Методология энергетического анализа для определения эффективности тепловых процессов и технологического оборудования

Актуальность темы

исследования. 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.

Длярешения этих проблем государством принят ряд документов: 1. Федеральный закон Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации»;

2. Федеральный закон от 27.07.2010 N 190-ФЗ «О теплоснабжении»;

3. Энергетическая стратегия-России на период до 2020 года;

В свою очередь правительство одного из основных потребителей энергии в РФ г. Москвы приняло целый пакет последовательных документов, посвященных энергосбережению во всех отраслях городского хозяйства, аккумулированных в документе «Энергосбережение в городе Москве на 2009;2013 гг. и на перспективу до 2020 года». В частности, в законе г. Москвы от 5 июля 2006 г. N 35 «Об энергосбережении в городе Москве» в статье 4 в числе основных принципов городской государственной политики в области энергосбережения введены следующие: 1) приоритет эффективного использования энергетических ресурсов- 4) включение в государственные стандарты на оборудование, материалы и конструкции, транспортные средства показателей их энергоэффективности- 6) сертификация топливо-, энергопотребляющего, энергосберегающего и диагностического оборудования, материалов, конструкций, транспортных средств, а также энергетических ресурсов- 10) внедрение нормативной системы оценок показателей энергопотребления и энергоэффективности.

В этих и других документах определено, что в целях снижения энергоемкости выпускаемой-в г. Москве продукции нарзду со структурною перестройкой экономики необходимо целенаправленное проведение организационных и технологических мероприятий по повышению4 эффективности использования топливно-энергетических ресурсов путем реализации программы энергосбережения.

Цели и задачи программы, задания по снижению объема потребляемых топливно-энергетических ресурсов, сокращению объема дотаций и бюджетных расходов должны определять необходимые меры по их достижению за счет проведения научно-технических, технических и организационно-технических мероприятий. 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 все более актуально. Для решения такой задачи в целом необходимо единообразное сертифицирование всех тепловых (и холодильных) аппаратов и осуществляемых ими процессов с точки зрения энергетической эффективности при соблюдении технологических требований к качеству обрабатываемых продуктов:

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 определенияэнергетических параметров, процессов и осуществляющих их аппаратов.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что исследования, направленные на разработку научных основ определения сопоставимых критериев энергетической эффективности тепловых процессов и аппаратов, являются своевременными и актуальными.

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. г.

Например, энергетическое качество конфорок по ГОСТ [9: с. 6.] характеризует коэффициент полезного действия, который определяется нагревом алюминиевого куба от 20 °C до 100 °C. Понятно, что такой метод не имеет отношения к какому-либо реальному процессу,-для осуществления которого данное оборудование используется. Другим ГОСТом [1: с.13] для характеристики конфорки используется среднеарифметическое КПД при нагреве воды от холодного состояния повёрхности конфорки и от горячего. Такой показатель также носит достаточно приближенный характер. Энергетическая эффективность электрического гриля и жарочного шкафа определяется через среднее значение мощности при холостом ходе для цикла (при включенном и отключенном состоянии нагревателей в течение цикла). Такой процесс определения энергетической эффективности вообще не учитывает обрабатываемый продукт. Кроме того, как энергетический показатель.для.жарочного шкафа используется-величина удельного расхода, энергии на разогрев аппарата, определяемаячерез отношение соответствующего расхода энергии к объему жарочного шкафа, или отношением расхода энергии к площади внутренней поверхности рабочей камеры [1: с. 7, с. 17]. Условность=таких оценок очевидна. Энергетические характеристики бытовых холодильников [16: с.14] определяются опытным путем через прямой замер потребления электроэнергии. Оценки промышленных устройств также носят приблизительныйсхарактер: Например, энергетическая^оценка сталеплавильных духовых печей [8: с.2] определяется через коэффициент использования энергии, задаваемый ограничительным неравенством. При сушке лакокрасочных покрытий [4: с.3] вводится часовая норма расхода, относительно обрабатываемой площадиориентированнаяна температуру рабочей камеры. Печи для плавки алюминия*[3: с.3]- также оцениваются ограничительными нормативамишаговое изменение температуры в печи учитывается процентной надбавкой, расход при росте объема выплавляемого металла определяетсятростой-линейной интерполяцией. При этом основной упор делается на определение действительного расхода, определяемого испытаниями. Печи для обжига цемента [2: с. 1, с. 9] оцениваются также через ограничительный-временной энергорасход (кВт.час/сут.) — получаемый как расчетом, так и экспериментально: Превышение допустимого интервала температур внешнего^поля учитывается-процентными поправками. При определении удельного расхода энергии,(кВт.час /кг) при эксплуатации индукционных тигельных печей [15: с.1—2] изменение теплоотдачи в окружающую среду при изменении конструкции (наличие крышки у тигля) фиксируется: предельным табличным значением, при том что допустимая температура плавления колеблется в диапазоне 50°. Относительно печей для варки стекла [12: с. 1, с. З] применяется удельныйфасход тепловой энергии (МДж/кг) — При этом различие способов энергоподвода (в данном случае направление пламени) и различие обрабатываемых объектов (тип стекла) учитывается введением коэффициентов при том, что различие тепловых режимовварки достигает 100°. Показатели энергопотребления для печей по обжигу керамической плитки. (МДж/кг) задаются таблично по величине производительности, а потери в окружающую среду процентным ограничивающим неравенством [14: с.1−2]. Применяется также упрощенный расчет полного теплового баланса для выбранной конструкции, например, для электропечей по обработке стеклотары [10: с. З], величина которого определяет энергетическое качество. В ГОСТе [11: с.2—3], касающемся электропечей сопротивления для термообработки алюминия и его сплавов, применяется номограмма для определения показателя удельного расхода энергии (кВт. час/кг) в зависимости от температуры рабочей емкости, однако при этом пренебрегается всеми прочими энергозатратами.

