разное

Системы регенерации тепла

В мире существует достаточно много работ, направленных на оптимизацию систем регенерации тепла. Все работы в этом направлении объединены общим названием «Heat exchangers network (HEN)» и представляют термодинамический и термоэкономический, а также теплотехнический анализ и синтез систем регенерации тепла.

Случай создания системы РТО между различными энерго- преобразуюіцими системами, где одной или несколькими из них являются холодильные машины, встречается очень редко. В качестве примера можно назвать сложную систему регенеративного тепло­обмена между холодильной машиной и энергетической установкой, используемую в пределах одного транспортного средства (самолет, пароход, автомобиль). Случаи создания систем РТО широко распространены для предприятий, использующих искусственный холод, например, при производстве пива и безалкогольных напитков, на молочных заводах, хлебокомбинатах, а также во многих химико - технологических процессах, например, при производстве искусствен­ного каучука. Известны системы РТО между несколькими криоген­ными установками в пределах одного предприятия. Применение систем РТО с участием тепловых насосов и, особенно, теплофика­ционных машин, имеет большие перспективы.

В 1971 году Э. Гохманн (США) впервые представил идею создания системы регенерации тепла, как отдельной энергетической системы (рис.9.176). С начала 1980-ых годов Б. Линнхофф (Велико­британия) развивает эту идею и вводит понятие «ріпсЬ»-метода как концепции оптимального синтеза системы РТО[34]. Оставляя идею мето-

Да, но, используя термоэкономический критерий как функцию оптимизации, с 1990-ых годов Д. Сама и позже Э. Шиубба (Италия) работают над совершенствованием «ріпсЬ»-метода.

Рассмотрим основы «ріпсІі»-метода (рис.9.19). По исходным данным, к которым относят количество холодных и горячих потоков, а также соответствующие каждому потоку входящие, выходящие температуры и термодинамические свойства, изображают характе­ристики каждого потока в координатах T-Q (рис.9.19а). Далее суммируют температурно-тепловые характеристики всех горячих и всех холодных потоков. В результате этой части анализа инженер - проектировщик обладает двумя ломаными линиями, представляю­щими обобщенную линию (icomposite curve) горячих потоков и обобщенную линию холодных потоков. Далее, линии сближают друг с другом на минимальное расстояние, соответствующее потенциаль­ному РТО с ATmin, которое и будет соответствовать так называемым «pinch»-T04KaM для холодной и горячей обобщенных линий. Процедура «сближения линий» отражает процесс оптимизации. Разные варианты «сближения» будут описывать разные варианты конфигурации системы РТО и соответствовать разным значениям функции оптимизации.

Тепло, которое не может быть отведено посредством регене­ративного теплообмена, должно быть отведено внешней охлаж­дающей средой; тепло, которое не может быть получено посредством регенеративного теплообмена, должно быть подведено от внешнего источника тепла.

При рассмотрении системы РТО в виде отдельной контрольной поверхности (рис.9.176) создание обобщенной (гипо­тетической) схемы всех возможных вариантов осуществимо только при малом числе потоков. Например, для случая создания системы РТО между 2 холодными и 2 горячими потоками, число РТО будет равно 24. В этом случае прямой перебор вариантов осуществить возможно, но возникает вопрос: «Сколько будут стоить такие исследования?». Если увеличить число потоков для синтеза системы РТО до 5 холодных и 5 горячих, то обобщенная схема уже составит 1,55х1025 вариантов соединений потоков, т. е. числа РТО. Очевидно, что осуществить прямой перебор такого числа вариантов уже нереально и необходимо каким-либо образом процесс синтеза системы РТО сделать направленным, подчиняющимся определенным принципам и законам. Одним из методов направленного поиска является создание и использование экспертных систем.

Существуют принципы и правила формирования экспертных систем. Экспертная система считается созданной, если сформули­рован набор эвристических правил, на основании которых можно принять решение (при синтезе или анализе системы) и сделать выводы. Сбор необходимого количества теоретической и практи­ческой информации, которой было бы достаточно для формирования экспертной системы - трудоемкая и тяжелая задача, так как информация находится в разрозненном виде, постоянно обновляется и подразумевает систематический обзор литературы и критический ее анализ специалистом высокого уровня знаний в определенном направлении техники.

Первая экспертная система для оптимального синтеза сис­темы РТО была создана под руководством Э. Шиуббы в 1999 году и явилась предпосылкой широкому внедрению автоматизированного проектирования (синтеза и оптимизации) в «pinch»-анализ.

В основу экспертной системы положены «13 руководящих принципов проектирования на основе Второго закона термоди­намики». Для использования в экспертной системе некоторые прин­ципы получили категорические формулировки:

Правило 1. Число регенеративных теплообменников как самостоятельных элементов в системе РТО должно быть близко к числу Гохманна NHen, определяемому как

XHEN =NC+NH+ Nad_c + Nad_h -1, (9.28)

Где Nhen - число холодных потоков; NH - число горячих потоков; Nc - число холодных потоков; NAd-c - число внешних источников для охлаждения (традиционно принимают NAd-c - 1, имея в виду охлаж­дение с помощью окружающей среды); NAD, H - число внешних источ­ников для нагрева.

