автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Исследование энергетической эффективности шахтных калориферных установок с использованием метода эксергетического анализа

^ п

л Г у

2ИЗ? '""7

На правах рукописи

ЖЯЛНИН НИКОЛАЙ ИВАНОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ШАХТНЫХ КАЛОРИФЕРНЫХ УСТАНОВОК С ИСПОЛЬЗОВАНИЕ! МЕТОДА ЭКСЕРГЕТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Специальность: 05.05.06.—Горные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово 1997

- г -

Работа выполнена в Кузбасском государственном техническом университете.

Научный руководитель доктор технических наук,

профессор МОИСЕЕВ Лев Львович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор РАЯГИЛЬДЕЕВ Геннадий Иннокентьевич

- кандидат технических наук, доцент КОРЧУГАНОВ Федор Васильевич

Ведущее предприятие - Акционерное общество открытого типа

"ЛЕНИНСЖУГОЛЬ"

Защита состоится с?£>3 1997 г. - в часов на заседании диссертационного Совета Д 063.70.01 в Кузбасском государственном техническом университете по адресу: 650026, г.Кемерово, ул.Весенняя, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кузбасского государственного технического университета.

Автореферат разослан "о?-?" Р/Э^Р 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

А.Александров

- 3 -

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Калориферные установки (НУ) являются наиболее энергоемкими объектами систем теплоснабжения шахт. На их долю приходится до 70-90% всего потребляемого на шахте тепла. Общий расход первичного топлива на нагрев воздуха только по шахтам Кузбасса составляет около 500 тыс. т условного топлива в"год. Шесте с тем, для подогрева шахтного приточного воздуха в условиях Сибири, Урала и Крайнего Севера преимущественно применяются безвентиляторные КУ, построенные по типовым проектам 50-60-х годов. Процесс управления и контроля за их работой практически сводится к обеспечению незамерзания как отдельных калориферных секций так и всей установки в целом- При низком коэффициенте теплопередачи 10-13 Вт/(м?К), вместо нормативных 20-25 Вг/(м*К), это приводит к снижению энергетической эффективности работы всей системы теплоснабжения шахты, перерасходу топлива и повышению уровня загрязнения окружающэй среды. Аварии на КУ приводят к нарушению нормальной работы горного предприятия, а иногда, и полной его остановке. Кроме прямых убытков, связанных с восстановительными и ремонтными работами, убытками от снижения уровня добычи и реализации угля, подобные аварии ведут к снижению производительности труда, увеличению простудных заболеваний шахтеров, повышению затрат на медицинское обслуживание и, как следствие, к росту социальной напряженности в обществе.

Применение новых видов оборудования, технологий, материалов, рациональных структур и режимов работы КУ в значительной степени сдерживается отсутствием методики оценки эффективности энергетических превращений. Это позволяет сделать эксергеуиче^кий метод термодинамического анализа, который уже более трех десятилетий успешно применяется в химии, металлургии, "большой" энергетике и других отраслях промышленности для оценки количества и качества протекающих в системе энергетических превращений.

Эксергия характеризует максимальную работоспособность потока энергоносителя. Она определяет превратимость, пригодность энергии для технического использования в любых заданных условиях. Использование эксергетического метода для сравниваемых вариантов КУ позволяет выявить для совершенствования те элементы, в которых происходят наибольшие потери работоспособной энергии и которые, в конечном счете, в наибольшей степени влияют на перерасход топлива

Поэтому исследование шахтных КУ с использованием эксергетического анализа является актуальным.

Дель работы - повышение энергетической эффективности шахтной калориферной установки, как элемента топливно-энергетического комплекса горного предприятия.

Идея работы заключается в использовании эксергетического анализа для оценки эффективности шахтных калориферных установок и путей их совершенствования.

