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 |

Методика теплового расчёта систем подогрева груза при его разделении в объёме танка наливного судна

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи











АЛЯУТДИНОВА Юлия Амировна

Методика теплового расчёта
систем подогрева груза
при его разделении в объЁме танка наливного судна

специальность 05.08.05 – Судовые энергетические установки и их элементы

(главные и вспомогательные)

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук














Астрахань – 2012

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «АГТУ») на кафедре «Безопасность жизнедеятельности и гидромеханика»

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Яковлев Павел Викторович;

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Селиванов Николай Васильевич;

ФГБОУ ВПО «АГТУ»

доктор технических наук, профессор

Петухов Валерий Александрович

(Морская государственная академия);

Ведущая организация: ОАО Судостроительный завод «Лотос»

Защита состоится « 26 » декабря 2012 г. В 13:00 часов на заседании диссертационного совета Д307.001.07 при ФГБОУ ВПО «АГТУ» по адресу: 414025, г. Астрахань, ул. Татищева, 16а, 2-й учебный корпус, читальный зал научной библиотеки.

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

Автореферат разослан « 23 » ноября 2012 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) 614-366

Учёный секретарь
диссертационного совета,

кандидат технических наук, профессор А. В. Кораблин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В условиях роста цен на энергоресурсы, себестоимость перевозок нефтепродуктов во многом определяется затратами на топливо. Особенность эксплуатации нефтеналивных судов заключается в необходимости подогрева груза, что связано с дополнительным расходом топлива. Учитывая мощность судового энергетического комплекса танкера, даже небольшой процент экономии топлива оправдывает дополнительные капитальные затраты. Как один из вариантов решения проблемы энергосбережения, нами предложен способ снижения тепловой нагрузки на систему подогрева танка путём организации позонного подогрева груза, реализуемого установкой в танке вертикальной перегородки параллельно бортам судна. Энергосберегающий эффект достигается созданием вдоль борта малоподвижного слоя, который является дополнительным термическим сопротивлением, снижая потери тепла через борт. Внесенные изменения повлияли на характер движения груза и распределение температур в его объёме, что и определяет энергосберегающий эффект. Существующие методики расчета судовой энергетической установки не учитывают эти изменения. Экономическая целесообразность внедрения энергосберегающих технологий при перевозке высоковязких нефтепродуктов водным транспортом и необходимость проведения исследований для разработки методики конструктивного расчёта элементов танка и систем подогрева, а также определения оптимальных режимов работы судовой вспомогательной теплоэнергетической установки определяет актуальность настоящей работы.

Определение потребной мощности судового энергетического комплекса, включающего в себя теплообмен при перевозке водным транспортом высоковязких жидкостей, при стационарных режимах работы систем подогрева в танке с позонной системой подогрева и имеющих существенные индивидуальные особенности (теплообмен между перегородкой и бортом танка, теплообмен в прослойке, «всплытие» горячего слоя), это и есть задача, решение которой необходимо учесть при проектировании систем подогрева.

Проблемой исследования является выделение существенных особенностей процессов тепломассообмена при позонном подогреве высоковязкого груза в танке наливного судна и получение расчётных зависимостей для инженерного расчёта параметров систем подогрева и оптимальных геометрических характеристик размещения вертикальной перегородки в танке судна с целью получения энергосберегающего эффекта.

Работа выполнена в соответствии с координационными планами НИР и ОКР, Приоритетными направлениями фундаментальных исследований РАН (одобрено постановлением Президиума РАН от 13.01.1998 г. № 7 – поз. 2.1.4 «Исследования в области энергосбережения и эффективных технологий»), новыми особенностями, возникшими в современных условиях, в том числе современными изменениями структуры грузоперевозок водным транспортом России,; Транспортной стратегией Российской Федерации на период до 2020 г. (Приказ министерства транспорта Российской Федерации от 31 июля 2006 г. № 94); карты проекта «Развитие транспортной системы и повышение конкурентоспособности транспорта»; Федеральным законом Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».

Цель диссертационной работы заключается в разработке новой методики конструктивного расчёта и рабочих параметров систем подогрева в танке наливного судна при использовании позонного подогрева для достижения энергосберегающего эффекта.

