авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Тепломассообмен и энергосберегающие режимы работы систем подогрева танкеров при перевозке высоковязких застывающих жидкостей

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Ачилова Наталья Балтаевна

ТЕПЛОМАССООБМЕН и энергосберегающие режимы

работы систем подогрева танкеров при перевозке

высоковязких ЗАСТЫВАЮЩИХ жидкостей

специальность 05.08.05 – Судовые энергетические установки и их элементы

(главные и вспомогательные)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Астрахань - 2011

Работа выполнена в ФГОУ ВПО

«Астраханский государственный технический университет» (ФГОУ ВПО «АГТУ»)

на кафедре «Безопасность жизнедеятельности и гидромеханика»

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Яковлев П.В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Селиванов Николай Васильевич

кандидат технических наук, доцент

Маркин Валериан Константинович

Ведущая организация: Нижне-Волжский филиал Россий­ского

Речного Регистра

Защита состоится «29» июня 2011 г. В 10:00 часов на заседании диссертационнго совета Д307.001.07 при ФГОУ ВПО «АГТУ» по адресу:

414025, г.Астрахань, ул.Татищева, 16а, 2 учебный корпус, читальный зал научной библиотеки.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «АГТУ».

Автореферат разослан « » мая 2011 г.

Отзывы в двух экземплярах, скрепленные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 414025, г. Астрахань, ул. Татищева, 16, АГТУ.

Эл. почта: astra137@mail.ru Факс: (8-8512) 25-73-68

Ученый секретарь Диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент А.В.Кораблин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Рост объемов перевозок, значительная доля нефтепродуктов в грузоперевозках водным транспортом, необходимость строительства новых танкеров, адаптированных для эксплуатации при низких температурах, и создание судов для перевозки таких уникальных грузов, как сера и ортофосфорная кислота при соблюдении условий экологической безопасности и энергетической эффективности, ставят задачу разработки новых методик проектирования и расчетов режимов работы судовых систем.

Энергосбережение является одной из важнейших задач, решаемых при проектировании систем подогрева груза и разработке режимных карт. Отключение подогрева танков во время рейса позволяет снизить расход топлива. Выполнение существующих требований по температурным режимам транспортируемых жидкостей на момент выгрузки и сокращению количества остатков груза в танке обеспечивается своевременным включением подогрева.

Необходимость создания методик расчета нестационарных процессов тепломассообмена в танках наливных судов, обеспечивающих надежность работы судовых энергетических установок и эффективное использование энергоресурсов, недостаточная изученность нестационарных процессов тепломассообмена, в том числе учитывающих возможность застывания груза во время рейса и являющихся определяющими в разработке режимов работы судовых энергетических комплексов, определяют актуальность данной работы.



Работа выполнена на кафедре «Безопасность жизнедеятельности и гидромеханика» ФГОУ ВПО «АГТУ» в соответствии с координационными планами НИР и ОКР в соответствии с Приоритетными направлениями фундаментальных исследований РАН (одобрено постановлением Президиума РАН от 13.01.98 г. №7 – поз. 2.1.4 «Исследования в области энергосбережения и эффективных технологий»); Региональной программой «Научно-технические и экологические проблемы освоения и эксплуатации Астраханского газоконденсатного месторождения» (1990 г.), а также в соответствии с новыми особенностями, возникшими в современных условиях, в том числе современными изменениями структуры грузоперевозок водным транспортом России, принятием: Федеральной целевой программы «Модернизация транспортной системы России (2002-2010гг)»; Транспортной стратегии Российской Федерации на период до 2020 года (Приказ министерства транспорта Российской Федерации от 31 июля 2006 года N 94); карты проекта "Развитие транспортной системы и повышение конкурентоспособности транспорта"; Федерального закона Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. N 261-ФЗ "Об энергосбережении, повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации ".

Цель диссертационной работы. Создание надежных методов расчета потерь теплоты при перевозке высоковязких жидкостей наливным судном при нестационарном режиме работы систем подогрева.