Задачи исследований:

- провести анализ и разработать классификацию существующих и • перспективных способов расчета и подогрева шахтного вентиляционного воздуха;

- разработать методику оценки энергетической эффективности шахтных КУ с точки зрения эксергетического подхода;

- разработать алгоритмы расчета и программы для ПЭВМ, обеспечивающие многофакторное математическое моделирование термодинамических, гидромеханических и физических процессов для наиболее распространенных в настоящее время НУ;

- на- основе численного эксперимента-.установить особенности влияния различных факторов технологической структуры и режимов работы КУ на эффективность преобразования энергии в системе;

- результаты исследований использовать при разработке методики инженерного расчета, проектирования и реконструкции шахтных КУ.

Научные положения, разработанные автором и их новизна.

- выявлены закономерности '-взаимосвязи основных .параметров, определяющих структуру, режим работы-.и эффективность шахтных КУ;

- установлено, что все конструктивные (тип и модель калориферов, их число в стояке и во всей установке, диаметры труб гидравлической разводки) и технологические независимые переменные (температуры теплоносителя и вовдуха, их расходы, давление теплоносителя и его потери в системе) оказывают существенное "влияние на энергетическую эффективность КУ;

- установлено, что абсолютная величина эксергетических потерь, обусловленная ■ конечной разностью температур при теплообмене между теплоносителями, является определяющей для суммарных эксергетических потерь в шахтной КУ. Она более чем на порядок выше эксергетических потерь от гидравлических сопротивлений и на два порядка выше потерь, обусловленных излучением, в окружающую среду;

- установлено, что потери от гидравлических сопротивлений по воздушному тракту КУ сравнимы с потерями эксергии в результате радиации тепла в окружающую среду;

- установлено, . что"^ксергетический КПД, определяемый с учетом

- Б -

потерь от недорекуперации, более чем в три раза ниже значения эк-сергетического КПД процесса с замкнутым циклом, где подобные потери отсутствуют;

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: корректной постановкой задач; использованием классических положений и методов теории тепломассообмена, опытом применения эксергетического анализа в промышленной теплоэнергетике, химии, металлургии и других отраслях промышленности для обоснования математических моделей терма- и гидродинамических-процессов' в КУ; применением методов системного анализа, планирования эксперимента, математической статистики, теории вероятности и математического моделирования сложных систем; достаточным объемом численного эксперимента и сопоставимостью его результатов с результатами аналитического решения тестовых задач.

Научное значение работы состоит в выявлении закономерностей и взаимосвязей, основных параметров, определяющих структуру, режим работы и эффективность шахтных КУ.

фактическая ценность работы 'заключается в том, чао ее результаты позволили:

- разработать методику инженерного расчета шахтных КУ с применением ШВЫ по критерию эксергетической эффективности;

- применять для расчета калориферов разработанные модели и программы;

- расчитывать величину эксергетических потерь в КУ;

- повысить качество проектирования и эффективность эксплуатации шахтных калориферов.

Реализация результатов работы. Результаты работы использованы ■ в "Методике инженерного расчета шахтных калориферных установок" и рекомендованы АООТ "Лэнинскуголъ"для практического применения на шахтах общества На основании данных исследований была реконструирована КУ шахты "Кузнецкая".

Апробация работы. Работа и ее отдельные этапы докладывались и обсуждались: на областной научно-практической конференции "Мэлодые ученые Кузбасса народному хозяйству" (г. Кемерово, 1990), в Московском горном институте (г. Мэсква, 1991), научных семинарах кафедры "Стационарные и транспортные машины" КузГТУ (г. Кемерово, 1992, 1994, 1996), техническом совещании главных механиков шахт АООТ "Ленинскуголь" (г. Ленинск-Кузнецкий, 1996).