Показатели эффективности процессов и аппаратов, встречающиеся в специальной литературе, могут быть классифицированы следующим образом: стоимостные характеристики, производительные характеристики, конструктивные характеристики, теплофизические характеристики, оценки качества энергии, безразмерные характеристики, исследованиям по улучшению наиболее универсальной из которых — коэффициенту полезного действия, посвящены работы А. Н. Вышелесского, Л. И. Гордона, Е. В. Неугодова, В. В. Кирпичникова. Опишем кратко применяемые подходы.

Стоимостные характеристики. В целом эти характеристики могут быть описаны, как отношения: (единица стоимости / единица времени) [131: с.211], (единица стоимости / единица производимой продукции) [85: с.55−64]. Наличие стоимостных параметров сужает временные рамки использования таких характеристик в связи с большой изменчивостью стоимостных показателей.

Производительные характеристики. Такие характеристики могут быть абсолютными, например, прямая производительность, (единица продукции/ единица времени) [50: с. 57, 63: с.38] или относительными, которые базируются на отношениях ресурсов в разном выражении к производительным характеристикам, (единица.энергии/ единица продукции). Например, удельный расход энергии Эуд = Эз V Пгде Эз — затраты на выход на режим и работу в режиме (Дж), ГГ— производительность (кг) [30: с.457], кДж / кг [20: с.804−806- 30: с.287−288], (кДж /час) / (план.т. /час) [81: с. 101], кВт / кг[30: с.28−32, 62: с.26]. Такие характеристики применимы к аппаратам равной производительности по одинаковому продукту [30: с.287−288].

Конструктивные характеристики. В данном случае энергозатраты относятся к геометрическим характеристикам аппарата, то есть это характеристики типа: (единица энергии/ геометрическая единица). Например, Вт/м —характеристика микроволновой аппаратуры [20: с.893- 91: с.83−86], кДж /дм — показатели панельного теплового оборудования [42: с.10−11], Вт.

— 1 о м тепловая характеристика здания [91: с.83−86], Вт/ (м К) -теплотехническая экономичность здания [28: с.318−320]. В таких характеристиках отсутствует объект, в котором изменяется температурное поле или они относятся к термостатическим процессам, но в любом случае не являются универсальными.

Теплофизические характеристики. Определяются эффективные теплофизические параметры, характеризующие аппарат. Например, простое определение расхода энергии на проведение процесса [20: с.913−915], эффективный коэффициент теплоотдачи, как характеристики теплообмена в холодильной камере [94: с.6−7], определение эффективности теплопередачи по температуре уходящих газов [26: с.246—247], определение потерь через коэффициент теплопередачи к, определяемый после выбора теплоизоляции рабочего объема [130: с.223−224], нормы потребления энергии, как для первого часа работы (нестационарный режим), так и для последующих (стационарный режим) [131: с.225]. Все эти характеристики также носят достаточно конкретный характер и привязанык отдельному виду оборудования.

