Термодинамическая оптимизация и анализ эффективности теплоутилизационных систем котельных агрегатов

Изложены результаты термодинамической оптимизации и сравнительного анализа эффективности теплоутилизационных систем котельных агрегатов. Приведены данные по оценке степени эффективности использования тепловых насосов в различных системах утилизации теплоты уходящих газов котельного агрегата. Викладе...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Промышленная теплотехника
Date:	2012
Main Authors:	Фиалко, Н.М., Степанова, А.И., Пресич, Г.А., Навродская, Р.А., Шеренковский, Ю.В., Малецкая, О.Е., Гнедаш, Г.А.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут технічної теплофізики НАН України 2012
Subjects:	Коммунальная и промышленная теплоэнергетика
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/59078
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Термодинамическая оптимизация и анализ эффективности теплоутилизационных систем котельных агрегатов / Н.М. Фиалко, А.И. Степанова, Г.А. Пресич, Р.А. Навродская, Ю.В. Шеренковский, О.Е. Малецкая, Г.А. Гнедаш // Промышленная теплотехника. — 2012. — Т. 34, № 2. — С. 59-66. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-59078
record_format	dspace
spelling	Фиалко, Н.М. Степанова, А.И. Пресич, Г.А. Навродская, Р.А. Шеренковский, Ю.В. Малецкая, О.Е. Гнедаш, Г.А. 2014-04-06T14:31:25Z 2014-04-06T14:31:25Z 2012 Термодинамическая оптимизация и анализ эффективности теплоутилизационных систем котельных агрегатов / Н.М. Фиалко, А.И. Степанова, Г.А. Пресич, Р.А. Навродская, Ю.В. Шеренковский, О.Е. Малецкая, Г.А. Гнедаш // Промышленная теплотехника. — 2012. — Т. 34, № 2. — С. 59-66. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 0204-3602 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/59078 621.036.7 Изложены результаты термодинамической оптимизации и сравнительного анализа эффективности теплоутилизационных систем котельных агрегатов. Приведены данные по оценке степени эффективности использования тепловых насосов в различных системах утилизации теплоты уходящих газов котельного агрегата. Викладено результати термодинамічної оптимізації і порівняльного аналізу ефективності теплоутилізаційних систем котельних агрегатів. Наведено дані щодо оцінки ступеня ефективності використання теплових насосів в різних системах утилізації теплоти відхідних газів котельного агрегату. The results of thermodynamic optimization and comparative analysis of efficiency of thermo recycling systems are considered. The estimation of efficiency of several different exhaust gases thermo recycling systems is presented. ru Інститут технічної теплофізики НАН України Промышленная теплотехника Коммунальная и промышленная теплоэнергетика Термодинамическая оптимизация и анализ эффективности теплоутилизационных систем котельных агрегатов Thermodynamic optimization and analysis of the efficiency of heat recovery system of boiler Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Термодинамическая оптимизация и анализ эффективности теплоутилизационных систем котельных агрегатов
spellingShingle	Термодинамическая оптимизация и анализ эффективности теплоутилизационных систем котельных агрегатов Фиалко, Н.М. Степанова, А.И. Пресич, Г.А. Навродская, Р.А. Шеренковский, Ю.В. Малецкая, О.Е. Гнедаш, Г.А. Коммунальная и промышленная теплоэнергетика
title_short	Термодинамическая оптимизация и анализ эффективности теплоутилизационных систем котельных агрегатов
title_full	Термодинамическая оптимизация и анализ эффективности теплоутилизационных систем котельных агрегатов
title_fullStr	Термодинамическая оптимизация и анализ эффективности теплоутилизационных систем котельных агрегатов
title_full_unstemmed	Термодинамическая оптимизация и анализ эффективности теплоутилизационных систем котельных агрегатов
title_sort	термодинамическая оптимизация и анализ эффективности теплоутилизационных систем котельных агрегатов
author	Фиалко, Н.М. Степанова, А.И. Пресич, Г.А. Навродская, Р.А. Шеренковский, Ю.В. Малецкая, О.Е. Гнедаш, Г.А.
author_facet	Фиалко, Н.М. Степанова, А.И. Пресич, Г.А. Навродская, Р.А. Шеренковский, Ю.В. Малецкая, О.Е. Гнедаш, Г.А.
