автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Алгоритмическое и программное обеспечение построения области реализуемости термодинамических систем

485821)9

ГРИГОРЕВСКИЙ ИВАН НИКОЛАЕВИЧ

АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОСТРОЕНИЯ ОБЛАСТИ РЕАЛИЗУЕМОСТИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Специальность 05.13.11 - Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 7 ОКТ 2011

Переславль-Залесский - 2011

4858209

Работа выполнена в Исследовательском центре системного анализа Учреждения Российской академии наук Института программных систем им. А.К. Айламазяна

РАН

д.т.н., профессор А.М. Цирлин

Научный руководитель:

Научный консультант:

к.ф-м. н.

Ал.А. Ахременков

Официальные оппоненты:

д.т.н., профессор В.И. Карпов

К.Т.Н.,

В.Л. Малых

Ведущая организация: Ярославский Государственный Техни-

ческий Университет (ЯГТУ)

Защита состоится «11» ноября 2011 г. в 13:00.

на заседании диссертационного совета ДМ.002.084.01 при Учреждении Российской академии наук Институте программных систем им. А.К. Айламазяна РАН по адресу: Ярославская обл., Переславский р-н, село Веськово, ул.Петра I, дом 4а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПС им. А.К. Айламазяна РАН

Автореферат разослан Ученый секретарь диссертационного совета,

10 2011г.

С.М. Пономарева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

Энергия, как известно, не теряется, она диссипирует, становится неработоспособной, рассеиваясь в окружающую среду. Ни одна система, потоки вещества и энергии в которой фиксированы, не свободна от диссипации энергии. Её снижение при заданных ограничениях на размеры аппаратов, на интенсивность потоков и др. является основным направлением энергосбережения в промышленности и строительстве. Теоретической базой для расчета энергосберегающих конструкций и режимов является оптимизационная термодинамика, которая исследует предельные возможности необратимых термодинамических систем — область их реализуемости. В данной работе разработано программное и алгоритмическое обеспечение для построения области реализуемости термодинамических систем. Показано, что фактором, определяющим вид области реализуемости, является характер преобразования энергии. Если в процессе затрачивают тепловую энергию, а целевым потоком является механическая работа, работа разделения и пр., то граница области реализуемости выпукла вверх и ограничена. Если в процессе затрачивается механическая или электрическая энергия, а целевым потоком является поток теплоты, или система не содержит преобразователя, то область реализуемости выпукла и не ограничена сверху.

Предложенные в работе алгоритмы и программы использованы для построения области реализуемости трех конкретных практически важных систем:

1. Колонна бинарной ректификации, в которой тепло превращается в работу разделения.

2. Абсорбционный холодильный цикл, содержащий последовательное преобразование тепла в работу и работы в холод.

3. Системы теплообмена, не содержащие преобразователя энергии.

Общая схема решения задачи построения области реализуемости термодинамических системах такова:

1. Записывают уравнения балансов по энергии, веществу и энтропии.

2. Для ограничений, наложенных на решение задачи, определяют зависимость <Т1Йп от интенсивностей потоков в системе и от кинетических коэффициентов (тепло- и массопереноса, и др.).

3. Строят область реализуемости или находят ту точку ее границы, которая соответствует конкретным требованиям задачи.

Когда такая область построена, она определяет предельные возможности и степень совершенства реализованного процесса, влияние тех или иных факторов на возможное увеличение производительности целевого продукта или снижение затрат.

Самым сложным является второй пункт этой программы, он требует содержательного анализа конкретного процесса. Тем не менее, оказывается возможным априорно классифицировать процессы по форме границы области реализуемости, параметризовать ее, и разработать программу построения, существенно облегчающую решение этой важной для проектирования технологических процессов задачи. Знание вида границы области реализуемости с точностью до нескольких коэффициентов позволяет по ограниченному числу сведений о процессе восстановить форму этой границы в широком диапазоне изменения потоков.

Со времени появления первых работ, проложивших путь к развитию оптимизационной термодинамики, прошло менее полувека. Если для получения результатов и использовались численные методы, то это касалось каждой конкретной задачи, относящейся к конкретной технологии. Между тем все задачи оптимизационной термодинамики можно разбить на несколько классов, общих для самых разных технологий. Имеет смысл создать математическое и программное обеспечение для целого класса таких задач, так чтобы переход от одной технологии к другой требовал изменения только одного „технологического" блока программы.

Эта задача и была центральной в работе применительно к наиболее общей задаче - построения области реализуемых режимов в плоскости затраты -выпуск для необратимых термодинамических систем. Важным итогом была разработка новых „технологических блоков" и человеко-машинного интерфейса для таких процессов как ректификация, абсорбционный холодильный цикл и необратимый многопоточный теплообмен.

Диссертация является частью работы центра по теме «Исследование математических моделей, предельных возможностей и оптимального управления диссипативными процессами в макросистемах», номер государственной регистрации 01200953667 индекс научного направления 4.2, 4.1.

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы является:

1. Создание алгоритмического и программного обеспечения для решения основной задачи оптимизационной термодинамики: построения области реализуемости термодинамических систем.

2. Формулировка и решение задачи о форме границы области реализуемости термодинамических процессов в зависимости от вида преобразования энергии.

3. Проведение анализа процесса ректификации методами оптимизационной термодинамики, выявление типа границы множества реализуемости и нахождение числа параметров, характеризующих эту границу. Получение условия, обеспечивающего минимальные необратимые потери в колонне бинарной ректификации. Разработка алгоритма и программной реализации построения области реализуемости для процесса бинарной ректификации.

4. Получение соотношения между параметрами цикла абсорбционной холодильной машины и потоками, определяющими ее эффективность. Нахождение максимально-возможной хладопроизводительности и соответствующего ей теплового отношения. Разработка алгоритма и

5

программной реализации построения области реализуемости для абсорбционного холодильного цикла.

5. Получение условий термодинамически-оптимальной организации теплообмена, при выполнении которых производство энтропии в системе с заданной тепловой нагрузкой и суммарным коэффициентом теплопередачи достигает своего нижнего предела. Разработка алгоритма и программной реализации построения области реализуемости для процесса многопоточного теплообмена.

6. Реализация человеко-машинного интерфейса для вычисления предельных возможностей рассмотренных процессов в функции от исходных данных.

Методы исследования

В работе были использованы методы необратимой термодинамики при конечном времени (оптимизационной термодинамики), нелинейного программирования, оптимального управления. Научная новизна

• Сформулирована и решена задача о параметризации границы области реализуемости необратимых термодинамических процессов в зависимости от типа преобразования энергии.

• Проведен анализ процесса ректификации, выявлен тип границы множества реализуемости и получены расчетные соотношения для параметров, характеризующих эту границу. Разработан алгоритм и программная реализация построения области реализуемости для процесса бинарной ректификации.

• Найдены соотношения между параметрами цикла абсорбционной холодильной машины и потоками, определяющими ее эффективность и выражения для максимально-возможной хладопроизводительности. Разработан алгоритм и программа построения области реализуемости абсорбционного холодильного цикла.

• Получены условия для термодинамически-оптимальной организации

теплообмена, при выполнении которых производство энтропии в

6

системе достигает найденного в работе нижнего предела. Разработан алгоритм и программа построения области реализуемости для процесса многопоточного теплообмена.

• Разработаны и программно реализованы алгоритмы решения задач оценки предельных возможностей систем. В программе "RealBuilder" реализованы инструментальные средства проектирования модели комбинированных процессов и человеко-машинный интерфейс для анализа характеристик процессов. Практическая значимость работы

На основании результатов работы разработан человеко-машинный интерфейс, реализованный в программе для построения области реализуемости различных термодинамических процессов «RealBuilder», позволяющий проследить влияние изменения исходных данных на предельные возможности процессов и визуализировать полученные данные, что особенно важно для проектирования систем, состоящих из нескольких процессов, соединенных в ту или иную структуру. Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011611278 от 9 февраля 2011 года. Апробация работы

Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:

1. Joint European Thermodynamics Conference JETC-10 — 22-24 июня 2009 г., г. Копенгаген.

2. XII Научно-практическая конференция — 19-20 апреля 2008 г., г. Переславль-Залесский.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, из них 5 в рецензируемых журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией.

