Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Оптимизация систем обеспыливания воздуха в промышленных зданиях

..pdf
Скачиваний:
2
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
16.25 Mб
Скачать

казатели являются наиболее универсальными. Они позволяют осущест­ влять комплексную оценку системы с учетом всей совокупности тех­ нологических, конструктивных и экономических факторов. Однако экономические критерии оптимальности используются сравнительно редко, так как аналитическое выражение функции-критерия в боль­ шинстве случаев является труднорешаемой задачей. Получение функ­ циональных зависимостей для выражения стоимости изготовления и монтажа отдельного оборудования и систем в целом, определение эксплуатационных затрат связано с необходимостью обработки боль­ шого объема информации, приведенной в ценниках, сборниках смет­ ной стоимости монтажных работ и т .п . Особые трудности возника­ ют при экономической оценке доли участия смежных производств, тесно связанных с реализацией СКМ. Прейскурантные цены на тепло­ вую, электрическую и другие виды энергаи постоянно изменяются.

В задачах оптимизации используют несколько экономических критериев оптимальности: годовые приведенные затраты, норма пре­ были, прибыль, норма рентабельности капиталовложений и др.

Чаще всего альтернативные решения сравнивают по функции годовых приведенных затрат. Она учитывает параметры системы, обеспечивает необходимые пропорфи в использовании капитало­ вложений и ресурсов. При такой методике сравнения различных вариантов систем можно учесть и специфические дефициты теплоты, холода, воды и электроэнергии путем введения повышенных удель­ ных стоимостей. В ряде случаев можно минимизировать эксплуата­ ционные расходы, некоторые статьи затрат ресуроов (энергии) и т .д . Однако, чтобы такое сравнение было полным, необходимо учи­ тывать все сопутствующие затрата.

Приведенные затрата на СКМ определяются суммой приведен­ ных затрат во всех ее подсистемах, установках, устройствах или других функциональных частях. Поэтому трудности решения задачи оптимизации системы с учетом ее элементов и их взаимо­ связи не всегда преодолимы. Изменение структуры СКМ приво­ дит к изменению расчета затрат всех ее элементов. Комплексная

оптимизация предполагает поиск оптимальных решений по СКМ и всем ее элементам, АСУ, сопряженным и технологическим решениям.

При экономической оценке вариантов систем определяют ми­ нимум функции годовых приведенных затрат. Эконо1вческие преиму­ щества того или иного варианта СКМ и возможности их конкретной реализации привлекают внимание к оптимизации СКМ, особенно в условиях дефицита энергии.

Экономические показатели любой системы определяют следующи­ ми основными факторами: исходными данными здания (помещения), сре­ да которых - изменяющиеся параметры наружного климата и микрокли­ мата помещений, данные о пылевом, тепло- и влажностном и газовом режимах помещений, сведения о других системах и д р .; способами и средствам! обеспыливания; технологическими схемами обработки при­ точного воздуха; функциональным! схемами АСУ ПКМ и СКМ в целом; удельными стоимостями тепловой, холодильной и электрической энер­ гии, воды и др.

ЦНШпромзданий Госстроя РФ предлагает оценивать СКВ по удельным показателям - металлоемкости, трудозатратам и другим, отнесенным к 1000 м3/ч воздуха, подготавливаемого и подаваемого системой.

Обычно после анализа характеристик ПОВ возникает вопрос, слелует ли ориентироваться на экономический критерий или можно ограничиться достижением экстремума одного из технологаческих показателей процесса, таких, например, как расход сырьевых ма­ териалов или электроэнергии на единицу очищаемого воздуха или нагрузка установки обеспыливания по количеству побочных продук­ тов очистки.

При выборе критерия оптимальности процессов обеспыливания возникают дополнительные трудности: при использовании частных технологических критериев необходимо показать, при каких у с­ ловиях достижение экстремумов этих критериев по отдельным ус­ тановкам и устройствам, входящим в систему, обеспечивают однов­ ременно наибольшую экономическую эффективность всей СОВ в целом. В то же время, для введения экономических критериев необходимо пользоваться категориями, существующими лишь для товарных про­ дуктов (цена, себестоимость, нормы качества и т .д .) , а не для таких промежуточных, каким является, например, очищенный воздух на выходе из очистного устройства.

