RĪGAS TEHNISKĀ UNIVERSITĀTE LATVIJAS JŪRAS AKADĒMIJA Arnis...

RĪGAS TEHNISKĀ UNIVERSITĀTE LATVIJAS JŪRAS AKADĒMIJA

Arnis ZĀĢERIS

DZIĻĀS GĀZU REĢENERĀCIJAS SISTĒMAS TEHNISKO un TERMODINAMISKO PARAMETRU OPTIMIZĀCIJA

Promocijas darba kopsavilkums

Rīga 2009

RĪGAS TEHNISKĀ UNIVERSITĀTE Transporta un mašīnzinību fakultāte LATVIJAS JŪRAS AKADĒMIJA

Kuģu mehānikas nodaļa

Arnis ZĀĢERIS Doktora studiju programmas „Inženiertehnika, mehānika un mašīnbūve” doktorants

DZIĻĀS GĀZU REĢENERĀCIJAS SISTĒMAS TEHNISKO un TERMODINAMISKO PARAMETRU OPTIMIZĀCIJA

Promocijas darba kopsavilkums

Zinātniskais vadītājs Dr. habil. sc. ing., profesors

V.A.SEMEKA Dr. habil. sc. ing., profesors

J.CIMANSKIS

Rīga 2009

2

UDK 621.438 (043.2) Zā 167 d

Zāģeris.A. Dziļās gāzu reģenerācijas sistēmas tehnisko un termodinamisko parametru optimizācija. Promocijas darba kopsavilkums.-R.:RTU, 2009.-40 lpp. Iespiests saskaņā ar RTU Mehānikas institūta lēmumu 2008.gada 05. novembra lēmumu, protokols Nr.2008-3

ISBN …….

3

PROMOCIJAS DARBS IZVIRZĪTS INŽENIERZINĀTŅU DOKTORA GRĀDA IEGŪŠANAI

RĪGAS TEHNISKAJĀ UNIVERSITĀTĒ

Promocijas darbs inženierzinātņu doktora grāda iegūšanai tiek publiski aizstāvēts 2009.g. ….…………………… Rīgas Tehniskās universitātes Enerģētikas un elektrotehnikas fakultātē, Kronvalda bulvārī 1, …… auditorijā. OFICIĀLIE RECENZENTI Profesors, Dr.sc.ing. Jānis Brūnavs Latvijas Jūras Akadēmija Profesors, Dr.sc.ing. Viktoras Sencila Lietuvas Augstākā Jūrskola LZA korespondētājloceklis, RTU Mehānikas institūta asociētais profesors, vadošais pētnieks, Dr. Inž. Jānis Auziņš

APSTIPRINĀJUMS

Apstiprinu, ka esmu izstrādājis doto promocijas darbu, kas iesniegts izskatīšanai Rīgas Tehniskajā universitātē inženierzinātņu doktora grāda iegūšanai. Promocijas darbs nav iesniegts nevienā citā universitātē zinātniskā grāda iegūšanai. Arnis Zāģeris …………………………….(Paraksts) Datums: 2009-

Promocijas darbs ir uzrakstīts angļu valodā, satur ievadu, 6 nodaļas, secinājumus, literatūras sarakstu, 0 pielikumus, 143 zīmējumus un ilustrācijas, kopā 199 lappuses. Literatūras sarakstā ir 151 nosaukumi.

4

Vispārīgs darba raksturojums Šajā disertācijā „Dziļās gāzu reģenerācijas sistēmas tehnisko un termodinamisko

parametru optimizācija” tiek vispusīgi analizētas galveno dzinēju izplūdes gāzu un dzesējamo

šķidrumu siltuma reģenerācijas iespējas, piemērojot kuģu enerģētiskajām vajadzībām.

Reģenerācijas lietderība, efektivitāte ir diezgan plaši pētīta daudzos darbos, kas veltīti kā

kuģu, tā arī krasta enerģētikas attīstībai, tādejādi šajos pētījumos problēma tiek skarta no cita

redzes punkta. Tā kā neizmantotais siltums bāzes dzinēja izplūdes gāzēs ir tā sastāvdaļa, kas

dos vislielāko efektu, tad tieši Utilizācijas katls (UK) būs šīs iekārtas galvenā komponente,

kuras reģenerācijas lietderība un piemērotība tiek pētīta atkarībā no katla konstruktīvās

izvēles, no izvēlētā sistēmas termodinamiskā saslēguma. Palielinot katla izmērus, tiek

nodrošināts dziļās gāzu utilizācijas sistēmas efektivitātes pieaugums, tomēr šāda pieeja nav

ekonomiski pamatota, jo vienlaicīgi pieaug arī katla sākuma un eventuālās ekspluatācijas

izmaksas, kā arī jaudas zudumi bāzes dzinējā. Bez tam dažiem kuģu tipiem enerģētiskās

iekārtas izvēle ir limitēta arī atkarībā no gabarītiem, jo sevišķi no augstuma, un, lai

nodrošinātu iekārtas maksimālo termodinamisko efektu, nepieciešams izvēlēt utilizācijas

katlu ar optimālu savstarpējo sildvirsmu sadalījumu, kas arī tiek pamatots šajos pētījumos.

Kad kuģa siltuma reģenerācijas iekārta ir integrēta elektrostacijas sastāvā, būtisks moments ir

iespējami lietderīga papildus ģenerētās jaudas izmantošana atkarībā no ekspluatācijas

faktoriem. Tādejādi svarīgi ir apzināt utilizācijas turboģeneratora elektroapgādes

pietiekamības līmeni, lai varētu veikt optimālu visas elektrostacijas komplektāciju.

Darbs sastāv no ievada, sešām nodaļām, izmantotās literatūras saraksta (150

nosaukumi).

Darba aktualitāte

Pateicoties Pasaules ekonomikas globalizācijai, tiek nodrošināts tirdzniecības flotes

gan skaitliskais pieaugums, gan arī tā specializācija, kas tieši ietekmē kuģa izmērus un

konstrukciju, kā arī citus tehniskos parametrus. Tajā pašā laikā izmantojamo fosilo degvielu

rezerves ir ierobežotas, kas tieši ietekmē cenu palielināšanos un līdz ar to arī kuģu frakts

likmes. Turklāt aizvien vairāk tiek pievērsta uzmanība apkārtējās vides aizsardzības

nodrošināšanai, kas vērsta uz dzinēju un citu siltuma spēka iekārtu izplūdes gāzu emisijas

ierobežošanu, izstrādājot dažādus Starptautiskus un Nacionālo valdību regulējošus likumus un

normas. Tādejādi savstarpēji pretrunīgie faktori, kā nepieciešamība vairāk, ātrāk un lētāk

5

nogādāt kravu pie aizvien pieaugošās degvielu izmaksu nelabvēlīgās ietekmes, ir tie, kas

nosaka tendences kuģošanas attīstībā. Sekojoši tieši kuģa spēka iekārta ir mūsu turpmāko

pētījumu objekts, kurai jābūt gan ekonomiskai, gan videi draudzīgai. Vēlamos rezultātus var

sasniegt ne tikai pilnveidojot galveno dzinēju, bet arī vispusīgi reģenerējot tā neizmantojamo

siltumu, kura galvenā sastāvdaļa ir ietverta izplūdes gāzēs un kas savādāk būtu

neatgriezeniski zaudēts apkārtējā vidē. Tādejādi tieši tā saucamās neizmantojamā siltuma

reģenerācijas iekārtas, kas mūsu gadījumā pamatā būtu Dziļās Gāzu Utilizācijas Sistēma

(DGUS), ir šo pētījumu objekts, kura iespējami augstākā efektivitāte būtu jāsasniedz noteiktos

fiksētos gabarītos, jo pretējā gadījumā tiek zaudēts lietderīgais kuģa kravas tilpums. Tas

apstāklis, ka tieši utilizācijas katls ir DGUS lielākā un viena no galvenajām sastāvdaļām, ir

noteicošais faktors mūsu pētījumu izvēlētajai specifikai. Dažiem specializētiem tipa ātrgaitas

kuģiem izvēlētās enerģētiskās iekārtas gabarītu ierobežojumi ir būtiski, jo sevišķi to

augstums, kas var nelabvēlīgi ietekmēt kravu operāciju izpildi, tādejādi jebkura utilizācijas

katla uzstādīšana virs galvenā dzinēja var būt problemātiska. Neskatoties uz to, ka lēna-

apgrieziena divtaktu dīzeļdzinēji ir guvuši plašu pielietojumu kā kuģu galvenie dzinēji, tomēr

arī citas alternatīvas kļūst aizvien konkurētspējīgākas un gūst plašāku pielietojumu,

pateicoties to kompaktumam, vienlaicīgi nodrošinot arī augstas jaudas izstrādi. Pirmkārt tās ir

aviācijas tipa gāzturbīnas, kas guvušas daudzsološu un efektīvu pielietojumu kā galvenā

spēka iekārta uz specializētajiem kravas un augsta komforta pasažieru kuģiem. Neskatoties uz

vēl joprojām augstām degvielas izmaksām, pārvadājumu efektivitāte tiek nodrošināta,

pateicoties gan lietderīgās kravas tilpuma (tai skaitā arī pasažieru skaita) pieaugumam, gan

ievērojamam ekspluatācijas izmaksu samazinājumam. Sasniegumi materiālu tehnoloģiju

zinātnēs, plašs uz keramikas bāzēto metālu pielietojums turbīnu ražošanā, ieskaitot lāpstiņu

un sprauslu atdzesēšanu, dod iespēju ievērojami palielināt cikla sākotnējo temperatūru,

attiecīgi samazinot degvielas patēriņu. Tajā pašā laikā nav iedomājama konkurētspējīga

gāzturbīnas spēka iekārta, neizmantojot dziļās gāzu utilizācijas sistēmu [3, 6, 7, 13, 17, 18,

22, 23].

Izvēlētai tēmai ir veltīti daudzi zinātniski pētījumi, inženiertehniski risinājumi, lai

nodrošinātu maksimālu jaudas pieaugumu. Tomēr šajos darbos efektivitātes nodrošinājums

tiek sasniegts, vai nu salīdzinot dažādu termodinamisko shēmu lietderību, vai arī nodrošinot

iespējami dziļāku izplūdes gāzu atdzesēšanu. Šāda nostāja ne vienmēr ir attaisnojama, jo

izrietošā nepieciešamība palielināt katla izmērus tieši ietekmēs iekārtas sākotnējās, kā arī

turpmākās ekspluatācijas izmaksas, kas ne vienmēr var būt attaisnojamas attiecībā pret iegūto

6

termodinamisko efektivitāti. Bez tam augsti kompaktu enerģētisko iekārtu izvēles gadījumā

liela izmēra katlu uzstādīšana būs pretrunā ar kuģa konstruktīvo koncepciju, bet dažos

gadījumos tas var būt pat nepieņemami, un tieši tāpēc ir svarīgi atrast un pamatot tos

apstākļus, kas nodrošinās maksimālo efektivitāti vienā katla apjoma vienībā.

Disertācijas mērķis

Balstoties uz minētiem apsvērumiem, šim pētījumam tiek izvirzīti sekojoši

uzdevumi:

1. Dziļās gāzu utilizācijas sistēma (DGUS) ir mūsu pētījumu objekts, un tās pielietojumu

ietekmēs sagaidāmā relatīvā termodinamiskā lietderība atkarībā WHRSη no galvenā

dzinēja tipa, kas arī noteiks disertācijas uzdevumus:

a. %WHRS 3525÷≈η un %WHRS 15≈η robežās, kad galvenais dzinējs ir vai nu

moderna aviācijas tipa gāzturbīna vai arī vidēju apgriezienu četrtaktu dīzeļdzinējs.

Šajā gadījumā atgrieztā jauda tvaika turbīnas veidā tiek izmantota, lai nodrošinātu

kuģa gaitu, paralēli saslēdzot kopā ar galveno dzinēju caur reduktoru vai

elektromotoru uz dzenskrūvi. Lai nodrošinātu kombinētā gāzes-tvaika turbīnas

cikla maksimālo jaudu, nepieciešams izvēlēties izplūdes katlu ar attiecīgu

optimālu sildvirsmu komplektāciju ierobežotos tā gabarītos [4, 13, 18, 32];

b. %,,WHRS 2553 ÷≈η , kad galvenais dzinējs ir moderns mazapgriezienu divtaktu

dīzeļdzinējs [28,29]. Šajā gadījumā kuģa gaitu nodrošina tikai un vienīgi

galvenais dzinējs, kamēr utilizācijas tvaika turbīna tiek iekļauta kuģa

elektrostacijā, un tad DGUS galvenais mērķis ir:

i. nodrošināt degvielas maksimālu ekonomiju;

ii. rast apstākļus, kas pieļautu dīzeļa ģeneratora aizvietošanu ar tvaika turbīnu.

2. Atkarībā no DGUS pielietojuma pakāpes, tiek precizēti disertācijas galvenie uzdevumi,

kasir jo sevišķi svarīgi gāzturbīnu un četrtaktu dīzeļdzinēju gadījumā:

a. Iekārtai jābūt pietiekami efektīvai ierobežotos gabarītos, jo sevišķi tās augstumam

dažu tipa kuģiem;

b. Tā kā izplūdes gāzu katls ir DGUS viena no galvenajām un lielākajām

sastāvdaļām, tā optimizācijas metodes izveide ir svarīga, ņemot vērā

ierobežojošos gabarītu nosacījumus;

7

c. Balstoties uz šo metodi, dažādu DGUS parametru ietekme tiek optimizēta, lai

nodrošinātu augstāko jaudas pieaugumu vienā apjoma vienībā;

d. Tādējādi ir iespējams veikt tādu utilizācijas katlu virsmu komplektāciju

ierobežotos gabarītos, kas nodrošinātu maksimālu efektivitātes pieaugumu gan

tvaika turbīnai atsevišķi, gan kuģa propulsīvajai iekārtai kopumā

3. Spēka iekārtām ar mūsdienu mazapgriezienu dīzeļdzinējiem izplūdes gāzu potenciāls ir

ievērojami samazināts, tādējādi papildus jau minētajiem uzdevumiem ir svarīga

sekojošu mērķu padziļināta izpēte:

a. DGUS un tā katla/virsmu optimāla izvēle pie fiksēta gāzu reģenerācijas dziļuma;

b. Papildus tiek izskatītas arī citas siltuma reģenerācijas alternatīvas, kā, piemēram,

dzesējamā ūdens siltuma atgriešana;

c. Elektrojaudas nodrošinājums atkarībā no dažādiem kuģa un spēka iekārtu

ekspluatācijas faktoriem, lai panāktu optimālu elektrostacijas komplektāciju,

iekaitot ilgstošu jaudas deficīta efektīvu kompensāciju.