Личный вклад соискателя Результаты, выносимые на защиту, получены автором самостоятельно.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, содержащего 86 наименований, и пяти приложений. В работе 2 таблицы и 24 рисунка. Общий объем основного текста-130 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во Введении обосновывается актуальность темы диссертации, ее научная новизна, раскрывается цель диссертационной работы и практическая значимость.

Технологические блоки

Общие свойства области реализуемости

/ ' Процесс бинарной ^ I ректификации

I

Абсорбционный I , холодильный цикл 1

_____I !_„

\

Многолоточный I 4 теплообмен I

-----1/

Программа для построения области реализуемости

Рис. 1. Схема диссертационной работы В первой главе дан обзор методов и основных, полученных к настоящему времени, результатов оптимизационной термодинамики и сформулированы задачи работы, и выявлены типы переменных, характеризующих процессы в термодинамических системах. Приведены математические модели таких систем. Рассмотрена методология решения задач оптимизационной термодинамики с учетом ее численной реализации. Рассмотрены программные средства моделирования решения задач в области термодинамики, важным недостатком которых является отсутствие на этапе построения модели термодинамического процесса учета энтропийного баланса, который содержит нелинейную составляющую и определяет множество реализуемости.

Во второй главе приведен общий вид балансовых уравнений термодинамических систем и представлена каноническая форма ТД балансов. Приведена классификация видов области реализуемости необратимых термодинами-

ческих процессов в зависимости от преобразования энергетических потоков в системах. Полученные результаты сведены в таблицу.

Если механические системы подчиняются уравнениям баланса только по веществу и энергии, то для термодинамических к этим уравнениям необходимо добавить еще баланс по энтропии, в который входит ее производство <7. Совокупность уравнений энергетического, материального и энтропийного балансов называют уравнениями термодинамических балансов.

Требование неотрицательности производства энтропии приводит к ограничениям на потоки, поступающие и выходящие из системы. Эти ограничения выделяют в пространстве потоков область реализуемости, граница которой соответствует условию <7=0, т.е. обратимым процессам. Однако этой границе соответствует сколь угодно большие коэффициенты тепло-массопереноса, т.е. размеры установки. Если интенсивность одного или нескольких потоков задана, а коэффициенты переноса пропорциональные размерам аппаратов, конечны, то условие (7=0 невозможно реализовать ни при какой организации процесса, но можно сформулировать и решить задачу о минимуме <7 . Когда эта задача решена, область реализуемости отвечает неравенству <7 > <тт1П. Ясно, что область реализуемости в классе необратимых процессов лежит внутри обратимой области.

Уравнения ТД балансов для открытой стационарной системы имеют вид: ) <

к=\,...,п, о)

1 V

1 I 11

Здесь обозначено: gj - интенсивность >го материального потока; //.его удельная энтальпия, х^ - концентрация в нем к-го вещества (к=1,...,п); qi -

интенсивность ¡-го потока теплоты; Т1 - температура этого потока на контрольной границе системы; р - потребляемая механическая работа (мощность);

(Ту, хку ) - скорость V -ой химической реакции, аку - стехиометрический

коэффициент, с которым к-я компонента входит в уравнение V -ой реакции

(С(к1, > 0 для образующихся и аку < 0 для расходующихся веществ); Л'; -

удельная энтропия; <7 - производство энтропии (диссипация) в системе, которая зависит от степени необратимости протекающих в системе процессов.

Так как число компонентов во входных и выходных потоках равно п. Тогда общее число уравнений (1) равно п+2, так как к п уравнениям материального баланса добавлены балансы по энергии и энтропии. Число переменных (потоков вещества и энергии на входе и на выходе системы, а также температур и концентраций для подсистем) обычно гораздо больше, часть из них может быть фиксирована.

Коэффициенты в уравнениях (1) зависят от внешних факторов и от параметров самой системы: коэффициентов тепло- и массопереноса, интенсивных переменных (температуры, давления, концентрации и др.).

В этих уравнениях первые (п+1)-но линейны относительно потоков энергии и вещества. В последнее уравнение входит производство энтропии в системе <7, которое зависит от структуры системы, степени ее неоднородности по интенсивным переменным подсистем и нелинейно зависит от интенсивности потоков.

Учет особенностей системы (1) и общие свойства границы области реализуемости; последовательность использования полученных общих соотношений, для построения этой области:

Будем предполагать, что термодинамическая система, имеет ненулевую производительность (интенсивность целевого потока) и ограниченные размеры, а значит ограниченные коэффициенты переноса. Множество реализуемости в пространстве потоков вещества и энергии определяется уравнением энтропий-

ного баланса, в которое с постоянными коэффициентами входят потоки энтропии на входе и выходе системы, линейно зависящие от потоков вещества и энергии, и минимально возможное производство энтропии в системе сгт|П Ч), которое является гладкой положительно-определенной выпуклой вниз функцией потоков, зависит от коэффициентов переноса и кинетики химических реакций и, стремится к нулю при интенсивности потоков, стремящейся к нулю.

Для исследования общих свойств области реализуемости, обозначим как материальные, так и энергетические потоки через . Выделим "целевой

поток", характеризующий возможности системы (мощность тепловой машины, хладопроизводительность теплового насоса, расход разделяемой смеси, производительность системы разделения по сырью,...) и обозначим его через а также поток затрат 12, который может быть одним из входящих в балансовые соотношения или линейной комбинацией . Минимальное производство энтропии будем аппроксимировать положительно определенной квадратичной функцией потоков вида 0"т(п (г) = й^г^ ].

Перепишем уравнения (1) в общей, канонической, форме в предположении отсутствия химических реакций

Границе области реализуемости соответствует замена в последнем соотношении знака неравенства на равенство. Из системы линейных уравнений для невырожденного случая можно исключить (п+1)-но переменное (будем исключать потоки с большими значениями индексов), зафиксировать значения

всех переменных кроме 2Х и 22, и подставить в условие энтропийного баланса.

Рассмотрим два важных частных случая:

(2)

1. Целевым потоком является механическая работа или работа разделения, а затрачивается теплота. Примерами таких систем являются тепловая машина, колонна ректификации, и пр.

2. Целевым потоком является поток теплоты или вещества, а затрачивается в системе некоторая мощность. Примерами такой системы являются холодильный цикл или цикл компрессионного теплового насоса.

В уравнениях термодинамических балансов сг^Д^,^) квадратично зависит от потоков вещества и тепла, участвующих в системе, но не зависит от механической или электрической мощности. В связи с этим, в первом рассмотренном случае, целевой поток входит в уравнения термодинамических балансов линейно, а поток затрат 12 - квадратично. Уравнение границы области реализуемости имеет вид:

г, = с + Ьгг — аг \, где а, Ь -некоторые положительные константы. Из вида уравнения границы следует, что функция имеет экстремум в точке г *2 = Ъ/2а

Во втором случае, целевой поток гх входит в уравнения термодинамических балансов квадратично, а поток затрат 22 - линейно. Общий вид уравнения границы области реализуемости примет вид: 2\" + як, + с = Ьг2. Функция данного вида в первом квадранте монотонная.

Чтобы найти зависимость сгтЙ1(г1,г2) требуется провести анализ

потоков внутрисистемного обмена и решить задачу минимизации производства

12

Рис. 2. Последовательность построения области реализуемости

энтропии при тех или иных ограничениях, связанных с заданными значениями части потоков и кинетических коэффициентов.

Ниже рассмотрены примеры решения этой задачи для характерных в некотором смысле технологических систем, каждая из которых представляет самостоятельный интерес. Последовательность построения области реализуемости иллюстрирует схема рис. 2.

Рассмотренные случаи сведены в табл. 1.

