разное

Термоэкономический анализ и оптимизация

Для всех типов энергопреобразующих систем классические методы термодинамического моделирования известны и нашли широкое применение. Однако аппарат классической термодинамики в большинстве случаев оказывается недостаточным для решения задач проектирования и проектной оптимизации. Вопросы совмеще­ния термодинамических и экономических расчетов давно привлека­ли внимание специалистов. С начала 1960-х годов техническая термодинамика получила новый виток в развитии - прикладную термодинамику, а ее новое направление - термоэкономика* представило комплексную дисциплину, объединившую Первый закон термодинамики и экономическую теорию. Термоэкономика является технической дисциплиной, которая может быть объектом или инструментом исследований только для инженеров.

Развивая термоэкономику, в 1982 году была предложена эксергоэкономика**, объединившая Второй закон термодинамики (более точно - эксергетический анализ) и экономическую теорию.

В настоящее время понятия термоэкономика и эксерго­экономика являются синонимами, что записывается как термоэкономика (=эксергоэкономика).

Термоэкономический анализ является наиболее совершен­ным по сравнению с другими методами определения эффективности энергопреобразующих систем. Термоэкономику рассматривают как метод, способный указать пути сокращения стоимости системы как на этапе ее создания, так и дальнейшей эксплуатации. Практика проведения термоэкономического анализа показа, что эту инфор­мацию традиционными методами анализа получить невозможно.

Создание новых, более совершенных технических систем требует как можно более эффективного использования и распреде­ления всех материальных и человеческих ресурсов, чтобы оконча­тельно принятые решения были наилучшими из рассмотренных, т. е. оптимальными.

Оптимизация любой энергопреобразующей системы означает поиск схемного решения (модификацию структуры) и соответствующих характеристик термодинамических циклов (модификацию параметров), чтобы минимизировать капитальные и эксплуатационные затраты с учетом многих существующих ограни­чений, связанных с государственной политикой в области исполь­зования энергии, финансовыми ресурсами, защитой окружающей среды, доступностью материалов одновременно с обеспечением эксплуатационной надежности (высокой долговечности, безотказ­ности и стабильности действия, безаварийности, удобства эксплуа­тации и сохранения ремонтопригодности) и приемлемой стои­мостью ремонтных работ.

На разных этапах процесса создания энергопреобразующей системы имеют место различные ограничения. На стадии пред - проектных разработок инженер-проектировщик имеет большую свободу действий, чем на последних стадиях разработки проекта. Предпроектная разработка опирается на термодинамический ана­лиз и оптимизацию. Последующие стадии проекта предусматривают обязательный учет условий правильной эксплуатации машины, что должно быть заложено в конструкции элементов и узлов. Если в процессе эксплуатации при неквалифицированном обслуживании машина выходит из строя, то это означает, что конструкция недостаточно продумана в отношении надежности работы и возможности обслуживания. Если все потери, имеющие место в действительной машине, распределить по этапам ее создания, то на стадии предпроектных разработок определяется 40% потерь, при заключительном проектировании - еще 40%. Таким образом, на 80% потерь на этапе эксплуатации воздействовать уже невозможно.

В настоящей книге будет рассмотрен первый этап создания холодильных машин и тепловых насосов - термодинамический анализ циклов и соответствующих им схемных решений. Будут рассмотрены направления повышения эффективности, основы проведения оптимизационных расчетов как предпосылка для последующих этапов проектирования. На уровне предпроектного анализа и проектной оптимизации инженер-проектировщик нуждается в некоторых «руководящих принципах», основанных на методах термодинамики, в то время как нормативные указания по размещению оборудования и его эксплуатации необходимы при выполнении окончательного проекта. При создании первого вари­анта проекта и выполнении проектной оптимизации успех зависит прежде всего от удачного выбора логического метода, исполь­зуемого инженером. Необходимо из анализа исключать нереалис­тичные области, например, предлагать к использованию только что появившееся новое рабочее вещество, новые типы оборудования без информации о надежности эксплуатации этого рабочего вещества или оборудования в течение длительного времени. Существенным является и то, чтобы логика принятия решений инженером не ограничивала возможные изменения в конструкции слишком малым числом вариантов, за пределы которых нельзя выйти.

С целью облегчения процедуры принятия решения на стадии предпроектного анализа и оптимизации, Д. Сама (США) в 1995 году впервые сформулировал «6 советов проектировщику»: Совет 1. Второй закон термодинамики является наиболее мощной теоретической основой проектирования и дальнейшей оптимизации; Совет 2. Второй закон термодинамики применим как к проектированию отдельных элементов, так и энергопреобразующей системы в целом;

Совет 3. Наличие множества оптимальных решений на уровне проектной оптимизации лучше, чем определение единственного (глобального) оптимума;

Совет 4. Процесс проектирования является субъективным и полностью зависит от квалификации инженера-проектировщика; Совет 5. Инженер-проектировщик несет полную ответственность за выполненный проект;

Совет 6. Проектировщик может использовать любые комплекс­ные виды анализа, но постоянной составляющей в них должен оставаться Второй закон термодинамики.

