CC BY
62
УДК 536.24
Е. А. Колядин, С. В. Виноградов
РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УСТАНОВКИ ВИНТОВЫХ ЛЕНТОЧНЫХ ВСТАВОК НА РАБОТУ УТИЛИЗАЦИОННЫ1Х КОТЛОВ В СОСТАВЕ СЭУ
Введение
По уточненным методикам теплового и аэродинамического расчетов утилизационных водогрейных котлов (УВК) с винтовыми ленточными вставками и без них, с использованием полученных обобщенных аналитических зависимостей [1], были проведены расчетно-теоретические исследования показателей работы УВК в составе судовой энергетической установки (СЭУ) судов различного назначения. Выборка составила 32 проекта судов: 12 из них имеют в своем составе УВК КУВ-100, 12 - КАУ-4,5 и 8 - КАУ-1,7.
Уточненные методики теплового и аэродинамического расчетов судовых УВК
Уточненная методика теплового расчета УВК основана на обобщенной математической модели УВК предложенной М. Н. Покусаевым и С. В. Виноградовым [2]. В основу методики теплового расчета УВК положены исследования В. П. Ильченко, Г. Е. Каневца, А. П. Клеменко, А .Кольборна, С. С. Кутателадзе, О. Н. Маньковского, В. М. Селиверстова, Х. Хаузена, А. Шака и др. Она представляет собой синтез известных методов расчета котлов и теплообменных аппаратов (нормативный метод расчета котельных агрегатов [3], метод с экспоненциальным изменением температуры [4], метод с распределенными параметрами [5], метод с поинтервальным разбиением [6]); учитывает особенности конструкции, условий эксплуатации, теплопередачи и влияния отложений. Используется принцип поинтервальной линеаризации (деления поверхности нагрева УВК на интервалы по ходу движения теплоносителей), позволяющий учитывать детальные изменения режима теплопередачи при движении теплоносителей от одной координаты поверхности к другой. Результаты расчета по предыдущему интервалу будут являться исходными данными для следующего. Программа уточненной методики теплового расчета разработана с использованием программного продукта Microsoft Excel. Исходными данными для расчета являются конструктивные параметры УВК и параметры режима теплового процесса в нем.
Для расчета теплоотдачи со стороны газов в обобщенной модели используется формула А. И. Леонтьева [6], учитывающая пульсацию потока газа в трубах. Но, учитывая параметры отработавших газов судовых дизелей в УВК, а также конструкции газотрубных УВК (наличие приемной расширительной камеры), нецелесообразно использовать формулу А. И. Леонтьева, полученную при Re = 66 1 03^105 и частоте пульсации давления 900 Гц, поэтому в уточненной методике расчета для определения теплоотдачи со стороны газов без винтовых ленточных вставок используется известное критериальное уравнение М. А. Михеева для турбулентного потока [5]:
Nug = 0,021 • Reg’8 • Prg0’43-
( Pi ^
Pr
V ст у
где Яе, Рг - критерии Рейнольдса и Прандтля; индекс g - для газа, ст - стенки трубы.
Для определения коэффициента теплоотдачи в трубах УВК с винтовыми ленточными вставками используется аналитическая зависимость, полученная в [1]:
Ш g = 0,2216 • Яе^71 -(Б/ё )-0,41.
Для расчета теплоотдачи со стороны воды используется критериальное уравнение Ми „ = 0,17 • Яе0/3 • РгГ3 • Ог^ где Ог - критерии Грасгофа; индекс ^ - для воды.
Pr
ст
В основу уточненной методики расчета УВК положена формула
Дґ к
I
Дґ н
иДґ. Дґ '
г
-ЛМ | ёГ,
о
где к - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 • К); М = (ср№-0№]"' + [с„ ■о! ]") ; Ср - изобарная теплоемкость, Дж/(кг • К); G - массовый расход, кг/с; М, = tg tw '; Ак = tg"-"; 1%, - темпе-
^ // ^ // о/-ч
ратура газов и воды перед котлом, С; tg , ^ - температура газов и воды на выходе из котла, С. Уравнения для расчета температур и имеют вид:
= t % -^ - с) • п
ґ" = / + (ґ - ґ') •
С О
рс ^р
С О
рм м
•П,
1 - ехр ' -Л-Г Г, . СРс О1 А" У
1 Срс°р С О рм м
Г1 + СРс0с 1 С О ры ы
где П =
Уточненная методика расчета аэродинамического сопротивления УВК базируется на нормативном методе аэродинамического расчета котельных установок. Для расчета коэффициента аэродинамического сопротивления при течении газов по трубам УВК без винтовых ленточных вставок используется формула
х = 0,335 -I Д
1 и
0,17
•Яе:
где А - абсолютная шероховатость внутренней поверхности трубы, м; при установке винтовых ленточных вставок используется аналитическая зависимость, полученная в [1]:
х = 18,9-Яе% - 0,425 -(5/й )-0,6.
