Метод повышения энергетической эффективности теплоотвода замкнутой системы охлаждения в неопределенных условиях эксплуатации судна

УДК 621.43

А. А. Железняк, В. В. Ениватов, А. А. Масленников

МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛООТВОДА ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ В НЕОПРЕДЕЛЕННЫХ УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ СУДНА

Исследуется проблема повышения эффективности замкнутой системы охлаждения судовых энергетических установок в неопределенных условиях эксплуатации судна. Предложена методика расчета высокоэффективной замкнутой системы охлаждения. Показано, что наиболее приемлемым и перспективным методом повышения эффективности работы замкнутой системы охлаждения является создание у судовой обшивки со стороны забортной воды газожидкостной струи, условия формирования и воздействие на достигаемый теплоотвод которой зависят от угла наклона обшивки корпуса. По показателю энергетической эффективности системы наилучшим является расположение судовых обшивочных теплообменных аппаратов на участках судовой обшивки с углом наклона -30°. Показано, что для получения одних и тех же значений коэффициента теплоотдачи энергозатраты при формировании газожидкостных струй оказываются меньшими, чем при создании вынужденного потока однородной жидкости вдоль теплоотдающих поверхностей. В целях экономии энергии на обеспечение работы замкнутой системы охлаждения целесообразно создание систем автоматического управления. Отмечается, что наиболее перспективна система с комбинированным управлением.

Ключевые слова: неопределённые условия, охлаждение забортными системами, энергетическая эффективность, газожидкостная струя, теплоотвод, судовая энергетическая установка.

Введение

Проблема скорейшего освоения геологических и биологических ресурсов шельфа Черного и Азовского морей предопределяет необходимость создания комплекса эффективно функционирующих специализированных судов и морских технических средств (буровые и стационарные платформы, земснаряды, трубоукладчики и т. д.). Энергетические установки таких объектов должны отличаться высокой надежностью, эффективностью и безопасностью.

Система охлаждения является одним из основных элементов судовой энергетической установки (СЭУ). Энергетические установки судов технического флота, для которых наиболее целесообразно охлаждение забортными системами, работают в условиях явно выраженных циклических нагрузок при неопределённости исходной информации.

На большинстве судов наибольшее распространение получили дизельные СЭУ [1]. Важнейшим элементом таких установок является система охлаждения (СО). Нарушение режимов работы СО или ее отказ приводят, как правило, к выводу судна из эксплуатации, в том числе к аварийной ситуации.

Отвод теплоты от работающего дизеля может быть осуществлен в атмосферу и в забортную воду [2]. Теплоотвод в атмосферу связан с низкими значениями коэффициентами теплопередачи, что требует повышенных габаритов устройств теплоотвода и значительным мощностям воздушных нагнетателей [3]. Отвод теплоты в забортную воду, по сравнению с теплоотводом в атмосферу, связан с достижением более высоких значений коэффициентов теплопередачи [3, 4], поэтому более широко на судах используется именно этот способ.

Система охлаждения должна обеспечивать требуемую степень охлаждения и возможность поддержания в необходимых пределах теплового состояния энергетического оборудования при различных режимах и условиях работы. Кроме того, система должна быть максимально безопасной, чему в последнее время уделяется все большее внимание [5]. Системы охлаждения могут быть разомкнутыми (предусматривают забор забортной охлаждающей воды насосом и ее прокачку внутри корпуса судна) и замкнутыми (забортная вода не подается внутрь корпуса, а обтекает различные элементы корпуса судна, через которые осуществляется отвод теплоты). В настоящее время наибольшее распространение получили разомкнутые двухконтурные системы охлаждения в неопределенных условиях эксплуатации судна. Циркулирующая по замкнутому контуру через энергетическое оборудование пресная вода охлаждается забортной водой (рис. 1).

