автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Теплотехнический аспект повышения эффективности эксплуатации специальных систем энергетических установок наливных судов

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ (кроме общепринятых).6 стр.

ВВЕДЕНИЕ.7 стр.

ГЛАВА 1.

Состояние вопроса. Постановка цели и задачи исследования.10 стр.

1.1 Российский нефтеналивной флот и газовозы.10 стр.

1.2 Научно-техническая литература по наливному флоту.17 стр.

1.3 Процессы теплообмена на наливных судах.20 стр.

1.4 Цель диссертационной работы, задачи исследования.23 стр.

ГЛАВА 2.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ

ТЕПЛООБМЕНА МЕЖДУ ЖИДКИМ ГРУЗОМ В

СУДОВОМ ТАНКЕ И ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ.25 стр.

2.1 Охлаждение жидкого груза в танке как процесс теплообмена его с окружающей средой.25 стр.

2.2 Теоретический анализ процессов теплопроводности в танке с жидким грузом.31 стр.

2.3 Танк в форме параллелепипеда.33 стр.

2.4 Танк в форме цилиндра.41 стр.

2.5 Практические расчеты охлаждения груза в танке кубической формы.46 стр.

2.5.1 Расчет динамики средней температуры жидкого груза в кубическом танке с ребром Ь=20м.47 стр.

2.5.2 Расчет средней температуры топлива ШЭв танке - накопителе.52 стр.

Известно, что в настоящее время экспорт нефти и газа в Российской Федерации является одним из основных источников наполнения государственного бюджета. Заметная доля в обеспечении этого экспорта приходится на морские перевозки (танкерами, газовозами, химовозами). И доля эта год от года возрастает. Увеличиваются внутренние перевозки судами нефтепродуктов и сжиженного газа. Растет специализированный флот отечественных нефте- и газодобывающих компаний. Грандиозные объемы топливного экспорта с учетом буквально глобальных расстояний между портовыми терминалами требуют высочайшего технологического обеспечения, соответствующих логистических систем и не менее высокого уровня организации их технической эксплуатации. Требование оптимального научно обоснованного технического режима транспорта нефтепродуктов и сжиженного газа должно быть особенно остро поставлено в отношении его морской составляющей. Исключительность положения морского судна в транспортном процессе обусловлена его географической изоляцией от наземных источников активной технической поддержки. В экстремальной ситуации судно предоставлено стихиям в отрыве от береговых баз с их спасательными и аварийно-ремонтными возможностями. К тому же понятно, что именно жидкие энергоносители представляют собой один из наиболее опасных для самого судна и окружающей среды грузов. В добавление к этому и нефтепродукты, и сжиженные газы интенсивно реагируют на изменение температуры вплоть до фазовых превращений, что не может не быть предметом постоянного внимания членов судового экипажа и требует соответствующей организации обслуживания груза специальными средствами судовой энергетической установки.

Таким образом, надлежащий температурный режим перевозимого жидкого груза является главным условием всесторонней безопасности перевозки и технико-экономической эффективности его дорогостоящей обработки на терминалах. В связи с этим представляет значительный практический интерес предварительный расчет возможного изменения температуры груза в рейсе, особенно в условиях значительного изменения температуры окружающей среды или длительного воздействия высокой (в теплых широтах применительно к сжиженному газу) или, напротив, низкой температуры (применительно к нефтепродуктам в полярных перевозках). Установленный таким расчетом прогноз мог бы существенно помочь в оптимизации режимов обслуживания груза в рейсе, в частности, в правильном выборе схем и режимов работы реконденсационной установки на газовозе или системы подогрева топлива на танкере и в минимизации времени и затрат на работы по перегрузке.

Между тем научно обоснованной методики расчета динамики температурного состояния жидкого груза в судовых танках до сих пор нет. Нет и комплексного теплотехнического анализа энергетического баланса в процессах теплообмена с окружающей средой содержащегося в танках сжиженного газа с учетом фазовых превращений и работы реконденсационной установки со сложной схемой составляющих ее агрегатов, включая прокачиваемые забортной водой конденсаторы.

Отсутствие развернутой методики расчета теплообмена жидкого груза с окружающей средой можно объяснить отсутствием обоснованного теоретического анализа задачи с учетом специфических свойств жидкого груза как теплопроводящего тела большой массы.

