Інтегрована термогідродинамічна модель та багатокритеріальна оптимізація енергетично-конструктивних параметрів суднових box coolers

Abstract

Підвищення енергоефективності суднових газотурбінних установок значною мірою залежить не лише від удосконалення термодинамічного циклу, але й від оптимізації енергоспоживання допоміжних систем, зокрема централізованих систем охолодження. У таких системах теплообмінники типу box cooler широко застосовуються для відведення теплоти до забортної води, а геометричні параметри трубного пучка істотно впливають на гідравлічні втрати, інтенсивність теплопередачі, масу конструкції та внутрішній об’єм теплоносія. Водночас у наявних дослідженнях відсутній інтегрований підхід, що поєднує гідравлічні, теплотехнічні та конструктивні чинники в межах єдиної оптимізаційної моделі. Мета. Метою роботи є розробка математично замкненої термогідродинамічної моделі теплообмінника типу box cooler та визначення оптимального значення внутрішнього діаметра труб як керованого параметра оптимізації на основі інтегрального критерію енергетично-конструктивної ефективності. Методика. Методика дослідження базується на математичному моделюванні теплогідравлічних процесів із використанням математично замкненої системи рівнянь, що інтегрує гідравлічні рівняння руху теплоносія, класичні співвідношення теплопередачі та конструктивні залежності трубного пучка в межах єдиного ітераційного розрахункового контуру. Параметричний аналіз виконано шляхом варіювання досліджуваного параметра у межах нормативного ряду DIN 86019 із використанням безрозмірних інтегральних показників, що характеризують співвідношення енергетичного виграшу від зниження гідравлічних втрат і конструктивного приросту маси та внутрішнього об’єму теплообмінника. Результати. Отримані результати показали, що збільшення діаметра труб призводить до зниження гідравлічного опору та споживаної потужності циркуляційного насоса, проте одночасно спричиняє зростання маси конструкції та внутрішнього об’єму теплоносія. Параметричні залежності мають немонотонний характер, що відображає компроміс між енергетичними та конструктивними факторами та підтверджує багатокритеріальну природу задачі оптимізації. Наукова новизна. Наукова новизна полягає у розробці математично замкненої термогідродинамічної моделі оптимізації теплообмінника типу box cooler, у якій геометричні параметри трубного пучка розглядаються як керовані змінні багатокритеріальної задачі енергетично-конструктивного компромісу. Практичне значення. Практичне значення роботи полягає у можливості раціонального вибору параметрів трубного пучка для систем охолодження суднових газотурбінних установок за заданих теплових навантажень та експлуатаційних обмежень.