Введение к работе
Актуальность, работы
Целый ряд энерготехнологических установок, как правило высокотемпературных, функционирует в условиях совместно протекающих процессов радиационного и конвективно-кондуктивнсто теплообмена. К ним относятся промышленные печи, многие виды теплообменников, парогенераторы и другие агрегаты. Эффективность работы таких установок во многом определяется качеством проектных решений, уровнем автоматизации и степенью оптимальности управления технологическими процессами.
Особенности знерготехнолсгических установок с существенным влиянием процессов радиационного нагрева как объектов автоматизированного проектирования и автоматического управления в значительной степени определяются физическим своеобразием процессов теплообмена излучением. Основными факторами, ограничивающими возможности математического моделирования и оптимизации технологических процессов и установок такого типа являются: значительный объем вычислительных затрат, обусловленный нелинейностью задач радиацион-но-конвективно-кондуктивного (сложного') теплообмена, сложным пространственным распределением радиационных тепловых потеков, сложным характером спектра излучения; наличие в моделях этих процессов элементов различной структуры (дифференциальных и интегральных операторов), что приводит к проблемам согласования различных вычислительных алгоритмов и существенно усложняет процедуру построения сопряженных задач, являющуюся основным элементом ряда методов решения задач оптимального управления. Существующие методы оптимизации не учитывают указанные особенности процессов сложного теплообмена, а методы решения задач сложного теплообмена построены без учета особенностей, присущих алгоритмам идентификации и оптимизации.
Таким образом, проблема разработки комплексов математических моделей процессов радиационного нагрева в энерготехнологических агрегатах, эффективных методов их расчета и оптимизации является актуальной как с точки зрения практики проектирования, эксплуатации и автоматизации энерготехнологических установок, так и с точки зрения развития теории оптимизации и математического моделирования.
Цель работы
Целью данной работы является разработка математических моделей и эффективных мєтодое решения задач оптимального управления и проектирования применительно к процессам радиационного нагрева в энерготехнологических установках.
В соответствии с указанной целью сформулированы следующие задачи исследования:
-
Разработка специализированного метода решения задач оптимизации процессов радиационного нагрева, учитывающего основные особенности процессов радиационно-конвективно-кондуктивного теплообмена.
-
Разработка вспомогательного метода решения прямых задач сложного теплообмена, обеспечивающего возможность существенного сокращения объема вычислительных затрат за счет рационального структурирования математических моделей, вычислительных алгоритмов и их оптимизации.
-
Разработка алгоритмов и программных средств математического моделирования и оптимизации технологических процессов и установок с существенным влиянием радиационно-конвективного и радиационно- кондуктивного теплообмена.
-
Внедрение разработанных методов и программно-алгоритмических средств в проектно-конструкторскую практику.
Научная новизна Разработан метод синхронной оптимизации процессов сложного теплообмена в энергогехнологических установках, построенный на основе одновременного уточнения температурных полей и параметров оптимизации в ходе единого итерационного процесса.
Для реализации метода синхронной оптимизации разработан специальный метод итерационного расщепления для задач сложного теплообмена, в котором реализован принцип декомпозиции на основе разделения задач радиационного и конвективно-кондуктивного теплообмена. Метод позволяет использовать эффективные специализированные методы решения частных задач, разрабатывать гибкую систему математических моделей и вычислительных модулей, существенно сократить объем вычислительных затрат. Проведена оптимизация итерационных алгоритмов для задач радиационного и сложного теплообмена.
Разработаны математические модели и алгоритмы расчета и
- з -тепловых процессов в установках с движущимися излучающими средами, в том числе при наличии внешнего конвективного охлаждения, и в мно-гоэлементных установках радиационного нагрева.
Разработаныалгоритмы-построения -оптимального программного управления системой излучателей е установке радиационного нагрева и параметрической оптимизации конструктивных характеристик радиационных рекуператоров промышленных печей.
