Введение к работе
кандидат технических наук, доцент А.В.Кораблин
Актуальность. Рост объемов перевозок, значительная доля нефтепродуктов в грузоперевозках водным транспортом, необходимость строительства новых танкеров, адаптированных для эксплуатации при низких температурах, и создание судов для перевозки таких уникальных грузов, как сера и ортофосфорная кислота при соблюдении условий экологической безопасности и энергетической эффективности, ставят задачу разработки новых методик проектирования и расчетов режимов работы судовых систем.
Энергосбережение является одной из важнейших задач, решаемых при проектировании систем подогрева груза и разработке режимных карт. Отключение подогрева танков во время рейса позволяет снизить расход топлива. Выполнение существующих требований по температурным режимам транспортируемых жидкостей на момент выгрузки и сокращению количества остатков груза в танке обеспечивается своевременным включением подогрева.
Необходимость создания методик расчета нестационарных процессов тепломассообмена в танках наливных судов, обеспечивающих надежность работы судовых энергетических установок и эффективное использование энергоресурсов, недостаточная изученность нестационарных процессов тепломассообмена, в том числе учитывающих возможность застывания груза во время рейса и являющихся определяющими в разработке режимов работы судовых энергетических комплексов, определяют актуальность данной работы.
Работа выполнена на кафедре «Безопасность жизнедеятельности и гидромеханика» ФГОУ ВПО «АГТУ» в соответствии с координационными планами НИР и ОКР в соответствии с Приоритетными направлениями фундаментальных исследований РАН (одобрено постановлением Президиума РАН от 13.01.98 г. №7 – поз. 2.1.4 «Исследования в области энергосбережения и эффективных технологий»); Региональной программой «Научно-технические и экологические проблемы освоения и эксплуатации Астраханского газоконденсатного месторождения» (1990 г.), а также в соответствии с новыми особенностями, возникшими в современных условиях, в том числе современными изменениями структуры грузоперевозок водным транспортом России, принятием: Федеральной целевой программы «Модернизация транспортной системы России (2002-2010гг)»; Транспортной стратегии Российской Федерации на период до 2020 года (Приказ министерства транспорта Российской Федерации от 31 июля 2006 года N 94); карты проекта "Развитие транспортной системы и повышение конкурентоспособности транспорта"; Федерального закона Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. N 261-ФЗ "Об энергосбережении, повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации " .
Цель диссертационной работы. Создание надежных методов расчета потерь теплоты при перевозке высоковязких жидкостей наливным судном при нестационарном режиме работы систем подогрева.
Для достижения поставленных целей необходимо решить комплекс следующих научных задач:
-
выделить существенные особенности процессов тепломассобмена в танке наливного судна при остывании и разогреве груза, определяющих изменение потерь теплоты во время рейса;
-
разработать численную модель процесса нестационарного тепломассообмена в танке наливного судна, осложненного фазовым переходом;
-
получить теоретические зависимости для расчета процессов тепломассообмена в танке наливного судна и оценить достоверность полученных результатов;
-
на основе полученных зависимостей предложить методики конструктивного расчета систем подогрева танков наливного судна и разработки их энергосберегающих режимов работы.
Объект исследования: единый комплекс судовой энергетической установки и системы подогрева танка наливного судна при перевозке высоковязких застывающих жидкостей.
Методологическую основу исследования составляет единство теоретического и экспериментального подходов к исследованию тепломассообменных процессов при транспортировке высоковязких жидкостей наливными судами, современные концепции в области теплофизики, использование теории физического подобия для обобщения полученных результатов исследования, применение современного программно-аппаратного комплекса для изучения теоретических моделей, системный подход, ведущие положения теории тепломассообмена.
