Одеська державна академія холоду

ЛОМОВЦЕВ ПАВЛО БОРИСОВИЧ

УДК 621.57

ДІАГНОСТИКА ЕНЕРГЕТИЧНОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ

ХОЛОДИЛЬНИХ І ТЕПЛОНАСОСНИХ СИСТЕМ

Спеціальність 05.05.14. – Холодильна і кріогенна техніка,

системи кондиціонування

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Одеса – 2003

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Одеській державній академії холоду Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник – кандидат технічних наук, доцент Косой Борис Володимирович,

Одеська державна академія холоду, доцент кафедри технічної термодинаміки.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Нікульшин Володимир Русланович, Одеський національний політехнічний університет, завідувач кафедрою теоретичної, загальної і нетрадиційної енергетики;

доктор технічних наук, професор Лагутін Анатолій Юхимович, Одеська державна академія холоду, професор кафедри холодильних установок.

Ведуча організація – Одеська національна академія харчових технологій, кафедра теплохладотехники.

Захист дисертації відбудеться 05.06.2003 року о 14 годин на засіданні спеціалізованої Вченої ради Д41.087.01 при Одеській державній академії холоду за адресою: 65026, м. Одеса, вул. Дворянська 1/3.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Одеської державної академії холоду.

Автореферат розісланий 30.04.2003 року.

Вчений секретар

спеціалізованої Вченої ради

доктор технічних наук, професор В.І. Мілованов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність. Ефективне використання паливно-енергетичних ресурсів (ТЕР) і застосування енергозберігаючих технологій є найважливішою умовою стійкого розвитку економіки. Рішення проблеми забезпечення ТЕР для задоволення зростаючих потреб населення, промисловості, сільського господарства і комунального сектора зв'язано як з активним упровадженням технологій альтернативної енергетики, так і з пошуком раціональних способів зниження енергетичних втрат і енергоємності традиційних систем перетворення енергії.

Відомо, що одним з ефективних заходів щодо економії палива і захисту навколишнього середовища, є застосування термотрансформаторів (ТТ), що працюють у режимі теплового насоса, і перетворюють природну низькопотенційну теплоту і теплові відходи в тепло більш високого потенціалу, що в ряді випадків служить альтернативою центральному паровому і водяному опаленню, електрообігріванню і т.п. При цьому, найбільший енергетичний і економічний ефект зв'язаний з можливістю спільного вироблення тепла і холоду.

Рішення про доцільність застосування технологій комплексного вироблення холоду і тепла, а також вибір робочих параметрів установок вимагають аналізу енергетичних і економічних критеріїв ефективності, експериментальне визначення і моніторинг яких являють собою трудомістку і витратну процедуру. Це, у свою чергу, ініціює задачу розробки комп’ютерно-ориентованих методик, що дозволяють здійснити чисельне дослідження і згенерувати на його основі рекомендації, як по раціональному проектуванню, так і по експлуатації діючих установок.

З іншого боку, важливою ланкою в механізмі енергозбереження є забезпечення ефективних режимів роботи (які характеризуються мінімальними відхиленнями режимних параметрів від їхніх проектних значень) енергоспоживаючих і енерготрансформуючих установок, що сприяє зниженню споживання ТЕР. Комп'ютерні системи діагностики і моніторингу, мабуть, повинні стати незамінним інструментом для рішення цієї задачі.

Мета і задачі дослідження. Основною метою даної роботи є розробка системного методу діагностики на основі створення ефективної моделюючої системи для парокомпресійних ТТ, що дозволяє ідентифікувати раціональні режими роботи й установити причини зниження ефективності окремих елементів, а також холодильних і теплонасосних установок у цілому шляхом визначення і наступного аналізу термоекономічних показників ефективності.

Об’єктом досліджень є холодильні і теплонасосні системи.

Предметом досліджень є діагностика енергетичної ефективності холодильних і теплонасосних систем, яка ідентифікує їх штатні, еталоні і ефективні режими на основі методів ексергоекономіки.

Методи дослідження: теоретичні узагальнення, математичне моделювання, аналітичні і чисельні методи, апроксимація масиву табличних даних, комп'ютерне моделювання, чисельні експерименти, експериментальна апробація розробленої комп'ютерної програми системної діагностики для діючої виробничої установки.

Основне наукове положення, новизна якого захищається автором:

Системна діагностика одноступінчатої парокомпресійної холодильної машини і теплового насосу здійснюється на основі декомпозиції її виробляючої структури на п’ять підсистем й три комунікатори (зєднання).

