Введение к работе
Актуальность работы.
Повышение эффективности тепловых процессов путем снижения энергозатрат на их проведение совокупно с определением наиболее эффективно реализующего процессы оборудования при соблюдении требований к качеству конечного продукта является одной из существенных проблем энергосбережения, то есть одним из фактором повышения эффективности экономики и, соответственно, благосостояния России. Для решения такой задачи в целом необходимо единообразное сертифицирование всех тепловых (и холодильных) аппаратов и осуществляемых ими процессов с точки зрения энергетической эффективности.
При этом необходим системный подход к решению задачи, учитывающий чрезвычайное многообразие, как существующей и разрабатываемой техники, так и применяемых или возможных теплофизических процессов.
Несмотря на то, что вопросами энергетической эффективности процессов и аппаратов занималось много как отечественных, так и зарубежных ученых, до настоящего времени отсутствует единая система сертификации тепловых процессов, позволяющая оценивать и сравнивать их с точки зрения энергетической эффективности, что чрезвычайно важно как для выяснения существующего положения дел в производстве, так и для продуктивного системного планирования развития соответствующих отраслей.
Поэтому необходимо системное решение данной проблемы, базирующееся на единой методике определения энергетических параметров процессов и осуществляющих их аппаратов.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что исследования, направленные на разработку методологии определения сопоставимых критериев энергетической эффективности тепловых процессов и аппаратов, являются своевременными и актуальными.
Цель и задачи исследований. Целью данных исследований является создание методологии определения энергетически эффективных тепловых процессов и аппаратов, позволяющих при соблюдении требований к технологическому качеству и к количеству обрабатываемой продукции снизить энергетические затраты.
Для достижения этой цели необходимо выполнить следующие задачи
проведение исследования и классификацию существующих способов определения энергозатрат при проведении тепловых и холодильных процессов;
оценить системную взаимосвязь всех элементов, необходимых для осуществления процессов с точки зрения их влияния на энергозатраты;
на базе фундаментальных исследований по теории теплопроводности и теории теплопередачи осуществить постановку системных задач по определению общих энергозатрат на проведение тепловых процессов;
на основе теории дифференциальных уравнений определить функциональные зависимости энергозатрат в процессе от задаваемых технологических параметров;
определить функциональные зависимости изменения характеристик оборудования от параметров реализуемого процесса с точки зрения энергетической эффективности;
разработать единую математическую модель для получения сопоставимых показателей по различным тепловым процессам и оборудованию;
исследовать возможности и диапазоны применения численных методов при решении подобных задач;
исследовать вопрос о влиянии эксплуатационных характеристик использования оборудования на изменение энергопотребления;
исследовать влияние и сопоставимое использование стоимостных характеристик оборудования при определении энергозатрат процесса;
разработать методические основы для определения энергозатрат в зависимости от показателей обрабатываемого продукта, параметров процесса, характеристик реализующего аппарата, эксплуатационных характеристик и стоимости оборудования в виде единой функциональной зависимости;
ввести и научно обосновать единый критерий для оценки как процессов, так и реализующего эти процессы оборудования, который может быть положен в основу единой системы сертифицирования всех тепловых и холодильных аппаратов по показателю энергетической эффективности.
Блок-схема этапов исследования.
Критерии энергетической эффективности
L0 - базовый (базовая функция); Lnp04 - выбранного процесса;
Liweai ann- идеализированного аппарата и процесса (1 цикл);
Lpean-апп - реального аппарата и процесса (1 цикл);
L3kc -реального аппарата n процесса в условиях эксплуатации (п циклов);
Lкш - реального аппарата и процесса в условиях эксплуатации (п циклов) с учетом приведенных капитальных затрат.
Научная концепция. В основу научного решения проблемы определения методики единой энергетической оценки процессов и осуществляющего их оборудования положен системный подход, позволяющий найти общие закономерности, связывающие между собой в единое целое характеристики продукта, задаваемые параметры процесса и характеристики аппарата, осуществляющего процесс.
Научная новизна работы заключается в следующем:
предложен системный метод определения энергозатрат в процессе изменения или сохранения температурного поля в продукте;
определены и исследованы факторы, влияющие на величину общих энергозатрат;
введен и обоснован критерий энергетической эффективности, применимый к процессам, к аппаратам и к единой системе процесс- аппарат;
разработан системный метод определения комплексного критерия энергетического качества, позволяющий произвести энергетический анализ энергозатрат теплового и холодильного оборудования и осуществляемых с его применением тепловых процессов с точки зрения энергетического совершенства, то есть минимизации энергозатрат, что позволяет комплексно оценивать конструктивное совершенство оборудования, его соответствие технологическому процессу, а также произвести технико-экономическую оценку и решить задачу оптимизации технологической цепочки;
впервые решена задача системного описания и исследования тепловых процессов совместно с реализующим их технологическим оборудованием, получены многопараметрические уравнения для всех основных видов переноса тепла и их комбинаций, описывающие общие
энергозатраты, на основании совместного решения нескольких дифференциальных уравнений теплопроводности и уравнений теплопередачи, описывающих стационарную и нестационарную фазы процесса эксплуатации теплового оборудования;
проведено сопоставление и энергетическая оценка различных видов энергоподвода, осуществляющих заданный процесс в допустимых температурных и временных диапазонах;
сопоставлены различные процессы в совокупности с осуществляющими их аппаратами с точки зрения энергетического совершенства при соблюдении качества конечного продукта;
получены математические модели для определения более эффективных допустимых процессов и оборудования;
в решение общих уравнений введены параметры, учитывающие влияние суточной длительности эксплуатации оборудования;
приведены математические модели, описывающие влияние капитальных затрат, и в решение общего уравнения введены учитывающие их параметры;
рассмотрена применимость численных методов и возможность оптимизации полученных уравнений;
предложена единая методика для определения критерия энергетической эффективности тепловых процессов и оборудования, позволяющая научно обоснованно сопоставлять различное оборудование и процессы и определять наилучшие пути их совершенствования.
