автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Повышение эффективности совместной работы судового дизеля и утилизационного котла на долевых режимах

На правах рукописи

РГо ОД 2 2 ДЕК 2000 •

ТАМАНДЖА ИБРАГИМ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ СУДОВОГО ДИЗЕЛЯ И УТИЛИЗАЦИОННОГО КОТЛА НА ДОЛЕВЫХ РЕЖИМАХ

Специальность: 05.08.05 - Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

АСТРАХАНЬ - 2000

Работа выполнена в Астраханском государственном техническом универси тете (АГТУ)

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Покусаев М.Н.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Овсянников М.К. кандидат технических наук, старший научный сотрудник ЦНИИМФ, Смольник А.Ю.

Ведущая организация: Каспийское акционерное общество «Каспрыбхолодфлот»

Защита состоится 6 декабря 2000 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д. 101.02.01. в Государственной морской академии имени адмирала С.О. Макарова по адресу: 199026, г. Санкт Петербург, 22-я линия, дом 9, ауд.21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Академии. Автореферат разослан » 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета.

доктор технических наук, профессор пл^С^^' Жадобин Н.Е.

0455.54 -ШЛ -0-иШ)

Актуальность проблемы. Одной из важнейших задач развития народного хозяйства РФ является всемерная экономия топливно-энергетических ресурсов. В связи с этим повышение эффективности использования органического топлива в судовых энергетических установках было и остается актуальной задачей. Одним из перспективных путей решения этой задачи, а во многих случаях единственным, является утилизация теплоты отработавших газов (ОГ) главных и вспомогательных дизелей.

Теоретические и экспериментальные исследования Коршунова Л.П., Маницына В.В., и анализ загрузки главных и вспомогательных дизелей рыбопромысловых судов Волго-Каспийского региона доказали недостаточную эффективность использования теплоты ОГ на различных режи-^ мах работы комплексов дизеля и утилизационного котла (УК) (например, долевых, которые составляют большую часть времени работы дизелей рыбопромыслового флота). Кроме того, методики расчетов и выбора УК не совсем совершенны, и отсутствуют научно обоснованные рекомендации по их эксплуатации.

Для решения этих задач следует проводить работы, направленные на схемное и режимное совершенствование совместной работы дизеля и УК на долевых режимах.

Цель и задачи исследования. Улучшение условий и повышение эффективности совместной работы дизеля и УК.

В соответствии с этой целью определены следующие основные задачи исследования:

- теоретическое исследование условий работы судовых энергетических установок с УК на долевых режимах нагружения;

- анализ существующих способов повышения эффективности совместной работы комплекса дизель - УК. Обоснование нового технического решения;

- разработка устройства для повышения эффективности совместной работы комплекса дизель - УК;

- экспериментальное исследование поставленной проблемы на опытной установке в условиях, приближенных к эксплуатационным для дизелей, работающих как по винтовым, так и по нагрузочным характеристикам;

- разработка на основе полученных результатов рекомендаций по оптимальной организации, схемам и режимам работы дизеля и УК в соответствующих режимных диапазонах работы судна;

- регрессионный анализ экспериментальных данных с разработкой математических моделей основных характеристик утилизационного комплекса судовых дизельных энергетических установок.

Методика исследования. В теоретической части диссертации приводятся результаты расчётно-теоретических исследований совместной работы дизеля и УК (показатели систем малой утилизации теплоты, выбор методики расчёта, определение количества теплоты, которое может быть принято системой утилизации в зависимости от мощности дизеля, выводы).

Для проведения экспериментальных исследований было разработано устройство для улучшения совместной работы дизеля и УК. Это устройство смонтировано на базе экспериментального комплекса дизель 6ЧН15/18 - утилизационный водогрейный котел (УВК) КАУ - 1,7. Исследования на данном комплексе проводились методом активного эксперимента.

Научная новизна результатов исследований состоит в следующем:

- разработана математическая модель функционированш комплекса дизель - УВК;

— получены характеристики совместной работы дизеля и

УВК;

— исследовано влияние перепуска ОГ, как средства повышения технико-экономических показателей комплекса дизель - УВК;

— предложено техническое решение для повышения эффективности совместной работы дизеля и УК.

Практическое значение заключается в том, что:

— разработана математическая модель и получены характеристики совместной работы дизеля и УВК, как научная основа повышения эффективности использования теплоты ОГ дизелей на стадии проектирования комплексов и в процессе их эксплуатации;

— разработаны рекомендации по эксплуатации подобных комплексов, направленные на повышение эффективности утилизации теплоты ОГ дизелей.

Научная новизна и практическое значение результатов работы подтверждаются публикациями, результатами обсуждений на научных конференциях и патентом на изобретение (патент РФ №2151898).

Реализация работы. Результаты данных исследований: переданы для использования при проектировании и модернизации подобного рода установок в ГП «Каспгипрорыбфлот»; положены в основу создания устройства, позволяющего улучшить совместную работу дизеля и УВК; внедрены в учебный процесс при изучении специальных дисциплин студентами специальностей 140200 «Судовые энергетические установки» и 240500 «Эксплуатация судовых энергетических установок» в АГТУ.

Апробация работы. Диссертационная работа в процессе разработки ежегодно обсуждалась на заседаниях кафедры «Судовые силовые установки» и ученого совета факультета морских технологий, энергетики и транспорта АГТУ (1997, 1998, 1999гг.). Основные положения диссертации докладывались на ежегодных научно-технических конференциях препода-

вателей и сотрудников АГТУ (1997, 1998, 1999гг.), на международной научно-технической конференции, посвященной 70-летию АГТУ (2000г.) и на Всероссийском научно-техническом семинаре «Актуальные проблемы судовой энергетики» в АГТУ в 2000г.

Публикации. Результаты исследований опубликованы в четырех печатных изданиях, а также в патенте РФ №2151898 «Устройство для утилизации теплоты отработавших газов дизелей».

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения; изложена на 141 странице основного текста, содержит 45 рисунков, перечень литературы из 86 наименовании, пять приложений.