Всё отмеченное выше убеждает в актуальности постановки теоретического исследования процессов теплообмена жидкого груза в судовом танке с окружающей средой и на основе полученных результатов разработки практической методики прогностического расчета развития температурного поля в грузе с рекомендациями по организации режимов его обслуживания в рейсе с использованием соответствующих технических средств судовой энергетической установки. В общем рассмотрении проблемы сами эти средства и рабочие процессы в них также должны стать предметом исследования в случаях, когда это представляет интерес в связи с какой-либо новизной постановки задачи.

Целью выполненной диссертационной работы является всесторонний анализ теплотехнического аспекта перевозки жидких грузов наливными судами. В связи с различной природой нефтепродуктов и сжиженного газа в отношении их параметров состояния в условиях неизбежного теплообмена с окружающей средой материал диссертации естественно разделен на две части в соответствии с кардинальным различием в постановке основной задачи и методах ее решения. В теоретическом разделе диссертации применен новый подход в математическом анализе динамики температурного поля и средней температуры жидкого груза в судовом танка. Положения теоретического анализа увязаны с результатами соответствующих экспериментов на специально создано лабораторном стенде и собранными данными технической эксплуатации танкеров. На основе полученных решений разработан метод прогностического расчета изменения температуры груза в рейсе, в соответствие с которым может быть определен план организации его обслуживания в рейсе техническими средствами судовой энергетической установки (системы подогрева для нефти и нефтепродуктов, реконденсации для сжиженного газа). Расчет изменения температуры жидкого груза в танках различной формы для различных условий теплообмена с окружающей средой формализован в компьютерной программе на языке "Visual Basic" (приложение П.4). На основе фундаментальных положений термодинамики фазовых превращений разработаны конкретные рекомендации по организации обслуживания груза сжиженного газа в рейсе и перегрузочных операциях на терминалах. Все они могут быть использованы также в процессе проектирования специальных систем современных танкеров и газовозов.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

4.5 ЗАКЛЮЧЕНИЯ. ВЫВОДЫ. РЕКОМЕНДАЦИИ

В главе впервые систематизирован термодинамический анализ процессов теплообмена между грузом сжиженного газа (или сжиженных газов) и окружающей средой и процессов, обеспечивающих баланс естественного поступления теплоты в танк и отвода ее в забортную воду посредством искусственной (с затратой энергии на привод компрессоров) реконденсации. Теоретические рассмотрения были выполнены с учетом схемных и конструкционных вариантов РУ, установленных на современных морских газовозах, и свойств их наиболее распространенных грузов. В анализе выявлен ряд важных положений, имеющих значение как на стадии выбора схемы и проектирования РУ, так и в эксплуатации при назначении режима работы РУ и регулирования взаимодействия ее элементов.

1. Полунапорные газовозы (с танками с давлением подрыва предохранительного клапана до 5 бар) оптимальны в перевозках практически всех сжиженных газов типа LNG и LPG и их дериватов от пропиленоксида до этана и этилена. Для более летучих газов (этан, этилен) требуется наличие реконденсационных установок с усложненными схемами (с многоступенчатым сжатием, каскадные).

2. Танки с низким давление подрыва предохранительного клапана («облегченной» конструкции по условиям прочности) позволяют увеличить прием груза, но требуют более глубокого охлаждения (для сравнительно летучих газов типа пропана, аммиака около -40. -50 С) и наличия РУ с двухступенчатым сжатием с надежным регулированием режима ее работ и во избежании утечек груза.

3. Высоколетучие целесообразно перевозить в смеси с менее летучим газом, например 40%-ная смесь этана в пропане (по мольному содержанию) позволит почти в три раза понизить давление насыщения смеси (и, следовательно, в танке) при с температуре -40 С . При перевозке одного сжиженного этана при таком рабочем давлении (~3 бар) температуру груза в танке о пришлось бы поддерживать на уровне -70 С.

4. Перегрев газа в процессе его сжатия в последней ступени компрессора РУ не должен быть значительным (не более 3. 5 С) во избежание снижения эффективности работы конденсатора. Это положение обычно выполняется автоматически в связи с низким значением показателя адиабаты всех газов, перевозимых безнапорными и полунапорными газовозами (хлор перевозится в специальных прочных емкостях без обслуживания системой реконденсации).

5. Не должно быть, по возможности, и перегрева пара на пути и в сепараторе перед первой ступенью компрессора РУ. Он значительно снижает массовую производительность компрессора и, следовательно, хладопроизводительность РУ. В связи с этим не следует также завышать степень повышения давления в низовой ступени двухступенчатого поршневого компрессора.

6. Относительно низкая степень повышения давления в последней ступени, если она обеспечивает полную конденсацию в реальных условиях по температуре забортной воды, ликвидирует ненужный перегрев газа и повышает эффективность конденсатора и экономичность работы реконденсационной установки в связи с уменьшением мощности привода компрессора.