Наукова новизна роботи визначається наступними результатами:

· розроблено метод системної діагностики холодильних машин (ХМ) і теплових насосів (ТН), заснований на теорії эксергетичної вартості що дозволяє оцінити енергетичну ефективність установки, ідентифікувати внутрішньокомпонентні і структурні необоротності, а також визначити зв'язані з ними додаткові втрати ТЕР;

· запропоновано методику ідентифікації ефективного режиму на базі локальної оптимізації питомої эксергетичної вартості підсистем, що дозволяє поліпшити термоэкономічні показники установки в порівнянні зі штатним режимом;

· створено відкриту універсальну багаторівневу модульну систему TTRH для формування теплотехнічних моделей термотрансформаторів, що працюють по схемах R, H і RH, що дозволяє проводити параметричний і структурний аналіз на етапі передпроектних розробок, генерувати схеми ТТ, а також розраховувати характеристики і проводити діагностику ефективності роботи ТТ у заданих умовах, а також формувати довільні запити, що відображають типові проектні процедури, реалізовувати сервісні проектні процедури, документувати результати розрахунків і діагностики, зберігати необхідну довідкову й іншу інформацію;

· за допомогою розробленої моделюючої системи TTRH проведені чисельні експерименти з метою аналізу термодинамічної ефективності окремих процесів і циклів парокомпресійних ХМ і ТН на холодильних агентах: R134а, R717, R152а, R113, R123 у широкому діапазоні зміни температур кипіння і конденсації в циклі.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблена автором методика діагностики ХМ і ТН дозволяє не тільки виявляти причини неефективності окремих елементів і всієї установки в цілому, але і, при її інтеграції в автоматичну систему керування, забезпечувати підтримку раціонального режиму роботи установки. Модульна система TTRH є відкритою й адаптованою для поповнення баз даних і тому може бути використана для проектування і чисельних параметричних досліджень одно- і двоступінчатих парокомпресійних ХМ і ТН на різних холодильних агентах, що забезпечує істотну економію часу і матеріальних ресурсів.

Результати проведених досліджень і розробок використовуються в планах розвитку і реконструкції системи хладопостачання ЗАТ “Одеса”.

Особистий внесок здобувача складається в розробці методу системної діагностики ХМ і ТН і створенні моделюючої модульної системи TTRH.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи були представлені на:

республіканській науково-технічній конференції “Оптимізація керування, інформаційні системи і комп'ютерні технології”, Південний науковий центр, м. Київ – Одеса, 1999 р.;

конференції “Енергозбереження, ефективність, екологія”, у рамках програми виставки “Інстал-терм-2002”, м. Одеса, 2002 р.;

II Міжнародної науково-технічної конференції “Сучасні проблеми холодильної техніки і технології”, м. Одеса, 2002 р.

Публікації. По темі дисертації опубліковані шість друкованих праць у науково-технічних журналах і працях міжнародних науково-технічних конференцій.

Обсяг і структура дисертації. Дисертація викладена на 167 сторінках машинописного тексту, включаючи 46 рисунків, 7 таблиць і складається з вступу, чотирьох глав, списку літератури з 148 найменувань і додатків на 10 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі відображена актуальність роботи, сформульовані цілі і задачі дослідження, що випливають із сучасного стану проблеми, сформульовані наукові положення, новизна, основні результати роботи і визначена її практична цінність.

У першому розділі розглянуті види термотрансформаторів, які використовуються у техніці, у тому числі – парокомпресійні установки, що працюють за комбінованою схемою RH для спільного вироблення тепла і холоду. Комбіновані установки RH ефективно використовуються в енергозберігаючих технологіях хімічної і нафтохімічної промисловості для теплопостачання й охолодження води на основі утилізації низькопотенційного тепла.

Виконаний аналіз спеціальної науково-технічної літератури виявив відсутність розробок на рівні створення комп’ьютерно-орієнтованих систем, що дозволяли б оцінити енергетичну ефективність, ідентифікувати внутрішньокомпонентні і структурні необоротності, а також визначити зв'язані з ними додаткові втрати ТЕР у холодильних і теплонасосних установках.

Існуючі методи аналізу ХМ і ТН як різноманітні, так і неоднозначні з позиції вибору критеріїв ефективності і визначення раціональних штатних режимів. При цьому, зведення про ефективні методи діагностики раціональних режимів роботи систем за комбінованою схемою RH практично відсутні, як у вітчизняній, так і в закордонній науково-технічній літературі.