Содержание работы

В первой главе обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, показана научная новизна и практическое значение работы.

Методологической базой диссертации являются исследования таких ученых, как И.Г. Беляев, В.К. Голубев, В.Д. Иванов, C.B. Камкин, Л.П. Коршунов, В.Г. Кривов, А.Г. Курзон, В.В. Маслов, М.К. Овсянников, В.М. Селиверстов, З.А. Хандов и др.

Был произведён анализ загрузки главных и вспомогательных дизелей судов Волго-Каспийского региона. Результаты показали, что долевые нагрузки как главных, так и вспомогательных дизелей с газотурбинным наддувом, работающих на УК, занимают значительное место в спектре их эксплуатационных нагрузок.

На рис. 1 в качестве примера показана загрузка вспомогательных дизелей на ходовых и промысловых режимах, полученная опытно-статистическим методом. Работа вспомогательных дизелей, как правило, характеризуется большими отклонениями от номинальной мощности.

Длительное время вспомогательные дизели работают со значительными недогрузками.

Показано, что при совместной работе дизеля и УК на долевых нагрузках существенно уменьшается массовый расход и температура ОГ, поступающих в УК. Оба эти фактора снижают количество утилизируемой теплоты. Возникает опасность появления низкотемпературной коррозии на поверхностях нагрева УК. Условия теплообмена в УК можно существенно улучшить, если на долевых нагрузках снизить коэффициент избытка воздуха при горении до значений, допустимых по условиям тепловой напряжённости дизеля.

Даны краткие характеристики систем малой утилизации теплоты и особенности их работы на долевых режимах.

ЖМЗ пр. РДОС пр. РДОМС пр. СРТМ пр.

1375 12911 12913 502ЭМ

НХодовой режим ППромысповый режим

Рис.1. Загрузка вспомогательных дизелей рыбопромысловых судов Волго-Каспийского региона на ходовых и промысловых режимах

Вторая глава посвящена расчетно-теоретическому исследованию совместной работы дизеля и УК, целью которого является выяснение того, насколько эффективно теплота ОГ дизеля используется в УК на долевых режимах. Выполнен расчет показателей систем малой (обычной) утилизации теплоты по РТМ 212.0142-86 при работе дизеля по винтовой и

нагрузочной характеристикам. Определены количество теплоты ОГ в системе УК на долевых режимах ()Е, кДж/ч и количество теплоты, которое может быть принято УК <3У, кДж/ч.:

дуЧ'и-^ВгЯн,

где qg - относительное количество теплоты ОГ, направляемое в схему утилизации;

Вг~ часовой расход топлива, кг/ч;

Ч^ - действительный коэффициент использования теплоты ОГ

в УК;

{ЭЦ— 42300 - низшая удельная теплота сгорания дизельного топлива, кДж/кг.

При утилизации в УК используется только часть теплоты ОГ, оцениваемая действительным коэффициентом использования теплоты ОГ:

и коэффициентом использования располагаемого теплоперепада:

где гв2- температура ОГ на входе в УК, °С; ^з- температура ОГ на выходе из УК, °С;

=150°С - температура точки росы в ОГ с соответствующим содержанием серы(8) в топливе ( и БОг, БОз в ОГ).

По результатам расчетов (применительно к комплексу дизель 6ЧН15/18-УВК КАУ-1,7) построены графические зависимости 0„ = Г(Ре), Qy = Г(Ре) и при работе дизеля по нагрузочной (рис. 2, 3) и винто-

вой характеристикам, где Ре - эффективная мощность дизеля.

Полученные результаты расчётного исследования показали определённый резерв энергии ОГ на долевых режимах(Л <3= С>(, - <3У). Ме-

роприятия по повышению эффективности котла были направлены на использование этого резерва. Предполагалось после экспериментального исследования совместить данные с теоретическими (рис.2 и 3)

(310 , кДж/ч

д8(т=30%1

--Аг—

-д,

40 50 60 70 80 ре, кВт 90

Рис.2. Зависимость количества теплоты ОГ на долевых режимах (}„ и количества теплоты, которое может быть принято УК 0 от эффективной мощности дизеля по нагрузочной характеристике __ расчет —А—' —Я— эксперимент

V,

40

50

60

70

80 » п 90 Ре. кВт

Рис.3. Зависимость действительного коэффициента использования теплоты от эффективной мощности дизеля по

нагрузочной характеристике """""" 1Нв(р) - расчет НЯ— Ч'(т=30%) - эксперимент

В третьей главе изложены результаты по анализу и апробации основных способов повышения эффективности совместной работы дизеля и УК на долевых режимах (рис.4). Выяснилось, что поскольку на долевых

Рис. 4

режимах чрезмерно возрастает коэффициент избытка воздуха, то можно добиться повышения эффективности совместной работы дизеля и УК за счет его снижения.

Уменьшение коэффициента избытка воздуха на долевых режимах можно осуществить несколькими способами: за счёт регулирования температуры наддувочного воздуха, дросселирования воздуха на впуске, рециркуляции ОГ с выхлопа на впуск, а также за счёт снижения производительности компрессора в системе газотурбинного наддува путём изменения расхода ОГ, проходящих через турбину турбокомпрессора.

Теоретическими исследованиями было определено, что наиболее эффективно уменьшение коэффициента избытка воздуха обеспечивается снижением производительности компрессора путём уменьшения расхода ОГ через турбину. Это достигается за счёт перепуска части ОГ из газовыпускного трубопровода до турбины непосредственно в УК (рис. 5). На основании этого было предложено устройство для утилизации теплоты ОГ (патент РФ №2151898).

В состав предложенного устройства входит дизель 1, заслонки 2 и 3, позволяющие направлять ОГ либо в турбину турбокомпрессора 4, либо непосредственно в УВК 6 по перепускному трубопроводу 5. При работе дизеля на режимах, близких к номинальному, заслонки установлены так, что все ОГ направляются в турбину, откуда они попадают в УК, а затем уходят в атмосферу.