Рис. 1. Принципиальная схема построения разомкнутой двухконтурной системы охлаждения судовой энергетической установки: - тепловой поток (количество теплоты);

ТОА - теплообменные аппараты

Теплоотвод непосредственно от элементов двигателя внутреннего сгорания (ДВС) к пресной воде обычно является достаточно эффективным, поскольку при этом используется специально подготовленная пресная вода, достигаются высокие температурные напоры и скорости жидкости. Теплоотвод в заборную воду реализуется в устройстве теплоотвода (УТ), в качестве которого обычно используются кожухотрубные, пластинчатые и другие типы рекуперативных ТОА. В этих аппаратах забортная вода прокачивается специальным насосом, что обеспечивает высокие значения коэффициента теплопередачи и сравнительно небольшие габариты этих устройств. Однако в процессе эксплуатации происходит снижение эффективности их работы, вследствие обрастания и загрязнения поверхностей теплообмена [6]. Выполняемые технологические операции (размыв грунта, грейферные работы и т. д.) часто усиливают загрязнение окружающей акватории и, соответственно, вызывают коррозионно-эрозионные повреждения. Это приводит к дополнительным затратам на обслуживание и ремонт и, как следствие, к простою судна, к снижению надежности эксплуатации и ресурса СЭУ. Эксплуатация судов и морских технических средств с разомкнутой системой охлаждения (РСО) СЭУ наносит существенный экологический ущерб биоресурсам морей в прибрежной зоне. По данным Международной экологической экспертизы [6], большая часть планктона, икринок, рыбной молоди, попадая вместе с забортной водой в систему охлаждения и проходя через фильтры и насосы, погибает.

Одним из путей решения этих проблем в неопределенных условиях эксплуатации судна является переход на замкнутые системы охлаждения (ЗСО), которые с точки зрения экологической безопасности являются более экологичными по сравнению с РСО (рис. 2) [4, 7, 8].

I

| Обшивочные ТОА

1 Выносные ТОА

1 Килевые ТОА и др.

1__________

Рис. 2. Принципиальная схема построения замкнутой двухконтурной системы охлаждения судовой энергетической установки

В таких системах для отвода теплоты используются либо элементы обшивки корпуса судна (обшивочные) [8], либо специальные УТ, вынесенные в забортную воду [9]. Более подробно этот вопрос будет рассмотрен ниже.

Замкнутые системы охлаждения, как более надежные и экологически безопасные, достаточно широко используются на судах технического флота и судах зарубежной постройки [10].

Неравномерность загрузки СЭУ определяет необходимость разработки методов, повышающих надежность СЭУ в неопределенных условиях эксплуатации судна и, как следствие, надежность теплоотвода ЗСО.

Целью исследования является поиск путей повышения энергетической эффективности СЭУ в неопределенных условиях эксплуатации судна путем разработки методики расчета высокоэффективных ЗСО. Достижение поставленной цели предопределило необходимость решения следующих задач:

- анализ условий работы ЗСО СЭУ в неопределенных условиях эксплуатации судна, возможностей использования и механизма воздействия газожидкостной струи на эффективность теплоотвода системы при нахождении судна в неподвижной забортной воде;

- комплексная оценка тепловой эффективности ЗСО при использовании газожидкостных струй, с учетом влияния различных параметров построения системы;

- разработка и исследование эффективности системы автоматического управления (САУ) ЗСО, учитывающей режимы частичной загрузки СЭУ.

Материалы и методы исследования

Методологическую основу исследований составляют теории тепломассообмена и подобия физических процессов. Для достижения поставленной в работе цели использовались следующие методы:

- теории подобия - при экспериментальном моделировании замкнутой системы охлаждения и устройства теплоотвода;

- визуализации течения жидкости - при исследовании механизма взаимодействии интенсифицирующей теплоотвод газожидкостной струи;

- экспериментального теплотехнического исследования - при определении эффективности теплоотвода системы;

- статистической обработки данных - для анализа экспериментальных результатов и определения обобщающих уравнений подобия;

- компьютерного моделирования - при определении эффективности теплоотвода ЗСО СЭУ и возможностей применения САУ с целью снижения дополнительных энергозатрат.

Результаты исследований

Под энергетической эффективностью СО понимаем соотношение между положительным результатом и затратами, определяющими этот результат. Для оценки энергетической эффективности теплоотводящих систем достаточно часто используется критерий

£ = О-,

N

где О - отводимая теплота; N - затраты мощности.

Теплота, отводимая системой и определяемая создаваемой газожидкостной струёй, может быть найдена по зависимости

ог = аг • ^•&,

где аг - коэффициент теплоотдачи, F - мощность, А* - угол наклона судовых обшивочных ТОА.

Затраты мощности свяжем с расходом газа и повышением давления (относительно атмосферного), необходимым для преодоления давления столба жидкости до глубины установки газового коллектора.

