автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Разработка концепции утилизации теплоты на речных судах



О^ Ь

^ Ьи1 Министерство транспорта Российской Федерации Департамент речного транспорта Волжская государственная академия водного транспорта

На правах рукописи УДК 662.614.2:629.122

АБРАМОВ Геннадий Александрович

РАЗРАБОТКА КОНЦЕПЦИИ! УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ НА РЕЧНЫХ СУДАХ

Специальность 05.08.05 — судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

Автореферат диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

II. Новгород 1994

/

Работа выполнена в Волжской государственной академии водного транспорта.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор П. И. Бажан.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор К. Ю. Федоровский;

кандидат технических наук, доцент С. Н. Зеленов.

Ведущее предприятие — АО СК «Волжское пароходство».

Защита диссертации состоится «. /9 »

1994 г. в /у час, в аудитории на заседании диссер-

тационного совета К.116.03.02 в Волжской государственной академии водного транспорта по адресу: 603600, г. Н. Новгород, ул. Нестерова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВГАВТ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью предприятия, просим направлять на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета

доцент, кандидат технических наук Н. А. Пономарев

Тнп. ВГАВТа, 1994 г., зак. 208, тир. 60. Объел 1 п. л.

систем в неодинаковых условиях эксплуатации судов с учетом ограничений, накладываемых спецификой используемого штатного оборудования.

Для достижения этой цели в диссертации поставлены следующие задачи:

классификационный анализ и сопоставление достоинств и недостатков утилизационных систем по результатам изучения литературных источников;

создание метода оценки экономической цело с с о б раз кос г и лряиэнеиия утилизациошшх систем и оборудования;

на основе этого метода разработка концепции применения того или иного оборудования^ также тендог.осителой в энергетических установках {¡очных судов различного назначения;

разработка рекомендаций по целесообразности .применения котлов а теплообменников на тех или ншх типах речных судов;

оценка конструкций утилизационных котлов и теплообменников и выбор наиболее э^фектяшшх;

создание метода определения оптимального состава утилизационных систем для тех или иннх типов оудоп;

разработка рекомендаций по составу утилизационных систем для речных судов различного назначения.

Решение перечисленных задач является предметом исследований автора.

Методы исследования. Теоретической и методической основой .диссертации являются принципы теории познания и теории систем.

При выполнении работы автором применялись методы теории принятия решений, экономического анализа и обработки эисшзра-менталышх данных.

Достоверность рекомендаций подтверждается достаточно хорошим совпадением расчетных оценок по экономик котельного топлива-с полученными 'специалист':и Ы'АВТ экспериментальным« результатами.

Научная..»озизна работы заключается п: создании метода оценки экономической целесообразности применения утилизационного оборудования различного назначения;

разработка метода определения оптимального состава комплексных утилизационных систем;

обоснований рекомендаций по применению утилизационных котлов и теплообменников различного типа на речных судах;

. разработке концепций утилизации топлоти на речкнх судах с учетом пх специфики. .

Практическая ценность и реализация работы состоит в том,

I -

что создан п продол теоретическую и энешрйментальну» пропср-

ч ' I

ку инотр^кек^экономического обоснован ил мероприятий по ута-лизацаи Бторичн^х-^ейловых потоков на пассажирских, грузовых и наливных судах речного флота. Внедрение разработанных рекомендаций позволит сэкономить за навигации от 10 до 60 т котельного топлива в'зависимости от мощности энергетической-установки в количества пассажиров я (пли) членов экипажа на борту судна,

Апробация работы. Результаты робот докладывались и полумили одобрение на научно-технйчееккх совещаниях специалистов отрасли при департаменте речного транспорта в годах, а такке на научно-технической кон|1е|>снции профессорско-преподавательского состава ЬГдВТ п иаз г.

Публикации. Осношшо положения диссертационной раоотн нзлокини в-четырех печатных раоотах автора, перечень которых

1 сухогрузов и танкеров грузоподъемностью Солее

3000 т 2..

Формулы (3)-(5) подучена по результатам анализа данных о режишшх и геометрических параметрах систем отопления действующих судов речного флота и предназначена только для оценки тепловых потоков отопления, значения которых необходимы для расчета /5^ . Для оценки среднесуточного теплового потока систем горячего водоснабжения получена зависимость = 0,31 ( А^асс ^/У^кХ

которая такхо выведена для оценки в случае использования различного утилизационного оборудования. Выполнено сопоставление требуемых для горячего водоснабжения и отопления тепловых потоков с тепловым потоком установленных на судах ВК. Установлено,что на ледоколах и судах смешанного рака-море плавания тепловой поток установленных ВК превышает требуемый для отопления и горячего водоснабжения тепловой потоТсхв 4-10 раз.