Проведені дослідження показали, що для забезпечення адекватності математична модель (ММ) установки, що працює за схемою RH, повинна містити рівняння, що описують елементи ХМ і ТН, а також процеси і зовнішні зв'язки в них. Чисельний експеримент на основі такої моделі дозволяє аналізувати різні комбінації зовнішніх факторів і внутрішніх параметрів системи, у тому числі, нереалізовані при натурних іспитах ХМ і ТН. При цьому використання відомих моделей окремих елементів дозволяє створити багаторівневу модульну систему термотрансформатора RH у цілому.

Другий розділ присвячений опису розробленої відкритої багаторівневої модульної системи TTRH, що призначена для параметричного і структурного аналізу різних схем термотрансформаторів на етапах, що передують безпосередньому процесу проектування і конструювання. Предметною основою системи TT–RH служать модулі декількох рівнів, що описують характерні процеси в різних елементах ХМ і ТН (основних і допоміжних) в однакових вимогах, що забезпечують коректність і простоту їхньої спільної взаємодії. Блоки “А” – автономні і не залежать від модулів інших рівнів. Наповнення модулів відповідних рівнів показано на рис.1.

Універсальні принципи синтезу моделей ХМ і ТН на основі зазначених модулів використовують умови нерозривності потоку, баланс потужності, тепловий баланс, враховують агрегатний стан робочого тіла. Такий підхід дозволяє здійснити складний процес синтезу моделі з типових модулів простим і доступним способом. На рис.2 представлені копії екрана “TTRH Ідентифікація вхідних даних ХМ (ТН)” і “TTRH Результати моделювання ХМ (ТН)”.

У третьому розділі приведені результати чисельних експериментів, здійснених за допомогою системи TTRH, по термодинамічному моделюванню одно- і двоступінчатого парокомпресійного термотрансформатора. Основними задачами моделювання були: визначення раціональних режимів роботи; виявлення неефективностей окремих ланок і рівня їхнього впливу на загальну енергетичну ефективність термотрансформатора.

При проведенні чисельних експериментів як критерій ефективності ХМ і ТН розглядався ексергетичний к.к.д. Для установок, що працюють за схемою RH

= , (1)

де E, E, E – підводима до установки ексергія, холодо- і теплопродуктивність, відповідно.

Було проведене моделювання одноступінчатої парокомпресійної установки на R134а, R717, R123, R113, R152а. При цьому приймалися: кінцева різниця температур між робочим тілом і теплоносієм у випарнику і конденсаторі 5 град.; підігрів теплоносія (води) у конденсаторі 30 град.; охолодження теплоносія (води) у випарнику 7 град. Дослідження проводилися при постійній температурі конденсації tk=80єC у діапазоні температур кипіння to=–20...20є?. Рівняння ексергетичного балансу установки, що працює за схемою RH, має вид:

е = е + е + d , (2)

де е, е, е, d – питома кількість ексергії, підводимої до установки у вигляді електроенергії на привід компресора; питомі ексергії, які підводяться до випарника і конденсатора; сума питомих

1 рівень | Вихідні дані | А

2 рівень | Типові термодинамічні

процеси циклу

3 рівень | Рівняння стану

робочих речовин

4 рівень | Конструктивні розрахунки

компресора й апаратів

5 рівень | Формалізований ряд

теплообмінних елементів апаратів | А

6 рівень | Теплофізичні властивості

теплоносіїв | А

7 рівень | Гідравлічні розрахунки апаратів

8 рівень | Каталоги елементів

термотрансформаторів | А

9 рівень | Ексергетична ефективність

термотрансформатора й елементів

10 рівень | Системна діагностика

термотрансформатора

Рис. 1. Структура багаторівневої модульної системи TT–RH.

Рис. 2. Робота із системою TTRH.

необоротних втрат в установці, відповідно.

У чисельному експерименті проведен аналіз циклів одно- і двоступінчастої холодильних парокомпресійних установок, при цьому підігрів води в конденсаторі приймався від 45 до 75є?, а охолодження води у випарнику – від 22 до 15є?. Температурні границі циклів змінювалися в діапазонах: to=–20...20єC і tk=50...80єC. На рис.3 представлен ексергетичний к.к.д. установки при роботі на R134а, у залежності від to і tk. При цьому був виявлений максимум у діапазоні to –12...10єC при перепаді температур у циклі (tk–to) 63...70 град.

На рис.4 представлені зміни відносних потоків ексергії в конденсаторі е/е й у випарнику е/е, з яких випливає, що зі збільшенням to і tk значення е/е монотонно зростають. Характер зміни е/е прямо протилежний – при збільшенні to і tk, значення е/е зменшуються.

Рис. 3. Зміна ексергетичного к.к.д. exRH одноступінчатої установки при роботі на R134а.