Задачи, решаемые в работе. Для достижения поставленных целей необходимо решить комплекс следующих научных задач:

  1. Выделить существенно влияющие особенности процессов тепломассобмена в танке наливного судна со сложной геометрией, включающей разделение груза на зоны, параметры, определяющие потери тепла и потребную мощность системы подогрева при разных граничных условиях.
  2. Разработать численную модель процесса стационарного тепломассообмена в танке наливного судна, учитывающую влияние конструктивных особенностей системы подогрева и деление груза в танке на зоны.
  3. Получить теоретические зависимости для расчёта процессов теплообмена в танке наливного судна и оценить достоверность полученных результатов.
  4. Разработать методику конструктивного расчёта систем подогрева танков наливного судна при установки вертикальной перегородки и их энергосберегающие режимы.

Объект исследования: система подогрева танка в едином комплексе с вспомогательной судовой энергетической установкой наливного судна для перевозки высоковязких жидкостей с системой деления груза на зоны.

Методологическую основу исследования составляет единство теоретического и экспериментального подходов к исследованию теплообменных процессов при транспортировки 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.

Методы исследования. На различных этапах опытно-экспериментальной работы для решения поставленных задач и подтверждения гипотезы использовался комплекс методов: 1) изучение и обобщение исследований по проблеме тепломассообмена при транспортировке высоковязких жидкостей; 2) теоретический анализ стационарного теплообмена в танке наливного судна при установке вертикальной съёмной перегородки; 3) проверка полученных результатов сопоставлением с существующими данными замеров температурных полей в танке наливного судна и экспериментальная проверка; 4) статистико-математические методы обработки данных; 5) математическое моделирование процессов тепломассообмена; 6) численный эксперимент на компьютерных моделях; 7) анализ, изучение и обобщение полученных данных.

Достоверность результатов исследования обеспечивалась использованием фундаментальных законов тепломассообмена, методом 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.

Практическая значимость работы:

  1. Предложена энергосберегающая технология перевозки высоковязких жидкостей танкерами, обеспечивающая до 8–10 % экономии затрат тепла на поддержание температуры груза во время рейса и металлоемкости системы подогрева.
  2. Разработана методика расчёта систем подогрева груза в танке наливного судна, учитывающая деление груза в танке на зоны и позволяющая проводить технико-экономический анализ проектно-конструкторских решений на стадии проектирования наливных судов с целью минимизации капитальных и эксплуатационных затрат при перевозке высоковязких грузов.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

    1. Результаты численных и экспериментальных исследований работы системы подогрева танка наливного судна при перевозке высоковязких жидкостей с их делением в танке на зоны легкой вертикальной перегородкой.
    2. Режимы теплообмена в объёме танка, ограниченном перегородкой при различных размерах, граничных условиях, теплофизических свойствах груза и режимах работы системы подогрева.
    3. Критериальное уравнение для расчёта теплообмена от вязких нефтепродуктов к стенке танка, учитывающее деление груза в танке на зоны.
    4. Методика конструктивного расчёта систем подогрева груза в танке со сложной конструкцией набора судна и делением груза на зоны вертикальной перегородкой.

Личный вклад автора. В диссертацию включены результаты, полученные автором, в том числе с консультацией научного руководителя.

Апробация и внедрение результатов исследования. Основные положения и результаты исследования докладывались и обсуждались на 1-й и 2-й научно-практических конференциях «Новейшие технологии освоения месторождений углеводородного сырья и обеспечения безопасности экосистем Каспийского шельфа», Международной научно-практической конференции, посвящённой 80-летию Астраханского государственного технического университета, 10-й научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», итоговых научно-практических конференциях Астраханского государственного технического университета в 2010–2012 гг., Астраханского Инженерно-строительного института в 2007–2009 гг.

Публикации. Основные результаты диссертации докладывались на 4-х Международных конференциях, опубликованы в 10 работах, в том числе в 3-х изданиях, рекомендуемых ВАК, по результатам работы получен патент на полезную модель. В работах, опубликованных в соавторстве и приведённых в списке литературы, соискателю принадлежат: [1], [2], [4], [5] -40%; [3], [6], [9], [10] -30%; [7], [8]-100%.

Структура и объём работы. Диссертационная работа изложена на 139 страницах, состоит из введения, списка условных обозначений, 4-х глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа иллюстрирована 25 рисунками, содержит 63 формулы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

В первой главе проведён анализ особенности развития российского рынка и его основные пути развития. В настоящее время происходит увеличение грузооборота наливного флота, проектируются и строятся новые танкеры. Расширение рынка перевозок, в том числе в зоне Арктического бассейна, определяет актуальность вопросов энергосбережения, т. к. энергозатраты и связанная с ними себестоимость перевозок при низких температурах окружающей среды существенно возрастают. Внедрение энергосберегающих технологий в этих условиях определяет конкурентоспособность отечественных судоходных компаний. В результате анализа особенностей современного рынка перевозок выделены условия эксплуатации и основные конструктивные и размерные характеристики строящихся и проектируемых судов, используемые для проектирования судового энергетического комплекса.