Оценки качества энергии. В данном случае используется понятие эксергии, позволяющее оценивать энергию с точки зрения ее эффективности для данного процесса. Это выражается в оценке стоимости разных форм энергии [123: с.208], экономичности производства энергоносителей через показатели эксергии (ед.стоимости/ед.энергии) [136: с.165]. Кроме того, рассматривались такие параметры, как обобщенное сопротивление протеканию процесса [123: с.213], стоимость эксергии [123: с.216], соотношение оптимальной поверхности теплообмена и минимальной цены [123: с.219]. Также существуют модификации КПД с точки зрения оценки качества энергии [90: с.11—16], оценка качества процессов с точки зрения падения величины природной эксергии энергоносителей [104: с.31—48]. Оценивается также качество энергии через колебания ее суточной стоимости [123: с.219]. В целом эти методы имеют отношение в первую очередь к совершенствованию самих источников энергии.

Безразмерные характеристики. Предлагаемые безразмерные характеристики энергетической эффективности оборудования относятся к эффективным характеристикам оборудования с конструктивной точки зрения, относительным показателям использования источников энергии, либо к определению стандартного коэффициента полезного действия. Так, теплообменники характеризуются отношением тепловой производительности данного теплообменника к производительности теплообменника с бесконечно большой поверхностью теплообмена е < 1 [53: с. 145—148], отношением полученного и переданного тепла в теплообменнике [41: с.269−270]. Перегонные аппараты характеризуются отношением теоретического числа тарелок к реальному [20: с.996−997]. Как показатель эффективности оборудования используется отношение сгоревшего топлива к загруженному для коптилен [20: с. 1146−1147], как показатель эффективности процесса — отношение массы использованного топлива к массе обработанного продукта [22: с.262]. Также как универсальный показатель используется КПД [30: с.278−288]. В. П. Кирпичниковым введено несколько модификаций КПД, а именно, КПД без учета потерь теплоты технический КПД, тепловой КПД — с учетом теплообмена при нагреве воды, и технологический — эквивалентный универсальному [62: с. 16—17].

Таблица 1. Применяемые и предлагаемые оценки энергетического качества процессов и аппаратов.

Виды характе ристик Общий вид размерност и Частные случаи размерност и Приме ры приме нения Преимущ ества Недостатки.

Стоимо стные 1 .(единицы стоимости)/ (единицы времени) Руб /год униве рсаль ное Простота определе ния. Невозможность анализа. Определяется экспериментально по факту эксплуатации. Использование общих денежных затрат размывает картину влияния собственно энергетических процессов.

2.(единицы стоимости) / (единицы произведен ной продукции) руб/ кг руб/ шт униве рсаль ное Простота определе ния. Невозможность анализа. Определяется экспериментально по факту эксплуатации. Использование общих денежных затрат размывает картину влияния собственно энергетических процессов.

Произв одител ьные 1. (единицы продукции) / (единицы времени) кг / час Терм, обраб отка с/х ироду кции Простота определе ния. Оценивается ограничительными нормативами и процентными поправками, учитывающими вид энергоподвода, потери и т. п.

2.(единицы кДж / кг Шкаф Использо Оценивается энергии))/ ы, вание ограничительными единицы мДж / кг печи и только нормативами и произведен т.п. ограничи процентными поправками, ной (кДж /час) тельных учитывающими вид продукции) /(план.т/ча характери энергоподвода, потери и.

С) стик, что т.п. упрощает кВт. час) вычислен сутки ия. кВт. час) кг.

Констр 1. кДж/м Печи, Базируют Характеристики уктивн (единицы жар. ся только определяются ые энергии))/ кВт. час/м2 шкаф на экспериментально. Не геометрия ы эксперим учитывается, собственно, еские ентально сам продукт. единицы) м определе.

НИИ.

2. (ед. кДж/(м ча Здани Базируют Определяются дискретные энергии)/ с) я, ся на значения по подобранным геом.ед.) печи эксперим параметрам. врем. Вт/м3 ентально ед.)(темпер Вт/(м3К) м ед.)) определе.

НИИ с учетом ограниче ний.

Теплоф 1. (ед. кДж Холод Использо Точечные исследования по шическ энергии) .обору вание заданным параметрам ие дован только ие. прямых замеров при эксплуата ции.

2. (ед. Вт/(м 2К) Конде Простые Фрагментарное решение. энергии)/ (коэфф. нсато вычислен геом.ед.) теплоотдач ры ия. врем. и) холод. ед.)(темпер

•ед.)).

3.единицы К Котел Использо Косвенное решение. температур (температу ьные вание ы ра уст. только уходящих газов) прямых замеров при эксплуата ции.

