93/94:629.5 (05)

Підвищення ефективності ВИКОРИСТАННЯ

ВТОРИННИХ ЕНЕРГОРЕСУРСІВ

СУДНОВИХ ЕНЕРГЕТИЧНИХ установОк

У рибомучнОМУ ВИРОБНИЦТВІ

Спеціальність 05.08.05

Суднові енергетичні установки

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Миколаїв – 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному університеті кораблебудування

імені адмірала Макарова Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник – д-р техн. наук, професор

Радченко Микола Іванович,

Національний університет кораблебудування

імені адмірала Макарова, професор кафедри

кондиціонування та рефрижерації

Офіційні опоненти:

д-р техн. наук, професор Голіков Володимир Антонович,

Одеська національна морська академія Міністерства освіти і науки України, професор кафедри теорії автоматичного управління та обчислювальної техніки;

канд. техн. наук, доцент Дологлонян Андрій Вартазарович,

Севастопольський національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, доцент кафедри енергоустановок морських суден та споруд

Провідна установа – Одеський Національний морський університет Міністерства освіти і науки України

Захист відбудеться 3 липня 2006 р. о 10 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д 38.060.02 Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова за адресою:

54025, м. Миколаїв, пр. Героїв Сталінграда, 9

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова за адресою:

54025, м. Миколаїв, пр. Героїв Сталінграда, 9

Автореферат розісланий 1 червня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої ради Тимошевський Б.Г.

д-р техн. наук, професор

Загальна характеристика роботи

Актуальність дослідження. Сучасні середньо- та крупнотоннажні рибопромислові судна обладнані рибомучними установками (РМУ), які забезпечують повну переробку рибної сировини і є найбільшими споживачами пари. Ця пара виробляється в утилізаційних котлах, які використовують теплоту відхідних газів головних двигунів суднових енергетичних установок (СЕУ), та в допоміжних котлах. Втрати теплоти з парою вторинного скипання від випарних апаратів РМУ та "пролітною" парою, що надходить разом із конденсатом від РМУ до холодильників забортної води, сягають 20...30теплоспоживання РМУ. Скорочення цих втрат дозволило б підвищити ефективність споживання пари, а відтак і всього ланцюга використання вторинних енергоресурсів СЕУ, який бере початок з виробництва цієї пари в утилізаційних котлах за рахунок теплоти відхідних газів головних двигунів і останньою ланкою якого є вторинна пара, що утворюється у випарних апаратах РМУ.

З погляду на те, що окрім пари РМУ є споживачем також і холоду, який зазвичай виробляється в системах кондиціонування повітря і витрачається для охолодження готової рибної муки, використання вторинних низькопотенційних енергоресурсів у вигляді пари вторинного скипання доцільно в тепловикористовуючих контурах із виробництвом пари та холоду. Підвищеним вимогам із масогабаритних характеристик і надійності роботи, що пред’являють суднові умови експлуатації, відповідають тепловикористовуючі контури ежекторного типу. Саме в цьому напрямку і може бути вирішена задача підвищення ефективності використання вторинних енергоресурсів СЕУ для рибомучного виробництва та відповідно скорочення споживання паливно-енергетичних ресурсів на рибопромислових суднах у цілому.

Хоча тепловикористовуючі ежекторні холодильні машини досліджувалися і раніше, зокрема в роботах Ю.В. Захарова, С.З. Жадана, В.С. Жадана, І.С. Бадилькеса, О.А. Лехмуса, В.П. Шостака, В.А. Петренка, М.Г. Шумелишського, проте резерви підвищення енергетичної ефективності ежекторних паро- та холодовиробляючих контурів, пов’язані з інтенсифікацією теплообміну у випарниках та конденсаторах і відповідним скороченням втрат від зовнішньої незворотності в циклі, зумовлених кінцевими різницями температур, не були розкриті, що стримувало використання цих контурів для утилізації низькопотенційних вторинних енергоресурсів, зокрема теплоти пари вторинного скипання суднових РМУ. Це виключало можливість раціонального проектування та створення теплогідродинамічно вдосконалених теплоутилізаційних контурів, а відтак і комплексного, із виробництвом як пари, так і холоду, використання вторинних енергоресурсів СЕУ рибопромислових суден.

Таким чином, недостатньо висока ефективність використання вторинних енергоресурсів СЕУ рибопромислових суден викликана відсутністю комплексних технічних рішень, розробка яких неможлива без створення надійної теоретичної бази проектування теплогідродинамічно вдосконалених тепловикористовуючих ежекторних паро- та холодовиробляючих контурів РМУ. Це зумовило необхідність вирішення науково-прикладної задачі створення теплогідродинамічно вдосконалених ежекторних паро- та холодовиробляючих контурів суднових РМУ та теоретичної бази їхнього раціонального проектування, що забезпечувало б комплексне використання вторинних енергоресурсів СЕУ і, як наслідок, ефективне споживання паливно-енергетичних ресурсів рибопромисловим судном у цілому.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Наведені в дисертації матеріали використані в науково-дослідних роботах, виконаних у рамках напрямів розвитку науки і техніки "Екологічно чиста енергетика та ресурсоощадні технології" (19992003 рр.), "Новітні та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі" та "Національної програми будівництва суден промислового флоту України", № ДР U001797, 0105U001761.

В усіх роботах здобувач приймав участь як виконавець.

Об’єктом дослідження є процеси використання вторинних енергоресурсів СЕУ для виробництва пари та холоду.

Предмет дослідження – теплогідродинамічні процеси в тепловикористовуючих ежекторних контурах із виробництва пари та холоду для суднових РМУ.

Метою наукового дослідження є підвищення ефективності використання вторинних енергоресурсів СЕУ шляхом комплексного виробництва пари та холоду для РМУ в тепловикористовуючих контурах і створення теоретичної бази раціонального проектування таких контурів.