Рис. 4. Зміна відносних потоків ексергії в конденсаторі exк/exвх і випарнику exи/exвх при роботі одноступінчатої установки на R134а.

Чисельний експеримент, проведений для двоступінчастої парокомпресійної установки, що працює за схемою RH на R134а при зазначених умовах, показав більш високі енергетичні характеристики в порівнянні з одноступінчатою установкою. Так, було знайдено, що за певних умов ексергетичний к.к.д. вище на 16,3...18,5% у порівнянні з одноступінчатою установкою.

Четвертий розділ присвячений опису методу системної діагностики холодильних і теплонасосних установок, що дозволяє виявити структурні зміни, що відбуваються в них, і відображає процес формування і перерозподілу ексергетичних вартісних потоків.

Основна задача системної діагностики ХМ і ТН – визначення витрачених ресурсів, що можуть бути зекономлені при збереженні кількості і підтримці постійними технічних параметрів кінцевого продукту, і ідентифікація способів такої економії.

З метою апробації розробленої методики була проведена системна діагностика для діючої аміачної холодильної установки (АХУ) на ЗАТ “Одеса”. Для цього робоча схема АХУ була представлена у вигляді виробляючої структури (рис.5). Усі потоки ексергії в установці були умовно розділені стосовно робочого тіла на ізотермічні (Т) і ізобаричні (Р) складові. По цьому принципу була побудована схема потоків в АХУ (рис.6), при чому уся виробляюча структура виявилася сформованою з п'яти підсистем і трьох комунікаторів (з'єднань). Слід зазначити, що універсальність такого компонування виробляючої структури дозволяє вважати її справедливої для будь-яких парокомпресійних одноступінчатих ХМ і ТН. При цьому формуються наступні підсистеми: 1) електропривід компресора; 2) компресорна; 3) конденсаторна; 4) дросельна; 5) випарна. Для всіх потоків у розглянутій структурі визначаються ексергетичні й економічні вартості. Умови формування балансових рівнянь для розрахунку зазначених вартостей ґрунтуються на, так званих, Е–П–З (енергосировина–продукт–залишок) припущеннях.

Системна діагностика використовує чотири модулі:

1. модуль обробки даних: зв'язаний із блоком збору даних про установку;

2. модуль ідентифікації штатного режиму: визначає фактичний стан установки;

3. модуль еталонної моделі: надає інформацію для будь-якого штатного режиму при заданих умовах чи вхідних в установку потоків;

4. модуль системної діагностики: ідентифікує зміни в споживанні енергоресурсів щодо еталонної моделі.

Діагностика здійснювалася при заданих умовах. Так, при одному з обраних штатних режимів: холодильна потужність Q=450 кВт; температура навколишнього середовища t=25єC; температура повітря в охолоджуваному об'єкті t=2єC; температура кипіння to=–12єC; температура конденсації tk=34єC; перегрів пари холодильного агенту після випарника t=5 град. При заданих умовах був реалізований штатний режим АХУ й отримані відповідні значення ексергоекономічних показників потоків.

Коли розглянуте відхилення в роботі установки зв'язано з впливом декількох підсистем, підвищення енергоспоживання, віднесене до n-го компонента, може бути визначено, як:

Э = k·d (3)

де d – частина збільшення втрат ексергії, зв'язана з n-им компонентом, тобто обумовлена наявністю внутрішньокомпонентної необоротності; k=(Э/d) – гранична питома ексергетична вартість n-ої підсистеми при фіксованих характеристиках інших підсистем.

Визначення внутрішньокомпонентних і структурних необоротностей може бути виконане на основі ексергетичного балансу. Для підсистеми n:

Рис. 5. Виробляюча структура АХУ:

КМ – гвинтовий компресор; КД – повітряний конденсатор; РВ – дросельний вентиль; И – ропний випарник; ОЖ – віддільник рідини; МО – масловіддільник; МС – маслозбірник; ГПН – градирня; НВ, НР, НМ – насоси відцентрові – водяний, ропний, масляний, відповідно; В1, В2 – вентилятори осьові – на повітряному конденсаторі і на градирні, відповідно; Э1…Э6 – електродвигуни; L1, L3…L6–робота електродвигунів; L2 – робота, підводима до компресора.

Рис. 6. Потоки у виробляючій структурі АХУ.

d = Э – П = (k – 1)·П, (4)

де d, Э, П – необоротність, енергосировина і продукт у розглянутій підсистемі, відповідно; k – питоме енергоспоживання, k =Э/П.