7. Метод расчета производительности и мощности привода РУ последовательно изложен в параграфах главы (формулы 4.2; 4.3; 4.8; 4.9 и связанные с ними).

157

Заключение. Выводы

В диссертации рассмотрены вопросы, связанные с теплообменом перевозимых морским транспортом жидких грузов с окружающей средой. Принципиально эти грузы разделены на два типа по направлению теплового потока: от груза в окружающую среду (нефтепродукты) и от окружающей среды к грузу (жидкие газы). В первом случае динамика температурного поля груза и средней его температуры может быть определена на основе концепции квазитвердого тела с условным (скорректированным) коэффициентом теплопроводности. Результат теплообмена определяется в рамках допущения о квазистационарной теплопередаче с приведенным по площадям теплообмена термосопротивлением и по установленной зависимости от времени средней температуры груза. Все количественные характеристики теплообмена в перевозках сжиженного газа и в перегрузочных процессах устанавливаются по режимным параметрам реконденсационной установки, за исключение газовозов с напорными танками и без РУ. В них расчеты теплообмена и определение параметров состояния груза нужно производить методами, разработанными для нефтепродуктов.

В результате проведенных теоретических, расчетных и экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы.

1. Динамика температурного поля жидкого груза в судовом танке устанавливается решением дифференциального уравнения (1) теплопроводности в квазитвердом теле при граничных условиях первого и третьего родов.

2. Выбор граничных условий определяется числом Bi на наружной поверхности танка.

При Bi>100 расчет организуется по формулам для граничных условий / рода;

При Bi<20 - по формулам для граничных условий III рода;

При 20<Bi<100 - результаты расчетов по обеим группам формул получаются близкими.

4. Средняя температура груза в танках различной формы определяется формулами типа.

5. Скорректированный коэффициент теплопроводности для расчетов по всем перечисленным формулам определяется с учетом модифицированного критерия Грасгофа по формулам и.

6. Коэффициент теплоотдачи на поверхностях сообщенных с окружающей средой (аос), определяющий граничные условия и число Био, следует вычислять инверсным методом по формуле.

7. Расчеты теплообмена в полунапорных и безнапорных танках с жидким грузом можно производить на основе термодинамического анализа работы реконденсационной установки любой схемы. При этом оптимальный режим работы РУ определяется перепадом температуры в окружающей среде (забортная вода) и в танке. Расчетные формулы и рекомендации по выбору режима приводятся в 4-ой главе диссертации

8. Режим работы компрессоров РУ нужно настраивать таким образом, чтобы сжатие проходило вблизи верхней пограничной кривой (то есть без заметного перегрева, но и не в области влажного пара). Это получается почти автоматически из-за низкого значения показателя адиабаты в высокомолекулярных газах.

9. Время и темп перегрузочных работ также определяются температурой окружающей среды (в основном забортной воды) и груза (кроме установленных норм скорости изменения температуры стенок танка).

10. Одним из главных агрегатов РУ, определяющим его тепловую мощность и эффективность, является конденсатор. Его собственная эффективность в нашей работе оценивается плотностью теплового потока на площади внутренней поверхности теплопередающих труб.

159

1. Адиутори Е.Ф., Новые методы в теплопередаче - перевод с английского под ред. академика Леонтьева А.И., М. «Мир» 1977, 230с.

2. Арнольд JI.B., Михайловский Г.А., Селиверстов В.М., Техническая термодинамика и теплопередача, М.: «Высшая школа», 1979, 437с.

3. Будрин A.B., Суханов Е.А. Регуляризация температурных полей тел простой формы, ИФЖ, 1959, т. II, № 1.

4. Возницкий Н.В. Использование морских топлив на судах, С-Петербург, «Элмор», 1998, 88с.

5. Волынский Б.А., Бухман В.Е. Модели для решения краевых задач. Физматиз., 1960.

6. Гаврилова Р.И., Прудников А.П. Об одной задаче теории теплопроводности, ИФЖ, 1960, т. III.

7. Гребер Г., Эрк С., Григулль. Основы учения о теплообмене, М., ИЛ, 1962.

8. Груздев A.B. Перспективы развития мирового торгового флота на период до 2000г., Судостроения, 1994, № 1.

9. Гухман A.A., Введение в теорию подобия, Высшая школа, 1963.

10. Данилова С.А. Основные проблемы проектирования и постройки судов-метановозов, Судостроение, 1974, № 4.