Публикации. 1Ь теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Об'ьем работы. Диссертационная работа состоит из введения, че-

тырех глав, заключения и содержит 162 страницы машинописного текста, 59 рисунков, 7 таблиц, списка литературы из 170 наименований и 2 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Вопросами развития и совершенствования шахтных КУ в разное время занимались С. С. Байжанов, А. Ф. Воропаев, Л. Я. Гимелыпейн, А- И. Григорьев, А. В. Гребенюк, Г. М. Демченко, Г. В. Дуганов, Е И. Дьяконов, Ю. Д. Дядькин, Д. К Кмуровский, ЕИ. Карасев, В. А. Кабанов, Ф. В. Норчуганов, Л. Л. Моисеев, Е. Е Назаревич, Б. Ф. Негруц-кий,. Е. Л Паршуков, ЛИ. Пасюта, В. С. Лечении, Г. И. Раэгильдеев, А. Р. Ферт, Б. Н. Фешин, И. С. Фрейдлих, Е И. Чеховская, М. М. Шэмаха-нов, Ю. В. Шувалов, а А. Шушпанников и др. Ими были предложены разнообразные средства и способы подогрева шахтного вентиляционного воздуха, разработаны методики исследования и расчета КУ.

В первой главе выполнен анализ существующих и перспективных способов и средств подогрева, шахтного вентиляционного воздуха, причин низкой эффективности и надежности типовых КУ, дана оценка пределов изменения температуры шахтного воздуха при подогреве его в КУ, а также рассмотрены тенденции развития и совершенствования систем теплоснабжения шахт.

Основной задачей проектирования и эксплуатации систем шахтных КУ, является поиск более эффективных методов уменьшения затрат топливно-энергетических ресурсов при одновременном повышении технологических показателей. Решение этой задачи невозможно получить без термодинамического анализа таких' систем.

Разработка основ эксергетического "метода была начата еще во второй половине .прошлого века в трудах Ж. Гюи, Дж. В. Гиббса,

A. Стодолы, Р.. Планка и др. Дальнейшее развитие этот метод получил в середине 20 века в работах Ф. Бошняковича, 3. Ранта, Я. Шаргута,. Р. Петелы, А. И. Андрющенко, Д Д. Калафати, Д. П. Гохштейна, В. М. Бродянского, -Е Фратшера, К. Михалека, Г. Киме нова и др. Применительно ■ к процессам горной пневмоэнергетики эксергетический анализ использован в работах В. И. .Дегтярева, Л. Л. Шисеева, Е А. Ыурзина,

B. Е Назаревича, В. П. Парфенова, 1й А. Цейтлина Е Е и др.

" Анализ проблемы-подогрева шахтного вентиляционного воздуха позволил проследить основные этапы развития КУ на протяжении почти полувекового периода времени. Первоначальная многорядная с отдельным вентилятором схема подогрева воздуха уступила место безвенти-

ляторной КУ конструкции В. А. Щушпанникова. В последние годы на ряде шахт Кузбасса эксплуатируется двухконтурная схема, предложенная В. В. Назаревичем, с незамерзающим теплоносителем. В Карагандинском угольном бассейне совершенствованию водянных КУ посвящены исследования Е И. Карасева.

Наш исследования показывают, что шахтную КУ необходимо рассматривать как элемент сложной системы более высокого уровня -теплоснабжения шахты. Исходя из этого сформулированы основные требования к КУ шахт, как современным теплоэнергетическим установкам. Разработана классификация существующих и перспективных вариантов структур КУ шахт по способу подогрева шахтного воздуха и сответс-твущих им энергоносителям, а также по характерным признакам и вариантам технических решений (табл. 1).

Основные причины низкой эксплуатационной.надежности и энергетической эффективности, широко распространенных в настоящэе время типовых КУ с теплоносителем вода (пар) следующие: 1) неравномерность скоростей потоков воздуха и воды через отдельные секции калориферов и их участки; 2) значения коэффициентов теплопередачи калориферных секций одной и той же модели крайне неустойчивы и зависят от множества факторов; 3) конструкцией калориферов предусматривается лишь частичная возможность компенсации температурных расширений и вибрации трубок; 4) достаточно высокая температура замерзания воды; 5) отсутствие надежных способов и средств защиты КУ от замораживания в экстремальных ситуациях.

В настоящее время появились новые способы и средства подогрева шахтного вентиляционного воздуха, использование которых способствует повышению эффективности и надежности функционирования, всей системы теплоснабжения шахты. При этом существующие КУ исследованы в недостаточной степени, не полностью'исчерпаны их возможности. Выбор наилучшего варианта КУ осложняется наличием большого числа возможных способов их реализации, а также отсутствием методики оценки ихгэнергетической эффективности. Для достижения этой цели представляется рациональным использование методов эксергети-ческого анализа и математического моделирования.

