Повышение эффективности судового водотрубного котла-утилизатора на основе моделирования тепловых и газодинамических процессов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.05, кандидат наук Пискулин, Владислав Георгиевич

• Пискулин, Владислав Георгиевич
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Пискулин, Владислав Георгиевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

1. Анализ направлений совершенствования конструкций и методов 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 32 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

3. Разработка основных положений инженерной методики теплового 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 76 Выводы по третьей главе

4. Расчётно-экспериментальное исследование котла-утилизатора

4.1. Результаты расчётного исследования характеристик коит-утилизатора

4.2. Результаты проектирования и испытаний натурного образца котла-утилизатора

Выводы по четвёртой главе

Заключение

Библиографический список

Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности судового водотрубного котла-утилизатора на основе моделирования тепловых и газодинамических процессов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Мероприятия, направленные на экономию топлива, относятся к одним из наиболее перспективных 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 главных и вспомогательных двигателей. Анализ тепловых балансов СЭУ показывает, что при эффективном использовании теплоты отработавших газов судовых двигателей может быть ликвидирована необходимость в сжигании топлива в автономных водогрейных или паровых котлах для получения горячей воды систем отопления и приготовления горячей санитарной воды, пара на технологические нужды и т.п.

Несмотря на то, что целесообразность применяемых котлов-утилизаторов с целью полезного использования теплоты отработавших газов двигателей подтверждена теорией и проверена практикой, должного широкого использования этого типа энергетических аппаратов не наблюдается. Например на большинстве речных судов котлы-утилизаторы установлены либо на главных, либо на вспомогательных двигателях. То есть, в утилизационные аппараты попадает не более 50% вырабатываемого СЭУ вторичного газового теплоносителя.

Анализ параметров эксплуатирующихся судовых котлов-утилизаторов показывает их низкую тепловую эффективность, колеблющуюся в пределах 0,35...0,5, что ещё как минимум вдвое снижает эффект от применения утилизации.

Причины слабого использования котлов-утилизаторов на флоте объясняются рядом объективных факторов:

- из-за относительно невысокой температуры отработавших газов дизелей, температурные напоры в котлах-утилизаторах значительно ниже, чем в автономных котлах. В результате котлы-утилизаторы значительно уступают автономным котлам по удельной теплопроизводительности, габаритам и массе;

- из-за относительно низких температур газов в проточной части котлов-утилизаторов на долевых нагрузках возможно образование кислого конденсата, что приводит к развитию коррозии на теплообменных поверхностях, выходу котлов из строя, появлению дополнительных затрат, связанных с обслуживанием и ремонтом;

- использование в котлах-утилизаторах слабоэффективных в тепловом и газодинамическом отношении теплообменных поверхностей и схем течения теплоносителей при низких значениях коэффициентов теплопередачи даёт относительно высокое сопротивление по газовой стороне, что не позволяет в нужной степени увеличивать теплообменные поверхности и, в некоторых случаях, ухудшает условия работы деталей цилиндропоршневой группы дизелей.

Преодолению отрицательного влияния указанных факторов посвящены работы известных специалистов: Бажана П.И., Голубева В.К., Бойко П.В., Денисенко Д.И., Енина В.И., Лощакова И.И., Манушина Э.И., Осипова Д.И. и др.

Большой объём выполненных исследований позволил получить ряд новых решений, которые являются базой для продвижения в понимании тепло-газодинамических процессов и формировании дальнейших направлений работы.

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 схемы котла-утилизатора;

- разработка исследовательской математической модели перспективного котла-утилизатора для определения особенностей течения теплоносителей и тепломассообмена в его проточной части;

- создание основ инженерной методики теплового расчёта котла-утилизатора;

- экспериментальная проверка эффективности разработанных конструктивных решений и точности расчётной методики.

Объектом исследования является судовой водотрубный котёл-утилизатор.

Методы исследования. В работе использовались методы математического анализа на базе систем дифференциальных уравнений теплопередачи и течения вязкой жидкости и газа в трёхмерной постановке с генерацией моделей в программной среде АК8У8 СБХ, 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 ГОСТами с применением методов теории планирования эксперимента.

Положения выносимые на защиту:

1. Разработка технологических требований, основных схемных и конструктивных параметров перспективного судового котла-утилизатора.

2. Разработка математической модели с распределёнными парамет-рами 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.

Информационная база исследования. В число информационных источников диссертационной работы входят:

- научные источники в виде сведений и данных из книг, научных отчётов и научных конференций;

- официальные документы в виде нормативных актов, руководящих документов, технологических инструкций;

- результаты проведённых экспериментов и собственных расчётов.

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 государственными стандартами и отраслевыми нормативными документами.

Научная новизна и личный вклад автора заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель котла-утилизатора с распределёнными параметрами и исследовано влияние геометрических и конструктивных параметров на тепловые и газодинамические характеристики.

2. 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 параметров котла-утилизатора на показатели эффективности по обобщённому параметру совершенства.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Создан пилотный образец полноразмерного водотрубного котла-утилизатора со сложно-перекрёстным типом тока.

2. На базе разработанной методики теплового расчёта котла-утилизатора создан типоразмерный ряд водотрубных котлов-утилизаторов для применения в составе энергетических установок речных судов.