Для достижения поставленных целей необходимо решить комплекс следующих научных задач:

  1. выделить существенные особенности процессов тепломассобмена в танке наливного судна при остывании и разогреве груза, определяющих изменение потерь теплоты во время рейса;
  2. разработать численную модель процесса нестационарного тепломассообмена в танке наливного судна, осложненного фазовым переходом;
  3. получить теоретические зависимости для расчета процессов тепломассообмена в танке наливного судна и оценить достоверность полученных результатов;
  4. на основе полученных зависимостей предложить методики конструктивного расчета систем подогрева танков наливного судна и разработки их энергосберегающих режимов работы.

Объект исследования: единый комплекс судовой энергетической установки и системы подогрева танка наливного судна при перевозке высоковязких застывающих жидкостей.

Методологическую основу исследования составляет единство теоретического и экспериментального подходов к исследованию тепломассообменных процессов при транспортировке высоковязких жидкостей наливными судами, современные концепции в области теплофизики, использование теории физического подобия для обобщения полученных результатов исследования, применение современного программно-аппаратного комплекса для изучения теоретических моделей, системный подход, ведущие положения теории тепломассообмена.

Достоверность и обоснованность. Результаты исследования получены с использованием фундаментальных законов тепломассообмена, методов решения дифференциальных уравнений и численных методов анализа, целостным подходом к решению проблемы, методологической обоснованностью и непротиворечивостью исходных теоретических положений исследования, разработкой адекватной предмету исследования методики опытно-экспериментальной работы, экспериментальным подтверждением основных результатов исследования, научной обработкой полученных в ходе эксперимента данных и оценкой экспериментальных данных различными методами.

Научная новизна результатов работы.

  1. Исследован процесс тепломассообмена при остывании и разогреве высоковязкой жидкости в танке наливного судна в условиях нестационарного процесса тепломассообмена, осложненного фазовыми превращениями.
  2. Обобщены полученные результаты исследования процесса тепломасообмена при остывании груза в условиях его застывания и предложены уточненные критериальные уравнения для расчета коэффициентов теплоотдачи и толщины застывшего слоя.
  3. На основе анализа особенностей тепломассообмена при перевозке высоковязких застывающих жидкостей наливным судном предложены научные основы расчетов систем подогрева и планирования режимов работы судовых энергетических комплексов.

Практическая значимость работы.

  1. Разработаны методики расчета процессов нестационарного теплообмена при перевозке высоковязких жидкостей водным транспортом, позволяющие проводить технико-экономический анализ проектно - конструкторских решений на стадии проектирования наливных судов с целью минимизации капитальных и эксплуатационных затрат при перевозке высоковязких грузов, а также получить достоверные данные для проектирования систем подогрева, позволяющие работать в нестационарном режиме и применять энергосберегающие режимы их работы.
  2. Предложены энергосберегающие режимы работы систем подогрева в танках наливного судна при перевозке высоковязких жидкостей, основанные на нестационарном режиме их работы.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

  1. Результаты численного и экспериментального исследований теплообмена при перевозке высоковязких застывающих жидкостей в изолированных и неизолированных танках наливных судов в диапазонах определяющих параметров: Prж=51022103; Rah,ж=610125109; Foh,ж=10-510-3.
  2. Методики расчета динамики роста слоя застывшего транспортируемого груза на стенках и днище танка и потерь теплоты в режиме остывания без подогрева, осложненного фазовыми превращениями.
  3. Полученные критериальные зависимости для расчета тепломассообмена, учитывающие динамику изменения интенсивности тепломассообмена при остывании транспортируемого груза, критериальное уравнение, обобщающее результаты расчета динамики роста застывшего слоя.

