Нормы расхода тепловой энергии в процессах термической обработки

материалов и коэффициенты полезного действия

Технологические процессы	h кДж/кг	Рі
Топливоиспользующие процессы (термообработка, сушка)	2560	0.52
Теплоиспользующие процессы (выпаривание растворов)	2600	0.78
Электромеханические процессы (прядение искусственного волокна)	660	0.65
Гидромеханические процессы (циркуляция, транспортировка раствора)	0.15	0.62

9.1 Краткий анализ методов оценки эффективности холодильного оборудования. На сегодняшний день существует довольно много различных методов оценки эффективности холодильного оборудования. Следует отметить, что все они имеют свои преимущества и свои недостатки. Одни из них нашли довольно широкое применение при проведении анализа холодильного оборудования, другие, не менее интересные и полезные, в силу различных причин используются сравнительно редко. Следует отметить, что нередко проводится комплексный анализ эффективности холодильного оборудования, на различных этапах выполнения которого используется несколько методов анализа.

Рассмотрим основные положения некоторых методов, которые используются в настоящее время для анализа эффективности холодильного оборудования.

9.1.1 Методы термодинамического анализа Термодинамический анализ представляет собой совокупность термодинамических методов, предназначенных для изучения превращения энергии в различных технических системах с целью их усовершенствования и оптимизации. Существует два таких общих метода. Один из них – это классический метод анализа циклов, второй – эксергетический метод.

Анализ холодильных циклов предназначен для расчета таких характеристик как удельные тепло- и холодопроизводительности, холодильный коэффициент, коэффициент преобразования теплового насоса и т. п. Кроме того в рамках анализа цикла можно оценить его термодинамическое совершенство, т. е. оценить КПД рассматриваемого цикла по отношению к образцовому (например к циклу Карно).

Эксергетический метод термодинамического анализа является более сложной методикой по сравнению с простым анализом циклов. Он преследует две цели: учет степени термодинамического совершенства рабочих процессов энергетических установок и указание путей увеличения экономии энергии, вводимой в установку. Выполнение эксергетического метода анализа основано на оценке и анализе таких характеристик как: потоки эксергии в любой зоне рассматриваемой системы и потери эксергии в различных узлах установки. При этом рассчитывается эксергетический КПД (общий или отдельных узлов установки).

Посредством анализа энергетического баланса системы, в которой совершается рассматриваемый цикл, можно вычислить характеризующие его коэффициенты преобразования энергии (термодинамический КПД, холодильный коэффициент, коэффициент преобразования теплового насоса и т. п.) и сопоставить их с коэффициентами соответствующих идеальных циклов или циклов Карно. Поскольку реальные циклы часто связаны с подводом или отводом теплоты при переменной температуре, разработаны приемы сведения сложных различных круговых процессов к циклу Карно или к другим идеальным или идеализированным циклам.

Для энергетической оценки холодильного цикла в рамках простого анализа циклов используют холодильный коэффициент, который выражается отношением количества полученного холода к затраченной на это работе.

, (9.13)

где Q₀ – количество тепла, отведенное от источника низкой температуры – холодопроизводительность, кВт;

L – количество затраченной в цикле работы, кВт.

Степень термодинамического совершенства холодильного цикла характеризуется коэффициентом необратимости:

(9.14)

где L_min – минимальная работа обратимого цикла, кВт;

Работа, затраченная в цикле L на получение холода складывается из минимальной работы L_min и дополнительной работы, затраченной на компенсацию необратимых потерь.

Нужно отметить, что холодильный коэффициент (так же как, например, и коэффициент преобразования теплового насоса) не учитывает возрастания энтропии изолированной системы при протекании в ней реальных процессов, т. е. не учитывает энергетическую ценность тепла и не может служить количественной характеристикой необратимости реальных процессов. Таких недостатков лишена система коэффициентов, основанная на использовании понятия эксергия и эксергетические потери.

Эксергией называется свойство термодинамической системы или потока энергии, определяемое количеством работы, которое может быть получено внешним приемником энергии при обратимом их взаимодействии с окружающей средой до установления полного равновесия. Конечной целью термодинамического анализа, основанного на использовании понятия эксергия, является расчет эксергетического коэффициента (КПД). Данный КПД является тождественным коэффициенту необратимости.

, (9.15)

где – сумма эксергий в конечный момент (отведенная эксергия), кВт;

– сумма эксергий в начальный момент (подведенная эксергия), кВт.

Разность эксергий и выражает потерю эксергии.

Так, например, эксергия холода рассматривается как работа, которая должна быть затрачена в обратимом цикле для переноса некоторого количества теплоты Q_o от охлаждаемого объекта с температурой Т₀ к окружающей среде с температурой Т_ОС:

, (9.16)

где ₀ – холодильный коэффициент обратимого обратного цикла.

А эксергетический КПД холодильной установки, являющийся ее одним из основных энергетических показателей, можно записать так:

, (9.17)

где Е_ХОЛ – эксергия, отводимая от объекта охлаждения, кВт;

Е – эксергия вводимая в холодильную машину, кВт;

S – абсолютное значение изменения энтропии объекта охлаждения, кДж/К.

Использование эксергии как количественной характеристики обратимых процессов, и эксергетических потерь как количественной характеристики необратимых (реальных процессов) составляет суть термодинамического метода анализа энергетических установок.

Термодинамический метод имеет две разновидности: метод эксергетических потоков и метод вычитания эксергетических потерь (энтропийный метод). Оба метода позволяют получить следующую формулу для действительного холодильного коэффициента

, (9.18)

где ;

;

Т_ОС, Т_Scp, T_S1, T_S2 - абсолютная температура окружающей среды, средняя хладоносителя и хладоносителя на входе и выходе из испарителя соответственно, К.

Эксергетический метод [основан на подсчете всех потоков эксергии и их ответвлении, он фиксирует величины всех потоков эксергии и учитывает как увеличение, так и уменьшение потоков эксергии в рабочих процессах энергетических установок. В эксергетическом методе анализа рассчитывается эксергетический КПД каждого элемента (или группы элементов) холодильной машины, а затем определяется их связь с общим эксергетическим КПД посредством использования так называемых структурных коэффициентов. Эта связь достаточно сложна. Если выразить каждый эксергетический КПД элементов через параметры холодильной машины, то значительно усложняется аналитическое исследование эффективности самой машины.

С помощью метода вычитания эксергетических потерь, зная первичную эксергию (эксергию на входе в установку), достаточно учитывать в дальнейшем только эксергетические потери. Последние суммируются и позволяют продукцию энергетической установки посчитать как разность между первичной эксергией и эксергетическими потерями. Метод назван энтропийным потому, что при известных значениях температуры окружающей среды величины эксергии и эксергетических потерь зависят исключительно от изменения энтропии. В отличие от эксергетического метода анализа, энтропийный метод устанавливает связь общего эксергетического КПД с потерями эксергии во всех элементах холодильной машины. В самом общем случае потери в каждом элементе можно представить как

, (9.19)

где S_i – суммарное изменение энтропии всех рабочих веществ участвующих в процессе, Дж/К.

Эксергетический КПД можно выразить через потери эксергии следующим образом:

, (9.20)

где _i – коэффициент эксергетических потерь в i-ом элементе холодильной машины.

Составление эксергетического баланса предполагает определение внутренних и внешних потерь эксергии:

_min, (9.21)

где П_КОМП – потери эксергии в компрессоре, кВт;

П_{Д Р} – потери эксергии в дроссельном вентиле, кВт;

П_ИСП – потери эксергии в испарителе, кВт;

П_КОНД – потери эксергии в конденсаторе, кВт;

П_ВС – потери эксергии во всасывающей линии, кВт;

П_РТ – потери эксергии в регенеративном теплообменнике, кВт.