3. 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 разработанных основ методики теплового расчёта котла-утилизатора в практике предприятия ООО

«Гидротермаль» при создании проекта промышленных образцов гипоразмерного ряда котлов-утилизаторов для совместной работы с судовыми двигателями мощностью 200...2500 кВт.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на международном промышленно-экономическом форуме «Великие реки' 2012» и «Великие реки' 2013», 18-й сессии молодых учёных 2013 г., ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ВГАВТ (2012-2014 гг.).

Публикации. Список публикаций по материалам диссертации включает 5 печатных работ в т.ч. 2 работы в изданиях рецензируемых высшей аттестационной комиссией, 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.

1. АНАЛИЗ НАПРАВЛЕНИЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ И МЕТОДОВ РАСЧЁТОВ СУДОВЫХ КОТЛОВ-

УТИЛИЗАТОРОВ 1.1. Тепловые потоки энергетических установок речных судов

В составе всех производственно-эксплуатационных расходов речных судов затраты на топливо судовых энергетических установок (СЭУ) являются одними из основных. Например, по данным компании «Водоходъ», они достигают 2025%. В связи с этим мероприятия, направленные на экономию топлива, относятся к наиболее перспективным с точки зрения повышения рентабельности флота.

В ряде работ [16, 18, 32, 42, 68] показано, что значительная экономия топлива при эксплуатации СЭУ может быть получена за счет полезного использования вторичных энергетических ресурсов (ВЭР), к которым относятся: теплота отработавших газов главных двигателей (ГД) и дизель генераторов (ДГ), теплота контуров охлаждения и смазывания ГД и ДГ, теплота системы охлаждения надувочного воздуха и другое. Вторичные тепловые потоки (ВТП) СЭУ эксплуатирующихся речных судов весьма велики и при правильном их использовании могут полностью покрыть потребности судна в теплоте на ходовых режимах (кроме наливных судов для тяжелых нефтепродуктов). Для примера в таблицах 1.1 и 1.2 приведены данные [85].

По этим примерам видно, что для пассажирских судов, сухогрузных теплоходов, нефтерудовозов, буксиров-толкачей и некоторых других групп подвижного состава флота характерно значительное превышение мощности ВТП над потребностями в теплоте, либо недостаточно полное использование ВТП. В связи с этим целесообразно рассматривать возможности преобразования ВТП без преобразования или с преобразованием в механическую или электрическую энергию [16, 42].

Таблица 1.1- Тепловые потоки СЭУ танкеров, сухогрузных теплоходов и буксира-толкача

Название статьи Тепловой поток, кВт (% от данной статьи баланса)

баланса Теплоход

Танкер Нефтерудовоз Сухогрузные Буксир-

пр.157 пр.1553 507Б 2- 95А 428А толкач пр.428

Энергия сжигаемого топлива

(работают два ГД и один ДГ), 2780 1946 2750 2042 2504 2770

кВт

Полезная мощность, кВт 1582 1080 1430 1127 1394 1546

Тепловой поток выпускных газов с учетом точки росы (не используемый), кВт 409 (64) 273 (57) 459 (66) 459 (69) 581 (Ю0) 408 (63)

Тепловой поток охлаждающей 656 552 696 475 616 749

воды (не используемый), кВт (Ю0) (Ю0) (Ю0) (100) (100) (100)

Теплопотребность на ходовом режиме, кВт 1047 1374 464 312 344 464

Однако данных о применении систем глубокой утилизации теплоты с электромеханическим преобразованием на российском речном флоте пока нет. Этому, на наш взгляд, есть несколько причин.

Во-первых, в силу известных экономических проблем, обновление и модернизация речного флота в последние десятилетия резко замедлились. Объем средств, выделяемых владельцами флота на новые разработки, был совершенно недостаточен. В новое строительство закладывались решения 20...30-ти летней давности из принципа минимизации построечной стоимости судов.

Таблица 1.2 - Тепловые потоки СЭУ пассажирских судов (не учтена работа вспомогательного котла)

Название статьи баланса (% от статьи баланса) Теплоход проекта

92-016 301 302 0-040 588

Эксергия сжигаемого топлива (работают три ГД и один ДГ) 5144 5295 5295 2872 1839

Полезная мощность 2726 2737 2737 1650 956

Тепловой поток выпускных газов с уметом точки росы (неиспользуемый), кВт (%) 840 (69) 1100 (81) 1100 (81) 541 (87) 218 (56)

Тепловой поток охлаждающей воды (неиспользуемый), кВт (%) 1200 (100) 1200 (100) 1200 (100) 600 (100) 494 (100)

Процент неиспользуемый теплоты 39 43 43 39 39

Теплопотребность судна на ходовом режиме. кВт 1224 1126 1130 931 657

Во-вторых, речной флот, в отличии от морского, к началу перестройки на имел значительного задела, разработки и практического применения систем глубокой утилизации теплоты. Так, например в [19] приведены сведения об эксплуатации ряда отечественных морских судов (таблица 1.3) с системами глубокой утилизации теплоты. Аналогичных данных о применении данной технологии на речном флоте нет.

Следует отметить, что техническое руководство Министерства Речного Флота (МРФ), в первую очередь, в лице начальника технического управления МРФ Абрамова Г.А. в последние доперестроечные годы прекрасно понимало грядущие проблемы и прилагало все усилия для исправления сложившейся ситуации. В это время были проведены значительные работы в направлении увеличения эффективности использования ВЭР в ГИИВТе (ныне ВГАВТ) под руководством профессора Бажана П.И., которые привели к созданию и практическому использованию на крупных пассажирских судах систем комплексной утилизации теплоты [85].

