Введение к работе
Актуальность темы. Проблемы рационального использования топливно-
энергетических ресурсов (ТЭР) в различных сферах деятельности всегда
являлись актуальными. Низкая системная энергоэффективность многих
энерготехнологических комплексов промышленных предприятий (ЭТКПП)
обуславливается тремя основными факторами: ЭТКПП формировались в период
низких цен ТЭР, разработка структуры технологических систем промышленных
производств проводилась в основном технологами без участия энергетиков;
промышленные теплоэнергетические системы (ПТС), производящие
энергоносители различного качества и количества для обеспечения
технологических процессов создавались без учета возможности использования
вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) технологий. Значительное
количество низкопотенциальных ВЭР технологий выбрасывается в
окружающую среду с затратами энергии и воды. Коэффициент полезного
использования энергоресурсов (КПИ) ЭТКПП редко превышает 30%. В
соответствии со стратегией развития и модернизации производств на основе
ресурсосберегающих технологий, согласующейся с Энергетической стратегией
России на период до 2030 года, разрабатываются направления эффективного
использования энергоресурсов в технологических процессах, системах и
комплексах. Особенность ЭТКПП заключается в строго регламентированных
технологических требованиях по температурным и тепловым режимам ведения
технологических процессов. При непрерывном производстве тепловыделения
могут происходить при постоянной температуре и постоянном тепловом потоке,
которые необходимо поддерживать в соответствии с технологическим
регламентом. В то же время потребители тепловых ВЭР в основном имеют
неравномерный график теплопотребления в зависимости от многих параметров.
Проведенный анализ концепций и программ развития ЭТКПП в различных
отраслях промышленности показал, что в них решаются, как правило, отдельные
задачи повышения эффективности основных технологических процессов
подготовки и переработки сырья в готовую продукцию или полуфабрикат без
учета взаимосвязи с ПТС предприятий. В условиях внедрения новых
энергосберегающих технологий и модернизации действующих, необходима
разработка соответствующих высокоэффективных, ресурсосберегающих и
экологически безопасных ЭТКПП, максимально интегрированных с
технологическими установками и обеспечивающих системную энергетическую
эффективность на протяжении всего жизненного цикла объекта, включая периоды строительства и вывода из эксплуатации.
Объектом исследования является система комбинированного
теплохладоснабжения на основе абсорбционных трансформаторов теплоты.
Методы исследования. Основаны на системном анализе и синтезе
структур ЭТКПП, фундаментальных законах термодинамики, тепломассообмена
и гидрогазодинамики, математическом моделировании процессов и систем,
методах вычислительной математики и статистики, эвристических методах
синтеза новых технических решений. Расчеты внутренних циклов
абсорбционных теплообменных аппаратов (АТТ) проводились посредством математического моделирования термодинамики растворов рабочих веществ в программном комплексе Matlab. Процессы в контуре высокого давления АТТ исследовались в лабораторных условиях на экспериментальной установке, представляющей из себя контур высокого давления АТТ.
Цель и задачи работы. Цель работы – разработка новой системы для утилизации тепловых ВЭР, обеспечивающей в комбинированном режиме потребителей теплотой и холодом с необходимыми тепловыми потоками и температурными уровнями, на основе использования абсорбционных трансформаторов теплоты.
Для реализации цели предусматривалось решение следующих задач:
-
Выполнение системного анализа современного состояния качества функционирования ЭТКПП различных отраслей промышленности по объемам и режимам потребления ТЭР и генерации вторичных энергоресурсов.
-
Разработка новой комбинированной системы теплохладоснабжения (СТХС) для утилизации тепловых ВЭР с параметрами QВЭР = const, ТВЭР = const и обеспечением потребителей теплотой и холодом с необходимыми тепловыми потоками и температурными уровнями на основе АТТ.
3. Разработка метода расчета СТХС, включающего параметры тепловых
ВЭР технологий и режимные параметры потребителей теплоты и холода с
учетом климатических условий окружающей среды.
4. Разработка математической модели АТТ и алгоритма её решения,
позволяющего определять необходимые параметры теплоносителей во всех
элементах АТТ с учетом режимных параметров теплотехнологических систем
(ТТС) и теплоэнергетических систем и климатических условий окружающей
среды.
-
Создание экспериментальной установки для исследования процессов в контуре высокого давления АТТ и проведение экспериментальных исследований с целью определения соответствия разработанной математической модели АТТ и алгоритма её решения без использования диаграмм состояния растворов рабочих веществ результатам полученных экспериментальных данных.
-
Обоснование принципов комплексного подхода к оценке эффективности ЭТКПП, основанного на системной энергоэффективности при реализации принципов максимально возможного использования ВЭР с применением СТХС, включая системный анализ, синтез и интеграцию системы СТХС в ЭТКПП с учетом граничных условий в виде параметров источников ВЭР, параметров потребителей теплоты и холода и параметров окружающей среды.
7. Проведение технико–экономического и экологического анализов
эффективности применения СТХС на примере ТТС производства
экстракционной фосфорной кислоты и производства минеральных азотно-
фосфорных удобрений (аммофоса).
Научная новизна.
