Повышение эффективности судового водотрубного котла-утилизатора на основе моделирования тепловых и газодинамических процессов

Выводы по третьей главе - выработаны расчётные схемы течения теплоносителей для котлов-утилизаторов рассматриваемого типа; - определены расчётные зависимости для вычисления концевых температур в элементарных блоках котла-утилизатора в целом; - разработан алгоритм и блок-схема поверочного расчёта котла-утилизатора рассматриваемой конструкции. 4. РАСЧЁТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОТЛА-УТИЛИЗАТОРА 4.1. Результаты расчетного исследования характеристик котла-утилизатора На базе алгоритма, разработанного в разделе 3 данной работы, создана программа поверочного теплового и газодинамического расчётов котла-утилизатора рассматриваемой схемы. Газодинамический расчёт построен на принципах и методике, изложенной в литературе [66], и поэтому в данной работе не приводится. Программа использована для исследования влияния основных конструктивных параметров котла-утилизатора на его тепловую эффективность, газодинамическое сопротивление и некоторые габаритные характеристики. Для исследования выбраны параметры, характерные для работы котла в составе судового дизеля механической мощностью 736…1000 кВт. Данная мощность наиболее востребована в главных установках речных судов, в том числе пр.301, пр.302, пр.92-016, пр.507, 507б, пр.428, пр.578, и др. И в настоящее время она обеспечивается, например, дизелями 6ЧРН36/45. Расчёты выполнены для номинального режима нагрузки 883 кВт. В число переменных параметров, наиболее сильно влияющих на эксплуатационные характеристики котла-утилизатора, включены длина теплообменных труб (Lтр), число рядов теплообменных труб (nр), диаметр начальной окружности трубного пучка(Dнач), связанный с диаметром входного патрубка (Dв). В соответствии с рекомендациями [64,65,66] выбраны теплообменные трубы с наружным диаметром Dтрн= 20мм и фронтальным шагом S1 = 1,35. При заданных S1 шагах и диаметре труб Dтр указанные параметры в значительной степени определяют тепловую эффективность, сопротивление и габариты котла. В расчетном исследовании эти параметры приняты в качестве функций отклика при варьируемых параметрах Lтр, nр, Dв. ; ; где V - объём, занимаемый трубной системой котла, м3. Область изменения параметров и шаги их изменения выбраны по результатам предварительных расчётных экспериментов и находятся следующих пределах: Lт = {1,25; 1,5; 1,75; 2,0}, м; nр = {4; 6; 8; 10}; Dв = {300; 350; 400; 450; 500} мм. Выполнение расчётов с перебором всех варьируемых параметров на всех уровнях соответствует расчётному полному факторному эксперименту с числом опытов – 80. Постоянными параметрами считаем начальную температуру газов на входе в котёл-утилизатор, теплофизические характеристики газов и воды на входе в котёл, массовый расход газов через котёл, диаметры теплообменных труб, шаги трубной системы (таблица 4.1). В таблице 4.2 приведены значения варьирующихся параметров и соответствующие искомые величины тепловой эффективности котла ηк и газодинамического сопротивления проточной части котла ∆Рк от входного до выходного патрубков. Полученные результаты представлены в графической форме как ηк = f1(nр, Lт) и ∆Рк = f2(nр, Lт) для пяти уровней варьирования Dв на рисунках 4.1- 4.5: Таблица 4.1 - Значения констант теплоносителей на входе в котёл Наименование Обозначение Размерность Значение Начальная температура газов t11вх °С 430 Массовый расход газов через котёл mτгΣ кг/с 1,8 Массовый расход воды mτвΣ кг/с 8,8 Кинематическая вязкость газов гвх м2/с 65х10-6 Кинематическая вязкость воды ввх м2/с 0,42х10-6 Теплопроводность газов λгвх Вт/(м*К) 0,059 Теплопроводность воды λввх Вт/(м*К) 0,67 Число Прандтля газов Pr гвх 1 0,637 Число Прандля воды Pr ввх 1 2,6 Плотность газов ρгвх кг/м3 0,48 Плотность воды ρввх кг/м3 977 Диаметр/толщина труб