СИСТЕМНО-СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ, ДИАГНОСТИКА И ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРОКОМПРЕССИОННЫХ ЦИКЛОВ С НЕОБРАТИМЫМИ ПРОЦЕССАМИ ТЕРМОТРАНСФОРМАЦИИ

Краткое содержание

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі  обґрунтовано  актуальність роботи, сформульовано мету  і задачі

досліджень, визначено наукову новизну і практичну цінність результатів.

У першому розділі виконано  аналітичний  огляд  літературних  джерел,

присвячених застосуванню сучасних методів прикладної термодинаміки щодо

оцінки ступеню  незворотності реальних процесів в елементах енергоперетво-рюючих систем, а також аналізу структурних зв'язків в технологічних схемах.

В даний час ефективність елементів  ХМ і ТНУ у ряді випадків досягла

своєї «технічної межі», коли удосконалювання конструкцій окремих елементів

установки вже істотно не позначається на підвищенні ефективності всієї систе-ми термотрансформації. Між тим, можливості вдосконалення структури техно-логічної схеми ХМ і ТНУ ще далеко не вичерпано. Останнє вимагає глибокого

вивчення особливостей міжелементних зв'язків в технологічних схемах ХМ і

ТНУ, а також дослідження взаємозв'язку і взаємовпливу ексергетичних втрат в

основних елементах.

Розвитку методів аналізу структури енергоперетворюючих систем присвя-чені роботи провідних фахівців в галузі  прикладної термодинаміки, таких як

Дж.  Тсатсароніс,  А.  Валеро.  Основи  структурного  термодинамічного  аналізу

були закладені Ю. Байєром, В.М.   Бродянським, М.В. Соріним, Г.Н. Костенко,

Я. Шаргутом та ін. 

  7

Нами  вперше  зроблена  спроба  класифікувати  існуючі  відомі  підходи  до

проведення структурного термодинамічного аналізу енергоперетворюючих  си-стем.

Перший підхід базується на встановленні аналітичних залежностей між ек-сергетичним ККД e всієї системи і ексергетичним ККД ej елементів, що вхо-дять до її складу. Цей підхід знайшов розвиток у роботах В.М. Бродянського і

М.В. Соріна.

Другий підхід  є теоретико-графовий,  він  заснований на складанні узагаль-неного рівняння зв'язку ексергетичного ККД e з ККД кожного елементу ej, а

також  ступеню  впливу  елемента  системи  на  загальну  ексергетичну  ефектив-ність. Підхід передбачає поділ елементів технологічної схеми на основні, тобто

ті,  що  мають термодинамічно  корисну дію і допоміжні,  які не мають такої  дії.

Найбільший  розвиток  цей  метод  одержав  в  роботах  Л.П. Андрєєва  і

В.Р. Нікульшина.

Третій підхід засновано на поданні структури технологічної схеми енерго-перетворюючої системи у вигляді орієнтованого графа, який формується на пі-дставі  термодинамічної спрямованості процесів в енергоперетворюючій  систе-мі. Зв'язок між термодинамічною ефективністю елементів і ефективністю сис-теми в цілому встановлюється за допомогою запису лагранжіана. Метод отри-мав розвиток у роботах Г.В. Ноздренко.

Четвертий підхід  до структурного  аналізу, названий топологоексергетич-ним, знайшов відображення в роботах І.С. Долгополова. Цей підхід дозволяє

отримати  системну  картину  впливу  конструктивно-технологічних  параметрів

елементів  на  ексергетичну  ефективність  установки  стосовно  до  різних  схем

з'єднання  елементів. Для цього вводиться узагальнена ексергодисипативна  фу-нкція, що характеризує всі види втрат в системі. З урахуванням типу з'єднання

елементів  (дисипаторів)  складається  топологоексергетична  структурна  схема,

яка має вузли розділення потоків ексергії і вузли злиття потоків.

П'ятий підхід базується на обчисленні коефіцієнтів структурних зв'язків, за

допомогою котрих можна виявити в установці найбільш суттєві фактори, варі-ювання якими дозволяє відшукати оптимальне структурне рішення і в резуль-таті здійснити термоекономічну оптимізацію установки. Метод був запропоно-ваний Ю. Байєром, в подальшому розвинений Г.Н. Костенко і D. Boer.

Шостий підхід  передбачає  ідеалізацію  термодинамічних  процесів.  При

проведенні аналізу процес в розглянутому елементі схеми представляється іде-альним, в якому «усуваються» ексергетичні втрати, далі проводиться перераху-нок термодинамічних параметрів установки, після чого оцінюється вклад ексер-гетичних втрат в розглянутому елементі в загальні втрати у  системі.  В  цьому

напрямку велику роль в розвитку структурного термодинамічного аналізу зіг-рали роботи А.В. Троценка, М.В. Соріна і Ю.В. Синявського.

Сьомий підхід передбачає поглиблений ексергетичний аналіз, що враховує

вплив в технологічній схемі екзогенної та ендогенної, усуненої та неминучої

деструкції ексергії, а також поділ потоку ексергії на термічну і механічну скла-дові. Незалежно один від одного він був запропонований Дж. Тсатсаронісом і

А. Валеро, в подальшому розвинений в роботах Т. В. Морозюк, Ц. Торреса.

  8

Важливою проблемою в галузі методології аналізу та синтезу парокомпре-сійних термотрансформаторів є розробка методик спрямованого пошуку раціо-нальних технологічних схем. Аналіз публікацій показав, що в переважній біль-шості робіт, що присвячено розробці систем тепло- і холодопостачання на базі

ТНУ, не використовуються методи системотехніки. Вкрай обмеженою і не ма-ючою  узагальнення є інформація щодо ступеня впливу термогідравлічної не-зворотності процесів в елементах ХМ і ТНУ на термодинамічну ефективність в

залежності від рівня структурної складності технологічної схеми. Не отримали

достатнього розгляду питання пошуку ефективного складу неазеотропної су-міші  холодоагентів  для  заданого  гідравлічного  контуру  циркуляції 

холодоагенту.

Нами  відзначається,  що  вплив  зовнішньої  та  внутрішньої  незворотності

процесів  в дійсному циклі може істотно вплинути на оцінку перспективності

альтернативного холодоагенту при проведенні процедури ретрофіта (заміни хо-лодоагенту в діючих установках). Вимагають розвитку питання оптимізації по-закритичних циклів парокомпресійних ХМ і ТНУ. Актуальними є питання ана-лізу й оптимізації циклів з урахуванням обмеження на теплову потужність ХМ і

ТНУ та з урахуванням реальної величини виробництва ентропії в установці.

На підставі викладеного були визначені конкретні завдання наукового дос-лідження.

У другому розділі  розглядається запропонована автором методика систе-много аналізу термодинамічних циклів з урахуванням структурно-топологічних

особливостей устаткування термотрансформаторів.

У зв'язку з наявністю досить широкого спектру існуючого обладнання ХМ

і ТНУ, а також великої кількості можливих структурних з'єднань елементів в

технологічній схемі, виникає завдання пошуку раціональної структури техно-логічної схеми ХМ і ТНУ, конфігурації термодинамічного циклу і виду робочо-го тіла, що забезпечують в заданих умовах високу енергетичну ефективність.

Для  реалізації  цього  підходу  потрібен  єдиний  критерій  оцінки  схеми  і

устаткування,  вільний  від  впливу  суб'єктивних  факторів.  Таким  критерієм  є

структурна складність об'єкта.

Щодо кількісної оцінки рівня структурної складності схеми і її впливу на

термодинамічну ефективність  ХМ і ТНУ  в роботі використовується критерій

Є. І. Таубмана