Табл. 1 Типы границ областей реализуемости для различных преобразователей энергии_

Число Число Целевой поток Уравнение границы и выражение

перем. уравнен. предельного КПД

Больше или N+2 механическая работа или ра- 1 , 2\ = ~ (С222 ~ ¿о ~ ¿22*2)

равно п+3 бота разделения Т] = — (с2 - ¿22г2) с,

больше или п+2 поток теплоты или массы = —{¿и г,2 + с,г, + ) С2

равно п+3 С2 П = ¿1 + С, ) + — г\

Предельный КПД системы, представляет собой отношение: г) (т.= г*(г2)/22. В многоступенчатых системах, если хотя бы на одной из последовательных ступеней происходит преобразование тепловой либо химической энергии в механическую работу, электрическую энергию или в работу разделения, то граница множества достижимости такой системы в плоскости затраты-выпуск строго вогнута и ограничена сверху, и, в случае Онзагеровской кинетики, представляет собой параболу.

В третьей главе рассмотрен процесс бинарной ректификации жидких смесей. Проиллюстрируем на этом процессе методику создания технологического блока в модуле построения области реализуемости процесса бинарной

ректификации программы «Яеа1Вш1с1ег» и решения задачи о минимальной необратимости.

Постановка задачи. Схема процесса ректификации изображена на рис. 3. Поток исходной смеси с расходом gF и вектором концентраций хг поступает в колонну. К кубу колонны подводится тепловой поток , благодаря чему в кубе происходит испарение, и поток пара V поднимается вверх по колонне, контактируя с опускающимся вниз потоком жидкости (флегмы) Ь. При этом легколетучий компонент переходят из жидкости в пар, а высококипящий — из пара в жидкость. Оставшаяся часть кубовой жидкости отбирается с потоком gв.

В дефлегматор поступает пар, насыщенный легколетучим компонентом. Там он конденсируется, отдавая охлаждающей жидкости тепло . Часть конденсата gD = Щ,. отбирается, а

оставшаяся часть Ь = У — gD в форме флегмы возвращается в колонну. Из куба отводят поток gв = (1 — £)gF.

Составы потоков определяются концентрацией одного (для определенности легколетучего) компонента. Эту концентрацию обозначают через X,, или х, а концентрацию высококипящего через (1-х) или через х2. Мольные доли легколетучего в потоке сырья ХР, в потоках, отбираемых из дефлегматора и куба, хв и хв будем предполагать заданными, как и связанные с ними температуры жидкости в кубе Тв и в дефлегматоре Т0. Доля отбора Е полно-

I V 'V

X у

Т

т в

%

(1-е)!

Рис. 3. Структура потоков процесса разделения жидкости в колонне бинарной ректификации

стью определяется составами входного и выходных потоков и выражается из уравнения материального баланса.

Уравнения энергетического и энтропийного балансов

- ч- + г А - Я/А - £р (1 ~ Фв = ЯЛ - Яг «о - §[■ (1 - Фв + — - — + о- = 0.

Для записи термодинамических балансов в канонической, форме выделим целевой поток, поток затрат и введем обозначения, соответствующие гл. 2. В данном случае целевым потоком является производительность колонны gF ,

который мы обозначим как гх. Потоком затрат является поток теплоты д+, подаваемый в куб. Его мы обозначим как г2. Поток теплоты С] обозначим как . Соответственно, термодинамические балансы (4), для ректификационной колонны в канонической форме запишутся как:

апг1 + а2Хг2 = О,

Ь1г1 + Ь2г2 + +<т = 0.

Где:

а11 = К ~ А - 0 - еЖ; а2\ = 1; «31 = -и

1 в 1й

Колонна ректификации преобразует тепло в работу разделения, следовательно, как показано в гл.2, область реализуемости колонны бинарной ректификации выпуклая вверх ограниченная парабола и может быть записана в форме

г\ = У. (с222 -сг(г2),где (7(г2) = с122222. / Ч

Исключив из уравнений ТД балансов (3), получим выражение для коэффициентов сх и с2:

Cl =~Uf -eAD-{\-s)AB\ c2 =Цг^г1->

В D

где 4 = ~RTd [x( ln x, +(l-x,) ln(l - x, )] (i = F,D,B) - обратимая работа разделения одного моля i-ro потока на чистые компоненты. Дальнейший анализ процесса позволил найти связь <т с потоком теплоты:

) =--—2-= d22q+,

что позволило найти выражение для коэффициента d22 и построить границу области реализуемости.

Алгоритм построения границы процесса бинарной ректификации

1. Исходные данные: Хв, XD, Х,:, Тв,

TD, а , к, г;

2. Из уравнений материального баланса находят величину доли отбора £ ;

3. Находят коэффициенты С1 и С2 с использованием ранее вычисленного значения S ;

4. Находят СГпш1

5. Найденные коэффициенты подставляют в

выражение для границы области

реализуемости и строят график функции.

Рис. 4 Технологический блок процесса

бинарной ректификации Программная реализация. На основе полученных соотношений в программе «RealBuilder» реализован модуль "Колонна бинарной ректификации" для расчета области реализуемости процесса бинарной ректификации. Программное обеспечение разработано с использованием среды разработки Microsoft Visual Studio 2005.

На рис. 5 представлен интерфейс соответствующего модуля программы.

16

Исходные данные

Расчет области реализуемости для колонны бинарной ректификации

Ш Описание системы С] Исходные данные

а |йге* |

: »¡рТ |

Рис. 5 Интерфейс модуля программы «ЯеаШшШег» по построению границы области реализуемости

колонны бинарной ректификации.

В четвертой главе рассмотрен цикл абсорбционного холодильника, показано, как учитывается необратимость протекающих в нем процессов, построена область реализуемости и получены формулы для оптимального распределения поверхностей контакта в процессах теплообмена на отдельных стадиях. Постановка задачи. Абсорбционный холодильный цикл представляет собой теплоиспользую-щую холодильную установку (те-плотрансформатор), которая за счет затраты теплоты от горячего

источника с температурой Т+ и отдачи ее источнику с температу-

Рис. 6. Структура потоков обмена рабочего тела сорбционного холодильника с внешней средой

рой Г0 (окружающей среде) отбирает тепло у холодильной камеры, имеющей

температуру Тх <Т0. Схема потоков теплоты и уровней температуры для

абсорбционного цикла приведена на рис. 6. Кроме тепловых потоков рабочее тело получает извне и некоторую мощность 1М, однако она значительно меньше, чем в компрессионных холодильниках.

Рабочее тело обменивается с окружением только потоками энергии, поэтому уравнения термодинамических балансов сводятся к балансам по энергии и энтропии.

9++Ях -Яа-Як +N = 0,

Яа+Як Я + Я, С7 = 0 (5)

т т т

1О 1 + 1 х

Для записи термодинамических балансов в общей, канонической, форме выделим целевой поток, поток затрат и введем обозначения для всех потоков в соответствии с гл. 2. Целевым потоком является поток теплоты, отбираемой из холодильной камеры который мы обозначим как 2,. Потоком

затрат является поток теплоты , подаваемый в генератор. Его мы обозначим

как г2- Потоки теплоты, отбираемые из конденсатора и абсорбера, и

обозначим, как 23 и г4, соответственно. Таким образом, термодинамические

балансы для абсорбционного холодильного цикла в канонической, форме, запишутся как:

+ °3123 + °4124 +% =0'

Ъхг1 + Ь2г2 + + ¿4г4 + с = 0.

Где:

(л || 1, £?2| 1) ^з] ^4] 1? ^51 ^ •>

А 1 А 1 А 1 А 1

ьх =—; Ь2=~- Ъъ=-—\ Ь4 =-—■

*х К 10 10

Абсорбционный холодильный цикл можно рассматривать как последовательное соединение двух типов систем с преобразователями, рассмотренных в главе 2, в первой из которых теплота преобразуется в работу разделения. Следовательно, область реализуемости абсорбционного холодильного цикла имеет вид выпуклой вверх ограниченной сверху параболы. Наличие механической мощности N приводит к смещению этой параболы по оси абсцисс.