dт/δт мм 20/1 Шаг продольный S2 мм 23,4 Шаг поперечный S1 мм 27 Таблица 4.2 - Область исследования и результаты расчётов характеристик котла-утилизатора Dв = 300 мм Dв = 350 мм Dв = 400 мм Dв = 450 мм Dв = 500 мм nр, шт Lт, м ∆Рк,, кПа ηк, ∆Рк, кПа ηк ∆Рк, кПа ηк ∆Рк, кПа ηк ∆Рк, кПа ηк 4 1,25 1,836 0,55 1,407 0,605 1,061 0,632 0,72 0,635 0,705 0,637 6 1,25 1,891 0,719 1,48 0,759 1,133 0,783 0,852 0,784 0,79 0,786 8 1,25 1,952 0,831 1,525 0,857 1,306 0,872 1,005 0,872 0,846 0,871 10 1,25 2 0,9 1,548 0,914 1,474 0,929 1,032 0,908 0,875 0,923 4 1,5 1,811 0,586 1,356 0,638 1,009 0,668 0,62 0,671 0,668 0,674 6 1,5 1,87 0,752 1,42 0,791 1,067 0,813 0,814 0,815 0,744 0,817 8 1,5 1,91 0,857 1,443 0,881 1,2 0,895 0,948 0,895 0,795 0,893 10 1,5 1,94 0,918 1,45 0,93 1,383 0,943 0,974 0,943 0,814 0,939 4 1,75 1,81 0,615 1,338 0,667 0,985 0,697 0,615 0,7 0,651 0,703 6 1,75 1,86 0,779 1,38 0,816 1,033 0,836 0,797 0,84 0,72 0,84 8 1,75 1,89 0,877 1,402 0,898 1,163 0,911 0,917 0,91 0,765 0,91 10 1,75 1,91 0,931 1,411 0,941 1,307 0,952 0,942 0,95 0,779 0,949 4 2 1,8 0,641 1,335 0,692 0,975 0,721 0,612 0,726 0,644 0,728 6 2 1,85 0,8 1,363 0,836 1,016 0,854 0,788 0,855 0,707 0,859 8 2 1,881 0,892 1,38 0,912 1,132 0,923 0,9 0,922 0,74 0,922 10 2 1,891 0,941 1,382 0,95 1,259 0,959 0,922 0,957 0,758 0,956 Рисунок 4.1 - Зависимость ηк и ∆Рк в функции nр и Lт для котла с Dв = 300 мм. Рисунок 4.2 - Зависимость ηк и ∆Рк в функции nр и Lт для котла с Dв = 350 мм. Рисунок 4.3 - Зависимость ηк и ∆Рк в функции nр и Lт для котла с Dв = 400 мм. Рисунок 4.4 - Зависимость ηк и ∆Рк в функции nр и Lт для котла с Dв = 450 мм. Рисунок 4.5 - Зависимость ηк и ∆Рк в функции nр и Lт для котла с Dв = 500 мм. Из графиков следует, что функции ηк и ∆Рк монотонно убывающие, либо монотонно возрастающие в пределах исследуемой области. Экстремумы внутри области варьирования факторов отсутствуют. Параметры тепловой эффективности ηк и газодинамического сопротивления , являясь показателями конструктивного совершенствования котла-утилизатора, изменяются в противоположных направлениях в зависимости от конструктивных параметров и Lт. В связи с этим, для поиска наилучшего варианта конструктивных соотношений котла-утилизатора целесообразно построить обобщённый параметр, учитывающий основные требования, предъявленные к судовому котлу-утилизатору: В числе главных требований в соответствии с результатами исследования раздела 1 данной работы: высокая тепловая эффективность для наиболее полного использования энтальпий отработавших газов; ; низкое газодинамическое сопротивление для обеспечения свободного выхлопа, снижение потерь энергии газов, улучшение температурных условий работы клапанов, компрессионных колец, лопаток турбины агрегата наддува; ; минимальная площадь теплообменный поверхности для снижения массы теплообменных элементов; минимальный объём занимаемый котлом-утилизатором для обеспечения удобства размещения и эксплуатации, . Воспользуемся подходом, описанный в [4]. Представим обобщенный параметр совершенства котла-утилизатора как , (4.1) где – безразмерные индексы желательности Харрингтона для тепловой эффективности, сопротивления, площади и объёма соответственно. Индексы желательности могут быть определены согласно [1] по функции желательности вида , (4.2) где yi - кодированные значения параметра (в данном случае ,, A,V) Для дальнейшего обратится к результатам таблицы 4.2 (данного раздела). Учтём ограничения, связанные с возможностью длительной безаварийной эксплуатации котлов-утилизаторов. По требованием эксплуатационной документации на судовые дизельные двигатели у большинства из них допустимое противодавление на газовыпуске составляет 2,0…2,4 кПа. При этом примерно половина этой величины падает на котёл-утилизатор, а остальное на газовыпускной трубопровод. Таким образом, примем допустимое наибольшее газодинамическое