Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Современные проблемы теплогазоснабжения населенных мест и предприятий. Учебное пособие (курс лекций)
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
А. И. ВОРОНИН
СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ
ТЕПЛОГАЗОСНАБЖЕНИЯ
НАСЕЛЕННЫХ МЕСТ
И ПРЕДПРИЯТИЙ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
(курс лекций)
Направление подготовки 270800.68 – Строительство
Магистратура
Ставрополь
2014
2
Печатается по решению
УДК
621.1
(075.8)
В 75
3
ББК 31.3 я73
В 75
Воронин А. И.
Современные проблемы теплогазоснабжения населенных
мест и предприятий: учебное пособие (курс лекций). – Ставро-
поль: Изд-во СКФУ, 2014. – 199 с.
Теплогазоснабжение – общетехническая дисциплина, рассматривающая методы получения теплоты, преобразования ее в другие виды энергии; свойства рабочих тел, участвующих в процессах теплообмена; устройства для преобразования, передачи и использования теплоты.
В процессе изучения дисциплины особое внимание уделяется вопросам повышения энергоэффективности теплоэнергетических и теплоиспользующих установок, интенсификации процессов теплообмена, использованию вторичных энергоресурсов и возобновляемых источников
энергии.
Пособие содержит необходимые иллюстрации, которые помогают магистрам более наглядно представлять изучаемые явления.
Рецензенты:
д-р техн. наук, доцент Н. И. Стоянов,
генеральный директор «Ставтеплоэнерго» А. И. Крикунов
учебно-методического совета
Северо-Кавказского федерального
университета
УДК 621.1 (075.8)
ББК 31.3 я73
© Издательство Северо-Кавказского
федерального университета, 2014
ВВЕДЕНИЕ
Теплогазоснабжение – инженерно-технологическое направление в энергетике, рассматривающее методы получения теплоты,
преобразования ее в другие виды энергии, свойства рабочих тел,
участвующих в процессах теплообмена, устройства для преобразования, передачи и использования теплоты, а также вопросы проектирования, строительства и эксплуатации систем газоснабжения
промышленных потребителей и объектов системы жилищнокоммунального хозяйства.
В промышленности энергетика непосредственно участвует в
процессе производства продукции, и нарушение нормального
энергоснабжения вызывает прекращение деятельности производственных звеньев или даже предприятия в целом. Энергетическое
хозяйство предприятия может включать собственно энергетические установки (ТЭЦ, котельные, компрессорные, утилизационные, холодильные и теплонасосные установки и др.) и теплоиспользующие установки (технологические аппараты, системы теплоснабжения и др.).
Важной задачей во всех отраслях промышленности России является снижение потребления энергии на единицу продукции при
сохранении высокого качества продукции. Это может быть достигнуто только при условии высокой теоретической подготовки
специалистов.
Специалист должен иметь представление об основах теплопередачи; знать и уметь использовать основные понятия о подобии
физических явлений, основные критерии гидромеханического и
теплового подобия; основные понятия теории теплообмена, виды
топлива; принципиальные схемы компрессорных и холодильных
установок; иметь опыт расчета теплотворной способности органического топлива, теплопроводности, теплопередачи.
Согласно государственному образовательному стандарту по
уровню подготовки дипломированного магистра-исследователя,
он должен не только уметь квалифицированно выполнять теплотехнические расчеты технологического оборудования, но и оценивать процессы тепломассообмена с позиций совершенствования
техники и технологии систем теплогазоснабжения населенных
мест и предприятий.
4
В новом тысячелетии дипломированный магистр должен улавливать все структурные изменения, происходящие в теплоэнергетике России. Эти значительные изменения продиктованы переходом экономики на рыночные отношения и устойчивой тенденцией
роста цен на топливно-энергетические ресурсы.
Последнее обстоятельство обязывает хозяйствующих субъектов
развивать только те технологии и системы, которые обеспечивают
существенную экономию энергии на всех этапах её использования
от источника до потребителя. Можно выделить следующие направления реструктуризации отрасли:
1. Резкий рост масштабов теплофикации, что выражается в значительном повышении мощности теплоэлектроцентралей и единичной мощности теплофикационных агрегатов, а также вводом в
работу мощных ТЭЦ с высокими начальными параметрами пара.
2. Ввод в опытную эксплуатацию первых газотурбинных теплофикационных установок и мощных пиковых водогрейных
котлов в системах теплофикации и централизованного теплоснабжения.
3. Строительство тепловых сетей с увеличенным радиусом действия. В крупных городах возникают кольцевые сети, повышающие качество и надежность систем теплоснабжения. За последнее
десятилетие выросла доля тепловой нагрузки, покрываемая водой
в качестве теплоносителя. В городах, а также во многих промышленных районах повысилась доля нагрузки горячего водоснабжения в суммарной тепловой нагрузке ТЭЦ.