Zinātniskie jauninājumi un galvenie rezultāti

Pētījumu laikā tiek formulēti sekojoši galvenie rezultāti un secinājumi:

1. Tiek izveidots matemātiskais nelineāru vienādojumu modelis DGUS, pie fiksētu

utilizācijas katla gabarītu, t.i., augstuma, izmēriem, kam atbilst attiecīga izmēra

konvektīvā sildvirsma;

2. Balstoties uz šo metodi, tika veikti detalizēti pētījumi, lai optimizētu DGUS gan

termiskos, gan ģeometriskos parametrus, rezultātā nodrošinot maksimālo jaudas

pieaugumu vienā katla apjoma vienībā:

a. Pētot katras atsevišķas sildvirsmas iespaidu uz sistēmas efektivitātes parametriem,

tiek atrasta un pamatota maksimāli pieļaujamā katla virsma, kas nodrošinās

vislielāko iespējamo jaudas pieaugumu;

b. Fiksētos katla gabarītos tvaika spiediena ietekme uz DGUS efektivitātes

rādītājiem ir pretrunīga. Rezultātā tiek atrasts viens spiediena līmenis, kas

nodrošinās maksimālo tvaika turbīnas jaudu. Tomēr, ņemot vērā katla nelabvēlīgo

gāz-dinamiskās pretestības iespaidu uz galvenā dzinēja darbību, visas

enerģētiskās iekārtas summārā jauda tiek sasniegta pie cita zemāka optimālā

tvaika spiediena.

8

c. Pie fiksētiem katla gabarītiem tiek atrasts tāds optimālais savstarpējais

konvekcijas virsmu sadalījums, kas nodrošina iekārtas maksimālo jaudu;

d. Tādējādi tikai abu lielumu, t.i., tvaika spiediena un sildvirsmu savstarpējā

sadalījuma, vienlaicīga optimizācija dod vēlamo efektivitātes pieaugumu;

e. Katla ūdens uzkarsēšanai ar recirkulāciju tiek piedāvāta alternatīva sistēma ar

starptvaika atvadi, un pie vienādiem UK gabarītiem tiek panākts:

i. Efektīvāka reģenerētā siltuma izmantošana nodrošina izplūdes gāzu

temperatūras pieaugumu pēc katla, tādējādi samazinot sērskābes korozijas

riska iespējamību, tomēr sagaidāmais efektivitātes pieaugums nav

novērojams;

ii. Izmainās sildvirsmu savstarpējais sadalījums, jo, samazinoties katla ūdens

caurplūdei, palielinās iztvaikotājs uz ekonomaizera rēķina

f. Cauruļu ribošana ir vēl viena alternatīva, kā intensificēt siltumapmaiņu un

palielināt sildvirsmu vienā katla apjoma vienībā. Rezultātā ir iespējams

ievērojami samazināt katla gabarītaugstumu līdz pat ≈20÷24% pie citiem

vienādiem termodinamiskās efektivitātes nosacījumiem;

3. Modernu mazapgriezienu divtaktu dīzeļdzinēju gadījumā siltuma reģenerācijas iespējas

ir ierobežotas, tāpēc tika attīstīti un pamatoti sekojoši priekšlikumi:

a. Lai nodrošinātu tvaika turbīnas maksimālo jaudu, tika attīstīts cits DGUS

algoritms, kas balstīts uz fiksētu gāzu atdzesēšanas dziļuma nosacījumu;

b. Rezultātā tika pamatots cits optimālais utilizācijas katla sildvirsmu sadalījums,

kas būtu jāņem vērā, komplektējot konkrētu spēka iekārtu;

c. Lai nodrošinātu efektīvu gan turbīnas, gan sildelementu darbību, ir jāizvēlas visai

augsts tvaika spiediena līmenis, kas tiek pētīts atkarībā no dažādiem DGUS gan

termiskajiem, gan ģeometriskajiem faktoriem;

d. Lai nodrošinātu DGUS praktisko lietderību, tiek paredzētas dažādas opcijas

dzesējamā ūdens siltuma izmantošanai, kas reducējās Kompleksās neizmantotā

siltuma reģenerācijas sistēmas (KNSRS) izveidē;

e. Atkarībā kā no sistēmas komplicētības, izvēlētā peldēšanas rajona temperatūrām,

tā arī no galvenā dīzeļa noslodzes tiek analizēts elektrojaudas nodrošinājums;

f. Iegūtie rezultāti var kalpot par pamatu optimālai kuģa elektrostacijas

komplektēšanai, lai vienlaicīgi nodrošinātu gan maksimālu degvielas ekonomiju,

gan iespējami minimālas sākotnējās, kā arī eventuālās ekspluatācijas izmaksas.

9

Disertācijas praktiskajā sadaļā, balstoties uz siltumtehnikas mērījumu rezultātiem

reālai kuģa spēka iekārtai ekspluatācijas apstākļos tika atrasts izplūdes gāzu radītais katla

aizsērējuma koeficienta lielums ε . Eksperimenta laikā novērtētā mērījumu kļūda ir

daudzsološi zema, t.i., %КУП 11103100 ÷≈∂ −ε , bet koeficienta ε lielums ir dažāds katrai

sildvirsmai, kas būtu ņemams vērā turpmākos aprēķinos. Arī vidēji izsvērtais lielums reālai

iekārtai praktiski maz atšķiras, t.i. augstāks līdz, no rēķinos pieņemtā rekomendējošā lieluma,

kas skaidrojams ar zemākas kvalitātes degvielas izmantošanu ekspluatācijas apstākļos.

Darba praktiskā vērtība

Iegūtie rezultāti var kalpot par pamatinformāciju kuģu īpašnieku pārstāvjiem, to

jaunbūves grupām, kas kopā ar kuģu būves rūpnīcām un tehnisko iekārtu ražojošām

kompānijām nodarbojas ar kuģa komplektāciju. Tomēr tieši nākamie kuģa īpašnieki ir tie, kas

varētu zināt gan eventuālos ekspluatācijas rajonus, gan dzinēja noslodzes režīmus, no kuru

izvēles ir būtiski atkarīga šīs iekārtas efektivitāte. Izstrādātie rezultāti ir ieviesti CNNI MF

tehniskajos projektos, kā arī izmantoti Latvijas Kuģniecības jaunbūves programmas attīstības

laikā. Arī krasta enerģētikā ar zināmu pielaidi šie rezultāti un galvenais metodiskā pieeja var

būt lietderīgi izmantojama.

Rezultātu ticamība

Jau augstākminētais praktiskais pielietojums ir reāls nodrošinājums rezultātu

ticamībai. Balstoties uz izstrādāto metodi, tika pētīta gāzu radītā aizsērējuma koeficienta

izmaiņas, un iegūtie rezultāti ir atbilstoši reālajā praksē novērotajiem, atšķiroties

līdz . %13≈

Publikācijas

Par disertācijas darba tēmu ir bijušas astoņas (8) zinātniskās publikācijas.

Darba aprobācija

Disertācija un tās sadaļas laikā no 2005. līdz 2007. gadam ir tikušas prezentētas

dažādās zinātniskās konferencēs Rīgas Tehniskajā universitātē, Kauņas Tehnoloģijas

Universitātē, Latvijas Jūras akadēmijā, Starptautiskajā Transportu zinātņu konferencē

Portorožā Slovēnijā. 10

1. 9th International Conference on Traffic Science- ICTS 2005; 14th

–15th

November 2005,

Grand hotel Bernardin, Portorož, Slovenija. 2. 9th International Conference. Kaunas University of Technology. Transport Means 2005. 3. 9th Maritime Conference. Maritime Transport and Infrastructure 2007. Riga: Latvijas

Jūras akadēmija, April 19-20, 2007. 4. Scientific Proceedings of Riga Technical University. 6th ser. Transport and Engineering.

Riga: RTU, 2005. 5. 8th Maritime Conference. Maritime Transport and Infrastructure 2006. Riga: Latvijas

Jūras akadēmija, April 20-21, 2006

Aizstāvēšanai tiek piedāvāts

Aizstāvēšanai tiek piedāvāta metode, kas balstīta uz jau izstrādātiem vienādojumiem,

empīriskās analīzes grafiskām daudzfunkcionālām atkarībām; un tos analītiski apstrādājot,

virknējot pareizā secībā tiek veidots DGUS matemātiskais modelis atkarībā no katla gabarītu,

tā augstuma, ierobežojumiem. Balstoties uz šo analītisko modeli, tiek pamatota optimālā katla

virsmu komplektācija, tvaika spiediena izvēle atkarībā no iespējamiem tehniskajiem un

ekspluatācijas priekšnosacījumiem, kas nodrošinās iekārtas maksimālo jaudu.

Darba struktūra un apjoms

Disertācija sastāv no ievada, sešām nodaļām, secinājumiem un izmantojamās

literatūras (150 nosaukumi). Darba apjoms ir 199 lappuses drukāta teksta un 143 attēli.

Darba saturs

Disertācija ir veltīta kuģu spēka iekārtu siltuma reģenerācijas sistēmu analīzei, kas

balstīta uz izstrādātu matemātiskās analīzes modeli pie fiksēta utilizācijas katla gabarītu

ierobežojuma, lai nodrošinātu efektīvu iekārtas komplektāciju.

Ievadā ir pamatota disertācijas tēmas aktualitāte un noformulēts kopējais darba

mērķis: pamatot un nodrošināt maksimāli lietderīgo izplūdes gāzu siltuma izmantošanu vienā

katla apjoma vienībā. Ir dots īss satura atstāstījums un galvenie zinātniski praktiskie rezultāti.

1. nodaļā tiek izpētīti un meklēti galvenie pamatojumi DGUS (skatīt 1.att.)

ieviešanas nepieciešamībai, balstoties uz mūsdienu situāciju naftas un to produktu tirgū. Tiek

ņemtas vērā Pasaules flotes attīstības tendences, tās specializācija, tonnāžas un jaudas

11

pieaugums ir tie motivējošie faktori, kas liek meklēt jaunas iespējas, kā samazināt aizvien

pieaugošās degvielas izmaksas. Arī tā

saucamā gāzturbīnu renesanse, gan vides

aizsardzības regulējošo dokumentu un citu

līdzīgu aktivitāšu pastiprināšanās ir

pateicīgi priekšnosacījumi, kādēļ Dziļās

gāzu utilizācijas sistēmu ieviešanu būtu

nopietni jāapsver, uzsākot kuģu jaunbūvi.

Balstoties uz analizētajiem

priekšnosacījumiem, kas nosaka siltuma,

pirmkārt izplūdes gāzu, reģenerācijas

iekārtu uzstādīšanas lietderību, tiek

apskatīta esošā situācija un noformulēti

galvenie disertācijas pamatuzdevumi.

Dažādus specifiskus ar kuģu enerģētiskās

iekārtas siltuma rekuperāciju saistītus

jautājumus ir pētījuši tādi zinātnieki kā

Kurts Illijes, V.Jeņins, A.Fraas,

K.Dementjevs, G.Flanagans, B.Buekners

un citi, kā arī starptautiski atzīti

specializētie siltumtehniskie pētniecības institūti [2, 8, 10, 35, 37, 39, 48, 49]. Atkarībā no

galvenā dzinēja tipa izplūdes gāzu reģenerācijas nozīmīgums un pētāmo uzdevumu prioritātes

mainīsies. Līdz ar to gadījumos, kad par kuģa bāzes dzinēju tiek izmantota moderna

gāzturbīna, dažādu termodinamisko shēmu saslēguma lietderība tiek izvirzīta kā viens no

primāriem jautājumiem, kas varētu nodrošināt maksimālo lietderības pieaugumu; un to

pētījuši daudzi savā jomā atzīti zinātnieki tādi kā A.Kurzons, B.Judovins, Horst W. Koehler,

F.J. Brooks, J.Woodward, D.Woodyard, H.Rozenbergs, F.G.Baily un citi [1, 5, 7, 9, 12, 33,

41, 45]. Inovatīvas metodes, kā, palielinot gāzturbīnas (Braitona) cikla lietderību, tiek

papildus reģenerēts dzesējamā aģenta (ūdens, gaisa) siltums, kas inkorporēts DGUS ciklā,

tiek vispusīgi apskatītas L.S.Vencjulisa, L.David, ARAI Masashi, SUGIMOTO Takao,

N.A.Dikija, G.G.Žarova un citos darbos [6, 16, 22, 25, 36, 38]. Arī virsmu intensifikācijas

efektivitāte, izmantojot katla sildvirsmu cauruļu ribošanu, kā arī citas metodes, tiek vispusīgi

pētīta gan teorētiskajos, gan praktiskajos darbos ko veikuši tādi zinātnieki un inženieri kā

1. att Dziļās gāzu utilizācijas sistēma ar recirkulatīvo katla ūdens apsildi

12

Frank P. Incropera, David P. DeWitt, John E. Edwards, Sadik Kakaç , Yaman Yener,

P.I.Bažans, P.G.Bistrovs, V.Gartvigs, O.Ļitavrins, A.Fraas un citi [11, 20, 24, 30, 34, 42, 43].