Таблица 1.3 - Технические характеристики утилизационных установок отечественной постройки

Пока «а I ель — 3 J: О. s ю ~ к о — ? О «Победа Ок гября» «Ьорис Бутома» «Всеволод кочетов» 6 2 а. Ё 2 я Ü: ч ¿г — М W у та о Ч * о; £ -а г: S ® Ьй ~ Ж CJ -3 С л ^ у Ж Ж £ го о — £ Ч о Я ы с. -_) о- 1 1

Марка главно! о двигателя 6ДКРН 74/160 6RD76 9ДКРН 84/180 6ДКРН 74/160 9ДКРН 74/160 8ДКОН 74/160 8ДКРН 74/160 8ДКРН 74/160 8ДКРН 74/160

Номинальная мощность ГД, МВт 6,6 7.0 17,2 7,7 10,0 8,8 10.0 8.8 10.0

Тип уттизационно-го котла КУП-700 КУП-700 КУП-1100 КУГ1- 700 КУН- 660 КУГ1-660 КУП-660 КУП-660 КУ11- 660

Паропропзводитель-ность УК, т/ч 3.4 3.1 9.2 3.8 4.4 3 9 4.5 4.1 4 6

В том числе перегретою пара т/ч 2.66 2.42 8.2 3.05 3 45 3.04 3.43 2.9 3.52

Параметры пара давление в сепараторе, МПа 1,1 1.1 0.7 0,8 1.1 0.8 0.8 0.8 0.8

Температура за пароперегревателем, °С 262 231 270 252 237 228 229 236 248

Номппапьная мощность турбогенератора, кВт 400 400 800 500 400 400 500 500 500

Удельный расчод пара на турбогенератор к[/(кВт*ч) 8.12 8.35 8,59 8.52 8.22 8.57 8.62 8 53 8 61

Интересные работы проводились Новосибирским институтом инженеров водного транспорта (ныне НГАВТ) по прямому преобразованию теплоты отработавших газов дизельных двигателей в электроэнергию.

В-третьих, в силу специфики СЭУ речных судов, с целью использования ВЭР, должно быть разработано новое утилизационное оборудование, отличающееся компактностью и возможностью эффективной работы на частичных и переменных 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 выработку теплоты используемой для нужд теплоснабжения, горячего водоснабжения (подогрева санитарной воды), технологических нужд (подогрев груза, тяжелого топлива и др.). Предпосылками для развития данного направления является значительный неиспользуемый запас ВЭР; положительный опыт применения на пассажирских и грузовых судах модернизированного утилизационного оборудования, в частности, интенсифицированных теплообменников-утилизаторов, аккумуляторов теплоты, лабораторные исследования модернизированного котла КАУ-4,5 и др. Кроме того, построечная стоимость систем комплексной утилизации теплоты на порядок ниже, чем систем утилизации с электромеханическим преобразованием, например на основе паротурбинных установок. В условиях ограниченного 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 расхода 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 утилизации речных судов должен быть аккумулятор теплоты [92]. Этот аппарат необходим для согласования графиков производства и потребления теплоты на судне путем накопления теплоты при её избыточном производстве СЭУ и выдаче потребителям при недостатке ВЭР, например, при стоянке.

На рисунке 1.1 приведена одна из возможных схем комплексной утилизации теплоты ДГ для подогрева санитарной воды [85].

из системы приготовления питьебой йоды

из пароЬого котла -О

Ь теплый ящик

й атмосферу

Рисунок 1.1- Схема включения оборудования утилизации тепло ты ДГ' для

подогрева санитарной воды 1 - дизель-генератор; 2 - котел-утилизатор; 3 - аккумулятор теплоты; 4 - теплообменник;

5 - бойлер; 6 - питательный насос.

Теплопроизводящим оборудованием в схеме на рисунке 1.1 является подогреватель-утилизатор 4 контура охлаждения ДГ и котел-утилизатор 2 теплоты отработавших газов ДГ. Оба источника передают теплоту в теплоаккумуля гор 3, который накапливает теплоту в режиме избытка ВЭР и отдает её в систему санитарной воды в период недостатка ВЭР. Следует отметить простоту и функциональность данной схемы. В частности, штатная система охлаждения подвергается минимальной модернизации: в контур охлаждения ДГ встраивается только подогреватель-утилизатор 4. Всё регулирование температуры контура охлаждения обеспечивается штатным терморегулятором. Трубная система утилизационного контура охлаждения, находящаяся в аккумуляторе теплоты, может выполнять как функции зарядки, так и разрядки теплового аккумулятора 3.

Эффективность работы данной схемы определяется, в первую очередь, тепловой эффективностью утилизационных устройств 4 и 2. Заметим, что предприя-

тиями системы речного флота высокоэффективные утилизаторы до сих пор серийно не выпускаются.

В качестве теплообменников-утилизаторов используются охладители дизелей [95]. Тепловая эффективность этих аппаратов составляет всего 0,17....0,22, что недостаточно. Отечественные котлы-утилизагоры также отличаются низким КПД, например, тепловая эффективность водогрейных котлов-утилизаторов серии КАУ г|кау=0,18...0,28 [85].

С целью увеличения эффективности работы системы комплексной утилизации теплоты в схему может быть включен подогреватель-утилизатор. Так в работе [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 производства и потребления тепловых потоков.

Схема может быть применена не только в составе дизель-генераторной установки, но и в комплексе с главными двигателями.