На режимах работы дизеля от 0,2 до 0,8 номинальной мощности количество ОГ, направляемых в турбину, регулируется положением заслонок, вплоть до полного исключения расхода ОГ через турбину. Такое положение заслонок (ОГ поступают в УК минуя турбокомпрессор) позволяет повысить температуру ОГ на входе в УК, расширяя тем самым диапазон его работы и повышая эффективность комплекса.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям (описание экспериментальной установки, методика проведения испытаний,) и регрессионному анализу. Испытания проводились на экспериментальном комплексе, включающем в себя дизель 6ЧН15/18; нагрузочное устройство - гидротормоз ЛЕ - 4 - 4,5; УВК КАУ - 1,7; системы, обслуживающие дизель и УВК; контрольно-измерительные приборы и автоматику.

Дизель посредством муфты соединён с гидротормозом. Механическая энергия, вырабатываемая дизелем, превращается в тепловую за счёт трения воды об активную поверхность ротора и корпуса гидротормо-

за. Выделяемая при этом теплота отводится протекающей через гидротормоз водой.

Тормозной момент, создаваемый гидротормозом, изменяется за счёт количества протекающей воды, а его величина определяется с помощью динамометра ДПУ - 0,5 - 2, установленного на плече 0,272 м. Частота вращения ротора гидротормоза измеряется ручным тахометром ТЧ - ЮР. Мощность фиксируется по тормозному моменту и частоте вращения коленчатого вала дизеля.

Основные показатели дизеля 6ЧН15/18: номинальная мощность в составе комплекса - Ре = 100 кВт, при частоте вращения — п = 1500 об/мин.

Экспериментальный комплекс позволяет проводить испытания дизеля по винтовым и нагрузочным характеристикам, определять количественный состав теплового баланса и оценивать эффективность использования теплоты ОГ в УВК КАУ - 1,7.

Для реализации перепуска ОГ мимо турбины турбокомпрессора на экспериментальном комплексе смонтирован перепускной трубопровод, позволяющий с помощью заслонок на основном и перепускном трубопроводе регулировать количество ОГ, направляемых в турбину или непосредственно в УВК (рис. 5).

Устанавливая заслонки в определённых положениях, можно обеспечивать нулевой, частичный или полный перепуск.

Экспериментальный комплекс снабжён измерительными приборами, позволяющими снять показания для оценки влияния перепуска на такие его основные показатели как: эффективная мощность дизеля Ре, кВт; удельный эффективный расход топлива Ье, кг/(кВт ч); суммарный коэффициент избытка воздуха сс^; расход воздуха Gair, кг/ч; эффективный КПД дизеля т)е,; противодавление за турбиной pg2, МПа; эффективный КПД установки rie'; коэффициент использования теплоты установки г)уст; производи-

тельность котла DK, кг/ч; тепловая мощность котла Рк, кВт; действительный коэффициент использования теплоты ОГ при работе дизеля по винтовой и нагрузочной характеристикам.

При проведении эксперимента по винтовой характеристике были приняты следующие положения открытия площади проходного сечения перепускного трубопровода с помощью заслонки 3 (Рис. 5): ш= О, 25, 50, 75, 100%. Заслонка 2 всегда оставалась открытой. Эксперимент проводился на четырех режимах со следующими задающими значениями: 1-й режим (Ре= 33%, п= 910об/мин); 2-й режим (Ре= 43%, п=1020об/мин); 3-й режим (Ре= 54%, п=1100об/мин); 4-й режим (Ре= 86%, п=1300об/мин).

Анализ результатов этого эксперимента показал, что наиболее заметное изменение показателей происходит между ш= 0 и 25% перепуска. Поэтому при испытании по нагрузочной характеристике, которое проводилось при п= 1406 об/мин были приняты следующие положения заслонки 3: ш= 0, 10,20, 30,100%.

При обработке экспериментальных данных был проведён регрессионный анализ, с использованием програмного продукта «Statgraphics Plus 3.0», позволивший установить статистические зависимости между целевой функцией, в качестве которой для оценки совместной работы дизеля и УВК использовался эффективный КПД установки т|/, рассчитываемый по методике, предложенной в [Хандов 3. А. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Изд. 3-е, доп. М., «Транспорт» 1975 г. 368 е.].

р

где be = р , кг/кВт ч - удельный расход топлива, эквивалентный теплоте, использованной в УВК. В качестве факторов, влияющих на Че', были выбраны следующие: п (только для винтовой характеристики), рс (только для нагрузочной характеристики), be, tg2, pg2.

При работе дизеля по нагрузочной характеристике регрессионная модель совместной работы дизеля и УВК получена в виде:

г)' = 0,687164 - О,73303Ье - 1,85б09р& + 0,00025611Ре + 0,000045437у.

Уравнение регрессионной модели совместной работы дизеля и УВК по винтовой характеристике принимает вид:

7/ = 0,773745 + 0,000045012п - 0,812444Ъе - 2,63302р# -0,000029179у.

Полученные модели обладают хорошими статистическими характеристиками, отражают все существенные стороны изучаемой зависимости и обладают высокой точностью аппроксимации.

Для визуальной проверки качества построенной модели был построен график соотношения наблюдений и предсказаний, который для нагрузочной характеристики представлен на рис.6. Исходя из этого графика, а также с учётом высоких количественных статистических показателей заключаем, что построенная модель достаточно достоверна.

наблюдение

предсказание Рис. 6. Соотношение наблюдений и предсказаний.

В пятой главе представлены результаты расчётно-экспериментального исследования совместной работы дизеля 6ЧН15/18 и УВККАУ- 1,7.

По результатам испытаний были построены нагрузочные [Г(Ре)] и винтовые (Т(п)] характеристики для следующих показателей комплекса:

Вь Р К? Ле тПуст»

Характеристики для основных показателей представлены на рис. 7-12.

Также были построены зависимости показателей комплекса от открытия площади проходного сечения перепускного трубопровода ш, основные из которых вынесены на рис. 13,14.

