Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ КОРАБЛЕБУДУВАННЯ
ІМЕНІ АДМІРАЛА МАКАРОВА
Щедролосєв Олександр Вікторович
ОСНОВИ УДОСКОНАЛювання ЕНЕРГОВИКОРИСТАННЯ
В СПЕЦІАЛЬНИХ ЕНЕРГЕТИЧНИХ СИСТЕМАХ
УНІВЕРСАЛЬНИХ НАЛИВНИХ СУДЕН
спеціальність 05.08.05 –“Суднові енергетичні установки”
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Миколаїв 2004
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Національному університеті кораблебудування імені адмірала Макарова Міністерства освіти і науки України
Науковий консультант –Заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук,
професор Романовський Георгій Федорович,
Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова,
ректор.
Офіційні опоненти:
–Заслужений діяч науки УРСР, доктор технічних наук, професор Захаров Юрій Васильович
Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова,
завідуючий кафедрою;
–доктор технічних наук, професор Капустін Віктор Володимирович
Севастопольський національний технічний університет Міністерства освіти і науки України
завідуючий кафедрою;
–доктор технічних наук, професор Ханмамедов Сергій Альбертович
Одеська національна морська академія Міністерства освіти і науки України,
завідуючий кафедрою.
Провідна установа –Одеський національний морський університет Міністерства освіти і науки України, м. Одеса.
Захист відбудеться “15 ” листопада 2004 р. о 13.00 -й годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 38.060.01 національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова за адресою: 54025, м. Миколаїв, проспект Героїв Сталінграда, 9.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова, м. Миколаїв, проспект Героїв Сталінграда, 9.
Автореферат розісланий “11” жовтня 2004 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради
доктор техн. наук, професор С.С. Рижков
1
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Наслідки енергетичної кризи 1970-х і наступних років торкнулися практично всіх галузей світової економіки. Різке збільшення вартості палива обумовило виняткову потребу в раціональному споживанні енергії як у промисловому виробництві, так і на усіх видах транспорту. Особливо гостро питання паливної залежності позначаються на експлуатації універсальних і спеціальних наливних суден. Зростаючі перевезення високов'язких нафтохімічних та інших продуктів у рідкому вигляді підвищили витрати палива на підігрівання і вивантаження більш ніж у 5 разів. Ефективність експлуатації наливних суден усе більш стає залежною від витрат енергії і палива. Паливна складова експлуатаційних витрат перевищила 80 %, що зменшує обсяги перевезень нафтохімічних продуктів морем.
Створення високоефективних малооборотних дизелів у 80–рр. привело до зниження питомої витрати палива на 15...18 % і підвищення їх ККД до 55 %. З іншого боку зниження температури і кількості випускних газів значно зменшили можливість утилізації відхідної теплоти дизелів. У зв'язку зі збільшенням потреб теплоти на підігрів високов'язких вантажів, загальносуднові потреби, підготовку застосовуваних важких палив і зниженням можливостей утилізації потужності допоміжних парогенераторів, а отже, й витрати палива на універсальних наливних суднах усе більш зростають. Результати експлуатації спеціальних енергетичних систем “підігрів–вивантаження” в'язких вантажів свідчать про явну невідповідність існуючих технічних засобів, способів і технологічних процесів зрослим вимогам енергозбереження. Необхідність проведення досліджень спеціальних енергетичних систем “підігрів–вивантаження” наливних суден обумовлюється відсутністю систематичних комплексних досліджень, нових системних підходів, наукових теорій і рекомендацій, які дозволили б розкрити істотні резерви економії енергії й палива і вирішити проблему підвищення енергоефективності цих систем у комплексному зв'язку із судновою енергетичною установкою (СЕУ), судном і зовнішнім середовищем.
Питання підвищення економічності експлуатації і будівництва суден в Україні довгий час не розв’язувались через змушену перерву в розвитку вітчизняного флоту і зниження можливостей проведення досліджень з проблем енергозбереження на морському і річковому транспорті й суднобудуванні в умовах нового господарського механізму.
Актуальність і складність вирішення проблеми підвищення енергоефективності СЕУ обумовлюється практично вичерпаними можливостями способів утилізації тепловтрат дизелів, що зменшилися, і відсутністю сучасних технічних засобів і технологій, які дозволи б знизити значні енерговитрати в спеціальних енергетичних системах “підігрів–вивантаження” під час перевезення в’язких вантажів на універсальних наливних суднах.
Таким чином, поліпшення енерговикористання в спеціальних енергетичних системах за таких умов є найбільш важливою і пріоритетною проблемою, що вимагає удосконалення і подальшого розвитку теорії, нових підходів до досліджень, розробки наукових методів проектування й експлуатації енергозберігаючих способів, технічних засобів і технологічних процесів підігріву–вивантаження в’язких нафтопродуктів та інших в’язких вантажів.