Во второй главе проанализированы способы исследования процесса теплообмена в танке судна и выбраны методы исследования: экспериментальный и метод математического численного моделирования, позволяющие исследовать теплообмен в танке в широком диапазоне определяющих параметров с последующей проверкой результатов сопоставлением с экспериментальными данными. Для реализации численной модели разработан алгоритм, использующий сведение материального и энергетического балансов, расчёт производился методом контрольного объёма. Для реализации численного метода дифференциальные уравнения представлены в разностном виде. В координатах x, y, z уравнение энергии в разностном виде имеет вид:

(2.1)

Уравнение энергии дополняется уравнениями движения (Навье–Стокса). Для оси ОХ уравнение имеет вид:

(2.2)

По остальным координатным осям преобразование происходит аналогично. Выполнение массового баланса обеспечивается уравнением сплошности. Начальные условия для поля температур определены условиями залива груза:

(2.3)

Для построения модели предложен подход, базирующийся на аналогичном подходе Рейнольдса. Сопоставление уравнений переноса тепловой энергии для ламинарного режима и для турбулентного течения жидкости позволяет сравнить процессы теплопереноса и вязкого трения, количественное соотношение которых представляет собой число Прандтля (4). Для определения эффективного значения коэффициента вязкости используют экспериментальные значения эффективного коэффициента теплопроводности:

(2.4)

В третьей главе приводятся результаты экспериментального исследования и численного моделирования процессов тепломассообмена в танке с использованием энергосберегающего деления груза на зоны. Конструктивное исполнение танка представлено на рис. 1.

 Устройство для снижения-6 Рис. 1. Устройство для снижения теплтеплопотерь от разогретой жидкости в танках судна Система подогрева работает следующим образом: от трубчатых подогревателей (2), расположенных в донной части танка (1), горячая жидкость поднимается вверх и распределяется по всему объёму танка. После установки легкой перегородки (3) поле течений разделяется на две зоны: горячий объём жидкости (4) и холодный слой жидкости у стенки танка (5). Дренажный зазор позволяет произвести полную выгрузку жидкости из танка.

Для исследования особенностей тепломассообмена груза в танке судна произведены экспериментальные исследования (рис. 2–7). Эксперименты проводились на модели танка. На рисунках выделены основные характерные особенности движения груза. В первой зоне (рис. 2) формируется устойчивое циркуляционное течение, движущими силами которого являются нагрев жидкости в донной части танка и охлаждение у поверхности и внешних холодных стенок. Во второй зоне (рис. 3) наблюдается влияние краевых эффектов с формированием угловой зоны. Поток разделяется на две части. Одна часть потока спускается по перегородке, где виден пограничный слой, вторая часть, встречаясь с тепловым слоем, движущимся из первой зоны, начинает закручиваться против часовой стрелки. В третьей зоне (рис. 4) наблюдается стекание холодного потока жидкости по перегородке. В нижней части этот слой жидкости соединяется с холодным малоподвижным придонным слоем жидкости. На некотором расстоянии от дна поток делится на две части. Первая часть отрывается от стенки и смешивается с теплым слоем от нагревателей, вторая – движется вдоль дна в сторону циркуляционного потока груза и перед нагревателями вновь делится на две части: часть груза закручивается, формируя угловую вихревую зону, часть подтекает к нагревателям.

Рис. 2. Экспериментальная установка Рис. 3. I зона – тепловой след нагревателей Рис. 4. II зона – вихревое движение жидкости вдоль стенки перегородки

Четвёртая зона (рис. 5) является зоной влияния борта и днища судна. Здесь наблюдаются наиболее низкая температура и скорость движения груза. Из-за дренажного зазора происходит массообмен груза в основном объёме танка и в зазоре. В пятой зоне (рис. 7) происходит разделение потока жидкости на отдельные вихревые ячейки.

Рис. 5. III зона – образование вторичного вихря в угловой зоне Рис. 6. VI зона – малоподвижный слой жидкости в нижней части прослойки между наружной стенкой и перегородкой Рис. 7. V зона – вихревые ячейки жидкости между наружной стенкой и перегородкой


Pages:   || 2 |
 





 
© 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.