Зниження росту необоротності в n-му компоненті можливо шляхом зміни його ефективності і/чи зміною кількості продукту:

d = П·k + (k – 1)·П = d + d, (5)

де d=П·k; d=(k–1)·П – структурна необоротність.

На рис.7 зображені всі підсистеми АХУ з внутрішньокомпонентними і структурними необоротностями, викликаними їхнім неефективним функціонуванням. Видно, що найбільші сумарні необоротні втрати 7,544 кВт спостерігаються в першій підсистемі – блоці електропривода компресора. Слідом розташовується друга підсистема – блок компресора, із сумарними втратами 6,612 кВт. Найменші сумарні втрати 0,840 кВт у п'ятій підсистемі – у випарному блоці. Найбільші внутршньокомпонентні втрати 6,583 кВт має також блок електропривода, найменші 0,840 кВт – випарний блок. Найбільші втрати 3,346 кВт від структурної необоротності має компресорний блок, найменші 0,062 кВт – конденсаторний блок. На рис.8 показан розподіл додаткових витрат енергосировини стосовно повної його витрати в АХУ. Додаткова витрата сировини в штатному режимі в порівнянні з еталонним, прямо пропорційна сумарним необоротним втратам у підсистемах. Найбільша відносна додаткова витрата енергосировини 10,97% приходиться на електропривід компресора, найменший 2,26% – на випарний блок.

Аналіз отриманих результатів діагностики показує, що в АХУ найбільше ефективно працює п'ята підсистема (випарний блок), а гірше інших – перша підсистема (блок електропривода компресора). Основна частина втрат у всіх підсистемах приходиться на внутрішньокомпонентні необоротності, крім компресорного блоку, у якому співвідношення внутрішньокомпонентних і структурних необоротностей практично однакове. Порівняльний аналіз результатів штатнго й еталонного режимів показує, що, як ексергетична, так і ексергоекономична вартості потоків менше в еталонному режимі. У підсумку, повна ексергоекономична вартість продукту П у штатному режимі збільшилась з 36223 до 38669 грн/ГДж, тобто на 6,75%, а електричний холодильний коефіцієнт знизився з 2,694 до 2,471 (на 8,28%). Ексергетична В и питома ексергетична k вартості зросли на 4,31%. При цьому енергетична складова вартості у штатному режимі збільшилася з 8351 до 8766 грн/ГДж, що відповідає додатковим витратам в 4,97%. Амортизаційна складова вартості підвищилася з 27870 до 29902 грн/ГДж, тобто на 7,29%.

Для ідентифікації ефективних режимів роботи АХУ використовувалася гіпотеза Лозано і Валеро про те, що в будь-якій виробляючій структурі загальна термоекономична вартість

Рис. 7. Розподіл необоротних втрат ексергії для підсистем АХУ.

Рис. 8. Розподіл додаткових витрат енергосировини стосовно

повної його витрати в термотрансформаторі АХУ.

кінцевого продукту мінімізується на основі послідовної локальної оптимізації одиничних складових установки. Зокрема, ідентифікація ефективних параметрів може бути реалізована при визначенні для кожної підсистеми мінімуму ексергоекономичної вартості продукту щодо локальної перемінної y:

, (6)

де C – питома ексергоекономична вартість енергосировини Э, що вводиться в розглянуту підсистему; k=Э/П=f (у); k= Z/П; Z=f (у, П).

Для мінімізації загальної вартості продукту М розглядається цільова функція ПМ перемінних: і :

П = f (, , , ). (7)

У даній методиці здійснюється послідовна мінімізація ексергоекономичної вартості продукту Пn кожної підсистеми установки. Наприклад, вартісний баланс другої підсистеми (компресорний блок) має вид:

C PK + C TK = C L2 + C SK + C L4 + C L5 + C L6 + Z2 + LW, (8)

де PK, TK, SK, L2, L4, L5, L6, LW – енергетичні потоки виробляючої структури АХУ;

С…С – питомі вартості відповідних потоків; ·Z2 – амортизаційна складова другої підсистеми.

З рівняння (8) питома вартість для компресорної підсистеми:

(9)

З рівняння (9) з урахуванням прийнятих допущень випливає, що питома вартість є функцією однієї перемінної – . Звідси при рішенні рівняння ( / )=0 визначається локальний оптимум :

= . (10)

Далі, з рівняння (9) визначається локальний оптимум вартості С.

Виходячи зі знайдених локальних оптимумів, розраховуються ефективні вартості всіх енергетичних потоків в АХУ. Одночасно визначаються ефективні температури конденсації і кипіння в циклі, що і є основою для експериментального здійснення ефективного режиму.