С помощью уравнений (1)-(6) и разработанной нами методики проведан анализ эфректявноетд применения УК на /транспортних судах речного флота. УК э^кгавнн на теплоходах проектов г» 924)16, 302, #040 ,/^056,4'065, 580, 25-37, Р16В.630, Р162, У47, >РЗ?, Р1ЬЗ, 113290 и неэффективны на теплоходах проектов Й 301,1565,5075, 1Ь7?, 1Ь53, 621, 1Ш81,'К, 112, 4Ш/Л,31Э1.

Объяснение неэффективности УК следует искать в количества установленных УК, недостаточном времена их эксплуатации, высокой стоимости мощных паровцх УК и водогрейного КУВЮО. Во многих случаях тепловоз поток УК значительно превышает требуемый и утилизированная теплота выпусшшх газов в большей части не имеет полезного использования. На теплоходах проекта Ц 301 причиной низкой гЛЦевтш'наст« УК является недостаточный

утилизируемой тепловой лоток вследствие практической -возможности работа только одного У1С кз четырех! потому что УК установлены в газовыпусклых системах ДГ.

Показано, что в такой ситуаций выход из положения может быть найден путем объединения газохшпускных систем ГД к ДГ о установкой в нах обцого УК, подключаемого к той или иной система о помощью газовых заслонок. Идзя прошла успешную проверку яа теплохода "Ф.Шаляши".

Особое шкшкаа в глава удедоко сопостаз^анл» эксплуатационных и аконошивокшс парадатров паровых к водогрейных ути-лнзеддошзх сксяск. Для этого была разработана специальная ие'Тодака,о поа!Ьщь» которой установлено, чго при сроке окупаемости пять лет водогреГшко системы иною? преимущество перад неровный, при сроке окупаемости Ю лет зто преимущество укань-¡ааегся, а яря сроке ркупаеыооги капвгакавлахэшзв 15-30 лог различие экономических показателей (приведенных затрат) практически исчезает, но эксплуатационные показатели паровых систем значительно уступаю? показателям водогрейных систем. На основания изложенного обоснованы рекокандацаи по применений паровых ила водогрзйнцх ВК и СУТ.

Олроделевкый резерв совершенствования утилизационный: си~ стем связан с выбором конструкции те. Для оценки конструктивного совершенства автором разработан комплексный показатель КСК, спредоляэмчй о помощью завиошиосгн:

кск = Усч ? ¿'$ + а, /с* Ср * а5 ^ е^

где¿2,,, (Л_; - коэффициенты весомости;

Сц - безразмерный аяалог стоимости УК; - тепловая эффективность УК;

Сс^р -- беоразшрннй аналог газового сопротивления УК;

С,1,Са- безразмерные .аналоги загрязненности, долговечности и ремонтопригодности, пршштаютоя в соответствий с экспертными сценка?-«!;

С\, - безразмерные аналоги габаритного п массового показателей.

Проведенные расчетные исследования показали, что самые высокие значения КСК имеют паровые УК, плоские вертикально ориентированные змеевики которых сксмпоноваан из прямых попе-речноошгааемых газами оребрешшх труб.

Водогрейный вариант такой конструкции имеет практически талой же КСК, что и газотрубные водогрейшв УК типа КУВ 100, КАУ 4,5, КАУ 1,7. Поэтому для дальнейшего использовашш на речном флоте рекомендованы газотрубные водогрейные УК, тепловой поток которых мояз? быть увеличен на 40-6($ благодаря накат,кз иа внутренней поверхности труб кольцевых плаяпоочорчен« ных выступов. Эффективность такой накатка подтверждена результатами экспериментального исследования котла типа КАУ 4,5 з лаборатории ВГА1У1, а таико та теплохода "Г.йукоп".

Третья гл-ява поезящзна вопросам утилизации теплоты ох-лаядащай пода дизелей. Рассмотрена условия утилизации этой теплоты для разш;х двигателей с помощью У?, устаяозязшшх в систем« горячего водоснабжения и отопления, а такггз аккумуляторов ипзкопотевдцалыюй теплота, с^срмулфозаки требования к конструкции У2 я разработаны тлпоразмерн УТ, пригодных длл

а

использования на рочннх судах.