Удельная работа изоэнтропного сжатия газа, согласно [11], записывается в виде

к ¥ ? п к -1

А =-RT

к -1

к

где Я - универсальная газовая постоянная; к - показатель адиабаты; Т - начальная температура газа; пк - параметр компрессора, определяющий степень повышения давления рабочей среды.

Массовый расход газа определяется по формуле

О = р •Ж • Ь ,

Г 1 Г ГЬ

где рг - плотность газа; Ж - удельный расход воздуха; Ь - длина газового коллектора, установленного на нижней кромке теплоотдающей поверхности.

Таким образом, затраты мощности на подачу газа на газовый коллектор, согласно [5], определяются по формуле

N = О • А,

г г

где Ог - массовый расход газа; А - удельная работа компрессора, затрачиваемая на сжатие и перекачку газа.

Выполнив соответствующие подстановки в формулу (1), получим выражение

к ( — ^ к — п к -1

N = р Ж • Ь--ЯТ

г г ГЬ к -1

к

Проанализировав соотношение затрат мощности на формирование газожидкостной струи и отводимой теплоты, при различных углах наклонах и заглублении коллектора, мы установили, что увеличение расхода газа приводит к увеличению теплоотвода, однако интенсивность этого роста различная (в статье анализ не приводится). Для рассматриваемой поверхности длиной 10 м и высотой 4 м при затратах мощности до 300-400 Вт наблюдается интенсивный рост теплоотвода, который в зависимости от угла наклона может достигать 18-39 кВт.

На рис. 3 видно, что увеличение объема (количества) отводимой теплоты связано с необходимостью дополнительных затрат на подачу сжатого газа. Наибольший эффект достигается при малых мощностях (расходах воздуха). Дальнейшее увеличение подаваемого воздуха (затрат мощности) обеспечивает незначительное увеличение отводимой теплоты Qг.

Вт/{К*м2) 5000

4000

3000

2000

1000

,:  ;  ЖгЬ  103, м3/с

Рис. 3. Зависимость газожидкостной составляющей коэффициента теплоотдачи аг от удельного расхода газа ЖГЬ при различных углах наклона судовых обшивочных теплообменных аппаратов

Данные на рис. 3 подтверждают, что следует ограничивать расход подаваемого газа с целью предотвращения чрезмерного роста затрат энергии на формирование струи у поверхности теплоотдачи. Подобная закономерность наблюдается для всех углов наклона ф от 0° до 85°.

Отметим, что имеются апробированные методики расчета теплоотвода при свободной конвекции (судно в неподвижной забортной воде) при любых углах наклона - ф = -90°.. .90°. На рис. 4 представлены системы охлаждения с различной ориентацией теплоотдающих поверхностей судовых обшивочных теплообменных аппаратов (СОТОА).

Рис. 4. Системы охлаждения с различной ориентацией теплоотдающих поверхностей судовых обшивочных теплообменных аппаратов: а - вертикальная и днищевая; б - наклонная

Данные на рис. 5 позволяют проанализировать влияние угла наклона на теплоотвод. Наклон поверхности оказывает существенное влияние на эффективность метода. Для поверхностей, имеющих наклон ф = -30°, при одинаковых затратах мощности обеспечивается больший теплоотвод (зависимость 1 на рис. 5), чем при вертикальной ориентации поверхности.

Рис. 5. Зависимость отведенной теплоты ОГ от затрачиваемой энергии N при различных углах наклона судовых обшивочных теплообменных аппаратов (Н = 4 м, Ь = 10 м, & = 1°, ШТЬ= (2,9 - 520) • 10-3 м3/с

Рассмотрим возможные схемы построения системы регулирования температуры в ЗСО. В основу их работы должно быть положено обеспечение требуемых значений температуры охлаждения элементов ЭУ, в частности наиболее распространенных в судостроении дизельных ЭУ в неопределенных условиях эксплуатации судна.

В настоящее время большинство систем охлаждения СЭУ оборудованы пропорциональным регулятором, включенным в цепь обратной связи (принцип регулирования по отклонению) [9]. Процесс регулирования температуры в СО начинается после возникновения отклонения регулируемой величины от номинального значения. Это может привести к перерегулированию температуры теплоносителя и увеличивает время переходного процесса.

Применение комбинированных систем регулирования обеспечивает большую точность и быстродействие. Однако такие системы являются более сложными и дорогостоящими и требуют применения дополнительных датчиков.

