Водоаміачні термотрансформатори

Размещено на http://allbest.ru

ОДЕСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 536.621.57

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

ВОДОАМІАЧНІ ТЕРМОТРАНСФОРМАТОРИ

Спеціальність: 05.14.06 -

Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

МОРОЗЮК Тетяна Владиленівна

Одеса - 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Одеській держаній академії холоду Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант Доктор технічних наук, професор,НІКУЛЬШИН Руслан Костянтинович, Одеська державна академія холоду, професор кафедри холодильних і компресорних машин

Офіційні опоненти

Доктор технічних наук, професор ЛАВРЕНЧЕНКО Георгій Костянтинович,професор кафедри кріогенної техніки Одеської державної академії холоду;

Доктор технічних наук, професор СТАТЮХА Генадій Олексійович, зав. кафедрою кібернетики хіміко-технологічних процесів Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”;

Доктор технічних наук, професор СУРІН Сергій Модестович, професор кафедри парових котлів та атомних енергетичних установок Одеської державної морської академії

Провідна установа - Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, м. Харків

Захист відбудеться “ 20 ” вересня 2001 року о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.41.052.04 у Одеському державному політехнічному університеті Міністерства освіти і науки України, за адресою 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1, ОДПУ, корп. 10, ауд. 22.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеського державного політехнічного університету за адресою 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1, ОДПУ.

Автореферат розісланий " 17 " серпня 2001 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Кравченко В.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми

Зміна економічної ситуації в Україні викликала зміну політики в області виробництва і споживання енергії.

Використання теплоти, що безкорисливо втрачається в різних галузях промисловості, насамперед в енергетиці, дуже істотна.

Проблема енергозбереження як самостійна задача, так і в контексті використання поновлюваних і нетрадиційних джерел енергії, стала однією з найбільш важливих.

Вона нерозривно пов'язана з екологічною проблемою. Пріоритет віддається заходам і рішенням, що можуть привести до максимальної економії при мінімальних витратах.

Дисертаційна робота спрямована на впровадження в Україні одного з найбільш перспективних напрямків в енергозбереженні - використанні екологічно чистих систем малої енергетики, здатних:

трансформувати теплові потоки шляхом утилізації вторинних енергоносіїв як приводну енергію;

відновлювати температурний потенціал теплоти і повертати цю теплоту (втрачену раніше беззворотно) у технологічний обіг;

одержувати більший корисний ефект при скороченні витрати первинних джерел енергії на привод термотрансформатора.

Застосування водоаміачного розчину (екологічно чистої робочої речовини) дозволяє використовувати у будь-якому типі термотрансформаторів різні види первинної енергії, причому теплоту - в широкому температурному діапазоні, що для традиційних систем великої енергетики є неможливим.

При удосконалюванні енергоперетворюючих систем шляхом підвищення оборотності процесів виробництва і трансформації теплоти можна заощадити велику частину теплоти, що втрачається нині.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Дисертацію виконано в рамках наукової роботи кафедри холодильних і компресорних машин ОДАХ: “Розробка і дослідження методів підвищення ефективності холодильних машин і впровадження ресурсозберігаючих технологій виробництва холоду”, що є складовою частиною наукових програм в ОДАХ: ВІК 94/10 “Розробити турбохолодильні машини для АПК на базі використання повторних енергоресурсів” (НДР 0194U015355); МК 97/13 “Дослідження та прогноз теплофізичних властивостей речовин у широкому інтервалі параметрів, включаючи області фазових переходів першого і другого роду” (НДР 0197U010049); МВ 00/10 “Розробка методів енергозбереження та створення обладнення, яке забезпечить удосконалення (надійність, економічність) технологічних систем АПК (НДР 0100U003729).

Мета і задача дослідження

Метою дослідження є створення загальної теорії аналізу, синтезу та оптимізації водоаміачних термотрансформаторів.

Для досягнення мети були поставлені задачі:

розробити методологію застосування сучасних методів прикладної термодинаміки для дослідження термотрансформаторів, що працюють по зворотних і змішаних циклах;

розробити експрес-методи ексергетичної оцінки для водоаміачних термотрансформаторів;

розробити методики оцінки впливу необоротних втрат у термінах прикладної термодинаміки;

розробити методики використання ациклічних графів у задачах оптимізації абсорбційних термо-трансформаторів.

Обєкт дослідження - термотрансформатори, що працюють по зворотних і змішаних термодинамічних циклах;

Предмет дослідження - водоаміачний розчин як робоча речовина для будь-яких типів термотрансформаторів, що працюють по зворотних і змішаних термодинамічних циклах;

Методи дослідження:

методи сучасної прикладної термодинаміки, що базуються на термоекономіці, використано для аналізу і оптимізації схемно-циклових рішень водоаміачних термотрансформаторів, що працюють по зворотних і змішаних термодинамічних циклах;

теоретико-графовий метод математичного моделювання для формулювання і рішення будь-яких оптимізаційних задач для водоаміачних термотрансформаторів, що працюють по зворотних і змішаних термодинамічних циклах.

Наукова новизна одержаних результатів

Розроблені теоретичні основи і методи аналізу, синтезу й оптимізації термодинамічних циклів, топологічної структури й апаратурно-технологічного складу устаткування, схем і процесів водоаміачних термотрансформаторів будь-якого типу і призначення.