-
Впервые предложена и запатентована новая комбинированная система теплохладоснабжения для утилизации тепловых ВЭР на основе АТТ, обеспечивающая потребителей теплотой и холодом с необходимыми тепловыми потоками и температурными уровнями.
-
Разработан метод расчета разработанной комбинированной системы теплохладоснабжения, в качестве граничных условий которого используются параметры тепловых ВЭР, потребителей теплоты и холода, а также климатические условия.
-
На основе экспериментальных исследований подтверждена достоверность предложенной, без использования диаграмм состояния растворов рабочих веществ, математической модели описания АТТ.
Практическая ценность.
1. При применении разработанной СТХС в различных отраслях
промышленности возможно получить значительный экономический и
экологический эффект.
2. Разработанные методы термодинамического анализа процессов в
элементах АТТ позволяют определять эффективность АТТ в условиях
варьирования режимных параметров для совершенствования режимов
эксплуатации.
3. Результаты многопараметрического анализа внутренних
термодинамических циклов АТТ с известными рабочими телами могут быть
использованы для определения области наиболее эффективного выбора рабочего
тела по критерию энергетической эффективности цикла АТТ.
4. С помощью применения метода температурного соответствия тепловых
потоков в промышленных производствах возможно оценить ресурсы
энергосбережения ЭТКПП.
Научные положения, выносимые на защиту.
-
Комплексный подход к оценке эффективности ЭТКПП, основанный на системной энергоэффективности при реализации принципов максимально возможного использования тепловых ВЭР с применением СТХС.
-
Новая комбинированная система утилизации тепловых ВЭР на основе АТТ и алгоритм её расчета с учетом граничных условий, определяемых источниками тепловых ВЭР, потребителями теплоты и холода и климатическими условиями окружающей среды.
-
Многопараметрические математические модели АТТ с водоаммиачным и бромистолитиевым рабочими телами и алгоритмы их расчета.
4. Результаты экспериментальных исследований термодинамических
процессов в контуре высокого давления АТТ с бромистолитиевым рабочим
телом.
Достоверность результатов обусловлена использованием
фундаментальных законов технической термодинамики, тепломассообмена, гидравлики; математического аппарата статистики; эвристических методов синтеза новых структурно-параметрических решений; известных методов моделирования тепломассообменных процессов; согласованностью полученных результатов с экспериментальными данными, полученными в других работах; использованием современных программных комплексов Matlab, AspenOne; проведением экспериментальных исследований в контуре высокого давления АТТ с бромистолитиевым рабочим телом для верификации разработанных математических моделей.
Личное участие автора. Автором разработана и изготовлена экспериментальная установка; проведены и обобщены экспериментальные исследования процессов в контуре высокого давления АТТ с бромисто-литиевым рабочим телом; проведена оценка погрешности экспериментальных исследований; разработана математическая модель АТТ и алгоритм её решения;
показано хорошее соответствие результатов экспериментальных данных с
расчетными показателями; проведен термодинамический анализ процессов во
внутренних циклах АТТ; разработана математическая модель СТХС на основе
АТТ и алгоритм её расчета; проведено технико-экономическое исследование
эффективности применения СТХС на примере ТТС производства
экстракционной фосфорной кислоты и производства минеральных азотно-
фосфорных удобрений (аммофоса); показан существенный ожидаемый
энергосберегающий и экологический эффект. Результаты исследования,
связанные с исследованием абсорбционного теплообменника (АТ), получены
автором лично при финансовой поддержке Российского Фонда
Фундаментальных Исследований в рамках работы «Исследование
термодинамических характеристик системы централизованного теплоснабжения нового типа, с пониженной температурой обратной сетевой воды, на основе применения абсорбционных технологий» (договор № 17-08-00984\17 от 03 апреля 2017 г.).
Апробация работы. Основные положения и результаты работы
докладывались и обсуждались на шестой и восьмой Международной школе-
семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение. Теория и
практика», Москва 2012 г. и 2016 г.; третьей и четвертой Международных
научно-практических конференциях «Энергосбережение в системах тепло- и
газоснабжения. Повышение энергетической эффективности», Санкт-Петербург
2012 г. и 2013 г.; девятнадцатой, двадцатой, двадцать первой, двадцать второй,
двадцать третьей и двадцать четвертой Международных научно-технических
конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и
энергетика», Москва 2013 г., 2014 г., 2015 г., 2016 г., 2017 г. и 2018 г.;
двенадцатой Международной научно-технической конференции «Проблемы
теплоэнергетики», Саратов 2014 г.; международном академическом форуме
International academic forum АМО – SPITSE – NESEFF, Смоленск 2016 г.;
восьмой международной научно-технической конференции
«Совершенствование энергетических систем и теплоэнергетических
комплексов», Саратов 2016 г.
Список публикаций. Результаты выполненных исследований
опубликованы в 23 работах, в том числе, в 1 учебном пособии, 1 патенте на изобретение, 4 статьи в рецензируемых изданиях, рекомендуемых перечнем ВАК, 2 статьи в изданиях, индексируемых в Scopus.
Объем диссертации. Текст диссертации (содержит 175 страниц машинописного текста (без приложений), 51 рисунок и 38 таблиц) включает в себя введение, 5 глав, заключение, список использованных источников (100 наименований на 10 страницах) и 2 приложения (на 13 страницах).