С использованием термодинамических балансов было получено уравнение, связывающее затраты энергии с хладопроизводительностью, которое определяет границу области реализуемости:

-B + Jb2 +4 AD(q+) Чх =-,

2/4

Где коэффициенты А, В и ) определены в диссертации через параметры цикла.

Программная реализация. На основе полученных соотношений в программе «RealBuilder» реализован модуль "Абсорбционный холодильный цикл" для расчета области реализуемости абсорбционного холодильного цикла. Программное обеспечение разработано с использованием среды разработки Microsoft Visual Studio 2005.

На рис. 7 представлен интерфейс соответствующего модуля программы.

Расчет области реализуемости для абсорбционного холодильного цикла

Ш Описание системы В Исходные данные

Температуры ¡К.] Концентрации[моль/мопь] :

I373 X = |0 495 |2500 : : Г_1

Т 0 = [288 Х_1 = ]оз ; aipha_k = ]2500 Г__2

Т х = 263 у_1 » ¡0 95 alpha_a - i'2000 OU

Т_1 « J00 Ява пешя (хг/ем'23 alpha„x = £600 С

т = .298 р_1 я ]3 74 9

Р_2« |2 9/ 1 Построить график- j

Рис. 7 Интерфейс модуля программы «ЯеаШшШег» по построению границы области реализуемости абсорбционного холодильного цикла.

Алгоритм построения границы абсорбционного холодильного цикла

1. Исходные данные: ССХ, ак, СС+, ССа, 1 Исходные данные

V, Т0, Т1, Т+, Тх, х, хь уь Рь Р2, Г|, г2, С, &

2. Находят величину доли испарения Е ;

3. Рассчитывают мощность насоса К;

4. Находят затраты теплоты на моль смеси

А/г,;

5. Рассчитывают температуру испарения 74 с использованием ранее вычисленных значений Е , N и Ак:

6. Находят изменение молярной энтропии пара в абсорбере Ая р с использованием

ранее вычисленного значения Ак^ ;

7. Находят изменение молярной энтропии жидкости, проходящей через абсорбер

с использованием ранее вычисленного значения

8. Рассчитывают коэффициент А с использованием значений Е , N. Ду , Д,У[; и Т4 ;

9. Рассчитывают коэффициенты В и

соответственно. „ „ _ .. ,

4 + " Рис. 8 Технологическим блок

10. По найденным коэффициентам А, В и абсорбционного холодилного цикла 0(<Ттт строят график границы.

В пятой главе получены выражения, определяющие предельные возможности систем многопоточного теплообмена, и найдено, при ограниче-

ниях на суммарную тепловую нагрузку и суммарный коэффициент теплопере-носа, минимально-возможное производство энтропии.

Доказано, что в «идеальной теплообменной системе»

1) температуры потоков, покидающих систему, должны быть одинаковы;

2) отношение абсолютных температур нагреваемого и греющего потока в каждой точке контакта должно быть одинаково и равно m < 1 ;

3) при заданных тепловой нагрузке q , суммарном коэффициенте теплообмена а, температурах и водяных эквивалентах горячих потоков на входе в систему и средней температуре холодных потоков, покидающих систему, производство энтропии при любой организации процесса не может быть

Л г I%Wi~4

_(1 -т) 1Х ri меньше, чем <7 = сс-, где m = — , а 1, =---.

Т(Я)

/

Программная реализация.

На основе полученных соотношений в программе «RealBuilder» реализован модуль "Процесс многопоточного теплообмена" для расчета области реализуемости процесса многопоточного теплообмена. Программное обеспечение разработано с использованием среды разработки Microsoft Visual Studio 2005.

На рис. 9 представлен интерфейс соответствующего модуля программы.

Расчет области реализуемости идеальной системы теплообмена

® Описание системы Q Исходные данные

Рис. 9 Интерфейс модуля программы «ЯеаШиПёег» по построению границы области реализуемости

идеальной системы теплообмена.

Алгоритм построения границы многопоточного теплообмена

1) Исходные данные: Т0, IV(Т0 ) , Тх;

2) Задаем С] и находим Т через соответствующее выражение;

3) Считаем ш как отношение средней температуры холодных к температуре

горячих Т на выходе. Он должен быть меньше единицы. Иначе, система не реализуема (слишком высока заданная температура холодных);

4) Находят значение <Тт{п(а);

5) Считаем а по известным значениям

гп и Т . Получаем точку границы в

_ __Рис. 10 Технологический блок процесса

плоскости Ц X а .

многопоточного теплообмена В приложениях даны описание и тексты программ, реализующих

разработанные в диссертации алгоритмы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Сформулирована и решена задача о параметризации границы области реализуемости необратимых термодинамических процессов в зависимости от характера преобразования энергии.

2. Проведен анализ процесса ректификации методами оптимизационной термодинамики, выявлен тип границы множества реализуемости для этого процесса и получены расчетные соотношения для параметров, характеризующих эту границу. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение построения области реализуемости для процесса бинарной ректификации.

3. Получены условия, обеспечивающие минимальные необратимые потери в колонне бинарной ректификации с фиксированной

производительностью. Область реализуемости при выполнении этих условий представляет собой оценку сверху для области реализуемости колонны с любой схемой подвода теплоты. Показатели такой "идеальной колонны с заданной производительностью" могут служить оценкой термодинамического совершенства процессов ректификации и возможности снижения необратимых потерь.

Получены соотношения между параметрами цикла абсорбционной холодильной машины и потоками, определяющими ее эффективность. Найдены выражения для максимально-возможной хладопроизводи-тельности и соответствующего ей теплового отношения. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение построения области реализуемости абсорбционного холодильного цикла. Получены условия термодинамически-оптимальной организации теплообмена, при которых производство энтропии в системе достигает найденного в работе нижнего предела. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение построения области реализуемости для процесса многопоточного теплообмена.

Разработаны и программно реализованы алгоритмы решения задач оценки предельных возможностей систем. В программе "RealBuilder" реализованы инструментальные средства проектирования модели комбинированных процессов и человеко-машинный интерфейс для анализа характеристик процессов.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Ахременков А.А., Цирлин А.М., Григоревский И.Н., "Минимальная необратимость, оптимальное распределение поверхности и тепловой нагрузки теплообменных систем" // Теоретические основы химической технологии 2008г. т. 42 №2 с. 214-221, 9 стр., из них 5 автора.

Цирлин А.М., Романова Т.С., Григоревский И.Н., "Оптимальная организация процесса бинарной ректификации" // Теоретические

23

основы химической технологии 2008 г. т. 42 №4 с. 1-9, 9 стр., из них 5 автора.

3. Григоревский И.Н., "Термодинамический анализ возможностей абсорбциионного холодильного цикла" II "Информационные технологии моделирования и управления" 2008г. №8(51) с. 913-921.

4. Григоревский И.Н., Цирлин А.М., "Программная поддержка построения области реализуемости термодинамических систем"// Программные продукты и системы 2009г. №2(86) с. 80-84,5 стр., из них 4 автора.

5. Цирлин А.М., Григоревский И.Н., Зубов Д.В., "Термодинамический анализ и оптимизация абсорбционного холодильного цикла" // Теоретические основы химической технологии 2009, т. 43 №6 с. 1-7, 7 стр., из них 4 автора.

6. Tsirlin А.М., Grigorevsky I.N., "Thermodynamical estimation of the limit capacity of irreversible binary distillation" // "Journal of Non-Equilibrium Thermodynamics" 2010, Volume 35, Issue 3, P. 213-233,20 pgs., 10 pgs. by author.

7. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011611278 «Построение области реализуемости ТД систем 1.0». Правообладатель: Учреждение Российской академии наук Институт программных систем им. А.К. Айламазяна РАН (ИПС им. А.К. Айламазяна РАН) (RU). Автор: Григоревский Иван Николаевич (RU). Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 9 февраля 2011 г. ♦Полужирным выделены статьи в журналах из перечня ВАК

В работах [1], [2], [5], [6] автор предложил структуру и содержание технологических блоков программ для соответствующих процессов. В работе [4] автор обобщил особенности термодинамических систем с преобразователями энергии и выбрал классификацию систем, а так же составил общий алгоритм построения области реализуемости.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Обзор методов и полученных результатов оптимизационной термодинамики. Задачи работы

1.1 Методология оптимизационной термодинамики, оценки возможностей систем в классе необратимых процессов.

1.1.1 Общая схема исследования.

1.1.2 Математическое описание термодинамических систем.

1.1.3 Термодинамические балансы для открытой системы

1.2 Связь эффективности систем с производством энтропии.

1.3 Последовательность решения задач оптимизационной термодинамики

1.4 Использование результатов оптимизационной термодинамики для проектирования энергосберегающих технологий.

1.5 Задача работы — создание программной поддержки решения задач оптимизационной термодинамики.

1.6 Структура работы.

ГЛАВА 2. Область реализуемости необратимых термодинамических процессов

2.1 Введение.

2.2 Общие особенности уравнений термодинамических балансов

2.3 Область реализуемости в канонической форме.

2.3.1 Связь вида области реализуемости в плоскости затраты-выпуск с характером преобразования энергии в системе.

2.4 Последовательность построения области реализуемости.

3.2 Колонна с подводом теплоты в куб и отводом из дефлегматора . . 60

3.3 Оптимальная организация и предельные возможности бинарной ректификации .73

3.4 Реализация алгоритма в программе ,Деа1Вш1с1ег".80

3.5 Заключение.82

ГЛАВА 4. Термодинамический анализ возможностей абсорбционного холодильного цикла 86

4.1 Введение и постановка задачи.86

4.2 Термодинамические балансы и связь показателей эффективности с производством энтропии.88

4.3 Необратимость и взаимосвязь параметров рабочего тела на разных стадиях процесса.91

4.4 Расчет и оптимизация абсорбционной холодильной машины . 96

4.5 Реализация алгоритма в программе ,Деа1ВшЫег".99

4.6 Заключение.102

ГЛАВА 5. Минимальная необратимость, оптимальное распределение поверхности и тепловой нагрузки теплообменных систем 106

5.1 Введение и постановка задачи.106

5.2 Двухпоточный теплообмен.107

5.3 Многопоточный теплообмен.116

5.4 Пример оценки термодинамического совершенства теплообменной системы.122

5.5 Реализация алгоритма в программе ,Деа1ВшЫег".125

5.6 Заключение.126 У

ЛИТЕРАТУРА 132

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Описание программы „НеаШшИег" 140

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Основные функции модуля для расчета области реализуемости тепловой машины 149

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Основные функции модуля для расчета области реализуемости абсорбционного холодильного цикла 153

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Основные функции модуля для расчета области реализуемости колонны бинарной ректификации 159

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Основные функции модуля для расчета области реализуемости многопоточного теплообмена 164

ВВЕДЕНИЕ

Диссертация посвящена разработке программной поддержки для важного класса задач оптимизационной термодинамики - построения множества достижимых стационарных режимов необратимых открытых термодинамических систем (множества достижимости). Программы основаны на модульном принципе, при этом центральным модулем является построение модели оптимизационной задачи для каждой системы. После этого модель может быть переписана в канонической форме, так что остальные модули остаются без изменения.

Построение множества достижимости задача достаточно трудоемкая и не может быть решена без привлечения численных методов. Но как только ее решение найдено, из него без труда могут быть получены предельные значения производительности, КПД и другие важные показатели для любых непротиворечивых исходных данных.

Остановимся на общих особенностях термодинамических систем.

Целый класс систем различной природы характерен тем, что каждая из них состоит из большого числа элементов, поведение которых носит неуправляемый стохастический характер. Однако можно менять условия на макроуровне, влияющие на все множество этих элементов и определяющие усредненные характеристики систем. Такие системы называют макроуправляемы-ми системами или просто макросистемами. Классическим и наиболее изученным примером макросистем являются термодинамические системы, состоящие из большого числа молекул. Такие макропеременные как температура, давление, состав отражают средние по ансамблю молекул характеристики системы. Поведение термодинамических систем на микроуровне изучает статистическая физика, связывающая это поведение с характеристиками макросистемы. Термодинамика же изучает наблюдаемые (феноменологические) закономерности поведения макросистем.

Перечислим некоторые общие особенности макросистем:

1. Связь между макро- и микропеременными реализуется через операцию усреднения.

2. Переменные, характеризующие макросистемы, делятся на две категории: интенсивные и экстенсивные. Первые из них (температура, давление, состав) не изменяются при объединении двух идентичных подсистем, а вторые (объем, число элементов) удваиваются.

3. При объединении макросистем в условиях изоляции от окружения в них происходят процессы, приводящие к выравниванию значений интенсивных переменных. Эти процессы протекают самопроизвольно и никак не влияют на состояние окружающей среды. Обратный процесс разделения однородной системы на подсистемы с разными значениями интенсивных переменных невозможен без изменений, вносимых в окружающую среду. Т.о. процессы выравнивания параметров подсистем необратимы.

4. Важную роль в макросистемах играют подсистемы - посредники, которые реализуют процесс обмена между подсистемами, и за счет этого способны извлекать энергию за счет выравнивания интенсивных переменных подсистем. Используя эту энергию в обратном процессе, посредник при некоторых условиях может вновь разделить систему на разнородные подсистемы. Т.о. в системах с посредником теоретически процессы могут быть обратимыми.

Примеры процессов в макроуправляемых термодинамических системах

1. Процесс непосредственного теплового контакта двух тел.

При контакте друг с другом двух тел, изолированных от внешней среды и имеющих различные начальные температуры Т\ и Т^ через достаточно большое время их температуры выравниваются до некоторой средней температуры. Чтобы вернуть систему к прежнему состоянию, нужно охладить одно из тел и нагреть второе, используя в первом случае холодильную установку, а во втором - тепловой насос. При этом должна быть затрачена некоторая работа А, а значит, изменится состояние окружения. Таким образом, процесс непосредственного теплового контакта необратим. Чем меньше время т, отпущенное на то, чтобы вернуть систему в исходное состояние, тем больше потребуется работы. Предел А (г) при т, стремящийся к бесконечности, обозначим через А0.

2. Тепловой контакт двух тел через идеальную тепловую матпину.

Пусть в той же системе имеется идеальная тепловая машина. В такой машине нет потерь на трение, она получает тепло от горячего тела при температуре газа в цилиндре сколь угодно близкой к температуре нагревателя и отдает тепло при температуре газа близкой к температуре холодильника. Продолжительность процесса- не ограничена, и машина будет извлекать работу до тех пор, пока температуры тел не выровняются. При этом общая температура системы окажется ниже, чем при непосредственном контакте, а полученной работы, при использовании для этого идеальных теплового насоса и холодильной машины, хватит для того, чтобы вернуть систему в исходное состояние, если на это отпущено неограниченное время. Так что при неограниченной продолжительности процесс контакта через посредника-идеальную тепловую машину, оказывается обратимым.

Реальные процессы всегда сопровождаются потоками обмена конечной интенсивности, их продолжительность ограничена, поэтому они необратимы и в том случае, когда термодинамическая система содержит подсистему- посредника. Интенсивные переменные этой подсистемы можно выбирать по тем или иным соображениям, поэтому се называют активной. Интенсивные же переменные пассивных подсистем изменяются при изменении запаса вещества или энергии в соответствии с их уравнением состояния.

Открытые системы.

В термодинамике открытыми называют системы, обменивающиеся с окружением материальными и энергетическими потоками.

В стационарной открытой системе состоянию равновесия каждой подсистемы соответствует неизменность интенсивных переменных во времени, но они могут меняться от подсистемы к подсистеме и их значения зависят от величины внешних потоков вещества, энергии, ресурсов и пр. Для функционирования открытой системы в стационарном режиме она должна содержать не менее двух резервуаров — систем, интенсивные переменные которых можно считать постоянными.