Наукові положення, що захищаються в роботі:

Наукові положення як узагальнені підсумкові тези найбільш істотних наукових результатів, одержаних у роботі, можуть бути сформульовані в такому вигляді:

1. Метод суміщення циклу-зразка Карно в єдиний термодинамічний цикл “Карно-Карно” (розроблений В.С.Мартиновським, стосовно до задач опріснення морських, засолених і сточних вод промислових стоків і Г.Стірліним, стосовно до найпростіших абсорбційних холодильних машин) може бути узагальнений і розширений для всієї галузі трансформації теплоти шляхом суміщення різних циклів-зразків, що найбільш подібні до реальних процесів (наприклад, цикл Лоренца з регенерацією теплоти), що дозволяє найбільш вірогідно визначати ступінь термодинамічної досконалості дійсного циклу термотрансформатора будь-якого типу, коректно проводити термодинамічний аналіз, давати термоекономічний опис схем і поелементного складу в термінах сучасної прикладної термодинаміки з виходом на рахунок у реальному інтервалі часу ЕОМ, у тому числі в системі САПР-термотранс.

2. Викладання ентропійно-циклового методу як основи аналізу в термінах сучасної прикладної термодинаміки у сукупності з побудовою математичної моделі на графах спеціального типу (потокових, точок зчленування, деревах) створює необхідні і достатні умови для проведення системного аналізу, синтезу й оптимізації топологічної структури при неперервних зовнішніх і дискретних конструктивних параметрах схем (складу по устаткуванню й апаратурно-технологічному виконанню) термотрансформаторів будь-якого типу, що використовують різні робочі речовини (і їх суміші) і відповідають оптимальним енергетичним, економічним та екологічним вимогам.

Практичне значення одержаних результатів

Автором дисертації розроблено і науково обґрунтовано інженерний інструментарій, що дозволяє практикам-проектувальникам енергетичного устаткування як на етапі проектування, так і на етапі передпроектних розробок вибирати оптимальне рішення за структурою та елементним складом водоаміачних термотрансформаторів та енергозберігаючих систем з ними, придатних для використання в системі САПР-термотранс.

Особистий внесок здобувача

Автором вперше:

надано термодинамічний аналіз водоаміачних термотрансформаторів усіх типів “методом циклів”;

розширено початковий етап “методу циклів” для абсорбційних термотрансформаторів - вибір оборотного циклу-зразка;

розроблено узагальнену класифікацію всіх типів водоаміачних термотрансформаторів;

розроблено теорію аналізу, синтезу та оптимізації термотрансформаторів, що працюють по зворотних і змішаних термодинамічних циклах, у термінах сучасної прикладної термодинаміки;

розроблено теорію зверненої ректифікації для будь-яких типів абсорбційних термотрансформаторів;

розроблено методи теорії ациклічних графів для рішення задач оптимізації абсорбційних і гібридних термотрансформаторів.

Внесок Морозюк Т.В. у роботи, що написані у співавторстві надано у списку публікацій наприкінці автореферату.

Апробація результатів дисертації

Основні результати досліджень оприлюднені на:

International Symposium of IIR/IIF (офіційна абревіатура Міжнародного Інституту Холоду - International Institute of Refrigeration/Institute International du Froid, Paris, France) “New application of refrigeration to fruit and vegetables processing” Istanbul, Turkey, 1994;

60-ой учебно-методической и научно-технической конференции ОГАХ, Одесса, 1995;

Международной конференции “Экология-95”, Одесса, ОГАХ, 1995;

IV, V съезде АВОК (Ассоциации инженеров по вентиляции, отоплению и кондиционированию), Москва, Россия, 1995, 1996;

Національній конференції “Управління енерговикористанням”, Київ, Україна, 1995;

19-th (Haag, Netherlands, 1995) and 20-th (Sydney, Australia, 1999) International Congress (IIR/IIF) of Refrigeration;

II-ой Международной теплофизической школе “Повышение эффективности теплофизических исследований технологических процессов промышленного производства и их методологическое обеспечение”, Тамбов, Россия, 1995;

Международной науч.-техн. конференции “Холод и пищевые производства”, С-ПАХПТ, С.-Петербург, Россия, 1996;

2-nd and 3-rd International “Gustav Lorentzen” - Conference of IIR/IIF (Aarhus, Denmark, 1996; Oslo, Norvegy, 1998); International Conference of IIR/IIF “Research, Design and Construction of Refrigeration and Air Conditioning Equipment in Eastern European Countries”, Bucharest, Romania, 1996;

International Conference of IIR/IIF “Les pompes а chaleur а ab-sorption”, Montreal, Canada, 1996;

“5-th International Energy Conference”, Toronto, Canada, 1996;

International Symposium on Advances in Computational Heat Transfer, Cesme, Turkey, 1997;

Международной научно-технической конференции “Повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов в АПК”, Минск, Беларусь, 1997;

International Conference of IIF/IIR “Refrigeration utilization for transportation in hotclimate areas”, Astrakhan, Russia, 1997;

International Symposium of IIF/IIR “Air Conditioning in high rise buildings'97”, China, Shanghai, 1997;

1-st International Conference on Energy and the Environment, Limassol, Cyprus, 1997;

10-th and 11-th International Conferences on thermal engineering and thermogrammetry (THERMO-1997, THERMO-1999), Budapest, Hungary, 1997, 1999;

International Conferences on Solar Energy at High Latitudes (“NORTH SUN'97” Espoo-Otaniemi, Finland, 1997 and “EURO SUN'98”; Portoz, Slovenia, 1998);

Международной научно-технической конференции “Энергосбережение в сельском хозяйстве”, Москва, Россия, 1998;

Seminaires “EUROTHERM N.2” (Roma, Italy, 1996), “EUROTHERM N.53” (Mons, Belgium, 1997) and “EUROTHERM N.59” (Nancy, France, 1998);

13-th and 14-th International Congresses of Chemical and Process Engineering (“CHISA-98”, “CHISA-2000”), Praha, Czech Republic, 1998 and 2000;

International Conference of IIR/IIF “Advances in the Refrigeration Systems, Food Technologies and Cold Chain”, Sofia, Bulgaria, 1998;

Conference on Process Integration, Modeling and Optimization (PRESS'99), Budapest, Hungary, 1999;

2-ої Міжнародної науково-практичної конференції “Проблеми економії енергії”, Львів, Україна, 1999;

Международной конференции “Холодильная техника. Проблемы и решения”, Астрахань, Россия, 1999;

Международной конференции “Проблемы промышленной теплотехники”, Киев, Украина, 1999;

Международной научно-практической конференции “Региональные проблемы энергосбережения в производстве и потреблении энергии”, Киев, Украина, 1999;

Международной научно-технической конференции “Проблемы создания новых машин и технологий”, Кременчуг, Украина, 2000.