Основні задачі наукового дослідження:

створення теоретичної бази раціонального проектування суднових теплогідродинамічно вдосконалених тепловикористовуючих ежекторних паро- та холодовиробляючих контурів РМУ рибопромислових суден;

розробка математичної моделі тепловикористовуючих ежекторних контурів суднових РМУ та її верифікація;

встановлення закономірностей впливу інтенсивності теплообміну у випарниках і конденсаторах та двоступінчастого ежектування на енергетичну ефективність тепловикористовуючих ежекторних контурів суднових РМУ;

розробка раціональних схемних рішень тепловикористовуючих ежекторних контурів, які забезпечують комплексне використання вторинних енергоресурсів CЕУ.

Методи дослідження. Використано фізичний та математичний методи дослідження характеристик тепловикористовуючих ежекторних контурів РМУ. Математичному моделюванню передувало фізичне, результатом якого була фізична модель теплогідродинамічних процесів у ежекторних паро- та холодовиробляючих контурах. Задача оптимізації теплогідродинамічних параметрів контурів вирішувалась у спряженій постановці з урахуванням теплообміну та гідродинаміки теплоносіїв. Верифікація математичної моделі тепловикористовуючих ежекторних контурів здійснювалась зіставленням розрахункових теплових коефіцієнтів і коефіцієнтів тепловіддачі при конденсації водяної пари з експериментальними. Ефективність схемно-конструктивних рішень тепловикористовуючих ежекторних контурів РМУ оцінювалась енергетичними показниками: тепловим коефіцієнтом і відповідними витратами пари та палива на РМУ.

Наукове положення, що виноситься на захист:

Використання теплоти пари вторинного скипання суднових РМУ в ежекторних паровиробляючих контурах забезпечує скорочення споживання установками пари і відповідно палива на 10…15 %, а її утилізація в ежекторних холодовиробляючих контурах – зменшення витрати палива на 10…20 % у порівнянні з традиційною роботою РМУ без тепловикористовуючих контурів.

Наукові результати, які автор захищає на додаток до наукового положення та їх новизна:

1. Вдосконалено теоретичну базу раціонального проектування та розроблено математичну модель тепловикористовуючих ежекторних паро- та холодовиробляючих контурів суднових РМУ.

2. Вперше встановлено, що використання теплоти пари вторинного скипання суднових РМУ в ежекторних холодовиробляючих контурах енергетично доцільніше, ніж в ежекторних паровиробляючих контурах, і забезпечує досягнення теплових коефіцієнтів 0,5…0,6.

3. Вперше виявлено резерви підвищення енергетичної ефективності ежекторних холодовиробляючих контурів РМУ, які пов’язані з інтенсифікацією теплообміну в конденсаторах та випарниках і відповідним скороченням втрат від зовнішньої незворотності в циклі, зумовлених кінцевими різницями температур, забезпечують приріст теплових коефіцієнтів і скорочення споживання пари та палива судновими РМУ на 20...40 % порівняно з традиційною роботою ежекторних холодовиробляючих контурів РМУ. Встановлено, що застосування двоступінчастого ежектування забезпечує скорочення споживання пари та палива судновими РМУ на 10…20 % порівняно з одноступінчастим.

4. Досліджено регенерацію теплоти в ежекторних холодовиробляючих контурах суднових РМУ і встановлено, що проста регенеративна схема забезпечує приріст теплового коефіцієнта на 20 %, а схема з подвійною регенерацією – 30 % порівняно з циклом без регенерації.

5. Виявлено закономірності впливу інтенсивності теплообміну у випарниках і конденсаторах ежекторних холодовиробляючих контурів суднових РМУ та двоступінчастого ежектування на енергетичну ефективність контурів і встановлено, що з погіршенням умов експлуатації РМУ (підвищенням температури забортної води) вплив інтенсифікації теплообміну в апаратах і двоступінчастого ежектування на теплові коефіцієнти посилюється: їх приріст становить 30...50 % порівняно з традиційним одноступінчастим ежекторним холодовиробляючим контуром.

6. Розроблено схемні рішення тепловикористовуючих ежекторних контурів суднових РМУ, які забезпечують раціональну організацію теплогідродинамічних процесів і комплексне використання вторинних енергоресурсів СЕУ, та встановлено оптимальні параметри цих процесів.

Новизна схемних рішень підтверджена 2 патентами України на винахід.

Достовірність результатів дослідження забезпечена коректною постановкою науково-прикладної задачі; задовільним узгодженням даних, які були отримані за допомогою математичної моделі та експериментальних; результатами порівняльного аналізу запропонованих та існуючих технічних рішень.

Наукове значення мають наступні результати дослідження:

закономірності впливу інтенсивності теплообміну у випарниках і конденсаторах та двоступінчастого ежектування на енергетичну ефективність ежекторних холодовиробляючих контурів суднових РМУ;

математична модель тепловикористовуючих ежекторних холодовиробляючих контурів РМУ, яка враховує граничні режими роботи ежектора та інтенсивність теплообміну у випарниках і конденсаторах та відповідні втрати від зовнішньої незворотності в циклі, зумовлені кінцевими різницями температур;

схемні рішення тепловикористовуючих ежекторних контурів суднових РМУ, що реалізують принципи раціональної організації теплогідродинамічних процесів.

Окрім суднової енергетики, отримані результати можуть бути використані в стаціонарній енергетиці, зокрема при раціональному проектуванні тепловикористовуючих установок і розробці заходів із енергозбереження для випарних установок підприємств рибної, цукрової, хімічної, переробної та інших галузей промисловості.

Практичну цінність мають:

методики та комп’ютерні програми розрахунку оптимальних теплогідродинамічних, геометричних і конструктивних параметрів ежекторних холодовиробляючих контурів;

конструктивні рішення ежекторних паро- та холодовиробляючих контурів, що забезпечують ефективне використання вторинних енергоресурсів СЕУ.