В теплофикационных системах утилизации могут применятся не только водогрейные котлы, но и паровые. Так на теплоходах пр. 301 и пр. 302 установлены паровые утилизационные котлы серии АК81,0-16. Эти котлы используют теплоту отработавших газов дизель-генераторов с двигателями 6М\Т)26/20 для производства пароводяной смеси, которая насосами подается в пароводяной барабан автономного парового котла (рисунок 1.3).

дода из сети

ЗПГ2

6 атмосферу

наружный контур ■у охлаждения (охл жидкость)

д сеть к потребителю V

Рисунок 1.2 - Экспериментальная система комплексной утилизации теплоты

ДГ судна

ЗПГ1,2 - заслонки поворотные газовые; ДГ - дизель-генератор; ТУ - теплообменник-утилизатор; КУ - котел-утилизатор; АТ - аккумулятор теплоты; ОВ - ш татный охлади гель

внутреннего контура.

6 агпмосфеоц

л

Рисунок 1.3- Схема утилизационной установки 1 - теплый ящик; 2 — питательный насос; 3 - паровой сепаратор; 4 - трубопровод к потребителям; 5 - утилизационный котел; 6 - циркуляционный насос: ОГ - отработавшие газы.

1.2. Анализ и перспективы развития конструкций судовых котлов-

утилизаторов

Авторы ряда работ [16, 42, 59, 87] отмечают, что выбор типа и характеристик котла-утилизатора всегда индивидуален и требует учета ряда параметров:

- тип судна и район его плавания;

- место размещения котла или котлов;

- нужда судна в теплоте и энтальпия теплоносителей;

- тип, количество и характеристики главных и вспомогательных двигателей;

- род топлива для двигателей;

- допустимое газодинамическое сопротивление газоходов за двигателями;

- требования к глушению шума и искрогашению и др.

В тоже время можно выделить ряд общих требований, характерных для КУ речных судов [30]:

- высокая тепловая эффективность;

- минимальные габариты и масса;

- надежность;

- простота и дешевизна обслуживания;

- минимальные приведенные затраты;

- безопасность эксплуатации;

- управляемость и возможность регулирования производительности.

Так же авторы рекомендуют обращать внимание на требования высокой технологичности и эргономичности котлов.

Объектом исследования в данной работе является судовой водогрейный котел-утилизатор. Однако для полноты анализа с учетом преемственности ряда конструктивных решений в водогрейных и паровых котлах целесообразно рассмотреть основные типы обеих групп котлов-утилизаторов, с точки зрения удовлетворения указанным требованиям.

Денисенко Н. И. и Костылев И. И. [25] выделяют четыре основных типа котлов-утидизаторов (рисунок 1.4).

<0

б)

л

в)

>о (

90СР

¡ч

1. > ■ ¡/

ОоЛ

V I ч ^

4>о<Ь ^ боб

?ТГ

и

: I >

V • ;

I

5

с

т

к

Рисунок 1.4 - Принципиальные схемы котлов-утилизаторов а-с естественной циркуляцией водотрубные; б-с естественной циркуляцией прямот-рубные, газотрубные; в-с принудительной циркуляцией змеевиковые цилиндрической компоновки; г-с принудительной циркуляцией прямоугольной компоновки.

Несмотря на значительную долю условности в данной классификации, она позволяет группировать котлы со сходными конструктивными параметрами и давать достаточно эффективную оценку их свойствам с учетом условий эксплуатации.

Для формализации оценки целесообразно использовать общепринятые критерии совершенства котлов-утилизаторов.

Коэффициент компактности поверхности нагрева:

Кк = Апн/У ПН ?

где Апн- площадь поверхности трубного пучка (по стороне газа), м2;

Уп„ - объем, занимаемый трубным пучком, м3.

Тепловая эффективность:

Л ку Огвх " ^гвых)/( ^ вх ^ввх)

где 1гв.ч Дгвых - температуры газов на входе и выходе ко гла-утилизатора, °С;

1ВВх — температура воды на входе в котел-утилизатор, °С.

Газодинамическое сопротивление:

АЬКу =

где ДЬ; - сопротивление 1-го участка проточной части КУ, Па.

Относительная масса:

Мку = Мку/Фку

где Мку - масса котла-утилизатора, кг;

Фку - утилизационный тепловой поток, кВт.

Для оценки параметров, трудно поддающихся формализации, таких как технологичность, простота обслуживания и т.п. воспользуемся данными наблюдений [33] механиков волжских судоходных компаний и аналитическими методами.

По имеющимся данным газотрубные котлы-утилизаторы на речных судах появились впервые именно в России в 1909-1910 гг [33]. В 1912-1914 гг Коломенским заводом был разработан и широко использовался вертикальный газотрубный паровой котел-утилизатор с поверхностью нагрева 7... 10 м2. В дальнейшем модернизированный на заводе «Красное Сормово» котел данной конструкции устанавливался на многие суда [33] рисунок 1.5.

Рисунок 1.5 - Котёл-утилизатор Коломенского завода

Особо следует отметить заслуги Российских специалистов в теоретическом обосновании эффективности утилизации теплоты отработавших газов. Одна из

первых опубликованных работ, не потерявших своей актуальности до настоящего времени, нами найдена в журнале «Вестник волжского общества для надзора за паровыми котлами» №12 за 1914 год [28]. Автор работы, инженер Ю. Еленков-ский привёл основы теории утилизации, дал численную оценку эффективнос ти работы утилизационной установки, предложил схему регулируемого газотрубного котла утилизатора рисунок 1.6.