topic	Коммунальная и промышленная теплоэнергетика
topic_facet	Коммунальная и промышленная теплоэнергетика
publishDate	2012
language	Russian
container_title	Промышленная теплотехника
publisher	Інститут технічної теплофізики НАН України
format	Article
title_alt	Thermodynamic optimization and analysis of the efficiency of heat recovery system of boiler
description	Изложены результаты термодинамической оптимизации и сравнительного анализа эффективности теплоутилизационных систем котельных агрегатов. Приведены данные по оценке степени эффективности использования тепловых насосов в различных системах утилизации теплоты уходящих газов котельного агрегата. Викладено результати термодинамічної оптимізації і порівняльного аналізу ефективності теплоутилізаційних систем котельних агрегатів. Наведено дані щодо оцінки ступеня ефективності використання теплових насосів в різних системах утилізації теплоти відхідних газів котельного агрегату. The results of thermodynamic optimization and comparative analysis of efficiency of thermo recycling systems are considered. The estimation of efficiency of several different exhaust gases thermo recycling systems is presented.
issn	0204-3602
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/59078
citation_txt	Термодинамическая оптимизация и анализ эффективности теплоутилизационных систем котельных агрегатов / Н.М. Фиалко, А.И. Степанова, Г.А. Пресич, Р.А. Навродская, Ю.В. Шеренковский, О.Е. Малецкая, Г.А. Гнедаш // Промышленная теплотехника. — 2012. — Т. 34, № 2. — С. 59-66. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT fialkonm termodinamičeskaâoptimizaciâianalizéffektivnostiteploutilizacionnyhsistemkotelʹnyhagregatov AT stepanovaai termodinamičeskaâoptimizaciâianalizéffektivnostiteploutilizacionnyhsistemkotelʹnyhagregatov AT presičga termodinamičeskaâoptimizaciâianalizéffektivnostiteploutilizacionnyhsistemkotelʹnyhagregatov AT navrodskaâra termodinamičeskaâoptimizaciâianalizéffektivnostiteploutilizacionnyhsistemkotelʹnyhagregatov AT šerenkovskiiûv termodinamičeskaâoptimizaciâianalizéffektivnostiteploutilizacionnyhsistemkotelʹnyhagregatov AT maleckaâoe termodinamičeskaâoptimizaciâianalizéffektivnostiteploutilizacionnyhsistemkotelʹnyhagregatov AT gnedašga termodinamičeskaâoptimizaciâianalizéffektivnostiteploutilizacionnyhsistemkotelʹnyhagregatov AT fialkonm thermodynamicoptimizationandanalysisoftheefficiencyofheatrecoverysystemofboiler AT stepanovaai thermodynamicoptimizationandanalysisoftheefficiencyofheatrecoverysystemofboiler AT presičga thermodynamicoptimizationandanalysisoftheefficiencyofheatrecoverysystemofboiler AT navrodskaâra thermodynamicoptimizationandanalysisoftheefficiencyofheatrecoverysystemofboiler AT šerenkovskiiûv thermodynamicoptimizationandanalysisoftheefficiencyofheatrecoverysystemofboiler AT maleckaâoe thermodynamicoptimizationandanalysisoftheefficiencyofheatrecoverysystemofboiler AT gnedašga thermodynamicoptimizationandanalysisoftheefficiencyofheatrecoverysystemofboiler
first_indexed	2025-11-24T17:49:12Z
last_indexed	2025-11-24T17:49:12Z
_version_	1850490385074225152
fulltext	ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №2 59 КОММУНАЛЬНАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА УДК 621.036.7 Фиалко Н.М.1,2, Степанова А.И.1, Пресич Г.А.1, Навродская Р.А.1, Шеренковский Ю.В.1, Малецкая О.Е.1, Гнедаш Г.