Основні результати роботи використані організаціями, що проектують і виготовляють суднові парові та хладонові установки: Укррибфлотом, м. Севастополь, при переведенні на рециркуляцію пари вторинного скипання рибомучних установок А1-ИЖР на рибопереробних суднах типу "Антарктида"; заводом "Екватор", м. Миколаїв, при проектуванні та виготовленні суднових парових нагрівачів повітря ВНПМ, ВНПМС, ВНПК і хладонових повітроохолоджувачів (методика і програма визначення оптимальних витрат пари та хладону, а також схемні рішення з двоступінчастими конденсацією та випаровуванням). Методики теплового розрахунку парових нагрівачів повітря та води, хладонових охолоджувачів повітря та конденсаторів і комп’ютерні програмні комплекси "REFTOA" і "REFJET" використовуються в учбовому процесі НУК.

Конкретна особиста участь автора в одержанні наведених у дисертації наукових результатів полягає в розробці математичної моделі ежекторних холодовиробляючих контурів і програмних комплексів "REFTOA" та "REFJET" для розрахунку теплогідродинамічних характеристик ежекторних тепловикорис-товуючих контурів РМУ; розробці схемно-конструктивних рішень тепловикористовуючих контурів РМУ, які забезпечують високу енергетичну ефективність ежекторних паро- та холодовиробляючих контурів, а також раціональне використання паливно-енергетичних ресурсів судновими РМУ; встановленні закономірностей впливу інтенсивності теплообміну у випарниках і конденсаторах та двоступеневого ежектування на енергетичну ефективність ежекторних холодовиробляючих контурів суднових РМУ.

Апробація роботи. Основні результати були апробовані на міжнародній науково-технічній конференції "Суднова енергетика: стан та проблеми" (Миколаїв, 2005), 4-й міжнародній науково-технічній конференції "Проблеми енергозбереження в екології та суднобудуванні" (Миколаїв, 2005), Міжнародних конгресах двигунобудівників (Харків, 20032005), 3-й міжнародній науково-технічній конференції "Сучасні проблеми холодильної техніки та технології" (Одеса, 2003), міжнародній науково-практичній конференції "Екологічна безпека об’єктів господарчої діяльності" (Миколаїв, 2004).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 9 друкованих наукових праць, зокрема 6 статей у наукових спеціалізованих виданнях (без співавторів 2), 3 тези доповідей (без співавторів 3), отримано 2 патенти України на винахід.

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, 6 розділів та висновків. У додатках наведено документи, що підтверджують впровадження основних результатів дослідження.

Обсяг дисертації складає 184 сторінки машинописного тексту та 3 сторінки додатків, 64 рисунки. Бібліографія містить 147 найменувань.

Основний зміст роботи

Виконаний у розділі 1 аналіз статей витрати паливно-енергетичних ресурсів (ПЕР) на рибопереробних суднах (РПС) показав, що витрати палива на виробництво пари для РМУ на промислі сягають 15…20 % загальносуднового його споживання, тобто РМУ є найбільшим споживачем пари і крупним споживачем палива на РПС. Оскільки РМУ споживають пару, що виробляють утилізаційні котли за рахунок теплоти відхідних газів головних двигунів СЕУ, то саме з РМУ пов’язані резерви підвищення ефективності використання вторинних енергоресурсів СЕУ. Істотну частку в паливно-енергетичному балансі промислового судна становить також паливо, що витрачається на виробництво холоду. Тому проблема скорочення цих двох статей витрат палива є актуальною, а напрямок її вирішення шляхом використання низькопотенційної скидної теплоти для сумісного виробництва пари й холоду вельми перспективним. Суттєві резерви пов’язані з використанням теплоти пари вторинного скипання (ПВС) від випарних апаратів РМУ та "пролітної" пари, що надходить разом із конденсатом від РМУ до холодильників забортної води, які становлять заключну ланку ланцюгу використання вторинних енергоресурсів СЕУ (рис. 1) і втрати яких сягають 20...30 % теплоспоживання РМУ. Підвищеним вимогам із масогабаритних характеристик і надійності роботи, що пред’являють суднові умови експлуатації, відповідають тепловикористовуючі ежекторні контури (ТЕК). Саме в цьому напрямку й може бути вирішена задача підвищення ефективності використання вторинних енергоресурсів СЕУ, а відтак і скорочення споживання ПЕР судновими РМУ.

Вдосконалення ежекторних холодильних машин (ЕХМ) зазвичай здійснювалося в напрямках вибору робочого тіла, вдосконалення проточної частини ежекторів, розробки схемно-конструктивних рішень. Але резерви, пов’язані з ефективністю роботи випарників і конденсаторів ЕХМ суднових РМУ, від якої залежать енергетичні втрати в циклі, зумовлені кінцевими різницями температур в цих теплообмінниках, не досліджувалися. Це виключало можливість раціонального проектування та створення теплогідродинамічно вдосконалених теплоутилізаційних контурів РМУ, а відтак і комплексного використання вторинних енергоресурсів (ВЕР), що забезпечувало б скорочення споживання пари і відповідно палива. Визначено об’єкт і предмет дослідження, сформульовано його мету та завдання.