Во второй главе разработанав методика оценки эксергетической эффективности шахтных калориферных установок и классификация расчетов систем теплоснабжения горных предприятий и КУ. .

Важность этих вопросов была отмечена в свое время к. т. н. Е И. Карасевым (Карагандинский политехнический институт).

В существуюпдах методиках расчетов КУ шахт, как правило, от-

- а -

Классификация калориферных установок

Таблица 1

I Характерный 1 признак Альтернативное техническое I решение I

I 1. Соотношение подогре-I ваемой части,к общему I количеству воздуха 1. Подогрев всего объема Еоэдуха I 2. Подогрев части вент, воздуха и I дальнейшее его смешение с холодным I

I 2. Аэродинамическое I сопротивление 1. 3. Безвентиляторные 2. Главный вент. I Вспомогательный вентилятор I

I 3. Схема вентиляции I шахты 1. 3. Нагнетательная 2. Всасывающая I Нагнетательно-веасьшаюшая I

I 4. Устройства забора I холодного и теплого I Еоадуха 1. 3. 5. 6. Ляды 2. Поворотные заслонки I Шиберы 4. Дисковые затворы I Жалюзийные клапаны Г Телескопическое устройство I

I 5. Наличие здания 1. Б помещении 2. Открытая I

I 6. Отношение к уровню I земной поверхности 1. 3. Подземные 2. ЗаГлубленнные I На уровне почвы 4. Башенного типа I

I 7. Форма калориферной I установки в плане 1. г> о, 5. Одностенкые-- 2. Двухстенные I Трехотенные 4. Круглые I Трехстенные с,крышей из калориферовI

I 8. Расположение секций I по ходу воздуха 1. о и. Однорядные 2.Двухрядные I Многорядныё I

I 9. Тип калориферных I секций 1. 2. Типоразмер I Модель I

I 10. Схема теплообмена I (вид тока теплоносит.) 1 . . 1 1 т-1 со 1 1 Противоточная 2. Прямоточная I Перекрестная 4. Комбинированная I

I 11. Подключение калори-I феров по теплоносителю 1. 2. Последовательное в стояки I Параллельное 3. Смешанное I

I 12. Число ходов тепло-I носителя в секции 1. 2. Одноходовые I Многоходовые I

I 13. Компоновка секций I в стенке КУ в верти-I кальной плоскости 1. 2. В одной плоскости I Разнесенные в шахматном порядке I

I 14. Компоновкй стенок I в КУ по ходу воздуха-.. 1. 2. Последовательно, без зазора I Стенки разнесены I

сутствует единый показатель их энергетической эффективности. Это • позволяет получить эксергетический метод анализа.

Для проведения термодинамического анализа необходимо составить материальный, энергетический и зксергётический балансы КУ.

Материальный баланс основывается на известном уравнении

_ . Д GBX.i - ^GBHX.J, „ " (1)

где i = 1, n; j - 1, m - число входящих и выходящих потоков.

Энергетический баланс (рис. 1) составляется при следующих условиях: а/ изменение внешней кинетической и всех внешних потенциальных энергий потоков вещэства незначительно и ими пренебрегаем; б/ механическая работа не передается (стенки теплообменных трубок калориферов неподвижны); в/ имеет место тепловой поток Отп в результате радиации тепла в окружающую среду. Уравнения энергетического баланса: QF = ( 1т1 - 1т2) - Отп - Qt - Отп, (2) Qb - 1в2 - 1в1, (3) Отп - Qt - Qb - д1т - д1в, (-4) где Qt - тепло отданное греющим теплоносителем в процессе, Вт; Qf- тепло переданное через поверхность теплообмена в КУ, Вт; д1т, ¿1в - разность энтальпий потоков энергоносителей на входе КУ 1т1, 1в1 и выходе из нее 1т2, 1в2, Вт.