Газотрубные прямотрубные котлы-утилизаторы до настоящего времени активно применяются на флоте [102]. Широко распространены вертикальные водотрубные котлы серии КАУ (рисунок 1.7) на судах пр. р97, р143, р 131, р168, 912В и др.

Котлы КАУ просты по конструкции, технологичны, неприхотливы в эксплуатации. Благодаря лёгкому доступу к теплообменной поверхности из стальных

труб размером 045x4, легко могут быть очищены от сажистых отложений.

В то же время котлы КАУ имеют и серьёзные недостатки: - низкий коэффициент теплоотдачи по газовой среде 10...20 Вт/(м2*К) и, как следствие, при относительно небольшой теплообменной поверхности (А={1,7; 4,5; 6,0}м2), низкую тепловую эффективность г|кау= 0,15...0,25;

Э<

Рисунок 1.6 - Регулируемый газотрубный котел-утилизатор

Рисунок 1.7 - Утилизационный автоматизированный водогрейный котел

марки КАУ-6

1 - кран для спуска гудрона из приемной камеры 2; 3 - изоляция и обшивка корпуса котла 6; 4 - механизм привода газовой заслонки 5; 7 - трубки котла (45x4 мм)

- малую глубину регулирования утилизируемого теплового потока из-за негерметичности газового поворотного шибера;

- перегрев нагреваемой воды в режиме малого потребления теплоты из-за неудачного расположения байпаса внутри котла.

В котлах-утилизаторах серии КУВ (рисунок 1.8) последний недостаток исправлен.

В них применена более газоплотная поворотная шибер-заслонка с внешним байпасом. Однако тепловая эффективность увеличена очень незначительно. Тепловая эффективность котлов КУВ г|кув= 0,17...0,29. Относительная масса котлов КАУ и КУВ велика и составляет 12.. .20 кг/кВт.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Пискулин, Владислав Георгиевич, 2015 год

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1 Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. - М.: Наука, 1976 - 279 с.

2 Аналитические решения задач тепломассопереноса и термоупругости для многослойных конструкций: [учеб. пособие для студентов вузов]/ В. А. Ку-дипов, Э. М. Карташов, В. В. Калашников. - М.: Высшая школа, 2005. - 429 е.: ил.

3 Анатолиев Ф.А. Теплообменные аппараты судовых паросиловых установок. Л.: Судостоение. 1963. - 470 с.

4 Андреев П.А., Гремилов Д.И., Федорович Е.Д. Теплообменные аппараты ядерных энергетических установок. 2-е изд. Под ред. Синева Н. М.. Л.: Судостроение. 1969. — 352 с.

5 Андреев В.Л. Судовые теплообменные аппараты. Л.: Судостроение. 1968. — 184 с.

6 Антикайн П.А. Металлы и расчет на прочность элементов паровых котлов. -М.: Энергия, 1969.

7 Артемов Г.А. Судовые энергетические установки. -Л.: Судостроение, 1987, 480 с.

8 Аэродинамический расчёт котельных установок (нормативный метод). Под ред. С. И. Мочана, изд. 3-е. Л.: Энергия, 1977. -432 с.

9 Байгалиев Б.Е. Теплообменные аппараты: Учебное пособие. Казань: Изд-во Казанского государственного технического университета, 2012. — 180 с.

10 Баранов В.В., Васильев А.И., Сударева Е.А. Судовые котельные работы: Учебное пособие, 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Судостроение, 1989, 240 с.

11 Баранов П. А. Эксплуатация и ремонт паровых и водогрейных котлов. - М.: Энергопромиздат, 1986. - 264 с.

12 Безопасная эксплуатация котлов, трубопроводов, сосудов под давлением и газового хоз-ва: Справочное пособ./[Сост. Т. И. Курагина]. - Н. Новгород: Вента-2, 2001.-237 с.

///

13 Вельский А.П., Лакомкин В.Ю., Смородин С.Н. Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях: Учеб. пособие. — Изд. 3-е испр, - СПб ГТУ РП. СПб., 2012. - 136 е.: ил.

14 Беляев И. Г. Эксплуатация судовых утилизационных установок. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1987. - 175 с.

15 Богов И.А., Суханов В.А. и др. Теплообменные аппараты газотурбинных установок. Основы проектирования: Монография. СПб.: ООО " Издательство "Полигон", 2010. - 208 с.

16 Бойко Е.А. Котельные установки и парогенераторы. Учебное пособие. -Красноярск: ФАО РФ ГОУВПО КГТУ, 2005. - 292 с.

17 Бухмиров В.В., Ракутина Д.В., Солнышкова Ю.С., Пророкова М.В. Тепловой расчет рекуперативного теплообменного аппарата: Иваново: ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». — 2013. — 124 с.

18 Валиулин С. Н., Пискулин В. Г., Шабаров В. В. Проектирование водотрубного котла-утилизатора на базе численного моделирования тепловых и гидрогазодинамических процессов. // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология.

№1 (февраль). - 2014. - С. 119.

19 Вспомогательные и утилизационные котлы морских судов/ Э. В. Корнилов, В. Н. Афанащенко, П. В. Бойко. - Одесса: Феникс, 2004. - 170 с.

20 Вспомогательные турбинные установки моторных судов / И.Д. Ларинов, и.г. Беляев. -М.: Транспорт, 1988. - 224с.

21 Голубев В.К. Моделирование и оптимизация судовых утилизационных комплексов. -Киев-Одесса: Вища школа, 1989. - 199с.