А.1 1Институт технической теплофизики НАН Украины 2Национальный технический университет Украины «КПИ» ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ И АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОУТИЛИЗАЦИОННЫХ СИСТЕМ КОТЕЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ Викладено результати термо- динамічної оптимізації і порів- няльного аналізу ефективності теп- лоутилізаційних систем котель- них агрегатів. Наведено дані щодо оцінки ступеня ефективності ви- користання теплових насосів в різних системах утилізації тепло- ти відхідних газів котельного аг- регату. Изложены результаты термо- динамической оптимизации и срав- нительного анализа эффективности теплоутилизационных систем ко- тельных агрегатов. Приведены дан- ные по оценке степени эффектив- ности использования тепловых на- сосов в различных системах утили- зации теплоты уходящих газов ко- тельного агрегата. The results of thermodynamic optimization and comparative analysis of efficiency of thermo recycling systems are considered. The estimation of efficiency of several different exhaust gases thermo recycling systems is pre- sented. b – толщина ребра; cp – удельная изобарная теплоемкость; d – влагосодержание дымовых газов; E – эксергетическая мощность; G – массовый расход теплоносителя; h – высота ребра; i – энтальпия; m – масса; N – мощность; n – количество элементов в системе; n1 – количество источников мощности в систе- ме; p – давление; Q – тепловая мощность; R – газовая постоянная; S – межреберный шаг; s – энтропия; T – температура; ∆ – изменение величины; μ – молекулярная масса. Индексы верхние: дг – дымовые газы; вод – вода; воз – воздух; внут – внутренний параметр; ф – фреон. Индексы нижние: вх, вых – входной, выходной параметры; о – окружающая среда; п – пар; парц – парциальное; пот – потери; ср – среднее значение параметра. Разработка энерготехнологических про- цессов и установок должна включать не только оценку их эффективности, но и общую техни- ко-экономическую оптимизацию [1-3]. На ста- дии разработки технических решений уста- новок важной составляющей такой оптими- зации является термодинамическая оптимиза- ция, входящая в качестве необходимого этапа в методику комплексного анализа эффектив- ности и оптимизации теплоутилизационных систем [4-6]. В число основных задач термо- динамической оптимизации входят выбор кри- териев оценки термодинамической эффектив- ности системы, которые могли бы служить целевыми функциями оптимизации, выбор методов исследования и оптимизации. Для простых термодинамических систем методы термодинамической оптимизации, как прави- ло, включают определение функциональных зависимостей выбранных критериев эффек- тивности от основных параметров системы. Если такие зависимости установлены для кон- ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №260 КОММУНАЛЬНАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА кретной термодинамической системы или для определенного типа систем, оптимизация про- водится с помощью известных математических методов. Но для сложных термодинамических систем, состоящих из большого числа элемен- тов, установить функциональные зависимости критериев эффективности от параметров всех элементов не представляется возможным. В та- ких случаях задачи оптимизации можно решать с помощью вариантного, структурного или структурно-вариантного методов, основанных на эксергетическом подходе [7]. Целью работы является термодинамичес- кая оптимизация и сравнительный анализ эф- фективности теплоутилизационных систем ко- тельных агрегатов на основе структурно-вари- антного метода оптимизации и методики ком- плексного анализа эффективности. В работе рассмотрены системы утилизации теплоты уходящих газов водогрейных котель- ных агрегатов, предназначенные для подогрева обратной теплосетевой воды, а также для по- догрева и увлажнения дутьевого воздуха и по- догрева обратной теплосетевой воды [8]. Рас- сматривалось два случая реализации техни- ческих решений теплоутилизационных сис- тем: без использования теплового насоса (ТН) и с его использованием. В соответствии с ос- новными термодинамическими положениями указанных методов для решения оптимизаци- онных задач и сравнительного анализа эфффек- тивности исследуемых теплоутилизационных систем последовательно реализованы следую- щие этапы. Предложены