Публікації

Результати дисертації опубліковано у 71 науковій праці, з них:

у спеціальних періодичних виданнях, визнаних ВАК України - 33;

патентів - 1;

монографій (навчальних посібників) - 2;

повних текстів доповідей - 21;

тез - 14.

Самостійних - 17 (10 - основних публікацій; 3 - повних текстів доповідей; 4 - тези).

Структура й обсяг дисертації

Дисертація складається з вступу, 7 розділів, висновків, списку використаних джерел, що включає 213 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

Розділ 1. Сучасні методи прикладної термодинаміки в аналізі, моделюванні, оптимізації і синтезі термотрансформаторів

У техніці термотрансформаторів, що працюють по зворотних і змішаних термодинамічних циклах, класичні методи термодинамічного аналізу широко відомі і застосовані для всіх типів машин. Найбільш відомими в цьому напрямку варто визнати роботи В.С.Мартиновського, Л.М.Розенфельда, Б.М.Блієра, Б.А.Мінкуса, В.М.Бродянського, Szargut J. (Польща), G.Alefeld (Німеччина), P.LeGoff (Франція) та ін. Однак апарат класичної термодинаміки виявляється недостатнім для рішення ряду практичних та оптимізаційних задач. Виникла насущна потреба в його розвитку і поєднанні з елементами системного підходу. Методи класичної термодинаміки за останні 25 років одержали новий розвиток - прикладну термодинаміку. З усієї чисельності методів сучасної прикладної термодинаміки автор вибрав і розвив у застосуванні до термотрансформаторів, що працюють по зворотних і змішаних циклах, тільки ті, які здатні найбільше яскраво і чітко надати результати аналізу, синтезу та оптимізації.

Розглянемо теоретичний АТТ як набір основних теплообмінних апаратів: генератор, абсорбер, конденсатор і випарник. АТТ може функціонувати в 3-х режимах , первинною енергією є високопотенційна теплота, підведена до генератора - Q_Г.

На підставі Першого закону термодинаміки енергетичний баланс для цілком оборотного АТТ має вигляд

Q_Г + Q_О = Q_А + Q_К .

Для визначення ефективності в термінах ексергії величина СОР буде перетворена в СОE (COР_ЕХ), при заміні Q_i EX(Q_i)

Якщо кожному потоку енергії (ексергії) привласнити “вартість”, то виникає баланс вартості АТТ

Z(Q_Г) + Z(Q_О) = Z(Q_А) + Z(Q_К).

Визначення ефективності по двох критеріях одночасно СОЕ+COV - є сферою інтересів термоекономіки (ексергоекономіки). Теорія ексергетичної вартості базується на постулаті вартісної рівності різних ексергетичних ресурсів.

Для розгляду дійсного АТТ виділимо “початок” та “кінець” технологічного циклу виробництва корисного ефекту.

Кожен процес супроводжується внесками (E_iK_i) і втратами (П_i). Величини E_iK_i і П_i у термінах прикладної термодинаміки можуть бути виражені економічними та ексергетичними категоріями.

Для дійсного АТТ енергетичний і ексергетичний баланси перетерплять однакові за формою зміни

(Q_Г + Q_Г ) + Q_О = Q_А + Q_К

чиЕХ(Q_Г + Q_Г ) + ЕХ(Q₀) =ЕХ(Q_А) +ЕХ(Q_К),

однак вартісний баланс враховує різницю в тарифах, тому

Z(Q_Г) + Z(Q_Г) Z(Q_Г+Q_Г)

Таким чином термоекономіка надає найкоротший шлях постановки і рішення оптимізаційних задач. Автором розглянуті концепції оптимізації, застосовувані винятково до складних термотрансформаторів у вигляді теорем: “про- і анти-”, “часткових витрат” і “технічної функції”. Доведені докази можливості їхнього застосування до водоаміачних термотрансформаторів будь-яких типів. Автор також доводить, що підбір інформації необхідно здійснювати відповідно до теорії формалізму Джейнса для мінімізації впливу її “розкиду” на результати оптимізації.

У роботі показано, що сучасна оптимізація на будь-якому рівні є багатокритеріальною (на макрорівні - трьохкрітериальною: термодинаміка - економіка - екологія), у зв'язку з чим необхідно впровадити коректний вибір методу математичного моделювання, а саме, що методи, в основі яких лежить диференціальне числення, не можуть бути використаними як основний математичний апарат у моделюванні водоаміачних термотрансформаторів, що працюють по зворотних і змішаних циклах, тому що основна умова застосування - диференціюмость функції у всіх точках - не виконується через дискретність утворення схемних рішень.

Неопуклість термоекономічної функції може привести до помилкових результатів (визначенню локального мінімуму), а громіздкість визначення термодинамічних і теплофізичних властивостей водоаміачного розчину значно збільшує розмірність задачі. Крім того описуваними методами неможливо вирішити задачі, у яких функція оптимізації - це вибір схемного рішення.