Arī gadījumā, kad galvenā enerģētiskā iekārta sastāv no moderna mazapgriezienu

dīzeļdzinēja, reģenerācijas iespējas, lai gan ir stipri ierobežotas, tomēr augstā degvielas cena

ir tas apstāklis, kādēļ minētā tēma ir joprojām ir aktuāla, būdama atspoguļota zinātnieku un

inženieru S.Šmita, H.Veisera, S.Kamkina, I.Vozņicka, V.Maslova pētījumos, kā arī vadošo

dīzeļbūves (SULZER, M.A.N./B&W, ....) kompāniju tehnisko projektu dokumentācijā [14, 21,

26, 27, 40, 44]. Rakstot disertāciju, tika apzināts daudz vairāk informācijas, kā arī reālās

praktiskās aktivitātes kuģu būvē, un varētu domāt, ka nekas jauns vairs nav papildināms šajā

sfērā, tomēr tas nebūt nav tā. Jau savā laikā zinātniskais vadītājs profesors V.A.Semeka,

piedaloties un vadot ātrgaitas RO-RO tipa kuģa projektēšanu, kur tika izvēlēta ļoti kompakta

un jaudīga kombinētā gāzes-tvaika turbīnas enerģētiskā iekārta ar summāro jaudu

2×25MW=50MW, pievērsa uzmanību izplūdes gāzu katla sākotnēji nepieļaujami lielajiem

gabarītiem. Lai samazinātu katla gabarītus, tiek piedāvāta konvektīvās virsmas intensifikācija,

tas ir cauruļu ārējā ribošana, un galarezultātā panākts zināms pozitīvs efekts. Tādējādi tieši šie

sākotnēji ierobežojošie gabarīti bija tas praktiskais apstāklis, kas deva impulsu Dziļās gāzu

utilizācija sistēmas matemātiskā modeļa pamatojumam, balstoties uz iepriekš determinēta

katla augstuma. Tomēr pirmā nodaļa nav tikai pamatojums disertācijas lietderīgumam, bet tā

ir veidota kā secības shēma, kuras pamatprincipus būtu nepieciešams ievērot, projektējot

kuģi. Visu minēto apstākļu apsvēršanai ir būtiska gan iekārtas noslodze, gan kuģošanas rajons

un citi faktori, jo tādējādi ir iespējams iegūt maksimāli efektīvu rezultātu kuģa ekspluatācijas

laikā, prognozējot dziļās gāzu utilizācijas sistēmas izmantošanas pakāpi.

2. nodaļā tiek pamatota Siltuma reģenerācijas kontūra (SRK) un tā pamatelementu

izvēle. Dažādu katlu tipi tiek salīdzināti, balstoties gan uz izvēlēto pielietojumu, gan ņemot

vērā ekspluatācijas pieredzi. Dažādu sildvirsmu saslēguma iespējas tiek analizētas ar mērķi

sasniegt augstāko ekonomiju pie minimāliem gabarītiem, nesamazinot iekārtas ekspluatācijas

drošumu un ilgmūžīgumu. Katla sildcauruļu un tā kūļa ģeometrisko raksturlielumu izvēle ir

cits komplicēts uzdevums. Vispirms, vēlme intensificēt sildvirsmas daudzumu vienā apjoma

vienībā liekas pašsaprotama un atbilstoša mūsu uzstādītajiem mērķiem, tomēr no otras puses

šāda vienpusīga pieeja ir saistīta ar dažādu negatīvu seku pieaugošo ietekmi. Tādējādi ir

nepieciešams atrast, pamatot un pieņemt optimālo balansu starp vēlamo rezultātu un

iespējamo risku. Izraudzītie raksturlielumi nav kaut kas galīgs un sastindzis, un izdevīgs ne

tikai šim konkrētajam projektam, bet šī izvēle ir arī tas nepieciešamaispriekšnosacījums, lai

13

veiktu turpmākos pētījumus, kā rezultātā tiek atrastas iespējamās funkcionālās sakarības.

Iespējams, ka izmainoties ekspluatācijas

nosacījumiem, kā, piemēram, cita

patērējamās degvielas šķirne, speciāli

materiāli, specifiskas kuģošanas līnijas,

citi ģeometriskie un termodinamiskie

parametri var tikti pieņemti kā optimālie

[19, 37, 47]. Tieši metodoloģija, kā tiek

izvēlēts DGUS paveids, ir šīs nodaļas

vērtība un, varētu teikt, arī novitāte, jo

visu apskatīto ekspluatācijas faktoru

ietekme ir būtiska (skatīt 2.att).

Kad esam pamatojuši šādas

reģenerācijas sistēmas turpmākās

izpētes lietderību, ir nepieciešams

apzināt tās pielietojumu, no kuras būs

atkarīga zinātniskā darba atsevišķu

nodaļu specifika. Gadījumā, kad

galvenais dzinējs ir vai nu moderna

aviācijas tipa gāzturbīna vai četrtaktu dīzeļdzinējs, utilizācijas cikla tvaika turbīnas jauda ir

ievērojama ≈25÷35% un ≈15% no bāzes dzinēja jaudas atbilstoši, kas parasti tiek izmantota

kuģa gaitas nodrošināšanai, saslēdzot to caur reduktoru (skatīt 3.att). Šajā gadījumā, izvēloties

konkrētu un determinēta izmēra utilizācijas katlu, galvenais pamatmērķis ir panākt ne tikai

tvaika turbīnas, bet arī propulsīvās

iekārtas kopumā maksimālu jaudas

nodrošinājumu, kas ir iespējams, veicot

gan sildvirsmu optimālu komplektāciju,

kā arī attiecīgu gan termodinamisko, gan

ģeometrisko parametru izvēli.

2.att. Kuģa utilizācijas katla izvēles blokshēma

Kad par galveno dzinēju tiek

izmantots moderns mazapgriezienu

divtaktu dīzeļdzinējs, iespējamā papildus

reģenerētā jauda ievērojami samazinās līdz aptuveni ≈3,5÷5,3% no bāzes dzinēja nomināla,

Att.3 COGAS-Kuģa spēka iekārtas diagramma

14

un no tehniskā viedokļa būtu daudz saprātīgāk šo jaudu izmantot kuģa elektroenerģijas

apgādē (skatīt 4.a att.). Rezultātā mūsu

mērķis ir ne vien nodrošināt degvielas

ekonomiju, bet arī panākt dīzeļa ģeneratora

aizvietošanu ar turboģeneratoru, tādējādi

nepalielinot sākotnējās un vienlaicīgi

samazinot tehniskās apkopes izmaksas.

Tomēr ne vienmēr tvaika turbīna spēs

nodrošināt autonomu elektroapgādi, tas ir,

kad piedāvājums ir zemāks par elektro-

patērētāju pieprasīto jaudu - , un

to tradicionāli ir iespējams kompensēt,

pieslēdzot bāzes dīzeļģeneratoru. Tomēr šāds

saslēgums būs ekonomiski neefektīvs, jo

jaudas pārdales rezultātā ne viss iespējami

reģenerētais siltums tiks lietderīgi izmantots. Tādējādi, apzinoties šīs jaudas deficīta lielumu

konkrētā laika sprīdī, ir tehniski iespējams

nodrošināt citus daudz efektīvākus

kompensācijas modeļus, optimāli

komplektējot kuģa spēka iekārtu (skatīt

4.b att). Balstoties uz šīm tehniskajām

īpatnībām, bez augstākminētajiem

disertācijas uzdevumiem sekojoši būs

specifiski tieši šādam DGUS

pielietojumam:

elTG NeNe <

DIESEL GENERATORS

EMERGENCY DIESEL GENERATOR

WHRS WITH STEAM TURBO-GENERATOR

4.a.att. Kuģu elektrostacijas iespējamā komplektācija kombinācijā ar DGUS

4.b. att. DGUS un turbo-ģeneratora autonomas darbības priekšnosacījumi

1. Maksimāli iespējamās gāzu, kā arī

dzesējamā ūdens, siltuma

reģenerācijas iespējas

nodrošinājums;

2. Utilizācijas tvaika katla optimāla sildvirsmu komplektācija pie šiem nosacījumiem;

3. Turboģeneratora jaudas nodrošinājuma apzināšana atkarībā no kuģa ekspluatācijas

nosacījumiem.

15

Trešajā nodaļā tiek prezentēts matemātiskais modelis, kas dod iespēju optimizēt

Siltuma reģenerācijas kontūra (SRK) gan ģeometriskos, gan termodinamiskos raksturlielumus

pie fiksēta izplūdes tvaika katla gabarītiem ( )HBL ,, , jo sevišķi tā augstuma , ar

mērķi nodrošināt maksimālo izstrādājamo jaudu.

H

Tomēr, pirms detalizētākas sistēmas matemātiskā algoritma apskates, vispirms,

balstoties uz dažādiem piemēriem, pacentīsimies pamatot tā nepieciešamību. Tā kā katla

šķērsgriezuma platība , t.i., garums un platums, lielā mērā ir atkarīga gan no minimāli,

gan maksimāli pieļaujamā lineārā gāzes ātruma, un attiecīgi no caurplūstošā gāzes daudzuma

un temperatūras, kas savukārt ir izvēlētā galvenā dzinēja raksturlielums, tad tieši katla

augstums , kas dažu tipu kuģiem var būt noteicošais faktors, būs sildvirsmu lieluma mērs.

Utilizācijas katls, tā augstums būs atkarīgs gan no summārās sildvirsmu jeb to glodeņu

augstuma , kur - attiecīgā sildvirsma vai nu iztvaikotājs, vai pārkarsētājs, vai arī

ekonomaizers, ieskaitot atstarpes gan starp virsmām gan katlu galos - . Attiecīgi tīrās

konvekcijas virsmas augstums būs vienāds sekojoši –

BL×

H

iz

iHz i

HxΔ

HxHHzi Δ−= . (1)

Zinot cauruļu garensoļa lielumu kūlī, varam aprēķināt kopējo pieļaujamo

glodeņu skaitu katlā šim konkrētajam projektam –

2S

( ) 2/ SHxHzn Δ−=Σ , (2)

kam jātiek optimāli sadalītam starp attiecīgajām sildvirsmām, tas ir starp iztvaikotāju,

ekonomaizeru un tvaika pārkarsētāju jeb –

nzzzz Σ≤++ 321 (3)

Tā ir praktiska pieeja, izsakot sildvirsmas lielumu caur glodeņu skaitu, kas katlu aprēķinos

parasti iepriekš tika pieņemta kvadrātmetros. Kad ir nodefinēti visi pārējie katla ģeometriskie

raksturlielumi, tad, balstoties uz lielumu ,

ir elementāri noteikt nepieciešamās rezerves

daļas, kā, piemēram, kopējo cauruļu garumu, U-

līkumu daudzumu (skatīt 5. att), sagaidāmo

darbu apjomu un attiecīgi arī izmaksas.

nzΣ

5. att Glodeņu veida utilizācijas katla sildelements

Izplūdes gāzu parametri un bieži vien arī mašīntelpas gabarīti ir iepriekš fiksēti

lielumi kuģa jaunbūves gaitā, bet DGUS tiek uzskatīta par kaut ko papildus jau izvēlētajam

aprīkojuma standartam, kas būtu jānovieto iepriekš paredzētā vietā, vienlaicīgi nodrošinot

16

maksimālu gāzu reģenerācijas pakāpi. Tad tieši katla augstums ir noteicošais faktors,

novērtējot sistēmas lietderību, ko

pacentīsimies parādīt ar dažiem

ilustrējošiem piemēriem. Pasaules flotē ir

vesels segments specializētu Ro-Ro, Ro-

Pax tipa kuģu vai ātrgaitas prāmju (skatīt

6.a, 6.b att), kur to konstruktīvās

īpatnības (kuģa pakaļējā rampa) nosaka

pieļaujamo mašīntelpas un arī katla

augstumu. Balstoties uz vienreiz

izstrādātu projektu, parasti tiek būvēti

sērijveida (vairāki vienāda tipa kuģi)

atkarībā no tirgus pieprasījuma. Ja

prototips ir izrādījies veiksmīgs, tad

iespējamās modifikācijas bieži

vien saistās ar kuģa gabarītu

izmēru palielināšanu, būtiski

nemainot parējos konstruktīvos

elementus. Gadījumā, kad

izmainās mašīntelpas augstums,

t.i., vai nu palielinās vai arī

samazinās, vienreiz optimāli

izvēlētā DGUS ir jāizvērtē no

jauna, ieskaitot sildvirsmu

optimālu komplektāciju (skatīt 7.att), kā arī termodinamisko parametru izvēli.

6.a att. Ro-Ro/Ro-Pax tipa kuģis.

6.b att. Jauns konstrukcijas koncepts pasažieru-automašīnu pārvadātāju prāmjiem, kuģiem

7. att. Kuģa izmēru ietekme uz iespējamo UK izvēli

Tomēr ne tikai konstruktīvie apsvērumi nosaka šādas pieejas pamatotību, bet arī tas

fakts, ka sākotnējie ieguldījumi, kā arī eventuālie ekspluatācijas izdevumi, būdami tiešā

atkarībā no katla gabarīta izmēriem, samērojami attiecībā pret sagaidāmo degvielas

ekonomiju. Balstoties uz metodē pieņemto katla augstuma ierobežojuma pieņēmumu, t.i.,

vai arī ., iespējams veikt gan katla sildvirsmu, gan DGUS citu

parametru optimālu izvēli kopumā, kas rezultātā dos papildus degvielas ekonomiju (skatīt

līkni 1-2

.constHzi = constzn =Σ

opt attiecībā pret 1-2 – 8.att.), neizmainot sākotnējās izmaksas.