11. П.Дворовенко Л. Газовоз «Моссовет», «Морской флот» 1980, № 4.

12. Дейч Г. Руководство к практическому применению преобразования Лапласа, Фитматиз., 1958.

13. Диткин В. А., Прудников А.П. Интегральное преобразование и операционное исчисление, М., Фитматиз., 1961, № 14.

14. Зайцев В.В., Корабанов Ю.Н. Суда-газовозы, Л. Судостроение, 1990, 304с.

15. Добровольский Ю.В., Соколов B.C. Судовые установки повторного сжижения газа, «Судостроение за рубежом», 1979, № 9.

16. Зайцев В.В., Корабанов Ю.Н. Суда-газовозы, JI. Судостроение, 1990, 304с.

17. Исаков Н.М., Пославский Д.А. Перевозка сжиженного газа на судах, «Производственно-технический сборник», ТУ МРФ РСФСР, № 4, 1961.

18. Исаченко Н.М., Осипова В.А., Сукомел A.C. Теплопередача. М. Энергия, 1975.

19. Исследование основных характеристик судов для перевозки различных природных газов. Труды ЦНИИ МФ, вып. 209, Л. Транспорт, 1976.

20. Карслоу Х.С. Теория теплопроводности, Гостехиздат., 1974.

21. Карслоу Х.С., Егер Д.К. Теплопроводность твердых тел, М. «Наука» 1964.

22. Кейс В.М. Конвективный тепло- и массообмен. М. Энергоиздат., 1974.

23. Кинан Д. Термодинамика, М. Госэенргоиздат., 1963.

24. Кирпичев М.В. Теория подобия, М. Изд. АН СССР, 1953.

25. Козырев В.К. Морская перевозка сжиженных газов, М. «Транспорт», 1986.

26. Кондратьев Г.М. Регулярный тепловой режим, Гостезиздат., 1954.

27. Костылев И.И. Подогрев груза на танкерах Л. Судостроение , 1976

28. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена, Новосибирск, «Наука», 1970.

29. Кутателадзе С.С. Теплопередача при конденсации и кипении, М-Л., Маш гиз., 1952.

30. Кутателадзе С.С. Алгоритмы обработки и средства автоматизации теплофизического эксперемента, Новосибирский институт теплофизики, 1978.

31. Кутателадзе С.С. Анализ подобия в теплофизике, Новосибирский институт теплофизики, 1982.

32. Курихара Т. Некоторые соображения о коэффициенте теплопередачи грузовых танков . перевод с японского Сейбу джосенкай Кайхо , 1970 № 40 , с.219 и 244

33. Кутыркин В.А., Постников В.И. Специальные системы нефтеналивных судов, Справочник, М., Транспорт, 1983.

34. Лочаев С.Н., Николаев М.М. Суда для перевозки сжиженных газов. Л. «Судостроение» 1996, 260с.

35. Лыков A.B. Теория теплопроводности. М., «Высшая школа», 1967.

36. Лыков A.B. Теплопроводность нестационарных процессов, М., Госэнергоиздат.,1948.

37. Лыков A.B., Михайлов Ю.А. Теория тепло- и массопереноса, Госэнергоиздат.,1963.

38. Макаров В.Г. Специальные системы судов-газовозов, С.-П., СПбГМТУ, 1997.

39. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М., «Энергия», 1973.

40. Нестеров Ю.Ф. Теория и расчет судовой тепловой изоляции Л., «Судостроение», 1973, 432с.

41. Правила перевозки наливных грузов, СПб, ЦНИИМФ, 1997.

42. Овсянников М.К., Костылев И.И. Теплотехника: техническая термодинамика и теплопередача. СПб, «Элмор», 1998.45.0сипова В.А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена М., «Энергия», 1969.

43. Охладители водомасляные. Методы расчета. РТМ 24.0 60.21-83 минтяж- и трансмаш, Л.-М., 1983.

44. Петухов В.А. Безопасность и эксплуатация газовозов, СПб., «Элмор» 1999.

45. Правила классификации и постройки газовозов, Д., Регистр СССР, 1985, 163с.

46. Правила классификации и постройки газовозов, Бюллетень изменений и дополнений № 1, СПб, Морской регистр судоходства, 1994, 16с.

47. Правила перевозки сжиженных газов наливом специализированными судами-газовозами: РД ЗГ 11.81-43-83.

48. Прудников А.П. к исследованию тепло- и массообмена в диспериных средах, ИФ ОН, 1958, т. I, № 4.