Выбор того или иного критерия эффективности зависит от рас­ сматриваемого уровня иерархии СОВ или СКМ.

Экономические критерии используются в основном при анализе систем в целом, либо отдельных (крупных) подсистем.

Для исследования и оптимизации отдельных установок и уст­ ройств более эффективно использовать технологические критерии - коэффициенты улавливания и индексы экономичности м естн ою вытяж­

ного

устройства

ВСМВ /Ю /, пылеуборочную способность насадков

ЦСПС

/1 7 ,2 1 ,2 6 /,

эффективность обеспыливания СТО, СПО, СОЛ или

 

 

32

СЭО /1 2 /, эффективность улавливания пыли /5 6 / 1 др . Целевой функ­

цией очистных устройств также макет быть стоимость Ю00 м3 очища­

емого воздуха црв выполнении требований СИ по допустимым концент­ рациям пыли в очищенном воздухе.

/Технолога чес кие критерии можно разделить ни две характерные

группы: критерии, ^выраженные через-параметры» обеспечивающие вы­

числение функции без предварительного .экспериментального иооледования; критерий» представ ленные параметрам, численные значения которых, морут быть определены на оснований опытов.

Приведем примеры технологических критериев оптимальности. При назшчении технологических и конструктивных параметров пыле­ осадочных камер для первичной очно тки воздуха от крупнодисперс­

ной пыли за критерий оптимальности макет быть принята эффектавность улавливания пыли, которая описывается в виде экспоненциаль­ ной функций

 

! & -

(1 )

Очевидно, что

значение этой функции изменяется в интервале 0 -

1

и возрастает о

увеличением показателя экспоненты 6^

, т*е .

 

значение эффективности пылеулавливания определяется конфетным

содержанием величины

• Например, изменение q

от

0 ,8

до

0 ,99

соответствует изменению величины ^

от

1,6

до 4

,7 ,

т .е .

в 3

раза.

 

 

 

 

 

 

 

Режим осаждения в

пыла осадочной камере

макет

быть, записан

в виде равенства, определяющего, с одной стороны, время осаждения

чаотиц

пыли с минимальным размером частиц

hKOMJvr^ 7in , а с

другой,

- время пребываний этих чаотиц в

камере ^кам!и^ом

Тогда скорость потока очищаемого воздуха в горизонтальном направ­ лении, отнесенная к сечению камеры, записывается в виде.

икам ^& $Г1и1£ком)1Ьксг/1

и

значение ее по

данным /5 6 / не должно

превышать 2

м /с . ЭДеоь

U^QM -

скорость

воздуха в

камере,

м /с ;

ir^mLn

- минимальное

значение скорости осаждения, м /с ;

hKQM

и

tKQM -

соответственно

высота

осаждения и длина

камеры,

м.

 

Расход очвф ем аго

воздуха

 

 

 

 

 

 

^ком **

 

&кам&*ам >

 

^

где

LKQM -

расход воздуха, м8/ с ; 6^йм

- ширина

камеры,

м.

 

Эффективность улавливания пыли определяется уравнением ви­

да

( I ) о показателем экспоненты

/ I I /

 

 

 

где

Зц.тах > $4.min ” максимальный и

минимальный размеры частиц

пыли,

м; jDy -

плотность частиц пыли,

кг/м3; JUg - коэффициент

динамической вязкости воздуха

(га зов ),

Па*с.

 

Как следует

из выражений

( I ) , (2)

и (3 ), эффективность

улавливания в камере возрастает с увеличением длины камеры и с уменьшением высоты.

Оптимальным) параметрами камеры при заданном расходе очища­ емого воздуха и известном дисперсном составе пыли будут такие

значения длины и высота

камеры, при которых показатель экспонен­

ты

£ oq

и эффективность улавливания г^уЛ будут иметь максималь­

ное

значение. Для того,

чтобы размеры камеры не выходили из ре­

альных

(технологически

допустимых) пределов, величину г£ул ограни­

чивают

здаче нияки 0 ,3 -0 ,5 (30-50 %). Для повышения рУл широко

используют многосекционные камеры с полками.