Обґрунтування напряму та методу дослідження, а також гіпотези вирішення задачі підвищення ефективності використання пари судновими РМУ наведено в розділі 2. Відповідно до цієї гіпотези резерви раціонального пароспоживання РМУ пов’язані з комплексним використанням пари вторинного скипання для виробництва теплоти та холоду в ежекторних паро- та холодовиробляючих контурах, а резерви підвищення ефективності самих контурів з інтенсифікацією теплообміну у випарниках і конденсаторах, застосуванням регенерації теплоти. За критерій оцінки результатів порівняння варіантів утилізації ВЕР прийнято тепловий коефіцієнт ?, що у разі виробництва холоду являє собою відношення кількості холоду, виробленого у випарнику (холодопродуктивності), до кількості затраченої теплоти, підведеної у генераторі від гострої пари, а у випадку виробництва пари відношення кількості одержаної теплоти (тепловмісту сумарного потоку вторинної та гострої пари), до кількості затраченої теплоти (тепловмісту гострої пари). Таким чином, науково-прикладна задача вирішувалась у комплексній постановці з розглядом обох можливих варіантів використання теплоти ПВС: для виробництва як теплоти, так і холоду.

Оскільки порівняння варіантів утилізації ВЕР повинно здійснюватись з урахуванням незворотних енергетичних втрат у робочих циклах, зумовлених кінцевими різницями температур у теплообмінниках, то перш за все були розроблені методики теплового розрахунку та математичні моделі апаратів випарників і конденсаторів ТЕК РМУ. Їх методологічну основу становили положення про падіння інтенсивності теплообміну з переходом від дисперсно-кільцевої до дисперсної течії та перегрів пари відносно крапельної рідини, відомі з теплофізичних досліджень процесів кипіння у випарниках, а також про різке зниження інтенсивності теплообміну з наближенням процесу конденсації до свого завершення.

Як метод дослідження вибрано фізико-математичний метод. Відповідно до нього спочатку розроблялися фізичні моделі процесів, на основі яких математичні моделі випарників (генератора пари та повітроохолоджувача) і конденсатора. При цьому задача розрахунку теплообміну розв’язувалась у спряженій постановці ? з урахуванням гідравлічного опору двофазових потоків у теплообмінниках.

Задача підвищення енергетичної ефективності ЕХМ вирішувалась з погляду виконанням протилежних вимог до стану холодоагенту на виході з випарника (волога пара, що гарантує роботу випарника з високою інтенсивністю теплообміну завдяки змоченим стінкам його змійовиків) та на всмоктуванні ежектора (суха насичена пара), що вимагає розширення елементної бази ежекторно-випарникового вузла із включенням до нього регенеративного теплообмінника (РТО) та відокремлювача рідини.

Коефіцієнти ежекції U і відповідно теплові коефіцієнти ? ТЕК залежать від температури кипіння холодоагенту в генераторі пари та випарнику і температури конденсації, які в свою чергу від інтенсивності теплопередачі та температурних напорів у цих апаратах. Тому загальноприйняті методики розрахунку характеристик ежектора повинні бути модифіковані з урахуванням параметрів потоків (температури та тиску), які встановлюються в залежності від інтенсивності теплообміну в апаратах. Отже в розділі 3 були розроблені методика раціонального проектування та математична модель ЕХМ РМУ, що враховують зазначені фактори. Математична модель ЕХМ включає моделі теплообмінників (генератора пари, конденсатора, випарника-повітроохолоджувача) та ежектора.

Основні припущення при розробці математичної моделі ЕХМ:

1.Задача моделювання двофазових потоків у теплообмінниках ТЕК вирішувалася як стаціонарна, одномірна.

2. Тепловий розрахунок апаратів ТЕК із фазовим переходом здійснювався у спряженій постановці з урахуванням падіння тиску.

3. При обчисленні падіння тиску при фазових переходах прийнята модель потоків із ковзанням фаз модель ЛоккартаМартінеллі.

4. Падіння температури конденсації та кипіння розраховувалося через гідравлічний опір за рівнянням Клаузіуса-Клапейрона.

5. Перегрів пари ?tп щодо краплинної рідини в дисперсній суміші у випарнику приймався рівним 5….10 °С.

Критерієм теплової ефективності теплообмінника є густина теплового потоку q. Основні положення математичної моделі теплообмінника розглянуто на прикладі конденсатора.

Вхідні параметри: tw1, tк1, х1, Gw, Gк, L, d.

Вихідні параметри: Qі, tw2, tк2, x2, Рк.

При розробці математичної моделі теплообмінників довжина трубки L розбивалася на k ділянок довжиною dz. На кожній і-й ділянці з рівнянь теплових балансів по холодоагенту і воді (повітрі) та теплопередачі визначалися параметри холодоагенту (тиск Pi, температура конденсації tкi, паровміст xi), води (температура twі) та кількість теплоти Qі, відведеної від холодоагенту.

Як основні залежності в моделі конденсатора використовувалися рівняння теплових балансів та теплопередачі, складені для кожної ділянки трубки теплообмінника:

Qi = Gк · r · (х1i х2i); Qi = Gw· сpw · (tw2i tw1); Qi = ki · i · Fi,

де Gк і Gw витрати холодоагенту та охолоджуючої води; r питома теплота фазового переходу; сpw теплоємність води; Fi поверхня і-ї ділянки трубки (каналу).

Паровміст холодоагенту та температура води на виході з і-ої ділянки: ,

для прямотоку ,

для протитоку .

Коефіцієнт теплопередачі, віднесений до внутрішньої поверхні, розраховується як

,

де w – коефіцієнт тепловіддачі до води, віднесений до внутрішньої поверхні трубки, а коефіцієнт тепловіддачі при конденсації в каналах з діаметром dз, віднесений до поверхні каналу, dвн – внутрішній діаметр трубки; tw1 і tw2 – температура охолоджуючої води на вході та виході з конденсатора.

Коефіцієнт тепловіддачі при плівковій конденсації у трубках (каналах) розраховується за загальноприйнятою залежністю для плівкової конденсації у конвективному режимі з примусовою циркуляцією, запропонованою Розеновим:

,

де ?рід, срід – коефіцієнт динамічної в’язкості та теплоємність рідини; І – параметр, що характеризує термічний опір теплопереносу.

Розрахунок тепловіддачі проводився за модифікованою методикою з вилученням турбулентної зони.