Практическая ценность
Проведенная работа связана с выполнением комплексных научно-технических программ "Системы автоматизированного проектирования" и "Надежность констругадай" Минвуза РСФСР, е выполнением программ отраслевых министерств и научно-технической программы ГКНТ СССР "Разработать и внедрить новые методы и технические решения межотраслевых проблем промышленной энергетики, направленные на энергосбережение"(проблема 0.01.11).
Разработанные методические и программно-алгоритмические материалы использованы на предприятиях п/я Р-6977, Г-4213, в институтах КФ НИИЛ и ВНИПИТеплопроект в процессе проектирования и доводки камер сгорания газотурбинных двигателей при выборе конструктивных характеристик системы охлаждения; при разработке конструкций радиационных рекуператоров промышленных печей; при отработке конструкций конвективно-радиационных теплообменников в системах термостабилизации; при разработке технологии, конструкции и АСУ установки радиационного нагрева для пайки сложнопрофилированных изделий.
Технико-экономический эффект от реализации результатов работы заключается в сокращении объема натурных экспериментов при отработке конструктивных параметров системы охлаждения ГТД: сокращении натрат на тєплоеоє проектирование систем термостабилизации; сокращении металле- и энергоемкости процесса пайки сложнопрофилированных изделий; повышении надежности процесса проектирования радиационных рекуператоров и сокращении объема экспериментов по отработке конструкций. Материалы, подтверждающие эффективность внедрения, приведены в диссертации в разделе "Приложение".
Разработанные методы и алгоритмы позволяют оптимизировать конструктивные характеристики и тепловые режимы энерготехнологических установок на основе математических моделей, учитнр.чшкх характерные особенности процессов радиационного тепло
обмена.
На защиту выносится
-
Итерационный метод решения задач параметрической гптимиаз-ции процессов сложного энергообмена - метод синхронной оптимизации.
-
Метод итерационного расщепления для моделей излучающих систем, обеспечивающий минимизацию объема вычислительных затрат при построении математических моделей обгектов оптимизации.
-
Математические модели н алгоритмы оптимизации прсцес-еоЕ радиационно-конвектквного и радиациснно-кондуктивного теплообмена в энерготехнологических агрегатах.
-
Результаты оптимизации конструктивных и режимных параметров энерготехнологичееких процессов и установок, и численного моделирования оптимизируемых тепловых процессов.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на V Всесоюзной конференции по радиационному теплообмену в технике к технологии (Каунас, 1987), II Всесоюзной научной конференции "Проблемы энергетики теплотехнологии"(Москва, 1987), Всесоюзных научно-технических конференциях "Методы и средства машинной диагностики газотурбинных двигателей и их элементов"(Харьков, 1981, 19ЭЗ), VII Всесоюзной конференции "Технологическая теплофизика"(Тольятти,1988), Всесоюзном совещании "Аналитические методы расчета процессов тепло-и массопереноса"(Душанбе, 1986), Республиканской конференции "Теория и практика тепловой работы металлургических печей"(Днепропетровск, 1988), заседаниях секции "Теплообмен излучением" Научного совета по проблеме "Массо-и теплоперенос в технологических процессах" ГКНТ (Куйбышев, 1982, 1989), заседании секции тепломассообмена научного совета АН СССР по комплексной проблеме "Теплофизика и теплоэнергетика" (Куйбышев, 1986), на заседании Советского национального комитета международной ассоциации по математическому и машинному моделированию (Куйбышев, 1988), II Минском международном форуме по тешюмассоообмэну (Минск, 1992), Всесоюзном научно-техническом совещании "Средства и системы автоматического контроля к управления технологическими процессами"(Свердловск, 1991), ка заседании НТС института "Стздьпроект"(Москва, :9?9), на семинаре ИФТПЭ АН Литвы (Каунас, 1939), семинаре "Диалоговые системы электронного моделирования объектов с распределенными параметрами
- Б -"(Одесса, 1989).
Обьем и структура работы
Диссертациисостоит.иа_введения, шести глав, выеодов,_приложе
ний. Общий обьем диссертации - 392 стр.