22 ГОСТ Р 8.736-2011 Измерения прямые многократные. Методы обработки результатов измерений. Основные положения.

23 Гужулев Э.П. Основы современной малой энергетики. Том 2. Учебное пособие. В 3 т. / Э. П. Гужулев, В. В. Шалай, А. Н. Лямин, А. Б. Калистратов.

Омск: Изд-во ОмГТУ, 2006. Т. 2. 312 с.

24 Дахин C.B. Расчет рекуперативных теплообменных аппаратов непрерывного действия: Воронеж: ГОУВПО "Воронежский государственный технический университет", 2008. - 110 с.

25 Денисенко Н.И., Костылев И.И. Идентификация повреждений элементов судовых котельных установок. Учебно-справочное пособие. — СПб.: Элмор, 2007.- 152 с, илл.

26 Должанский П.Р. Контроль надежности металла объектов котлонадзора / Справочное пособие. - М.: Недра, 1985.

27 Дорошенко П.А. Технология производства судовых парогенераторов и теплообменных аппаратов. -Д.: Судостроение, 1972. - 360с.

28 Еленковский Ю. Утилизация теплоты, теряемой двигателями внутреннего сгорания // Вестник Волжского общества для надзора за паровыми котлами, 1914, №12, с. 1-8.

29 Елизарова Т.Г. Лекции. Математические модели и численные методы в динамике жидкости и газа. - М.: Физический факультет МГУ, 2005. - 224 с.

30 Енин В.И., Денисенко Д.И., Костылев И.И. Судовые котельные установки: Учеб. для ВУЗов. М.: Транспорт, 1993. 216 с.

31 Зелепухин В.М. Судовые вспомогательные паровые котлы. Проверочные расчеты. - Новороссийск.: МГА им. адм. Ушакова, 2009, 92 с.

32 Зыков А. К. Паровые и водогрейные котлы. Эксплуатация и ремонт. - 2-е изд. перераб. и доп. - Москва.: НПО ОБТ, 2006, 116 с.

33 Иванов В.Д. Смирнов Ю.А. Эксплуатация котельных установок дизельных судов. -М.: Тренспорт, 1971.

34 Каторгин Б.И., Киселев A.C., Стернин Л.Е., Чванов В.К. Прикладная газодинамика - М.: Вузовская книга, 2009. - 340 с.

35 Корнилов Э.В., Бойко П.В., Голофастов Э.И. Вспомагательные, утилизационные, термомаслянные котлы морских судов. Конструкция и эксплуатация. - Учеб. пособие. - Одесса: Экспресс Реклама, 2008. - 240 е..

36 Косарев Е.Л. Методы обработки экспериментальных данных. - М.: Физмат-лит, 2008. - 208 с.

К0)

37 Котлы и котельные установки для промышленной и коммунальной энергетики: отраслевой каталог/ Клуб теплоэнергетиков «Флогистон»; |Изд. под-гот. А. В. Кузьмин, Р. Я. Ширяев]. - М.: ЦНИИТЭТИтяжмаш, 1998. - 73 с.

38 Кремлёвский П. П. Расходомеры и счётчики количества. Изд. 3-е перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, 1975. - 475 с.

39 Лихушин В. Я. Теория теплообмена. Курс лекций. - М.: Центр Келдыша, 1998.-564 е.: ил.

40 Лихушин В. Я. Теория теплообмена. Курс лекций. М.: Центр Келдыша, 1998.-560 с.

41 Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа - М., Наука, 1973.

42 Лощаков И.И. Ромахова Г.А. Трещёв Д.А. Характеристика котла-утилизатора парогазовых установок. - Известия академии наук. Энергетика. -2009 г. -№3 - с. 117-123.

43 Марков В. С. Автоматизированные вспомогательные котлы современных пароходов. -М.: Транспорт, 1967. - 153 с.

44 Маслов В. В. Утилизация теплоты судовых дизелей. - М.: Транспорт, 1990. -144 с.

45 Математическое моделирование турбулентного перемешивания в сжимаемых средах: курс лекций/ Ю. В. Янилкин, В. П. Стаценко, В. И. Козлов; Рос. федер. ядерный центр - ВНИИЭФ. - Саров: РФЯЦ - ВНИИЭФ, 2009. - 507 е.: ил.

46 Мунябин К. Л. Эффективность трубчатых поверхностей судовых теплооб-менных устройств, профилированных сферическими углублениями [К. Л. Мунябин // Наука и техника на речном транспорте. - М., 2002. - Вып.4. - с. 18-20

47 Основы гидромеханики: [учеб. для вузов]/ М. К. Овсянников, Е. Г. Орлова, П. С. Емельянов. - М.: РКонсульт, 2003. - 151 е.: ил.

48 Основы идентификации и проектирования тепловых процессов и систем: учеб. пособие/ [О. М. Алифанов и др.]; Москва: Логос, 2001. - 399 е.: ил.

49 Основы научных исследований на речном транспорте: Учеб. пособие для

по

студ. институтов водн. тр-та. - Горький: Волго - Вятское кн. изд-во, 1990. -319 с.

50 Основы несимметричной гидродинамики/ Волобуев А. Н. - Самара; Москва: СамЛюксПринт, 2011. - 186 е.: ил.

51 Пискулин В. Г. Результаты разработки кожухотрубных теплообменников для тяжелых условий эксплуатации. // Вестник ВГАВТ. Выпуск 32. Н.Новгород: Изд-во ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2012. - с. 219 - 223.