При создании системы и ее дальнейшей оптимизации должна быть определена некоторая функция от переменных величин, которые и должны быть степенями свободы для анализа и оптимизации. Эти переменные не всегда независимы друг от друга, поэтому их необходимо рассматривать одновременно. Величина объективной функции на стадии проекта, по предложению Й. Эль - Саеда (классический вариант термоэкономической функции), описывает стоимость полученной продукции

Ср =ZcrF+ZcZ'Z+CR, (2.62)

Где Ср - стоимость полезного эффекта, т. е. «продукта» (например, холода, выработанного холодильной машиной); cF и сР - соответ­ственно цена топлива F и продукта Р, сформированные рынком; cz - дисконтированные капитальные затраты от Z; Cr - постоянная стоимость остатка, как функция совершенства проекта. Когда пред - проектная стадия переходит в проектную, Cr может стать перемен­ной для сравнения с другими решениями, не зависящими от проекта.

Главный принцип оптимизации в термоэкономике - это получение максимальной эффективности при минимальных затратах. Объективная функция может быть минимизирована (доход максимизирован) исключительно термодинамическими методами совершенствования энергопреобразующей системы.

В задаче минимизации стоимости энергетической системы задействованы три группы переменных: термодинамического анализа {F, Р} проектирования и производства {Z}; экономического анализа {cf, ср, cz}. Каждая группа переменных имеет собственные методы формирования величин, следовательно, должна быть представлена соответствующими моделями.

Любая энергопреобразующая система состоит из некоторого количества элементов. Описание процессов, происходящих в каждом элементе, осуществляется через характерные переменные. Элементы могут быть оптимизированы один за другим (с учетом их местонахождения в системе) или в комплексе, однако надо помнить, что любая оптимизация (локальная, глобальная) всегда затронет более чем один элемент в системе. Оптимизация отдельного элемента в отрыве от системы в целом невозможна. Исключи­тельные случаи составляют вопросы модернизации, которые не относятся к предпроектному анализу.

Декомпозиция ур. (2.62) по дисциплинам демонстрирует большое количество переменных, вовлеченных в процесс оптими­зации. Обычно одна из дисциплин выбирается как «активная», и, с точки зрения этой дисциплины, система разделяется на элементы. Очевидно, что для инженера-проектировщика «активной» дисцип­линой является термодинамика, а разделение системы на элементы должно происходить по принципу «один процесс - один элемент».

Термодинамика. Основная задача термодинамического ана­лиза в терминах эксергии - это исследование степени совершенства процессов и определение возможных границ ее увеличения. В этой области использование Второго закона термодинамики (эксергети­ческого анализа) имеет большее дидактическое значение по сравне­нию с использованием Первого закона термодинамики (энергетичес­кого анализа).

Например, величину СОР не всегда корректно использовать, особенно для систем, производящих несколько продуктов (полезных эффектов), величина £ лишена этих отрицательных моментов.

Проектирование и производство. Методы проектирования хорошо развиты среди инженеров всего мира и обусловлены уровнем технического образования и опытом работы. Несколько иное положение наблюдается с уровнем развития производства. На сегодня имеется возможность использовать любое одноименное оборудование, различие в котором составляет качество изготовления и, соответственно, стоимость. В целом можно констатировать, что современный рынок оборудования способен удовлетворить любое техническое решение, принятое инженерохм-проектировщиком.

Экономика. Экономическая модель, применяемая в термо­экономике, отличается от экономической модели, традиционно используемой в технико-экономическом анализе.

Стоимость эксплуатации энергопреобразующей системы логически определяется как

Z = Zc/ +Zmom +ZOM (д. е./кВ). (2.63)

Экономическая модель действительной энергопреобразующей системы представляет совместное решение системы уравнений: • капитальные (инвестиционные) затраты системы

ZCI =аа— (д. е./кВт); (2.64)

• затраты на начальную энергию для функционирования системы

(2.65)

Zmonn =wcF (д. е./кВт);

(2.66)

• стоимость эксплуатации и обслуживания

1

ZOM =b— + d (д. е./кВт);

Амортизационные отчисления

Qnd-q)

І + г CP

100 2

1 +

А =

(д. е./д. е./кВт); (2.67)

Коэффициент дисконтирования

L+t + V

I ЮО у

Удельное энергопотребление

5600 ✓ ту / о ч

W =-------- (кДж/кВт ч);

Г]

Среднее время работы системы

(2.68)

(2.69)

Годовое производство

(час/год),

(2.70)

Полезного эффекта Номинальная мощность

ТЛ =-


Где cF - цена топлива (д. е./кДж); а - инвестиционная стоимость (д. е./кВт); Ъ - затраты на ремонт и обслуживание, зависящие от установленной мощности (д. е./кВт); d - затраты на ремонт и обслуживание, зависящие от поколения используемой техники (д. е./кВт); і - банковский процент инвестиционных затрат на создание системы (%/год); г - инфляционный коэффициент (%/год); п - срок службы объекта (год); CP - время создания объекта (год); tA - годовые налоги (%/год); v - годовая страховка (%/год).