Достоверность и обоснованность. Результаты исследования получены с использованием фундаментальных законов тепломассообмена, методов решения дифференциальных уравнений и численных методов анализа, целостным подходом к решению проблемы, методологической обоснованностью и непротиворечивостью исходных теоретических положений исследования, разработкой адекватной предмету исследования методики опытно-экспериментальной работы, экспериментальным подтверждением основных результатов исследования, научной обработкой полученных в ходе эксперимента данных и оценкой экспериментальных данных различными методами.
Научная новизна результатов работы.
-
Исследован процесс тепломассообмена при остывании и разогреве высоковязкой жидкости в танке наливного судна в условиях нестационарного процесса тепломассообмена, осложненного фазовыми превращениями.
-
Обобщены полученные результаты исследования процесса тепломасообмена при остывании груза в условиях его застывания и предложены уточненные критериальные уравнения для расчета коэффициентов теплоотдачи и толщины застывшего слоя.
-
На основе анализа особенностей тепломассообмена при перевозке высоковязких застывающих жидкостей наливным судном предложены научные основы расчетов систем подогрева и планирования режимов работы судовых энергетических комплексов.
Практическая значимость работы.
-
Разработаны методики расчета процессов нестационарного теплообмена при перевозке высоковязких жидкостей водным транспортом, позволяющие проводить технико-экономический анализ проектно - конструкторских решений на стадии проектирования наливных судов с целью минимизации капитальных и эксплуатационных затрат при перевозке высоковязких грузов, а также получить достоверные данные для проектирования систем подогрева, позволяющие работать в нестационарном режиме и применять энергосберегающие режимы их работы.
-
Предложены энергосберегающие режимы работы систем подогрева в танках наливного судна при перевозке высоковязких жидкостей, основанные на нестационарном режиме их работы.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Результаты численного и экспериментального исследований теплообмена при перевозке высоковязких застывающих жидкостей в изолированных и неизолированных танках наливных судов в диапазонах определяющих параметров: Prж=51022103; Rah,ж=610125109; Foh,ж=10-510-3.
-
Методики расчета динамики роста слоя застывшего транспортируемого груза на стенках и днище танка и потерь теплоты в режиме остывания без подогрева, осложненного фазовыми превращениями.
-
Полученные критериальные зависимости для расчета тепломассообмена, учитывающие динамику изменения интенсивности тепломассообмена при остывании транспортируемого груза, критериальное уравнение, обобщающее результаты расчета динамики роста застывшего слоя.
Личный вклад автора. В диссертацию включены результаты, полученные лично автором, в том числе - с использованием консультаций научного руководителя.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследования докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции «Повышение безопасности энергетических комплексов, эффективности охраны труда и экологичности технологических процессов», Астрахань, 2010 г.», Международной научно - практической конференции, посвященной 50-летию кафедры «Безопасность жизнедеятельности и гидромемеханика» ФГОУ ВПО «АГТУ», 2010 г., 1-й научно-практической конференции «Новейшие технологии освоения месторождений углеводородного сырья и обеспечения безопасности экосистем Каспийского шельфа», Х научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», Санкт-Петербург, 2010 г., межрегиональном научном семинаре «Использование результатов фундаментальных научных исследований в судостроении и эксплуатации флота Юга России», Астрахань, 2010 г., на итоговых научно-практических конференциях АГТУ в 2004-2010 г., Астраханском инженерно-строительном институте в 2004-2008 г.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 9 работах, в том числе в 4 изданиях, рекомендуемых ВАК, по результатам работы подана заявка и получено положительное решение о выдаче патента на полезную модель. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в списке литературы, лично автору принадлежит: [1], [2] – 50%, [3], [4], [5], [6] – 40%.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, списка условных обозначений, 4-х глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем работы – 132 с. и приложения. В работе использовано 201 отечественный и 32 зарубежных источника. Работа иллюстрирована 21 рисунком, содержит 80 формул.
Похожие диссертации на Тепломассообмен и энергосберегающие режимы работы систем подогрева танкеров при перевозке высоковязких застывающих жидкостей