Для определения аэродинамического сопротивления в трубах УВК в условиях теплообмена используется формула
,, Ь ю2
Дкст = с-------------------------р с
ст Ъ и 2 Кс
+1
где Ь - рабочая высота трубок котла, м; й - внутренний диаметр трубок котла, м; р% - средняя плотность газов, кг/м3; ю - скорость потока газа в трубках котла, м/с; Тст и Т - средняя по трубе абсолютная температура газа и стенки, °К.
Результаты расчета показателей работы УВК в составе СЭУ при использовании винтовых ленточных вставок
На основе приведенных уточненных методик теплового и аэродинамического расчета УВК были проведены расчетно-теоретические исследования показателей работы УВК в составе СЭУ судов различного назначения. Первый этап исследования заключался в расчете действующих утилизационных комплексов (СДВС - УВК) с базовой конструкцией УВК (без установленных винтовых ленточных вставок в трубах котла), второй - в расчете действующих утилизационных комплексов с установленными винтовыми ленточными вставками в трубах УВК.
2
При расчете действующих утилизационных комплексов марки главных двигателей и УВК были выбраны на основе анализа проектов судов различного назначения с мощностью главных двигателей от 150 до 1 000 кВт, в состав СЭУ которых входят УВК.
Результаты исследования представлены на рис. 1, 2 в виде сравнительного анализа показателей работы УВК базовой конструкции и с установленными в трубах винтовыми ленточными вставками. В качестве показателей, принятых для сравнения, выбраны: температура теплоносителей на выходе из УВК (температура газов и температура воды ^"), тепловая мощность
УВК Рк, коэффициент утилизации ¥ и полное аэродинамическое сопротивление котла Акк.
Р к
250 200 150 100 50 0
¥
0,4
0,3
0,2
0,1
0
Д
кПа
1,5
1,0
0,5
0,0
Рис. 1. Результаты расчета показателей работы УВК в составе СЭУ:
УВК без винтовых ленточных вставок; □ УВК с винтовыми ленточными вставками
%
40
30
20
10
42,5 42,8
30,3 30,7
38,6 39,0
7,3
24,4
КУВ-100 | КАУ-4,5 | КАУ-1,7
Утилизационный комплекс с УВК
□ Т епловая мощность 0 Коэффициент у типизации
[ЗПолное аэродинамическое сопротивление
Рис. 2. Результаты расчета увеличения показателей УВК
Температура газов на выходе из УВК при установке винтовых ленточных вставок уменьшилась в среднем на 35 °С (12 %). Наибольшее уменьшение наблюдается у утилизационных комплексов с котлами КАУ-4,5.
Температура воды на выходе из УВК при установке винтовых ленточных вставок увеличилась в среднем на 10 °С.
Анализ значений коэффициента утилизации УВК с винтовыми ленточными вставками показал, что в среднем ¥ увеличился на 40 % и составил: для утилизационных комплексов с УВК КУВ-100-0,401 по сравнению с 0,307 (30,7 %) для базовых конструкций УВК; для КАУ-4,5 -
0,326 по сравнению с 0,229 (42,8 %); для КАУ-1,7 - 0,270 по сравнению с 0,194 (39 %).
Тепловая мощность УВК с винтовыми ленточными вставками увеличилась в среднем на 37 % и составила: 209 кВт по сравнению с 160 кВт (30 %) для УВК КУВ-100; 61 кВт - 43 кВт (43 %) для КАУ-4,5; 37 кВт - 26 кВт (38 %) для КАУ-1,7.
Полное аэродинамическое сопротивление УВК с винтовыми ленточными вставками по сравнению с таковым для базовых конструкций увеличилось в среднем на 165 Па (16 %): для УВК КУВ-100 - на 274 Па (24 %), для УВК КАУ-4,5 - 77 Па (7 %), для УВК КАУ-1,7 - 190 Па (24 %).