Порівняльний аналіз штатного й ефективного режимів АХУ показує, що загальна ексергоекономична вартість продукту ПМ знизилася на 2,28%, холодильний коефіцієнт збільшився в 1,16 рази. Ексергетична В* і питома ексергетична k* вартості знизилися на 10,92%. Енергетична складова вартості знизилася на 11,63%, при цьому амортизаційна складова незначно збільшилася на 0,41%.

Основні енергетичні і ексергоекономичні характеристики еталонного, штатного й ефективного режимів установки АХУ, зображені на рис.9. У штатному режимі ексергоекономична вартість виробництва холоду в АХУ збільшується на 6,75% у порівнянні з еталонним режимом. Однак, при переході на ефективний режим цей показник знижується до 4,41%. У штатному режимі витрати електроенергії збільшується на 4,97% у порівнянні з еталонним. В ефективному режимі витрати

Рис. 9. Діаграма основних термоекономичних показників термотрансформатора АХУ

в еталонному, штатному й ефективному режимах.

електроенергії складають 94,04%, тобто стосовно штатного режиму економія досягає 10,93%. Амортизаційна складова вартості у штатному й ефективному режимах у порівнянні з еталонним збільшується на 7,29 і 7,52%, відповідно.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Системна діагностика є основою для ухвалення рішення про доцільність комплексного виробництва холоду і тепла, а також для вибору робочих параметрів холодильних і теплонасосних установок.

2. Діагностика енергетичної ефективності може здійснюватися на основі спеціально розробленої моделюючої багаторівневої модульної системи TT–RH, що забезпечує формування комп’ютерно-орієнтованних моделей термотрансформаторів, що працюють по схемах R, H і RH.

3. Створена система TT-RH дозволяє проводити параметричний і структурний аналіз на етапі передпроектних розробок, визначати термодинамічну ефективність окремих процесів у заданому діапазоні зміни параметрів, формувати довільні запити типових проектних процедур.

4. Модульна система TT–RH є відкритою й адаптованою для поповнення баз даних і тому може бути використана для проектування і чисельних параметричних досліджень одно- і двоступінчатих парокомпресійних ХМ і ТН на різних холодильних агентах, що забезпечує істотну економію часу і матеріальних ресурсів.

5. Відповідність результатів чисельних експериментів, виконаних за допомогою системи TT–RH, відомим фізичним і технічним представленням свідчить як про адекватність моделюючої багаторівневої модульної системи TT–RH, так і методу системної діагностики в цілому.

6. Для ідентифікації діючих режимних характеристик і встановлення більш енергетично вигідних режимів роботи варто визначати ексергетичну й економічну вартості кожного потоку і всієї установки в цілому на основі системної діагностики.

7. Розділяючи необоротні втрати ексергії в холодильних і теплонасосних установках на структурні і внутрішньокомпонентні, можна однозначно визначити значення питомих ексергетичних вартостей і додаткових витрат энергосировини для відповідних неефективно функціонуючих компонентів.

8. Основою реалізації системної діагностики для одноступінчатих парокомпресійних холодильних машин і теплових насосів служить декомпозиція виробляючої структури на п'ять підсистем і три комунікатора (з'єднання).

9. Системна діагностика діючої аміачної холодильної установки виявила завищені значення ексергоекономичної вартості виробництва холоду, витрати електроенергії, амортизаційної складової і зниження холодильного коефіцієнта в порівнянні з проектними показниками.

10. Запропонована методика ідентифікації ефективних режимів дозволила поліпшити основні термоекономичні характеристики холодильної установки в порівнянні зі штатним режимом і навіть знизити енергетичну складову еталонного режиму.

11. Інтеграція системної діагностики в системи керування комплексних багатофункціональних установок на основі реалізації безупинного моніторингу забезпечить їх високу енергетичну ефективність протягом усього терміну експлуатації.

ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Косой Б.В., Ломовцев П.Б. Концепция автоматизированного проектирования энергетических установок // Холодильная техника и технология. – 1998. – №58. – с. 84 – 87.

(дисертант запропонував нову концепцію автоматизованого проектування складних енергоспоживаючих установок, яка може бути певною основою спеціалізованих систем автоматизованого проектування для існуючих і нових холодильних і теплонасосних систем).

2. Косой Б.В., Ломовцев П.Б. Представление знаний об энергетических установках в экспертных системах // Холодильная техника и технология. – 1999. – №63. – с. 77 – 80.

(дисертант запропонував питання уявлення знань в експертних системах використати в сфері холодильної техніки, при цьому провів досконалі дослідження теплообмінного апарата різноманітних конструкцій і призначень).

