Підвищення ефективності енергетичних установок надводних кораблів застосуванням теплоакумулюючих систем

Abstract

Застосування утилізації теплоти є одним із перспективних напрямків підвищення ефективності енергетичної установки надводних кораблів. Одним із актуальних питань цього напрямку є використання низькопотенційної теплоти для потреб енергетичної установки, корабельних систем та екіпажу. Незважаючи на значну кількість наукових досліджень в області теплоакумулюючих засобів методологічні і технічні аспекти вирішення науково-прикладного завдання створення високоефективних теалоакумулюючих систем в складі енергетичної установки надводних кораблів до теперішнього часу розроблені недостатньо. Натурні дослідження процесів акумулювання теплоти різних джерел достатньо проблематичні у зв’язку з високою вартістю матеріальних та людських ресурсів, компактності машинних відділень кораблів, але за допомогою сучасних методів математичного моделювання та обчислювальної гідродинаміки у сукупності з фізичним моделюванням експериментального зразка такі завдання можуть розв’язуватися з достатньою достовірністю. Результати дослідження способів застосування теплоакумулюючих систем з фазовим переходом для технічних та людських потреб, що забезпечують розв’язання завдання підвищення ефективності енергетичної установки надводних кораблів та суден, є актуальним і матиме техніко-економічний ефект. Таким чином, актуальність дисертаційного дослідження визначається: а) необхідністю розробки математичних моделей впливу температурного потенціалу різних джерел скидної теплоти на процеси її акумуляції, збереження і використання в умовах різних експлуатаційних циклів енергетичних установок надводних кораблів та розробки механізму впливу теплофізичних властивостей теплоакумулюючих матеріалів на робочі процеси фазового переходу в складі їх модернізованих систем; б) необхідністю досліджень рівнів енергозбереження теплоакумулюючими системами теплоакумуляторів, що працюють в складі головних та допоміжних енергетичних установок, з урахуванням впливу вихідних даних різних класів кораблів та суден. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності енергетичних установок надводних кораблів застосуванням теплоакумулюючих систем. Новизна результатів, одержаних в дисертації, полягає в наступному. 1. Вперше обґрунтовано методологію визначення теплоакумулюючого матеріалу, який забезпечує підвищення ефективності процесів акумуляції теплоти з фазовим переходом у теплоакумулюючих системах енергетичних установок надводних кораблів та суден на підставі трьох інтегральних показників, які враховують за сукупністю теплофізичні властивості матеріалу (теплоту фазового переходу, густину, температуру плавлення і коефіцієнт теплопровідності), конструктивні обмеження (характерний розмір теплоакумулятора), експлуатаційні цикли надводних кораблів (тривалість ходу і стоянки) з узагальненням властивостей матеріалів низькотемпературних від 80 до 120 °С, середньотемпературних від 130 до 200 °С та високотемпературних від 210 до 500 °С. 2. Вперше доведено можливість підвищення ефективності енергетичної установки надводних кораблів теплоакумулюючою системою простої або гібридної структур при використанні джерел скидної теплоти з різними температурними потенціалами визначенням ефективності її застосування залежно від теплофізичних властивостей теплоакумулюючих матеріалів, умов експлуатації кораблів та складу споживачів за наступними техніко-економічними показниками: часовим-енергетичним еквівалентом, показником ефективності використання ТАС, її показниками якості та теплової ефективності, що забезпечує для кораблів різних класів зниження часу запуску головних дизельних двигунів від 2 до 7 хвилин, витрати палива на один запуск від 26 до 214 кг. 3. Вперше отримані експериментальні характеристики моделі дослідного зразка шумоглушника-теплоакумулятора з однією капсулою, яка вміщає 3 кг теплоакумулюючого матеріалу – манітол, призначеного для роботи у складі газовипускної системи дизельних двигунів, та визначено, що тривалість циклічності його роботи в режимі зарядки не перевищує 30 хвилин часу від запуску до «холостого ходу» і «холостого ходу» до часткового