Теоретически минимальная работа L_min в однопоточном цикле представляет собой работу, которую необходимо затратить в обратимом цикле Карно для получения заданной холодопроизводительности Q₀

, (9.22)

где _K – холодильный коэффициент обратимого обратного цикла Карно в интервале температур Т_ОС и средней температуры хладоносителя Т_Scp (или температуры холодильной камеры)

. (9.23)

Тогда общий эксергетический КПД можно записать так:

. (9.24)

Необходимо отметить, что потери эксергии в компрессоре можно представить как сумму внутренних - индикаторных потерь П_i, механических П_МЕХ и электрических П_Э потерь эксергии. При выполнении расчетов можно учитывать только индикаторные потери. Можно предположить, что механические и электрические потери для сравниваемых рабочих тел при одинаковых параметрах цикла осуществляемого в оборудования одного типа равны. Это объясняется тем, что потери связанные с трением и потери в электродвигателе определяются главным образом типом оборудования, а не видом используемого хладагента. В случае необходимости их можно учесть с помощью механического и электрического КПД, которые будут равными для одного типа оборудования при определенном режиме работе.

Проводить сравнение термодинамических циклов на разных рабочих телах удобно, например, для предварительной оценки перспектив применения какого либо хладагента в различном холодильном оборудовании. Поэтому такой анализ используется достаточно широко. А вот полный термодинамический анализ холодильных систем выполняется не так часто как анализ холодильных циклов. Вероятно, это связано с большими, чем при проведении анализа циклов, трудностями.

На этапе анализа термодинамических циклов производится оценка возможности применения хладагентов при определенных параметрах холодильного цикла. На этапе анализа термодинамических циклов с достоверностью 80% можно оценить ожидаемые характеристики компрессорных систем.

Но в то же время многие авторы отмечают, что в настоящее время оценка эффективности новых озонобезопасных хладагентов и нового оборудования требует системного подхода. Например, в работе [15] предлагается вначале выполнять сравнительный анализ теплофизических свойств хладагентов и термодинамических циклов. Затем учитывать рабочие коэффициенты компрессора (коэффициент подачи и эффективный КПД), совместно с расчетными характеристиками цикла, что повышает, по мнению авторов работы [15], полноту информации об ожидаемых характеристиках компрессорных систем практически до 100% и ожидаемых характеристиках холодильной машины- до 95%.

С последним мнением авторов [15] трудно согласиться, поскольку теоретическая оценка перспектив применения альтернативных хладагентов должна базироваться на данных о термодинамических свойствах растворов хладагента с компрессорными маслами. Разница в термодинамической эффективности для выбранного хладагента с различными маслами может превышать разницу в значениях теоретического холодильного коэффициента для сравниваемых чистых рабочих тел.

Кроме этого системный подход может заключаться в последовательном анализе термодинамических и, например, экономических показателей оборудования. Так, в очень многих работах сравнение различных альтернативных хладагентов на первом этапе анализа проводилось именно по расчетным характеристикам холодильного цикла. Но, вместе с тем, следует учитывать необходимость последующего более детального анализа, например, с использованием экономических методов или TEWI-анализа.

В большинстве опубликованных работ посвященных выбору альтернативных ГФУ для холодильного оборудования изучение начинается именно с оценки величины холодильного коэффициента и холодопроизводительности при разных режимах с последующим проведением более детального анализа. Часто сравнение термодинамических характеристик выполняется именно на начальной стадии полного анализа. Наряду с этим подходом многие специалисты, не исключая возможности решения частных задач чисто термодинамического рассмотрения отдельных технических систем и их элементов, все же указывает на необходимость системного технико-экономического подхода при выборе хладагентов.

Выполненный анализ позволяет отметить основные недостатки термодинамических методов: эти методы абсолютно не учитывают экономических и экологических факторов. Так, например, В. М. Бродянский [12] отмечает: "…любой анализ системы, основанный на чисто термодинамических методах, связан с определенными принципиальными ограничениями. Термодинамический анализ оперирует только затратами и потерями эксергии, в то время как для окончательной оценки того или иного технического решения необходим учет затрат всех видов. С этой целью часто используются методы экономического анализа.

9.1.2 Экономические методы. Для оценки эффективности холодильного оборудования в настоящее время широко применяются различные варианты экономических методов анализа.

При выполнении обычного экономического анализа нового объекта необходимо:

– произвести расчет затрат на изготовление объекта,

– определить эксплуатационные расходы,

– оценить экономическую эффективность.

Необходимо отметить, что предпосылкой правильного определения сравнительной экономической эффективности различных вариантов является обоснованный выбор объекта для сравнения. При этом сравниваемые варианты должны быть приведены в сопоставимый вид по всем признакам, оказывающим влияние на показатели экономической эффективности (объем продукции, ее состав, качество, стоимость материалов, тариф на электроэнергию, общие капитальные затраты, удельные капиталовложения на единицу продукции). Приведение сравниваемых вариантов в сопоставимый вид заключается в достижении тождества по видам, объемам, качеству и надежности обеспечения потребителей технологической и энергетической продукций [17]. Кроме того, для приведения вариантов в сопоставимый вид должен быть одинаковым и временной интервал анализа. Для соблюдения условия сопоставимости сравнение капитальных затрат можно проводить по удельным показателям, например с такой размерностью как грн/кВт, грн/кг и т. п.

К важнейшим экономическим показателям, учитываемым при оценке эффективности новых типов холодильных машин относятся затраты на их изготовление, которые на стадии проектирования могут быть определены различными методами. К наиболее распространенным методам относятся:

Расчет капиталовложений по удельным показателям затрат. При этом стоимость подсчитывается по удельным показателям затрат (на единицу веса, мощности, производительности и т. п.) существующих однотипных или аналогичных конструкций по формуле:

, (9.25)

где S_П – стоимость проектируемой машины, грн;

S_а – стоимость аналогичной машины, грн;

Р₁ – масса, мощность или другой показатель проектируемой машины;

Р₂ – то же для аналогичной машины.

Для большинства типов машин и аппаратов характерен высокий удельный вес затрат на материалы, что позволяет на начальных стадиях проектирования использовать такую формулу:

, (9.26)

где S_М1 – стоимость материалов и покупных изделий во вновь спроектированной машине, грн;

S_М2 – стоимость материалов и покупных изделий в себестоимости аналогичной машины.

Этот метод можно использовать только при сравнении моделей, не имеющих существенных конструкционных различий и изготовляемых в одинаковых условиях.

Определение стоимости запроектированной машины по структуре себестоимости аналогичных или подобных машин. Принимается, что цена на оборудование определяется материалами и основной заработной платой. Затраты на материалы определяются произведением средней стоимости 1 кг материалов из которых изготовлена аналогичная машина на массу проектируемой машины, а затраты труда – произведением средней величины затрат труда на единицу массы или производительности аналогичной машины на массу либо производительность проектируемой машины.

Расчет по статьям калькуляции. Такой расчет может осуществляться только на той стадии проектирования, когда становятся определенными такие показатели как масса, количество деталей, спецификация на детали и комплектующие изделия, степень технологической оснащенности, годовой выпуск машин и др. Расчет материальных затрат производится по ценникам на материалы и покупные изделия. Величина транспортно-заготовительных расходов обычно вычисляется в процентах от стоимости материалов и покупных изделий. Заработную плату можно рассчитать, если разработана технология изготовления машины.

Определение экономической эффективности использования холодильной техники предусматривает сопоставление эффекта (экономии на эксплуатационных затратах), получаемого от применения новой машины, с затратами на ее создание, т. е. показывает экономию в денежном выражении, получаемую в результате внедрения новой техники.

Е_Э=Э/К, (9.27)

где Э – полученный эффект, грн.;

К – затраты на создание, грн.

Если в сравниваемых вариантах качественные показатели и годовая производительность оборудования одинаковы, экономическая эффективность может оцениваться по абсолютным величинам капиталовложений и эксплуатационных затрат. При этом возможны следующие варианты:

К₁ > К₂, С₁ > С₂,

К₁ > К₂, С₁ = С₂,

К₁ = К₂, С₁ > С₂, К₂ > К₁, С₁ > С₂, (9.28)

где К₁, К₂ – капитальные затраты по сравниваемым вариантам, грн;

С₁, С₂ – эксплуатационные затраты по сравниваемым вариантам, грн.

Первый, второй и третий варианты указывают на большую эффективность второго сравниваемого объекта. Четвертый случай требует определенного срока окупаемости – Т_ок.