3. Косой Б.В., Ломовцев П.Б. Разработка системы автоматизированного проектирования низкотемпературных энергетических установок // Труды Украинской академии экономической кибернетики (Южный научный центр) “Оптимизация управления, информационные системы и компьютерные технологии”. – Вып.1. – ч.2. – Киев – Одесса: ИСЦ. 1999. – с. 182 – 189.

(дисертант розглянув питання розробки системи автоматизованого проектування низькотемпературних енергетичних установок і оптимізацію характерних структурних рішень).

4. Ломовцев П.Б. Моделирование одноступенчатого парокомпрессионного термотрансформатора, работающего по комбинированной схеме // Холодильная техника и технология. – 2001. – №73. – с. 23 – 27.

(дисертант здійснив моделювання парокомпресійної установки, працюючої по комбінованій схемі RH з урахуванням незворотних втрат в циклі).

5. Ломовцев П.Б., Косой Б.В. Мониторинг энергетической эффективности аммиачного термотрансформатора // II Международная научно-техническая конференция “Современные проблемы холодильной техники и технологии”. – 17 19 сентября 2002 г. – Одесса. – 171 с.

(дисертант запропонував здійснювати моніторинг енергетичної ефективності аміачної установки за допомогою системної діагностики, розробленій на основі теорії ексергоекономічної вартості).

6. Ломовцев П.Б., Косой Б.В., Иванников Е.В., Новиков В.М. Системная диагностика аммиачной холодильной установки // Холодильная техника и технология. – 2002. – №77. – с. 16 – 19.

(дисертант розробив концепцію системної діагностики холодильних і теплонасосних установок, яка дозволяє визначати енергетичну ефективність робочих режимів і пропонувати раціональні).

УМОВНІ ПОЗНАЧЕННЯ

ХМ – холодильна машина; ТН – тепловий насос; ТТ – термотрансформатор; RH – спільне охолодження і нагрівання; е – питома підводима ексергія, кДж/кг; d – питомі втрати ексергії, кДж/кг; – ексергетичний к.к.д. термотрансформатора RH; PK, PH, PD, PR – ізобаричні компоненти компресора, конденсатора, дросельного вентиля, випарника, відповідно, кВт; TK, TH, TD, TR – ізотермічні компоненти компресора, конденсатора, дросельного вентиля, випарника, відповідно, кВт; SK, SH, SD, SR – диссіпація ентропії в компресорі, конденсаторі, дросельному вентилі, випарнику, відповідно, кВт; L – робота електродвигунів; В – потік ексергії, кВт; В* – ексергетична вартість потоку, кВт; П – економічна вартість потоку, грн·10/с; С – ексергоекономична вартість, грн/ГДж; k – споживання ексергії; k* – питома ексергетична вартість; d – втрати эексергії, зв'язані з внутрішньокомпонентними необоротностями, кДж/кг; d – втрати ексергії, зв'язані зі структурними необоротностями, кДж/кг; d, Э, П – необоротність, енергосировина і продукт у підсистемі n, відповідно, кДж/кг.

АНОТАЦІЯ

Ломовцев П.Б. Діагностика енергетичної ефективності холодильних і теплонасосних систем. – Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.05.14 – холодильна і кріогенна техніка, системи кондиціювання. – Одеська державна академія холоду, Одеса, 2003 р.

У дисертації представлений метод діагностики холодильних і теплонасосних систем, що дозволяє при заданих умовах і обсягах виробництва ідентифікувати відхилення штатних режимів роботи від еталонних методом визначення внутрішньокомпонентних і структурних необоротностей в окремих підсистемах і установці в цілому, а також визначити можливі заходи для підвищення ефективності. Так, для діючої аміачної холодильної установки на основі здійснення діагностики було встановлене збільшення ексергоекономічної вартості виробництва холоду на 6,75%, витрати електроенергії на 4,97%, амортизаційної складовий на 7,29% і зниження холодильного коефіцієнта на 8,28% у штатному режимі в порівнянні з еталонним. Разом з тим, були виявлені такі можливі коректування експлуатаційних характеристик установки, врахування яких приводить до зниження ексергоекономічної вартості виробництва холоду на 2,28% і витрати електроенергії на 10,93%, при цьому електричний холодильний коефіцієнт підвищується в 1,16 рази в порівнянні зі штатним режимом.