Оценка погрешности измерений показала, что её значения для основных параметров комплекса не превышают регламентированных ГОСТ 8.011-72.

Анализируя зависимость показателей, можно заметить, что основное изменение контролируемых параметров происходит от т= 0 до 25...30%. При открытии заслонки, установленной на перепускном трубопроводе, снижается расход воздуха, что подтверждает анализ предложенного способа, описанного в третьей главе.

Положение заслонки, при котором достигается наибольший эффект соответствует т= 25...30%. При этом значение коэффициента избытка воздуха лежит в приемлемых пределах. Дальнейшее открытие площади проходного сечения перепускного трубопровода не дает большего эффекта.

Следует заметить также, что эффект от применения предложенного способа снижается при приближении к номинальной мощности.

При перепуске ОГ улучшается качество протекания рабочего процесса и снижается противодавление на выпуске, которое оказывает существенное влияние на технико-экономические показатели дизеля. Действительно, поскольку эффективный КПД дизепя равен произведению индикаторного КПД на механический КПД (г|м): 77« = 77,-г\м, то увеличение г|е, объяснимо ростом ?7, и т]Л1.

ПЙ

0,33

90 Ре, кВт

Рис.7. Зависимость эффективного КПД дизеля от эффективной

мощности

^0,29 0,27 0,25 0,23 0,21 0,19 0,17

40

50

Л I - -

б а СЛ ¿5-

0

60

70

80

90 Ре, кВт

Рис.8. Зависимость действительного коэффициента использования теплоты ОГ от эффективной мощности дизеля

Пе 0,35 0,325 0,3 0,275 0,25

90

Ре, кВт

Рис.9. Зависимость КПД установки от эффективной мощности

дизеля

О т=0% □ т=10% Д т=20% Хт=30% От=ЮО%

900

1000

1100

1200

1300 п, об/мин

Рис.10. Зависимость эффективного КПД дизеля от частоты вращения КВ

ЧЪ 0,34 0,31 0,28 0,25 0,22

900

X ______

о

-¥- _5

1000

1100

1200

1300 п, об/мин

Рис. 11. Зависимость действительного коэффициента использования теплоты ОГ от частоты вращения КВ дизеля

Пе

900 1000 1100 1200 1300

п, об/мин

Рис. 12. Зависимость эффективного КПД установки от частоты вращения КВ дизеля О т=0% X т=25% От=ЮО%

1,25

Ле//т1е/(т=0%) 1

0,75

ах/а£(т=0%) 0,5

Рис. 13. Зависимость относительного значения КПД установки и коэффициента избытка воздуха от открытия площади проходного сечения перепускного трубопровода(т) по нафузочной характеристике

—1-й режим -в-2-й режим -й-3-й режим

-¥г- 4-й режим -в— 5-й режим

Рис. 14. Зависимость относительного значения КПД установки и коэффициента избытка воздуха от открытия площади проходного сечения перепускного трубопровода(т) по винтовой характеристике

-в-1-й режим -Э-2-й режим -А-3-й режим -К-4-й режим

Результаты проведенных исследований по нагрузочной характеристике показали, что при изменении мощности от 30 до 90% от номинальной и ш = 30% основные показатели комплекса изменяются в среднем следующим образом:

- коэффициент избытка воздуха снижается на 36,8%;

- эффективный КПД дизеля увеличивается на 9,1%;

- удельный расход топлива снижается на 0.0263кг/(кВт.ч);

- температура ОГ на входе в котел увеличивается на 69°С;

- температура ОГ на выходе из котла увеличивается на 24°С;

- тепловая мощность котла снижается на 5,4%;

- действительный коэффициент использования теплоты в котле увеличивается на 15,2%:

- эффективный КПД установки увеличивается на 8,8%;

- коэффициент использования теплоты в установке увеличивается на 6,3%.

При работе по винтовой характеристике при ш=25% показатели комплекса изменились в среднем следующим образом ( в том же диапазоне мощности):

- снижается коэффициента избытка воздуха на 29,3%;

- эффективный КПД дизеля увеличивается на 3,4%;

- удельный эффективный расход топлива снижается на 0,0111 кг/(кВт.ч);

- температура ОГ на входе в котел увеличивается на 40°С;

- температура ОГ на выходе из котла увеличивается на 13°С;

- тепловая мощность котла увеличивается на 6,6%;

- действительный коэффициент использования теплоты в котле увеличивается на 15,2%:

- эффективный КПД установки увеличивается на 3,9%;

- коэффициент использования теплоты в установке увеличивается на 3,8%.

Выводы

На основании проведенных в данной работе расчетно-теоретических и экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы и рекомендации:

1. проведённый анализ режимов работы судовых дизелей на примере судов Волго-Каспийского региона, а также на основании данных по другим регионам показал, что вспомогательные дизелей работают в основном на долевых режимах;

2. выполненное расчётно-теоретическое исследование по совместной работе дизеля и УК на долевых режимах с целью определения показателей систем малой утилизации теплоты даёт возможность сделать вывод о том, что эти системы мало эффективны на этих режимах работы;

3. анализ основных способов повышения эффективности совместной работы дизеля и утилизационного котла позволил разработать устройство для утилизации теплоты ОГ и получить на него патент на изобретение;

4. предложенное устройство для утилизации теплоты ОГ позволяет повысить эффективный КПД установки и расширить диапазон её работы;

5. полученная на основании регрессионного анализа математическая модель, обладает хорошими статистическими характеристиками и достаточно полно описывает функционирование комплекса;

6. анализ совмещённых графиков расчётного и экспериментального исследования (Рис. 2,3) показывает, что применение предложенного способа позволяет улучшить использование резерва теплоты ОГ при работе дизеля на долевых режимах по винтовой и нагрузочной характеристикам;

7. эффект от применения предложенного способа снижается при приближении нагрузки дизеля к номинальной. С целыо поддержания коэффициента избытка воздуха в пределах приемлемых значений по мере приближения нагрузки к номинальной следует уменьшать количество перепускаемых ОГ;