Т_ок=(К₁-К₂)/(С₁-С₂). (9.29)

Коэффициент экономической эффективности дополнительных капиталовложений может быть рассчитан по формуле

Е=(С₁-С₂)/(К₂-К₁). (9.30)

Иногда эксплуатационные затраты по сравниваемым вариантам рассчитывают на единицу продукции

Чаще всего производительности разных вариантов различны, тогда оценку рекомендуется производить по удельным показателям затрат. Если требуются дополнительные капиталовложения, срок окупаемости дополнительных капиталовложений определяется по формуле

, (9.31)

где V₁, V₂ – объем продукции по сравниваемым вариантам.

В настоящее время наиболее широкое применение находит технико-экономический метод анализа, в рамках которого в качестве критерия эффективности используются приведенные затраты. Расчет удельных приведенных затрат позволяет оценить себестоимость вырабатываемой в одноцелевой установке продукции (в рассматриваемом случае холода) и оценить влияние отдельных составляющих приведенных затрат на себестоимость вырабатываемого холода.

При сравнении холодильных систем наиболее часто используются такие технико-экономические показатели, как холодопроизводительность (удельная, объемная, часовая, годовая); степень сжатия; габаритные размеры оборудования; масса оборудования и его отдельных элементов; адиабатный, индикаторный, механический КПД и коэффициент подачи; общие и удельные эксплуатационные затраты; размер экономического эффекта и многие другие.

Стоимостное выражение энергетических, материальных и трудовых затрат (годовые приведенные затраты) в общем виде можно записать так:

, (9.32)

где. – С – годовые текущие эксплуатационные затраты эксплуатационные затраты на выработку холода, грн/год;

Е_НК – приведенные к году капитальные вложения, которые определяются в основном, стоимостью оборудования, грн/год.

Часто годовые приведенные затраты разделяют на энергетические затраты, затраты на оборудование, затраты на обслуживание и ремонт.

Однако в абсолютном выражении годовые приведенные затраты не могут быть использованы для сравнения разных холодильных систем. В данном случае в качестве критерия для сравнения предлагается использовать удельные годовые приведенные затраты:

, (9.33)

где Q – выработанный системой за год холод, кВт/год.

Большое количество работ связанных с определением оптимальных параметров холодильной установки базируется именно на технико-экономическом подходе, суть которого заключается в следующем. Для рассматриваемой холодильной машины принимаются некоторые начальные значения, определяющие термодинамические параметры цикла. Затем производится расчет цикла и основных параметров, необходимых для подбора оборудования. Для подобранного оборудования с учетом полученного режима работы выполняется технико-экономический расчет, конечной целью которого является определения приведенных затрат. Затем изменяются значения принятых параметров, и расчет повторяется. После проведенных расчетов выбирается вариант, характеризующийся наименьшими приведенными затратами. Традиционный технико-экономический метод характеризуется последовательным учетом термодинамических (энергетических) и экономических факторов [16].

К одному из наиболее современных вариантов экономического метода анализа так же можно отнести расчет затрат за весь "жизненный цикл" системы (ЗЖЦ). Расчет затрат за жизненный цикл используется для сравнения оборудования на этапе планирования и проектирования. Наиболее простое и общее уравнение для расчета ЗЖЦ имеет следующий вид :

ЗЖЦ = капиталовложения + затраты на энергоснабжение +

+ затраты на обслуживание + затраты на утилизацию. (9.34)

Этот подход отличается от предыдущих методов тем, что в нем предпринимаются попытки учесть абсолютно все затраты связанные с выпуском (начиная со стадии получения сырья), использованием и утилизацией рассматриваемого оборудования.

Экономические методы очень широко применялись раньше и применяются в настоящее время для анализа перспектив применения различных хладагентов или различных типов холодильного оборудования. Например, в работе [3] авторы анализировали перспективы применения альтернативных хладагентов в холодильном оборудовании с помощью экономического метода (метод выбора наименьшей стоимости). Причем, предпринимались попытки учесть все возможные изменения в холодильной машине связанные с переходом на использование нового рабочего тела и влияние этих изменений на стоимость машины (учитывались изменение производительности, изменение теплообменной поверхности, обеспечение мер пожаробезопасности и много другое). Такой же способ предлагается использовать и в работах [1, 4] для оценки перспектив применения пожароопасных хладагентов. Отмечается, что стоимость машины использующей горючие рабочее тело значительно больше стоимости установки на пожаробезопасном хладагенте, и в данном случае термодинамические методы анализа и классический TEWI анализ неприемлемы.

Хотя экономические методы используются очень широко, они имеют и ряд недостатков. Прежде всего, обычно применение этих метода имеет ряд технических трудностей, например необходимость выполнения большого количества расчетов. Кроме того, применение традиционных экономических методов не предусматривает общих (аналитических) решений и предполагает индивидуальный подход к каждой рассматриваемой холодильной установке. Так же весьма проблематично применение экономических методов при решении глобальных экологических задач. Кроме того, с помощью подробно изложенного в работе [13] технико-экономического метода можно оценить себестоимость холода производимого в определенном режиме работы установки, но оказывается невозможным оценить себестоимость холода, вырабатываемого при различных температурах. Так же, рассмотренный метод не позволяет учесть "качество" производимого холода. Термоэкономический метод анализа лишен последних двух недостатков.

9.1.3 Термоэкономический метод. Для развития традиционных форм технико-экономических расчетов в 60-е годы двадцатого столетия американский ученый М. Трайбус [11] предложил методику единовременного (в отличие от технико-экономического метода) учета термодинамических и экономических факторов при проведении оптимизационных расчетов, названную им термоэкономикой. О необходимости объединения термодинамического и экономического анализов говорилось во многих работах. Так, приблизительно в тоже время наши соотечественники Мартыновский В. С., Мельцер Л. З. и др. отмечали: "…крайнюю необходимость развития таких методов, в которых возможности расчета эксергетических потерь были бы использованы для проведения общего технико-экономического анализа теплоэнергетических и холодильных установок". Вот что отмечает по этому поводу Е. И. Янтовский [18]: "…Эксергетический анализ дает информацию относительно возможного улучшения термодинамических процессов, но только экономический анализ позволяет решить, рационально такое улучшение или нет".

Основной идеей термоэкономического метода является использование для оценки изменений, происходящих в энергетической системе, некоторой обобщенной термодинамической характеристики, обеспечивающей получение полезного конечного эффекта. Учитывая, что в холодильных установках (как в других энергетических системах) энергия может передаваться как в форме теплоты, так и в форме механической работы в качестве обобщенной термодинамической характеристики была выбрана эксергия.

Необходимо отметить, что возможность использования эксергетических функций в экономике вытекает из двух предпосылок:

1. Эксергия как показатель практической энергетической пригодности может служить для приближенной сравнительной оценки средних показателей термоэкономической эффективности, особенно в тех случаях, когда необходимо оценивать перспективу применения пожароопасных или токсичных хладагентов.

2. Эксергия является единым показателем величин, поддерживающих ход процесса и эффектов, используемых в качественно различных тепловых процессах. Поэтому в таких процессах эксергия дает единую, удобную и четкую форму зависимостей.

В рамках термоэкономического метода анализируются изменения, происходящие с основным потоком эксергии, обеспечивающим получение полезного конечного эффекта (в случае анализа холодильных установок - эксергии полученного холода). При этом могут рассматриваться и учитываться потери эксергии, возникающие при передаче и преобразовании энергии в отдельных элементах установки, а также экономические затраты, связанные с созданием и эксплуатацией соответствующих элементов установки.

Последнее обстоятельство следует особенно подчеркнуть, поскольку последнее время наметилась тенденция проведения анализа эффективности использования оборудования за весь жизненный цикл. Эта тенденция, безусловно, должна найти отражение и при осуществлении термоэкономического метода анализа. Следовательно, все экономические затраты, должны рассчитываться за жизненный цикл оборудования

Потери эксергии, также как и экономические затраты, приводят к повышению цены единицы эксергии по мере перемещения потока от точки ввода эксергии в систему до получения конечного эффекта. В результате термоэкономический анализ сводится к определению условий, обеспечивающих получение минимальной цены единицы эксергетической производительности. А целевой функцией термоэкономического метода можно назвать приведенные затраты на единицу получаемой эксергии. Для удобства представления этой величины можно использовать термоэкономическую диаграмму потоков, в которую входят не только потоки эксергии, но и экономические затраты. С использованием этого метода можно решать различные виды задач, получая одновременно информацию о тех участках, которые в наибольшей степени приводят к росту удельных затрат эксергии (и соответственно затрат на целевые продукты).