Личный вклад автора. В диссертацию включены результаты, полученные лично автором, в том числе - с использованием консультаций научного руководителя.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследования докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции «Повышение безопасности энергетических комплексов, эффективности охраны труда и экологичности технологических процессов», Астрахань, 2010 г.», Международной научно - практической конференции, посвященной 50-летию кафедры «Безопасность жизнедеятельности и гидромемеханика» ФГОУ ВПО «АГТУ», 2010 г., 1-й научно-практической конференции «Новейшие технологии освоения месторождений углеводородного сырья и обеспечения безопасности экосистем Каспийского шельфа», Х научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», Санкт-Петербург, 2010 г., межрегиональном научном семинаре «Использование результатов фундаментальных научных исследований в судостроении и эксплуатации флота Юга России», Астрахань, 2010 г., на итоговых научно-практических конференциях АГТУ в 2004-2010 г., Астраханском инженерно-строительном институте в 2004-2008 г.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 9 работах, в том числе в 4 изданиях, рекомендуемых ВАК, по результатам работы подана заявка и получено положительное решение о выдаче патента на полезную модель. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в списке литературы, лично автору принадлежит: [1], [2] – 50%, [3], [4], [5], [6] – 40%.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, списка условных обозначений, 4-х глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем работы – 132 с. и приложения. В работе использовано 201 отечественный и 32 зарубежных источника. Работа иллюстрирована 21 рисунком, содержит 80 формул.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

В первой главе рассмотрены перспективы развития рынка перевозки наливных грузов водным транспортом и определены приоритетные направления для отечественного танкерного флота в части климатических условий и продолжительности рейса. Выделены специфические требования к исполнению танкеров в части водоизмещения и климатических условий эксплуатации, обобщены существующие данные по конструктивному исполнению и режимам работы систем подогрева груза в танках наливных судов, выявлены основные возможности внедрения энергосберегающих технологий при проектировании и разработке режимов работы систем подогрева танкеров, сформулированы основные направления исследования и проблемы, требующие решения, среди которых повышение точности расчета режима разогрева груза с учетом особенностей его остывания и сформировавшихся температурных полей в период рейса и разработка методики расчета нестационарных режимов работы системы подогрева.

Во второй главе выделены особенности физических свойств и перевозки следующих грузов: нефтепродуктов, расплава серы, ортофосфорной кислоты. Выполнен анализ существующих методик расчета процессов тепломассообмена при транспортировке высоковязких жидкостей в танке наливного судна. Выявлено, что существенную погрешность в результаты расчетов вносят допущения о постоянстве граничных условий со стороны груза и постоянство температуры в твердом слое, что не соответствует реальным условиям теплообмена в танке.





На основе обобщения существущих решений, предложено численное решение задачи тепломассообмена в танке с учетом застывания груза. Для корректного решения задачи Стефана при остывании груза нелинейность температуры застывшего слоя можно учесть уравнением, описывающим температурное поле в слое твердой фазы в виде поправочной функции:

=ср[1/(+1)] - (, Fo). (1)

Известное решение для функции в виде разложения по мгновенным собственным функциям позволило преобразовать исходные уравнения к системе обыкновенных дифференциальных уравнений:

(2)

а условия Стефана на границе раздела фаз в разработанной с участием автора численной модели приняты в виде:

. (3)

Приведенные уравнения использованы как базовые для построения численной модели теплообмена в условиях остывания груза с застыванием. Усложнение решения задачи с переменным направлением теплового потока, таким, как остывание и разогрев, характерное для условий реальной перевозки жидких грузов, потребовало пошагового уточнения модели во времени с учетом нестационарности, произвольного закона изменения граничных условий во времени, зависимости физических свойств от температуры и фазового состояния.

В третьей главе излагается методика построения модели и алгоритма расчета процессов тепломассообмена в танке, а также приведены основные результаты расчета.

При разработке модели приняты следующие допущения:

  • теплообмен между окружающей средой и внутренней поверхностью ограждающей емкости описывается уравнением теплопередачи;
  • теплообмен в твердой фазе происходит по законам нестационарной теплопроводности;
  • теплота фазового перехода выделяется на границе раздела фаз;
  • температура на границе раздела фаз равна температуре застывания -t;
  • теплообмен на границе раздела фаз осуществляется за счет свободной конвекции;
  • теплообмен в ядре рассчитывается с использованием эффективного коэффициента теплопроводности.