 

В качестве примера

технологического критерия оптимальности

второй группы рассмотрим эффективность осаждения частиц пыли при турбулентном течении воздушного потока на поверхностях круглых воздухопроводов. Для ее расчета предложена /4 5 / формула

Чоея 1 - гхр [ - ( ^ T£6n)/(u6nd6a)] >

(4)

где иЧ г - скорость турбулентного осаждения взвешенных частиц (количество частиц (массовое или численное), осаждающихся из за­ пыленного потока на единицу площади поверхности стенок воздухо­ провода за единицу времени, отнесенное к единичной (по массе или числу) концентрации частиц), м /с; - длина воздухопровода, м; &S/7 - диаметр воздухопровода, м; и^п - средняя скорость дви­

жения воздуха в воздухопроводе, м /с.

На основании теории турбулентной миграции частиц в сторону стенки предложена /4 5 / корреляционная зависимость

 

г

У'ч.т

~

^

где

оптимальная скорость турбулентного осаждения,

 

1Хцл -

 

=

(JqT/L r*

. Здесь LT -

характерная для данного потока

ско­

рость турбулентных пульсаций, зависит как от турбулентности воз­ душного потока, так и от шероховатости поверхности и рассчитыва­ ется экспериментально по формуле

где

Zgn

-

радиус воздухопровода, щ A Pg

- изменение давле­

ния по длине

трубы, Па/м; о0 -

коэффициент

пропорциональности;

Лт-

корреляционный параметр,

 

 

[Лт =

\ tp i u r * f \ j

 

 

здесь

 

- время релаксации, с .

 

 

 

В результате математической

обработки

экспериментальных дан­

ных, полученных различными исследователями, эмпирическая зависи­ мость для вертикальных круглых воздухопроводов

Г л a s* )2

10

ЦТ

* ( 1)6 Тр 1Г*)/(0,05d6n )

( 6 )

 

%

 

Зависимость / 6/

верна

до значения

Лт = 16,6,

выше которого

(Jq (S* = 0,2 = Const » и

формула (4)

значительно

упрощается.

Другим примером

технологаческого критерия оптимальности вто­

рого вида является эффективность пылеулавливания в скруббере Вен­

тури - функция затрат энергии, подведенной к единице объема очи­ щаемого воздуха, включая энергаю, подведенную с орошающей жид­ костью /7 4 /,

2уа =

1

e x p ( - ° f N % )

(7)

где Моч - энергетические

затраты на очистку

1000 м3 воздуха,

равные 2 .7 2 4 .ID"3 (АРслр +

лРкуРыВор

-Ю "3) ;

лРс<р,лРху -

гидравлическое сопротивление соответственно скруббера и каплеуло­

вителя;

Pw -

давление в

линии

нагнетания орошающей жидкости;

В0р -

удельное

орошение;

Of и

- экспериментальные характе­

ристики улавливаемой пыли, по которым оценивается распределение частиц по размерам, степень их полидисперсности и физико-химичес­ кие свойства.

На более низких уровнях иерархии, например для исследования и оптимизации ряда ПОВ и ПКМ, могут быть использованы в качестве критериев оптимальности показатели отдельных сторон процесса:

оптимальный диаметр капли воды в СТО, минимальную скорость транспортирования в воздухопроводах СА и ЩПС, коэффициент влагообмена между воздухом и водой в КО кондиционера и т .д .

Таким образом, аналогачно иерархии уровней рассмотрения устройств и подсистем GKM можно представить иерархическую схему

35

критериев оптимальности, приведенную в качестве примера в та бл .1 .

Чем доже уровень рассмотрения иерархической схемы СОВ или СКМ*

тем более конкретный, приближенный к исоле дуемому процессу, вид

имеет показатель эффективности. На верхних иерархических уровнях используют более общие показатели. Обобщенный показатель эффек­

тивности системы в целом - глобальный критерий оптимальности -

является функцией достаточно общих экономических характеристик СКМ. Связь глобального и локальных критериев оптимальности в большинстве случаев имеет аддитивную*иди мультипликативную форму:

0 - .

± 0 ,

;

 

( 8)

 

1-1

L

 

 

 

О =

0 ,0 ,

* ач02 +

as 03 + . „ * оп Оп ;

О )

О = П0-с

,

 

 

(io)

Где О3, tty у

Gr$ ,

•, Оп

- весовые коэффициенты.