навантаження при масових витратах і температурі відпрацьованих газів відповідно від 0,11 до 0,16 кг/с та від 440 до 650 К, а скорочення значення часу зарядки до 20 хвилин забезпечується на подальших циклах зарядки при температурах відпрацьованих газів на рівні 660 К. 4. Вдосконалено метод прогнозування процесів комплексної акумуляції теплоти різних джерел у гібридних системах з урахуванням впливу теплофізичних властивостей теплоакумулюючого матеріалу на процеси фазових переходів у теплоакумулюючих пристроях, що заснований на числовому моделюванні їх характеристик на основі концепції ефективної теплоємності процесів фазового переходу, яка відрізняється від відомих тим, що враховує особливості теплопередачі за допомогою детальних механізмів енергозбереження в умовах взаємодії поверхонь фазового переходу з потоками зовнішніх теплоносіїв від запуску до номінальної потужності при її ступінчастому підвищені. 5. Отримав подальший розвиток підхід до багаторівневого моделювання процесів суднових енергетичних установок у вигляді об’єктно-орієнтованих взаємопов’язаних процедур «Головний двигун», «Допоміжний двигун» та «Теплоакумулююча система» за ієрархічними рівнями: теплопередавальна поверхня теплоакумулятора, теплоакумулятор як елемент підсистеми та теплоакумулююча система як елемент енергетичної установки. Наукове значення роботи полягає у розширенні уявлень про теплотехнічні механізми процесів акумуляції, збереження та використання різних джерел скидної теплоти в умовах різних експлуатаційних циклів енергетичних установок надводних кораблів і розробці механізму впливу теплофізичних властивостей теплоакумулюючих матеріалів на робочі процеси фазового переходу в складі теплоакумуляторів для реалізації концепції модернізації та створення корабельних енергетичних установок з теплоакумулюючими системами. Практичне значення отриманих результатів полягає у розробці практичних рекомендацій з використання теплоакумулюючих систем в складі енергетичних установок кораблів різних класів та суден, на підставі яких розроблено конструктивні схеми теплоакумулюючих систем у складі енергетичних установок кораблів потужністю для головних двигунів від 1 до 8 МВт та допоміжних – від 25 до 920 кВт, що працюють за відповідними експлуатаційними циклами і забезпечують потреби теплоти для енергетичної установки, корабельних систем та екіпажу. Розроблена математична модель процесів комплексної акумуляції теплоти різних джерел у гібридних системах з урахуванням впливу теплофізичних властивостей теплоакумулюючих матеріалів, яка здатна прогнозувати енергетичні характеристики сучасних корабельних та суднових енергетичних установок з оптимізацією їх структури. Результати дисертаційного дослідження впроваджено у сукупності з результатами науково-дослідної роботи 0126U000045 «Ефективність застосування теплоакумулюючих систем в складі енергетичної установки надводних кораблів», яка виконана в ТОВ «Дослідно-проектний центр кораблебудування» АТ «Укроборонпром» при обґрунтуванні проєктних рішень корабельних енергетичних установок; при проєктуванні суднових енергетичних установок, їх систем та елементів перспективних суден в ТОВ Zaliv Ship Design; в навчальному процесі аспірантів і магістрантів при підготовці здобувачів в Національному університеті кораблебудування імені адмірала Макарова. У вступі дисертаційної роботи обґрунтовано актуальність теми, показано її зв’язок з науковими програмами та темами, сформульовано мету, головні задачі, об’єкт і предмет дослідження, представлено методи розв’язання, обґрунтовано достовірність отриманих результатів, визначено наукову новизну та практичне значення результатів роботи, відображено повноту викладення результатів у публікаціях та ступінь їх апробації на конференціях. У першому розділі проаналізовано напрямки розвитку морського флоту, сучасні методи підвищення технічної ефективності його енергетичних установок шляхом утилізації скидної теплоти, стан організації робочих процесів теплоакумулюючих систем у складі корабельних та суднових енергетичних установок, а також їх будову, способи роботи та результати досліджень. Виконаний аналіз результатів попередніх досліджень дозволив обґрунтувати актуальність