4. Неуклонное повышение параметров теплоносителя в тепловых сетях. Так, уже сегодня практически все городские системы
централизованного теплоснабжения работают на высокотемпературной (перегретой) воде, температура которой составляет 110,
125, 150 °С. В настоящее время ведутся проектные работы по созданию тепловых сетей с температурой 190 и 210 °С, что потребует
дальнейшего совершенствования методов регулирования отпуска
тепла, принципов автоматизации и расчёта абонентских вводов.
Особую актуальность приобретают вопросы техникоэкономического сравнения и оценки систем теплоснабжения в связи с непрерывным совершенствованием КЭС, ТЭЦ и районных котельных.
5
ЛЕКЦИЯ 1
ВЗАИМОСВЯЗЬ НАУКИ И ПРОИЗВОДСТВА.
ОСНОВЫ МЕНЕДЖМЕНТА НАУЧНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ
Цель: определение роли науки в развитии современного произ-
водства и всеобщего прогрессивного поступательного развития
человечества.
1.1. Роль науки в поступательном
развитии человечества
Современный этап технократического развития человечества
характеризуется определенным внутренним противоречием. Сущность его состоит в следующем:
- с одной стороны, для того чтобы обеспечить конкурентоспо-
собность выпускаемой продукции фирма (предприятие) должна
внедрять научные разработки самых последних лет;
- в то же время возрастающая сложность этих разработок застав-
ляет тратить все больше времени на их промышленное освоение.
Одним из главных методов, позволяющих сократить сроки освоения научных разработок, является моделирование.
Сегодня моделирование является теоретической базой практически для всех отраслей промышленности.
Так, например, в современной промышленной теплоэнергетике
метод теплового моделирования позволяет решать сложные задачи
по расчету теплообменных процессов в промышленных установках,
где проведение экспериментальных исследований не представляется
возможным. Исследования проводят в лабораториях сначала на моделях, а затем с помощью теории теплового моделирования результаты переносятся на промышленный объект (основной принцип: два
явления подобны, если в сходственных точках имеют одинаковые
численные значения одноименных критериев).
В современных системах электроснабжения метод моделирования является основным инструментом исследования их поведения
в рабочих режимах и, что особенно важно, в критических (перегрузки, броски напряжения, короткое замыкание и т. д.). Энерге-
6
тики создают математические модели своих энергосистем, а затем
исследуют их на ЭВМ. Такие исследования называют системными.
Моделирование – это метод изучения объектов, при котором
вместо оригинала (интересующего объекта) эксперимент проводят
на модели (другой объект), а результат количественно распространяют на оригинал.
Таким образом, по результатам опытов с моделью мы должны количественно предсказать поведение оригинала в рабочих условиях.
При этом распространение на объект выводов, полученных в опытах
с моделью, не обязательно должно означать простое равенство тех
или иных параметров оригинала и модели: достаточно получить правило расчета интересующих нас параметров оригинала.
1.2. Общая характеристика приемов
и методов научного поиска
1.2.1. Требования, предъявляемые
к процессу моделирования
К процессу моделирования предъявляется два основных требо-
вания.
Во-первых, эксперимент на модели должен быть проще, быстрее, экономичнее либо безопаснее, чем эксперимент на оригинале.
Иначе не стоит создавать модель: лучше сразу построить оригинал
и экспериментировать сразу на нем.
Данный факт не означает, что модель должна быть обязательно
дешевле оригинала. Часто бывает целесообразно построить дорогую, но универсальную модель, которую можно будет использовать для моделирования многих оригиналов.
Модель не является фотографической копией оригинала.
В целях упрощения модели по сравнению с объектом используется прием отсечения несущественных факторов. Так, например,
если реальный процесс варьируется по 10÷15 факторам, но при
этом 10 из них влияют на результат в пределах 1÷3 %, то после
тщательного анализа некоторые из них можно опустить, а другие
попытаться объединить в группы (комплексы) и тем самым резко
сократить общее число определяющих факторов.
7
Примером универсальной модели может служить лабораторный
стенд для исследования ионообменных процессов в технологии
водоподготовки, созданный на кафедре теплогазоснабжения и экспертизы недвижимости. Стенд собран из стеклянных ионообменных колонок – цилиндров – диаметром 16÷32 мм и оснащен запорно-регулирующей арматурой, системами подачи и дозирования
рабочих потоков и реагентов. Технические возможности стенда
позволяют моделировать практически все виды ионообменных
технологий:
– Na-катионирование;
– Н-катионирование;
– Cl и ОН-анионирование.
– химическая ионообменная дистилляция, представляющая со-
бой моделирование различных технологических систем включения
фильтров с разработкой и созданием новых приоритетных решений, оформляемых заявками на изобретение.
Второе обязательное требование к процессу моделирования –
это знание алгоритма (правила), по которому проводится расчет
параметров оригинала на основе результатов испытания модели.