Эксерге тическ ие 1 .(единицы стоимости)/ (единицы энергии) цент/кДж Опрес нит. ус танов ки. Развитый математи ческий аппарат. Основное направление исследованийсовершенствование самих источников энергии.

2.геом. единицы/ единицы стоимости м 2 / цент Тепло обмен НИКИ Использо вание средств оптимиза ции Основное направление исследованийсовершенствование самих источников энергии.

3. ед. энергии кДж Источ НИКИ энерг. Фундаме нтальност ь подхода. Основное направление исследованийсовершенствование самих источников энергии.

Безраз мерные 1. геом.ед./ геом.ед. 2/ 1 м / м тепло обмен НИКИ Наличие идеально й характери стики. Косвенный характер определения эффективности.

2.(ед. энергии)/ (ед. энергии) кДж/ кДж тепло обмен НИКИ Простота определе ния. Специализированность.

З.(ед. массы топлива)/ (ед. массы топлива) кг/ кг Копти льное обор. Простота определе ния. Узкая область применения. Грубость оценки.

4.(кол-во элементов) /(кол-во элем.) шт. / шт. Перег он. об. Простота определе ния. Косвенность и неточность оценки, а также узкая специализация.

5. (ед. массы топлива)/ (ед. массы прод.) кг/ кг Суши льное обор. Простота определе ния. Специализированность.

Исследованиям по улучшению энергетической эффективности посвящены, в частности, работы В. А. Кириллина, В. В. Сычева, А. Е. Шейндлина, А. Н. Вышелесского, Л. И. Гордона, Е. В. Неугодова, В. В. Кирпичникова и др. Наиболее универсальным энергетическим показателем для тепловых аппаратов является коэффициент полезного действия. К недостаткам использования КПД относится тот факт, что он определяется отношением двух переменных функций. Полезная работа, необходимая для его определения, вычисляется по фактическому конечному распределению температуры, одному из технологически допустимых. Таким образом, один и тот же КПД могут иметь аппараты с разными энергозатратами. Кроме того КПД может быть применен только для всего процесса в целом. Что исключает возможность оценки компонент энергозатрат.

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 определить наилучшие процессы и аппараты с точки зрения их энергетического качества, то есть минимизации затрат на процесс изменения (или сохранения) температурного поля в объекте.

Цель исследования. 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 исследований и классификацию существующих способов определения энергозатрат для тепловых и холодильных аппаратов;

— оценить системную взаимосвязь всех элементов, необходимых для осуществления процессов с точки зрения их влияния на энергозатраты;

— на базе исследований по теории теплопроводности и теории теплообмена осуществить постановку системных задач по определению общих энергозатрат (энергетического баланса) 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 капитальных затрат, выраженных в энергетических единицах, при определении энергозатрат процесса;

— разработать методические основы для определения энергозатрат в зависимости от характеристик 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.

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.

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 продуктеопределены и исследованы факторы, влияющие на величину общих энергозатратвведен и обоснован критерий энергетической эффективности, применимый к процессам и осуществляющим процессы аппаратамразработан 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 оборудованиявпервые 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 теплообмена, описывающих стационарную и нестационарную фазы процесса эксплуатации теплового оборудованияпроведено сопоставление и энергетическая оценка различных видов энергоподвода, осуществляющих заданный процесс в заданных температурных и временных диапазонахсопоставлены различные процессы и осуществляющие их аппараты с точки зрения энергетической эффективностиполучены математические модели для определения более эффективных допустимых процессов и оборудованияв 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 энергетической эффективности, 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 производительности;

— на основании системного метода и разработанного математического аппарата может быть подготовлен пакет компьютерных программ, позволяющий на стации проектирования, вводя диапазоны допустимых изменений параметров аппарата и процесса, для которого предназначен аппарат, планируемой временной загрузки и стоимостных параметров его изготовления (выраженных в энергетических единицах) получить оптимальные в смысле энергосбережения характеристики системы процесс-аппаратметодика 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: 655 800 «Пищевая инженерия», профиль подготовки: 260 601.65 «Машины и аппараты пищевых производств»), теплотехника (направление подготовки: 655 800 «Пищевая инженерия», профиль подготовки: 260 501.65 — технология продуктов общественного питания), ресурсои энергосберегающие технологии (направление подготовки: 222 000. 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 предприятииожидаемый 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.

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, 5 глав, заключения, библиографического списка литературы общим объемом 338 стр. и приложений. В диссертации содержится 304 рис., 6 таблиц и 11 приложений.