Термоэкономический метод, хотя и имеет ряд преимуществ, для анализа холодильного оборудования используется реже, чем технико-экономический и термодинамический. Так, например, в работе [8] для оптимизации холодильной установки, целью которой является минимизация общей стоимости (капиталовложения и эксплуатационные затраты) предлагается использовать термоэкономический метод, основанный на расчете "стоимости эксергии". Расчет проводится отдельно для всех физических потоков входящих и покидающих систему и затем для каждой подсистемы. Причем авторы отмечают, что этот метод удобен тем, что с его помощью можно анализировать и очень сложные системы, так как стоимость эксергии рассчитывается для каждого элемента отдельно. Данный метод достаточно прост и имеет высокую точность полученных результатов по сравнению с очень сложными методами математического моделирования, применяемыми для анализа холодильных системы.

Термоэкономический метод анализа имеет ряд преимуществ перед обычными экономическими, технико-экономическими и термодинамическими методами. Например, одним из положительных моментом этого метода является то, что при выполнении анализа применяется методика декомпозиции (т. е. производится разбивки общей схемы рассматриваемой системы на отдельные подсистемы, зоны), что позволяет упростить математическое описание модели.

Метод термоэкономики дает возможность не только оптимизировать режим работы одно- и многоцелевых холодильных установок, но и позволяет определить себестоимость холода, вырабатываемого в многоцелевых установках при различных температурах, так как эксергия, являющаяся в термоэкономической модели основным носителем информации, в отличие от тепловых величин, позволяет учесть потенциал холода [16].

Хотя рассмотренный метод имеет ряд преимуществ по сравнению рассмотренными ранее экономическими и термодинамическими методами и отличается полномасштабным учетом энергетических и материальных потоков, но все же в нем не учитываются экологические аспекты. Как справедливо отмечает В. М. Бродянский, в современных условиях термоэкономическая оптимизация не всегда достаточна и поэтому необходима третья ступень – технико-экономическая экологическая оптимизация [12].

К этому, безусловно, справедливому замечанию, следует добавить, что в настоящее время любой серьезный промышленный проект должен сопровождаться экологической экспертизой. Проблема состоит лишь в том, что методические основы экологических экспертиз применительно к решению глобальных проблем остаются до сих пор недостаточно разработанными.

Решение этой, безусловно, очень важной задачи, может быть достигнуто благодаря тому обстоятельству, что эксергия в отличие от холодопроизводительности может быть преобразована в эмиссию диоксида углерода при оценке косвенного вклада в TEWI. Тем самым в рамках термоэкономического метода учета эксергетических потерь и с использованием основных принципов методики TEWI-анализа может быть разработан ряд новых эколого-энергетических критериев, который позволят решать ряд важных задач на пути к развитию экологически устойчивой энергетики.

Говоря о методах анализа эффективности использования энергоресурсов, объединяющих в себе экономические и термодинамические аспекты необходимо так же отметить метод, основанный на использовании показателя "эксергия-нетто" и связанного с ним критерия СУЗЭКС (сумма удельных затрат эксергии) [12, 18]. Показатель "эксергия-нетто" определяется как разность между всей получаемой от рассматриваемого объекта эксергией за время его работы и эксергией затраченной не только на эксплуатацию, но и на создание объекта. Но "эксергия-нетто" не отражает непосредственно совершенства установки и поэтому не может служить целевой функцией. Ее можно назвать "лимитирующей" величиной. Поэтому, для целей оптимизации предлагается использовать критерий (или целевую функцию) СУЗЭКС, который появился в результате дальнейшего развития идеи "эксергия-нетто". СУЗЭКС представляет собой сумму удельных затрат эксергии.

, (9.35)

где З_ТЕК – удельные текущие затраты, т. е. величина полученной эксергии в целевом продукте к затратам эксергии на эксплуатацию установки, ГДж/ГДж;

З_К – удельные капитальные затраты, т. е. величина полученной за все время работы установки эксергии к затратам эксергии на создание установки, ГДж/ГДж. Эта величина получила название коэффициента эксергии-нетто.

Критерий СУЗЭКС представляет объединенный показатель энергетической эффективности оборудования. Он аналогичен по смыслу и структуре известному критерию приведенных затрат или критерию приведенных затрат на единицу полученной эксергии и отличается от них только размерностью (не грн/ГДж, а ГДж/ГДж). А целевой продукцией является безразмерная энергия.

При осуществлении данного анализа может возникнуть достаточно серьезная проблема расчета всех затрат связанных с созданием оборудования. Понятно, что затраты должны выражаться в энергетических единицах. С этой целью можно использовать понятье энергоемкости продукции. Достаточно точный расчет полной энергоемкости продукции в килограммах условного топлива на единицу изготовленной продукции в натуральном условном или стоимостном эквиваленте предлагается в работе [14].

Полная энергоемкость продукции определяется как отношение прямых затрат энергии на протяжении года в данном производственном процессе и косвенных затрат энергии, материализованных в использованных энергоресурсах, сырье, материалах, полуфабрикатах, основных производственных фондах, а так же затрат энергии на транспортировку, восстановление окружающей среды и другие вспомогательные процессы к годовому объему производства продукции (в натуральном условном и количественном эквиваленте), который вырабатывается предприятием либо отраслью.

Энергоемкость продукции является одним из важнейших показателей эффективности использования топливно-энергетических ресурсов в общественном производстве. Этот показатель объективно характеризует уровень интенсификации производства, раскрывает возможные резервы использования промышленного потенциала и энергетических мощностей. Проведение анализа полной энергоемкости продукции позволяет выявить наиболее энергоемкие технологические процессы или составные слагаемые продукции, на которые необходимо разработать энергосберегающие мероприятия, направленные на уменьшение прямых или косвенных затрат энергоресурсов, и следовательно на уменьшение воздействия на окружающую среду.

Следует отметить, что расчет полной энергоемкости продукции выполнить достаточно сложно. Во-первых, методика расчета энергоемкости довольно громоздкая и на ее осуществление требуется много времени. Во вторых, далеко не всегда имеются все необходимые для расчета данные. Тем более далеко не всегда требуется такой расчет поскольку. При выполнении сравнительного анализа, можно пользоваться упрощенной методикой расчета приблизительного значения энергоемкости, которая основана на том, что в большинстве случаев все затраты эксергии (энергии) связаны с получением материалов – стали, меди, пластмасс, бетона и т. п. [18].

В данном случае величина энергоемкости оборудования может быть вычислена как сумма массы каждой детали, умноженной на полные удельные затраты эксергии на изготовление материала, с учетом добычи и обогащения руды, плавки металла и т. п., плюс затраты работы на обработку, сборку и другие операции всех элементов объекта. Для выполнения этих расчетов можно использовать величину удельной энергоемкости материалов. Здесь необходимо отметить, что ориентировочные энергетические "цены" материалов подтверждены двумя противоположными тенденциями. А именно, как свидетельствует статистика, энергоемкость материалов снижается за счет технического прогресса в металлургии и химии и растет из-за обеднения сырьевой базы. В целом эти величины довольно стабильны в последние десятилетия и в этом смысле они гораздо надежнее, чем цены денежные [18].

Получив материалы, их необходимо обработать, потом собрать детали и т. п., затратив определенное количество энергоресурсов. Однако эти затраты энергии сравнительно невелики и, по мнению автора [18], они составляют не более 20% от суммы всех затрат на создание оборудования. Например, как отмечает это же автор, энергетическая стоимость легкового автомобиля 81 ГДж, из них 65 ГДж – затраты на материалы . Анализ структуры энергетических затрат на сырье, материалы и изготовление холодильника НОРД-233-6 показывает, что энергозатраты на изготовление данного бытового прибора составляют всего 7% от его общей энергоемкости. Таким образом, энергия, затраченная на создание оборудования приблизительно равна сумме произведений масс всех деталей на энергоемкость материала.