2
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами
Обраний напрямок дисертаційного дослідження відповідає:
–Закону України “Про пріоритетні напрямки інноваційної діяльності в Україні” № 433-IV від 16 січня 2003 року, ст. 8 “Середньострокові пріоритетні напрямки інноваційної діяльності” (п. 2 “Машинобудування і приладобудування як основа високотехнологічного відновлення всіх галузей виробництва”: виробництво сучасної ракетно-космічної й авіаційної техніки, суден і електровозів нового покоління);
–програмам і планам виконання фундаментальних науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України (наказ № 633 від 05.11.02 р.), відповідно до яких автором у Національному університеті кораблебудування імені адмірала Макарова виконується комплексна держбюджетна тема № 1497 (№ держ. реєстр. 0103U001792) “Розробка теоретичних основ енергозбереження в допоміжних суднових енергетичних установках універсальних дизельних наливних суден”;
–Комплексній державній програмі енергозбереження України (КДПЕУ) до 2010 р. (“Додаткові заходи й уточнені показники виконання КДПЕУ” на виконання Указу Президента України від 10.03.2000 р. № 457/2000 “Про невідкладні заходи щодо подолання кризових явищ у паливно-енергетичному комплексі України” –п. 4.13. “Енергозбереження на об'єктах Мінтрансу”: будівництво танкерів підвищеної паливної економічності; зменшення витрат нафтового палива на одиницю роботи, а також зниження загальних обсягів його споживання за рахунок уведення в експлуатацію рухомого складу з більш високими характеристиками з паливної економічності);
–науково-дослідним роботам Регістра України з розробки “Правил класифікації та побудови морських суден” згідно з тематичним планом Міністерства транспорту України, затвердженим наказом Укрморрічфлота України № 34 від 19.02.02 р.;
–роботам Українського державного науково-дослідного інституту стандартизації і сертифікації в суднобудуванні (УкрДержНДІСС) з виконання постанови Кабінету Міністрів України від 03.01.2002 р. № 2 “Про порядок і терміни дії галузевих стандартів і прирівняних до них інших нормативних документів колишнього СРСР”. Автором, за договором творчої співдружності № 1491 від 03.09.02 р. з УкрДержНДІСС, виконана робота “Удосконалення правил, норм проектування і методики розрахунків вантажної системи і циркуляційної системи підігріву рідких вантажів, що перевозяться на морських і річкових нафтоналивних суднах, з метою підвищення ефективності і зниження енерговитрат”.
3
Виконане дослідження актуальне не тільки для танкерного флоту і суднобудування, але і для інших галузей народного господарства України, що займаються перевезеннями і збереженням, розливом і переливом в’язких рідин.
Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка основ удосконалювання енерговикористання в спеціальних енергетичних системах “підігрів–вивантаження” наливних суден шляхом подальшого розвитку теорії спільної роботи систем підігріву і вивантаження високов'язких вантажів, що перевозяться, оптимізації технічних засобів, технологічних процесів і режимів їхньої роботи, що підвищують економічність експлуатації і надійність науково обґрунтованих методів проектування.
Для досягнення поставленої мети були вирішені наступні основні задачі:
–узагальнення зведень з енерговикористання в спеціальних енергетичних системах дизельних наливних суден з визначенням шляхів підвищення їхньої паливної ефективності;
–уточнення результатів комплексної утилізації відхідної теплоти сучасних головних двигунів (ГД) і дизель-генераторів (ДГ) і оцінки ефективності її використання на повне і постійне забезпечення загальносуднових потреб і систему підігріву (СП) вантажу в ходовому режимі;
–теоретичний аналіз процесів взаємодії гарячих струменів теплоносія (самого вантажу) з вантажем у танку при циркуляційному способі підігріву і їхнього впливу на конвективний теплообмін у танку при підігріві і вивантаженні вантажу;
–дослідження ефективності застосування гвинтових насосів як вантажних і циркуляційних при перевезеннях високов'язких вантажів;
–теоретичне дослідження гвинтоканавкових насосів, призначених для перекачування високов'язких рідин;
–оптимізація параметрів циркуляційної системи підігріву (ЦСП) в'язких вантажів з урахуванням крайових умов і мінімуму витрат енергії і палива на циркуляцію;
–визначення енерговитрат на підігрів і вивантаження в'язких вантажів у залежності від температурних режимів підігріву і типів застосовуваних вантажних насосів;
–комплексне дослідження спільної роботи спеціальних енергетичних систем “підігрів–вивантаження” методом математичного моделювання, визначення оптимальних параметрів елементів і технологічних режимів роботи систем;
–установлення співвідношень витрат енергії і палива на процеси підігріву–вивантаження і частки компенсації витрат за рахунок повного корисного використання перетворених у теплоту механічних і гідравлічних утрат насосів і систем трубопроводів;
–розробка методик теплових і гідравлічних розрахунків процесів підігріву–вивантаження, рекомендацій щодо ефективної експлуатації спеціальних енергетичних систем наливних суден, обґрунтування методів їхнього проектування з високими характеристиками з паливної економічності.
4
Об'єктом дослідження є спеціальні енергетичні системи “підігрів–вивантаження”, їх зв'язок із СЕУ, судном і зовнішнім середовищем, а предметом дослідження – технічні засоби і процеси в спеціальних енергетичних системах “підігрів–вивантаження” на універсальних наливних суднах.
