Автореферат (Разработка перспективной системы теплохладоснабжения на основе абсорбционных трансформаторов теплоты)

3Общая характеристика работыАктуальность темы. Проблемы рационального использования топливноэнергетических ресурсов (ТЭР) в различных сферах деятельности всегдаявлялись актуальными. Низкая системная энергоэффективность многихэнерготехнологических комплексов промышленных предприятий (ЭТКПП)обуславливается тремя основными факторами: ЭТКПП формировались в периоднизких цен ТЭР, разработка структуры технологических систем промышленныхпроизводств проводилась в основном технологами без участия энергетиков;промышленные теплоэнергетические системы (ПТС), производящиеэнергоносители различного качества и количества для обеспечениятехнологических процессов создавались без учета возможности использованиявторичных энергетических ресурсов(ВЭР) технологий.

Значительноеколичество низкопотенциальных ВЭР технологий выбрасывается вокружающую среду с затратами энергии и воды. Коэффициент полезногоиспользования энергоресурсов (КПИ) ЭТКПП редко превышает 30%. Всоответствии со стратегией развития и модернизации производств на основересурсосберегающих технологий, согласующейся с Энергетической стратегиейРоссии на период до 2030 года, разрабатываются направления эффективногоиспользования энергоресурсов в технологических процессах, системах икомплексах. Особенность ЭТКПП заключается в строго регламентированныхтехнологических требованиях по температурным и тепловым режимам ведениятехнологических процессов.

При непрерывном производстве тепловыделениямогут происходить при постоянной температуре и постоянном тепловом потоке,которые необходимо поддерживать в соответствии с технологическимрегламентом. В то же время потребители тепловых ВЭР в основном имеютнеравномерный график теплопотребления в зависимости от многих параметров.Проведенный анализ концепций и программ развития ЭТКПП в различныхотраслях промышленности показал, что в них решаются, как правило, отдельныезадачи повышения эффективности основных технологических процессовподготовки и переработки сырья в готовую продукцию или полуфабрикат безучета взаимосвязи с ПТС предприятий.

В условиях внедрения новыхэнергосберегающих технологий и модернизации действующих, необходимаразработка соответствующих высокоэффективных, ресурсосберегающих иэкологически безопасных ЭТКПП, максимально интегрированных стехнологическими установками и обеспечивающих системную энергетическую4эффективность на протяжении всего жизненного цикла объекта, включаяпериоды строительства и вывода из эксплуатации.Объектом исследования является система комбинированноготеплохладоснабжения на основе абсорбционных трансформаторов теплоты.Методы исследования.

Основаны на системном анализе и синтезеструктур ЭТКПП, фундаментальных законах термодинамики, тепломассообменаи гидрогазодинамики, математическом моделировании процессов и систем,методах вычислительной математики и статистики, эвристических методахсинтеза новых технических решений. Расчеты внутренних цикловабсорбционных теплообменных аппаратов (АТТ) проводились посредствомматематического моделирования термодинамики растворов рабочих веществ впрограммном комплексе Matlab.

Процессы в контуре высокого давления АТТисследовались в лабораторных условиях на экспериментальной установке,представляющей из себя контур высокого давления АТТ.Цель и задачи работы. Цель работы – разработка новой системы дляутилизации тепловых ВЭР, обеспечивающей в комбинированном режимепотребителей теплотой и холодом с необходимыми тепловыми потоками итемпературными уровнями, на основе использования абсорбционныхтрансформаторов теплоты.Для реализации цели предусматривалось решение следующих задач:1. Выполнение системного анализа современного состояния качествафункционирования ЭТКПП различных отраслей промышленности по объемам ирежимам потребления ТЭР и генерации вторичных энергоресурсов.2.

Разработка новой комбинированной системы теплохладоснабжения(СТХС) для утилизации тепловых ВЭР с параметрами QВЭР = const, ТВЭР = constи обеспечением потребителей теплотой и холодом с необходимыми тепловымипотоками и температурными уровнями на основе АТТ.3. Разработка метода расчета СТХС, включающего параметры тепловыхВЭР технологий и режимные параметры потребителей теплоты и холода сучетом климатических условий окружающей среды.4. Разработка математической модели АТТ и алгоритма её решения,позволяющего определять необходимые параметры теплоносителей во всехэлементах АТТ с учетом режимных параметров теплотехнологических систем(ТТС) и теплоэнергетических систем и климатических условий окружающейсреды.55.

Создание экспериментальной установки для исследования процессов вконтуре высокого давления АТТ и проведение экспериментальных исследованийс целью определения соответствия разработанной математической модели АТТи алгоритма её решения без использования диаграмм состояния раствороврабочих веществ результатам полученных экспериментальных данных.6. Обоснование принципов комплексного подхода к оценке эффективностиЭТКПП, основанного на системной энергоэффективности при реализациипринципов максимально возможного использования ВЭР с применением СТХС,включая системный анализ, синтез и интеграцию системы СТХС в ЭТКПП сучетом граничных условий в виде параметров источников ВЭР, параметровпотребителей теплоты и холода и параметров окружающей среды.7.