В большинстве случаев расчеты эффективности имеют характер сравнительных оценок. Поэтому учет затрат энергии на обработку, сварку и т. п. не вносит существенных корректив в результаты сравнительных анализов. Как отмечает Е. И. Янтовский: "Эти затраты энергии относительно малы и их можно учитывать, соответственно несколько повысив энергоемкость материалов" [18].

Интересное мнение по этому поводу высказал проф. В. М. Бродянский: "Любые поступающие в систему суммарные эксергетические затраты состоят из двух слагаемых. Первое, которое выражается через эксергию непосредственно, – это первичная эксергия природных ресурсов. Второе слагаемое – опосредованные затраты эксергии на переработку и транспорт первичной эксергии, изготовление оборудования, монтаж и т. д. Анализируя на втором этапе это слагаемое, можно снова выделить из него затраты первичной эксергии. Оставшаяся часть затрат на третьем этапе снова подвергается аналогичной операции. Практика показывает, что после третьего – четвертого этапа оставшаяся часть затрат может быть отброшена как пренебрежимо малая" [12].

Рассмотренный метод расчета целевой функции СУЗЭКС, к сожалению, до сих пор не нашел широкого применения, хотя он имеет большой потенциал для использования в любых энергетических (в том числе и в холодильных) системах. Вместе с тем, для этого метода характерен общий для всех рассмотренных выше методов анализа эффективности холодильного оборудования недостаток – отсутствие учета экологических факторов. Таким образом, на сегодняшний день разработка метода анализа эффективности холодильного оборудования, учитывающего экологические аспекты, является чрезвычайно актуальной задачей.

9.1.4 Экологические методы анализа холодильного оборудования. Холодильные системы оказывают определенные полезные экологические воздействия, способствуя совершенствованию технологических процессов, сохранению продуктов питания, экономии труда, энергии, топлива, водных ресурсов, созданию комфортных условий и т. п. И, тем не менее, они оказывают на окружающую среду и прямое отрицательное воздействие. Без тщательного анализа невозможно определить, какого рода воздействия преобладают при эксплуатации конкретной холодильной системы и тем более от холодильной техники в целом. Большой вклад в разработку экологических методов анализа холодильного оборудования внес наш соотечественник Е. И. Таубман.

С этой целью в его работах [20] для оценки полезных и вредных экологических воздействий холодильных систем были сформулированы интегральные критерии. Е. И. Таубман отмечает, что такие критерии должны зависеть от характеристик холодильной системы и количественно характеризовать частные воздействия и весь комплекс воздействий холодильной системы на окружающую среду.

Для оценки и сравнения полезных и вредных экологических воздействий в данных работах было предложено использовать критерии полезности и вредности, которые в общем, виде можно записать следующим образом [20;5]:

, (9.36)

, (9.37)

где _П, _В – критерии полезности и вредности соответственно;

X=X(a_i, x_i), Y=Y(b_j, y_j) – полезные и вредные экологические эффекты холодильных систем соответственно;

x_i, y_j – i-e полезное и j-e вредное экологические воздействия;

a_i, b_j – параметры, оценивающие влияние полезных и вредных воздействий холодильных систем на окружающую среду;

Z – производительность системы.

А общая степень полезности системы может характеризоваться отношением полезного воздействия на окружающую среду к вредному воздействию. [20;5]:

или . (9.38)

Однако следует подчеркнуть, что количественное определение экологических эффектов, так же как и частных полезных и вредных экологических воздействий для большинства групп воздействий является проблематичным. Сами авторы отмечают, что основной вопрос заключается в том, как, имея значения частных экологических воздействий, что выполнить практически очень трудно, определить общий эффект? Проблема заключается в том, что воздействия различных групп разнохарактерны и выражаются в различных единицах.

Кроме того, следует заметить, что в работах, написанных около двадцати лет назад, не учитывались основные экологические проблемы, возникшие на рубеже нового тысячелетия, такие как разрушение озонового слоя и увеличение влияния парникового эффекта.

Аналогичный подход, основанный на комплексном учете многих экологических факторов, предлагается в работе [10]. Для оценки полного экологического воздействия оборудования M. Prek предлагает рассчитывать отдельные экологические воздействия системы за весь жизненный цикл. Но как отмечает автор, в рамках проведения анализа жизненного цикла, можно определить отдельные вклады оборудования в парниковый эффект, в образование кислотных дождей, в разрушение озонового слоя и в другие экологические факторы, но при этом общее экологическое воздействие данной системы остается неизвестным. Причиной является отсутствие весовых коэффициентов экологического воздействия. В настоящее время экологическое воздействие оценивается или с помощью расчета эмиссии и ее последующего сравнения с планируемой величиной эмиссии, или с помощью денежных величин, выражающих вред, наносимый окружающей среде. Автор этой работы [10] для этой цели предлагает использовать методику расчета экоиндикаторов, которые оценивают степень каждого экологического воздействия. Понятно, что предложенный анализ еще далек от своего практического применения.

Изложенные выше методики экологического анализа указывают на сложность комплексного учета всех негативных факторов, влияющих на окружающую среду при эксплуатации холодильного оборудования, особенно в тех случаях, когда речь идет о влиянии на глобальные экологические процессы (разрушение озонового слоя, рост парникового эффекта). Но именно необходимость решения всех глобальных экологических проблем определяет технологический процесс в холодильном машиностроении в последнее десятилетие.

Решение экологических проблем будет значительно упрощено, если из всего множества трудносопоставимых негативных факторов выделить основной, регулирование которого определяло бы долгосрочную концепцию технологического прогресса в холодильном машиностроении. Можно предположить, что таким фактором в обозримом будущем будет эмиссия парниковых газов. Это объясняется большим вкладом галоидопроизводных углеводородов, используемых в холодильном оборудовании, в глобальное потепление и значительным потреблением энергии на производство искусственного холода. Эмиссию парниковых газов легко оценивать количественно, устанавливать и контролировать выделяемые квоты. Кроме того, уменьшая эмиссию парниковых газов, мы тем самым способствуем сохранению энергетических ресурсов.

9.1.5. TEWI - анализ. Данный метод анализа появился недавно – в начале 90-х гг. двадцатого столетия [9]. Изначально он предназначался для оценки перспектив применения альтернативных озонобезопасных хладагентов. В рамках этого метода сделаны первые шаги в направлении разработки современных методик эколого-энергетического анализа эффективности использования хладагентов. Публикации [6, 19] были одними из первых, в которой для выбора новых озонобезопасных хладагентов предлагалось использовать методику расчета величины TEWI. Для более полного учета энергетических и экологических факторов, влияющих на рост парникового эффекта, в этой работе был предложен новый критерий, который получил название Полного Эквивалента Глобального Потепления – TEWI (Total Equivalent Warming Impact). Предпосылкой к появлению такого критерия послужило то обстоятельство, что в начале 1990 годов при осуществлении анализа перспектив применения альтернативных хладагентов чрезмерное внимание уделялось лишь прямому вкладу хладагентов в глобальное потепление. При этом не учитывался такой фактор как эмиссия СО₂ от потребления энергии при работе оборудования. По замыслу авторов, новый критерий должен был учитывать не только прямой вклад в увеличение суммарного радиационного форсинга от эмиссии хладагентов, но и косвенный вклад от выбросов СО₂ при выработке электроэнергии, необходимой для эксплуатации холодильного оборудования. При этом критерий TEWI отражал полную эквивалентную эмиссию парниковых газов за весь срок эксплуатации оборудования и имел размерность кгСО₂.

Методика прошла несколько стадий своего развития, что позволило, в конечном счете, получить следующее выражение для вычисления TEWI:

. (9.39)

где GWP_ХЛ и GWP_BA – потенциалы Глобального Потепления соответственно хладагента и вспенивающего агента используемого при производстве изоляции (потенциал СО₂ принят за единицу), кг СО₂/кг; L_ХЛ – утечка хладагента, кг/год; N – время эксплуатации оборудования, год;

m_ХЛ – масса хладагента в установке, кг;  – доля утилизированного по окончании эксплуатации хладагента; m_ВА – масса вспенивающего агента, кг;  – эмиссия СО₂ при производстве 1кВт^.ч электроэнергии, кг СО₂/кВт^.ч; Е – годовые затраты электроэнергии на эксплуатацию оборудования, кВт^.ч/год.