критерии оценки термодина- мической эффективности теплоутилизацион- ных систем, которые могут служить целевыми функциями оптимизации. • Выбран метод исследований и на его основе определены зависимости критериев эффектив- ности от начальных и конечных параметров теплоутилизационных систем. • Выбран метод оптимизации, в соответствии с которым сложные системы представлены в виде ряда дискретных взаимосвязанных эксер- гетическими потоками элементов более про- стой структуры. • Выполнены тепловые и эксергетические расчеты, позволившие из ряда элементов про- стой структуры выбрать группу элементов, изменение эксергетических потерь в которых наиболее существенно влияет на изменение эффективности теплоутилизационной системы в целом. • Проведена оптимизация указанных элемен- тов, после чего элементы с оптимальними па- раметрами введены в качестве составляющих в теплоутилизационные системы. • Для теплоутилизационных систем с оптими- зированными элементами определены крите- рии эффективности и на их основе проведен сравнительный анализ термодинамической эф- фективности систем различного назначения. В качестве критериев оценки термодина- мической эффективности теплоутилизацион- ных систем и их отдельных элементов были выбраны различные критерии, каждый из ко- торых использовался на определенном этапе исследований. На первом этапе – это крите- рий эффективности ε [4-6], представляющий собой удельную характеристику системы: ве- личину потерь эксергетичекой мощности на единицу снимаемой тепловой мощности, а также разностный эксергетический КПД ηex: = E Qε , ' 1 '' 1 , n i i ex n i i E E = = ∆ η = ∆ ∑ ∑ (1) где ΔEi" – уменьшение расходуемой эксергии, ΔEi' – возрастание получаемой эксергии. В качестве метода исследований использо- вался интегральный балансовый метод эксер- гетического анализа, в рамках которого для предложенных теплоутилизационных систем были составлены системы балансовых урав- нений: эксергетических, тепловых и матери- альных. Рассматривалось три случая: - влагосодержанием дымовых газов и воздуха можно пренебречь; - влагосодержание дымовых газов и воздуха остается постоянным; - влагосодержание дымовых газов и воздуха пот внут ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №2 61 КОММУНАЛЬНАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА после прохождения теплоутилизационной сис- темы или ее отдельного элемента изменяется в связи с конденсацией присутствующего в них водяного пара. Система уравнений, объединяющая указан- ные три случая, для теплоутилизационной сис- темы, предназначенной для подогрева обрат- ной теплосетевой воды, имеет следующий вид: 1 1 0; n j j N E E E E E = + + − − − =∑ 0;G i G i− = 1 1 const, n n j j j j G G = = − =∑ ∑ ( )BXcp 0;pG c T T k TFΠ− − ∆ = ( )BX TPcp 0;pG c T T k TF− − ∆ = ( )BXcp= pE E G c T T− − − 0 cp ln lnp T R pT c T p   − −  µ  ; ( )=E E G c T T− − − ( ) ( )0 ln ln p p TT RT c T p p T  − − − −  µ −   ( ) ( )0/ ;G d Q i i T s s Π Π Π Π  − − − −  ( )=E E G c T T− − − ( ) ( )0 ln ln p p TT RT c T p p T  − − − −  µ −   ( ) ( ) 0 0G d i i T s s Π Π Π Π  − − − − +  ( ) ( )BX 0 0 ;G d i i T s s Π Π Π Π  + − − −  ( ) ( )0= .E E G i i T s s− − − −   Из систем балансовых уравнений определе- ны зависимости внутренних эксергетических потерь Епот (деструкции), разностного эксерге- тического КПД ηех и критерия эффективности ε от начальных и конечных параметров тепло- утилизационных систем: Епот = (Евых – Евх ) – (Евых – Евх ); ηех = (Евых – Евх )/(Евых – Евх ). Зависимости ε от начальных и конечных параметров для теплоутилизационной систе- мы, предназначенной для подогрева обратной теплосетевой воды, в указанных трех случаях имеют следующий вид: • Влагосодержанием дымовых газов мож- но пренебречь: ( ) 0 = / ln lnT R pG Q c T T T c T p    ε − − − −  µ   ( ) ( )0/ .G Q i i T s s− − − −   (4) • Влагосодержание дымовых