Система может быть изолирована от окружения по всем или некоторым видам потоков. Равновесие в полностью изолированной замкнутой системе при наличии контакта между подсистемами соответствует равенству значений интенсивных переменных отдельных подсистем.

Допущение о том, что неоднородную систему можно разбить на несколько подсистем, в каждой из которых интенсивные переменные одинаковы по объему, и в каждый момент времени переменные связаны между собой так же как и в равновесии, называют гипотезой локального равновесия. В равновесии система характеризуется только частью переменных, их называют независимыми. Остальные переменные могут быть найдены через независимые и через уравнения состояния. Эти уравнения могут быть получены как обработкой экспериментальных наблюдений над макросистемой, так и на основе модельных представлений о свойствах составляющих систему элементов. Так, в статистической физике на основе модели поведения молекул идеального газа получают уравнение, связывающее температуру, давление и объем макроскопической системы (уравнение Клайперона-Менделеева).

При контакте двух подсистем с отличными друг от друга значениями интенсивных переменных щ и щ возникают потоки вещества и энергии, величина которых зависит от различия щ и и^. Эти потоки меняют значения экстенсивных переменных каждой из подсистем. Они равны нулю при равенстве векторов интенсивных переменных контактирующих подсистем.

Как видно из приведенных примеров важную роль в макроуправляемых системах играют посредники. Интенсивные переменные посредника не определяются количеством имеющегося у него вещества или энергии, они являются управляющими переменными и выбираются, исходя из условий оптимальности поставленной перед посредником задачи. При этом посредник (рабочее тело тепловой машины) может поочередно контактировать с подсистемами, изменяя свое состояние во времени (цикл тепловой машины, и пр.) или контактировать одновременно с несколькими подсистемами, индивидуально выбирая значения интенсивных переменных для каждой из них (турбина). В первом случае посредник циклически изменяет (регенерирует) свое состояние в каждом цикле. Такие системы называют регенеративными.

Необратимость процессов порождает специфический подход к решению задач о предельных возможностях открытых макросистем:

Как и для всякой системы уравнения энергетического и материального балансов накладывают на потоки, поступающие и выходящие из системы, связи, выделяя в пространстве, по осям которого отложены эти потоки, область реализуемости. Однако для термодинамических систем к балансовым соотношениям по веществу и энергии нужно добавить балансовое уравнение для фактора, характеризующего необратимость процессов внутри системы. Таким фактором является энтропия. Уравнение энтропийного баланса замечательно тем, что в него входит неотрицательное слагаемое а. Величина <т характеризует прирост фактора необратимости за счет процессов, протекающих в системе. В термодинамике ее называют диссипацией или производством энтропии. Это слагаемое всегда больше или равно нулю, так что совокупность балансовых уравнений выделяет область, внутри которой а > О (процессы реализуемы), и границу этой области, для которой а = 0.

Обратимым процессам соответствует либо сколь угодно малая интенсивность потоков (сколь угодно большая продолжительность), либо при заданной величине потока сколь угодно большие значения коэффициентов тепло и массопереноса, коэффициентов, определяющих скорость химических реакций, и пр. Эти коэффициенты называют кинетическими. Как правило кинетические коэффициенты связаны с размерами аппаратов и их увеличение невозможно без увеличения этих размеров.

Ограничения, наложенные на продолжительность процесса т, на его интенсивность и на кинетические коэффициенты, позволяют найти оценку снизу сгт1П для величины <г. В этом случае область реализуемых процессов сжимается, на ее границе а = сгтт, а внутри а > <7тт. Учет реальной необратимости, как показано в работе, существенно меняет форму границы области реализуемости систем. Если, например, для обратимых систем, не содержащих химических превращений, граница этой области ограничивается плоскостью, то учет необратимости делает ее нелинейной. Возникают условия, при которых рост затрат энергии не только не увеличивает выход полезного продукта, а даже уменьшает его.

В данной работе показано, что характер границы области реализуемости можно разделить на два типа, и предложен алгоритм расчета этой границы. Показано, что определяющим фактором для вида области реализуемости в системах, содержащих преобразователь одного вида энергии в другой, является природа потока затрат и целевого потока. Если в процессе затрачивают тепловую энергию, а целевым потоком является работа, работа разделения и пр., то граница области реализуемости выпукла и имеет максимум. Если в процессе затрачивается механическая или электрическая энергия, а целевым потоком является поток теплоты, то область реализуемости не ограничена сверху. В работе подробнее исследованы с точки зрения построения области реализуемости три конкретных класса систем:

1. Колонна ректификации, в которой тепло превращается в работу разделения.

2. Абсорбционный холодильный цикл, содержащий последовательное преобразование тепла в работу и работы в холод. и

3. Системы теплообмена, не содержащие преобразователя энергии.

Общая схема решения задачи построения области реализуемости термодинамических системах такова:

1. Записывают уравнения балансов по энергии, веществу и энтропии.

2. Для ограничений, наложенных на решение задачи, определяют зависимость сгт;п от интенсивностей потоков в системе и от кинетических коэффициентов (тепло- и массопереноса, и др.).

3. Строят область реализуемости или находят ту точку ее границы, которая соответствует конкретным требованиям задачи.

Когда такая область построена, выявляются предельные возможности и степень совершенства реализованного процесса, влияние тех или иных факторов на возможное увеличение производительности целевого продукта или снижение затрат.

Самым сложным является второй пункт этой программы, он требует содержательного анализа конкретного процесса. Тем не менее, оказывается возможным априорно классифицировать процессы по форме границы области реализуемости, параметризовать эту границу и разработать программу ее построения, существенно облегчающую решение этой важной для исследования технологических процессов задачи. Знание вида границы области реализуемости с точностью до нескольких коэффициентов позволяет по ограниченному числу сведений о процессе восстановить форму этой границы.

Содержание работы:

В первой главе дан обзор задач, решенных в оптимизационной термодинамике, и полученных при этом результатов.

Вторая глава посвящена общим особенностям границы области реализуемых состояний и классификации термодинамических процессов с точки зрения формы множества достижимости в плоскости затраты-выпуск. Рассмотрен алгоритм расчета параметров границы множества в этой плоскости.

В третьей главе с точки зрения оптимизационной термодинамики рассмотрен важнейший процесс химической технологии - ректификация жидких смесей.

В четвертой главе рассмотрен цикл абсорбционного холодильника, показано, как учитывается необратимость протекающих в нем процессов, построена область реализуемости и получены формулы для оптимального распределения поверхностей контакта в процессах теплообмена на отдельных стадиях.

В заключительной, пятой главе получены выражения, определяющие предельные возможности систем многопоточного теплообмена, и найдено при ограничениях на суммарную тепловую нагрузку и суммарный коэффициент теплопереноса минимальное производство энтропии и зависимость его от исходных данных.

Приложение 1 посвящено описанию программы построения области реализуемости „ЫеаШшМег". В приложении продемонстрирован интерфейс и описана последовательность работы с программой. Приведены результаты работы программы, визуализированные в виде графиков.

В приложении 2 содержится исходный код программы ,Деа1Вш1с1ег".

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Сформулирована и решена задача о параметризации границы области реализуемости необратимых термодинамических процессов в зависимости от характера преобразования энергии.

2. Проведен анализ процесса ректификации методами оптимизационной термодинамики, выявлен тип границы множества реализуемости для этого процесса и получены расчетные соотношения для параметров, характеризующих эту границу. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение построения области реализуемости для процесса бинарной ректификации.

3. Получены условия, обеспечивающие минимальные необратимые потери в колонне бинарной ректификации с фиксированной производительностью. Область реализуемости при выполнении этих условий представляет собой оценку сверху для области реализуемости колонны с любой схемой подвода теплоты. Показатели такой „идеальной колонны с заданной производительностью" могут служить оценкой термодинамического совершенства процессов ректификации и возможности снижения необратимых потерь.