З'єднання в АТТ двох термодинамічних циклів (прямого і зворотного) дає можливість переносити елементи розробленої автором теорії на термотрансформатори, що працюють по зворотним, прямим, змішаним, комбінованим і гібридним термодинамічним циклам.

Розділ 2. Функціональний опис і класифікація водоаміачних термотрансформаторів

Удосконалювання процесів і ускладнення техніки завжди вимагають системності в знаннях. У зв'язку з цим питання класифікації займають значне місце в постановці задачі дослідження і синтезу топологічної структури в обраній предметній області. Для побудови класифікації автор вибирає одну з формальних ознак патентознавства - “за пристроєм”, що дозволяє застосувати класифікацію як до підвищувальних, так і понижуючим термо-трансформаторів. Кожен абсорбційний термотрансформатор умовно може бути розподілений на:

“основний процес” (конденсатор, дросельний вентиль, випарник, а також віддільники рідини і теплообмінні апарати на лінії холодильного агента;

термохімічний компресор (генератор, абсорбер, дросельний вентиль і насос, а також будь-які тепло- і масообміні апарати на лініях міцного і слабкого розчинів). Різноманітність схемних рішень водоаміачних АТТ є наслідком удосконалювання лише термохімічного компресора.

Автор пропонує 13 етапів у побудові класифікації. Ключ класифікації: великими літерами позначені елементи, нижніми індексами - їхня кількість.

Розглянемо кожен етап і можливі варіанти в ньому:

Етап I: кількість конденсаторів завжди відома - один (КД₁). Незважаючи на будь-яку кількість генераторів, тільки один з них є основним, у якому тиск Р_Г=Р_КД;

Етап II-IV: максимальна кількість ступенів розширення (ДВ₄) може відповідати максимальній кількості випарників (И₄). Наявність віддільника рідини необов'язкова (ОЖ₀) і в загальному випадку на одиницю менше кількості випарників (ОЖ₃);

Етап V: регенеративний теплообмінник агента може бути цілком відсутнім (А-РТО₀) у “основному процесі”, а може доповнювати кожен випарник (А-РТО₄);

Етап VI: наявність компресора після випарника (КМ₁) для компресорних і гібридних термотрансформаторів чи відсутність (КМ₀) компресора для АТТ;

Етап VII: відсутність абсорбера (А₀) передбачається тільки в КТТ. Усі можливі випадки А₂…А₄ - АТТ з розширеною зоною дегазації і гібридні АКТТ;

Етап VIII: Звернена ректифікація і матеріальна регенерація - альтернативні варіанти одного рівня ієрархії. Випадок Р₀ відповідає МР₀;

Етап IX: наявність (Р-РТО₁) чи відсутність (Р-РТО₀) регенеративного теплообмінника розчину на лінії між генератором і абсорбером;

Етап X: відсутність генератора (Г₀) передбачається для КТТ. Для К(Т)ТТ генератор присутній у схемі прямого цикла. Усі можливі випадки Г₂…Г₄ - АТТ з розширеною зоною дегазації і гібридні АКТТ;

Етап XI: вибір системи ректифікації для АТТ: ректифікація без дефлегмації (Р₁), ректифікатор з дефлегматором, охолоджуваним зовнішнім середовищем (Р₂); сумісна ректифікація-дефлегмація з тепло- і масообміном міцного розчину (Р₃). При розгляді КТТ - Р₀;

Етап XII: наявність (КМ₁) чи відсутність (КМ₀) компресора до конденсатора. КМ₁ відповідає АКТТ (альтернатива етапу VI) чи 2-х ступеневим КТТ;

Етап XIII: наявність турбіни для гібридних АТТ (Т₁) чи її відсутність (Т₀)

Максимальний елементний склад водоаміачних термотрансформаторів - 46. Автор пропонує класифікацію у вигляді “дерева рішень”. Тоді кількість схемних рішень має бути 1410121477118101784=1,5810¹¹. Не усі вони є раціональними (у зв'язку з чим розглядати їх усіх як взаємно альтернативні недоцільно). У такій кількості варіантів раціонально визначати локальні максимуми в розглянутому класі схемних рішень.

Розділ 3. Схеми і цикли водоаміачних термотрансформаторів

Розглянемо основні і найбільш перспективні напрямки у схемно-циклових рішеннях. Водоаміачний розчин є альтернативною робочою речовиною для КТТ, що споживають як механічну енергію, так і теплоту (К(Т)ТТ).

Схемні рішення водоаміачних КТТ принципово не відрізняються від термотрансформаторів, з однокомпонентною робочою речовиною, однак процеси мають особливості, що є напрямками наукового пошуку автора, і визначають кількість схемно-циклових рішень: концентрація робочої речовини постійна у всіх елементах КТТ; фазові переходи відбуваються при перемінних температурах; вихід з випарника вологої пари; малі ступені підвищення тиску в компресорі; можливість поділу вологої пари на пару і рідину з наступним змішанням; широка можливість здійснення регенеративного теплообміну. У роботі створені схемно-циклові рішення двоступеневих КТТ та К(Т)ТТ, що працюють по циклі Чистякова-Плотнікова. Кількість схемних рішень КТТ і К(Т)ТТ, виходячи з принципу “за пристроєм” складе 234522224212=30720.