Выполнен анализ данных о тепловых потоках в охлавдащу» поду ц расходах этой поды в системах охяазденяя дизелей, ис-

гюльзуэкюс на речном фяоте. Установлено, что расход воды, охлаждающей ГД современных речных судов, лежит внутри диапазона 8*13 кг/с, а води, охлавдавдей ДГ - 1,8Ш кг/с, температура вода на выходе из двигателя может быть 75-30°С.

Поскольку вопросы использования охлаждающей воды ГД в устанонках опреснения морской воды проработаны достаточно подробно, автор сосредоточил свое внимание нй использовании теплоты охлаждающей воды в системах горячего водоснабжения и отопления. Предлояены схемы включения УТ в эти системы, которые прошли проверку на теплоходах "Г.Димитров", "Ф.Шаляпин", "К.Симонов", "Ленин" к др. Изучены суточные графики потребления горячей воды на судах. Пик потребления горячей воды приходится на окрестности восьми часов утра. В это время действительный расход горячей воды превосходит среднесуточный в 2,3-3,4 раза. Показано, что конструирование УТ должно быть ориентировано на максимальный расход воды за сутки, при этом температура санитарной воды на выходе аз УТ не должна быть ниже 50°С.

Рассмотрены условия уффективной эксплуатации УТ в системах отопления. Выведено уравнение для определения перепада температур вода в сиотеме отопления о УК:

.у --__________ _ , /о)

■ /

«?,ОМтг ^ .„?...... \.

' сог V- А гг}- О)

где - - температура газов на входе в УК, °С;

охр - температура воздуха в обогреваемых помещениях, °С;

П1~ , т- - массовый секундный расход воды в системе Ч-ог -

отопления к газов в УК, кг/с;

• kor ~ коэффициент таилопоредачк ст вода в грелках к, воздуху в обогреваемых помещениях, кВтДм^К); Aar - площадь поверхности грелок, iß; £ - тепловая эф^ектмшссть УК.

Анализ уравнения (В) показал,что УТ в системах отопления мояпо использовать только п случае, когда темпзратура воды на шходо яз УК не пит 80°С, а л tor на менее Ю-15°С, При в 50-100 м2 этим условиям соответствуем расход воды отопления 0,5-0,75 кг/с.

Оценен;« параметры к совершенство УТ, пипускаемых отраслевой промышленность». Установлено, в том числе и с помов»» экспериментальных данных, что только один тип УТ - однозме-евиковнй вертикальный марки 1.433.30 по 'ГУ 212 РСФСР 59-SO •деке? йнть использован для приготовления горячей вода на гру-зовнх и наливных судах с экипажем не более 13 мел. В связи с этим-изучены разработки.дизельного производства а на базе латунной трубки Ф 12x10 мм предложены конструкции трех типоразмеров УТ„ При этом уделено шшаиие вопросам интенсификации теплоотдачи при дтпкении воды а трубах и установлен*! нижние продели скоростей, начиная с "которых будет эффективной накатка кольцевых турбуяизагоров.

УТ первого типоразмера предназначен для снабжения горячей водой судов с экипажем до 34 чал. Число труб - 31,рабочая дайна труб - 0,7¿I,0 м, диаметр корпуса - ОД м. В межтрубном пространстве прокачивается охлаждающая вода ГД или ДГ,перегородок нет, в трубах циркулирует подогреваемая питьевая вода. Число трубных ходов - площадь поверхности нагрела ~ 0,818* 1,07 м , тепловой поток ~ 2*1 ^ xiír. 3 трубах для увеличения коэффициента теплссядпчи ни 30-41$ могут бить установлен!» оа~

кручивавщив вставки.

УТ второго типоразмера предназначены дом снабжения горя-чеЯ водой пассажирских теплоходов с обадай численностью пассажиров и экнпааа до 270 чел., а таксе для отопления грузовых судов. Число труб - 62, рабочая длина труб Г,2 м, диаметр корпуса - 0,162 ы, вдощадь поверхности нагрева 2,004 м*\ В межтрубном пространстве установлена одна продольная перегородка, число трубках ходов - 2, тепловой поток - 12*133 кВт в зависимости от расхода подогреваемой водя и температурного напора..

УТ третьего типоразмера предназначен для систем горячего водоснабжения современных энергоемких пассакироких судов в систем отопления судов различного назначения. Число труб- 164, диаметр корпуса 0,240 м, рабочая длина труб - 1,2 и, площадь поверхности нагрева - 7,41 м2. В межтрубном пространстве установлена одна продольная перегородка, число трубках кодов -4, тепловой поток - 18*292 кВт.