17

Piedāvātā analītiskā metode ir dažādu teorētisko vienādojumu un eksperimentālo

siltumapmaiņas,

hidrauliskās pretestības un

citu attiecīgo zinātnisko

pētījumu un rezultātu

analīze, daudzi no kuriem

būdami reprezentēti

grafiskajā vai tabulu veidā,

disertācijas tapšanas laikā

ir pārveidoti analītiskajos vienādojumos. Rezultātā tiek sastādīta vienādojumu sistēma secībā,

kas atbilst tiem procesiem, kādi notiek utilizācijas katlā un DGUS kopumā. Galarezultātā

iegūtais matemātiskās analīzes algoritms var tikt sadalīts piecos galvenajos blokos, kas seko

viens otram:

8. att Utilizācijas katla gabarītu ietekme uz sākotnējām izmaksām un sagaidāmo degvielas ekonomiju

1. Galveno sākumparametru izvēle;

2. Katla tvaika jaudas noteikšana;

3. Katla sildvirsmu aprēķināšana, salīdzināšana attiecībā pret iegūto efektivitāti;

4. Aerodinamiskās pretestības aprēķins;

5. Tvaika turbīnas cikla un kuģa spēka iekārtas efektivitātes noteikšana.

Šāds sadalījums ne tikai vienkāršo matemātisko modeli, bet arī dod iespēju analizēt katra

DGUS elementa un raksturlielumu lietderīgo izvēli. Galveno sākumparametru izvēle tiek

sadalīta vairākos apakšblokos, kuri ir sagrupēti, pamatojoties uz tematisko līdzību vai ar

mērķi nodrošināt turpmāku parametru optimālu izvēli. Pirmkārt galveno dzinēju izplūdes

gāzes parametru noteikšana ir svarīga, kā, piemēram, sekundārais izplūdes gāzu

daudzums , temperatūra pirms utilizācijas katla , balstoties vai nu uz izgatavotāju

tehniskajiem datiem (skatīt 9. a, b att.) vai veicot attiecīgu siltuma aprēķinu, pamatojoties uz

kuriem tiek atrasti pārējie siltumapmaiņas dati [5, 15]. Katlu aprēķinos izmantotais lineārais

ātrums tiek aizvietots ar masas gāzes ātrumu katla šķērsgriezumā, kas ir pastāvīgs

lielums izplūdes un siltumapmaiņas virzienā -

gGogt

iCwiCW

( ) ( )2mskg,BLGW iigCi××= . (4)

Tādējādi aprēķinātie termodinamiskās efektivitātes un kā arī daži citi parametri ir izteikti

relatīvos lielumos attiecībā pret 1 kg izplūdes gāzu daudzuma; un, ievērojot nosacījumu

( ) .constBLGW iigCi=×= , iegūtie rezultāti var tikt izmantoti vienas grupas dzinējiem ar

18

dažādu jaudu (skatīt 9.att), izmainot tikai katla šķērsgriezumu, tas ir, varBL ii =× .

Nākamajā apakšnodaļā tiek apskatīta citu siltumapmaiņas procesu termodinamisko parametru

izvēle, un kā svarīgākais tiek minēts virsmas aizsērējuma koeficients ε , ko rada gāzes, kura

reālā ietekme ekspluatācijas gaitā ir visai ievērojama. Atsevišķā apakšnodaļā ir izskatīta

cauruļu un glodeņu ģeometrisko raksturlielumu izvēle gan gludām, gan ribotām sildvirsmām,

pamatojoties uz kuriem aprēķina dažādus ģeometriskos kompleksus, jo tie ir konstanti lielumi

šim izvēlētajam variantam. Līdzīgi tiek izvēlēti arī tie konstruktīvie izmēri, kas ietekmē gan

ūdens-tvaika trakta hidrauliskās un aerodinamiskās pretestības līmeņus. Tvaika spiediens

katlā ir tas lielums, kura izvēle turpmākajos pētījumos būs jāpamato atkarībā no iekārtas

efektivitātes nodrošinājuma. Tomēr ir gadījumi, kad to minimālais lielums ir ierobežots, jo

sevišķi tad, kad par galveno dzinēju tiek pielietots mazapgriezienu dīzeļdzinējs. Papildus tiek

izvēlēti tvaika turbīnas cikla pastāvīgie lielumi tādi kā vakuuma spiediens kondensatorā

un citi parametri.

Sp

9.a att. LM tipa gāzturbīnu izplūdes gāzu parametri

9.b att. SULZER Wärtsilä 46-6L46; 8L46; 9L46; 12V46;16V46 vidēji apgrieziena dīzeļdzinēju izplūdes gāzu parametri atkarībā no ekspluatācijas faktoriem

xp

Lai arī sākotnējā katla sildvirsmu izvēle, balstoties uz vienādojumu (3), ir veikta

tomēr nav iespējams tiešā veidā caur šo glodeņu skaitu noteikt DGUS efektivitātes

parametrus. Tādēļ sākotnēji tiek izvēlētas katla sildvirsmu raksturojošās temperatūru

starpības , kam atbildīs pavisam cits attiecīgo glodeņu skaits321 ,, xxx ( )calciz . Sekojoši,

19

izmantojot nelineāro sistēmu vienādojumu risinājuma metodes (iterācija), tiek atrastas īstās

temperatūru starpības, kas atbilst mūsu izvēlētajam katlam, kā arī pārējie termodinamiskās

efektivitātes parametri. Kad iekārtas raksturlielumi ir izvēlēti, varam uzsākt utilizācijas katla

siltuma aprēķinu, kas arī ir sagrupēts vairākos apakšblokos. Kā pirmais no svarīgākajiem

lielumiem tiek atrasta katla tvaika jauda gst GG=ξ , kas izteikta relatīvos lielumos saskaņā

ar vienādojumu (5) –

( ) ( ) zesgādesizplūkgtvaikakg,hhhh sststsatgal sp1Δ+ΔΔ×+Δ×= ξηξ , (5)

kur - tvaika pārkarsētājā un iztvaikotājā reģenerētais gāzu siltuma daudzums,

pievienotais siltuma daudzums 1 kg pārkarsētajam tvaikam, -

nepieciešamais siltuma daudzums 1kg piesātināta tvaika ģenerēšanai iztvaikotājā,

kg/kJ,hSPgΔ

kg/kJ,hstΔ kg/kJ,hsΔ

zesgādesizplūkgtvaikakg,sat 1ξ - relatīvais piesātinātā tvaika patēriņš kuģa

tehniskajām/apsildes vajadzībām, alη - relatīvais siltuma zuduma koeficients caur katla

izolāciju. Rezultātā, pareizinot šo relatīvo katla tvaika jaudas lielumu ξ ar sekundāro gāzes

ātrumu (skatīt 9. att), vienlaicīgi ievērojot nosacījumugG ( ) .constBLGW iigCi=×= ,

iegūstam absolūto jaudu ssteamkg,Gst , bet nu jau konkrētai iekārtai, kur galvenā dzinēja

nominālā jauda un tā ilgstošas noslodzes līmenis ir specificēts. Hidrauliskie zudumi ceļā no

tvaika katla separatora līdz pārkarsētājam un ieskaitot tocpΔ stpΔ , ir atkarīgi kā no tvaika

parametriem, tā arī no trakta ģeometrijas un no katla jaudas. Rezultātā sākotnēji pieņemtie

hidrauliskās pretestības lielumi tiek precizēti un to iespaids tiek ņemts vērā, veicot pārrēķinus

saskaņā ar vienādojumu #5 līdz pieņemamai precizitātei ( )310− .

Atsevišķi tiek ņemta vērā ietekme, ko izraisa specifiskās ūdens iztvaikošanas

īpatnības katla iztvaikotāja daļā, uz vidēji logaritmiskās temperatūras lielumu , kas

būtiski iespaido sildvirsmu efektivitāti. Hidrauliskās pretestības zudumus iztvaikotājā

lielā mērā nosaka tā ekonomaizera daļa, būdama tiešā atkarībā no katla ūdens nesasildes

lieluma ; un integrējot tvaika sausuma izmaiņas glodenē

1LOGtΔ

1pΔ

3x ( )1Lfx = visā tās garumā, tiek

atrasts vienkāršots hidrauliskās pretestības vienādojums –

( )spVV tbapZZ

Δ×−=Δ 1 , (6)

kur - ūdens/tvaika plūsmas termodinamiskās kondīcijas raksturojošie kompleksi. Tā

kā viršanas temperatūra ir tiešā atkarībā no apsildāmās ūdens/tvaika plūsmas spiediena

ZZ VV ba ,

20

izmaiņām, tad attiecīgi izmainīsies arī vidēji logaritmiskās temperatūras iztvaikotāja katla

daļā (skatīt vienādojumu #7), kas mūsu pētāmajos gadījumos ir robežās ap 4÷6%, tas ir,

( ) ( ) )( evminmaxminmaxLOG ttlnttt δ+×ΔΔΔ−Δ=Δ 111111

, (7)

kur - attiecīgi maksimālā un minimālā izplūdes gāzu un apsildāmās plūsmas,

t.i., ūdens/tvaika, temperatūru starpība,

11 minmax t,t ΔΔ

evδ - viršanas temperatūru izmaiņu koeficients visas

glodenes garumā.

Kad visi termodinamiskie, hidrauliskie un citi parametri ir atrasti, tad, balstoties uz

kopēju konvekcijas siltumapmaiņas un siltuma balansa vienādojuma risinājuma, tiek atrasts

glodeņu skaits atbilstošai sildvirsmai saskaņā ar iegūto vienādojumu (8)

( ) ( )calci

i

CF

LOG

gi zk

Wkthz i

i

i =×

××ΔΔ

=100

, (8)

kur - reģenerētais gāzu siltuma daudzums attiecīgajā katla sildvirsmā, - attiecīgās

sildvirsmas konvekcijas siltumapmaiņas koeficients, bet - sildvirsmas izmēru vienā

apjoma vienībā raksturojošais ģeometriskais koeficients,

ighΔ ik

Fk

ii LOGC t,W Δ - gāzu masas ātrums

un vidēji logaritmiskās temperatūra attiecīgajai sildvirsmai. Tomēr šis aprēķinātais glodeņu

skaits ir atbilstošs sākotnēji pieņemtajām raksturojošajām temperatūru

starpībām , kuras, būdamas savstarpēji atkarīgas caur šo vienādojumu sistēmu,

tiek koriģētas, balstoties uz pieņemto un izkalkulēto glodeņu skaitu starpību

līdz brīdim, kad nepieciešamā precizitāte

calciz

321 ,, xxx

icalcii zzz −=Δ

( )410− ir sasniegta, tas ir, kad minētās temperatūru

starpības būs atbilstošas pieņemtajiem virsmas izmēriem.

Kad katla termodinamiskie parametri ir atrasti atbilstoši pieņemtajai virsmai, ir

nepieciešams aprēķināt tā aerodinamisko pretestībuigPΔ , kas ietekmē bāzes dzinēja

efektivitāti. Pēc tam, balstoties uz plašu tehnisko datu apstrādi, adaptējot to jūras enerģētikas

praktiskajam pielietojumam, tiek piedāvāta vienkāršota metode tvaika turbīnas cikla

efektivitātes aprēķināšanai. Galarezultātā iegūstam sekojošu turbīnas efektivitātes lielumu Π

saskaņā ar vienādojumu (9) -

( ) zesgādesizplūkgkJ,HaTmiextst 10 ηηξξ ×××Δ−=Π , (9)

kur extst ξξ Δ, - attiecīgi katla pārkarsētā tvaika ražība un ekvivalentais tvaika patēriņš uz

reģeneratīvo pakāpi, kas gadījumā ar recirkulatīvo katla ūdens uzsildi (skatīt 1.att.) ir vienāda

ar nulli, tas ir 0=Δ extξ , - adiabātiskais entalpiju kritums, kas nostrādā tvaika turbīnā, Ha

21

betTmi ηη ,0 - attiecīgi tvaika turbīnas iekšējais un tā mehāniskā reduktora lietderības

koeficienti. Savukārt katla aerodinamiskā pretestība samazina bāzes dzinēja efektivitāti, kas

gāzes turbīnas gadījumā ir izteikts caur relatīvās jaudas zuduma lielumu - gHeΔ

( ) zesgādesizplūkgkJ,TP.He ggmigg iGT1150104032

0

5 ×−Δ××××=Δ ∑− ηη , (10)

kur 2mkgvaiWCmm,Pig∑Δ - utilizācijas katla summārā aerodinamiskā pretestība,

- sākuma gāzu temperatūra pirms ieplūdes katlā, KT og ,

0 GTmig ηη , - attiecīgi gāzturbīnas

un tā mehāniskā reduktora lietderības koeficienti. Abu augstākminēto efektivitātes lielumu

starpība pārstāv reālo relatīvās jaudas kopējo pieaugumu, ko nodrošina DGUS ieviešana -

zesgādesizplūkgkJ,Heg 10 Δ−Π=Π . (11)

Visi augstākminētie lielumi saskaņā ar vienādojumiem ##9, 10, 11 ir relatīvi, attiecināti pret

vienu kg izplūdes gāzu daudzuma.

Līdz ko galvenais dzinējs un tā

ilgstošas jaudas noslodzes režīms

ir izvēlēti, ievērojot noteikumu

( ) .constBLGW iigCi=×= ,

varam aprēķināt augstākminēto

lielumu jaudu absolūtās vērtības

konkrētai enerģētiskai iekārtai,

attiecīgi arī tvaika turbīnas

izstrādāto jaudu pēc formulas –

kWGNe gst ,×Π= . Summējot

un apstrādājot augstākminēto

informāciju, kļūst iespējams

izveidoto DGUS aprēķina

algoritmu prezentēt kā

vienkāršotu blokshēmu gan ar

katla ūdens recirkulāciju, gan

starptvaika reģeneratīvo katla

barošanas ūdens apsildi (skatīt

10.att). Balstoties uz piedāvāto metodi, ir iespējams sastādīt aprēķinu diagrammas

sarežģītākām siltuma utilizācijas sistēmām ar divpakāpju spiediena kontūriem.

10.att. Matemātiskās analīzes algoritma plūsmkarte

22

Izstrādātais algoritms principā ir daudzparametru DGUS optimizācijas mehānisms,

ar kura palīdzību tiek sasniegta maksimālā tvaika turbīnas vai propulsīvās iekārtas

jauda , optimāli izvēloties gan sildvirsmu savstarpējo sadalījumu , gan tvaika

spiediena līmeni , vienlaicīgi ievērojot katla fiksēta katla gabarītaugstuma

nosacījumu, t.i. , kā

arī citus drošas ekspluatācijas

noteikumus [46]. Balstoties uz šo

vienkāršoto optimizācijas plūsmkarti

(skatīt. 11.att.), 4. nodaļā tiek

pamatoti tie nosacījumi, kad kuģa

galvenās enerģētiskās iekārtas (skatīt

2.att.) summārās propulsīvās jaudas

nodrošinājums būs maksimālais

lielums. Iespējams veikt arī citu

parametru optimālas izvēles analīzi,

kas tomēr mūsu gadījumā būtu

nelietderīgi bez šo lielumu

savstarpējās mijiedarbības efekta apzināšanas. Ņemot vērā šīs optimizācijas komplekso dabu,

nodaļa ir sadalīta piecās apakšnodaļās. Pirmajā tiek pētīta katras atsevišķas sildvirsmas

ietekme, neierobežoti izmainot tās izmērus, uz SRK efektivitātes rādītājiem, kamēr pārējo

divu virsmu izmēri paliek nemainīgi. Gan

iztvaikotāja, gan tvaika pārkarsētāja

palielināšana nodrošina adekvātu tvaika

cikla efektivitātes rādītāju pieaugumu, kam

ir tendence tuvoties savam maksimumam, jo

gāzu reģenerācijas iespējas ir ierobežotas.

