CC BY
15перто). Законченный цикл тренажерной подготовки должен способствовать переходу знаний оператора на более высокий уровень. Однако, сама по себе тренажерная подготовка вряд ли способна поднять уровень знаний. Она должна дополняться соответствующими теоретическими курсами: уже упоминавшимся профессиональным английским языком, по СЭУ, рабочим процессам дизелей и котельных установок, производства грузовых операций и т. п. Причем, эти курсы обязательно должны учитывать специфику КСУ.
Рассмотренные в статье роль и место тренажерной подготовки в профессиональном обучении судовых инженеров-механиков предлагаются к внедрению в учебный процесс для студентов, обучающихся по специальности 24.05 «Эксплуатация судовых энергетических установок», вахтенных, вторых и старших механиков, проходящих переподготовку.
ROLE AND PLACE OF SIMULATION TRAINING IN PROFESSIONAL EDUCATION OF SHIP ENGINEERS
K. V. Markov, O. P. Shuraev
Simulation ¡raining is the important part ofprofessional education of ship engineers Nowadays it is devoted greater attention. However, simulation training has different purposes. This article offers an analysis of kinds of simulation training from the point of v;en' of achievement of goals, highlighted on the training stage.
УДК 621.184.64
С. Н. Валиулии, к. т. н., доцент.
О. П. Шураев, к. т. ВГАВТ.
603600, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА СЕРИИ ВВПИ
Проектирование высокоэффективных теплообменных аппаратов по-прежнему является важной научно-технической задачей. В статье проанализированы особенности расчета теплообменного аппарата серии ВВПИ в математическом пакете Mathcad. Рассмотрены алгоритмы расчета, учитывающие особенности конструкции и условий эксплуатации этих теплообменников Рассказывается об опыте теплотехнических расчетов в математическом пакете Mathcad.
Интенсифицированные водо-водяные подогреватели (ВВПИ) предназначены для работы в качестве разделительных теплообменников в системах отопления и горячего водоснабжения. Кроме того, теплообменники ВВПИ могут использоваться в качестве охладителей в системах энергетических установок, утилизаторов вторичной теплоты, подогревателей технологических сред. Рабочими средами в трубной и межтрубной полостей теплообменников ВВПИ могут быть: вода пресная и морская, топлива, масла и другие неагрессивные органические и неорганические жидкости, кислоты, сильные щелочи.
Коррозионная стойкость корпуса и трубной системы обеспечивается подбором соответствующего каждой среде материала.
Теплообменники ВВПИ в стандартной комплектации надежно работают при температуре теплоносителей до 150°С. При использовании теплостойких уплотняющих элементов возможна эксплуатация теплообменных аппаратов серии ВВПИ при температуре до 250°С.
Благодаря малой массе и компактности теплообменников ВВПИ их целесообразно использовать на тех объектах, где предъявляются особо высокие требования к массогабаритным показателям теплоэнергетического оборудования, например, в блочных котельных, на судах, других транспортных средствах и т. п.
Параметры типоразмерного ряда
Типоразмерный ряд теплообменников ВВПИ включает две группы по восемь типов, перекрывающих интервал тепловых потоков от 100 до 1750 кВт при среднем температурном напоре ДЬ:р= 15оС.
Первая группа - теплообменники с реверсной организацией движения греющего и нагреваемого теплоносителей и общим противотоком (рис. 1, а). Вторая группа - теплообменники с реверсной организацией движения греющего теплоносителя и однонаправленным потоком нагреваемого теплоносителя (рис. 1, б).
Номинальный тепловой поток каждого теплообменника типоразмерного ряда выбран так, чтобы при параллельном включением соответствующих теплообменников ряда можно было обеспечить любое значение требуемого теплового потока с шагом 100 кВт. Гидравлическое сопротивление теплообменников каждой группы для сходственных полостей примерно одинаково, что позволяет компоновать параллельно любые теплообменники из каждой группы.
При необходимости достижения большого температурного перепада входа - выхода по нагреваемой или греющей среде теплообменники ВВПИ можно включать последовательно. Возможна также и последовательно-параллельная компоновка.
Конструкция
Все теплообменники ВВПИ выполнены по одному конструктивному принципу. Это кожухотрубные, цельносварные аппараты с компенсатором температурных расширений. Во всех аппаратах предусмотрено продольное направление движения теплоносителя в межтрубном пространстве. В корпусе каждого аппарата имеется продольная перегородка, обеспечивающая реверсное движение греющего теплоносителя. Одновременно продольная перегородка придает корпусу высокую жесткость и прочность, что позволяет изготавливать корпус из достаточно тонкого листового проката. Патрубки корпуса могут устанавливаться как соосно, так и под углом 90,. Л 80°, имеют цилиндрическую форму и располагаются ка коллекторах, которые приварены к корпусу, что обеспечивает высокие прочность и жесткость плечевого пояса теплообменников, позволяющие выдерживать сжимающие и растягивающие усилия до 20 кН. Эти усилия могут возникнуть в присоединенных трубопроводах в результате термических расширений.