8. перепуск ОГ способствует повышению температуры ОГ на выходе из котла, что снижает риск возникновения низкотемпературной коррозии;

9. при работе дизеля в диапазоне мощностей от 30% до 90% повышается эффективный КПД установки при работе дизеля по винтовой характеристике на 3,9%, а по нагрузочной на 8,8%;

10. перепуск ОГ можно применять для дизелей с газотурбинным наддувом, работающего на долевых режимах по нагрузочной и винтовой характеристикам, но наибольший эффект достигается при его использовании на нагрузочной характеристике.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Покусаев М.Н., Таманджа Ибрагим. Анализ конструкции и эксплуатации систем использования вторичных источников теплоты судов Астраханского региона / В кн. Тезисы докладов XXXIX научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава АГТУ, Астрахань, 1995. - с. 44.

2. Таманджа Ибрагим, Покусаев М.Н. Способы улучшения работы утилизационного водогрейного котла при работе дизеля на частичном режиме / В кн. Тезисы докладов XXLII научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава АГТУ, Астрахань, 1998. -с. 120-121.

3. Таманджа Ибрагим, Виноградов C.B., Покусаев М.Н., Картин С.А. Некоторые результаты апробации нового способа улучшения со-

вместной работы дизеля и утилизационного водогрейного котла байпаси-рованием отработавших газов // Наука и техника на речном транспорте: Информационный сборник № 4, 2000, М., ЦБНТИ Минтранспорта РФ. - с. 23-26.

4. Патент № 2151898 РФ; МКИ 6 Р020 5/02. Устройство для утилизации отработавших газов/ М.Н. Покусаев, Ибрагим Таманджа, С.А. Каргин.- № 98118758. Заявл. 14.10.1998 г. Опубл. 26.07.2000 г. Бюл. № 18.

5. Таманджа Ибрагим. Перепуск отработавших газов как средство улучшения показателей совместной работы дизеля и утилизационного котла на долевых режимах // Наука и техника на речном транспорте: Информационный сборник № 9,2000, М., ЦБНТИ Минтранспорта РФ. - с. 46.

АГТУ. Зак.819. Тир. 100 31.10.2000г.

Введение

1. Состояние вопроса. Постановка целей и задач исследования

1.1. Конструкция и эксплуатация энергетических установок судов Волго- Каспийского бассейна (краткая характеристика судов и их энергетических установок) f

1.1.1. Особенности режимов работы вспомогательных дизелей промыслового и транспортного флотов судов Волго-Каспийского бассейна.

1.1.2. Распределение нагрузок вспомогательных дизелей на судах флота рыбной промышленности /

1.1.3. Распределение нагрузок главных и вспомогательных дизелей судов транспортного флота ^ ^

1.2. Совместная работа дизеля и утилизационного котла. Особенности работы на долевых режимах

1.3. Обзор и анализ проведенных исследований о совместной работе дизеля и утилизационного котла

Одной из важнейших задач развития народного хозяйства РФ является всемерная экономия топливно-энергетических ресурсов. В связи с этим повышение эффективности использования органического топлива в судовых энергетических установках было и остается актуальной задачей. Одним из перспективных путей решения этой задачи, а во многих случаях единственным, является утилизация теплоты ОГ главных и вспомогательных дизелей.

Теоретические и экспериментальные исследования, анализ загрузки главных и вспомогательных дизелей рыбопромысловых судов Волго-Каспийского региона доказали недостаточную эффективность использования теплоты ОГ на различных режимах работы комплексов дизеля и УК (например, долевых, которые составляют большую часть времени работы дизелей рыбопромыслового флота). Кроме того, методики расчетов и выбора УК не совсем совершенны, и отсутствуют научно обоснованные рекомендации по их эксплуатации.

Для решения этих задач следует проводить работы направленные на схемное и режимное совершенствование совместной работы дизеля и УК на долевых режимах, а также улучшение условий и повышение эффективности работы комплексов дизеля и УК.

Произведен анализ существующих способов повышения совместной работы комплекса дизель - УК с обоснованием нового технического решения.

Для проведения экспериментальных исследований было разработано устройство для улучшения совместной работы дизеля и УК. Это устройство смонтировано на базе экспериментального комплекса дизель 6ЧН 15/18 - УВК КАУ-1,7.

Проведенные расчетно-теоретические и экспериментальные исследования показали, что перепуск ОГ мимо турбины турбокомпрессора позволяет повысить КПД комплекса дизель - УК и расширить диапазон его работы. Предложенный способ можно применить для дизеля, работающего на долевых режимах как по нагрузочной, так и по винтовой характеристикам. Но наибольший эффект достигается при его использовании на нагрузочной характеристике.

Применение данного способа позволяет улучшить использование резерва теплоты ОГ при работе дизеля на долевых режимах и повышение КПД установки в диапазоне мощностей от 30% до 90% номинальной достигает при работе дизеля по нагрузочной характеристике 6,7%, а по винтовой - 4,3%.

Полученная на основании регрессионного анализа математическая модель, обладающая хорошими статическими характеристиками, достаточно полно описывает функционирование комплекса дизель - УК и может быть использована как научная основа повышения эффективности использования теплоты ОГ дизелей на стадии проектирования комплексов и их эксплуатации.

Результаты исследований переданы для использования при проектировании и модернизации подобного рода установок в ГП «КАСПГИПРОРЫБФЛОТ» и положены в основу создания устройства, позволяющего улучшить совместную работу дизеля и УК, а также для использования в учебном процессе при изучении специальных дисциплин студентами специальностей 140200 «Судовые энергетические установки» и 240500 «Эксплуатация судовых энергетических установок» Астраханского государственного технического университета.