сопротивление котла-утилизатора 1,2 кПа: Наименьшим желательным сопротивлением можно считать результаты работы [85] – 0,72 кПа. Требование наибольшей тепловой эффективности котла-утилизатора должет быть ограничено условием отсутствия конденсата на трубах котла. Для малосернистых судовых топлив температура газа на выходе из котла не должна быть ниже 105 С. [80] Для этого тепловая эффективность не должна превышать 0,9…0,91. В тоже время тепловая эффективность должна быть достаточно высокой для эффективности работы судовой системы утилизации. Примем в качестве минимально необходимого значения к = 0,78; Всем отмеченным условиям из 80 расчетных вариантов удовлетворяют 13. Примем условные обозначения расчётных вариантов котлов в форме A x B x C, где А диаметр входного патрубка в мм, B-число рядов труб, C- длина труб, м; Тогда, например, котёл – утилизатор с входным патрубком 300 мм, числом рядов труб 8, длинной труб 1,75 будет обозначен как 300 х 8 х 1,75. Для 13 удовлетворительных расчётных вариантов вычислены площади теплообменной поверхности А: по формуле м2 (4.3) и объёмы трубной системы V: , м3; (4.4) Где – диаметр описанной окружности трубной системы, м; Определены пределы изменения каждого из параметров в рассматриваемой группе В соответствии с [4] выполним кодировку табличных значений ηk,,,и приведем их к безразмерной форме для их общей шкалы желательности в пределах: минимально желательное значение -0,5, максимально желательное значение +3,0. Уравнения связи параметров при кодировке определённые для принятых пределов: (4.5) (4.6) (4.7) (4.8) На основе данных таблицы 4.1 по формулам (4.1- 4.8) вычислены величины yi, di, Di. Результаты расчетов сведены в таблицу 4.3. В соответствии с данными таблицы 4.3 наилучшим обобщенным параметром совершенства обладает вариант котла с условным обозначением 450х8х1,25. Данный результат носит в определённой степени частный характер, так как расчеты выполнялись для котла, который устанавливается на двигатель с расходом-отработавших газов 1,8 кг/с. Для того, чтобы распространить результат на случай других массовых расходов необходимо определить наиболее важные физические параметры, от которых в наибольшей степени зависят составляющие обобщенного параметра совершенства. Таблица 4.3 - Результаты расчёта обобщенного параметра совершенства D котла-утилизатора Условные обозначения расчетного варианта котла Обозначение параметров и размеров Абсолютные значения параметра yi di Di 400 x 6 x 1,5  ,кпа А,м2 V,м3 70,813 1,067 40,32 0,773 0,267 0,466 2,99 3,0 0,465 0,534 0,950 0,951 0,689 400 x 6 x 1,75  ,кпа А,м2 V,м3 0,836 1,033 47,08 0,902 0,917 0,714 2,25 2,295 0,67 0,613 0,9 0,904 0,760 400 x 8 x 1,5  ,кпа А,м2 V,м3 0,895 1,2 58,02 1,004 2,58 -0,5 1,05 1,73 0,927 0,192 0,7 0,838 0,568 400 x 8 x 1,75  ,кпа А,м2 V,м3 0,911 1,163 67,08 1,17 3,0 -0,23 0,05 0,83 0,951 0,284 0,386 0,647 0,509 450 x 6 x 1,75  ,кпа А,м2 V,м3 0,804 0,797 50,16 1,03 0,013 2,44 1,9 1,59 0,373 0,916 0,861 0,816 0,700 450 x 8 x 1,25  ,кпа А,м2 V,м3 0,845 1,005 51,5 0,968 1,17 0,919 1,765 1,93 0,733 0,671 0,843 0,865 0,774 450 x 8 x 1,5  ,кпа А,м2 V,м3 0,874 0,948 61,8 1,162 1,17 0,919 1,765 1,93 0,861 0,768 0,587 0,655 0,710 450 x 8 x 1,75  ,кпа А,м2 V,м3 0,89 0,917 72,16 1,355 2,44 1,56 -0,51 -0,19 0,917 0,81 0,189 0,298 0,450 Продолжение таблицы 4.3 500 x 6 x 1,25  ,кпа А,м2 V,м3 0,786 0,79 40,82 0,903 -0,5 2,49 2,9 2,29 0,189 0,92 0,946 0,904 0,621 500 x 6 x 1,5  ,кпа А,м2 V,м3 0,817 0,744 49 1,08 0,38 2,82 2,04 1,32 0,505 0,942 0,878 0,765 0,752 500 x 6 x 1,75  ,кпа А,м2 V,м3 0,84 0,72 57,2 1,26 1,03 3,0 1,138 0,33 0,7 0,95 0,726 0,487 0,696 500 x 8 x 1,25  ,кпа А,м2 V,м3 0,871 0,846 58,4 1,18 1,906 2,08 1,006 0,77 0,862 0,88 0,694 0,629 0,754 500 x 8 x 1,5  ,кпа А,м2 V,м3 0,893 0,795 70,1 1,41 2,53 2,45 -0,28 -0,5 0,923 0,917 0,266 0,189 0,454 Анализ показывает, что важными