Выведены уравнения для расчета коэффициента теплоотдачи, в трубах о(г и в межтрубном пространстве каздого из типоразмеров УТ. В частности, для УТ третьего типоразмера получены зависимости

с(& = 6873,18 Щ 0,915337. а 0,992; (д)

« 7300,07 ¿д » 2,192; £г= 0,995, (10)

где "Ж/, ^ - скорость воды в мехтрубном пространстве и в трубах м/с;

<?А - относительная средняя квадратическая погрешность;

^ - множественный коэффициент детерминации.

хэ

На внутренней поверхности труб УТ второго и третьего тя-роразмероп могут быть накатаны кольцевые гшшюочерчзшшз глоту пи, благодаря которым рассчитанный, скажем, по формуле (9) мохет быть увеличен почти з два раза5 что повлечет за собой увеличение теплового потока УТ примерно на 50$,

Проведен анализ целесообразности использования УТ на судах речного флота. Показано, что примензиио в летний период навигаций на грузовых и наливных судах электробойлэров для приготовления горячей вода приводит ¡( перерасходу 8-30 т топлива ДГ, потому что стоимость I кВт.ч электроэнергии на грузовых и наливных судах составляет 125-160 руб (цены января 1994 г.). В связи с этим выявлены наилучше условия пряаене-нвд каасдого из типоразмеров УТ на судах различных тяпоз» Опи~ сани» этих условий посвящен отдельный подраздел.

При оценке целесообразности аккумулирования теплоты охлаждающей воды ОД яла ДГ шведева формула для определения

экономически обоснованной температуры аккумулирования;

* £ - , (Н)

где ~Ьр - температура геплоаккумулируйцего материала (во... да) в конце разрядка, ^С; ^АТ6 " УсРеднеиный кпловой потоз аккумулятора при рв8-

рядке, кВт; . 'Т'р.узр- продолжительность разрядки, ч. При соблюдении неравенства

применение аккумулятора теплоты дает экономическую выгоду, во всех друг^Сх случаях его применен^. нецелесообразно. В главе

прийе'децц' ярамгрц использования разработанного метода оценки ;целесообразности применения аккумуляторов теплоты в их пара-|ыегров. Подтверадел вывод о том, что в системах отопления :грузоных и наливных судов использование аккумулятороп теплоты нецелесообразно,

В заключайте глава оцзпепа целесообразность применения ва судах теплофицировании* ГД а ДР, то есть таких» которые пз только работам на потробятздя» но и производят теплоту. Несмотря на то, что целесообразность использования теплоту выпускных газон, скажем, ДГ грузоних судоя, а также теплоту о» лалдавдэй води этих Ж* не вызывает сомнений, применение теплофицированных ГД а ДГ на судах признано неперспективным.

В четвертой глазе разработан метод обоснования ' состава комплексные ОТ (КСУТ) а ш ere основе аргументирозап рациональный состав КС7Г яассазшрсвд, грузоаих к наливнях судов.

Идея разработанного катода состоит- в пошаговом "включении в состав КСУТ того или иного утилизационного оборудования, признанного перспективным по матеряалам предыдущих глав. На первой ваге в состав включается УК, Кеадпй шаг сопровождается расчетов показателя /7 эффективности КСУТ к данному уО -ому шгу проектирования но формуле: j t

V

* . j'i

где д Q, - приращение теплового потока КСУТ вследствие установки утилизационного оборудования на данном шаге;

£¡>k^- стоимость оборудования, устанавливаемого иа данном шаге;

этого, давать определенную прибыль владельцу флота;

2) создан метод определена« оптимального состава КСУТ судов различного типа, включавдий в себя пошаговую процедуру включения нового оборудования а состаа КСУТ и исключения из ее соотава неэффективного о одновременной оценкой на каждом шаге проектирования показателя эффективности КСУТ, предложенного автором;

3) получены зависимости для оценки тепловых потоков горячего водоснабжения и отопления на судах различных типов,которые позволили установить, что многие решения относительно типов ВК и УК, а таиге их тепловой мощности не обоснованы.Выведены уравнения для оценки пригодности УТ той или иной конструкции, а танке формулы, с помощью которых можно оценить парше тры АТВ;

4) изучены особенности применения на судах речного (|мотп УК ГД и ДГ, дана, оценка целесообразности их использования; яа тех или иных судах, виянлены наиболее перспективные кокетрук-цни паровых и водогрейных УК;

5) показано, что мощным источником вторичной теплоты является охлалдаицая вода внутреннего контура ГД и ДГ. Для ее утилизации автор предложил схемные решения, обосновал принципиальные конструктивные особенности УТ, перспективных для речных судов, детализировал особенности их схемы и базовые конструктивные элементы;

6) выполнен анализ оптимального соотава КСУТ перспективных пассажирских, грузоних и наливных судов, обосновшш рекомендации по макекм^ыю полному использованию на судах ^очного 1\*.'ЮТа втооичных тепловых иотокоц ходовых и отояночных .и. Многие из орглитирогяны на новое су.-огг:».