Гібридні АКТТ автор розглядає як окремий випадок АТТ з розширеною зоною дегазації. Основні напрямки в розвитку АКТТ при включенні механічної компресії послідовно з термохімічною є:

випадок низьких значень

КД₁-ДВ₁-И₁-А₁(Н₁)-Г₁(ДВ₁)-КМ₁;

випадок високих значень

КД₁-ДВ₁-И₁- КМ₁-А₁(Н₁)-Г₁(ДВ₁)

Можливо створення схемно-циклових рішень АКТТ без витрати електричної енергії для приводу компресора. У цьому випадку АКТТ складаються з 3 контурів: головного (термо-хімічна компресія); компресійного (механічна компресія) і додаткового, у якому створюється робота для приводу компресора. Кожен контур працює по своєму циклі. Кількість варіантів схем гібридних 3-х контурних АКТТ складає 121244124864=98304.

Процеси абсорбції і генерації можуть бути наближені до ізотермічних, а зона дегазації термохімічного компресора розширеною при створенні ступенів в абсорбері і генераторі. Докладно розглянемо АТТ з багатоступеневою абсорбцією.

Теплота абсорбції може бути мінімізована шляхом зменшення зовнішніх необоротних втрат, тобто лінія абсорбції 3_I-3_II-4_I-4_II-3_III-4_III-3_IV-4_IV повинна бути еквідістантною до ізотерми середовища, що охолоджує (T_ср) для розглянутого i-го ступеня абсорбції.

Значення Q_A може дорівнювати нулю, це значить, що абсорбція відбувається в зоні адіабатної стабілізації.

Можлива кількість схемних рішень АТТ з ступеневою абсорбцією, розширеною зверненою ректифікацією складе 1234432244621=221184.

Характерною рисою проведення ректифікації є співвідношення між міцним розчином (F) і парою, що проходить ректифікацію (D). Оптимальним режимом проведення процесу ректифікації-дефлегмації є рівність повних потоків F=D, що замінена F=D для умов протилежного току та не відповідає первісній умові паралельності конод. Отже, випадок F=D супроводжується малою тепловтратою, але достатньою для того, щоб вважати процес власне ректифікації ізоентропним. Величини q_i^Р відповідають теплоті дефлегмації. При цьому послідовне зменшення q_i^Р від ₁ до 5 супроводжується збільшенням температури частини міцного розчину від точки 4 до точки 1.

Дотримуючись принципу ректифікації з точністю до “навпаки” сформулюємо для зверненої ректифікації: звернена ректифікація можлива лише у тому діапазоні концентрацій, де ізотерми проходять крутіше відповідних конод. Для зверненої ректифікації також характерним є протилежний тік, тому дотримується рівність F=D.

Для використання Ponchon-методу як вісь приведених ентальпій обрано концентрацію укріпленого міцного розчину на виході зі зверненого ректифікатора (_R*). Величина q_i^ОР є теплотою зверненої ректифікації, а її розмір - основним питанням теорії зверненої ректифікації.

Звернена ректифікація в підвищувальному АТТ відбувається вище Т_СР, тому теплота зверненої ректифікації q_i^ОР компенсується неідеальністю ізоляції і наявністю постійного потоку “холодного” агента з випарника (для підвищувального АТТ температурний рівень випарника має високу температуру Т_ГОР, але вона нижча за температуру абсорбції Т_ГОР).

Звернена ректифікація в понижуючому АТТ відбувається нижче Т_СР, тому неідеальність ізоляції сприяє додатковому теплопритоку в звернений ректифікатор. Постійний потік холодної пари з випарника не може компенсувати великі значення q_i^ОР.

Проведення зверненої ректифікації винятково адіабатним шляхом може забезпечити збільшення концентрації укріпленого розчину еквівалентне зменшенню температури середовища, що охолоджує, на кілька градусів. Таким чином, наявність охолодження зверненого ректифікатора в понижуючому АТТ є необхідною умовою, а достатньою - охолодження середовищем з температурою нижче за Т_СР.

Автор констатує, що з використанням Ponchon-методу як інструмента проведення термодинамічного аналізу стало можливим винятково теоретичним шляхом визначити умови проведення процесу зверненої ректифікації в різних типах АТТ.

При наявності зверненого ректифікатора в схемі АТТ функцію охолодження дефлегматора буде здійснювати укріплений розчин після зверненого ректифікатора, тоді величина _R* задається, виходячи з умов забезпечення високої якості проведення процесу ректифікації-дефлегмації - рис.10, а саме, міцний донасичений розчин завдяки теплопередачі буде підігрітий у дефлегматорі до точки 11 і h-h₅ = h₁₁-h₁₀.

Оптимальний режим процесу донасичення міцного розчину на циклі описує крива “S”. Належність точки 10 кривої “S” забезпечується умовами: необхідним - задовольняє рівності повних теплоємностей потоків при оборотному регенеративному теплообміні в дефлегматорі; достатнім - забезпечується охолодженням зверненого ректифікатора з Т_СР<Т_СР, тобто використанням частини корисної холодопродуктивності. Пара агента, що утворилася в змійовику охолодження зверненого ректифікатора (_D1) повинна бути повернутою в “основний процес”. Найефективнішим засобом є термохімічний стиск.

При організації системи повернення в основний процес пари агента, що утворилася в змійовику охолодження зверненого ректифікатора, кількість схемних рішень збільшиться до 234454244621=1474560.

У завершення констатуємо, що тепловикористуючі термотрансформатори мають незрівнянно більшу кількість варіантів схемно-циклових рішень, ніж термотрансформатори з механічному компресією. Це і викликає пильний інтерес автора саме до цього типу водоаміачних термотраснформаторів.

Розділ 4. Термодинамічний аналіз водоаміачних термотрансформаторів

Метод порівняльної оцінки термодинамічних циклів компресорних машин з однокомпонентною робочою речовиною, запропонований R.Plank і розвинений В.С.Мартиновським і Л.З.Мельцером, полягає в послідовному перетворенні оборотного циклу-зразка (циклу Карно) в теоретичний і далі в дійсний цикл.