Правило //. Тепловой поток от холодного потока к горячему запрещен.

По своей сути Правило II является одной из формулировок Второго закона термодинамики. Оно встречалось в виде Совета 1 и Совета 6 в «Советах проектировщику» (п.2.4), а также в виде Принципа 13 из «Руководящих принципов...».

Правило III. Нагрев предварительно охлажденного потока запрещен.

Правило IV. Охлаждение предварительно нагретого потока запрещено.

Правило V. Охлаждение горячих потоков до «ріпсЬ»-точки посредством внешней охлаждающей среды запрещено.

Правило VI. Нагрев холодных потоков ниже «ріпсЬ»-токи посредством внешнего греющего источника запрещен.

Правила V и VI описывают рациональное использование внешних горячих и холодных потоков.

Правило VII. Конфигурации систем РТО, в которых встре­чаются РТО с температурной разностью большей максимально допустимых значений, исключаются из дальнейшего рассмотрения.

Правило VIII. Конфигурации систем РТО, в которых встречаются РТО с температурной разностью меньше минимально допустимых значений, исключаются из дальнейшего рассмотрения.

Эти два правила подразумевают, что на этапе проектирования инженер-проектировщик должен определиться с выбором типа теп­лообменной поверхности регенеративного теплообменника (рис.9.3), соответственно для этой конструкции будут известны ЛТтіп и АТтах.

Правило IX. Для формирования соединения потоков в РТО всегда необходимо соединять тот горячий и тот холодный потоки, для которых температура входа горячего потока в РТО максимально приближена к температуре выхода холодного потока.

Это правило относится к формированию подсистемы РТО выше «ріпсЬ»-точки.

Правило X. Для формирования соединения потоков в РТО всегда необходимо соединять тот холодный и тот горячий потоки, для которых температуры выхода холодного потока из РТО максимально приближена к температуре входа горячего потока.

Это правило относится к формированию подсистемы РТО ниже «pinch »-точки.

Правило XI. Смешение потоков запрещено.

Правило XII. Не отказываться от использования внешних источников тепла и охлаждения.

Правило XIII. Отказываться от соединения потоков, имеющих большую разницу между величинами полных теплоемкостей.

Правило XIV. Минимизировать использование промежуточ­ных теплоносителей при осуществлении теплообмена между двумя потоками.

Правило XV. Экономическая эффективность работы тепло- обменного аппарата обратно пропорциональна термодинамической.

Правило XVI. Минимизировать случаи дросселирования рабочего вещества перед РТО.

Правило XVII. Степень необратимости процесса в РТО является функцией величины массового расхода рабочего вещества каждого потока.

Правило XVIII. При проведении проектной оптимизации необ­ходимо использовать упрощенный эксергетический метод.

Правило XIX. В практической работе инженер-проектировщик должен использовать только те методы, основанные на Втором законе термодинамики, которые являются актуальными при решении конкретной задачи.

Теперь, в качестве примера рассмотрим систему РТО, состоящую из 2 холодных и 2 горячих потоков (таблица 9.4 и рис.9.19а).

На основании правила I NHen=5, так как предполагается использовать один внешний нагревающий и один внешний ох­лаждающий источник. Обобщенная линия горячих потоков состоит из трех фрагментов: в диапазоне температур 450...400К она соот­ветствует только потоку Н4, в диапазоне 400...350К обоим горячим потокам, в диапазоне 350...310К - только потоку HI. Аналогично обобщенная линия холодных потоков также состоит из трех фрагментов: в диапазоне температур 300...330К она соответствует только потоку С2, в диапазоне 330...370К - обоим холодным потокам, в диапазоне 370...390К - только потоку С2. При AT^n-10 град, «pinch»-точка для холодных потоков соответствует 7с, ршсй=ЗЗОК, «ріпс1і»-точка для горячих потоков 77#>/ч>1С/1=340К, следовательно, значение Tpinch=335К будет соответствовать понятию «ріпсЬ»-точки системы РТО.

Тепло, которое необходимо отвести с помощью внешней охлаждающей среды <2с=6кВт; тепло, которое необходимо подвести от внешнего источника тепла (2я=48 кВт; а 322 кВт будут переданы от горячих потоков к холодным исключительно путем регенерации.

Оптимальный вариант синтеза системы РТО с точки зрения термоэкономики (при использовании компьютерного моделирования на основании эксперной системы) представлен на рис.9.20.

Многочисленные работы по синтезу и оптимизации систем РТО, в т. ч. «ріпсЬ»-методом показали, что анализ, синтез и оптимизация методами термоэкономики являются наиболее эффек­тивными и жизнеспособными, а разработка и углубление эвристичес­ких правил позволяет существенно ограничить перебор возможных вариантов для выявления высокоэкономичных конфигураций систем

РТО.