CC BY
33
УДК 661.21.002.6
П. В. Яковлев, Ю. А. Аляутдинова, Е. А. Горбанева
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ ТАНКОВ НАЛИВНЫХ СУДОВ НА ПРОЦЕССЫ ТЕПЛОМАССООБМЕНА ПРИ ПЕРЕВОЗКЕ ВЫСОКОВЯЗКИХ ГРУЗОВ ВОДНЫМ ТРАНСПОРТОМ
Введение
Перевозка высоковязких грузов, таких как мазут или жидкая сера, водным транспортом связана с необходимостью их подогрева при хранении и транспортных операциях. Потери тепла через дно, борта и палубу ставят проблемы их учета для расчета тепловой мощности систем подогрева, а также уменьшения потерь тепла. Для танков наливных судов, имеющих простую геометрическую форму, проблема изучена достаточно хорошо [1], но наличие дополнительных конструктивных элементов в виде ребер жесткости может существенно изменить характер свободно-конвективного движения груза и интенсивность теплообмена. При разработке регламента перегрузки и экономии энергоресурсов перед проектировщиками стоят две задачи: уменьшение потерь тепла на этапе транспортировки и выравнивание температурного поля в объеме жидкости перед разгрузкой. Необходимо отметить, что выравнивание температурного поля приводит к росту температуры жидкости у ограждающих поверхностей, увеличивая потери тепла. В связи с этим, на этапе транспортировки, неравномерность температурного поля с понижением температуры у ограждающих поверхностей выгодна, т. к. потери тепла уменьшаются. Влияние существующих или искусственно созданных конструктивных элементов танка на процесс тепло-и массообмена при различных режимах работы систем подогрева и стало предметом исследования.
Постановка задачи
Существуют методы решения задачи теплообмена жидкости и ограждающих поверхностей [1-4], которые получены для упрощенных геометрических схем с использованием допущений о постоянстве теплофизических свойств среды и распределения температуры жидкости вдоль поверхности по определенному закону. Однако они не учитывают изменения характера движения жидкости и поля температур при включении дополнительных конструктивных элементов на ограждающих поверхностях или в объеме танка. В рассматриваемой задаче учитываются не только изменения теплофизических свойства, но и сложная геометрия танка для перевозки высоковязких грузов. Решение подобной задачи требует использования численных методов. Исходными данными для решения являются технологические параметры высоковязкой жидкости, геометрические характеристики емкостей для её хранения и транспортировки, граничные условия, определяемые параметрами окружающей среды, конструкцией и способом изоляции стенок емкости.
Целью исследований являлась разработка модели и алгоритма решения задачи динамики формирования полей температур и движения высоковязкой жидкости в танке сложной геометрической формы для оптимизации работы систем подогрева и экономии энергоресурсов.
Исследование процесса теплообмена при транспортировке высоковязких жидкостей в танке сложной геометрической формы
Предложенная модель и построенный на ее базе алгоритм позволяют учесть особенности теплообмена корректировкой теплофизических свойств рабочего тела, а также пути расчета в зависимости от текущих параметров среды.
При разработке модели приняты следующие допущения:
— теплообмен между окружающей средой и внутренней поверхностью ограждающей емкости описывается уравнением теплопередачи;
— теплофизические свойства жидкости зависят только от температуры.
Особенности теплообмена через ограждение учитывались в граничных условиях заменой
коэффициента теплоотдачи на коэффициент теплопередачи. Это позволило отразить многообразие условий теплообмена на границе и конструкций ограждений, получить обобщающее решение.
Решение уравнений получено численным методом с применением неявной разностной схемы. Расчет выполнен численными методами с использованием программного комплекса МаАаЬ. Достоверность полученных результатов проверялась сопоставлением с имеющимися результатами натурных замеров температурных полей нефтеналивных судов. Объектом исследования выбрана емкость глубиной 10 м и шириной 10 м от оси симметрии, что обусловлено возможностью дальнейшей экспериментальной проверки полученных результатов натурными замерами. В качестве дополнительных элементов исследовалось влияние продольных ребер в танке вдоль борта и экранирование теплообменных труб для снижения теплопотерь вдоль борта.
На рис. 1 приведено распределение линий тока в объеме танка, позволяющее выделить характерные особенности движения жидкости при различных включениях возмущающих конструктивных элементов.
Рис. 1. Распределение линий тока жидкости в танке: а - танк прямоугольной формы в сечении; б - танк с одним продольным ребром вдоль борта; в - танк с двумя продольными ребрами вдоль борта; г - частичное экранирование труб системы подогрева
Как видно из рисунка, результатом появления продольного ребра жесткости в танке на высоте 2 м, по сравнению с танком правильной формы, стало смещение линий тока от борта, включая угловую зону. Смещение нисходящего потока от борта привело к уплотнению линий
тока. При неизменном объемном расходе циркулирующей жидкости с одновременным уменьшением площади живого сечения вихреобразование стало более интенсивным. Наличие двух ребер усилило отмеченный эффект, что позволяет установить закономерность влияния дополнительных горизонтальных конструктивных элементов на движение жидкости как интенсифицирующих вихреобразование с одновременным образованием застойных зон вдоль борта. Частичное экранирование труб системы подогрева, успешно используемое для создания системы порционного подогрева груза, привело к эффекту, обратному ожидаемому. Сочетание высокой плотности жидкости вдоль борта и понижения вязкости и плотности под экраном привело к формированию устойчивого течения под экраном от борта к центру танка. Экран увеличил сопротивление движению потока, и в целом это привело к снижению интенсивности движения жидкости в объеме танка.