газов остает- ся постоянным: ( ) 0= / ln TG Q c T T T c T   ε − − −   ( ) ( ) ( )BX ln / p p TR G d Q i i p p T Π Π − − − − − µ −  ( ) ( ) ( ) BX0 0/ .T s s G Q i i T s s Π Π − − − − − −   (5) • Влагосодержание дымовых газов изме- няется: ( ) 0= / ln TG Q c T T T c T   ε − − −   ( ) ( ) ( )0 ln p p TR G d i i p p T Π Π − − − − − µ −  ( ) ( )BX0 BX 00T s s G d i i Π Π Π Π  − − + − −  ( ) ( ) ( ) BX 00 0/ .T s s G Q i i T s sΠ Π − − − − − −   Соответствующие соотношения, получен- ные из системы эксергетических, тепловых и материальных балансовых уравнений, для теп- лоутилизационной системы, предназначенной для подогрева и увлажнения дутьевого воздуха и подогрева обратной теплосетевой воды, име- вх дг дг дг дг рср дг вх дг вх дг вых дг вых парц парц вх вых дг дг рср дг вх дг вх дг вых дг вых парц парц вх вых дг дг вх дг вых дг дг рср дг вх дг вых дг вх дг вых дг дг рср дг вх дг вых дг вх дг вх дг вых дг вых дг вх дг дг вод вод вх вод вых дг вых вых вод пот внут внутвод дг вх дг вых дг вых дгдгдгдг водводвод вод вых вых дгдгдгдгдг вых выхвх вх (2) вых вых вых вхвх вых вод вх вод вод вых вод вх вод вых вод вх вод внут внут вод вод вых вх вх вх рср рср вод вх вых вых вых вод вод вод вод вод вых вхвх вх вых вх выхпарц парц вых вых вых вод вых вод вх дг дг вод вод дг дг дг дг вхдг дг дг дгдг дг дгдг дг дгдг дгвод вод (3) вх вых вых дг дг дг дг дг дг дг рср рср вх вых вых дг дг дг дг дг дг дг рср рсрвх вых вх вых вых вых парц дг вх дг дг дг парц дг вых вод вод вод вых вых вхвх вод вод (6) ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №262 КОММУНАЛЬНАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА ют следующий вид: • Влагосодержанием дымовых газов и воз- духа можно пренебречь: ( ) BX BXcp 0 cp= lnp p TG c T T T c T ε − − −  ( )BX BXcpln p R p G c T T p  − − − − µ  BX BX 0 cpln ln ;p T R pT c T p   − −  µ  (7) • Влагосодержание дымовых газов и воз- духа остается постоянным: ( ) BX BXcp 0 cp= lnp p TG c T T T c T   ε − − −   ( ) ( ) BX BXln p p TR p p T − − + µ −  ( ) ( )0/G d Q i i T s s Π Π Π Π  + − − − −  ( ) BX BXcp 0 cplnp p TG c T T T c T   − − − −   ( ) ( ) BX BXln p p TR p p T − − + µ −  ( ) ( )0/G d Q i i T s s Π Π Π Π  + − − − −  • Влагосодержание дымовых газов и воз- духа изменяется: ( ) BX BXcp= lnp TG c T T T c T   ε − − −   ( ) ( ) ( )BX BX 0 ln p p TR G d i i p p T Π Π − − + − − µ −  ( ) ( )0 00T s s G d i i Π Π Π Π  − − − − −  ( ) ( )BX BX00 cppT s s G c T T Π Π  − − − − − ( ) ( ) BX BXBX BX 0 cpln lnp p p TT RT c T p p T  − − − +  µ −   ( ) ( )BX 0 00G d i i T s sΠ Π Π Π  + − − − −  ( ) ( )0 00 ;G d i i T s sΠ Π Π Π  − − − −  (9) дг дг дг дгдг дгдг дг дг дг воз воз воз воз вых вых вых вых воз воз воз воз выхвых возвоз дг дг дг воз воз воз воз воз воз воз воз воз воз воз дг парц парц дг дг дг дг вых вых вых вых вых вых вых вых выхвх вх вых выхвх вх дг дг дг вых парц парц ; (8) дг дг дг вх вх дг дг дг дг дг pcp дг дг дг дг парц парц парц парц 0 вых вх вых вых вых вых вых воз возвоз воз воз воз воз воз воз воз воз воз вых вхвх вых вых вых вых вых вых Ввиду сложности рассматриваемых тепло- утилизационных систем установить необхо- димые для решения оптимизационных задач функциональные зависимости критериев эф- фективности от параметров всех входящих в систему элементов не представляется возмож- ным. Поэтому в качестве метода оптимизации использовался структурно-вариантный метод эксергетического анализа, позволяющий оп- тимизировать систему путем оптимизации ее отдельных элементов. В соответствии с ос- новными термодинамическими положениями структурно-вариантного метода рассматривае- мые теплоутилизационные системы представ- лены в виде ряда дискретных взаимосвязан- ных потоками эксергии элементов более про- стой структуры, внутренние процессы в кото- рых не рассматриваются, а во внимание при- нимаются только свойства, определяющие материальное