ВЫВОДЫ

На основании изложенного можно сделать обоснованный вывод о том, что перепуск ОГ на долевых режимах работы дизеля улучшает качество его рабочего процесса, повышает температуру ОГ и позволяет улучшить технико-экономические показатели работы комплекса. Применение данного способа возможно как для дизеля, работающего по винтовым характеристикам, так и по нагрузочным. Но наибольший эффект все же достигается при работе дизеля по нагрузочным характеристикам.

Из таблицы 25 видно, что погрешности измерения основных параметров комплекса не превышает регламентированных ГОСТ 8.011-72.

Анализ результатов исследования позволяет сделать вывод о том, что в диапазоне мощности от 30 до 90%, перепуск обеспечивает по винтовой характеристике:

-снижение удельного эффективного расхода топлива на 0,007 кг/(кВт.ч); -повышение Температуры ОГ на входе в котел на 28°С; -повышение Температуры ОГ на выходе из котла на 11°С; -повышение действительного коэффициента использования теплоты в котел на 13,2%;

-повышение Эффективного КПД установки на 5,1%; а по нагрузочной характеристике:

-снижение удельный эффективного расхода топлива на 0,0195 кг/(кВт.ч); -повышение Температуры ОГ на входе в котел на 40°С, -повышение Температуры ОГ на выходе из котла на 16°С; -повышение действительного коэффициента использования теплоты в котел на 8,2%;

-повышение эффективного КПД установки на 6,7%;

ЗАКЛЮЧЕНИЯ

Исследования выполнялись с целью повышения эффективности и улучшения условий совместной работы дизеля и утилизационного котла и основаны на перепуске ОГ.

В результате выполненного исследования разработано устройство для утилизации теплоты ОГ, позволяющее повысить эффективность комплекса и расширить диапазон работы УК.

На основании проведённых исследований можно сделать следующие выводы:

1. Проведённый анализ режимов работы судовых дизелей на примере судов Волго-Каспийского региона, а также на основании данных по другим регионам показал, что вспомогательные двигатели работают в основном на долевых режимах.

2. Выполненное расчётно-теоретическое исследование по совместной работе дизеля * и УК на долевых режимах с целью определения показателей систем малой утилизации теплоты даёт возможность сделать вывод о том, что эти системы мало эффективны на различных режимах работы.

3. Анализ основных способов повышения эффективности совместной работы дизеля и УК позволил разработать устройство для утилизации теплоты ОГ и получить на него патент на изобретение.

4. Предложенное устройство позволяет повысить эффективный установки и расширить диапазон её работы.

5. Полученные на основании проведённого регрессионного анализа математические модели обладают хорошими статистическими характеристиками и достаточно полно описывают функционирование комплекса.

6. Анализа совмещённых графиков расчётного и экспериментального исследования (рис. 2.1-2.4) показывает, что применение предложенного способа позволяет улучшить использование резерва теплоты ОГ при работе дизеля на долевых режимах по винтовой и нагрузочной характеристикам.

7. При работе дизеля в диапазоне мощностей от 30% до 90% и m = 30% повышается эффективный КПД установки при работе дизеля по винтовой характеристике на 3.9, по нагрузочной - на 8.8%).

8. Перепуск ОГ способствует повышению температуры ОГ на выходе из котла, что снижает риск возникновения низкотемпературной коррозии.

9. Из анализа результатов экспериментального исследования можно заключить, что применение перепуска ОГ позволяет улучшить качество рабочего процесса дизеля, что отражается на его основных показателях.

10. Снижение чрезмерно возрастающего на долевых режимах коэффициента избытка воздуха улучшает основные показатели комплекса.

11. Снижение сопротивления на выпуске оказывает существенное влияние на рост эффективности дизеля на долевых режимах.

12. Перепуск ОГ можно применять для дизелей с газотурбинным наддувом, работающего на долевых режимах по нагрузочной и винтовой характеристикам, но наибольший эффект достигается при его использовании на нагрузочной характеристике.

13. Эффект от применения предложенного способа снижается при приближении нагрузки дизеля к номинальной. С целью поддержания коэффициента избытка воздуха в пределах приемлемых значений по мере приближения нагрузки к номинальной следует уменьшать количество перепускаемых ОГ.

14. анализ совмещённых графиков расчётного и экспериментального исследования (Рис. 2.1-2.4) показывает, что применение предложенного способа позволяет улучшить использование резерва теплоты ОГ при работе дизеля на долевых режимах по винтовой и нагрузочной характеристикам.

15. Результаты данных исследований: переданы для использования при проектировании и модернизации подобного рода установок в ГП «Каспгипрорыбфлот» ( см. приложение 3); положены в основу создания устройства, позволяющего улучшить совместную работу дизеля и УВК; внедрены в учебный процесс при изучении специальных дисциплин студентами специальностей 140200 «Судовые энергетические установки» и 240500 «Эксплуатация судовых энергетических установок» в АГТУ ( см. приложение 4)

1. Коршунов Л.П. Утилизация тепла на судах флота рыбной промышленности. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1993, 232 с.

2. Маницын В.В. Энергетические установки приемно-транспортных рефрижераторов. М.: Легкая и пешевая промышленности, 1984, 120 с.

3. Отчет о научно:исследовательской работе. Тема «Исследование эффективности утилизации тепла судовых ДВС», 1990., 7/82 (заключительный). Херсон, 1985, с. 5-15.

4. АС. 731007. Двигатель внутреннего сгорания/В.Г. Кривов, С.А. Синатов.-Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки, 1980, №16, с. 152 .

5. А.С. 699211.Система охлаждение для двигатель внутреннего сгорания/В.К. Аверьянков, В.В. Кабыш, С.А. Синатов.-Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки,1979, №43, с.138.

6. А.С. 658303. Дцигатель внутреннего сгорания/В.Г. Кривов, С.А. Синатов.-Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки, 1979, №15, с. 124.

7. Синатов С.А., Орлов А.Н., Копель Е, Н., Скоков С.Н. Дизельные теплоэлектростанции с активными котлами-утилизаторами -Двигателестроение, 1988, № 12 с.5-7.