Во всех теплообменниках ВВПИ предусмотрено использование теплообменной трубки (1нар = 12 мм, с толщиной стенки 5ст =1,0 мм.
С целью получения высоких значений коэффициентов теплоотдачи и достижения эффекта самоочистки трубки во всех теплообменниках ВВПИ имеют внутреннюю и наружную накатку в виде кольцевых выступов и канавок.
Теплообменники ВВПИ, предназначенные для работы в составе котельных или систем теплоснабжения, изготавливаются из коррозионностойких сталей 12X18Н9Т, 08Х18НI ОТ, X18Н9Т.
——ь
I
а) б)
Рис. I. Аппараты ВВПИ: а) исполнение 00 б) исполнение 01
Преимущества
В теплообменниках ВВПИ достигнуты следующие значения коэффициента теплоотдачи для сред вода - вода и трубок с/н = 12 мм, 5ст = 1,0 мм - ¿ = 4500 ... 5500 Вт/(м2 К)
Данные значения превышают удельные показатели теплопередачи стандартных кожухотрубных теплообменников в 1,7 ... 3,0 раза и соответствуют значениям теплопередачи в лучших пластинчатых разборных теплообменниках (например, теплооб-менных аппаратах фирм АИа-Ьауа1, АРУ и др.)
Благодаря этому теплообменники ВВПИ, находясь в классе кожухотрубных теплообменников, по массогабаритным показателям соответствуют разборным пластин-чагым аппаратам.
Таким образом, конкурируя по компактности с пластинчатыми аппаратами, теплообменники ВВПИ имеют следующие положительные свойства:
- герметичность теплообменной поверхности;
- нечувствительность к гидроударам, резкому изменению давления сред;
- нечувствительност ь к резкому изменению температур сред;
- отсутствие необходимости предпусковых операций по обслуживанию и операций регулировки в процессе эксплуатации;
- более низкое гидравлическое сопротивление;
- более высокое допустимое давление теплоносителей;
- возможность механической очистки трубной (наиболее загрязненной) полости от осадков без разборки;
- отсутствие большого количества быстро стареющих и дорогих уплотнительных элементов.
Из группы используемых для трубных систем материалов в теплообменниках ВВПИ предпочтение отдается коррозионностойким сталям. При этом учтены следующие обстоятельства. Коррозионностойкие стали практически не подвержены общей коррозии в пресной, особенно аэрированной, воде. Поверхность труб их этих
сталей в течение многих лет остается гладкой, на ней не задерживаются частицы грязи. Это обеспечивает стабильное значение коэффициента теплопередачи при эксплуатации. Медьсодержащие сплавы (латуни, бронзы) в пресной воде, хотя и незначительно, но подвержены общей коррозии. На поверхности таких труб формируется некоторый слой окислов, обладающих хорошей адгезией к частицам загрязнений, которые и образуют трудноудаляемый слой. При толщине слоя загрязнений всего 0,05 мм полностью теряются преимущества по теплопроводности медьсодержащих трубок в сравнении со стальными коррозионностойкими.
В практике расчетов ТА различают проектный и поверочный. Так как типовой ряд аппаратов ВВГТИ заранее сформирован, и есть необходимость оценки применимости ТА определенного типоразмера для заданных условий, то реализована методика поверочного расчета.
Инструментом проведения расчетов выбран математический пакет Mathcad, обладающий целым рядом преимуществ [1] по сравнению с языками программирования. В разработанной модели используются особенности Mathcad:
- расчет ведется с использованием размерностей физических величин;
- отображение результатов расчета как в числовом виде, так и в виде графиков.
Использование возможности Mathcad скрыть от пользователя часть документа позволяет сформировать отчет о вычислениях на 2 листах формата А4. На первом листе располагаются исходные данные к расчету, а на втором — результаты расчета (рис. 2).
Исходными данными к расчету служат значения расходов теплоносителей, температуры на входе и выходе (температуры на выходе из ТА задаются в качестве первого приближения), параметры, характеризующие конструкцию ТА: диаметр кожуха, количество, диаметр, и длина трубок.
Одна из наиболее известных методик расчета ТА предусматривает предварительное определение так называемых «определяющих» темпера тур с последующим итеративным их уточнением. В Mathcad итеративные процедуры могут присутствовать только в программных блоках, что лишает расчет требуемой гибкости. Поэтому, определяющие температуры теплоносителей находятся из решения системы уравнений теплового баланса, теплопередачи и уравнений для определения «определяющих» температур. Расчеты показывают, что погрешность, вносимая данным способом расчета «определяющих» температур составляет менее 5 %, что значительно меньше погрешности самого уравнения подобия.
В зависимости от «определяющей» температуры теплоносителя находятся его теплофизические свойства. Для их определения использованы регрессионные модели [2].