Проведение технико–экономического и экологического анализовэффективности применения СТХС на примере ТТС производстваэкстракционной фосфорной кислоты и производства минеральных азотнофосфорных удобрений (аммофоса).Научная новизна.1. Впервые предложена и запатентована новая комбинированная систематеплохладоснабжения для утилизации тепловых ВЭР на основе АТТ,обеспечивающая потребителей теплотой и холодом с необходимыми тепловымипотоками и температурными уровнями.2. Разработан метод расчета разработанной комбинированной системытеплохладоснабжения, в качестве граничных условий которого используютсяпараметры тепловых ВЭР, потребителей теплоты и холода, а такжеклиматические условия.3.

На основе экспериментальных исследований подтверждена достоверностьпредложенной, без использования диаграмм состояния растворов рабочихвеществ, математической модели описания АТТ.Практическая ценность.1. При применении разработанной СТХС в различных отрасляхпромышленности возможно получить значительный экономический иэкологический эффект.2.

Разработанные методы термодинамического анализа процессов вэлементах АТТ позволяют определять эффективность АТТ в условияхварьирования режимных параметров для совершенствования режимовэксплуатации.63.Результатымногопараметрическогоанализавнутреннихтермодинамических циклов АТТ с известными рабочими телами могут бытьиспользованы для определения области наиболее эффективного выбора рабочеготела по критерию энергетической эффективности цикла АТТ.4.

С помощью применения метода температурного соответствия тепловыхпотоков в промышленных производствах возможно оценить ресурсыэнергосбережения ЭТКПП.Научные положения, выносимые на защиту.1. Комплексный подход к оценке эффективности ЭТКПП, основанный насистемной энергоэффективности при реализации принципов максимальновозможного использования тепловых ВЭР с применением СТХС.2.

Новая комбинированная система утилизации тепловых ВЭР на основеАТТ и алгоритм её расчета с учетом граничных условий, определяемыхисточниками тепловых ВЭР, потребителями теплоты и холода иклиматическими условиями окружающей среды.3. Многопараметрические математические модели АТТ с водоаммиачными бромистолитиевым рабочими телами и алгоритмы их расчета.4. Результаты экспериментальных исследований термодинамическихпроцессов в контуре высокого давления АТТ с бромистолитиевым рабочимтелом.Достоверностьрезультатовобусловленаиспользованиемфундаментальных законов технической термодинамики, тепломассообмена,гидравлики; математического аппарата статистики; эвристических методовсинтеза новых структурно-параметрических решений; известных методовмоделирования тепломассообменных процессов; согласованностью полученныхрезультатов с экспериментальными данными, полученными в других работах;использованием современных программных комплексов Matlab, AspenOne;проведением экспериментальных исследований в контуре высокого давленияАТТ с бромистолитиевым рабочим телом для верификации разработанныхматематических моделей.Личное участие автора.

Автором разработана и изготовленаэкспериментальная установка; проведены и обобщены экспериментальныеисследования процессов в контуре высокого давления АТТ с бромистолитиевым рабочим телом; проведена оценка погрешности экспериментальныхисследований; разработана математическая модель АТТ и алгоритм её решения;7показано хорошее соответствие результатов экспериментальных данных срасчетными показателями; проведен термодинамический анализ процессов вовнутренних циклах АТТ; разработана математическая модель СТХС на основеАТТ и алгоритм её расчета; проведено технико-экономическое исследованиеэффективности применения СТХС на примере ТТС производстваэкстракционной фосфорной кислоты и производства минеральных азотнофосфорных удобрений (аммофоса); показан существенный ожидаемыйэнергосберегающий и экологический эффект.

Результаты исследования,связанные с исследованием абсорбционного теплообменника (АТ), полученыавтором лично при финансовой поддержке Российского ФондаФундаментальных Исследований в рамках работы «Исследованиетермодинамических характеристик системы централизованного теплоснабжениянового типа, с пониженной температурой обратной сетевой воды, на основеприменения абсорбционных технологий» (договор № 17-08-00984\17 от 03апреля 2017 г.).Апробация работы. Основные положения и результаты работыдокладывались и обсуждались на шестой и восьмой Международной школесеминаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение. Теория ипрактика», Москва 2012 г. и 2016 г.; третьей и четвертой Международныхнаучно-практических конференциях «Энергосбережение в системах тепло- игазоснабжения. Повышение энергетической эффективности», Санкт-Петербург2012 г. и 2013 г.; девятнадцатой, двадцатой, двадцать первой, двадцать второй,двадцать третьей и двадцать четвертой Международных научно-техническихконференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника иэнергетика», Москва 2013 г., 2014 г., 2015 г., 2016 г., 2017 г.

и 2018 г.;двенадцатой Международной научно-технической конференции «Проблемытеплоэнергетики», Саратов 2014 г.; международном академическом форумеInternational academic forum АМО – SPITSE – NESEFF, Смоленск 2016 г.;восьмоймеждународнойнаучно-техническойконференции«Совершенствованиеэнергетическихсистемитеплоэнергетическихкомплексов», Саратов 2016 г.Списокпубликаций.Результатывыполненныхисследованийопубликованы в 23 работах, в том числе, в 1 учебном пособии, 1 патенте наизобретение, 4 статьи в рецензируемых изданиях, рекомендуемых перечнемВАК, 2 статьи в изданиях, индексируемых в Scopus.8Объем диссертации. Текст диссертации (содержит 175 страницмашинописного текста (без приложений), 51 рисунок и 38 таблиц) включает всебя введение, 5 глав, заключение, список использованных источников (100наименований на 10 страницах) и 2 приложения (на 13 страницах).Основное содержание работыВо введении обоснована актуальность работы.