параметрами являются средняя скорость движения газа в межтрубном пространстве, скорость газа во входном патрубке и число рядов трубок. С учётом того, что на начальных стадиях проектирования средняя скорость движения газа в межтрубном пространстве не определена, целесообразно вместо неё использовать скорость поперечного движения газа в межтрубном пространстве первого ряда труб . В этом случае на начальном этапе проектирования может быть определен диаметр входного патрубка, диаметр центров расположения труб первого ряда, длина труб, конфигурация трубного пучка, в том числе, наружный диаметр пучка и далее выполнены необходимые пункты поверочного или проектного расчетов. Для варианта 450х8х1,25 скорость газа во входном патрубке Скорость поперечного обтекания труб первого ряда в узком сечении с учетом величин этих скоростей для близких по обобщенному параметру совершенства D вариантов 400х6х1,75; 500х6х1,5; 500х8х1,25. Таким образом, на начальном этапе проектирования можно рекомендовать значения количество рядов труб , длинна труб в пучке .

Похожие:

	Термины и определения Технические требования на поставку комплектного водогрейного котла-утилизатора (кув) горизонтального		Типовая инструкция по пуску из различных тепловых состояний и останову... Инструкция предназначена для инженерно-технического персонала тепловых электростанций. Настоящая Инструкция выпускается вновь. Из...
	На поставку парового водотрубного котла дквр-4-13гм для нужд Акционерное общество «Марийский машиностроительный завод», именуемое в дальнейшем		Типовая инструкция по технической эксплуатации систем транспорта... Инструкция предназначена для персонала организаций, осуществляющих эксплуатацию тепловых сетей в составе организаций и предприятий,...
	6 июля 1998 года Вводится в действие Инструкция предназначена для персонала организаций, осуществляющих эксплуатацию тепловых сетей в составе организаций и предприятий,...		Рабочая программа дисциплины «Имитационное моделирование» Направление подготовки «Имитационное моделирование» являются получение теоретических знаний по имитационному моделированию и приобретение практических навыков...
	Основным направлением развития машиностроения является повышение... Это обеспечивается совершенствованием существующих и внедрения новых видов оборудования, технологических процессов и средств их механизации...		Примерная программа профессионального модуля техническая эксплуатация... Примерная программа профессионального модуля разработана на основе Федерального государственного образовательного стандарта по специальностям...
	Минимальный перечень документов и информации по энергоблокам тепловых... Типы турбины и котла, входящих в состав энергоблока, основные технические характеристики энергоблока, турбины, котла, в том числе...		Инструкция по сборке кожуха Описание котла Производить эксплуатацию котла только после изучения и ознакомления указаниями по эксплуатации котла
	ИМ. К. Д. Памфилова Повышение эксплуатационной надежности магистральных и внутриквартальных тепловых сетей		К городской целевой программе «Энергосбережение и повышение энергетической... Информационная система в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности 5
	Последняя редакция коллективный договор бюджетного учреждения Чувашской Республики Бу «рссмп» Минздравсоцразвития Чувашии, направлен на повышение социальной защищенности работников, на обеспечение стабильности и...		Котла паспорт котла При передаче котла другому владельцу вместе с котлом передается настоящий паспорт
	Руководство по эксплуатации паспорт Перед установкой котла необходимо обратить особое внимание на п. 4 «Меры безопасности», п. 6 «Монтаж котла и системы отопления»,...		Руководство по эксплуатации паспорт Перед установкой котла необходимо обратить особое внимание на п. 4 «Меры безопасности», п. 6 «Монтаж котла и системы отопления»,...