Сразу после появления этой методики были проведены три серии международных исследований (в 1991, 1994 и 1997 гг.), посвященных изучению перспектив применения различных веществ в холодильных системах и системах кондиционирования воздуха, веществ для производства изоляции и веществ используемых в качестве растворителей [9]. Эти исследования подтвердили необходимость учета косвенного вклада от энергетических затрат при эксплуатации оборудования в глобальное потепление климата и показали большие перспективы использования концепции TEWI для оценки перспектив применения различных веществ. В настоящее время методика вычисления TEWI стала все шире использоваться для анализа холодильного оборудования.

К одному из основных недостатков рассмотренной классической методики вычисления TEWI следует отнести отсутствие полного учета всех энергетических затрат, связанных с созданием и безопасной эксплуатацией холодильной техники (например использующей пожароопасные хладагенты). Эти причины в значительной мере сдерживали широкое применение методики TEWI – анализа, особенно в тех случаях, когда рассматривалась техника с незначительным уровнем эмиссии рабочего тела. В этом случае классическая концепция TEWI-анализа для герметичных холодильных систем не имеет существенных преимуществ по сравнению с традиционными методами термодинамического исследования.

Поэтому методика TEWI – анализа уже через несколько лет получила свое дальнейшее развитие. Так в ряде работ авторы отмечают, что холодильные машины на пожароопасных и пожаробезопасных хладагентах имеют различную стоимость и при равной производительности не могут непосредственно сравниваться по величине TEWI. Некоторые исследователи подчеркивают необходимость учета затрат на создание оборудования при расчете величины TEWI. Предлагается проводить оценку величины TEWI в расчете на единицу капиталовложений. В работе [21] отмечается необходимость учета всех энергетических затрат на разработку, создание и эксплуатацию системы. В более поздних публикациях рекомендуется при расчете косвенного вклада в величину TEWI учитывать дополнительные энергетические затраты Е_i на создание оборудования, машинного зала, обеспечение мер безопасности, а также реновацию и ремонт. В таком случае формула для расчета общего вклада системы в парниковый эффект может быть записана в таком виде:

. (9.40) Кроме того, в последние годы появились публикации, в которых предлагается производить расчет величины TEWI за весь жизненный цикл оборудования. Оценка затрат за весь жизненный цикл сегодня уже регламентируется стандартами ISO 14000 – стандарты серии ISO 14040 – экологический менеджмент – анализ жизненного цикла. Нужно заметить, что указанные Европейские стандарты начали разрабатываться уже в 1993 г. Предназначались они в качестве методологического инструмента для проведения экологического анализа различных производств и выпускаемой ими продукции.

Выполнение анализа за жизненный цикл все больше признается учеными и инженерами разных стран. В соответствие со стандартами серии ISO 14040, анализ жизненного цикла необходим для определения основных экологических проблем связанных с различными видами человеческой деятельности.

Нужно так же подчеркнуть, что в первом варианте стандартов предполагалось, что экологический анализ за жизненный цикл должен основываться на таких понятиях как GWP и ODP. Однако скоро стало очевидным, что такой подход недостаточен. В настоящее время в рамках указанных ГОСТов предлагается проводить наиболее простой экономический анализ за жизненный цикл производства и оборудования.

Определение величины вклада в парниковый эффект за весь жизненный цикл (как еще иногда говорят "от колыбели до могилы") представляет собой полную оценку теплового воздействия любых систем, в частности и тех, которые используют фторуглеводороды (холодильные системы, системы кондиционирования воздуха, тепловые насосы). При осуществлении этого метода применительно к холодильному оборудованию Ф. Буш (Busch F.) [2] предлагает учитывать вклад в парниковый эффект от эмиссии хладагента во время процесса его производства, при транспортировке хладагента, во время работы холодильных систем и при окончании срока службы системы. Кроме того должна учитывается эмиссия СО₂ от получения энергии затраченной на производство хладагента, на производство самой системы и на работу системы.

В большинстве опубликованных на эту тему работ утверждается, что для холодильных систем энергия, затраченная на работу системы за все время ее эксплуатации – является доминирующим фактором при определении вклада в изменение климата. Следует заметить, что с последним замечанием не всегда можно согласиться т. к. оно может быть справедливым только для оборудования большой производительности и совсем неверно, например, для бытовых холодильников.

Таким образом, современная трактовка TEWI – анализа имеет определенные недостатки. Основной из них состоит в том, что экстенсивную величину TEWI нельзя использовать в качестве индикатора при эколого-энергетическом анализе холодильного оборудования различной производительности. Эта величина может быть использована лишь для сравнения подобных систем при одинаковых условиях работы. Вместе с тем автор работы [7] Л. Кьюперс (L. Kuijpers) считает, что TEWI-анализ все же должен обязательно рассматриваться. Поэтому он предлагает свою схему проведения анализа. Вначале определяется стоимость оборудования за жизненный цикл (очень удобно для потребителей), а значение TEWI рассчитывается уже для различных типов холодильных систем, имеющих равное значение стоимости за весь жизненный цикл. Таким образом, окончательный выбор оборудования должен основываться на выполнении этих двух анализов и предпочтение должно отдаваться оборудованию с наименьшей величиной TEWI.

При таком подходе неизбежно возникает существенная проблема. Маловероятно, что может возникнуть ситуация при которой сравниваемое оборудование будет иметь равные затраты за жизненный цикл и как сравнивать оборудование с различной величиной ЗЖЦ? Совершенно очевидно, что для решения этой проблемы необходимо использовать удельные величины.

Таким образом, метод TEWI анализа находит все более широкое применение. Уже сегодня этот метод начинает использоваться в областях не связанных с холодильной техникой. Хотя метод TEWI-анализа изначально был предложен для осуществления оценки оборудования использующего парниковые газы (такие как ГХФУ и ГФУ), его можно применять не только для анализа холодильного оборудования, но и для любых других видов товаров, услуг, технологий. Данный метод с успехом может и должен использоваться при осуществлении анализа любых отраслей промышленности и технологий (при условии учета абсолютно всех затрат энергии).

Несомненным достоинством рассматриваемой концепции TEWI-анализа является возможность адаптации в хорошо разработанные методы эксергетического и термоэкономического анализа эффективности. При таком подходе системное исследование эффективности холодильного оборудования и научное обоснование направлений его экологизации может решаться на основе уравнений энергетического и материального балансов всех видов энергоносителей, затраченных на получение искусственного холода. Необходимым требованием к корректности составляемых уравнений энергетического баланса должен являться полномасштабный учет энергетических ресурсов, затрачиваемых на производство сырья и создание оборудования, а также энергетических потерь, вызванных необратимостью процессов, протекающих в холодильной машине.

Основным недостатком рассмотренных выше методов, является то, что в них не учитываются экологические факторы (в частности они не могут учесть экологические аспекты использования новых хладагентов). Обилие публикаций посвященных оценке перспектив применения альтернативных хладагентов является наглядной иллюстрацией несостоятельности попытки решения новых глобальных экологических проблем (прежде всего техногенной эмиссии парниковых газов) с помощью традиционных методов анализа. Так, справедливо отмечает проф. Бродянский [12]: "до сих пор отсутствует последняя ступень оптимизации технических систем - технико-экономическая экологическая оптимизация". О необходимости разработки комплексного метода экологического анализа холодильного оборудования говориться уже давно. Сейчас эта проблема стоит еще более остро в связи с общественным осознанием необходимости решения глобальных экологических проблем (прежде всего разрушения озонового слоя и роста парникового эффекта). В последние десятилетия технологическое развитие промышленности ориентировано на реализацию мер, направленных на экономию энергетических ресурсов и снижение антропогенной нагрузки на природу. Практическая реализация указанных мероприятий может быть осуществлена только путем структурной перестройки экономики и повышения эффективности использования энергоресурсов. Вместе с тем следует отметить, что четких критериев и научно обоснованных норм, определяющих эколого-энергетическую эффективность использования ресурсов, практически нет, а традиционно используемые методики оценки эффективности не адаптированы к решению экологических проблем.