52 Пискулин В.Г., Валиулин С.Н., Гайнов A.A., Бевза Д.И. Утилизационный газотурбинный двигатель. Возможность и целесообразность. // Сборник трудов Международного промышленно-экономического форума «Великие реки 2013». Н.Новгород: Изд. ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2012. - с. 23-25.

53 Пат. на полезную модель 149538 Россия, МПК F28D7/12. Комбинированный теплообменник-утилизатор. / H.H. Бурдастов, С.Н. Валиулин, О.В. Пыжов, В.В. Хуртин, В.Г. Пискулин. № 2013127454/06; Заявл. 17.06.2013; Опубл. 10.01.2015

54 Пахомов М. А. Исследование процессов теплообмена : методические указания к лабораторным работам / Новосиб. гос. техн. ун-т ; [сост. М.А. Пахомов, В.А. Спарин]. - Новосибирск, 2005. - 31, [1] с. : ил.

55 Плыкин М. Создание призматических слоев и оптимизация сетки в ANS YS ICEM CFD // ANSYS Solutions. Русская редакция. - 2006. - №2. - с. 31-34.

56 Плыкин М. Создание призматических слоев и оптимизация сетки в ANSYS Solutions. Русская редакция. -2006. - №2 - с. 331-334.

57 Поисковые научно-исследовательские работы по созданию новых типов теплоутилизаторов из коррозионно стойких материалов. Обобщение и оценка результатов исследования: отчёт о НИР/ научн. В. М. Севрюков. - Харьков: ВНИИКОНДИДИОНЕР, 1987. -69 с.

58 Применение утилизационных теплообменников на судах речного флота РД 212.0175-96: инструкция. -М.: Министерство речного флота, 1996. - 107 с.

59 Проектирование судовых парогенераторов: Учебник / К.С. Дементьев, В.А. Романов, A.C. Туранов, Д.И. Волков. - Л.: Судостроение, 1986 -336с.

60 Роддатис К. Ф. Котельные установки. Учеб. пособие для студ. неэнергетических спец. вузов. М.: Энергия, 1977 - 432 с.

61 Розенфельд И. JI. Коррозия и защита металлов. - М.: Металлургия, 1969. -448 с.

62 Российский Речной Регистр, Правила (в 4-х томах), т. 3 М. Вып. по зак. ФГУ РРР, 2008.

63 Соколов Б. А. Эксплуатация котлов: Практическое пособие для оператора котельной. - Москва.: НЦ ЭНАС, 2008, 272 с.

64 Справочник по теплообменникам: в 2 т. Т. 1/ Пер. с англ., под ред. Б. С. Пе-тухова, В. К. Шикова. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 560 с.

65 Справочник по теплообменникам: в 2 т. Т. 2/ Пер. с англ., под ред. Б. С. Пе-тухова, В. К. Шикова. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 352 с.

66 Справочник по теплообменным аппаратам/ П. И. Бажан, Г. Е. Канавец, В. М. Селиверстов. - М.: Машиностроение, 1989. - 365 с.

67 Судовые вспомогательные пароэнергетические установки и их эксплуатация / И.Г. Беляев, В.А. Сенченко. -М.: Транспорт, 1995. - 303с.

68 Судовые котельные установки / Н. И. Денисенко, И. И. Костылёв. - JL: СПб.; Элмор, 2005. - 285 с.

69 Сухов В.В., Казаков Г.М. Основы конструирования и расчета теплообмен-ных аппаратов. - Нижний Новгород: Издание ННГАСУ, 2009. - 60 с.

70 Теплообменние аппараты и системы охлаждения газотурбинных и комбинированных установок : Уч. для ВУЗов/ В. JI. Иванов, JI. И. Леонтьев, Э. А. Манушин, М. И. Осипов; Под ред. А. И. Леонтьева. - 2-е изд. - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004. - 592 с.

71 Теплообменные аппараты систем теплоснабжения: отраслевой каталог 1204/ Ин-т пром. каталогов; [авт. сост. Н. Н. Бакланова, Н. А. Ванюков, Г. Р. Побережский] - М.: Инпромкаталог, 2006. - 108 е.: ил.

72 Теплообменные аппараты ТЭС: Учеб. пособие для вузов. - 3-е изд., с тереотип. - М.: изд. МЭИ, 2005. - 280 с.

73 Теплообменные аппараты химических производств/ О. IT. Маньковский, А.

ILL

Р. Александров. - Л.: Химия, 1976. - 368 с.

74 Тепловой расчёт котлов(нормативный метод) /под ред. Г. М. Кагана;-СПБ.:НПО ЦКТИ, 1998. - 256 с.:ил.

75 Федоровский К.Ю.Теплопередача: учебн. / К. Ю. Федоровский. - Севастополь: СЕВ НТУ, 2012. - 302 с.

76 Федоров С.Ф., Алексеев М.С., Лаврентьева Ю.И. Сравнение методов моделирования турбулентных течений. Опубликовано: в сборнике трудов "Молодежь. Техника. Космос: труды II Общероссийской молодежной научно-технической конференции", изд-во БГТУ "Военмех" им. ДФ Устинова -СПб. : 2010-с. 19-21

77 Филатов Е.Ю., Ясинский Ф.Н. Математическое моделирование течений жидкостей и газов. Учебное пособие. - Иваново: ФГБОУ ВГ10 «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». — 2007. — 128 с.