49. Ситченко JI.C., Макаров В.Г. Основы проектирования грузовых и обеспечивающих систем танкеров. JL, ЛКИ, 1984, 104с.

50. Схемы развития транспортной системы Зап.-Сибирского нефтепровода комплекса на перспективу до 2005г. и прогнозной оценкой до 2010г. М., Мортранс, Союзморнинпроект, 1990.

51. Темкин А.Г. Аналитическая теория нестационарного тепло- и массообмена. Минск, «Наука и техника», 1964.

52. Трантер К.Д. Интегральные преобразования в математической физике, Гостехиздат,. 1956.

53. Черепанов А. Новое качестао «Лукойла», «Нефть России», окт. 1999.

54. Чиркин B.C. Теплопроводность промышленных материалов. М., Машгиз, 1962.

55. Чудновский А.Ф. Теплофизические характеристики диспериных материалов. М., Физматиз., 1962.

56. Шнейдер П. «Инженерные проблемы теплопроводности». М., ИЛ., 1961.

57. Щербанин Ю. Транспортные связи России в 1999-2000 гг. и на перспективу. М., Серен ПОЛПРЕД, 2000, 106с.

58. Эккерт Э. Р., Дрейк P.M. Теория тепло- и массообмена. М., «Госэнергоиздат», 1961.

59. Юдаев Б.Н. Теплопередача. М., «Высшая школа»

60. Юшков П.П. Функции Бесселя и их приложения к решению задач теплопроводности, изд. АН БССР, 1962.

61. Amedments to the Internetional Code for the Construction and Equipments of Ships carrying liquefied Gases in bulk (IGC Code), Resolution MSC 32 (53) Assembly, 19, Res. 819,1996.

62. Baroutakis M.A. LPG/LNG Handling. Piraeus, 1981.

63. Carslaw H.S. and Feager J.C. Contuction of Heat in Solids, Oxford, 1959.

64. Code for the Construkction and Equipment of Ships Carrying liquefied Gases in Bulk, IMO, London, 1983.

65. Hardy A.C. Liquefied Petroleum Gases, SShG, t. 45, 1961.

66. Holman J.P. Thermodynamics, N.Y., Mc Graw-Hill, 1980.

67. Jaques L. Ships carrying liquefied gases, PInf. № 351, 1983.

68. Jaques L. Operation of ships carrying liquefied gases in bulk, PInf. № 347, 1963.

69. Kaldager M. Insolation of tanks on ships carrying liquefied gases, E Sh, № 5,1961.

70. Lorentzen H.L., Lorentzen O., Bengtsson B. Unloading of ships carrying liquefield petroleum gases, ME/Lag, № 8,1961.

71. Parfond P. Sea transport of liquefied gas, Rev N, № 247, 1962.

72. Parfond P., LNG-transportation, Rev N, № 261, 1963.

73. Rogerts J.F.C., Mayhew Y.R. Thermodynamic and Transport Properties of Fluids. Fourth Edition, Basic Blackwell, 1982.

74. Rutland P., Ships carrying liquefied methane, New Scientist, t. 12., № 260, 1961.

75. Sawada M. On the general solution of basic expression for heat trans mission, Jr. of Soc. Mech. Engrs., Japan, 35, № 183, p. 695,1932.

76. Schmidt E.W., Henderson R.E., Wolgemuth C.H. Introduction to Thermal Sciences, New York, John Wiley and Sons, 1984.

77. Schneider P.J. Temperature Response Charts, John Wiley and Sons, New York, 1963.

78. Solingen I.W. LNG transportation, IShP, t. 12, № 125, 1965. 82.Steirett E. Loading and Anloading of Liquefied Gas, Diesel and Gas Engine Progress, t.28., № 3, 1962.

79. US Coast Guard Rules for Tankers, Washington, I960,. 1998.

80. Volger M. Sea transportation of LNG, H. t. 97, 21/22,1960.

81. Wark K. Thermodynamics, N.Y. MaGraw-Hill, 1966.

82. Watson P. Gas-carryer's equipment IMD E, 1965.

83. Windeking, LNG sea transportation, Rev MB, t. 36, № 376, 1959.

84. РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРС" ■■JläHHATt БИБЛИОТЕКА

85. Государственная Морская Академия имени адмирала С.О. Макарова1. Сивцов Николай Евгеньевич

86. Теплотехнический аспект повышения эффективности эксплуатации специальных систем энергетических установок наливных судов

87. Специальность 05.08.05 «Судовые энергетические установки и их элементыглавные и вспомогательные)»