Многие авторы подчеркивают необходимость разработки нового метода анализа эффективности оборудования, и предпринимают попытки создания такого метода. Главное требование, предъявляемое последнее годы к разрабатываемым методикам оценки эффективности состоит в том, что бы анализ носил более общий, комплексный характер и учитывал как можно большее количество факторов (в том числе и экологических).

Как уже отмечалось ранее, последнее годы все чаще подчеркивается необходимость проведения анализа за весь "жизненный цикл" оборудования. При этом можно констатировать, что, в большинстве существующих методов рассматриваются только отдельные фрагменты жизненного цикла и очень редко делаются попытки анализа за весь жизненный цикл. Чаще всего учет определенных факторов осуществляется за период эксплуатации или за период создания оборудования. Очень редко при проведении анализа учитывается период жизненного цикла после окончания срока службы оборудования.

С учетом изложенного становится совершенно очевидным, что для решения эколого-энергетических проблем необходима разработка новых методов комплексного анализа. Так для успешного проведения активной энергосберегающей политики необходим научно-обоснованный метод анализа всех энергетических затрат во всех отраслях промышленности, в сельском хозяйстве, транспорте и т. п. Этот анализ должен учитывать затраты на получение первичных энергоресурсов и сырья, а завершаться на стадии использования вторичных ресурсов и отходов с учетом всех экологических воздействий. То есть, анализ должен выполняться за весь жизненный цикл оборудования.

9.2 Методы анализа эффективности и оптимизации технических систем (на примере холодильных систем). Основными целями проводимого анализа эффективности являются:

1. Выбор тех систем (из числа существующих), применение которых наиболее выгодно в данных условиях

2. Определение для выбранной холодильной системы оптимальных параметров и режимов работы

3. Выявление (с целью улучшения) тех элементов и процессов, которые в наибольшей степени сдерживают повышение эффективности холодильной системы. Для определения оптимальных режимов работы холодильной системы нужно установить:

1. критерий оптимизации (целевую функцию)

2. процедуру отыскания экстремума этого критерия в определенном поле возможных изменений рабочих условий (например: температура нагнетания, давление конденсации, испарения и т.д.). Целесообразно отыскания экстремума осуществлять в рамках математической модели. Для рационального построения математической модели, удобства анализа целесообразно составить структурную схему технологического объекта (рис 9 1).

Холодильная установка – взаимосвязанный комплекс оборудования для осуществления переноса теплоты с температурного уровня охлаждаемого объекта на температурный уровень окружающей среды.

Холодильная машина – система, которая осуществляет перенос теплоты от низкотемпературного промежуточного теплоносителя (хладоносителя) к высокотемпературному промежуточному теплоносителю.

Компрессорная система – комплекс оборудования, состоящий из компрессора, вспомогательной теплообменной и прочей аппаратуры, осуществляющей заданный термодинамический цикл. Испаритель и конденсатор в КС не входят. Их заменяют условными процессами кипения и конденсации.

Анализ эффективности холодильной системы проводят путем последовательного изучения составных частей: компрессор - теплообменные аппараты - КС - ХМ - ХУ.

9.3 Характерные параметры холодильных систем. Условно параметры холодильной системы можно разделить на три группы: режимные; технические; экономические.

Внешние характеристики ХС

XУ

XM

Т₀, Т_к

KC

Термодинамические циклы

Внешние аппараты, градирни, технологический охладитель

Основные теплообменные аппараты

Вспомогательные аппараты

Компрессоры

Рис9.1 Структура холодильной системы

Т – температура испарения; Т_к – температура конденсации; Тв – температура воды; Т_об – температура объекта охлаждения; T_ос – температура О.С., Ts ₂– температура рассола (вторичного теплообменника.). ХУ – холодильная установка; ХМ – холодильная машина; К_с – компрессорная система.

Режимные: температура охлаждаемого объема, температуры теплоносителей, параметры термодинамического цикла, холодопроизводительность, массовый и объемный расход хладагента и теплоносителя, температурные напоры в теплообменных аппаратах.

Технические: рабочие коэффициенты компрессора (коэффициенты подачи); коэффициенты теплопередачи; гидравлические характеристики, геометрические размеры, частота вращения, площадь теплообменной поверхности, вместимость по холодильному агенту и т.д.

Экономические: масса элементов ХС, стоимость электроэнергии, плата за установленную мощность, стоимость охлаждающей воды, продолжительность работы системы, нормативные коэффициенты эффективности капитальных вложений и амортизационных отчислений, стоимость элементов, транспортные расходы, стоимость фундамента и помещений, зарплата.

Важно выделить классифицирующие параметры, характеризующие масштаб холодильной системы. Их используют для приведения параметров к удельному виду.

В качестве классифицирующих параметров используют:

- холодопроизводительность;

- массовые расходы хладагента и теплоносителей;

- объемный расход хладагента;

- площадь теплообменной поверхности;

- масса оборудования;

- продолжительность работы;

- стоимость электроэнергии.

9.4 Система критериев эффективности. Указанные выше параметры имеют абсолютное значение. Поэтому они непригодны для сопоставления эффективности холодильного оборудования. Нужны удельные величины, в качестве делителей которых могут выступать классификационные параметры. Полученные удельные величины (критерии) являются основным средством факторного анализа эффективности. Однако эти критерии в большинстве случаев не связаны между собой.

Для строгого оптимизационного расчета необходимо получить одну общую целевую функцию, которая бы охватывала множество частных функций. Основная трудность в выборе целевой функции носит не математический, а теоретико-практический характер. Эта проблема, в настоящее время, не имеет решения. Трудно подобрать такой критерий оптимизации, который бы учитывал совокупность общественно необходимых затрат, который бы учитывал разработку, создание, производство, эксплуатацию и утилизацию холодильной установки, да еще и с учетом экологических факторов. На сегодняшний день наибольшее применение нашла технико-экономическая оптимизация, в рамках которой в качестве критерия эффективности используются приведенные затраты.

9.5 Математические модели холодильных систем. Любая модель лишь отражает отдельные стороны изучаемого объекта. Следует иметь ввиду, что усложнение модели приводит к определенной утрате общности и наглядности результатов.

Упрощенные математические модели строятся на аналитических зависимостях режимных, технических и экономических параметров от наиболее существенно влияющих параметров. Для примера рассмотрим упрощенную математическую модель компрессорной системы. Эта модель представляет собой систему уравнений, включающую:

1. Зависимости характеристик термодинамического цикла от удельных параметров;

ε ,q_v ,φ,Ψ=f(Cx^’,Cx^”,Cp,T ,ΔT,…) (9.41)

где - ε – холодильный коэффициент;

q_v– удельная холодильная холодопроизводительность;

Ψ – отношение холодильных коэффициентов циклов;

φ – отношение холодопроизводительностей циклов;

Сх – комплекс С/r, Т =T/Ts – относительная температура.

2. Зависимости энергетических потерь в компрессорах от режимных и геометрических параметров. Например, для поршневого компрессора

ΔVe=ΣVi=f(P,λ_w,π,κ,Dy,S/Dy,n/Dy,ζ,n…) (9.42)

Где ΔV=Δv/v_s – относительные потери мощности;

Р – давление;

λ_w – коэффициент подачи и его составляющие;

π –- отношение давлений;

к – показатель политропы;

D, n, S – геометрические размеры поршня;

Ζ – коэффициент местного гидравлического сопротивления;

n – частота вращения.

3. Зависимости капитальных неэнергетических относительных затрат от удельных параметров холодильной установки.

ΣЗ=f (j₁…j_n,k₁…k_n) (9.43)

где З – капитальные неэнергетические относительные затраты;

j – удельный технический параметр;

к – капитальные затраты.

Холодильная машина состоит из компрессорной системы, испарителя и конденсатора. Эти три элемента являются основными элементами при построении математической модели холодильной машины.