В странах со стабильной экономической ситуацией приве­денная методика имела неоднократную положительную апробацию. Для стран с переходной или зависимой экономикой экономические

Расчеты рекомендуется проводить с учетом региональной политики ценообразования.

Итак, нами были рассмотрены основные составляющие термоэкономики. Теперь проанализируем преимущества эксерго - экономики, главное из которых заключается в том, что в основе эксергоэкономики, как комплексного анализа, лежит Второй закон термодинамики. Методы эксергоэкономики применимы как к анали­зу всей энергопреобразующей системы, так и отдельного элемента.

Уравнение эксергоэкономического баланса является основ­ным уравнением эксергоэкономики

Cq. ic + X ^вх, к = У^ Свых к + Cwk. (2.71)

---------- v------------ ——v-------------------

Входящая стоимость - выходящая стоимость

Стоимость любого теплового потока (входящего или выходящего) определяется произведением цены эксергии этого потока (удельной стоимости эксергии) и величины эксергии потока

Ск=скЕк. (2.72) '

Основные критерии эксергоэкономического анализа:

• относительное различие стоимости эксергии продукта (СР>к) и эксергии топлива (CFk) для к-го элемента системы

Гк = сРЛ-сРЛ =/ZfL+_z1_. (273)

C-F, k Єк CF, k^P, k

• абсолютное изменение цены потока рабочего вещества при прохождении через к-ый элемент определяется в зависимости от главного условия проведения анализа

Ac^Zk+cpkEDM (2.74а)

ЕF, k

Если Ер к=const и

Ack = ---------- (2.746)

Ер>к

Если EPk-const

Z,

Fk =-------------- Г1------------ Ї> (2-75)

Zk +CF, kED, k+EL, k)

Где cPtk - цена эксергии продукта, определяемая совершенством работы энергопреобразующей системы; cF>k - цена эксергии топлива, определяемая рыночной ценой на используемый источник энергии;

/^F ҐЛЛ Z1 /

Zk=Zk + Zk сумма капитальных (Zk ) и эксплуатационных затрат (Zfм ) для fc-ro элемента.

Эксергоэкономика предусматривает возможность проведе­ния оптимизации элемента в отрыве от системы в целом. С этой целью используют эксергоэкономический фактор (ур.(2.75)), максимально возможное значение которого при существующих ограничениях соответствует понятию «оптимальный элемент». Однако следует помнить, что 0<fk<.

Первое слагаемое в ур. (2.73) содержит переменную эксерге­тического анализа (єк), второе слагаемое представляет комплекс из одной переменной эксергетического анализа (Еок) и двух пере­менных экономического анализа (Zk и cF>k). Аналогичная случай имеет место и в ур. (2.74)-(2.75).

Видно, что основные переменные эксергетического анализа присутствуют в уравнениях эксергоэкономического анализа. Автор надеется, что теперь на традиционный вопрос: «Как использовать понятие эксергии в инженерных расчетах?», имеется убедительный ответ: «В эксергоэкономическом анализе и оптимизации».

Эксергоэкономический фактор

Моделирование энергопреобразующей системы возможно проводить как с использованием методов классической, так и прикладной термодинамики. При этом не достаточно определить исключительно энергетическую эффективность системы, необходи­мо также составить представление о ряде инженерно-экономических факторов, например, таких как масса теплообменных аппаратов и их стоимость, качество используемых материалов и их стоимость, габариты и эргономические показатели, технологичность произ­водства элементов и системы в целом. Видно, что методы термоэкономики (эксергоэкономики) позволяют сформировать достаточно полную модель энергопреобразующей системы и использовать эту модель при решении различных, в том числе весьма сложных оптимизационных задач.

2.5. Основные термодинамические процессы в холодильных машинах и тепловых насосах

Существуют пять основных термодинамических процессов:

Политропный

Адиабатный (изоэнтропный)

Изотермический

Изобарный

PV1-const;

S=const; T=const p-const', V=const.