Lai arī ekonomaizers nodrošina visstraujāko

iekārtas efektivitātes pieaugumu, tomēr tā

virsmas izmēri lielā mērā ir ierobežoti

sakarā ar ekspluatācijas drošības aspektiem, lai nepieļautu katla ūdens vārīšanos tajā.

Rezultātā DGUS nepārtraukta efektivitātes pieauguma iespējas ir ierobežotas, jo tiecas uz

savu teorētiski iespējami augstāko lielumu (skatīt 12.att.). Tajā pašā laikā katla aerodinamiskā

maxΠ

max0Π .varzi =

optss p.varp →=

( ) ( ) ( ) .constzzzzzz.constz.constHn

ii =Δ+Δ+Δ±==⇒= ∑

=332211

1mm

11. att. DGUS optimizācijas plūsmkarti pie fiksēta katla gabarītaugstuma nosacījuma

Π

GHeΔ

MAXΠ

iz

i0Π 1i0 +Π

12.att. Glodeņu skaita izmaiņu ietekme uz DGUS efektivitātes parametriem

23

pretestība praktiski ir tiešā atkarībā no glodeņu skaita pieauguma ar proporcionalitātes

koeficientu atbilstoši gāzu temperatūru līmenim, tādējādi ietekmējot jaudas zudumus bāzes

dzinējā. Tā pie kaut kādas kritiskās virsmas ( )maxcriticizΣ relatīvais tīrais jaudas

pieaugums sasniegs savu augstāko līmeni, pēc kura negatīvajai katla gāzu dinamiskajai

pretestībai būs dominējoša ietekme.

Rezultātā iegūstam maksimāli pieļaujamo

glodeņu skaitu, kas nodrošina kuģa spēka

iekārtas augstāko efektivitātes

pieaugumu, pateicoties DGUS ieviešanai

(skatīt 13.att.).

0Π

Siltuma reģenerācijas kontūra

(SRK) (1.att) efektivitāti lielā mērā

nosaka kā gāzu atdzesēšanas dziļums Ψ ,

tā arī Renkina cikla efektivitāte Rη , un

iepriekš fiksētos katla gabarītos šo lielumu reizinājums Rη×Ψ galvenokārt atkarīgs no tvaika

spiediena optimālas izvēles, kas arī tiek pētīts 4. nodaļas 2. apakšnodaļā. Gāzu atdzesēšanas

dziļuma koeficientu lielā mērā pārstāv katla tvaika jaudaΨ ξ , kamēr Renkina cikla

efektivitāti – adiabātiskais entalpiju kritums . Pārveidojot vienādojumus, iegūstam

vienkāršotu, bet uzskatāmu analītisku izteiksmi #12, lai analizētu tvaika spiediena ietekmi -

Ha

18bar+Rec. 11bar+Rec.

18bar +extr.

11bar+extr.

60

70

80

90

100

110

120

130

350 375 400 425 450 475 500 525 550

Ct og ,

0

( )maxcriticizΣ

7

13.att. Pieļaujamais glodeņu skaits no sākuma gāzu temperatūras un tvaika spiediena DGUS ar re-cirkulāciju un reģeneratīvo tvaika atvadi

( )[ ] Ha~orttcHa RagalgR ××Ψ−×××=×Ψ ξηηξη0

, (12)

kur gc - vidējā gāzu siltumietilpība temperatūru atdzesēšanas diapazonā, - āra gaisa

temperatūra. Renkina cikla efektivitāte ir gandrīz tiešā atkarībā no tvaika spiediena

izmaiņām

Ct oa ,

( ) 0>∂∂ ss tpHa , kamēr katla jaudai tā ir apgriezti proporcionāli ( ) 0<∂∂ ss tpξ .

Šīs izmaiņas nav tik viennozīmīgi tiešas, bet gan savstarpēji mijiedarbīgas, kas arī tiek

vispusīgi skatīts šajā apakšnodaļā. Galarezultātā, sasniedzot kaut kādu optimālu tvaika

spiedienu , tiks nodrošināta utilizācijas kontūra turbīnas maksimālā jauda, tas ir,

, kam atbildīs sekojoši priekšnosacījumi -

optsp

maxΠ=Π ( ) ( ) 0=∂∂+∂∂ ssss tpHatpξ

vai ( ) 0=∂Π∂ ss tp (skatīt 13.att.). Tomēr, pieaugot gāzu temperatūru vidējam līmenim,

praktiski tieši proporcionāli izmainās arī katla aerodinamiskā pretestība un līdz ar to arī

attiecīgie jaudas zudumi bāzes dzinējā. Rezultātā iegūstam citu nedaudz mazāku par pirmo

24

optimālo tvaika spiedienu , ar kuru tiek nodrošināta propulsīvās iekārtas (COGAS)

maksimālā termodinamiskā efektivitāte kopumā (skatīt 14.att.). Gan gāzu sākuma

temperatūras , gan sildvirsmas izmēri, tas ir katla

augstums, tieši ietekmē arī optimālā tvaika spiediena

(skatīt 15.att.) izmaiņas. Tomēr, lai kopsummā spētu

nodrošināt DGUS maksimālo efektivitāti pie fiksēta

katla augstuma, vienlaicīgi izvēloties spiediena

līmeni, ir nepieciešams nodrošināt arī attiecīgu

sildvirsmu optimālu sadalījumu, kas arī tiek pamatots

šīs disertācijas 4. nodaļas 3. apakšnodaļā. Virsmu

mijiedarbe ir komplicēta, jo tiek pētīti dažādi

gadījumi, kad glodenes tiek vienlaicīgi savstarpēji

izmainītas pie konstanta summārā lieluma, tas ir

optsp

0

0gt

iz

constHz ii =∑∑ ; . Galarezultātā iegūstam

rekomendējamo un optimālo sildvirsmu sadalījumu katlā, kas atbilst izteiksmei #13 (skatīt

16.att.) -

14.att. Tvaika spiedienu izvēle

( ) ( ) ( )27.020.0:23.012.0:50.068.0:: 321 ÷÷÷≈kkk zzz . (13)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

350 375 400 425 450 475 500 525 550

C,t og0

jz1

jz2

jz3

321 ,, zzz22.1=∑ iz

15.att. Optimālā tvaika spiediena funkcionālā atkarība

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

350 375 400 425 450 475 500 525 550

C,t og0

jz1

jz2

jz3

321 ,, zzz22.1=∑ iz

16.att. Katla sildvirsmu optimālais sadalījums no gāzu sākuma temperatūras

Lielumi kreisajā daļā atbilst mazāka izmēra katliem ar zemākiem sākuma gāzu parametriem.

Palielinoties gāzu temperatūrām , varam samazināt iztvaikotāja izmērus, jo, pateicoties

konvekcijas siltuma pārvades efektivitātes pieaugumam, tiek panākts augsts tvaika jaudas

pieaugums. Attiecīgi ir nepieciešams palielināt tvaika pārkarsētāja īpatsvaru, kas nodrošinātu

tā temperatūras saglabāšanu optimālā līmenī, kā arī katla ekonomaizera daļu, pateicoties

↑Ogt

stt

25

caurplūstošā katla ūdens daudzuma pieaugumam ( ) ↑×+ ξreck1 , vienlaicīgi ievērojot drošas

ekspluatācija nosacījumu . Cx o153 ≥

4. apakšnodaļā atsevišķi tiek skatīta SRK efektivitāte, gadījumā, kad tiek izmantota

reģeneratīvā pakāpe katla ūdens apsildei (skatīt 17.att.). Pateicoties siltuma zudumu

samazinājumiem kondensatorā, turbīnas tvaika

cikla efektivitāte pieaug, un, izmantojot

deaeratoru kā šīs pakāpes galveno sastāvdaļu,

tiek samazināta arī skābekļa korozijas

iespējamība, jo sevišķi katla ekonomaizera daļā.

Kā rāda pētījumi, tad pie vienādiem katla

gabarītiem nav novērojams tvaika turbīnas

jaudas papildus pieaugums, tomēr šī cikla

efektivitāte izpaužas tajā apstāklī, ka

nepieciešamais gāzu siltuma daudzums ir

mazāks nekā recirkulācijas gadījumā. Tādējādi

izplūdes gāzu temperatūras pēc katla būs

augstākas, kas samazina gala (ekonomaizera)

virsmu sērskābes korozijas risku. Tvaika

reģeneratīvā cikla gadījumā caurplūstošā katla ūdens daudzums samazinās, attiecīgi izmainot

savstarpējo sildvirsmu sadalījumu, kā rezultātā pieaug gan iztvaikotāja, gan pārkarsētāja

īpatsvars uz ekonomaizera rēķina. Optimālais spiediena līmenis būs nedaudz augstāks nekā

recirkulācijas gadījumā, jo tā izvēle lielā mērā ir atkarīga no sākuma un beigu gāzu

temperatūrām. Lai arī tvaika turbīnas jauda praktiski neizmainās, tad augstāku vidējo gāzu

temperatūru rezultātā arī zudumi bāzes dzinējā būs nedaudz lielāki reģenerācijas gadījumā.

17.att. DGUS ar starppakāpes tvaika reģeneratīvo katla ūdens apsildi

Sildvirsmu intensifikācija vienā iekārtas apjoma vienībā ir plaši izmantota mūsdienu

katlu būvē ar mērķi samazināt tā gabarītus, nezaudējot DGUS efektivitāti. Kā viena no

izplatītākajām metodēm ir cauruļu ārējā spirālveida ribošana, kuras efektivitāte tiek pētīta 4.

nodaļas 5. apakšnodaļā. Pie vienādiem katlu gabarītaugstumiem, galvenokārt pateicoties

lielākai virsmai, ir iespējams panākt dziļāku gāzu atdzesēšanu, kā rezultātā tiek nodrošināts

arī attiecīgs jaudas pieaugums, izsakot to caur relatīvo koeficientu - HoK Σ

Π

( ).constH

finsmfinHo

i%K

=ΣΠ ×ΠΠ−Π= 100000 , (14)

26

kur.00 constH

smfin

i=Π−Π - kuģa spēka iekārtas kopējais jaudas gala pieaugums UK virsmu

ribošanas rezultātā, kad gabarītaugstumi ir vienādi. Vidēji šis efektivitātes pieauguma

koeficients ir robežās no 20÷30%, tomēr, pieaugot katla gabarītiem un attiecīgi arī

sildvirsmai, gāzu utilizācijas dziļums tiecas uz savu teorētisko maksimumu, kā rezultātā

ribošanas efektivitāte samazinās (skatīt 18.att), būdami tiešā atkarībā no ieplūdes gāzu

temperatūras un tvaika spiediena. Vienādu jaudu gadījumā, tas ir .0 const=Π , tiek vērtēta

katla gabarītaugstuma ekonomija, ko nodrošina virsmas ribošana, būdama izteikta caur

koeficientu - oHK Π

Σ

( ) %HHK oi

oi

oH smfin

1001 ×ΣΣ−= ΠΠΠΣ , (15)

kur - attiecīgi ribotu un gludcauruļu virsmu katlu gabarītaugstumi

ekvivalentas propulsīvās jaudas

nodrošinājuma gadījumā. Rezultātā tiek

sasniegta apmēram ≈22÷26% katla

gabarītaugstuma ekonomija, kam ir tendence

pieaugt līdz ar jaudas indeksa, gāzu

temperatūru un spiediena līdzvērtīgām

izmaiņām (skatīt 19.att.). Lai gan minētajam

koeficientam ir ļoti praktisks pielietojums,

tomēr tas neraksturo ribotās virsmas patieso

efektivitāti, jo tukšās tehnoloģiskās atstarpes starp

sildvirsmām un katlu galos samazina patiesās

efektivitātes līmeni. Sekojoši tiek izvēlēts cits

koeficients , kas, reprezentējot tīrās sildvirsmas

augstuma ekonomiju, sastāda pat līdz ≈48÷54%.

Savā ziņā šim indeksam arī ir praktiska nozīme, jo

tas raksturo glodeņu skaitu samazinājumu un līdz ar

to eventuālo materiālu un darba (metināšanas,

liekšanas) apjoma izmaiņas, tātad katla pašizmaksu. Bez tam, lai arī atstarpes

oi

oi smfin

HH ΠΠ ΣΣ ,

oHK Π

HxΔ ir

izvēlētas iespējami mazākas, tomēr nepieciešams paredzēt iespēju šos augstumus samazināt,

vēl jo vairāk konkrētam projektam. Tādējādi gabarītaugstuma ekonomijas koeficients oHK Π

Σ

tgo=475oCtgo=375oC

15

17

19

21

23

25

27

29

31

1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9

.constHH@

%100K

smi

fini

H0

H0

H0H

smi

smi

finis/f

i

0

==

×−

=Π

ΠΠΠ

%,HoK Σ

Π

( )( )2, SjzormH iz

i ×−ΣΣ

18.att. Cikla efektivitātes izmaiņas virsmas ribošanas rezultātā atkarībā no katlu izmēriem

t go=400o C

t go=375o C

21,0

22,0

23,0

24,0

25,0

1,12 1,14 1,16 1,18 1,20valuepresentefficiencynetWHRC,Π

%,oHK Π

Σ

19.att. Katla gabarītaugstuma ekonomija ribošanas rezultātā

27

būs tiešā atkarībā no tīrās virsmas un atstarpju ietekmes koeficientu reizinājuma -

.

oHK Π o

HxKΠΔ

oHx

oH

oH KKK Π

ΔΠΠ

Σ ×=

5. nodaļā tiek pētītas DGUS pielietojuma iespējas, efektivitāte, kad par galveno

kuģa dzinēju tiek izmantots mūsdienu mazapgriezienu divtaktu dīzeļdzinējs ar pazeminātiem

izplūdes gāzu parametriem. Rezultātā utilizācijas tvaika turbīnas ģenerētās jaudas līmenis ir

nesalīdzināmi mazāks nekā vidēji apgriezienu dīzeļa un gāzturbīnas gadījumā, t.i., ≈3,5÷4,5%

salīdzinot ar ≈10÷15% un ≈25÷35% attiecīgi no bāzes dzinēja nomināla , un tādējādi ir

lietderīgi šo ekonomiju izmantot kuģa elektrostacijas darbības nodrošinājumam

turboģeneratora veidā (skatīt 4.a att.). Šajā gadījumā svarīga ir ne tikai degvielas ekonomija,

bet tieši optimāla elektrostacijas iekārtu komplektācija (skatīt4.b att.) var būt noteicošais

faktors DGUS efektīvai izmantošanai. Maksimālais turboģeneratora jaudas nodrošinājums

ilgstošā ekspluatācijas laika posmā tiek panākts iespējami dziļāk atdzesējot izplūdes gāzes

utilizācijas katlā, kuras minimālā temperatūra pēc katla ir atkarīga kā no pieaugošās un

graujošās sērskābes korozijas ietekmes, tā arī no nepieciešamības strauji palielināt katlu

virsmu izmēru.

nomMENe

exhgt

Ņemot vērā augstākminētos priekšnosacījumus, izstrādātais 3. nodaļā izstrādātais

daudz-parametru DGUS optimizācijas

algoritms tiek modificēts ar mērķi

nodrošināt maksimālo tvaika

turboģeneratora jaudu , kas

balstīta uz iespējami lielāka, bet fiksēta

gāzes atdzesēšanas dziļuma nosacījumu,

t.i. . Rezultātā tiek

atrasts atbilstoša izmēra katls ar attiecīgu

sildvirsmu savstarpējo optimālo

sadalījumu , kura tvaika

spiediena līmenim jābūt pietiekami

augstam, t.i., , vienlaicīgi ievērojot arī citus drošas ekspluatācijas noteikumus.