Принятые допущения достаточно обоснованы, т.к. темп охлаждения мал (а следовательно и скорость роста твердой фазы), что позволяет не вводить поправку на задержку в образовании центров кристаллообразования. Исследования, проведенные автором, подтвердили принятое допущение о равенстве температуры на границе раздела фаз температуре застывания. С учетом принятых допущений система дифференциальных уравнений теплопроводности для слоя твердой и жидкой фаз имеет вид:

;

. (4)

При начальных и граничных условиях первого рода на стенке:

. (5)

Для граничных условий третьего рода на стенке:

y = 0: -; t(,) = t; t(y,0) = t0(y) (0) =0;

. (6)

Коэффициент теплоотдачи принят исходя из известных уравнений. На границе раздела фаз при ламинарном режиме течения коэффициент теплоотдачи находится из уравнения:

. (7)

Для турбулентного режима движения коэффициент теплообмена рассчитывается:

. (8)

Значительные изменения параметров окружащей среды не позволяют дать достоверную оценку интенсивности теплобмена с внешней стороны борта. Так как этот вклад в общее термическое сопротивление относительно мал, в расчетах приняты приближенные значения термического сопротивления борта и днища.

Изменение толщины застывшего слоя определяется из теплового баланса на границе раздела фаз исходя из условий Стефана (3). Решение уравнений получено численным методом с применением неявной разностной схемы. Дифференциальные уравнения интегрируются по объему с контролем выполнения балансовых уравнений. Для вычисления интегралов предложено использовать линейную интерполяцию, описывающую изменение температур между узловыми точками. Температура и физические свойства рабочего тела определялись для центра элементарной ячейки на каждом шаге времени. Потоки находились на гранях объемов.

Начальные условия принимались на момент заполнения танка грузом с заданной температурой, имеющим постоянную температуру, что соответствует реальным условиям загрузки, сопровождающимися интенсивным перемешиванием жидкости: t(x,y) = const = tж,0 ( = 0).

В расчетах приняты граничные условия третьего рода с учетом поправки сопротивления двойных борта и днища к термическому сопротивлению. Алгоритм расчета учитывал различие в механизмах распространения теплоты до начала образования слоя твердой фазы и после начала фазового перехода. Осуществление баланса теплоты по контрольному объему позволило фиксировать начало и завершение фазового перехода в пределах объема ячейки, что физически соответствовало присутствию источника теплоты в ячейке, в которой происходило выделение теплоты фазового перехода, компенсирующей разницу потока теплоты через грани соответствующей ячейки. На первом этапе относительная начальная температура перегрева жидкости соответствовала условию:

ж,0 = ( tж,0 – t )/(t -tср ) при tc t..

При ж,0 1 начинает образовываться застывший слой.

Исследования проведены в диапазоне изменения определяющих параметров: Fo=10-610-3; Pr=51022103; Ra=510961012. Обработка полученных результатов выполнялась в безразмерном виде.

Анализ динамики изменения температурных полей подтвердил основные закономерности процесса остывания жидкости при хранении. На рис. 1 приведен график изменения температуры мазута 40 в придонной зоне. Полученные результаты показывают, что температура груза на поверх-

 Динамика изменения температуры на-11 Рис. 1. Динамика изменения температуры на различных уровнях танка ности ограждения практически сразу снижается до температуры фазового перехода, а дальнейшее охлаждение сопровождается наращиванием застывшего слоя. Динамика этих процессов выше у ортофосфорной кислоты, что объясняется особенностями ее теплофизических свойств. Рост толщины затвердевшего слоя сопровождается ростом термического сопротивления со стороны ограждения и, как следствие, существенным уменьшением плотности теплового потока.


Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.