и энергетическое взаимодей- ствие их с остальными элементами теплоути- лизационной системы. На рис. 1 в качестве примера представлена принципиальная схема котельной установки с теплоутилизационной системой, предназначенной для подогрева об- ратной теплосетевой воды, с обозначением эксергетических потоков между элементами системы. В общем случае такое моделирование можно осуществить тем или иным способом в зависимости от структурной организации термодинамической системы, например, с пос- ледовательным или параллельным соедине- нием элементов, не имеющих никаких допол- нительных связей между собой. В рамках эк- сергетического анализа возможность примене- ния дискретно-элементного модульного прин- ципа с последующей координацией модулей при их объединении в единую систему посред- ством учета причинно-следственных отноше- ний между отдельными явлениями и эффек- тами обусловлена основными характеристи- ками, отражающими сущность эксергетичес- ких понятий: аддитивностью и универсаль- ностью. В сложной термодинамической системе всегда существует элемент или набор элемен- ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №2 63 КОММУНАЛЬНАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА Рис. 1. Принципиальная схема котельной установки с теплоутилизационной системой, предназначенной для подогрева обратной теплосетевой воды: В – вентилятор; ГУ – горелочное устройство; ПТ – потребитель теплоты; КА – котлоагрегат; НС – насос сетевой; НР – насос рециркуляционный; ТУ – теплоутилизатор; ИС – испаритель; К – компрессор; КН – конденсатор; ОК – водогрейный охладитель конденсата рабочего вещества теплового насоса; ГП – газоподогреватель; ДК – дроссельный клапан; Д – дымосос. тов, изменение эксергетических потерь в кото- рых наиболее существенно влияет на измене- ние эффективности системы в целом. Целесо- образно выделить такие элементы в исследу- емых теплоутилизационных системах. С этой целью проведены тепловые и эксергетические расчеты изменения эксергетических потерь в теплоутилизационных системах при измене- нии эксергетических потерь в каждом отдель- ном элементе системы. Эти расчеты позволи- ли выделить два элемента – теплоутилиза- тор (ТУ) и газоподогреватель (ГП), изменение эксергетических потерь в которых наиболее сильно влияет на изменение эффективности систем в целом. Проведена оптимизация ука- занных элементов теплоутилизационных сис- тем. Необходимые для решения оптимизаци- онных задач функциональные зависимости критериев эффективности от основных пара- метров теплоутилизатора и газоподогревателя получены с использованием статистических методов планирования эксперимента [9, 10]. На этом этапе исследований в качестве целе- вых функций оптимизации использовались критерии эффективности: kex = Eвнут·m/Q2, ε = Eвнут/Q. (10) В качестве варьируемых характеристик выбраны геометрические параметры оребрен- ных поверхностей теплообмена теплоутили- затора и газоподогревателя: высота ребра h, толщина ребра b и межреберный шаг S. В рам- ках указанных методов для построения мат- риц планирования в каждом случае был реа- лизован ортогональный центральный компо- зиционный план. В табл. 1 приведены условия проведения экспериментов с указанием интер- валов изменения геометрических параметров (уровней варьирования). В качестве примера приведены полученные функциональные зависимости для водогазово- го газоподогревателя: пот пот т ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №264 КОММУНАЛЬНАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА kex = 6,61·10-3h2 + 1,11·10-2b2 + 3,07·10-4S2 + 8,96˟ ˟10-3hb + 2,83·10-4hS + 5,55·10-3bS – 1,29·10-4h – – 3,42·10-2b + 1,48·10-2S + 5,09·10-2; ε = – 1,34·10-4h2 + 3,06·10-4b2 – 3,12·10-4S2 – 1,2˟ ˟10-4hb + 5,65·10-5hS – 2,78·10-4bS – 2,7·10-3h – – 3,74·10-3b + 7,46·10-3S + 5,44·10-2. На рис. 2 представлены зависимости