Распределение поля скоростей для предложенных режимов работы приведено на рис. 2.
Рис. 2. Поле скоростей в танке: а - танк прямоугольной формы в сечении; б - танк с одним продольным ребром вдоль борта; в - танк с двумя продольными ребрами вдоль борта; г - частичное экранирование труб системы подогрева
Анализ представленных полей скоростей показывает, что при появлении продольных ребер жесткости существенные изменения произошли у поверхности борта. Скорость движения жидкости вдоль борта снизилась, достигая в угловых зонах у ребер практически нулевых значений. Существенного изменения скорости в центре танка и в районе нагревателей не произошло. Как вид-
но из рисунка, экран внес более существенные изменения, снизив скорость потока у труб нагревателей. Это явление сопровождается уменьшением коэффициента теплоотдачи, что снижает эффективность системы подогрева в целом. Направление циркуляции осталось неизменным.
Особенности полей скоростей объясняют закономерности формирования температурного поля в танке (рис. 3).
Рис. 3. Поле температур в танке: а - танк прямоугольной формы в сечении; б - танк с одним продольным ребром вдоль борта; в - танк с двумя продольными ребрами вдоль борта; г - частичное экранирование труб системы подогрева
г
в
Сравнение температурных полей в танке правильной формы и в танке с продольными ребрами показывает, что образование застойных зон сопровождается некоторым переохлаждением жидкости вдоль борта. Одновременно изменения произошли в формировании высокотемпературного ядра. Объем разогретого ядра уменьшился, что, при сохранении тепловой мощности системы подогрева, говорит об увеличении теплопотерь. Физически это объясняется отмеченной выше интенсификацией вихреобразования, сопровождающейся увеличением градиента температур вдоль ограждающих поверхностей.
Наиболее заметным результатом экранирования труб системы подогрева стало уменьшение объема высокотемпературного ядра при сохранении градиента температур у ограждающих поверхностей, а следовательно, и незначительном снижении теплопотерь. Использование последнего метода для снижения теплопотерь оказалось малоэффективным, а уменьшение объема ядра потребует больших затрат на подогрев груза перед разгрузкой.
Выводы
Теоретические и экспериментальные исследования процессов теплообмена между высоковязкой жидкостью и ограждающими поверхностями танка показали, что эта зависимость имеет достаточно сложный характер и определяется:
— физическими свойствами жидкости;
— интенсивностью теплообмена у ограждающих поверхностей;
— режимом работы системы подогрева;
— геометрической формой танка и его конструктивных элементов.
Рассмотренные схемы обнаружили ухудшение тепловых характеристик танков по сравнению с тепловыми характеристиками танка правильной формы. Однако анализ результатов расчета полей скоростей и температур показал, что изменением режима работы системы подогрева танка, а также внесением конструктивных изменений можно снизить потери тепла и управлять температурным режимом груза для выполнения технологического регламента перегрузочных работ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Селиванов Н. В. Теплообмен высоковязких жидкостей в емкостях: моногр. - Астрахань: Изд-во АГТУ, 2001. - 232 с.
2. Селиванов Н. В., Горбанева Е. А., Яковлев П. В. Совершенствование перевозок высоковязких жидкостей автотранспортом // Стратегия выхода из глобального экологического кризиса: материалы науч. чтений. - СПб.: Изд-во МАНЭБ, 2001. - 320 с.
3. Селиванов Н. В., Горбанева Е. А., Яковлев П. В. Динамика слоя структурированной фазы при перевозке застывающих жидкостей // Экология. Образование, наука и промышленность: сб. докл. Междунар. науч.-метод. конф. - Белгород: Изд-во: БелГТАСМ, 2002. - 4.3. - С. 336.
4. Селиванов Н. В., Горбанева Е. А., Яковлев П. В. Влияние различных факторов на динамику слоя структурированной фазы // Стратегия выхода из глобального экологического кризиса: материалы науч. чтений. - СПб.: Изд-во МАНЭБ, 2001. - 320 с.
Статья поступила в редакцию 9.07.2009
RESEARCH OF INFLUENCE OF STRUCTURAL FEATURES OF TANKS OF OIL TANKERS ON THE PROCESSES OF HEAT-MASS EXCHANGE
AT TRANSPORTATION OF HIGH-VISCOSITY LOADS BY WATER TRANSPORT
P. V. Yakovlev, Yu. A. Alyautdinova, E. A. Gorbaneva
The theoretical researches of heat-mass exchange at transportation of viscous liquids in tanker are conducted. The features of formation of speed fields and liquid temperatures in tanks are studied. The conformities of formation of eddy zones and temperatures fields in the tanks of wrong geometrical form are revealed.
Key words: tanker, structural features, viscous liquids, heat-mass exchange.