У своїй основі діагностика ефективності використовує спеціально створену моделюючу багаторівневу модульну систему TTRH, що забезпечує формування комп’ютерно-орієнтованих моделей термотрансформаторів, що працюють по схемах R, H і RH. Крім того, ця система дозволяє проводити параметричний і структурний аналіз на етапі передпроектних розробок, визначати термодинамічну ефективність окремих процесів у заданому діапазоні зміни параметрів, формувати довільні запити типових проектних процедур. У дисертації приведені результати чисельних експериментів, виконаних за допомогою системи TT–RH, по аналізу термодинамічної ефективності процесів і циклів парокомпресійних установок. Відповідність отриманих результатів відомим фізичним і технічним представленням свідчить як про адекватність моделюючої багаторівневої модульної системи TTRH, так і методу системної діагностики в цілому.

Ключові слова: системна діагностика, енергозбереження, парокомпресійна холодильна установка, тепловий насос, термотрансформатор, ексергетичний аналіз, внутрішньокомпонентні і структурні необоротності, ексергоекономіка.

АННОТАЦИЯ

Ломовцев П.Б. Диагностика энергетической эффективности холодильных и теплонасосных систем. – Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.14. – “Холодильная и криогенная техника, системы кондиционирования”. – Одесская государственная академия холода, Одесса, 2003 г.

В диссертации представлен метод диагностики холодильных і теплонасосных систем, который позволяет при заданных условиях и объемах производства идентифицировать отклонения штатных режимов от эталонных при помощи определения внутрикомпонентных и структурных необратимых потерь в отдельных подсистемах и в установке в целом, а также определять возможные способы повышения эффективности. В своей основе диагностика эффективности использует специально разработанную моделирующую многоуровневую модульную систему TT–RH, которая обеспечивает формирование компьютерно-ориентированных моделей термотрансформаторов, работающих по схемам R, H i RH. В диссертации приведены результаты экспериментальных иследований энергетической эффективности производственной аммиачной установки при помощи системной диагностики и числовых экспериментов, осуществленных при помощи системы TT–RH, по анализу термодинамической эффективности процессов и циклов парокомпрессионных установок. Соответствие полученных результатов известным физическимм и техническим положениям свидетельствует как про адекватность моделирущей модульной системы TT–RH, так и метода системной диагностики в целом.

Ключевые слова: системная диагностика, энергосбережение, парокомпрессионная холодильная установка и тепловой насос, термотрансформатор, эксергетический анализ, внутрикомпонентные и структурные необратимые потери, эксергоэкономика.

SUMMARY

Lomovtsev P.B. Diagnostics of energy efficiency of refrigerating and heat pump systems. – The Manuscript. The dissertation for a scientific degree of Cand. Tech. Sci. on a speciality 05.05.14 – Refrigerating and cryogenic engineering, air-conditioning systems. – Odessa State Academy of Refrigeration, Odessa, 2003.

In the dissertation the method of diagnostics of refrigerating and heat pump systems is submitted, allowing under the set conditions and production turnover to identify deviations of operating modes from reference by the definition of intracomponental and structural irreversibilities in separate subsystems and installation as a whole, and also to determine possible actions for efficiency improvement. Thus, for the real ammonia refrigerating system the increase of exergoeconomic costs of cold generation on 6,75 %, the charge of the electric power on 4,97 %, the amortization component on 7,29 % and reduction in COP on 8,28 % have been determined by means of the diagnostics in an operating conditions in comparison with reference one. At the same time, such possible updatings of operational characteristics of the system have been revealed, which results in decrease of exergoeconomic cost of cold generation on 2,28 % and the charge of the electric power on 10,93 %, thus the refrigerating factor raises in 1,16 times in comparison with the operating conditions.

The diagnostics of efficiency bases on specially created modeling multilevel modular system TT–RH providing formation of computer - oriented models of heat transformers, working under circuits R, H and RH. Besides this system allows the parametrical and structural analysis at a stage of pre-design development, to define a thermodynamic efficiency of separate processes in the set range of change of parameters, to form any inquiries of typical design procedures. Results of the numerical experiments executed by means of system TT–RH, under the analysis of thermodynamic efficiency of processes and cycles of vapor compression systems are presented in the dissertation. Conformity of the received results to known physical and technical representations testifies as to adequacy of modeling multilevel modular system TT–RH, and a method of system diagnostics as a whole.

Key words: system diagnostics, energy savings, vapor compression refrigerating system, heat pump, heat transformer, exergetic analysis, intracomponental and structural irreversibility, exergoeconomics.

Підписано до друку 17.04.2003 р. Формат 60х84х16. Друк. арк. 1,0.

Тираж 100 прим. Замовл. №174-2003.

Ротапринт ОДАХ, м. Одеса, вул. Дворянська, 1/3.