 

 

 

 

 

 

Таблица I

Иерархическая

схема применения критерия оптимальности

 

 

при

анализе

СОВ и СКМ в целом

 

Уровень иерерхвв систем

СКМ в целом» СОВ, подсистемы ОСУ

Устройства,

аппараты 7

Элементы у ст ­ ройств, ПОВ и

. Критерий

Примеры показателей эффек­

оптимальности

тивности

Технико-эконою -

Приведенные затраты;

чески й, термо-

эксергетичесгай КПД

экономический

 

Технологический,

Коэффициент улавливания пыли;

терм оэконош чес-

индекс экономичности, местно-

кий, термодднамиго отсоса ; эффективность обес-

ческий

пыливания, коэффициент термо­

 

динамического совершенства;

 

коэффициент использования

 

энергии, эксергетический КЦД

 

и др.

 

Аэродинамический,

Коэффициент теплопередачи;

теплообменник,

размер

частицы пыли; размер

маосообменный,

капли

воды; коэффициент вда-г

термодинамический гообмена; скорость трогания;

и др .

интенсивность осаждения и

 

т .д .

Наиболее часто критерий оптимальности используется в виде

аддитивной функции

частных'критериев

( 8) . Нвцример, в

задачах

оптимизации

СГО,

СПО, СОП,

СЭО и СА объемы аспирационного возду­

ха Lr —2Z Lav-

mi n

или расходы электроэнергаи

на переме-

Ьп £,—•/

r^ft*

 

 

 

 

П

min

 

щение и очистку аспирационного воздуха

#

где LAYL NASI

-

соответственно

расход воздуха и установочная

мощность электродвигателя в

I

из

п АУ.

 

 

Критерий оптимальности в виде линейной функции частных кри­

териев ( 8) или суммы локальных критериев с учетом их

"веса"

(9)

используется при решении задач технико-экономической и энергети­ ческой оптимизации. Например, стоимость потребляемых в течение года энергозатрат в ПСОВ (СКВ) составит (руб/год)

3s .U „ 0 ^ H trU ^ * U ;)N i m *U x ig > -U w Wr ,

(ID

эде Z/д

- стоимость тепловой энергаи

 

(руб/кда); U

-

допол­

нительная плата за I кВт-ч израсходованной электроэнергаи по по­

казаниям

счетчика

(руб/кВ т»ч);

-

основная плата

за

I кВт

установочной электрической мощности (р убД к В ттод ); Цх

, Ц

-

стоимость

холода

(руб/кДж) и стоимость

воды (руб/м3) ;

 

,

и Iл/г - годовой расход соответственно тепловой энергии (дЦд/год),

холода (дДж/год)

и воды (м3/г о д ); Nycr - установочная мощность

электродвигателей

системы, кВт; Т г -

число часов работы системы

в году.

 

 

 

 

 

 

 

Если критерий оптимальности получен в виде (Ю ), то, исполь­ зуя логарифмирование, можно привести его к виду ( 8) .

Сложность использования глобального критерия эффективности системы заключается в наличии внутренних взашодействий между составляющими ее подсистемами. Например, любой процесс обеспыли­ вания воздуха осуществляется под воздействием нескольких эффек­ тов улавливания частиц одновременно /6 7 /. Эффективность обеспы­ ливания ^off является функцией безразмерных параметров, харак­ теризующих обеспыливание за счет каждого эффекта. Поскольку от­ дельные эффекты улавливания взаимосвязаны, общую эффективность нельзя представить в виде суммы

% s ‘ П о * I t u

< И

где 2^ *

9

9

~ э® ектавность соответственно седимен­

тации, инерционного обеспыливания, диффузии, электрообеспылива­ ния. Оптимальность достигается при допущении, что частицы, не

37

уловленные в результате дм^тзия одного из эффектов, будут улав­ ливаться за счет других. С\д*^ эффективность обеспыливания в этом случае описывается уравнением вида

Ъ г Ч - Ч - Ч о М - Ч ш Х ' - Ъ ц К - Ч с У -

( В )

Таким образом, с

точки зрении /увеального критерия

эффек­

тивности системы важно

оптимизировать внешнее взаимодействие,

а не только добиться экстремальных значений локальных критериев оптимальности •

Наряду с оптимизацией СОВ и СКМ на основе материальных и энергетических балансов с учетом технико-экономических показа­ телей важное значение приобретает оптимизация на основе тер­ моэкономического принципа, использующего понятие эксергаи /6 ,3 0 /.