8. Кривов В.Г., Синатов С.А., Орлов А.Н. Улучшение качества переходных процессов в дизелях с газотурбинным наддувом путем утилизации их отходящей теплоты. Двигателестроение, 1983, № 8 с. 3-7.

9. Шиняев Е.Н. Состояние и пути улучшения утилизации тепла судовых энергетических установок. ЦБНТИ Минречфлота. Морской транспорт. Экспресс-информация. Серия «Техническая эксплуатация флота» Вып. 1 (18), 1990, 60 с.

10. Ваншейдт В.А.^Судовые двигатели внутреннего сгорания (теория). Л.: Судпромгиз, 1958, 456 с.

11. Петровский Н.В. Судовые двигатели внутреннего сгорания. М.: Морской флот, 1958, 436 с.

12. Рожанский Г.С. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Л.: Судостроение, 1969, 424 с.

13. Лебедев О.Н., Сомов В.А., Калашников С.А. Двигатели внутреннего сгорания речных судов, м.: Транспорт, 1990, 328 с.

14. Дареповский А., Омельницкий В. Утилизационная установка балк-танкера «БорисЧэутома» Морской флот, 1980, № 1, с. 38-39.

15. Марков А .Я., Ханенко П.Н. Энергетическая установка судна «Зоя космодемьянская». Судостроение, 1975, № 2, с. 28-31.

16. Small-bore low-speed marine diesel engines.-The Motor Ship, vol.58, №685, VIII, p.97-108.

17. Honda M., Shimoda F., and others. Development of improved version of Waste Recovery System. Mitsubishi Tech. Rev., 20<1983>, p.222<oct> (7pp., 4 tab. 2 graphs, 10 diag.).

18. Robertson C.S., Eskard S.E. A multi-vane expander by adding power can improve the fuel economy of long-haul diesel trucks.-SAE Technical paper series, 1978, №780.689. pl-18.

19. Stricland D. Device to reuse waste engine heat seen of significant development in greater fuel efficiency for heavy-duty trucks- Commercial Car Journal, 1978,135, №ll,pl9-22.

20. Yeaple F. Engines and cycles aim for efficiency.-Product Engineering, №1, p35-38.

21. Daugas C.F. Perspectives d'evolution des cycles des moteurs diesel de grande puissance.- Revue Francaise de grande Puissance.

22. Economee d'energie grace an "Toten" de Fiat.-Revue Technique automobile, 1979, 34, №392, p.101.

23. Warrmeokolomishe anloger.-Technische Rundsehau, 1978, 10, №15, p. 17-21.

24. MHI develops advanced medium-speed diesel plant.-Norwegian shipping News, 1977, №21F, p.34.

25. Clevenger M. Waste Heat Recovery for US Coast Guard Ships. Diesel and Gas Turbine Worldwide, 16<1984., p.l2,Jan/Feb> (3pp., lfig., 3 phot).

26. Отчет о научно-исследовательской работе на тему «Разработка систем комплексной утилизации теплоты продуктов сгорания топлив в СЭУ» Ленинград, 1989, с. 57.

27. Руководящий технический материал (РТМ 212.0142-86). Схемы утилизации теплоты судовых дизелей. Д.: Транспорт, 1989, 42 с.

28. Калинина М.И. Регулирование охлаждения наддувочного воздуха как средство повышения эффективности утилизации тепла. Двигателестроение, 1980, №2, с.34-36.

29. Брук Б.М. Особенности воздухоснабжения дизеля при изменении атмосферного давления. Двигателестроение, 1980, №2, с.34-36.

30. Устройство для стабилизации холостого хода двигателя Пат.4909034 США, МКИ F01N3/00.

31. Выбор оптимальных геометрических параметров системы утилизации тепла ДВС./ Луке А.Л., Шишкин Ю.Н., Соркин А.И. //Изв. вузов, машиностроение.- 1992.-№1-3,- с.75-78.

32. Устройство для ускорение потока отработавших газов ДВС. Пат. SO 14512 США.

33. Патент США № 5133298 кл. F02G 5/02, 1992.

34. Лившиц М. Л. Быстроходные дизели Д6. М.: Машгиз, 252-256 с.

35. Судовые дизели Д6. Руководство по эксплуатации. Инструкция.

36. Описание и временная инструкция по обслуживанию автоматизированного утилизационного водогрейного котла КАУ 1,7.

37. Хряпченков А.С. Судовые вспомогательные и утилизационные котлы. -Учебное пособие. изд. 2-е, перераб. И доп. - JL: Судостроение, 1988. -296 е., ил.

38. Овсяников М.К., Петухов В.А., Усеня М.Ф. Шегалов И.Л. Методы планирования многофакторных экспериментов в дизелестроении. -Двигателестроение, 1979, № 9, с. 5-7.

39. Лебедев О.Н., Сомов В.А., Калашников С.А. Двигатели внутреннего сгорания речных судов. М.: Транспорт, 1990, 328 с.

40. Камкин С.В., Возницкий И.В., Шмелев В.П. Эксплуатация судовых дизелей. М.: Транспорт, 1990, 344 с.

41. Костин А.К., Путалев Б.П., Кончинов Ю.Ю. Работа дизелей в условияхчэксплуатации. Л.: Машиностроение, 1989, 212 с.

42. Селиверстов В.М. Утилизация тепла в судовых дизельных установках. Л.: Судостроение, 1973, 256 с.

43. Крепе Л.И., Карташевич А.Н. Прогнозирование влияния комплекса эксплуатационных факторов на показатели автотракторного дизеля с наддувом методом математического моделирования. -Двигателестроение, 1981, №6 с. 5-9.

44. Кривов В.Г., Синатов С.А. Эффективность использования отходящей теплоты дизельной установки. Двигателестроение, 1981, № 6, с. 35-42.ч

45. Хандов ЗА. Судовые двигатели внутреннего сгорания (теория) Л.: Речной транспорт, 1962, 452 с.

46. Брук М.А., Рихтер А.А., Режимы работы судовых дизелей. Л.: Режимы работы судовых дизелей, Л.: Судопромгиз, 1963, 483 с.