критерия эффективности kex от геометрических параме- тров оребренной теплообменной поверхности теплоутилизатора. Минимизация полученных функциональ- ных зависимостей для критериев эффектив- ности kex и ε позволила определить области оптимальных значений параметров теплооб- менной поверхности теплоутилизатора и газо- т Табл. 1. Условия проведения экспериментов Фактор Уровень варьирования h, мм b, мм S, мм ТУ ГП ТУ ГП ТУ ГП Основной уровень xiо 10,0 9,5 0,6 1,0 5,0 4,8 Верхний уровень xi в 17,0 12,0 0,8 1,5 7,0 7, 0 Нижний уровень xi н 3,0 7,0 0,4 0,5 3,0 2,5 Звездные точки xi в xi н 18,5 1,5 12,5 6,5 0,84 0,36 1,6 0,4 7,4 2,6 7,6 2,0 Интервал варьирования δi 7,0 2,5 0,2 1,0 2,0 2,3 подогревателя (табл. 2). Теплоутилизатор и га- зоподогреватель с оптимальными параметра- ми оребренной поверхности (ТУопт и ГПопт) введены в качестве составляющих элементов в предложенные теплоутилизационные систе- мы, что позволило увеличить эффективность теплоутилизационных систем в среднем на 3...4 %. Для теплоутилизационных систем с опти- мизированными элементами на основе соот- ношений (1) – (10) определены критерии эф- фективности и проведен сравнительный ана- лиз термодинамической эффективности (табл. 3). Здесь 1 – теплоутилизационная система, пред- назначенная для подогрева обратной теплосе- тевой воды, 2 – теплоутилизационная система, т т а) б) Рис. 2. Зависимости критерия эффективности kex от геометрических параметров оребренной теплообменной поверхности теплоутилизатора: а) S = 2,8мм; б) b = 0,45 мм. т ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №2 65 КОММУНАЛЬНАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА предназначенная для подогрева и увлажнения дутьевого воздуха и подогрева обратной теп- лосетевой воды. Результаты проведенной термодинамичес- кой оптимизации и сравнительного анализа эффективности теплоутилизационных систем различного назначения можно сформулиро- вать следующим образом: • Оптимизация отдельных элементов теп- лоутилизационных систем (теплоутилизатора и газонагревателя) позволила увеличить эффек- тивность теплоутилизационных систем в сред- нем на 3…4 %. • Термодинамическая эффективность теп- лоутилизационной системы для подогрева об- ратной теплосетевой воды выше эффектив- ности системы для подогрева и увлажнения дутьевого воздуха и подогрева обратной теп- лосетевой воды в среднем в 2,9 раза как в слу- чае использования теплового насоса при реа- лизации технического решения, так и без его использования. • Использование тепловых насосов в ком- плексной системе утилизации теплоты ухо- дящих газов котлоагрегата повышает термо- динамическую эффективность предлагаемых теплоутилизационных систем, при этом эф- фективность использования тепловых насосов в случае применения теплоутилизационной системы для подогрева и увлажнения дутьево- го воздуха и подогрева обратной теплосетевой воды выше, чем в случае применения системы для подогрева обратной теплосетевой воды. Так в первом случае использование тепловых насосов повышает термодинамическую эффек- тивность теплоутилизационной системы на 31 %, а во втором – на 12 %. Табл. 2. Результаты решения оптимизационной задачи Параметры Оптимальные значения Теплоутилизатор Газоподогреватель h, мм 12,0…14,0 7,0…9,0 b, мм 0,4…0,5 0,4…0,5 S, мм 2,5…3,0 2,5…3,0 kex, кг/кВт 0,190 0,215 ε 0,062 0,077 т Табл. 3. Термодинамическая эффективность теплоутилизационных систем и их отдельных элементов Параметр Теплоути- лизационная система N, кВт Q, кВт ΔEдг, кВт ΔEвод ΔEвоз, кВт ΔEвнут, кВт ε ηех, % 1 С ТН 26,6 326,3 89,6 35,8 80,4 0,246 30,8 Без ТН 113,0 757,2 134,2 80,4 166,7 0,220 32,5 2 С ТН 7,6 101,8 96,3 22,1 81,8 0,787 21,3 Без ТН 158,0 427,9 190,6 86,0 262,6 0,555 24,7 Отдельные элементы теплоутилизационой системы ТУ - 306,8 80,6 29,7 50,9 0,166 36,8 ТУопт - 306,8 30,4 11,4 19,0 0,062 37,5 ГП - 12,3 