Параметр I визначався за співвідношеннями

Reрід < 50 I = 0,707·Prрід;

Reрід > 50 I = 5Prрід + 5 Prt ln[1 + Prt-1 Prрід(0,09636)].

Падіння температури конденсації ?tк, зумовлене гідравлічним опором ?Р, розраховується за рівнянням Клаузіуса-Клапейрона, яке встановлює залежність між ?tк та ?Р. Гідравлічний опір двофазового потоку з ковзанням фаз визначається за методом Локкарта-Мартінеллі.

Параметр Мартінеллі Фрід розраховується як

Фрід = Фп/Xtt = Xtt1+ 2,85Xtt0,48,

де параметр МартінелліНельсона Xtt :

.

Оскільки величина густини теплового потоку qi = ki i заздалегідь невідома, то розрахунок виконують методом ітерацій, як і у разі випарника-повітроохолоджувача.

Особливістю розробленої математичної моделі є те, що вона дозволяє визначати локальні параметри двофазного потоку, що особливо важливо при роботі конденсаторів на часткових режимах роботи ЕХМ. Це дає можливість моделювати роботу конденсатору із повним і неповним фазовими переходами: при багатоступінчастій конденсації.

На рис. 3 показано залежності коефіцієнтів теплопередачі k, тепловіддачі до пари a, що конденсується, від довжини трубки L. Як видно, на ділянці фазового переходу, де інтенсивність тепловіддачі до пари набагато вище відповідної величини до води, теплопередача лімітується останньою. На кінцевій стадії конденсації інтенсивність тепловіддачі до малорухомого конденсату, що займає значну частку перетину трубки, знижується до інтенсивності тепловіддачі до чистого конденсату, яка значно нижче, ніж до води, і лімітує теплопередачу в цілому. Можливість обчислення локальних параметрів парового потоку за допомогою розробленої математичної моделі дозволяє визначити умови неефективної роботи конденсаторів: з украй низькими значеннями густини теплових потоків q на ділянках трубок, заповнених конденсатом (рис. 3, в), які спричиняють уповільнення темпів росту теплового навантаження Q конденсатора по довжині L.

На основі розробленої математичної моделі була розроблена методика теплогідродинамічного розрахунку теплообмінників ЕХМ, яка забезпечує досягнення в них максимальної густини теплового потоку і відповідно максимального теплового коефіцієнту ЕХМ. Методика включає визначення оптимальної масової швидкості холодоагенту (?w)opt у трубках (або вузьких міжтрубних каналах у разі конденсації при поздовжньому обтіканні труб), яка забезпечує максимальні густини теплових потоків qmax, відповідно і мінімальні поверхні теплообміну. Можливість досягнення густиною теплового потоку максимального значення qmax зумовлена тим, що зі збільшенням масової швидкості холодоагенту ?w коефіцієнти тепловіддачі при конденсації а та теплопередачі k збільшуються. Одночасно з цим через спад температури конденсації ?tк, обумовлений гідравлічним опором ?P, скорочується температурний напір між холодоагентом і охолоджуючою водою. Зменшення температурного напору при зростанні коефіцієнта теплопередачі зумовлює наявність екстремуму функції q = k . Оптимальною масовою швидкістю (?w)opt холодоагенту є та, яка відповідає максимальному значенню q.

З рис. 4 видно, що зі зменшенням tк (при менших ) падіння температури конденсації ?tк, зумовлене зростанням гідравлічного опору ?Р зі збільшенням ?w, позначається на скороченні сильніше, що обмежує ?w. Наслідком цього є більш низькі qmax та (?w)opt.

Раціональне проектування випарника та генератора пари ЕХМ включає, як і у випадку конденсатора, визначення оптимальної масової швидкості холодоагенту (?w)opt у трубках, яка відповідає максимальній густині теплових потоків qmax і відповідно мінімальним поверхням теплообміну. Результатом розрахунку теплообмінників окрім їхніх оптимальних геометричних і конструктивних параметрів є оптимальні температурні напори, а відтак і температури кипіння і конденсації (відповідно і тиск), які є вихідними даними для розрахунку напірно-циркуляційних характеристик ежектора.

Вхідні параметри: тиск і температура пари активного (Рг, tг), всмоктуваного (Р0, t0) та стисненого потоків (Рк, tк); діаметри вихідного перетину сопла dp1, камери змішування d3 та горла сопла dкр.

Вихідні параметри: коефіцієнти ежекції та теплові коефіцієнти.

Визначення напірно-циркуляційних характеристик ежектора зводиться до визначення його максимального досяжного коефіцієнта ежекції U і здійснюється за загальноприйнятою методикою Ю.Я. Соколова та М.М. Зінгера. Характеристики ежектора з циліндричною камерою змішування при постійному тиску кипіння в генераторі Рг та випарнику Р0 і змінному тиску конденсації Рк обчислюються як

при постійному тиску Рг та Рк і змінному Р0:

,

де ?р2, ?н2, ?с3 – відносні ізоентропні швидкості робочого, всмоктуваного та змішаного потоків; Пр2, Пн2, Пс3 – відносний тиск пари робочого, всмоктуваного та змішаного потоків.

Ефективність ежектора характеризується коефіцієнтом ежекції:

,

а всієї ЕХМ тепловим коефіцієнтом ?:

.

Ідентифікація математичної моделі тепловикористовуючих ежекторних контурів здійснювалась двома шляхами: по-перше, порівнянням розрахункових і експериментальних даних із тепловіддачі і, по-друге, верифікацією ежекторних контурів в цілому зіставленням розрахункових коефіцієнтів ежекції та теплових коефіцієнтів як узагальнюючих показників ефективності роботи контурів із експериментальними даними.

Результати порівняння розрахункових коефіцієнтів тепловіддачі з експериментальними наведено на рис. 5. Як видно, розходження не перевищує 20 %, що є цілком задовільним.