Цей метод для спеціальних типів холодильних машин розглянули G.Stierlin, N.Eber, M.Pons та сформували цикл-зразок з двох з'єднаних циклів Карно. Автор подає свою версію “методу циклів” для різних типів водоаміачних термотрансформаторів. Основа “методу циклів”, запропонованого автором, є розширенні етапу I - вибору оборотного циклу-зразка, найбільш подібного до дійсного циклу. З цією метою розглянуто оборотні цикли: “цикл Лоренца”, “узагальнений цикл Карно” і як їхнє спільне рішення - “узагальнений цикл Лоренца”.

У кожному термотрансформаторі мають місце необоротності: зовнішня - у процесі теплообміну з зовнішніми джерелами енергії при наявності кінцевої різниці температур; внутрішня - у процесі розширення (дроселювання); внутрішня - у процесі стиску в компресорі (механічному чи термохімічному).

Ефективність будь-якого КТТ розглянемо як ефективність циклу-зразка, “погіршену” наявністю необоротностей, кількісно описуваних q_o і l. Ускладнюємо “метод циклів”, застосо-вуючи його до водоаміачного розчину (розчинної суміші), тоді для кожного типу КТТ при 0<_t <1

У такому контексті мають бути запроваджені два напрямки в термодинамічному аналізі:

урахування теплоти фазового переходу r=( ,Т_О); урахування величини теплоємностей холодної рідини, насиченої рідини та пари, вологої та перегрітої пари.

Продемонструємо “метод циклів” для водоаміачного одноступеневого КТТ при виборі “узагальненого циклу ЛоренцаI.

Етап I - введення зовнішньої необоротності.

Функції

_СТС =(Т₀) і _СТС=(Т_КД)

монотонно зростаючі, тобто оптимізація Т₀ і Т_КД не є задачею класичної термодинаміки. Результат термоекономічного аналізу вказав, що задачі оптимізації Т₀ і Т_КД не є взаємозалежними.

Етап II - перехід до реальної робочої речовини та аналіз регенерації між рідиною і вологою парою, що переходить у перегріту: необхідна умова - пл.a43b=пл.c61d; достатня умова (оборотність) - еквідистантність лінії процесів 3-4 і 6-1. Видно, що навіть у теоретичному випадку Т₁ не може бути вище T_K^min, що вимагає обов'язкового адіабатного стискування пари до тиску, що відповідає T_K^max.

Етап III- заміна неізотермічних ділянок процесів ізобарними.

Етап IV - облік зовнішніх необоротностей на “холодному” і “гарячому” кінцях РТО: пл. a43b = пл. c61d і необоротність стиску в компресорі. Аналіз внутрішніх необоротностей у КТТ показав, що зріст ентропії у процесі стиску для водоаміачного розчину менший, ніж для аміаку; а у процесі дроселювання для водоаміачного розчину може бути зведений майже до нуля за рахунок переохолодження рідини після конденсатора до температури кипіння за рахунок використання частини корисної холодопродуктивності.

Автор доводить правомірність заміни циклу “Карно-Карно” на “узагальнений Карно - узагальнений Карно” на двох прикладах:

для АТТ- цикл зовні необоротний;

для дійсного АТТ при наявності А-РТО і Р-РТО - зовні оборотний

Умовою вибору циклу-зразка “Лоренц-Карно” і є дотримання термічної рівноваги між робочим тілом і джерелами теплоти.

Визначимо величину Q_Г для циклу “Лоренц-Карно”, що справедливо для всіх циклів із Т_ГОРconst. Графічно S_Г буде інтерпретуватися як проекція на вісь S продовження ізобари 1-2.

при розширенні зони генерації в область високих температур (S_Г):

T_гор^max = T₂ > T₂, T_гор^min =T₁.

Проведемо корекцію середньопланіметрічних температур і одержимо висновок у термінах термоекономіки: при віднесенні необоротних втрат до теплоти більш високого потенціалу АТТ функціонує за рахунок збільшення витрат, зв'язаних зі збільшенням тарифу на джерело, що гріє.

при розширенні зони генерації в область низьких температур (S_Г):

T_гор^max = T₂, T_гор^min =T_1' <T₁

Термоекономічний висновок: при віднесенні необоротних втрат до теплоти низького потенціалу для нормальної експлуатації АТТ є потрібною обов'язкова наявність другого джерела сере-довища, що охолоджує. Це вимагає не тільки збільшення вартості експлуатації, але і додаткові інвестиції на створення теплообмінного устаткування для низькотемпературної абсорбції.

Два висновки є альтернативними рішеннями. Остаточну відповідь дасть термоекономічний аналіз у реальних умовах експлуатації.

Для чого запишемо

СОР=(СОР^max ,),

де Q_Г+Q_Г

З цього видно, що усі різниці температур в апаратах _i (₂ - на гарячому кінці генератора; ₃ - на холодному кінці Р-РТО; ₄ - на холодному кінці абсорбера; ₆ - на холодному кінці конденсатора; _СР - середовища, що охолоджує конденсатор) взаємозв'язані і взаємозалежні.

Узагальненим циклом-зразком для проведення термодинамічного аналізу АТТ “методом циклів” автор пропонує використовувати цикл “Лоренц із регенерацією - Карно з регенерацією”, що здатний описати та оцінити як кількісно, так і якісно зовнішні і внутрішні необоротності, у тому числі і вплив теплоти змішання на величину “зони адіабатної стабілізації” в абсорбері; ступінь дисипації енергії в процесі спільної ректифікації-дефлегмації, що винятково термодинамічним шляхом вперше було виконано в поданій роботі.