В случае использования ЗСО с газожидкостной интенсификацией теплоотвода дополнительно необходимо осуществить регулирование подачи газа к СОТОА (рис. 6). Таким образом, данная система состоит из двух подсистем: регулирования расхода охлаждающей жидкости через СОТОА 2 и регулирования подачи газа. При работе ДВС на частичных нагрузках теплоот-

вод регулируется путем перепуска охлаждающей жидкости в обход СОТОА. Когда достигается предельное положение терморегулирующего клапана 5 (вся жидкость идет через теплообменник), сигнал от датчика положения регулирующего органа поступает на блок управления 7. Такое состояние соответствует началу подачи газа для интенсификации теплоотвода. Кроме данных о положении штока терморегулятора, в блок управления поступают сигналы от датчиков температуры забортной воды 1, сигнал о температуре охлаждающей жидкости 6 и мощности ДВС. Управляющий сигнал от блока управления (БУ) поступает на соленоидный клапан 8, регулирующий посредством дросселирования поток газа из баллона 9. Газ подается на поверхность СОТОА через газовый коллектор 3 и формирует движущуюся вдоль поверхности газожидкостную струю.

Рис. 6. Система регулирования температуры в одноконтурной замкнутой системе охлаждения с изменяющейся подачей газа: 1 - датчик температуры забортной воды; 2 - судовой обшивочный теплообменный аппарат;

3 - газовый коллектор; 4 - циркуляционный насос; 5 - терморегулирующий клапан;

6 - датчик температуры воды в контуре; 7 - блок управления; 8 - дросселирующий клапан; 9 - газовый ресивер

Рассмотренная выше система управления относится к системам стабилизации с несколькими входами и одним выходом. Выходом системы является температура охлаждающей жидкости в ЗСО на входе в ДВС. Для анализа процесса регулирования температуры в контуре СО использован пакет Ма1ЬаЬ 81шиНпк. Структурная схема ЗСО, соответствующая традиционной СО, изображена на рис. 7.

Рис. 7. Структурная схема замкнутой системы охлаждения в 81шиИпк

Рассмотрены режимы работы СЭУ (Г70 883 кВт, 6ЧРН 36/45) при различных степенях загрузки. Температура забортной воды гз = 30 °С (температура воды в летний период). Угол наклона теплоотводящей поверхности ф = -30°, что соответствуют размещению СОТОА в кормовой части судна.

Разделение потока охлаждающей жидкости происходит в блоке TRV, выполняющем функции трехходового терморегулирующего клапана, входным сигналом которого является сигнал рассогласования между текущим и заданным значениями температуры на входе в двигатель. Температура на входе в ДВС задается блоком SP.

Рассмотрим задачу поддержания постоянной температуры на входе в ДВС. Система настроена так, что при увеличении мощности ДВС до 40 % вся охлаждающая жидкость проходит через СОТОА. При этом теплоотвод в забортную воду осуществляется посредством свободной конвекции (нахождение судна в стоячей воде). На рис. 8 видно, что в таких условиях ЗСО не справляется с отводом теплоты. В этом случае для интенсификации теплоотдачи необходима подача газа на поверхность СОТОА.

t, °C

Т, С 1500

0.8 0.6 0.4 0.2

....

7

/

jf

0 500 1000 Т, С

а б

Рис. 8. Переходный процесс регулирования температуры (40 % от полной мощности): I - температура на входе в ДВС; ш - относительный расход жидкости; т - время; а - температура на входе в ДВС; б - относительный расход жидкости через судовой обшивочный теплообменный аппарат

Рассмотрим модель ЗСО с постоянной подачей газа на теплоотводящую поверхность, независимо от режима работы ЭУ. Графики переходных характеристик системы показаны на рис. 9.

t, °C

В 50 100 150 Я» 250 300 350 400 450

Т, С

100 200 300' 400 500 600' 700 ВДВ.

ю

ю

а б

Рис. 9. Переходный процесс регулирования температуры с непрерывной подачей газа (25 %, 50 %, 100 % от полной мощности; при максимальном расходе): а - температура на входе в ДВС; б - относительный расход жидкости через теплообменный аппарат

Анализ переходных характеристик на рис. 9 показал, что при прочих равных условиях и настройке терморегулятора в контуре ДВС при данном методе управления более 80 % жидкости идет в обход СОТОА. Таким образом, теплопередающая поверхность СОТОА может быть сокращена на 30 %.