Без этого даже самое лучшее исследование модели окажется бесполезным. Так, на стыке модели и объекта рождается теория, то
есть наука об изучаемом объекте.
Если вся проделанная экспериментальная работа не согласуется
с экспериментальным объектом, то истоки ошибки надо искать
либо в технике проведения эксперимента, либо в самой (очевидно
несовершенной) модели, либо в разработанной теории пересчета
результатов эксперимента на объект.
1.2.2. Основы теории планирования эксперимента
В общем случае зависимая переменная у является функцией совокупности независимых факторов х1, х2, х3 и т. д., каждый из которых имеет свою область изменения. Если число независимых
факторов равно n, то искомая функция (y), зависимая переменная,
отображается в пространстве n+1-го измерения.
План эксперимента указывает расположение опытных точек на
n-мерной факторной поверхности независимых переменных или на
условия всех опытов, которые следует провести.
8
Так, например, если число факторов равно двум, то графиче-
2х мерная факторная
ская зависимость отображается в объеме: y=f(x1, х2).
В этом трехмерном пространстве зависимости Y от всех Х соответствует трехмерная поверхность, которую обычно называют поверхностью отклика.
Результаты опытов рассматриваются как отклик системы на условия расстановки опытов по координатной сетке факторной
плоскости [1].
Чаще всего план эксперимента задается в виде матрицы планирования, представляющей собой прямоугольную таблицу, каждая
строчка которой отвечает условиям определенного опыта, а каждый столбец – различным значениям какой-то из независимых переменных в разных опытах.
y = f(x1, х2) – пространство третьего измерения.
у
плоскость
При построении планов стремятся к их оптимизации. Сущность
оптимизации состоит в следующем:
– при заданном числе опытов желательно получить максимальную точность предсказания (минимальную дисперсию) исследуемой области;
– обеспечить требуемую (заданную) точность предсказания
минимальных чисел опытов;
– обеспечить независимость (некоррелированность) оценок
влияния различных определяющих факторов Х1, Х2, …, Хn.
Х
1
Рис. 1.1. Графическое отображение
двухфакторной функции отклика
9
Опыт показывает, что не всегда удается совместить в одном
плане все желаемые свойства.
Планы первого порядка
Планы первого порядка служат для построения математических
описаний в виде линейных полиномов (линейных уравнений регрессии):
Y=b0+b1x1+b2x2+ … + bnxn. (1.1)
Порядок построения плана следующий.
Выбирается центр исследования области (центр плана), и в него
переносится начало координат. Затем выбирается интервал варьирования по каждой переменной – расстояние по каждой оси между
экспериментальными точками. Необходимо отметить, что выбор
центра плана и интервала варьирования лежит вне математической
теории: этот этап задачи должен решаться экспериментатором на
основе знания объекта исследования.
На следующем этапе производят операцию приведения (кодирования) переменных. Она заключается в том, что все координаты
центра плана приравниваются к нулю, а интервалы варьирования
принимаются за единицу.
Кодирование удобно тем, что вся обработка результатов опытов
приводится в стандартной форме, не зависящей от конкретных условий задачи. Это существенно упрощает вычисления.
Все многообразие независимых определяющих факторов (скорость, вес, расход и т. д.) приводится к единой форме (в центре
плана они равны нулю), а интервал варьирования любого фактора
принимают равным ±1.
Переход от некодированных (натуральных) значений переменных uji к кодированным xji) и обратно производится по формулам
[1]:
uu
-
x
=
ji
u
где x
– натуральное значение j-го фактора в i-м опыте;
ji
u
– натуральное значение j-го фактора в центре плана;
jo
D
j – интервал варьирования j-го фактора в натуральном выра-
= ujo + x
ji
joji
j
D
ji
; (1.2)
× D
j , (1.3)
жении.
10
При наличии двух переменных x1 и x2 наиболее употребительный прием состоит в расположении точек на факторной плоскости
в вершинах квадрата, центр которого совпадает с центром плана,
а стороны параллельны осям и равны двум единицам.
Схема расположения опытных точек на факторной плоскости
показана на рисунке 1.2.
Рис. 1.2. Схема расположения опытных точек на факторной плоскости
Матрица плана эксперимента представлена в таблице 1.1.
Таблица 1.1
Матрица плана эксперимента первого порядка
Кодированное значение j-го независимого
Номер опыта, N
i
переменного фактора
Х
1
Х
2
1 +1 +1
i
2 +1 –1
3 –1 +1
4 –1 –1
На практике для сокращения записи часто вместо +1, –1 пишут
просто «+» или «–».
План построен таким образом, что каждая независимая переменная принимает в опытах только два значения (+1 либо –1) или
варьируется на 2-х уровнях – нижнем и верхнем. При этом в четырех опытах присутствуют все возможные парные комбинации
обоих факторов на двух уровнях.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]