Розглянемо два методи термодинамічного аналізу в термінах ексергії, розроблені в дійсній роботі як експрес-оцінки будь-якого типу термотрансформаторів. “Ентропійно-цикловий метод”, як кожний з методів у термінах сучасної прикладної термодинаміки, виходить з теореми Гюі-Стодоли. S_i може бути записане в самому загальному вигляді алгебраїчною сумою потоків ентропії, що проходять крізь i-ий елемент і суми зведених теплот, що підводяться (або відводяться) в ньому в процесі взаємодії системи з зовнішніми тілами.

Проведемо аналіз дійсного термодинамічного циклу АТТ ентропійно-цикловим методом і оцінимо необоротність кожного з процесів, шляхом поелементного розрахунку 4 основних елементів. Номера потоків відповідають точкам на циклі АТТ.

У загальному випадку k_i l_i; Q_ri - чисельність теплових потоків, що відводяться з і-го елемента (чи підводяться в ньому);

r_i = 1,2,…,R_i... T_ri - температурний рівень відповідних теплових потоків Q_ri

Особливістю застосування ентропійно-циклового методу є полегшення розрахункових процедур при роботі з діаграмою “h-s-” (немає необхідності побудови всього циклу в площині “s-” і можна обмежитися лише визначенням окремих значень s_i) та при використанні комп'ютерних програмам розрахунку за допомогою інтерактивного режиму.

“Графічний метод ексергетичних балансів” засновано на поданні усіх процесів термотрансформатора в діаграмі “Q-”, де ексергія - це площа, обмежена процесом і віссю абсцис.

АТТ будь-якого ступеня складності для застосування графічного методу ексергетичних балансів необхідно умовно розділити на блоки: “роздільник” (генератор-конденсатор) і “змішувач” (абсорбер-випарник).

Таким чином, одержуємо аналог прямого циклу (кипіння в генераторі, конденсація) і зворотного циклу (кипіння у випарнику та абсорбція, як окремий випадок конденсації.

Зона генератора також має дві ділянки: власне генерація - процес 1-2; ректифікація - процес 2- - на здійснення якого беззворотньо витрачається ексергія (тобто супроводжується втратами ексергії) на “очищення”.

Таким чином ексергетичний баланс “роздільника” дійсного АТТ графічно визначається як пл.d12g - пл.k561 (=пл.d56g) = пл.12e5(хімічна ексергія) + пл.e26 (втрата ексергії на на “очищення”). Пл. d12e5 “роздільника” відповідає пл.7834 “змішувача”, що розподіляється між: втратами ексергії на теплопередачу в абсорбері і випарнику; втратами ексергії на регенеративний теплообмін; втратами ексергії на змішання.

Очевидно, використовуючи графічний метод балансів можна без значних витрат часу побудувати ексергетичну потокову діаграму - традиційно наочний результат ексергетичних розрахунків.

На відміну від традиційних аналізів у термінах ексергії, графічний метод ексергетичних балансів дозволяє:

проводити оптимізацію в термінах “pinch”-аналізу - нового напрямку в прикладній термодинаміці, що дозволяє синтезувати систему РТО при мінімізації Q_Г;

проводити оптимальний синтез схемного рішення, коли заданими є не тільки три температурних рівні роботи АТТ (Т_гор, Т_ср і Т_хол), але й основні теплові навантаження на апарати (Q_О, Q_К, Q_А, Q_Г).

Розділ 5. Теоретико-графовий метод у математичному моделюванні водоаміачних термотрансформаторів

Абсолютна більшість робіт з оптимізації систем і окремих елементів термотрансформаторів, що працюють по прямих і зворотних циклах, присвячені параметричній оптимізації, а системні дослідження і структурний аналіз проводиться тільки для систем заданої топології з метою визначення оптимальних режимів їх роботи.

Найбільш перспективним для рішення задач при розробці теоретичних основ структурного аналізу, синтезу й оптимізації є використання теоретико-графового методу в сполученні з аналізом у термінах сучасної прикладної термодинаміки, що і розроблено автором для водоаміачних термотрансформаторів, що працюють по зворотних і змішаних термодинамічних циклах.

Потокові графи (вершини - елементи, дуги - фізичні потоки є наочними і зручними для проведення варіантних розрахунків і параметричної оптимізації, тому знайшли широке застосування і є основою створення пакетів прикладних програм до ЕОМ. Потокові графи АТТ занадто складні через контурність при рішенні задач структурного аналізу, синтезу й оптимізації. Надання топології схеми термотрансформатора у вигляді графа без контурів є актуальною задачею математичного моделювання.

Автором розроблено теорію структурного аналізу синтезу й оптимізації АТТ, що спирається на ациклічні графи - граф точок зчленування, граф-дерево і двочастковий тепловий граф. Метод надання математичної моделі спирається на засіб виділення в зв'язаних графах, що містять у собі блоки, точок зчленування, і далі здійснюється побудова графа по цих точках. У цьому випадку блок заміняється дугою, вага якої - значення цільової функції. Численність вершин графа відповідає чисельності значень точок зчленування графа.

Задача оптимізації - мінімізувати значення цільової функції для всіх ij , що належать мережі, де Z_ij- вага дуги, тобто витрати в блоці (циклі), що відповідають даній дузі з прийнятими межовими умовами. Таким чином: X_ij=1, якщо дуга ij входить до розглянутого шляху; X_ij=0, у протилежному випадку.

Вирішуючи N-рівнянь виду (22) для кожного рівня і вибираючи відповідні Z_ij^min з матриці ваг, одержимо найкоротший шлях що розшукували.

Вищенаведений метод розроблений для побудови двох типів графів точок зчленування:

термодинамічних циклів;

різниць температур.