78 Фокин В.М. Основы энергосбережения и энергоаудита. - М.: Машиностроение, 2006. - 256 с.

79 Фролов К.В. Машиностроение. Том IV-18. Котельные установки/ Ю.А. Рундыгин, Е.Э. Тильде, A.B. Судаков и др. ; Под ред. Ю.С. Васильева, Г.П. Поршнева. - 2009. - 400 с.

80 Хряпченков А. С. Судовые вспомогательные и утилизационные котлы: Учебное пособие. - 2-е изд. перераб. и доп. - Л.: судос троение, 1988. - 296 с.

81 Чечёткин А. В., Заневовец Н. А. Теплотехника: Учеб. для хим. - технол. спец. ВУЗов. - М.: Высш. шк, 1986. - 344 с.

82 Шашков В.Б. Обработка экспериментальных данных и построение эмпирических формул. Курс лекций. Учебное пособие. Оренбург, ГОУ ОГУ, 2005. -150 с.

83 Шураев О. П., Пискулин В. Г. Математическая модель и проектирование рекуперативных теплообменных аппаратов для судовых энергетических установок. // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. №2(октябрь). - 2013. - С. 196.

иъ

84

85

86

87

88

89

90

91

92

93

94

95

96

97

98

99

100

Энергетические установки и теплотехника: [сборник]/[редкол. С. М. Дмитриев (отв. ред.) и др.]. - Нижний Новгород: НГТУ, 2012. - 236 е.: ил. IV - 12.3 Выполнить проектные исследования по созданию новых систем комплексной утилизации теплоты на судах: отчёт о НИР/ научн. рук. П. И. Бажан. - Горький : ГИИВТ, 1988. - 205 с.

Ahsan A. (ed.) Heat Analysis and Thermodynamic Effects, InTech, 2011. 394 p Amano R.S., Sunden B. (eds.) Thermal Engineering in Power Systems, WIT Press, 2008. 416 p

Annaratone D. Steam Generators: Description and Design, Springer, 2008. 427 p Basu P., Kefa C., Jestin L. Boilers and Burners: Design and Theory, SpringerVerlag New York, 2000. XIII, 566 p

Bott T. Fouling of Heat Exchangers, Elsevier Science. 1995. 546p

Cao E. Heat Transfer in Process Engineering, McGraw-Hill Professional, 2009.

576 p

Flanagan G.T.H. Marine boilers, 3rd ed. - Butterworth-Heinemann, 1990. 120 p Gilman G.F. (Jerry) Boiler Control Systems Engineering, 2nd ed. - International Society of Autimation, 2010. XIII, 198 p

Gilman J. Boiler Control Systems Engineering, ISA-Instrumentation, Systems, and Automation Society. 2005. 144p

Gupta J.P. Working with heat exchangers - questions and answers, Hemisphere Publishing Corporation, 1990, 607 pages

Hesselgreaves J. Compact Heat Exchangers: Selection, Design and Operation, Pergamon. 2001. 416p

Kaka<? S. Heat Exchangers: Selection, Rating, and Thermal Design, CRC Press; 2 edition. 2002. 520p

Kuppan T. Heat Exchanger Design Handbook, Marcel Dekker, 2000. 1119 p Levenspiel O. Engineering Flow and Fleat Exchange, 3rd edition, Springer Sci-ence+Business Media, New York, 2014, 398 p

Menter F. R. Eddy Viscosity Transport Equations and their Relation to k-e the Model. NASA Technical Memorandum 108854, November 1994.

lit

101 Menter F.R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications // AIAA Journal .1994. V. 32, № 8. P. 1598-1605.

102 Milton J.H., Leach R.M. Marine Steam Boilers, L.: Butterworth-Heinemann, 1980. — 597 p

103 Mukherjee R. Practical Thermal Design of Shell-and-Tube Heat Exchangers, Begell House, 2004, 243 pages

104 Podhorsky M., Krips H. Heat Exchangers: A Practical Approach to Mechanical Construction, Design, and Calculations, Begell House, 1998. 229 p

105 Rayaprolu K. Boilers for power and process, CRC Press. 2009. 745p

106 Russell T., Robinson A. Mass and heat transfer: analysis of mass contactors and heat exchangers, Cambridge University Press. 2008. 375

107 Schlunder E.U. Heat Exchanger Design Handbook, Taylor & Francis Inc., 1st Issue, 1983. 2305 p

108 Serth R.W. Process Fleat Transfer: Principles and Applications, Academic Press, 2007. 770 p

109 Shah R.K., Sekulic D.P. Fundamentals of heat exchanger design, John Wiley & Sons, 2003.941 p

110 Smith E.M. Advances in Thermal Design of Heat Exchangers: A Numerical Approach: Direct-sizing, step-wise rating, and transients, John Wiley & Sons Ltd, 2005, - 530 p

111 Stewart M., Lewis O.T. Heat Exchanger Equipment Field Manual: Common Operating Problems and Practical Solutions, 1st Edition. — Gulf Professional Publishing, Elsevier, 2013. 488 p

112 Stolten D., Scherer V. (ed.) Transition to Renewable Energy Systems: Energy Process Engineering, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2013. 977 p

113 Thulukkanam K. Heat Exchanger Design Handbook, Second Edition. — CRC Press, Taylor & Francis Group,2013. LVI, 1186 p

114 Zhang L-Z. Conjugate Heat and Mass Transfer in Heat Mass Exchanger Duct, First edition. — Elsevier Inc., 2014. XVII, 391 p