Изохорный

Для более точного описания того или иного процесса иногда к названию процесса добавляют слово «адиабатный», что указывает на отсутствие теплового контакта с окружающей средой во время осуществления этого процесса. Такое описание вносит сложность в понимание сути процесса, особенно для студентов. Поэтому в дальнейшем, при рассмотрении процессов, будем однозначно считать, что при прохождении любого процесса тепловой контакт с окружающей средой отсутствует. Если же для описания реального процесса необходим будет учет влияния теплового контакта с окружающей средой, то этот факт будет оговорен отдельно.

Элемент

Перенос тепла

Назовем основные элементы холодильных машин и тепловых насосов, в которых протекают вышеописанные процессы - таблица 2.2.

Таблица 2.2

Наименование процесса

Теплообменные аппараты

Компрессоры, турбины, насосы, вентиляторы, детандеры

Камера сгорания топлива, генераторы, абсорберы, адсорберы

Сопла, диффузоры, конфузоры

Дросселирование

Смешение

Любые устройства местного сопротивления (капиллярные трубки, дроссельные вентили и т. д.) любые аппараты, где иметт место массообмен (промежуточные сосуды, абсорберы и пр.)

В обобщенном виде все разнообразие термодинамических процессов и уравнений, их описывающих, приведено в таблице 2.3.

Суммируя весь материал, дадим комплексное описание основных элементов холодильных машин и тепловых насосов с позиций Первого и Второго закона термодинамики - таблица 2.4.

Термоэкономический анализ и оптимизация

Изображение линий процессов в некоторых диаграммах широко применяемых в инженерной практике, представлено на рис.2.8.

Рис.2.8. Линии термодинамических процессов в диаграммах состояний рабочего вещества

Таблица 2.3

Политропный /7 Vй-const

Адиабатный S=const

Изотермический T-const

Изобарный p=const

Изохорный V^const

Уравнение процесса

Plvf=P2v^

P:vi =P2V 2

Plvl = P2V2

V2 T2

EL^IL

P2 T2

Показатель политропы т

Т

К

1

0

±00

Уравнение Первого закона термодинамики

Sq = cvdT + pdT ; 8q~du + pdv; Sq~dh - vdp

Du ~-dw; du - - pdv

Fri­ll II

*S Э*

6q = du + RdT; Sq = cpdT

Sq = du Sq = cvdT

Теплоемкость

С =-------------------- -

M-l

C-0

С = 00

Dh Cp~dT;

P k-1

Du

Теплообмен с

Внешним

Источником

J * 4 k-l

- 'T2~T,)

M-l

Q = 0

Q = RTln—;

Vi

Q = RTln

Рг

Q-h2 - h,;

Q = R k X k-1

Xfa-Tj)

1

W =--------- X

M-l

X(Pivi ~ Pibl'

Pivi w= 1 x

M-l

1

W =-- x

K-1

*{PIvI ~P2b): Pivi k-1

Таблица 2.4

Первый закон термодинамики

Энергетическая эффективность

Второй закон термодинамики

Эксергетическая эффективность

Дррссельный вентиль

»[xj ***

H^k.

Турбина (детандер)

/ •2

1

8

W

W=M(h,-h2)

Hj-h, ^ т ——<i,

Hi-ths

Где

7-2 необратимый процесс,

7-2$ обратимый процесс

Sgen=M{s2-Sl)Z0

W

Є =------------

Е1~Е2

Коміфессор (насос)

~N

>1

W = M(h2-h1)

Fh-h,

Где

7 >2 необратимый процесс,

L-2s обратимый процесс

Sgen=M{s2-s2)>0

Еу — Ej є-—----------------

Сопло

Ifc'-vfh

= hj-~h2

V2 - V2 V - 2 7 <i

Sgen=M{s2-Sl)>0

*)

Запись эксергетической эффективности для этих процессов подразумевает разделение физической эксергии рабочего вещества на термическую и механическую составляющие (рис. 2.6), что требует использования специальных методов эксергетического аналича, поэтому в настоящей книге эти w. < , , и ы рассмотрены не будут.

разное

Секреты производства: как изготавливается сухой корм для кошек

Сегодня многие владельцы домашних животных не утруждают себя приготовлением классической вареной еды для любимцев, а просто наполняют мисочки пушистиков сухими кормами, которые стали так популярны.

Качественная автономная канализация для загородного дома от грамотных специалистов фирмы «Дом Экологии»

Квалифицированные инженеры, работающие в компании «Дом Экологии», советуют владельцам частных домов либо коттеджей заказать услугу по установке автономной канализации, которая требует минимального обслуживания. Уже многие клиенты, посетившие раздел http://www.osk-ekoline.com.ua/avtonomnaja-kanalizacija-polijetilen.html, смогли …

Преимущества зеркальных шкафов в интерьере

Не секрет, что шкаф-купе — мебель довольно габаритная, так как его объемы должны предусматривать размещение множества вещей. Однако зачастую это отрицательно сказывается на визуальном восприятии небольшого помещения.

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.