Зображення схеми у виді графа точок зчленування термодинамічних циклів надає опис узагальненої схеми у вигляді графа 4 блоків, кожний з який описує тільки одну гілку. Спочатку приймаємо P=0 між гілками, а також P_К=P_Г і P_O1=P_A1.

Первинний розподіл циклу термохімічного компресора на ступені (P_OII=P_AII , P_OIII=P_AIII, P_OIV=P_AIV ) має евристичний характер, і в загальному випадку P_AI/P_AIIP_AII/P_AIIIP_AIII/P_AIV. Вершина Х₀ - P_O1=P_A1; вершина Х₁₆ - P_К=P_Г. Функція оптимізації - значення термоекономичної функції.

Задачу оптимізації різниць температур в апаратах термохімічного компресора АТТ автор вирішує відшуканням найкоротшого шляху в графі точок зчленування різниць температур. Для можливості застосування методу динамічного програмування запроваджуємо фіктивні вершини (Х_о) і (Х₁₆), що служать для рішення задачі в термінах теорії мереж. Оптимальні різниці температур визначаються одночасно та у сукупності для всіх апаратів (як і було потрібно в термодинамічному аналізі). Таким чином, запропонований метод створення математичної моделі на графах дозволяє реалізувати системний підхід у рішенні оптимізаційних задач.

На графі-дереві автор демонструє можливості розробленої узагальненої класифікації при рішенні задачі оптимального синтезу.

Розглянемо оптимальний синтез топології водоаміачного термотрансформатора як локальний максимум по обмеженому класі схемних рішень - гібридним АКТТ. Основний принцип “пошуку на дереві рішень”, складається в розбивці (розгалуженні) початкової задачі Р₀ на деяку кількість малих задач Р₁, Р₂,…,Р_К, що у цілому складають усю задачу. В ньому: i=1,2,…,I - кількість рівнів; j=1,2,…,J - кількість циклів; l=1,2,…,L - кількість підгруп циклів; k=1,2,…,K - кількість груп циклів.

Постановка задачі оптимального синтезу АКТТ, у загальному вигляді, має запис

при K= 2; при L=4; при J=6 і I=12

Величина Z_ij - витрати даного рішення j на рівні i. Цілочисельні керовані перемінні - r_k, p_l, x_j - є булеві перемінні, що у випадку ухвалення рішення на відповідному їм рівні розгалуження здобувають символ “1”, у протилежному випадку - символ “0”. У дійсній роботі така задача для АТТ ставиться вперше, тому автор пропонує скористатися лише параметром “прийнято - відхилено” для конкретних умов експлуатації. Процес синтезу автор пропонує проводити по п'ятьох етапах, на яких усі можливі варіанти призначені евристично:

Етап I - оцінка необхідності розширення зони дегазації

Етап II - оцінка можливої різниці температур джерела, що гріє

Етап III - оцінка можливої різниці температур середовища, що охолоджує

Етап IV - оцінка розташування механічної компресії

Етап V - оцінка відповідностей продуктовностей додаткового і компресійного контурів

Для синтезу системи регенеративного теплообміну з парною взаємодією потоків автор використовує двочастковий тепловий граф.

Рішення “задачі про призначення” є визначення найменшої можливої кількості РТО в складі енергоперетворюючої системи, що є актуальною науково-технічною задачею і сферою інтересів ще одного напрямку сучасної прикладної термодинаміки - “pinch”-аналізу та оптимізації. Створення теорії оптимального синтезу системи РТО для АТТ стало можливим тільки після термодинамічних досліджень коректного вибору оборотного циклу-зразка.

Розділ 6. Альтернативні системи малої енергетики

Створення високоефективних альтернативних систем тепло-електропостачання можливо шляхом включення в традиційні системи термотрансформаторів будь-якого типу, що працюють по зворотних і змішаних термодинамічних циклах. На цьому ж етапі аналізу отримано критичне значення СОР_ТН для різних населених пунктів у залежності від кількості населення і застосовуваного типу традиційних систем тепло-електропостачання (W_ел/Q_тепл):

при W_ел/Q_тепл=0,225…0,8 (населення 300…20 тис.чол.) альтернативою може виступати будь-який тип теплового насоса з СОР_ТН3...4, що відповідає абсолютній більшості устаткування, що серійно вироблається у світі;

при W_ел/Q_тепл=0,210 (населення 1 млн.чол.) - СОР_ТН6, що для теплових насосів з чистими робочими речовинами при кліматичних умовах України одержати неможливо.

Результат ексергоекономічного аналізу показує, що досконалість процесу виробництва теплоти для теплопостачання в діапазоні температур 70 … 180С практично однакове, однак з підвищенням температури традиційні системи для виробництва теплоти не мають конкуренції. Використання компресорних теплових насосів передбачає використання електричної енергії в якості приводній, що значно підвищує грошову вартість зробленого корисного ефекту (у тому числі й у ексергетичному виразі.

Можливості використання поновлюваних і нетрадиційних джерел енергії в системах малої енергетики (спільні дослідження з ученими НАУ (Київ) і ЧГАУ (Челябінськ)) можна продемонструвати на двох комплексних системах теплонасосного теплопостачання. У розроблених схемних рішеннях можливе використання як альтернативних варіантів: КТТ, понижуваючого АТТ, підвищувального АТТ:

з використанням сонячної енергії і підземних акумуляторів теплоти;

Акумулятори теплоти відрізняються термінами зарядки-розрядки, з чого випливають вимоги, запропоновані до їхньої роботи і методики розрахунку та оптимізації.

Схемне рішення сезонного акумулятора теплоти можна розглядати як набір двухтечієвих теплообмінників, добового акумулятора (через складну систему акумулювання) - як трьохтечієвий теплообмінник з одним потоком, здатним акумулювати теплоту.