Для повышения точности САУ температуры охлаждающей жидкости в контуре ЗСО целесообразно применять пропорционально-интегральный регулятор. Кроме того, с целью сокращения расхода подаваемого газа управляющий сигнал клапана подачи газа должен формироваться при достижении штоком терморегулирующего клапана предельного значения, соответствующего максимальному расходу охлаждающей жидкости через СОТОА.

Рассмотрим предложенную САУ температуры охлаждающей жидкости при различных циклах работы ДВС с учетом обеспечения требуемых уровней охлаждения в неопределенных условиях эксплуатации судна. Схема модели такой ЗСО с САУ показана на рис. 10.

Рис. 10. Схема цикличной работы замкнутой системы охлаждения с САУ

Применение при газожидкостной интенсификации теплоотвода САУ температуры охлаждающей жидкости и удельного расхода газа позволяет повысить эффективность работы ЗСО, поддерживать более точно температурные уровни, а также уменьшить массогабаритные параметры ЗСО. Однако такая система является конструктивно более сложной, а использование дополнительных датчиков может привести к снижению надежности. В случае аварийного отказа системы управления либо размыкания контура управления по возмущению обеспечивается продолжение работы СО. При этом выполняются следующие условия: подача удельного расхода газа на поверхности СОТОА устанавливается на максимальное значение, а регулирование жидкости в контуре ДВС осуществляется перепуском жидкости. Кроме того, релейное управление подачей газа требует задания ширины гистерезиса, обеспечивающего эффективное включение подачи газа с учетом относительных расходов жидкости через СОТОА, близких к 1 (полное открытие терморегулирующего клапана).

Таким образом, полученные математические модели и результаты исследований позволили определть, что с целью экономии энергии на обеспечение работы ЗСО целесообразно создание САУ. Наиболее перспективной является система с комбинированным управлением. Модели ЗСО построены с использованием среды Simulink пакета MatLab и позволяют учитывать частичные загрузки СЭУ при эксплуатации.

Обсуждение результатов исследований

Сопоставим результаты исследований теплоотвода при омывании вынужденными потоками жидкости с результатами, полученными при использовании метода газожидкостной интенсификации. Следует оценить затраты энергии, необходимые для организации потока жидкости с требуемой скоростью, с целью повышения теплоотвода от плоской поверхности, и сопоставить с затратами на формирование газожидкостных струй. На рис. 11 показаны зависимости, отображающие требуемые затраты N для достижения значений коэффициента теплоотдачи а более 1 000 Вт/(м2 К). Характер представленных зависимостей указывает на целесообразность применения метода газожидкостной интенсификации.

а,

Вт (К м2) 7000

5000

3000

1000

0 2 4 б 8 10 12 Л?, Вт

Рис. 11. Зависимость теплоотдачи от затрачиваемой мощности на создание вынужденного потока охлаждающей жидкости и газожидкостных струй: N - затраты мощности; а - коэффициент теплопередачи

Из рис. 11 видно, что для достижения значения коэффициента теплоотдачи в 5 000 Вт/(м2 К) применение метода газожидкостной интенсификации требует меньших затрат энергии, при этом наиболее эффективной является наклонная ориентация теплоотводящей поверхности.

Отметим, что на затраты энергии оказывает влияние глубина Н0 размещения подающего газового коллектора. Увеличение глубины погружения коллектора приводит к увеличению затрат мощности, что связано с необходимостью преодоления гидростатического давления столба жидкости над газовым коллектором.

Выводы и рекомендации

1. Из возможных методов повышения эффективности работы ЗСО наиболее приемлемым и перспективным является создание у судовой обшивки со стороны забортной воды газожидкостной струи, условия формирования и воздействие на достигаемый теплоотвод которой зависят от угла наклона обшивки корпуса.

2. По показателю энергетической эффективности системы наилучшим является расположение СОТОА на участках судовой обшивки с углом наклона ф = -30°. Установлено, что заглубление подающего газового коллектора приводит к снижению энергетической эффективности и уменьшению достигаемого максимума при ф = -30° по отношению к другим углам наклона судовой обшивки.

3. Показано, что для получения одних и тех же значений коэффициента теплоотдачи энергозатраты при формировании газожидкостных струй оказываются меньшими, чем при создании вынужденного потока однородной жидкости вдоль теплоотдающих поверхностей.