4. Получены соотношения между параметрами цикла абсорбционной холодильной машины и потоками, определяющими ее эффективность. Найдены выражения для максимально-возможной хладопроизводи-тельности и соответствующего ей теплового отношения. Показана возможность использования полученных соотношений для выбора конструктивных и режимных параметров цикла и его модернизации. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение построения области реализуемости абсорбционного холодильного цикла.

5. Получены условия термодинамически-оптимальной организации многопоточного теплообмена, при которых производство энтропии в системе достигает найденного в работе нижнего предела. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение построения области реализуемости для процесса многопоточного теплообмена.

6. Разработаны и программно реализованы алгоритмы решения задач оценки предельных возможностей систем. В программе 1111еа1ВшИег" реализованы инструментальные средства проектирования модели комбинированных процессов и человеко-машинный интерфейс для анализа характеристик процессов.

5.6 Заключение

Получены условия для термодинамически-оптимальной организации теплообмена, при выполнении которых производство энтропии в системе с заданной тепловой нагрузкой и суммарным коэффициентом теплопередачи достигает своего нижнего предела. Найдены соответствующие этим условиям распределения тепловых нагрузок и коэффициентов теплообмена между входными потоками. Полученная оценка позволяет найти для произвольной теп-лообменной системы показатель термодинамического совершенства и наметить пути улучшения этой системы, а также проследить влияние таких факторов как изменение температур входных потоков, поверхностей теплообмена на возможности системы.

Обозначения главы 5 ср-молярная теплоемкость, Дж/моль.К; Ь\ ¿-полная и текущая длина аппарата м; ш-отношение температур контактирующих потоков; д-тепловой поток вт;

Д-универсальная газовая постоянная, Дж/моль. К; 5- молярная энтропия, Дж/моль. К; Т-температура, К; п-выбираемая температура нагреваемого потока, К; И^-водяной эквивалент потока, вт/К; «-коэффициент теплопередачи, вт/К.; А-множитель Лагранжа;

-коэффициент термодинамического совершенства.

Программа "КеаШшМег"

Стартовая Пример!

Расчет области реализуемости идеальной системыгтеплообмена

Щ Описание системы В Исходные данные

Исходныеданные • то = 400 0 450 0

10002000

Тх = |350 -

I. Построить график

Граница области реализуемости идеальной системы теплообмена

1000 1500 2000

Суммарный коэффициент теплообмена а!рЬэ [Вт/К]

Рисунок 5.8 Интерфейс модуля программы "ЯеаШшШег" по построению границы области идеальной системы теплообмена.

1. Александров И.А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. М.: Химия. 1978.

2. Александров И.А. Массопередача при ректификации и абсорбции многокомпонентных смесей. Ленинград, Химия. 1975.

3. Амелькии С.А., Андресен Б., Саламои П., Цирлин A.M., Юмагужина В.Н. Предельные возможности тепломеханических систем. Процессы с одним источником. // Известия РАН, Энергетика, 1998 - №2.-с.48-58.

4. Амелькин С.А., Андресен Б., Саламон П., Цирлин A.M., Юмагужина В.Н. Предельные возможности тепломеханических систем с несколькими источниками // Известия Академии наук. Энергетика, 1999 - №1.-с.31-40.tj

5. Амелькин С.А., Бурцлер И.М., Хоффман К.Х., Цирлин A.M. Оценка предельных возможностей процессов разделения. //Теорет.осн. хим. технологии. Т. 35, № 3. 2001 г.

6. Амелькин С.А., Мартинаш К., Цирлин A.M. Оптимальные процессы в необратимых термодинамических и микроэкономических системах. // Автоматика и телемеханика, -2002-№4.-с.З-25.

7. Ахременков A.A., Цирлин A.M., Григоревский И.Н. Минимальная необратимость, оптимальное распределение поверхности и тепловой нагрузки теплообменных систем // Теоретические основы химической технологии. 2008, Том 42 №2 с. 214-221.

8. Бошнякович Ф. Техническая термодинамика, т.2 М.: Госэнергоиздат, 1956.

9. Бродянский В.М. Вопросы термодинамического анализа (эксергетиче-ский метод). М.: Мир, 1965.

10. Бродянский Б.М.,Фратшке В., Михалек К. Эксергетический метод и его приложения. М.: Энергоатомиздат, 1988.

11. Бутковский А.Г. Оптимальное управление системами с распределенными параметрами. М.: Наука, - 1965.

12. Волкова М.Е., Майков Г.П., Цирлин A.M. Задачи оптимального управления с непрерывными и дискретно изменяющимися параметрами // Изв. АН СССР. Техн. кибернетика. 1969 - №2. - с. 36-42.

13. Вукалович М. П., Новиков И. И. Техническая термодинамика. Энергия- 1968. 496 с.

14. Галимова Л.В., Славин Р.В., Попов A.B. Энергосберегающая система на базе парогазотурбинной установки и абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины новго поколения // Холодильная техника февраль 2007 г. стр. 42-43.

15. Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии.- М.: Химия, 1981. - В двух книгах - 812 с.

16. Гирсанов И.В. Лекции по математической теории экстремальных задач. // Ижевск. Регулярная и хаотическая динамика. 2003.

17. Гленсдорф П., Пригожий И. Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуаций. М.: Мир, - 1973.

18. Григоревский И.Н. Термодинамический анализ возможностей абсорбционного холодильного цикла // Информационные технологии моделирования и управления. 2008, №8(51) с. 913-921.

19. Гроот С., Мазур П. Неравновесная термодинамика. М.: Мир. - 1964.

20. Гурман В.И. Принцип расширения в экстремальных задачах. // М.: Физ-матлит, 1997.

21. Гухман A.A. Об основаниях термодинамики. М.: Энергоатомиздат. -1986.

22. Демидович Б.П. Марон И.А. Основы вычислительной математики. М., 1966г. 664 стр.

23. Дубовицкий А.Я., Милютин A.A. Задачи на экстремум при наличии ограничений. // Журнал ВМ и МФ, № 3, 1965.

24. Зангвилл У.И. Нелинейное программирование-М.:Сов. радио, 1966.

25. Каневец Г.Е. Проектирование и оптимизация теплообменных аппаратов на ЭЦВМ. Киев: АНУССР, 1970.

26. Карно С. Размышление о движущей силе огня и о машинах . // В кн. Второе начало термодинамики. M.-JL: Гостехиздат, - 1934.

27. Кафаров В.В., Мешалкин В.П., Перов B.JI. Математические основы автоматизированного проектирования химических производств. М.: Химия, 1979.

28. Кафаров В.В., Перов B.JI., Мешалкин В.П. Принципы математического моделирования химико-технологических систем. М.:Химия, - 1974.

29. Кротов В.Ф., Гурман В.И. Методы и задачи оптимального управления. // М.: Наука, 1973.

30. Кузнецов А.Г., Руденко A.B., Цирлин A.M. Оптимальное управление в термодинамических системах с конечной емкостью источников. // Автоматика и телемеханика, 1985 - №6 - с. 56-62.

31. Липецкий C.B., Цирлин A.M. Оценка термодинамического совершенства и оптимизация теплообменников. // Теплоэнергетика 1988, № 10, с.87-91.

32. Мартыновский B.C. Циклы, схемы и характеристики теплотрансформа-торов. М.: Энергия, 1979.

33. Марченко А.Л. Основы программирования на Ст^ 2.0. Бином. Лаборатория знаний, 2007 г. - 552 с.

34. Миронова В.А., Амелькин С.А., Цирлин A.M. Математические методы термодинамики при конечном времени, // М:, Химия, 2000.

35. Миронова В.А., Цирлин A.M. Предельные возможности и оптимальная организация регенеративного теплообмена. // Теплоэнергетика, 1987 -№2 - с. 32-36.

36. Молочников Б.Э., Цирлин A.M. Термодинамически оптимальные профили концентраций в задачах изотермического необратимого массопере-носа // Теор. основы хим. технологии. - 1990 - №2 - с. 191-197.