47. Mencik Z., Blumberg P.N. Representation of engine data by multivariate least- squares regression. SAF Techn. pap. ser., №780288, 12pp. ill.

48. Котиков Ю.Г., Лукин A.M. Необходимость оценки эксплуатационных свойств автомобильного двигателя по его обобщенному испециализированным эксплуатационным режимам. Двигателестроение, 1981, №3, с. 45-47.

49. Адлер Ю.П., Скиров Н.Д., Рожков Ю.В. Опыт планирования эксперимента при получении интерполяционных моделей мощностных, экономических и токсических показателей бензинового двигателя. тр. МАДИ, 1978, вып. 162, с. 84-92.

50. Гутаревич Ю.Ф. Влияние регулировок на токсичность и экономичность бензинового двигателя в режиме холостого хода. Двигателестроение, 1981, № 11, с. 36-37.

51. Гришович В.Е., Френкель А.И. Опыт применения математической теории планирования эксперимента при снятии Токсических характеристик дизелей. Тракторы и сельхозмашины, 1977, № 3, с. 12-14.

52. Лобастов В.М. Идентификация электромеханического преобразователя исполнительного привода эдектронногидравлического регулятора скорости ДВС. Двигателестроение, № 11, с. 29-32.

53. Строков А.П. Снижение расхода топлива путем совершенствования топливоподающей аппаратуры быстроходных дизелей типа СМД. Автореферат дис. ХИИЖТ, 1980, 22 с.

54. Петров В.Н. Повышение экономичности дизель генераторов нерегулируемых двигателей на компрессионный угол опережения подачи топлива. Двигателестроение, 1981, № 10, с. 39-41.

55. Варнингер В.А. Математическое моделирование тракторного двигателя, -тракторы и сельхозмашины, 1977, № 12, с. 5-7.

56. Самсонов JI.A. Некоторые результаты моделирования динамических режимов работы системы главный судовой двигатель регулятор частоты вращения на ЭЦВМ. - Двигателестроение, 1979, № 8, с. 29-30.

57. Дюк В. Обработка данных на ПК в примерах. С.Петербург, 1997, 37 с.

58. Джонсон Н., Лион Ф. Статика и планирование эксперимента в технике и науке. М.: Мир, 1980,610 с.

59. Харитонов Б.А., Ю.Н. Исаков, Кочинев Ю.Ю. Параметра оптимизаии комбинированных установок с ДВС и системой утилизации Тепла.-Двигателестроение, 1979, №11, с. 10-12.

60. Нечаев Л.В. Пятков В.П. Влияние противодавления на выпуске за турбонагнетателем четырехтактного транспортного дизеля на основе показателей его работы. Двигателестроение, 1981, № 10, с. 47-50.

61. Виксман А.СЧ Егоров С.С. и др. Оценка влияния гидравлических характеристик всасывающей и выхлопной систем на работу дизеля. В кн.: Двигатели внутреннего сгорания. М.: НИИинформтяжмаш, 1972, ; 472-17, с. 20-24.

62. Ибрагимов А.Б., Шокотов Н.К. Четырехтактный дизель с высоким наддувом и повышенным противодавлением на выпуске. В кн.: Газотурбинный наддув двигателей внутреннего сгорания. М.: Машгиз, 1961, с. 125-130.

63. Корба Н.Я. и др. О влиянии разряжения на впуске на показатели дизеля СМД-14 с турб<знаддувом. «Тракторы и сельхозмашины». № 11, 1968, с. 16-17.

64. Мизернюк Г.Н. и др. Исследование схемы комбинированного ДВС со свободным турбокомпрессором и силовой турбиной. Изв. Вузов. Машиностроение. 1975, № 1,с. 104-109.

65. Нечаев В.К., Мосолова О.И. и др. Влияние противодавления за турбиной на параметры работы дизеля с турбонаддувом. Тр. АПИ, 1972, вып. 22, с. 14-23.

66. Дьяченко Н.Х. и др. Теория двигателей внутреннего сгорания. JL: Машиностроение. 1974. 550 с.

67. Рябовол В.М. и др. Особенности выбора и настройки турбокомпрессора при наддуве четырехтактных дизелей различного назначения. В кн.: Двигатели внутреннего сгорания. М.: НИИинформтяжмаш, 1968, 4-67-10, с. 23-26с.

68. Погодин С.И. Рабочие процессы транспортных турбопоршниевых двигателей. М.: Машиностроение, 1978. 311 с.

69. Погодин С.И. Приведение мощности дизелей к стандартным условиям. М.: Машиностроение, 1973. 144 с.

70. Портнов Д.А. Быстроходные турбопоршниевые двигатели с воспламенением от сжатия. М.: Машгиз, 1963, 639 с.

71. ГОСТ 8.207-76. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдения. М.: Изд-во стандартов, 1076.- Юс.

72. ГОСТ 11.002-73. Правила оценки анормальных результатов наблюдений. М.: Изд-во стандартов, 1973. - 24 с.

73. ГОСТ 8.011-72. Показатели точности измерений и формы представления результатов измерений. М.: Изд-во стандартов, 1972. - 5 с.

74. ГОСТ 11.004-74. Прикладная статистика. Правила определения оценок и доверительных границ для параметров нормального распределения. М.: Изд-во стандартов, 1974. - 20 с.

75. Райков И.Д. Испытания двигателей внутреннего сгорания. М.: Высшая школа, 1975. - 320 с.

76. Автоматические приборы, регуляторы и вычислительные системы. /Б.Д. Кошарский, Т.Х. Безновская, В.А.Бек и др./ Д.: Машиностроение, 1976, - 488 с.

77. Электрические измерения неэлектрических величин. /A.M. Туричин, В.П. Новицкий,^К.С. Левшина и др./ Д.: Энергия, 1975, - 576 с.

78. Зайдель А.Н. Ошибка измерений физических величин. Л.: Наука, 1974.