4. В результате исследований и построения математических моделей определено, что в целях экономии энергии на обеспечение работы ЗСО целесообразно создание САУ. Наиболее перспективной является система с комбинированным управлением. Модели ЗСО, построенные с использованием среды 81шиНпк пакета Ма1ЬаЬ, позволяют учитывать частичные загрузки СЭУ в неопределенных условиях эксплуатации судна.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Орлин А. С. Двигатели внутреннего сгорания. Системы поршневых и комбинированных двигателей: учебное пособие / А. С. Орлин, В. П. Алексеев. М.: Машиностроение, 1973. 480 с.

2. Безюков О. К. Основы комплексного совершенствования охлаждения судовых дизелей: автореф. дис. ... д-ра техн. наук / О. К. Безюков. СПб., 1996. 48 с.

3. Безюков О. К. Обеспечение и контроль эксплуатационных свойств охлаждающих жидкостей / О. К. Безюков, В. А. Жуков, О. В. Жукова // Двигатели внутреннего сгорания. 2008. № 1. С. 148-153.

4. Жуков В. А. Влияние охлаждающей жидкости на характеристики двигателей внутреннего сгорания / В. А. Жуков // Вестн. машиностроения. 2010. Вып. 12. С. 58-62.

5. Федоровский К. Ю. Теплопередача: учеб. / К. Ю. Федоровский. Севастополь: Изд-во Севастопол. нац. техн. ун-та, 2012. 304 с.

6. Petrucci G. Chlorine dioxide in seawater for fouling control and post-disinfection in potable water works / G. Petrucci, M. Rosellini // Desalination. 2005. Vol. 182. P. 283-291.

7. Barnthouse L. W. Impacts of entrainment and impingement on fish populations / L. W. Barnthouse // Environmental science & policy. 2013. Vol. 31. P. 149-156.

8. Lattemann S. Protecting the Marine Environment / S. Lattemann // Seawater Desalination. Green Energy and Technology. Springer, 2009. Ch. 11. P. 273-299.

9. Абрамова Л. С. Оптимизация инновационных решений в системах охлаждения судовых энергоустановок по показателю экономической эффективности / Л. С. Абрамова, К. Ю. Федоровский // Вестн. Севастопол. гос. техн. ун-та. 2001. Вып. 30: Механика, энергетика, экология. Ч. 3: Энергетика. С. 82-85.

10. Wagner J. R. Smart thermostat and coolant pump control for engine thermal management systems / J. R. Wagner, V. Srinivasan, D. Dawson, E. Marotta // Proceeding of SAE 2003 World Congress & Exhibition. 2003, Detroit, MI, USA. P. 6-7.

11. Александер М. Л. Система охлаждения энергетических установок ледоколов без приема воды из-за борта / М. Л. Александер, В. В. Климов // Судостроение. 1969. № 1. С. 31-45.

Статья поступила в редакцию 08.02.2016

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Железняк Александр Александрович - Россия, 298309, Керчь; Керченский государственный морской технологический университет, ассистент кафедры «Электрооборудование судов и автоматизация производства»; Zheleznyak13@mail.ru.

Ениватов Валерий Владимирович - Россия, 298309, Керчь; Керченский государственный морской технологический университет; доцент кафедры «Судовые энергетические установки»; Valriy.enivatov@gmail.com.

Масленников Андрей Анатольевич - Россия, 298309, Керчь; Керченский государственный морской технологический университет, ассистент кафедры «Электрооборудование судов и автоматизация производства»; maslyennikov@gmail.com.

A. A. Zheleznyak, V. V. Enivatov, A. A. Maslennikov

METHOD OF IMPROVEMENT OF ENERGY EFFICIENCY OF HEAT RADIATOR OF THE CLOSED COOLING SYSTEM IN THE UNCERTAIN CONDITIONS OF THE SHIP OPERATION

Abstract. The paper considers the problem of increasing the efficiency of the closed cooling system of the ship power stations in the uncertain conditions of the ship operation. The method of calculating the highly effective closed cooling system is presented. It is shown that the most appropriate and promising method for improving the efficiency of the closed cooling system is to create gas-liquid jet in the ship skin from the seawater side; its conditions of formation and the impact on the achievable heat radiator depend on the angle of inclination of the hull skin. In terms of energy efficiency of the system, the best thing is to locate the ship cladding heat exchangers in the areas of the ship skin with the angle of inclination -30°. It is shown that for the same heat transfer coefficient values, energy consumption in the formation of gas-liquid jets is less than while creating the forced flow of a homogeneous fluid along the heat-transfer surfaces. To save energy for ensuring the work of the closed cooling system it is expedient to create the automated control systems. It is noted that the most promising system is a system with combined control. The proposed models of the closed cooling systems allow taking into account the partial loading of ship power plants in uncertain conditions of the ship operation.