При уменьшении относительного шага закрутки винтовой ленточной вставки от 12 до 6 наблюдается увеличение значений рассчитываемых параметров, за исключением температуры газов на выходе из УВК, значения которой уменьшаются.
При установке винтовых ленточных вставок происходит снижение температуры газов на выходе из УВК, что является следствием более полного использования теплоты отработавших газов дизелей и приводит к повышению показателей эффективности Рк и ¥ в среднем на 38 %. Данное повышение происходит на фоне незначительного увеличения полного аэродинамического сопротивления котла Акк в среднем на 16 %. Рост полного аэродинамического сопротивления котла при существующих конструкциях систем газовыхлопа дизелей СЭУ не оказывает существенного влияния на общее сопротивление системы, которое не должно превышать максимального противодавления отработавших газов дизеля, регламентированного заводом изготовителем (»3 кПа) или правилами Морского Регистра судоходства РФ (5 кПа).
Наилучшие параметры работы при установке винтовых ленточных вставок показали утилизационные комплексы с УВК КАУ -4,5. Это связано с конструкцией УВК серии КАУ и с правильно подобранным дизелем для данного котла.
При установке в трубах УВК винтовых ленточных вставок температура газов на выходе снижается на 12 %, что уменьшает объемы тепловых выбросов в атмосферу.
0
Заключение
Уточнена методика теплового и аэродинамического расчетов, позволяющая оценивать показатели работы газотрубных УВК с винтовыми ленточными вставками.
Результаты сравнительных расчетно-теоретических исследований показателей работы УВК в составе СЭУ при установке винтовых ленточных вставок:
— коэффициент утилизации и тепловая мощность УВК повышаются в среднем на 38 %;
— полное аэродинамическое сопротивление УВК увеличивается в среднем на 16 %, что составляет 10 % увеличения сопротивления системы газовыпуска;
— температура газов на выходе снижается на 12 %, что уменьшает объемы тепловых выбросов в атмосферу;
— наилучшие показатели при установке винтовых ленточных вставок получены
для утилизационных комплексов с УВК КАУ-4,5.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Колядин Е. А., Виноградов С. В., Кагин Д. А. Результаты экспериментальных исследований процессов теплоотдачи и аэродинамики в утилизационных газотрубных котлах с винтовыми ленточными вставками // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 2008. - № 2 (43). - С. 122-125.
2. Виноградов С. В. Повышение эффективности судовых систем использования вторичных энергетических ресурсов с водогрейными утилизационными котлами: дис. ... канд. техн. наук. - Астрахань, 2001.
3. Тепловой расчет котлов (нормативный метод). - СПб.: НПО ЦКТИ, 1998. - 256 с.
4. ХаузенХ. Теплопередача при прямотоке, противотоке и перекрестном токе. - М.: Энергоиздат, 1981. - 386 с.
5. Кутателадзе С. С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справ. пособие. - М.: Энер-гоатомиздат, 1990. - 367 с.
6. Маньковский О. Н. Теплообменная аппаратура химических производств. - М.: Химия, 1976. - 367 с.
Статья поступила в редакцию 23.09.2008
DESIGN-THEORETICAL RESEARCH OF THE INFLUENCE OF SCREW TAPE INSERTIONS ON THE OPERATION OF DESTRUCTORS IN THE SYSTEM OF SHIP ELECTRIC POWER INSTALLATION
E. A. Kolyadin, S. V. Vinogradov
In accordance with verified methods of heat and aerodynamics analysis of destructor hot-water boilers with screw tape insertions and without them, and with the application of received generalized analytic dependences, the authors of the paper carried out design-theoretical research of operating parameters of destructor hot-water boilers in the system of ship electric power installation of different vessels. The results of comparative investigations showed that with the application of screw tape insertions utilization factor and heat capacity of the boiler increase in average by 38 %, and total aerodynamics resistance increases in average by 16 %, and the outlet exhaust gas temperature is reduced by 12 %, which leads to the reduction of heat emission into the atmosphere. The best results were attained applying screw tape insertions in the destructor hot- water boilers KAy-4,5.
Key words: ship electric power installation, destructor hot-water boiler, screw tape insertions, quantity of heat emission.