використання теплоакумулюючих систем як одного з перспективних напрямів підвищення ефективності суднових енергетичних установок, визначити мету та сформулювати завдання дослідження. Другий розділ дисертації присвячено опису методології та обґрунтуванню основних методів досліджень робочих процесів у корабельних енергетичних установках з теплоакумулюючими системами. Запропоновано для аналізу методу математичного моделювання процесів утилізації, скидної теплоти використовувати основні рівняння математичної моделі теплопровідності, фазового переходу, що містять можливості урахування впливу теплофізичних властивостей теплоакумулюючих матеріалів на процеси зарядки, зберігання та використання теплоти. Приведено опис розробленої математичної моделі утилізації, накопичення та використання скидної теплоти теплоакумулюючою системою корабельної енергетичної установки для розрахунку теплофізичних процесів підготовки головних і допоміжних двигунів та забезпечення загальнокорабельних потреб. Обґрунтовано вибір тривимірної моделі континуального типу, яка здатна прогнозувати основні процеси в елементах теплоакумулятора та розроблено математичну модель процесів фазового переходу теплоакумулюючих матеріалів у шумоглушниках-теплоакумуляторах різної будови. Надано опис принципової схеми експериментального стенду для проведення досліджень моделі експериментального зразка шумоглушника-теплоакумулятора з фазовим переходом, верифікації та валідації математичної моделі процесів перенесення теплоти в елементах теплоакумулюючої системи. Проведено верифікацію запропонованої математичної моделі відповідно експериментальним даним шумоглушника-теплоакумулятора. Третій розділ присвячено результатам тривимірних розрахунків термо-гідродинамічної структури газового потоку і теплоакумулюючого матеріалу в теплоакумуляторах. Виявлено основні особливості формування теплових потоків в елементах на режимах зарядки. Отримано розподіли температур по перерізах капсул теплоакумулятора, температури та границі розподілу фаз теплоакумулюючого матеріалу з урахуванням його теплофізичних властивостей при послідовній роботі за циклом та різних співвідношеннях термінів часу цих процесів. Отримані результати обґрунтували підвищення ефективності енергетичної установки надводних кораблів застосуванням теплоакумулюючої системи при використанні джерел скидної теплоти з різними температурними потенціалами шляхом визначення рівня ефективності використання з урахуванням, умов експлуатації кораблів та складу споживачів наступними техніко-економічними показниками: часовим-енергетичним еквівалентом, показником ефективності використання теплоакумулюючої системи, її показником якості та теплової ефективності. Четвертий розділ присвячено експериментальним дослідженням моделі шумоглушника-теплокумулятора фазового переходу. Проведено експериментальні дослідження нестаціонарних енергетичних характеристик моделі шумоглушника-теплокумулятора. Отримані характеристики моделі дослідного зразка шумоглушника-теплоакумулятора з однією капсулою, яка вміщає 3 кг теплоакумулюючого матеріалу – манітол, призначеного для роботи в складі газовипускної системи дизельного двигуна. Визначена тривалість циклічності його роботи в режимі зарядки від запуску до «холостого ходу» і «холостого ходу» до часткового навантаження та умови зменшення значення часу зарядки. Отримані дані узагальнені за положеннями теорії подібності для їх використання при розробці натурних дослідних зразків. У п’ятому розділі обґрунтовано впровадження результатів дослідження в проектування та створення енергетичних установок надводних кораблів та суден з теплоакумулюючою системою. Розроблено конструктивну схему глушника-теплокумулятора фазового переходу та схеми енергетичних установок з теплоакумулюючими системами різних класів кораблів: патрульний та ракетний катери, корвет та фрегат. Визначено рекомендації щодо їх впровадження на стадії дослідно-конструкторських робіт та модернізації енергетичних установок кораблів та суден. Розроблено практичні рекомендації щодо вдосконалення конструктивних схем теплоакумулюючих систем для використання різних джерел скидної теплоти: систем газовихлопу, охолодження та мастильної.