Виявлено, що при параметрах, які відповідають умовам експлуатації конденсаторів ЕПК суднових РМУ і при неповному фазовому переході плівкова конденсація проходить в основному в режимі примусової циркуляції.

Результати розрахунку теплових коефіцієнтів ? за математичною моделлю ЕХМ зіставлялися з експериментальними даними, які були отримані у НУК Ю.В. Захаровим та в ОДАХ В.О. Петренком. На рис. наведено результати порівняння з експериментальними даними Ю.В. Захарова для теплових коефіцієнтів ? в залежності від температур конденсації ЕХМ (рис. 6, а) і температури кипіння у випарнику (рис. 6, б). ЕХМ працювали за простим циклом без регенерації. Ежектори виконані з циліндричною камерою змішування, температури на розрахунковому режимі: tг = 140 °С, t0 = 7 °С, tк  °С.

Розходження розрахункових значень коефіцієнтів ежекції та теплових коефіцієнтів з експериментальними не перевищують 20 %, що свідчить про адекватність розробленої математичної моделі.

Визначення теплового коефіцієнта як узагальнюючого показника ефективності роботи тепловикористовуючих ежекторних контурів РМУ проводилося з урахуванням інтенсивності теплообміну і гідравлічного опору в конденсаторі та випарниках (повітроохолоджувачі та генераторі пари), що дає змогу пов’язати вибір схемного рішення контурів із теплогідродинамічною ефективністю апаратів і, в кінцевому підсумку, забезпечити найбільш повне використання ВЕР РМУ

У розділі 4 розроблено та реалізовано в схемно-конструктивних рішеннях раціональні принципи утилізації теплоти пари вторинного скипання та "пролітної" пари в одно- та багатоступінчастих ежекторних установках (ЕУ). Встановлено, що багатоступінчасте ежектування енергетично не доцільне і призводить до зниження коефіцієнта ежекції та теплового коефіцієнта. Застосування одноступінчастої установки (рис. 7) забезпечує скорочення витрат палива на крупнотоннажних РПС на 0,5…1,2 %. З підвищенням Рр до 1,2 МПа та вище, що відповідає параметрам допоміжної котельної установки плавбаз та спеціалізованих рибомучних баз, економія палива становитиме 0,8…1,5 %. Застосування проміжного охолодження з частковою конденсацією дозволяє підвищити коефіцієнт ежекції у 1,3…1,5 рази порівняно з багатоступінчастим ежектуванням без промохолодження (рис. 8).

Розроблено та реалізовано раціональні принципи утилізації теплоти пари вторинного скипання в ежекторних одно- та багатоступінчастих установках. Встановлено, що багатоступінчасте ежектування енергетично більш доцільне (рис. 8).

Застосування ступінчастого генератора ЕХМ як РТО багатоступінчастої установки (рис. 10) дозволяє повністю покрити потреби суднової РМУ в холоді та забезпечує додаткове скорочення споживання палива на судні на 0,3…0,8 %.

Аналіз ефективності суднових РМУ та розробка раціональних схемних рішень ТЕК для виробництва холоду виконано у розділі 5. Основними елементами ТЕК для виробництва холоду (ЕХМ), що визначають енергетичну ефективність ТЕК і РМУ в цілому, є теплообмінники з фазовим переходом холодоагенту: генератор пари високого тиску, випарник і конденсатор. Скорочення температурних напорів у теплообмінниках та обумовлених ними енергетичних втрат від зовнішньої незворотності в циклі шляхом інтенсифікації теплопередачі забезпечує підвищення коефіцієнтів ежекції та відповідно теплових коефіцієнтів ТЕК, а відтак і енергетичної ефективності РМУ в цілому.

Підвищити температуру кипіння у випарнику на 3...5 °С завдяки зменшенню температурного напору можна шляхом інтенсифікації теплообміну. Для цього необхідно вилучити дисперсний режим течії з украй низькою інтенсивністю тепловіддачі, тобто обірвати фазовий перехід до його завершення. Для ефективної роботи ежектора треба, щоб силова та ежектована пара (відповідно після генератора та випарника) була сухою насиченою або перегрітою, оскільки попадання рідини з генератора пари в сопло ежектора, а з випарника на його всмоктування призведе до падіння коефіцієнта ежекції і теплового коефіцієнта. Щоб уникнути цього, після генератора пари і випарника необхідно встановлювати відокремлювач рідини (ВР). Відсепаровану рідину можна випаровувати у другому ступені (у разі генератора) або в самому випарнику, тобто здійснювати її рециркуляцію, наприклад інжектором (схема на рис. 11), що використовує потенційну енергію рідини високого тиску після конденсатора, яка зазвичай втрачається у дросельному клапані. При цьому досягається приріст коефіцієнта ежекції U і теплового коефіцієнта майже на 0,1 (рис. 12). При вельми незначних U, які становлять для суднових ЕХМ 0,3...0,5, така надбавка доволі істотна

Більшого теплового коефіцієнта можливо досягнути, якщо здійснювати регенерацію теплоти одночасно з інтенсифікацією теплопередачі у випарнику. Відвід парорідинної суміші з випарника доцільно здійснювати до настання дисперсного режиму течії. Довипаровування дисперсної суміші проводиться в РТО2 (рис. 13, а). Приріст z забезпечується за рахунок зменшення температурного напору Q у випарнику з відповідним підвищенням температури кипіння t0 при незмінних параметрах середовища, що охолоджується

Підвищити енергетичну ефективність ЕХМ можна шляхом двоступінчастого ежектування (рис. 13, б), що забезпечує збільшення степені підвищення тиску в ежекторі. Коефіцієнти U і ? двоступінчастої ЕХМ вище аналогічних показників одноступінчастої при tк > 35 oC, а при tк = 40 oC перевищення становить 25...30 % (рис. ), що особливо важливо при вкрай низьких значеннях теплового коефіцієнта базового варіанта: ? = 0,10...0,15.