37. Мухленов И.П. Химико-технологические системы. Ленинград: Химия, 1986, 424с.

38. Орлов В.Н., Розоноэр Л.И. Оценки эффективности управляемых термодинамических процессов на основе уравлений баланса энергии, вещества и энтропии //X Всесоюз. совещ. по проблемам управления. М.: Наука, - 1986.

39. Орлов В. А., Руденко A.B. Оптимальное управление в задачах о предельных возможностях необратимых термодинамических процессов (обзор) // Автоматика и Телемеханика, 1985, № 5, с. 7-41.

40. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков A.A. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Ленинград: Химия, 1976.

41. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. Учебник для вузов. М.: Химия, 1987.

42. Понтрягин Л. С. Математическая теория оптимальных процессов. М.: Физматлит, - 1961.

43. Попков Ю.С. Теория макросистем, равновесные модели. М.: УРСС, 1999.

44. Попов A.B. Российские абсорбционные холодильные машины и тепловые насосы нового поколения // Холодильная техника июнь 2006 г. стр. 2629.

45. Пригожий И., Дефей Р. Химическая термодинамика. М.: Наука, - 1966.

46. Пригожий И.,Кондепуди Д. Современная термодинамика. М.: Мир, 2002.

47. Розоноэр Л.И. Принцип максимума Л.С. Понтрягина в теории оптимальных систем. // АиТ. 1959. №№10, 11, 12.

48. Розоноэр JI.И., Цирлин A.M. Об оптимальных термодинамических процессах // VIII Всес. совещ. по проблемам управления. Тез. докл. М. -1980. - с. 75-77.

49. Розоноэр Л.И., Цирлин A.M. Оптимальное управление термодинамическими системами // Автоматика и телемеханика. 1983 - №1. - с. 70-79; - №2. - с. 88-101; - №3. - с. 50-64.

50. Руденко А.В., Орлов В.Н. Предельные возможности необратимых термодинамических процессов: Обзор // Теплоэнергетика. 1984 - №9 - с. 68-70.

51. Софиев М.А. К расчету активной тепловой изоляции. // Теоретические основы химической технологии, 1988 - №3 - с. 150-157.

52. Трушков В.В. Обыкновенные дифференциальные уравнения. Переславль-Залесский: Изд-во УГП, 2006.

53. Хейвуд Р. Термодинамика равновесных процессов. М.: Мир. - 1983.

54. Цирлин A.M. Оптимальное управление процессами необратимого теплои массопереноса. // Изв. АН СССР. Серия Техническая кибернетика. х 1991. №2. с.81-86.

55. Цирлин A.M. Второй закон термодинамики и предельные возможности тепловых машин. // Журнал технической физики, 1999 - т.69, №1 - с. 140-142.

56. Цирлин A.M. Оптимальные процессы в необратимой термодинамике и экономике.- М.: Физматлит, 2002.

57. Цирлин A.M. Оптимальные процессы в необратимой термодинамике и микроэкономике. М.: Физматлит. 2003, 416с.

58. Цирлин A.M. Методы оптимизации в необратимой термодинамике и микроэкономике.-М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003.

59. Цирлин A.M. Необратимые оценки предельных возможностей термодинамических и микроэкономических систем. М.: Наука, 2003.

60. Цирлин A.M. Математические модели и оптимальные процессы в макросистемах.-М.: Наука, 2006.

61. Цирлин A.M., Беляева Н.А. О связи продолжительности и диссипации для процессов теплообмена.// Теплоэнергетика, 1998,№9, с.53-56.

62. Цирлин A.M., Григоревский И.Н. Программная поддержка построения области реализуемости термодинамических систем // Программные продукты и системы. 2009, №2(86) с. 80-84.

63. Цирлин A.M., Григоревский И.Н., Зубов Д.В. Термодинамический анализ и оптимизация абсорбционного холодильного цикла // Теоретические основы химической технологии. 2009, Том 43 №6 с. 1-7.

64. Цирлин A.M., Зубов Д.А.,Барбот А. Учет фактора необратимости в процессе бинарной ректификации.// Теорет.осн. химической технологии. Т.40, №2, 2006.

65. Цирлин A.M., Миронова В.А., Амелъкин С.А. Процессы минимальной диссипации // Теоретические основы химической технологии, 1997 -т.31, № - с. 649-658.

66. Цирлин A.M., Романова Т.С., Григоревский И.Н. Оптимальная организация процесса бинарной ректификации // Теоретические основы химической технологии. 2008, Том 42 №4 с. 1-9.

67. Amelkin S. A., Andresen В., Burzler J. М., Hoffmann К. Н., Tsirlin А. М. Maximum power processes for multi-source endoreversible heat engines 2004 J. Phys. D: Appl. Phys. 37 1400-1404

68. Andresen B. Finite-Time Thermodynamics // University of Copenhagen. 1983, 149 p.

69. Andresen В., Berry R.S., Ondrechen M.J., Salamon P. Thermodynamics for processes in finite time // Acc. Chem. Res. 1984 - V.17. №8 - P. 266-271.

70. Andresen В., Salamon P., Berry R.S. Thermodynamics in finite time. // Phys. Today, September, 1984, №62.

71. Andresen B., Salamon P., Berry R.S. Thermodynamics in finite time: extremals for imperfect heat engines //J. Chem. Phys. 1977. V. 66, ?4, P. 1571-1577.

72. Berry R.S., Kasakov V.A., Sieniutycz S. et al. Thermodynamic Optimization of Finite Time Processes. // Chichester: John Wiley and Sons, 1999.

73. Chen J., Yan Z., Lin G. and Andresen B. On the Curzon-Ahlborn efficiency and its connection with the efficiencies of real heat engines / / Energy Convers. Mgnt. 42, 173-181 (2001).

74. Curzon F.L., Ahlburn B. Efficiency of a Carnot engine at maximum power output. Amer.J. Physics. 1975. V.43. p.22-24.

75. Hartmann K., Hacker I., Rockstroh L. Modelierung und optimierung verfahrenstechnischcr systeme. Berlin. Akademie Verlaq. 1978.

76. Naka Y., Terashita M. An intermediate heating and cooling method for a distillation column // J. Chrem. Eng. Jap. 1980. Vol.11, N2.

77. Novikov I.I. The efficiency of atomic power stations // At. Energ. 3 (11), 409 (1957); English translation in J. Nuclear Energy II 7, 25-128 (1958).? 2, 2002.

78. Salamon P., Nitzan A., Andresen B. and Berry R.S. Minimum entropy production and the optimization of heat engines // Phys. Rev. A 21, 21152129 (1980).

79. Sertorio L, Tinetti G., Entropy Production For Closed, Open And Third-Kind Systems, 1999 Rivista Del Nuovo Cimento 22 (5): 1-87

80. Sieniuticz, S. A Syntesis of thermodynamic Models Unifying Traditional and Work-Driven Operations with Heat and Mass Exchange, Open Syst.& Informat.Dyn., 10 1, 31 (2004).

81. Tedder A., Rudd D.F. AIChE J., 1978, v.24, p.203.

82. Tsirlin A.M., Grigorevsky I.N. Thermodynamical estimation of the limit capacity of irreversible binary distillation // Journal of Non-Equilibrium Thermodynamics. 2010, Volume 35, Issue 3, Pages 213-233.

83. Tsirlin A. M., Kazakov V.A., Irreversible work of separation and heatdriven separation // J.Phys.Chem. B 2004. V.108. P 6035-6042.

84. Tsirlin A.M., Kazakov V., Kolinko N.A. Irreversibility and Limiting Possibilities of Macrocontrolled Systems: I. Thermodynamics // Open Sys. & Information Dyn. 8: 315-328, 2001.

85. Tsirlin A.M., Sofiev M.A., Kazakov V. Finite-time thermodynamics. Active potentiostatting // J. Phys. D: Appl. Phys. 31 (1998) 2264-2268.