Практическая ценность работы. В результате проведенных исследований:
разработан системный метод определения критерия энергетического качества, позволяющий сертифицировать тепловое и холодильное оборудование и осуществляемые с его применением тепловые процессы;
предложенный системный метод может быть применен для любых отраслей, где применяется оборудование, изменяющее или сохраняющее температурное поле в обрабатываемом объекте;
системный метод может быть положен в основу системы единой сертификации всего теплового и холодильного оборудования с точки зрения энергетического совершенства, что позволит планировать снижение энергозатрат при сохранении или даже росте производимой продукции;
- на основании системного метода и разработанного математического аппарата может быть подготовлен пакет компьютерных программ, позволяющий на стации проектирования, вводя диапазоны допустимых изменений параметров аппарата, процесса или процессов, для которых предназначен аппарат, планируемой временной загрузки и стоимостных параметров его изготовления (выраженных в энергетических единицах) получить оптимальные в смысле энергосбережения характеристики системы процесс-аппарат;
методика определения энергетической эффективности теплового оборудования, используемого на предприятиях общественного питания на основе использования критерия энергетической эффективности, использована при разработке технологической линии модульных тепловых аппаратов ЗАО «РАДА»;
методика оценки энергетической эффективности с помощью критерия позволила оптимально выбрать параметры вновь создаваемого оборудования при разработке солнечных нагревательных установок ООО «НПО «ГРАНАТ»»
методика оценки энергетической эффективности с помощью критерия включена в рабочие программы учебных дисциплин : теплотехника (направление подготовки: 655800 «Пищевая инженерия», профиль подготовки: 260601.65 «Машины и аппараты пищевых производств»), теплотехника (направление подготовки: 655800 «Пищевая
инженерия», профиль подготовки: 260501.65 - технология продуктов общественного питания), ресурсо- и энергосберегающие технологии (направление подготовки: 222000. Инноватика.)
на основании системного метода и разработанного математического аппарата может быть подготовлен пакет компьютерных программ, позволяющий на стации эксплуатации, вводя диапазоны допустимых изменений параметров процесса и планируемой временной загрузки в систему управления аппаратом, получать оптимальные тепловые режимы непосредственно на предприятии;
ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов данных исследований при проектировании нового оборудования, модернизации существующего и выборе более эффективных тепловых процессов может составить до 10-15% энергозатрат применительно к их существующему уровню.
Состояние вопроса. Применяемые в настоящее время методы определения энергетической (и, соответственно, экономической) эффективности отличаются большим разнообразием, однако носят локальный характер и часто определяются экспериментальным путем для единичных образцов оборудования.
Показатели эффективности процессов и аппаратов, встречающиеся в нормативных документах и специальной литературе, могут быть классифицированы следующим образом: стоимостные характеристики, производительные характеристики, конструктивные характеристики, теплофизические характеристики, оценки качества энергии, безразмерные характеристики. Применяемые и предлагаемые показатели энергетического качества процессов и аппаратов
кВт.час/м2
ентально
определе
Наиболее универсальным энергетическим показателем для тепловых аппаратов является коэффициент полезного действия, исследованиям по улучшению которого посвящены работы А.Н. Вышелесского, JI. И. Гордона, Е.В. Неугодова, В.В. Кирпичникова. К недостаткам использования КПД относится тот факт, что полезная работа, необходимая для его нахождения, по определению, должна вычисляться по фактическому конечному распределению температуры, одному из технологически допустимых. Таким образом, один и тот же КПД могут иметь аппараты с разными энергозатратами.
Объект исследования. Объектом исследования являлись тепловые и холодильные процессы, а также оборудование, предназначенное для их реализации. Рассматривались процессы теплопереноса, описываемые граничными условиями I, II, III рода, нагрев за счет внутренних источников тепла, а также их комбинации. Кроме того, были рассмотрены процессы сохранения температурного поля в объекте. Одновременно было рассмотрено оборудование, все эти процессы осуществляющее.
Предмет исследования. Предметом исследования являлось определение характеристики, позволяющей выявить наилучшие процессы и аппараты с точки зрения их энергетического качества, то есть минимизации затрат на процесс изменения (или сохранения) температурного поля в объекте.
Теоретическая и методическая основа. Теоретической основой исследования являлась теплофизика, в частности, теория теплопроводности и
ее приложения, а также теория тепломассообмена. Методически задача определения критерия энергетического качества сводилась к последовательному рассмотрению компонентов энергозатрат, их нормированию и сведению в единую функциональную зависимость с последующим анализом.
Нормативно-информационная основа. Нормативно-информационную основу работы составили методы определения энергетического и экономического качества различного оборудования, отраженные как в ГОСТах, так и в специальной литературе.
Публикации. По теме диссертации опубликована 1 монография, 12 публикаций в изданиях, зарегистрированных ВАК (всего 35 публикаций, общим объемом 11, 05 п.л.)
Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 11 глав, заключения, библиографического списка литературы, приложений общим объемом 335 стр. В диссертации содержится 304 рис., 6 таблиц и 11 приложений.