Перегрів пари за двоступінчастим ежектором досить високий і досягає 25...30 oC, що зумовлене тим, що вже на всмоктуванні в ежектор другого ступеню пара перегріта на 15...20 oC. Це розширює резерви регенерації теплоти на лінії всмоктування перед генератором пари (РТО1), дозволяє повністю виключити з генератора зону підігріву рідкого холодоагенту і підвищити тепловий коефіцієнт ? ЕХМ на 30...35 % проти 25 % для одноступінчастого ежектування.

У схемі на рис. 13, в проміжне охолодження пари між ступенями ежектора здійснюється з відводом теплоти на довипаровування дисперсної суміші, що виходить із випарника. При цьому хоча й втрачається частина корисної холодопродуктивності ?q0, все ж приріст коефіцієнта ежекції U забезпечує збільшення теплового коефіцієнта ? на 5 % в порівнянні з ЕХМ із двоступінчастим ежектором.

Розроблені методики теплогідродинамічного розрахунку та математичні моделі основних елементів тепловикористовуючих контурів РМУ конденсаторів пари, охолоджувачів повітря, були реалізовані у вигляді комп’ютерного розрахункового комплексу (рис. ), який використовується АТВТ "Завод "Екватор", м. Миколаїв, при проектуванні та виготовленні суднових парових нагрівачів повітря ВНПМ, ВНПМС, ВНПК і хладонових повітроохолоджувачів, а також Укррибфлотом, м. Севастополь, при переведенні на рециркуляцію пари вторинного скипання рибомучних установок А1-ИЖР на рибопереробних суднах типу "Антарктида".

Висновки

1. Недостатньо висока ефективність використання вторинних енергоресурсів СЕУ викликана значними втратами теплоти з парою вторинного скипання від випарних апаратів РМУ, на які подається пара від утилізаційних котлів, та "пролітною" парою, що надходить від РМУ до холодильників забортної води. Такі значні втрати, що сягають 20...30 % теплоспоживання РМУ, зумовлені відсутністю технічних рішень, які забезпечували б комплексне використанням теплоти для виробництва як пари, так і холоду, розробка яких неможлива без створення надійної теоретичної бази проектування теплогідродинамічно вдосконалених тепловикорис-товуючих ежекторних паро- та холодовиробляючих контурів.

2. У дисертації вирішено важливу для суднової енергетики науково-прикладну задачу створення теплогідродинамічно вдосконалених ежекторних паро- та холодовиробляючих контурів суднових РМУ та теоретичної бази їхнього раціонального проектування, що забезпечує комплексне використання вторинних енергоресурсів СЕУ і, як наслідок, ефективне споживання паливно-енергетичних ресурсів рибопромисловим судном у цілому.

3. Задачу підвищення ефективності використання вторинних енергоресурсів СЕУ вирішено в комплексній постановці із використанням теплоти пари вторинного скипання та "пролітної" пари для виробництва пари і холоду, що забезпечує зменшення споживання пари самими РМУ та електроенергії системами кондиціонування для охолодження рибної муки.

4. Розроблено методику теплогідродинамічного розрахунку та математичну модель тепловикористовуючих ежекторних паро- та холодовиробляючих контурів суднових РМУ, що становлять теоретичну базу раціонального проектування контурів. Створений програмний комплекс дозволяє моделювати теплогідродинамічні процеси в ежекторних холодовиробляючих контурах на розрахунковому та часткових режимах, визначати оптимальні параметри роботи контурів та їх теплообмінних апаратів.

5. Виявлено резерви підвищення енергетичної ефективності ежекторних холодовиробляючих контурів РМУ, які пов’язані з інтенсифікацією теплообміну в конденсаторах і випарниках шляхом їх переходу на неповний фазовий перехід або рециркуляцію та забезпечують приріст теплових коефіцієнтів на 20...40 % і відповідно скорочення споживання пари та палива судновими РМУ порівняно з традиційною роботою. Встановлено, що застосування в ежекторних паро- та холодовиробляючих контурах двоступінчастого ежектування забезпечує скорочення споживання пари та палива судновими РМУ на 10…20 % порівняно з одноступінчастим.

6. Розроблено раціональні схемні рішення тепловикористовуючих ежекторних контурів РМУ. Встановлено, що проста регенеративна схема забезпечує приріст теплового коефіцієнта на 20 %, а з подвійною регенерацією – 30 % порівняно з циклом без регенерації.

7. Вперше виявлено закономірності впливу інтенсивності теплообміну у випарниках і конденсаторах ежекторних тепловикористовуючих холодильних контурів суднових РМУ та двоступінчастого ежектування на енергетичну ефективність контурів. Встановлено, що з підвищенням температури конденсації (температури забортної води) абсолютний приріст теплових коефіцієнтів ежекторних контурів, зумовлений інтенсифікацією теплообміну в апаратах шляхом їх переведення на неповний фазовий перехід, дещо зменшується, а приріст завдяки двоступінчастому ежектуванню, навпаки, зростає, сягаючи 30...50 % порівняно з традиційним одноступінчастим. Отже з погіршенням умов експлуатації суднових систем кондиціонування (підвищенням температури забортної води) доцільний перехід на двоступінчасте ежектування.

8. Розроблено та реалізовано у схемно-конструктивних рішеннях раціональні принципи утилізації теплоти вторинних енергоресурсів. Встановлено, що ступінчасте ежектування з проміжним охолодженням забезпечує скорочення витрат палива на РПС на 1…2

9. Окрім суднової енергетики, отримані результати можуть бути використані в стаціонарній енергетиці, а також в тепловикористовуючих контурах випарних установок підприємств хімічної, рибної, цукрової, переробної та інших галузей промисловості.