0,7 2,1 1,5 0,111 35,2 ГПопт - 12,3 0,5 1,5 0,9 0,077 36,3 ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №266 КОММУНАЛЬНАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА Выводы 1. Основные термодинамические положе- ния методики комплексного анализа эффектив- ностии теплоутилизационных систем и струк- турно-вариантного метода термодинамической оптимизации адаптированы к исследованию теплоутилизационных систем сложной струк- туры. 2. Выполнено моделирование внутренних эксергетических связей теплоутилизационных систем котельных агрегатов, предназначенных для подогрева обратной теплосетевой воды, а также для подогрева и увлажнения дутьевого воздуха и подогрева обратной теплосетевой воды. Теплоутилизационные системы пред- ставлены в виде ряда дискретных взаимосвя- занных потоками эксергии элементов более простой структуры, внутренние процессы в которых не рассматриваются, а во внимание принимаются только свойства, определяющие материальное и энергетическое взаимодей- ствие их с остальными элементами системы. 3. Установлено, что теплоутилизатор и га- зоподогреватель, которые являются составны- ми элементами теплоутилизационных систем, представляют собой совокупность элементов, изменение эксергетических потерь в которых наиболее существенно сказывается на измене- нии эффективности систем в целом. 4. Проведена оптимизация указанных эле- ментов на основе использования статистичес- ких методов планирования эксперимента. Оп- тимизированные элементы введены в тепло- утилизационные системы, что позволило уве- личить их эффективность, в среднем, на 3… 4 %. 5. Установлено, что использование тепло- вых насосов в комплексной системе утилиза- ции теплоты уходящих газов котельного агре- гата повышает термодинамическую эффек- тивность системы в случае ее применения для подогрева обратной теплосетевой воды на 12 %, а в случае применения для подогрева и увлажнения дутьевого воздуха и подогрева обратной теплосетевой воды – на 31 %. ЛИТЕРАТУРА 1. Амерханов Р.А., Долинский А.А., Драга- нов Б.Х. Основы эксергоэкономического метода оптимизации энергопреобразующих систем // Промышленная теплотехника. – 2010. – Т. 32, № 1. – С.90 – 101. 2. Эксергетический метод и его приложе- ния. Под ред. В.М. Бродянского. – М.: Изда- тельство «Мир». – 1967. – 247 с. 3. Шаргут Я., Петела Р. Эксергия. – М.: Энергия. – 1968. – 277 с. 4. Фиалко Н.М., Шеренковский Ю.В., На- вродская Р.А., Голубинский П.К., Новаковский М.А. Комплексный подход к оценке эффектив- ности систем утилизации теплоты отходящих газов энергетических установок // Экотехно- логии и ресурсосбережение. – 2008. – № 5. – С. 22 – 28. 5. Фиалко Н.М., Шеренковский Ю.В., Сте- панова А.И., Навродская Р.А., Голубинский П.К., Новаковский М.А. Эффективность систем утилизации теплоты отходящих газов энерге- тических установок различного типа // Пром. теплотехника. – 2008. – Т. 30, № 3. – С. 68 – 76. 6. Фиалко Н.М., Шеренковский Ю.В., Сте- панова А.И., Навродская Р.А., Шевчук С.И., Новаковский М.А. Эффективность систем ути- лизации теплоты отходящих газов стеклова- ренных печей // Пром. теплотехника. – 2009. – Т. 31, № 4. – С. 78 – 85. 7. Эксергетический расчет технических систем. Справочное пособие. Под ред. Долин- ского А.А.: Наукова Думка. – 1991. – 360 с. 8. Фіалко Н.М., Пресіч Г.О., Навродська Р.О., Гнєдаш Г.О. Удосконалення комплексної системи утилізації теплоти відхідних газів котлоагрегатів для підігрівання і зволоження дуттьового повітря // Пром. теплотехника. – 2011. – Т. 33, № 5. – С. 88 – 95. 9. Налимов В.В. Теория эксперимента. – М.: Наука, 1971. – 207 с. 10. Налимов В.В., Голикова Т.И. Логические основания планирования эксперимента. – М.: Металлургия, 1981. – 151 с. Получено 28.02.2012 г.

Термодинамическая оптимизация и анализ эффективности теплоутилизационных систем котельных агрегатов

Institution

Similar Items