В аппаратах ВВПИ реализована схема тока с продольным обтеканием трубного пучка при общем противотоке. Коэффициенты теплоотдачи для данной схемы тока в данной модели определяются по уравнениям подобия из [2, 3]. В ТА серии ВВПИ для интенсификации теплоотдачи применяются трубы с кольцевой накаткой [4]. Для учета интенсификации использованы уравнения, предложенные Калининым, Дрейцером, Ярхо [3]. Кроме того, модель позволяет учесть влияние термических загрязнений поверхностей теплообмена.
Окончательные результаты расчета: передаваемый тепловой поток, тепловая эффективность, средний температурный напор концевые температуры находятся из совместного решения уравнений теплопередачи, теплового баланса, а также уравнения для определения среднего температурного напора. В рассматриваемой модели это реализовано двумя способами: используя блок Given ... Find и средствами программирования Mathcad.
Результаты расчета при Кг-,><1Л0,Й Передаваемый тепловой поток Проверка теплового баланса
\^г(ти -Т|2).(1К) -653.136к\\’
Средний температурный напор, °С Функция тепловой эффективности Число единиц переноса теплоты Площадь поверхности теплообмена (наружняя повехность трубок)
Коэффициент теплопередачи.
отнесенный к наружной поверхности трубок
т*-К
watt
4>-.£53.136 kW
w2 (Т22 -Tj|).(l K) = 653.136kW
= 0.766 S« 2.997
А я 3.563 ni5
V, - 2983,332
watt
m2K
отнесенный к внутренней поверхности трубок Концевые температуры
к2 ш 3340.79Í?
Концевые гсмнерагуры
wati
ш2-К
та-5
Тз2 - 81.6
Т,| - 105
Т,2 а 32.9
. . Температура | ор. тсшюношпеля «а аходв« ТА К X Гсмпсратура хол. твп.1оноси1ел* на выходе нч ГА X. X Tc.vincpaiyp® гор теплоносителя m выходе и* ТА О О Температура хол. теплоносителя на входе в ТА
Гидравлическое сопротивление движению горячего теплоносителя холодного теплоносителя
Р, = 6816 Ра Рг-32713Р»
Рис. 2. Отчет о выполненном расчете ТА ВВПИ
В модели также реализован расчет гидродинамического сопротивления в трубах и межтрубном пространстве. Реализация модели в МаАсас! обеспечивает очень большую гибкость в расчетах. В ходе расчета можно не только оперативно изменять исходные данные и отслеживать их влияние на искомые параметры, но и вывести для анализа любой промежуточный вариант: значения переменных, выражений и их фрагментов. Это позволяет оперативно, в процессе расчета вносить коррективы в конструкцию ТА: изменить параметры накатки, длину теплообменника, число трубок в пучке, решить вопрос об установке вытеснителей с целью увеличения скорости потока в межтрубном пространстве и т. п.
а) б)
Рис. 3. Блоки ТА. рассчитываемые по модифицируемой модели
Модель легко модифицируется при необходимости выполнения расчета для ТА, отличающихся от базовых. Также возможно использование модели для расчета блоков из ТА серии ВВПИ с последовательным, параллельным соединением ТА, а также с последовательно-параллельным соединением ходов ТА. Модель позволяет рассчитать к блоки ТА с последовательным соединением ходов, с параллельным ходом по одному теплоносителю и последовательным по другому, (рис. 3, а) - двухступенчатых ТА.
Модификация блока решения уравнений теплового баланса и теплопередачи позволила выполнять расчеты для и-образно соединенных аппаратов (рис. 3, б).
Список литературы
[1] Шураев 0.11. Расчеты в математическом пакете МаШсаи. Начальный курс. - Н. Новгород: В1 АВТ, 2000. - 48 с.
[2] Бажан И.И., Каневец Г.Е., Селиверстов В.М. Справочник по теплообменным аппаратам. -М.: Машиностроение, 1989. - 366 с.
[3] Калинин Э. К., Дрейпер Г. А., Ярхо С. А. Интенсификация теплообмена в каналах. - М.: Машиностроение, 1980. - 220 с.
[4] Бажан П.И., Валиулин С.Н. Теплообменный модуль для утилизации теплоты выпускных или отходящих 1-азов с малым аэрогидродинамичсским сопротивлением. // Тр. 2-й Российской национальной конференции по теплообмену, Т. 2. - М.: Изд-во МЭИ, 1998. - с. 50- 51.
THE MATHEMATICAL MODEL OF HEAT-EXCHANGE APPARATUS OF WPI SERIES S. N. Valiulin, O. P. Shuraev
Designing of high efficient heat-exchange apparatus is still an important research problem. Calculation of lieat-exchange apparatus of VVPI series using Mathcad mathematical package is analyzed in this article. A lgorithms for calculation, taking design features and operation conditions into account are analyzed. Experience of heat-exchange apparatus calculations using Mathcad mathematical package is presented in this article.