однако показано, что значительная часть полученного в диссертации материала может бить использована при совершенствовании тояливопотребления «га эксплуатирующихся в настоящее время , речных теплоходах,благодаря чему может бить достигнута экономия котельного топлииа от 10 до 60 т на одно судно за.навигацию.

Основными выводада, ийеюицши практическое значение, являются следующие:

а) для судов речного флота малоперспектишш СУТ наддувочного воз,духа, с органическими теплоносителями, с холодильными машинами, о глубокой утилизацией теплоты, ТНУ вместо ВК;

б) воздушные системы отопления являются менее экономичными по сравнению с системами водяного отопления. Системы парового' отопления недопустимо применять в жилцх помещениях,салонах, кают-компаниях и других помещениях, где подолгу работа»? или отдыхают пассажиры или члены экипажа;

в) водогрейные утилизационные системы для судов внутреннего плавания более выгодны, нежели паровые, которые, тем не менее, могу? быть установлены на судах смешанного река-море плавания, предназначенных для эксплуатации в северных широтах, ледоколах и судах специального назначения;

г) ореди конструкций паровых УК налболзс совершенной является водотрубная конструкция с плоскими вертикально ориентированными змоевикаыа, скомпонованными яз толстостенных•

\

труб, прямые участки которых снабжены высокими ребрами. Среда , конструкции водогрейных УК предпочтение следует отдать газотрубный УК с вер-тикальшая трубаш и иак^тшии пдавноочерчен-нымл выотупаш-турбулизатораий ка их внутренней поверхности;

д) стоимость одного кВт-ч электроэнергии на грузовых су, ■ \ , ■

¡дах составляет 125-160 руб., поэтому применение ¡электробойлеров в летний период навигации недопустимо, так кок влечет за собой перерасход энергии,стоимость которой оценивается п 1,56,15 млн.руб. по ценам января 1334 г. в зависимости от численности экипажа;

е) использование ЛТ зз системах отопления грузошх и наливных судов нецелесообразно. Иргмеиешзе АТВ может быть оправданным в системах горячего водоснабжения крупных пассаяар-» ских судов, оборудованных УК ГД;

ж) теплофицированные двигатели для судов речного флота малоперспективна.

Перечисленные вывода и конкретные рекомендации,приведен-иц9 в тексте диссертации, относительно эксплуатации утилизационного оборудования, оптимального состава КСУТ речных судов и т.д. предложены пароходстяыл и конструкторским организациям отрасли для внедрения с целью снижения потребления котельного топлива ¡га судах различных гилсв.

Основные положения диссертации опубликованы в четирэх работах.

1. Абрамов Г,А. Совершенствование утилизационных систем на грузовых судах // Материалы научно-практической конференции, посвященной 150-летив Волжского пароходства /Воляск.гоо. акад. вода, тр-та (ВГА37), 1994.

2. Абрамов Г.А. Утилизация топлоты - путь экономя расхода топлива на судах речного флота // Материалы научно-практической конференция, посвященной 150-летии Волжского пароходства / Волжск.гос.акад.води.тр-та (ВГАВТ), 1994.

3. Абрамов Г.Д., Батлн Ii.il. Эффективность различных направлений тоиливос^среяеиия на суд;« речного ¡глота //Матергя-

ли научно-практической конференция, посвященной 150-летию Волжского нароходсгаа / (ВГАВТ), 1994.

4. Абрамов Г.А., Бадан П.И., Валиулян С.Н. Использование вторичных «валовых потоков // Речной транспорт, 1990. ~ № I.-С.24-25.

<Ù I—I

о й

s

и

8 &

S 8

S.

Схема КОТ , рековвдовмш«, длл грузовых теплоходов внутреннего плавания

Випускние газы

^ с—^—

Выпускные газы А 9'

_____ ,'ор. вода

от потроо'и1е.-^й —а

Горячая вода к потрабитзлям ф

Возврат спгаяядавдзй воды ГД - Охдавдзкгдя

грев, цистерн

ДГС-стогаояшИ ДГ; га-лЬедаип®»«» засшпп; Ж^крсгаенталк им м^толи-искрспаеотели.

■ Рас-2'1