Уточненная математическая модель холодильной системы, предназначенная для проведения численных экспериментов должна содержать уравнения, наиболее точно описывающие элементы ХС, а также процессы и внутренние связи в ней.

Численный эксперимент имеет преимущества перед физическим экспериментом:

– скорость получения решения;

– многофакторность исследований.

Хотя численный эксперимент не в состоянии полностью заменить физический эксперимент в виду недостаточной состоятельности математической модели.

Уравнения уточненной математической модели группируются следующим образом:

1. Исходные уравнения, описывающие процессы в элементе ХС:

– уравнения для расчета теплофизических свойств веществ;

– уравнения для расчета процессов сжатия в компрессоре;

– уравнения характеристик теплообменных аппаратов.

2. Балансовые уравнения:

– расхода;

– энергии (на теплообменниках).

3. Уравнения для расчета производных величин, с помощью которых определяют внешние теплотехнические характеристики и экономические параметры ХС.

4. Ограничения на параметры ХС, отражающие физические, технологические и эксплуатационные требования, предъявляемые к процессам и элементам ХС. В настоящее время нет универсальных уравнений, позволяющих рассчитывать экономические характеристики в целом. Это объясняется:

– большим разнообразием оборудования

– выпуском оборудования на предприятиях различного технического уровня

– спецификой ценообразования.

Вследствие этого экономические характеристики задаются в виде зависимостей удельных параметров (объемных, массовых, стоимостных) от массы, мощности, режимных параметров ХС, которые устанавливаются для конкретного типа оборудования путем обработки статистических данных, приведенных в каталогах.

С целью сокращения числа переменных при разработке математической модели обычно принимают ряд упрощений:

– депрессии ΔР. и нагревы ΔТ хладагента в коммуникациях не рассчитываются, а назначаются из опытных данных;

– исключается характеристика дроссельного устройства;

– исключается влияние примесей масла на эффективность работы оборудования.

Анализ характеристик ХС проводится на всех стадиях их создания. При этом используются:

– сравнительный анализ эффективности ХС (по сравнению с аналогом);

– поиск путем совершенствования ХС;

– анализ экспериментальных характеристик. Целесообразно анализировать результаты математического моделирования (с целью исключения случайных погрешностей);

– оценка качества внешних и внутренних характеристик ХС.

При анализе холодильных систем используется метод сопоставления:

– расчетных и экспериментальных характеристик ХС;

– уравнений минимума целевой функции;

– величин слагаемых целевой функции и т.д.

Оптимизация ХС состоит в отыскании такой системы, для которой критерий оптимизации (целевая функция) имеет оптимальное (экстремальное значение). Для ХМ в качестве целевой функции могут выступать приведенные безразмерные затраты. Для КС в качестве целевой функции может выступать холодильный коэффициент (энергетическая оптимизация).

В результате оптимизации по экономическому критерию устанавливается оптимальное соотношение между расходуемой энергией и капиталовложениями в ХС, в ее отдельные элементы. В процессе оптимизации параметры ХС изменяют в допустимых пределах до тех пор, пока сочетание их значений не обеспечит минимума безразмерных приведенных затрат.

Основная трудность заключается в том, что ряд параметров изменяется дискретно. Чаще всего это технические и экономические параметры: диметры труб теплообменника, площадь стандартных теплообменников. Иногда дискретные параметры аппроксимируют, но делать это нужно осторожно, после соответствующего анализа.

Определяющим классифицирующим параметром КС является теоретический объемный расходVт. Следовательно, оптимизацию ХС нужно проводить при постоянном значении Vt и переменной, в зависимости от температурного режима, холодопроизводительности Q=f(to, tk).

Наиболее часто применяемые методы оптимизации:

– безградиентный метод Гаусс - Зейделя

– метод градиента

– комбинированный метод (если имеется дискретно изменяющаяся величина параметра)

Этот метод заключается в определении оптимумов для определенного сочетания дискретных параметров. Сопоставляя экстремумы целевой функции для различных комбинаций дискретных параметров, выявляют оптимальный вариант ХС.

Литература:

1	Эксергетические расчеты технических систем: Справ. пособие / Бродянский В. М., Верхивкер Г. П., Карчев Я. Я. и др. / Под ред. Долинского А. А., Бродянский В. М. – Киев: Наукова думка, 1991. – 360 с.
2	Busch F. P. Global Climate Change and HVACR Industry // Proc. International Conference "Refrigerant Management and Destruction Technologies of CFC". – Dubrovnik, Croatia. – August 29-31, 2001.
3	Douglas J. D., Braun J. E., Groll E. A., Tree D. R. A Cost-Based Method for Comparing Alternative Refrigerants Applied to R22 Systems // Int. J. Refrig. – 1999. - №22. – P. 107-125.
4	Douglas J. D., Groll E. A., Braun J. E., Tree D. R. Evaluation of Propane as an Alternative to HCFC-22 in Residential Application // Proc. of 6th International Refrigeration Conference at Purdue University. – Purdue, USA. – July 23-26, 1996. - P. 13-20.
5	Таубман Е. И., Бодюл О.И. Критерий оценки влияние холодильных систем на окружающую среду // Холодильная техника и технология. – 1980. № 31. – С 82–86.
6	Fisher S. K., Fairchild P. P., Hughes P. S. Global warming implications of replacing CFC // ASHRAE Journal. – April, 1992. - Р. 14-19.
7	Kuijpers L. The Impact of the Montreal and Kyoto Protocol on New Developments in Refrigeration and A/C // Proc. IIR conference "Emerging Trends in Refrigeration & Air-conditioning. – New Delhi, India. – March 18-20, 1998. – P. 1-14.
8	Massimo Dentice d’Accadia, Filipo de Rossi Thermoeconomic Optimization of a Refrigeration Plant. // Int J. Refrig. – 1998. - Vol. 21, No. 1. - P. 42-54.
9	Orfeo S. R. A History of the TEWI Process // Proc. of The Int. Conf. On Ozone Protection Technologies. – Washington. - Oct. 21-23, 1996, - P. 441-447.
10	Prek M. Life Cycle Assessment of Refrigerators and Freezers // Proc. International Conference "Refrigerant Management and Destruction Technologies of CFC". – Dubrovnik, Croatia. – August 29-31, 2001.
11	Tribus M. Thermostatics and thermodynamics. - New Jersey: D. Van Nostrand Co, 1961.
12	Бродянский В. М., Фратшер В., Михалек К. Эксергетический метод и его приложения. Под ред. В. М. Бродянского. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 288 с.
13	Быков А. В., Калнинь И. М., Крузе А. С. Холодильные машины и тепловые насосы. Повышение эффективности. - М.: Агропромиздат, 1988. – 287 с.
14	Гнiдой М. В., Куц Г. О. Терещук Д. А. Метод розрахунку повних енергетичних витрат на виробництво продукцiї // Экотехнология и ресурсосбережение. –1997. - №5. С. 67-72.
15	Калнинь И. М., Фадеков К. Н. Эффективность альтернативных хладагентов//Холодильная техника. - 1999. - №4. – С. 10-13.
16	Оносовский В.В. Моделирование и оптимизация холодильных установок: Уч. пособие. Л.: Изд-во Ленинградского университета, 1990. - 208 с.
17	Теплоэнергетика и теплотехника: Общие вопросы: Справочник/ Под общ. ред. В. А. Григорьева, В. М. Зорина. М.: Энергоатомиздат, 1987. – 456 с.
18	Янтовский Е. И. Потоки энергии и эксергии. – М.: Наука, 1988. – 144 с.
19	Fairchild P. D., Fisher S. K., Hughes P. J. Total Equivalent Global Warming Impact. Combining Energy and Fluorocarbon Emission Effects // Proc. 1991 Int. CFC and Halon Alternatives Conf. - Washington (USA) - 1991.
20	Таубман Е. И., Бодюл О. И. К вопросу о влиянии холодильной техники на окружающую среду // Холодильная техника. – 1981. - №2. - С. 42-44.
21	McCulloch A. Life Cycle Analysis to Minimise Global Warming Impact // Renewable energy. – 1994. – Vol. 5, Part II. - P. 1262-1269.