Основні результати дисертації опубліковані в наукових спеціалізованих виданнях:

1. Коновалов Д.В. Современное состояние и перспективы потребления топливно-энергетических ресурсов рыбомучными установками промысловых судов // Зб. наук. праць. Миколаїв: НУК, 2006. № 1 (406). С. 115 ? 123.

2. Захаров Ю.В., Коновалов Д.В. Математическая модель теплоиспользующей эжекторной холодильной машины и результаты ее апробации // Зб. наук. праць. Миколаїв: НУК, 2006. № 2 (407). С. 87?96.

3. Сирота А.А., Коновалов Д.В., Радченко Н.И. Утилизация теплоты в судовых рыбомучных установках // Авиационно-космическая техника и технология. – Харьков: ХАИ, 2004. – Вып. 7(15). – С. 24 – 28.

4. Сирота А.А., Радченко Н.И., Коновалов Д.В. Теплоиспользующий контур для выпарных установок // Авіаційно-космічна техніка та технологія.– Харків: ХАІ, 2003. – Вип. 7(42).– С. 6772.

5. Радченко Н.И., Сирота А.А., Коновалов Д.В. Теплоиспользующая установка для производства технологического пара // Холодильная техника и технология. – Одесса: ОГАХ, 2003. – № 4. – С. 122 – 127.

6. Коновалов Д.В. Энергетическая эффективность эжекторных холодильных машин, использующих теплоту выпарных аппаратов судовых рыбомучных установок // Техногенна безпека: Наукові праці. – Миколаїв: МДГУ ім. П. Могили, 2005. – Т. 43. Вип. 30. – С.  – .

Основні публікації, в яких додатково викладено зміст дисертації:

7. Коновалов Д.В. Современное состояние потребления топливо-энергетических ресурсов судовыми рыбомучными установками // Суднова енергетика: стан та проблеми: Матеріали міжнар. наук.-техн. конф. – Миколаїв: НУК, 2005. – С. 54 – 55.

8. Коновалов Д.В. Эжекторные холодопроизводящие контуры для судовых рыбомучных установок // Проблемы энергосбережения и экологии в судостроении: 4-я междунар. науч.-техн. конф. Материалы конф. – Николаев: НУК. – 2005. ? С. 272273.

9. Коновалов Д.В., Радченко М.І., Сирота А.А. Ефективність застосування альтернативних холодоагентів у тепловикористовуючих ежекторних холодильних машинах // Екологічна безпека об’єктів господарчої діяльності: Тези доповідей до міжнар. наук.-практ. конф. – Миколаїв: МДГУ ім. П. Могили, 2004. – С. 80 – 81.

10. Патент України № 71357. Спосіб утилізації теплоти відпрацьованої газопарової суміші в газотурбінній установці // Білека Б.Д., Радченко М.І., Сирота О.А., Коломєєв В.М., Ізбаш В.І., Шершньов Б.Б., Коновалов Д.В. ? Бюлетень. – 2005. – № 10.

11. Патент України №71360. Спосіб перетворення теплової енергії в механічну роботу газотурбінному газоперекачувальному агрегаті // Білека Б.Д., Коломєєв В.М., Ізбаш В.І., Радченко М.І., Сирота О.А., Коновалов Д.В. – 2005. – № 10.

Особистий внесок здобувача у праці, що опубліковані у співавторстві: [2] математична модель ежекторної холодильної машини та її апробація; [3] розробка схемного рішення контуру утилізації теплоти суднових РМУ; [4] розробка контуру утилізації теплоти випарних установок; [5] розробка паровиробляючого контуру, що використовує теплоту пари вторинного скипання суднової РМУ; [9] встановлення екологічно безпечних холодоагентів для застосування в тепловикористовуючих контурах суднових РМУ; [10, 11] аналіз способів утилізації теплоти вторинних енергоресурсів.

Анотація

Коновалов Д.В. Підвищення ефективності використання вторинних енергоресурсів суднових енергетичних установок у рибомучному виробництві. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.08.05 – суднові енергетичні установки. – Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, Миколаїв, 2006.

Дисертація присвячена підвищенню ефективності використання вторинних енергоресурсів суднових енергетичних установок шляхом утилізації теплоти пари вторинного скипання від випарних апаратів рибомучних установок, що споживають гостру пару утилізаційних котлів, для виробництва теплоти та холоду в тепловикористовуючих ежекторних теплонасосних і холодильних контурах. В основу вирішення поставленої науково-прикладної задачі покладено гіпотезу, згідно з якою, резерви підвищення ефективності цих контурів пов’язані з інтенсифікацією теплообміну у випарниках і конденсаторах, регенерацією теплоти та багатоступінчастим ежектуванням. Для обґрунтування гіпотези і вибору раціональних схемно-конструктивних рішень тепловикористовуючих контурів проведено аналіз їхньої енергетичної ефективності та визначено їх оптимальні режими. Встановлено, що інтенсифікація теплообміну у випарниках і конденсаторах шляхом рециркуляції холодоагенту та двоступінчастих випаровування і конденсації, регенерації теплоти та двоступінчастого ежектування забезпечують скорочення споживання пари і палива рибомучними установками на 20…40 % та палива судном в цілому на 1...2 % порівняно з витратами без утилізації теплоти вторинної пари.

Ключові слова: суднова енергетична установка, випарник, конденсатор, суднова рибомучна установка, ежекторна холодильна машина, вторинні енергетичні ресурси.

АННОТАЦИЯ

Коновалов Д.В. Повышение эффективности использования вторичных энергоресурсов судовых энергетических установок в рыбомучном производстве.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.08.05 – судовые энергетические установки.– Национальный университет кораблестроения имени адмирала Макарова, Николаев, 2006.

Диссертация посвящена повышению эффективности использования вторичных энергоресурсов судовых энергетических установок путем