Tādējādi vienkāršota optimizācijas plūsmkarte (skatīt. 20.att.) kalpos par pamatu DGUS

izvēlei, kuras matemātiskā algoritma veidošanas pamatprincipi tiek apskatīti 5. nodaļas 1.

.maxNeTG =

consttttexhggg =−=Δ Σ

0

optii zz =

minss pp ≥

20.att. DGUS optimizācijas plūsmkarte pie fiksēta gāzu atdzesēšanas dziļuma nosacījuma

28

apakšnodaļā. Teorētiski iespējamā katla jauda , iztrūkstot pārkarsētājam, tiek aprēķināta

saskaņā ar vienādojumu #16 –

0ξ

( )|esalgg hhct Δ+Δ××Δ= Σ ηξ 0 , (16)

kur - nepieciešamais siltuma daudzums 1_kg katla ūdens uzsildīšanai

ekonomaizerā no ieplūdes temperatūras līdz lielumam , kam ir jābūt mazākam

salīdzinot ar piesātinājuma temperatūru , par nesasildījuma lielumu , tas ir

kg/kJ,h|eΔ

|fwt et

st 3x 3xtt se −= .

Tvaika pārkarsētāja virsmas ietekmi izsaka caur koeficientu , un piesātinātā tvaika

patēriņa gadījumā

Gk

satξ reālā katla jauda būs vienāda sekojoši -

. (17) satGG kk ξξξ ×−+×= )1(0

Koeficients raksturo pārkarsētāja siltuma apmaiņas efektivitāti un ir lielā mērā atkarīgs

no tvaika pārkarsējuma pakāpes

Gk

χ , kas ir attiecība starp faktisko un teorētiski

iespējamo tvaika pārkarsējumu -

sst tt −

00 ssg ttt Δ=−

( ) ( ) ( ) 00 ssstsgsst ttttttt Δ−=−−=χ . (18)

Balstoties uz šīm pamatnostādnēm, tiek analizēts

sildvirsmu savstarpējais optimālais sadalījums

izvēlētajam utilizācijas katlam. Tvaika

pārkarsējuma pakāpes palielināšana virs 95,0≥χ

nav vēlama, jo novērojams straujš virsmas, kā arī

katla aerodinamiskās pretestības pieaugums (skatīt

21.att).

Sākuma gāzu temperatūra ir lielā

mērā atkarīga no izvēlētā bāzes dzinēja

modifikācijas (skatīt 9.att.), attiecīgi mainīsies arī

izplūdes gāzu atdzesēšanas dziļums , ietekmējot katla izvēli. Ievērojot augstākminētos

termodinamiskos nosacījumus, tas ir,

0gt

ΣΔ gt

.,, 3 constpxt sgexh= , un palielinoties gāzu sākuma

temperatūrai, gan iztvaikotāja, gan katla kopējai virsmai ir tendence samazināties, pateicoties

siltumapmaiņas augstākai efektivitātei. Tomēr pieaugot katla tvaika jaudai, gan pārkarsētāja,

gan ekonomaizera izmēri palielinās, lai tiktu nodrošināti nemainīgi nesasildījuma un

pārkarsējuma koeficienta lielumi (skatīt 22.att.).

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.64 0.74 0.84 0.940.5

0.7

0.9

1.1

1.3

1.532 , zz 1,zziΣizΣ

1z

3z

2z

χ

21.att. UK virsmu savstarpējais sadalījums atkarībā no pārkarsējuma pakāpes pie constttt

exhggg =−=Δ Σ0

29

Nesasildījuma temperatūras samazināšana ir vairāk teorētiska, lai gan

termostatiskā ventīļa gadījumā (skatīt 1.att.) būtu arī praktiski iespējams līdz zināmai robežai,

kā rezultātā tiek samazināti katla kopējie gabarītaugstumi uz iztvaikotāja sildvirsmas rēķina,

neskatoties uz nelielu ekonomaizera izaugsmi. Tā kā katla tvaika jauda paliek nemainīga

(skat. vienādojumus ##16, 17), tad pie izvēlētā tvaika pārkarsējuma koeficienta

3x

const=χ arī

attiecīgā sildvirsma paliek bez

izmaiņām, tas ir - . constz =2

Gan izplūdes gāzu atdzesēšanas

dziļums, gan attiecīgie katla virsmu

izmēri būs savstarpēji apgriezti atkarīgi

no pieņemtā tvaika spiediena

līmeņa, kura minimums ir ierobežots,

balstoties uz reāliem ekspluatācijas

apstākļiem, un tas nedrīkst būt zemāks

par 7bar. Tādējādi 5. nodaļas 2.

apakšnodaļā tiek pētīta tvaika spiediena

funkcionālā ietekme uz DGUS

efektivitātes parametriem un pamatota tā izvēle, balstoties uz iepriekš determinētu utilizācijas

pakāpi - . Teorētiski iespējamais tvaika spiediens (attiecīgi

atbilstošā piesātinājuma temperatūra ) tiek izvēlēts pie neierobežota izmēra katla jeb

iztvaikotāja virsmas, kuras lieluma raksturojošā soļa temperatūra būs vienāda ar nulli,

t.i. vai arī - lim . Rezultātā iegūstam funkcionālu atkarību

lielumam

sp

ssz

g tttS

==∞→

consttttexh0 ggg =−=Σ 0

sp

0st

1x

0lim1

1 =∞→zx 0

1

( )00 , ss pt saskaņā ar vienādojumu #19 pie nosacījuma 0,0 2 == zχ -

0.10

0.15

0.20

0.25

210 220 230 240 250 260 270 2800.9

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

0gt

2z

3z

32 ;zz

1z

izΣ

1; zziΣ

22.att. UK virsmu savstarpējais sadalījums atkarībā no sākuma gāzu temperatūras pie fiksēta tā atdzesēšanas dziļuma

( ) EgEgs ktkttexh×+−×= 1

0

0 , (19)

kur koeficients ( 11 −ΔΔ+= s

|eE hhk ) raksturo ekonomaizera siltuma jaudu. Mūsu pētāmajās

robežās šī formula var tikt vienkāršota un iegūti sekojoši vienādojumi -

84.016.00

0 ×+×=exhggs ttt un . (20) 19.019.1

0

0 ×−×= gsg tttexh

Teorētiskā tvaika spiediena izmaiņas atkarībā no izplūdes gāzu gan sākuma, gan beigu

temperatūrām būs funkcionāli līdzīgas, tomēr vairāk izteiktas pirmajā gadījumā -

0000

>∂∂>∂∂exh

MAXMAX

gsgs tptp (skatīt 23.att.). Gadījumā, kad katlā tiek uzstādīts tvaika

30

pārkarsētājs, t.i. 0>χ , teorētiskais spiediens jeb tā piesātinājuma temperatūra tiek

atrasta sekojoši –

0χsp

( ) ( )( )EGgggs kkttttexh

−×−×−+= 1100

0χ

, (21)

kam ir tendence samazināties robežās līdz

≈3÷4% atkarībā no lieluma χ .

Realitātē sildvirsmu (iztvaikotāja)

izmēri būs determinēti (skatīt 24.att.), kam

atbildīs attiecīgā soļa temperatūra ,

sekojoši izmainīsies arī iespējamais tvaika

spiediens (skatīt 25.att.). Šajās divās

apakšnodaļās ir postulēti un pamatoti tehniskie

priekšnosacījumi utilizācijas katla un DGUS

izvēlei, primāri balstoties uz vēlamo gāzu atdzesēšanas dziļumu.

t gexh=160o C

t gex=140oC

t gexh=200o C

0

5

10

15

20

200 250 300 3500

5

10

15

20

25

30

35Ctat

barpo

g

s

exh140/160

,m ax

= Ctat

barpo

g

s

e xh200

,m ax

=

Ct og ,

0

7,0C15x,C0x@ o

3o

1

===

χ

23.att. Tvaika spiediena izmaiņas kā un (

0

0gs tfp

MAX

=

0>1x

) .vartexhg =

500/160 oC

400/160 oC300/160 oC250/160 oC

500/140 oC

500/180 oC

250/180oC

20

40

60

80

100

120

140

160

180

5 10 15 20 25 30

5. nodaļas 3. apakšnodaļā tiek pētīta DGUS efektivitāte reālos ekspluatācijas

apstākļos. Tā kā gāzu enerģētiskais potenciāls ir visai zems pat pie rekomendējošā minimālā

atdzesēšanas dziļuma aptuveni 160ºC robežās, papildus nepieciešams paredzēt bāzes dzinēja

dzesējamā ūdens siltuma izmantošanu, ieskaitot arī turbopūtes gaisa siltumu, gan katla ūdens

uzsildīšanai pirms termostatiskā ventiļa, gan nodrošinot dažādu kuģu sildelementu, kā,

piemēram, ūdens, degvielas un eļļas sildītāju un dzīvojamo telpu apkures sistēmu, darbību.

Rezultātā tiek samazināts piesātinātā tvaika patēriņš satξ līdz minimumam un palielināta

katla tvaika jauda, attiecīgi arī turboģeneratora jaudas pieaugums ir acīmredzams. Tomēr, lai

nodrošinātu visu zema potenciāla siltuma patērētāju darbību iespējamos slodzes režīmos,

C,x o1

7,0,C15x

,C100t@o

3

ofw

==

=

χ

m axs

m axi p@coilsofqty,zΣ

500/160 oC

400/160oC250/160oC

500/140 oC

400/180 oC

0

5

10

15

20

25

30

35

0 5 10 15 20 25 30

Ctt ogg exh

,/0

24.att. Soļa temperatūras ietekme uz katla glodeņu skaitu

C,x o1

7,0,C15x

,C100t@o

3

ofw

==

=

χ

bar,pm axs

Ctt ogg exh

,/0

25.att. Soļa temperatūras ietekme uz maksimālo tvaika spiediena izvēli

31

minimāli pieļaujamam katla tvaika spiedienam ir jābūt ne zemākam par 7_bar, kas

ietekmēs kopējo katla jaudu. Balstoties uz iespējamo siltuma patērētāju sadalījumu, kā arī

izvērtējot nepieciešamo papildu investīciju apjomu un efektivitāti, tiek piedāvāta un vispusīgi

pētīta dažādas sarežģītības pakāpes Kompleksā dziļās gāzu utilizācijas sistēma (KDGUS).

Tāda pieeja ir jo sevišķi svarīga ilgstošas vai arī īslaicīgas jaudas un siltuma deficīta

gadījumā. Īsumā tiek piedāvāti arī citas efektīvas jaudas kompensācijas alternatīvas, kuras var

tikt izvēlētas, balstoties uz šī deficīta apzināšanu. Dīzeļdzinēju izplūdes gāzu parametri ir lielā

mērā atkarīgi no apkārtējās vides apstākļiem, tas ir, no apkārtējā gaisa un jūras ūdens

temperatūrām. Lai analīzes rezultāti maksimāli aptvertu tradicionālos kuģu peldēšanas

areālus, tiek izvēlēti siltuma dzinēju aprēķinos standartizētie sekojošie vides parametri –

sp

at wst /

1. ISO Apkārtējās vides apstākļi ar sekojošiem parametriem -

, kur vidēji izsvērtais kuģošanas laiks sastāda aptuveni

no kopējā;

CtCt oa

ows 27&27/ ==

%3728÷≈

2. B&W - , atbilstošais kuģošanas laiks pat līdz ; C20tC18t oa

ows == &/ %3830 ÷

3. Nordic vides apstākļi ar visnelabvēlīgākajiem laika apstākļiem -

un atbilstoši ar vis mazāko kuģošanas laiku līdz . C10t&C10t oa

ow/s == %10≈

Šajās laika joslās KSDUS/DGUS reģenerētās

jaudas tiek salīdzinātas ar nepieciešamo

elektroenerģijas un siltuma patēriņu (skatīt

26.att.) atkarībā gan no bāzes dzinēja nominālās

jaudas, gan arī no tā ilgstošas noslodzes režīma

diapazonā no 100% līdz pat 60%. Tiek vispusīgi

pētīta relatīvās termodinamiskās efektivitātes

izmaiņas atkarībā no bāzes dzinēja

dzesējamā šķidruma siltuma izmantošanas

pakāpes, kuras īpatsvaram ir izteikta tendence

pieaugt, gan pazeminoties apkārtējās vides

temperatūrām, gan galvenā dzinēja noslodzei. Tas ir izskaidrojams ar ievērojamu

izmantojamā siltuma pārpalikumu, salīdzinot to ar iespējami izmantojamo. Turbopūtes

dzesējamā ūdens siltuma daudzums lielā mērā ir atkarīgs no kuģa ekspluatācijas apstākļiem,

tādējādi pie kaut kādas slodzes šī siltumapmaiņas sekcija tiek atslēgta, kā rezultātā ievērojami

samazinās papildus ekonomija (skatīt 27.att.).