Методи дослідження. Розв'язання проблеми поліпшення енерговикористання в спеціальних енергетичних системах універсальних наливних суден проведено на основі системного підходу. Це дозволило складну задачу тепломасопереносу між в'язким рідким вантажем, джерелами теплової енергії, перекачувальними пристроями, СЕУ, корпусом судна і зовнішнім середовищем подати у вигляді складної імітаційної математичної моделі функціонування технічних засобів і технологічних процесів, досліджуваної поступово, погоджуючи взаємовплив на кожнім кроці послідовних наближень.
Використано теорію теплової і гідродинамічної подібності як засіб розширення можливостей математичного експерименту при вивченні складних процесів, що доповнює обмежені можливості аналітичного розв’язання складних диференціальних рівнянь, і як основу для узагальнення результатів фізичних і математичних експериментів. Як корисний ефект прийняте виконання обсягів перевезень, а критерій його оцінки – відношення паливних витрат до корисного ефекту, тобто питомих витрат палива на одиницю виконаної транспортної роботи.
Методи розрахунку граничних умов за температурою, тиском і швидкістю плину рідини визначалися властивостями вантажу, вимогами Класифікаційного товариства – Російського Морського Регістра Судноплавства і діючих нормативних документів.
Використовувалися розрахунково-аналітичні методи дослідження, відомі методики теплових і гідравлічних розрахунків.
Наукова новизна отриманих результатів
1. Уперше при вирішенні проблеми підвищення енергоефективності спеціальних енергетичних систем “підігрів–вивантаження” наливних суден розроблена імітаційна мате-матична модель їх функціонування у взаємодії із СЕУ, корпусом судна і зовнішнім середовищем і застосовано комплексний системний підхід й оптимізація параметрів технічних засобів і технологічних процесів, що дозволили розкрити можливі резерви економії енергії і палива.
2. У результаті раціоналізації параметрів циркуляційного підігріву (що відрізняється від застосовуваного раніше – з напірною циркуляцією) за рівнянням теплового балансу з урахуванням обмежень і мінімуму витрат потужності і палива теорія циркуляційного підігріву набула подальшого розвитку. Витрати палива на циркуляцію знижені з 18...23 до 1...3 % від витрат на підігрів вантажу.
5
3. Виконано теоретичний аналіз процесів теплообміну при циркуляційному підігріванні високов'язких продуктів, у результаті якого на основі теплової і гідродинамічної подоби встановлено визначальний тепловий вплив гарячих безнапірних струменів (Re << 2300) на процеси конвективного теплообміну в танку (у всьому можливому діапазоні подач і напорів циркуляційних насосів).
4. Уперше визначені залежності для оцінки гідродинамічного впливу струменя при циркуляційному способі підігріву на теплове поле придонного шару в'язкого вантажу, що вивантажується, і його впливу на температуру попереднього підігріву.
5. Вирішено проблему підігріву в'язких вантажів на комбінованих суднах із загальною циркуляційною системою підігріву. Обґрунтовано початкову температуру підігріву першого танка. Максимально обмежене зростання теплового навантаження підігрівників вантажу і теплової потужності системи підігріву шляхом застосування циклового підігріву.
6. Виявлено переваги циркуляційної системи підігріву над трубчастою, які полягають у широких можливостях розігріву високов'язких продуктів шляхом збільшення кратності циркуляції, що сприяє інтенсифікації процесів конвективного теплообміну.
7. Розроблено теорію, розрахункові залежності і конструкцію “універсального” конічного гвинтового насоса, здатного ефективно перекачувати як високов'язкі, так і малов'язкі засмічені і незмащувальні рідини.
8. Уперше виконані комплексні дослідження підвищення енергоефективності спеціальних енергетичних систем “підігрів–вивантаження” на сучасних універсальних наливних суднах шляхом обґрунтованого вибору типів і оптимізації параметрів пристроїв і технологічних процесів, що дозволяє значно знизити температурні режими наливу, підігрівання і вивантаження в'язких вантажів до рівня допустимої температури остигання при значному зменшенні витрат енергії і палива.
9. Уточнено результати комплексної утилізації відхідної теплоти сучасних малооборотних головних двигунів і потужних дизель-генераторів універсальних наливних суден, на підставі чого знайдено розв'язок з подальшого розвитку способів утилізації теплоти в системах підігріву вантажу з повним забезпеченням у ходовому режимі, на відміну від застосовуваних у даний час.
10. Розроблено нову принципову технологію і схеми циркуляційного підігріву запасів важкого палива й масла в системах СЕУ для всіх типів суден, що дозволяють скоротити час на підігрів у 4...6 разів і знизити витрати палива в 2...3 рази.
На основі отриманих наукових теоретичних результатів сформульовані такі нові наукові положення:
– комплексне використання системи циркуляційного підігріву і вивантаження в'язких вантажів із застосуванням заглибних гвинтових негерметичних насосів і утилізацією теплоти, що відходить від СЕУ, дозволяє значно підвищити енергоефективність спеціальних енергетичних систем “підігрів–вивантаження” (у 2...3 рази) на універсальних наливних суднах;
6