Термоэкономическая оптимизация предполагает эксергетичес-

кий подход к анализу системы и метод -экономической оптимиза­ ции. Оптимизация на основе термоэкономических критериев наи­ более эффективна при анализе ПСОВ (СКВ), MGKB, МСОТ, МСОХ, по­ треб лящих различные вида энергаи: теплоту, холод, влагу, электроэнергию и др. /6 ,3 4 /.

При решении задач анализа и синтеза СКМ важнейшим этапом является определение критерия эффективности. Уже на стадии ка­ чественного анализа исследуемой и проектируемой системы в завися*оста от уровня рассмотрения и иерархической схемы выби­ раются технологоческие, термоэкономические, экономаческие или другое критерии оптимальности. Далее при анализе системы с целью ее формализации и построения ММ входящих в нее подсистем и устройств определяется вид функционала. Наиболее полное пред­ ставление особенностей СКМ, ее структуры, внутренних и внеш­ них .связей при построении модели СКМ позволяет провести анализ свойств системы с использованием ЭВМ, определить эффективность функционирования различных ее вариантов, исходя из сформирован­ ного критерия оптимальности, и перейти к решению задачи синте­ за оптимальной систем*. При решении задачи синтеза СКМ предпо­ лагаются извеотними ММ составляющих ее подсистем, на основе которых с учетом структуры СКМ осуществляется построение общей модели системы, алгоритма ее решения и оптимизации по глобаль­ ному критерию оптимальности.

1 .3 .3 . Иерархическая структура систем обеспыливания воздуха и систем кондиционирования микроклимата

Согласно системному подходу к анализу сложной системы» в качестве которой рассматриваются СОВ и СКМ, на первом этапе ка­ чественного анализа ее структуры необходима разработка иерархи­ ческих схем, отражающих взаимосвязь отдельных уровней в систе­ мах. Такой подход позволит выделить основные этапы исследования сложной системы, установить взаимодействие между ними и органи­ чески увязать теоретические и- экспериментальные данные, получен­ ные при анализе каждого уровня системы. Возможны различные под­ ходы к составлению иерархических схем СОВ и СКМ. Первый из них связан с задачам математического моделирования и оптимального проектирования систем. Разбиение системы на иерархические уров­ ни соответствует отдельным блокам общей ММ. При этом происхо­ дят последовательная детализация процессов и явлений от верх­ них уровней к нижним и обобщение информации при продвижении к вышестоящим уровням. Фрагмент иерархической схемы СОВ, соответ­

ствующей данным принципам, представлен на

рис. I I .

К первому (нижнему) уровню иерархии

относят процессы с

отдельной частицей пыли (процессы отрыва частицы от стенки под воздействием потока воздуха, центробежного осаждения частиц, зацепления, осаждения частиц пыли под действием электрических зарядов и д р .).

Ко второму уровню иерархии, представляющему собой микро­ уровень для устройств и установок СОВ, относят процессы обеспы­ ливания в элементарном объеме. Аэродинамические составляющие детализируются на процессы ламинарного и турбулентного движения, движения в пограничном слое, микросмещения, дисперларования, характеризующие аэродинвшку в локальном объеме (процессы осаж­ дения частиц в турбулентном потоке, коагуляции взвешенных частиц, осаждения пыли в волокнистых фильтрах и т .п .) .

К третьему уровню - уровню макросоставляющих элементов СОВ - относят процессы обеспыливания в объемах различных устройств - аспирационных укрытиях, воздухопроводах, очистных установках, помещениях и т .д .

Устройства СОВ, относящиеся к четвертому иерархическому уровню, представлены элементам ( технологическим апдарвтам),

Гцла • JSBSEffirSJ- ...I сэо его

Рис. I I . Hepa рхи че окая многоуровневая схема СОВ

Соседние файлы в папке книги