275; 140

275; 160260; 160

250; 160230; 140240; 160

230; 160

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 10 20 30 40

kW,NeTG

MW,NeME

e lN e

MCR%80@and

C,t/t ogg exh0

26.att. KSDUS Turboģeneratora jaudas nodrošinājums no GD nomināla un tā modifikācijas B&W vides apstākļos

ηΔK

32

Tomēr šāda pieeja KDGUS efektivitātes vispusīgas analīzes veikšanai ir

nepietiekama, jo kuģis ir transporta līdzeklis,

kas dodas no iekraušanas/izkraušanas ostas A

līdz citai ostai B, un tas aizņem konkrētu laiku,

kur gaisa un ūdens temperatūru izmaiņas var būt

ievērojamas. Sekojoši sistēmas efektivitāte tiek

analizēta konkrētām kuģošanas līnijām, mūsu

gadījumā tās ir astoņas, un, ņemot vērā to vides

temperatūru izmaiņas plašā diapazonā, iegūtie

rezultāti kļūst universāli un var tikt pielāgoti arī

citām, šeit neizskatītām kuģošanas līnijām.

Balstoties uz ilgtermiņa meteoroloģiskajiem

novērojumiem, ir konstatēts, ka vidēji izsvērtā

ūdens temperatūra ir tikai

par augstāka nekā gaisa

temperatūra. Tādējādi KSDUS

turboģeneratora jaudas izmaiņas tika

iegūtas, balstoties uz šo apgalvojumu,

un reprezentēta kā funkcionālā

atkarība no jūras/okeāna ūdens

temperatūras .Tomēr

konkrētai līnijai vidēji izsvērtā jūras

ūdens temperatūra

Co21÷≈

)( /1

iwsTG tfNe =

wst / būs mainīga

kuģa gaitas laikā, tas ir –

( )ntw/s ft τ= , (22)

kur ir relatīvais peldēšanas laiks zonā ar minimālām temperatūru

izmaiņām , bet - absolūtais peldēšanas laiks, kad temperatūru izmaiņas ir minimālas

un - kopējais peldēšanas laiks. Galarezultātā iegūstam funkcionālu atkarību

Sat

itn/

min

∑Δ

=τ

mintΔ ia

S ( )ntTG fNe τ=

(skatīt 28.att.), ņemot vērā gan dzinēja modifikāciju (dažādas sākuma temperatūras),

noslodzes režīmus, kā arī nominālo jaudu.

CWHRS+ HTS;

275/160CWHRS+

HTS; 230/140

CWHRS; 230/160

CWHRS; 275/160

CWHRS; 230/140 WHRS +

tfw=70oC by cyl.w.

HTS

0

5

10

15

20

25

30

35

40

54 58 62 66 70 74 78 82 86 90 94 9860

65

70

75

80

85

90

95

100

105%,k ηΔ C,t oHTSfw

HTSfwt

%,MCRISO

27.att. Relatīvās efektivitātes izmaiņas atkarībā no KSDUS komplicētības pie dažādām GD slodzēm un tā modifikācijas ISO vides apstākļos

100;275/140

100;275/160

80;275/160

60;275/160

100;230/16080;230/160

60;230/160

60;275/140

50

150

250

350

450

550

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

5

10

15

20

25

30

tropelNe

elN e

%,S e f

w/st

C,t ow/s

MWNe

CttMCRnomME

ogg e xh

10@

,/;%,0

=

kW,NeTG

28.att. Vidēji izsvērtā KSDUS Turbo Ģeneratora jaudas un ūdens temperatūras izmaiņas kuģošanas līnijā no Melnās jūras līdz centrālai Amerikai pie dažādām GD slodzēm un tā modifikācijas.

33

Analizējot iegūtos datus, tiek paredzēti nosacījumi, pie kādiem būs iespējama

turboģeneratora autonoma darbība kuģa elektrostacijas sastāvā. Jaudas pazemināšana zem

80÷75% no GD nomināla ir kritiska KDGUS augstas efektivitātes nodrošināšanai, jo

vienlaicīgi tiek atslēgta arī turbopūtes augstas temperatūras sekcija. Jaudas deficīta līmeņa

apzināšana ir jo sevišķi svarīga, lai ne tikai kuģa jaunbūves laikā tiktu nodrošināts efektīvs

tehniskais aprīkojums tā kompensēšanai, bet tiktu izstrādāti arī citi iespējamie

organizatoriskie risinājumi efektīvas ekspluatācijas nodrošināšanai.

Disertācijas 6. nodaļā tiek pētīta sildvirsmas aizsērējuma koeficienta ε ietekme no

izplūdes gāzu puses un tā izmaiņas reāli ekspluatējamā COGAS tipa (skatīt 3.att.) kuģa

propulsīvajā spēka iekārtā. Šai parādībai ir būtiska ietekme ne tikai uz siltuma efektivitāti,

bet, ņemot vērā patērējamās degvielas ar augsto

sēra saturu zemo kvalitāti, bieži vien katla astes

virsmu sekcijas bojā korozija, kā rezultātā DGUS

nespēj pilnvērtīgi un efektīvi funkcionēt. Lai arī

sildvirsmu gāzu piesērējuma būtība un

mehānisms no gāzu puses ir diezgan vispusīgi

pētīts, tomēr šie darbi pamatā ir veltīti

galvenajiem katliem, darbināmiem ar naftas

produktiem vai oglēm. Pelnu nosēdumu

sarežģītais fizikālais un ķīmiskais veidošanās

process apgrūtina tā ε noteikšanu reālos

ekspluatācijas apstākļos. Mūsu gadījumā, balstoties uz siltumapmaiņas un siltuma balansa

vienādojumu kopīga risinājuma, piesērējuma koeficients tiek atrasts netiešā veidā, veicot

nepieciešamo termodinamisko parametru mērījumus, tādus kā gāzu, tvaika/ūdens

temperatūras, patēriņus, spiedienus un to izmaiņas(skatīt 29.att.). Svarīgi ir noteikt ne tikai

pašu mērījuma lielumu, bet arī kļūdu, kas liecinātu par rezultātu ticamību un piedāvātās

metodes pamatotību. Siltumtehnikas mērījumu rezultātā tika iegūts vidēji izsvērtais

piesērējuma koeficients, kas vienāds sekojošam lielumam - WKm.

oKYP−3100

29.att. Siltuma reģenerācijas kontūra praktisko mērījumu diagramma.

××= − 23106502ε ,

un tas ir tikai nedaudz augstāks ( )%1312÷≈ par to lielumu, kas pieņemts DGUS

analītiskajos aprēķinos WKm.

oPROJ ××= − 23103502ε . Šī starpība ir izskaidrojama ar reālos

apstākļos patērējamo zemākas kvalitātes degvielu, salīdzinot ar aprēķinos pieņemto, tādējādi,

veicot DGUS efektivitātes analīzi spēka iekārtām ar maz-apgriezienu divtaktu dīzeļdzinēju,

34

piesērējuma koeficienta vērtība ir izvēlēta ievērojami augstāka. Arī katrai sildvirsmai

atsevišķi tika noteikts piesērējuma līmenis, un interesants ir tas apstāklis, ka to iε vērtības

bija atšķirīgas. Loģiski, ka pie augstākiem gāzu lineārajiem ātrumiem aizsērējuma intensitātei

jābūt zemākai, ko arī apstiprina mērījumu rezultāti. Tādējādi, tvaika pārkarsētājā šis lielums

sastāda tikai WKm.

o××= − 232 108840ε , kamēr iztvaikotājā un ekonomaizerā tie ir ievērojami

lielāki - WKm.

o××= − 231 109882ε un W

Km.o××= − 23

3 102902ε attiecīgi. Tā kā gāzturbīnā

patērējamās degvielas kvalitāte bija salīdzinoši

augsta, tad attiecīgi pelnu daļiņu koncentrācija

gāzes plūsmā ir zemāka, kā rezultātā iztvaikotājs

darbojās kā filtrs, ar to izskaidrojams mazāks

aizsērējuma koeficienta līmenis ekonomaizerā

nekā iztvaikotājā. Rezultātu ticamību nostiprina

arī tas, ka tika konstatēta izteikta tendence

koeficienta ( )wfKYP =−3100ε izmaiņām atkarībā no

lineārā gāzu ātruma izmaiņām (skatīt 30.att.). Netiešā mērījumu rezultātā iegūtā lieluma

kļūdas atrašana ir nākošais svarīgākais apstāklis, kas balstās ne tikai uz izmantojamo

mērinstrumentu augstu precizitāti, bet vēl jo vairāk uz eksperimenta apstākļu izvēli. Nav

pieļaujama mērījumu veikšana nestabilu vai pārejas procesu laikā. Nepieciešams izvēlēties

tādu brīdi, kad izplūdes gāzu temperatūru lauks ir ar iespējami zemāku izmaiņu gradientu, jo

tieši šī sastāvdaļas kļūda ir dominējošā. Tādējādi mērījumu rezultātu izvēle bija selektīva,

nodrošinot visai zemu relatīvo kļūdu mūsu gadījumā, t.i., aptuveni - %.KYP 3103100 =Δ∂ −ε .

Att.30 Koeficienta 3100KYP−ε izmaiņas atkarībā no lineārā gāzu ātruma.

Noslēgums

Disertācijā tiek analizēta Dziļās gāzu utilizācijas sistēmas lietderība, lai nodrošinātu

tādu optimālu katla sildvirsmu komplektāciju, kas garantētu maksimālo efektivitātes

pieaugumu limitētos gabarītos.

Disertācijā ir iegūti jauni galvenie rezultāti:

1. Tiek piedāvāts oriģināls matemātiskās analīzes algoritms DGUS termodinamisko un

tehnisko parametru noteikšanai, lai nodrošinātu iekārtas maksimālo efektivitāti pie

ierobežotiem utilizācijas katla gabarītu nosacījumiem.

2. Balstoties uz piedāvāto metodi kombinēta (COGAS) cikla gadījumā iegūti sekojoši

galvenie rezultāti, kas nodrošina efektīvu DGUS un katla komplektāciju:

35

a. Utilizācijas katla sildvirsmu izmēri ir ierobežoti, ņemot vērā aerodinamiskās

pretestības negatīvo ietekmi uz bāzes dzinēja efektivitāti;

b. Ir apzināts un pamatots optimālais tvaika spiediens, kas nodrošina vai nu maksimālo

utilizācijas turbīnas jaudu, vai arī propulsīvās spēka iekārtas efektivitāti kopumā;

c. Tomēr ne tikai tvaika spiediens, bet arī vienlaicīgi veiktais savstarpējais sildvirsmu

optimālais sadalījums konkrēti izvēlētajam katlam ir svarīgs priekšnosacījums

maksimālās efektivitātes nodrošinājumam, neietekmējot sākotnējās izmaksas;

d. Tvaika turbīnas cikls ar reģeneratīvo tvaika atvadi nodrošina efektīvu katla ūdens

atgaisošanu. Pateicoties tvaika cikla augstākai efektivitātei, izplūdes gāzu

temperatūras ir par +12÷15°C augstākas nekā recirkulācijas gadījumā, kā rezultātā

tiek samazināts ekonomaizera virsmas sērskābes korozijas risks. Tomēr

prognozējamais jaudas pieaugums pie vienādiem katlu augstumiem nav novērojams;

e. Izvēlētais cauruļu ribošanas veids dod iespēju vai nu samazināt katla gabarītaugstumu

līdz pat 21÷25% pie vienādas izstrādātās jaudas nosacījuma, vai arī palielināt iekārtas

relatīvo efektivitāti līdz pat ≈30%, kad katlu gabarītaugstumi ir vienādi.

3. Kad par galveno dzinēju tiek izvēlēts moderns divtaktu dīzelis, DGUS tiek inkorporēta

kuģa elektrostacijas sastāvā, un ir svarīgi pamatot tos nosacījumus, pie kuriem reģenerētā

ekonomija tiek maksimāli pilnvērtīgi un ilgstoši izmantota:

a. Lai izpildītu augstākpostulēto mērķi un nodrošinātu maksimāli iespējamo

turboģeneratora jaudas izstrādi, tiek piedāvāta matemātiskās analīzes metode, kura

balstīta uz determinētu gāzu utilizācijas dziļuma pakāpi. Rezultātā tika atrasts cits

jaunajiem nosacījumiem atbilstošs optimālais virsmu sadalījums;

b. Tiek vispusīgi pamatota tvaika spiediena izvēle, balstoties uz vēlamo utilizācijas

dziļumu un katla izmēriem;

c. Bāzes dzinēja dzesējamā ūdens siltuma izmantošana ir vēl viena alternatīva, kā

iespējami ilgstoši nodrošināt turboģeneratora autonomu darbību, tātad arī efektivitātes

maksimālu izmantošanu;

d. Atkarībā no kuģa peldēšanas rajona ir svarīgi un tika arī noteikti elektroenerģijas

deficīta lielumi, kas dod iespēju pamatot izdevīgākos un drošākos veidus tā

kompensācijai.

4. Iegūtie gāzu aizsērējuma koeficientu lielumi ir daudzsološi, jo tuvu atbilst aprēķinos

pieņemtajiem ar visai zemu mērījumu kļūdu. Turpmāk, veicot utilizācijas katlu

36

aprēķinus, būtu vēlams ņemt vērā koeficienta ε mainīgo lielumu dažādām sildvirsmām,

palielinot galarezultātu ticamību.

Disertācijas darbā iegūtie rezultāti ne tikai nodrošina pamatotu spēka iekārtu

komplektāciju, bet tiek aktualizēti turpmāko pētījumu mērķi un uzdevumi gan saistībā ar

DGUS termodinamisko saslēguma shēmu izvēli, gan pamatojot elektrostacijas komplektācijas

līmeņus, balstoties uz jau izstrādātiem datiem.