Key words: uncertain conditions, outboard cooling systems, energy efficiency, gas-liquid jet heat radiator, ship power plant.

REFERENCES

1. Orlin A. S., Alekseev V. P. Dvigateli vnutrennego sgoraniia. Sistemy porshnevykh i kombinirovannykh dvigatelei [Internal combustion engines. Systems of piston and combined engines]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1973. 480 p.

2. Beziukov O. K. Osnovy kompleksnogo sovershenstvovaniia okhlazhdeniia sudovykh dizelei. Avtoreferat dis. d-ra tekhn. nauk [Bases of the complex improvement of the marine diesel cooling. Abstract of dis. doc. tech. sci.]. Saint-Petersburg, 1996. 48 p.

3. Beziukov O. K., Zhukov V. A., Zhukova O. V. Obespechenie i kontrol' ekspluatatsionnykh svoistv okhlazhdaiushchikh zhidkostei [Provision and control of operational properties of the cooling liquids]. Dvigateli vnutrennego sgoraniia, 2008, no. 1, pp. 148-153.

4. Zhukov V. A. Vliianie okhlazhdaiushchei zhidkosti na kharakteristiki dvigatelei vnutrennego sgoraniia [Influence of the cooling liquid on the characteristics of the internal combustion engines]. Vestnik mashinostroeniia, 2010, iss. 12, pp. 58-62.

5. Fedorovskii K. Iu. Teploperedacha [Heat transfer]. Sevastopol: Izdatel'stvo Sevastopol'skogo natsion-al'nogo tekhnicheskogo universiteta, 2012. 304 p.

6. Petrucci G., Rosellini M. Chlorine dioxide in seawater for fouling control and post-disinfection in potable water works. Desalination, 2005, vol. 182, pp. 283-291.

7. Barnthouse L. W. Impacts of entrainment and impingement on fish populations. Environmental science & policy, 2013, vol. 31, pp. 149-156.

8. Lattemann S. Protecting the Marine Environment. Seawater Desalination. Green Energy and Technology. Springer, 2009, chapter 11, pp. 273-299.

9. Abramova L. S., Fedorovskii K. Iu. Optimizatsiia innovatsionnykh reshenii v sistemakh okhlazhdeniia sudovykh energoustanovok po pokazateliu ekonomicheskoi effektivnosti [Optimization of innovative solutions in the cooling systems of marine power plants by the parameter of economic efficiency]. Vestnik Sevastopol'skogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2001, iss. 30: Mekhanika, energetika, ekologiia. Part: Energetika, pp. 82-85.

10. Wagner J. R., Srinivasan V., Dawson D., Marotta E. Smart thermostat and coolant pump control for engine thermal management systems. Proceeding of SAE 2003 World Congress & Exhibition. 2003, Detroit, MI, USA, pp. 6-10.

11. Aleksander M. L., Klimov V. V. Sistema okhlazhdeniia energeticheskikh ustanovok ledokolov bez priema vody iz-za borta [Cooling system of power plants of icebreakers without outboard water supply]. Sudostroenie, 1969, no. 1, pp. 31-45.

The article submitted to the editors 08.02.2016

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Zheleznyak Alexander Aleksandrovich - Russia, 298309, Kerch; Kerch State Marine Technological University; Assistant of the Department "Electrical Equipment of Ships and Industrial Automation"; Zheleznyak13@mail.ru.

Yenivatov Valeriy Vladimirovich - Russia, 298309, Kerch; Kerch State Marine Technological University; Assistant Professor of the Department "Marine Power Plants"; Va-leriy.enivatov@gmail.com.

Maslennikov Andrey Anatolievich - Russia, 298309, Kerch; Kerch State Marine Technological University; Assistant of the Department "Electrical Equipment of Ships and Industrial Automation"; maslyennikov@gmail.com.