Publikācijas par disertācijas tēmu

Galvenais disertācijas saturs ir publicēts sekojošos zinātniskos darbos:

1. Cimanskis J., Zāģeris A. Optimization method of thermodynamic analysis of waste gas heat recovery circuit at fixed dimensions (height) of exhaust boiler. 9th International Conference on Traffic Science- ICTS 2005; 14

th–15

th November 2005, Grand hotel

Bernardin, Portorož, Slovenija.

2. Cimanskis J., Zāģeris A. Comparative analyse of waste gas heat recovery systems with intermediate steam extraction at limited size (height) restrictions of exhaust boiler. Proceedings of 9th International Conference. Kaunas University of Technology. Transport Means 2005. ISSN 1822-296 X. Kaunas: Technologija, 2005, p.165-167.

3. Cimanskis J., Zāģeris A. Heat Recovery possibilities for advanced slow speed diesel engine power plants. 9th Maritime Conference. Maritime Transport and Infrastructure 2007. Riga: Latvijas Jūras akadēmija, April 19-20, 2007; p.191-204.

4. Zāģeris A. Fine optimization of heat-exchange surface of a boiler in waste heat recovery systems within fixed dimensions. Latvian Journal of Physics and Technical Sciences, 3, 1999, p.40-49.

5. Zāģeris A., Cimanskis J. The steam pressure optimization for exhaust gas boiler at fixed dimensions. Scientific Proceedings of Riga Technical University. 6th ser. Transport and Engineering. Vol.18. ISSN 1407-8015. Riga: RTU, 2005, p.7-18

6. Zāģeris A., Cimanskis J. Optimization method of thermodynamic analysis of waste gas heat recovery circuit at fixed dimensions (height) of exhaust boiler. Scientific Proceedings of Riga Technical University. 6th ser. Transport and Engineering. Vol.18. ISSN 1407-8015. Riga: RTU, 2005, p.40-51.

7. Zāģeris A., Cimanskis J. Some aspects of heat recovery possibilities at low gas temperature potential. 8th Maritime Conference. Maritime Transport and Infrastructure 2006. Riga: Latvijas Jūras akadēmija, April 20-21, 2006; p.11-18.

8. Zāģeris A., Cimanskis J. Heat Recovery possibilities for advanced slow speed diesel engine power plants. Scientific Proceedings of Riga Technical University. 6th ser. Transport and Engineering. Intelligent Transport Systems. Vol.26. ISSN 1407-8015. Riga: RTU, 2008, p.28-39.

37

LITERATŪRA

1. Baily, F.G., “Steam Turbines For Advanced Combined-Cycles,” GE Power Generation Turbine Technology Reference Library Paper No. GER-3702B, 1993.

2. Buecker Bred. Basics of Boiler and HRSG Design. PennWell Publishing Company 1421 S. Sheridian Road/P.O. Box 1260, Tulsa, Oklahoma, USA, 2002, p.170.

3. Boss M. “Steam turbines for stag combined-cycle power systems”. GE Power Systems Schenectady, NY, GER-3582E, 1996 GE Company, p.24.

4. Boyce, Meherwan P. Turbine Engineering Handbook. 2nd Edition. Gulf Professional Publishing, Houston, Texas, USA, 2002, ISBN 0-88415-732-6, 799 p.

5. Brooks, F.J., “GE Gas Turbine Performance Characteristics,” GE Power Generation Turbine Technology Reference Library Paper No. GER-3567D, 1993.

6. Combined-Cycle Development Evolution and Future. David L. Chase GE Power Systems Schenectady, NY, GE Power Systems - GER-4206; 2004/01, p.18.

7. Diesel Engines and Gas Turbines in Cruise Vessel Propulsion. Horst W. Koehler, MAN B&W Diesel. Based on the author's presentation at The Institution of Diesel and Gas Turbine Engineers, London, on 17 February 2000, p.13.

8. Ganapathy V. Industrial Boilers and Heat Recovery Steam Generators. Design, Application and Calculations. ISBN: 0-8247-0814-8, by Marcel Dekker, Inc., NY, USA, 2003, p.648

9. Horloc J.H. Advanced Gas Turbine Cycles. Whittle Laboratory Cambridge, 044273-0 ELSEVIER SCIENCE Ltd., The Boulevard, Langford Lane, Kidlington, Oxford OX5 lGB, UK. ISBN 0-08-044273-0, 2003, p.203.

10. G.T.H. Flanagan. Marine Boilers, Third Edition (Marine Engineering Series). Butterworth-Heinemann, 25 Victoria Street, London SW1H OEX, England; 3 Edition (August 14, 1990), pp. 128.

11. Frank P. Incropera, David P. DeWitt, Theodore L. Bergman, Adrienne S. Lavinev. Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 6th Edition. ISBN: 978-0-471-45728-2, John Wiley and Sons, Inc., USA; September 2006, p.1024.

12. Gas turbines established as propulsion option. by Doug Woodyard. Marine Propulsions. June, 1997, 9÷11 p.

13. Kehlhofer R., Bachmann R., Nielsen H., Warner J. Combined Cycle Gas & Steam Turbine Power Plants. ISBN 0-87814-736-5; by PennWell Publishing Co., Tulsa, Oklahoma, USA, 1999, 328 p.

14. Less Emissions through Waste Heat Recovery. Heinrich Schmid. Wärtsilä Switzerland Ltd, Winterthur. Wärtsilä Corporation, April 2004, p.10.

15. Marine News, Wärtsilä Corporation, No.2 -2005, p.44.

16. Matta R.K., Mercer G.D., Tuthill R.S. Power Systems for the 21st Century – “H” Gas Turbine Combined-Cycles. GE Power Systems, GER-3935B, (10/00), p.22.

17. More gas turbine cruise ships at sea. MARINE LOG MAGAZINE. August 12, 2003.

18. Novel propulsion machinery solutions for ferries. Oskar Levander, MSc (Nav. Arch.), Wärtsilä Corporation - Ship Power, Finland, 2004, p.18.

38

http://www.amazon.com/s/ref=si3_rdr_bb_author/105-8505679-6299629?index=books&field%2dauthor%2dexact=Brad%20Buecker

http://www.amazon.com/Basics-Boiler-Hrsg-Design-Buecker/dp/0878147950/ref=si3_rdr_bb_product/105-8505679-6299629

http://www.amazon.com/exec/obidos/search-handle-url/105-8505679-6299629?%5Fencoding=UTF8&search-type=ss&index=books&field-author=G%20T%20H%20FLANAGAN

http://eu.wiley.com/WileyCDA/Section/id-302479.html?query=Frank+P.+Incropera

http://eu.wiley.com/WileyCDA/Section/id-302479.html?query=David+P.+DeWitt

http://eu.wiley.com/WileyCDA/Section/id-302479.html?query=Theodore+L.+Bergman

http://eu.wiley.com/WileyCDA/Section/id-302479.html?query=Adrienne+S.+Lavine

http://www.marinelog.com/

19. Ozisik M.N. Heat Transfer: A Basic Approach. McGraw-Hill Education (ISE Editions); International Ed edition, ISBN- 0070664609, 1985, 800 p.

20. Process modeling and design of shell and tube heat exchangers. John E. Edwards. UK CHEMCAD Seminar –October 2001, p.23.

21. Propulsion Trends in Container Vessels. MAN Diesel A/S, Copenhagen, Denmark, 19/01/2005, p.16.

22. Research and Development of Gas Turbine for Next-Generation Marine Propulsion System (Super Marine Gas Turbine). Masashi ARAI, Takao SUGIMOTO, Kiwamu IMAI, Hiroshi MIYAJI, Kenichi NAKANISHI, and Yasuyuki HAMACHI. International Gas Turbine Congress 2003 Tokyo November 2-7, 2003, p.7.

23. Rolf Bachmann, Henrik Nielsen, Judy Warner, Rolf Kehlhofer. Combined - Cycle Gas & Steam Turbine Power Plants. PennWell Publishing Company 1421 S. Sheridian Road/P.O. Box 1260, Tulsa, Oklahoma, USA, Aug 1999, p.288.

24. Sadik Kakaç, Yaman Yener. Convective Heat Transfer, Second Edition. CRC Press LLC; 2 Edition, December 16, 1994, p.432.

25. Superconductivity Web21. Superconducting Industry – Transport Equipment Technology – Prospects for Electric Propulsion Ships. Tetsuji Hoshino, Deputy Chief Researcher Nagasaki Research & Development Center Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Published by International Superconductivity Technology Center; July 17, 2007, p.2.

26. Sulzer RTA48T and RTA58T Diesel Engines. Engine Selection and Project Manual. Issue June 1995. p.172.

27. Thermo Efficiency System (TES) for Reduction of Fuel Consumption and CO2 Emission. MAN Diesel A/S, Copenhagen, Denmark, 19/07/2005, p.12

28. WÄRTSILA VASA 46. Really Reliable Propulsion Power. Project Guide for Marine Application. Wartsila Diesel Oy Turku Factory Stalarminkatu 45 SF-20810 TURKU FINLAND, p.133, 1994.

29. Year Book 2005: Progress of Marine Engineering Technology in the year 2004 - Translated from Journal of the JIME Vol.40, No.4 (2005) – (Original Japanese).

30. Бажан П.И., Каневец Г.Е., Селиверстов В.М. Справочник по теплообменным аппаратам. М., Машиностроение, 1989; 365 с.

31. Быстров П.Г. Разработка и исследование перспективных конвективных поверхностей нагрева паровых котлов. Автореферат диссертации на соискание уч.степени к.т.н., Ленинград, 1981, 21 с.

32. ВНТО им. Акад. А.Н.Крылова. Тезисы докладов на Всесоюзной Научно-Технической конференции «Актуальные проблемы технического прогресса судовых турбинных установок». Л.: Судостроение, 1989,136 с.

33. Вудворд Дж. Морские газотурбинные установки. Л.: Судостроение, 1979, 358 с.

34. Гартвиг В.В., Литаврин О.Г., Плискин Г.М. Расширенные испытания ГТУ судна «Капитан Смирнов». Судостроение, №1, 1983, 14-17с.

35. Дементъев К.С., Романов В.А. и др. Проектирование судовых парогенераторов. Л.: Судостроение, 1986, 336 с.

36. Дикий Н.А. Судовые газопаротурбинные установки. Л.: Судостроение, 1978, 250 с.

39

http://www.manbw.com/article_004672.html


http://www.amazon.com/s/ref=si3_rdr_bb_author/105-8505679-6299629?index=books&field%2dauthor%2dexact=Rolf%20Bachmann

http://www.amazon.com/s/ref=si3_rdr_bb_author/105-8505679-6299629?index=books&field%2dauthor%2dexact=Henrik%20Nielsen

http://www.amazon.com/s/ref=si3_rdr_bb_author/105-8505679-6299629?index=books&field%2dauthor%2dexact=Judy%20Warner

http://www.amazon.com/s/ref=si3_rdr_bb_author/105-8505679-6299629?index=books&field%2dauthor%2dexact=Rolf%20Kehlhofer

http://www.amazon.com/Combined-Cycle-Steam-Turbine-Plants/dp/0878147365/ref=si3_rdr_bb_product/105-8505679-6299629

http://www.amazon.com/Combined-Cycle-Steam-Turbine-Plants/dp/0878147365/ref=si3_rdr_bb_product/105-8505679-6299629

http://www.amazon.com/exec/obidos/search-handle-url/105-8505679-6299629?%5Fencoding=UTF8&search-type=ss&index=books&field-author=Sadik%20Kaka%C3%A7

http://www.amazon.com/exec/obidos/search-handle-url/105-8505679-6299629?%5Fencoding=UTF8&search-type=ss&index=books&field-author=Yaman%20Yener


37. Енин В.И., Денисенко Н.И., Костылев И.И. Судовые котельные установки. - М: Транспорт, 1993, 216 с.

38. Жаров Г.Г., Венцюлис Л.С. Судовые высокотемпературные газотурбинные установки. Л.: Судостроение, 1973, 275 с.

39. Иллиес К. Судовые котлы. Т.3. Расчет. Л.: Судостроение, 1964, 672 с.

40. Камкин С.В., Возницкий И.В., Большаков В.Ф. и др. Эксплуатация судовых дизельных энергетических установок. М.: Транспорт, 1996. 432 с.

41. Курзон А.Г., Юдовин Б.С. Судовые комбинированные энергетические установки. Л.: Судостроение, 1981, 213 с.

42. Лазарев В.В., Ланда Л.Е., Литаврин О.Г., Туснаков А.М. Совершенствование эксплуатации теплоутилизационного контура энергетической установки судов типа «Капитан Смирнов». М.: Мор.Тр-т, Техн. Экспл. Флота, 23 (571), 1983, 7-16 с.

43. Левченко Г.И., Лисейкин И.Д., Копелиович А.М., Мигай В.К., Назаренко В.С.. Оребрённые поверхности нагрева паровых котлов. Энергоатомиздат, 1986; 168 с.

44. Маслов В.В. Утилизация теплоты судовых дизелей. Транспорт, 1990; 144 с.

45. Розенберг Г.Ш. и др. Техническая эксплуатация судовых газотурбинных установок. М.: Транспорт, 1986. 222 с.

46. Свикис Г.А., Эглайс В.О.. Алгоритм многомерной оптимизации на основе информативного планирования экспериментов. Вопросы динамики и прочности, №41, Анализ и синтез в динамике механических систем. ISSN 0321-236Х. Рига, Зинатне, 1983, с.3-9.

47. Тепловой расчет котлов. Нормативный метод. Изд.третье переработанное и дополненное. НПО ЦКТИ. Санкт-Петербург, 1998, 256 с.

48. Фраас А., Оцисик М. Расчет и конструирование теплообменников. М: Атомиздат, 1971, 380 с.

49. ЦНИИМФ, ЛВИМУ. Комплексные системы глубокой утилизации тепла на судах ММФ с двигателями с постянным давлением наддуваю Технико-эксплуатационное требования. РД 31.27.28-82, Л.: ММФ, 1983, 17 с.

40

RĪGAS TEHNISKĀ UNIVERSITĀTE LATVIJAS JŪRAS AKADĒMIJA Arnis...

Documents

Transcript of RĪGAS TEHNISKĀ UNIVERSITĀTE LATVIJAS JŪRAS AKADĒMIJA Arnis...