Необходимо напомнить, что при энергетическом балансе все виды энергии рассматриваются без учета их качества. Качественные характеристики энергии учитываются эксергетическим балансом.

Энергетический потенциал теплового потока в КУ определяется общеизвестным уравнением первого закона термодинамики

Эксергия потока вещества (термомеханическая эксергия) расчитывается по формуле, Вт:

Е =» G Ср (Т-Тос)-Тос G (Ср ln(T/Toc)-R ln(P/Poo))f (Б) где Р, Т, Рос, Too - давления и температуры потоков энергоносителей и окружающей среды, Па,°С; Ср - изобарная теплоемкость вещества потока, Дж/( кг•К); G - массовый расход потока, кг/с; R - газовая постоянная вещества потока.

В соответствии с циклом Карно, эксергия теплового потока определяется, Вт: Eç - Q (1 - Тос/Т) - Q (Т - Toc)/Т. (6).

Потери эксергии рассчитываются по известному уравнению Гюи -Стодолы, Вт: Z" Di = Toc Z"AS, (7)

где ¿T&S - алгебраическая суша приращэний энтропий потоков энергоносителей, Вт/К.

Понятие эксергии увязано как с первым так и вторым законами термодинамики - фундаментальным понятием энтропии системы.

Рис. 2. Эксергетический" баланс шахтной калориферной установки

Для составления эксергетического баланса КУ также определяются три балансовые поверхности (рис. 2), для каждой из которых составляется эксергётический баланс при выполнении условий энергетического баланса. Дополнительно учитывается, что теплообмен . между теплоносителями происходит при незначительной разнице температур и наблюдаются диссипативные явления, например, трение при движении теплосителей. Уравнения эксергетического баланса для КУ

Ет1 « Ет2 + Dh + Орт + Е$1, (8)

Ев1 - Еф2 - Ев2 + Брв, - (9)

Ет1 + Ев1 - Ет1 + Ев2 + Dh + Dp + Dt = Ет2 + Ев2 + ZDi, (10) где Ет1, Ет2, Ев1, Ев2 - термомеханическая эксергия греющего теплоносителя и воздуха на входе и выходе КУ, Вт; Еqi, Е QI- эксергия тепла, переданная в процессе теплообмена в КУ теплоносителем подогреваемому воздуху, Вт; Dh - потери эксергии излучением в окружающую. среду через поверхность теплообмена КУ, Вт; Dp - Орт + DpB - потери эксергии вследствие необратимости, обусловленные гидравлическим и аэродинамическим сопротивлениями теплоносителя и воздуха, Вт; Dt = Dtt + Dtb - потери эксергии, вызванные конечной разностью температур при теплообмене между теплоносителем и воздухом, Вт; Z Di - суммарные потери эксергии в КУ, Вт.

Общие потери эксергии от конечной разности температур и гидравлических сопротивлений в КУ, Ет

DT+Dp - Тос[(]т-Ст1п(Тт2/Тт1) + Gb Св Щ(Тв2/Тв1) + (GT Йг/Лен)* *1п(Рт*"+ дРт)/Рт^+ (Gb-Йв/^ ев) ln(PB^/(PB^- дРв)], (И) где я - нс-(£нэ, ^ев - ^вс-^вэ - эксергетические КПД насоса и вентилятора, равные произведению их собственных КПД и КПД их электродвигателей; дРтУ=» РтЛ - Рт^, дРв - Рв^" - Рв1^*- падения давления по водяному и воздушному трактам, Па.

Потери эксергии излучение^ в окружающую среду^Вг

Dh - ¿и-Co-Fh СЗ (Тт)4 + То£ - 4-Тос-(Тт)3], (12) где £и - степень черноты поверхности КС; Со - 1,8889*10 - пос--тоянная Больцмана, Вт/м^ К; Fn - теплоиэлучающая поверхность, uz.

В процессе теплообмена в КУ поток греющэго теплоносителя передает эксергию в форме тепла холодному воздуху. При этом эксерге-тический эффект КУ будет заключаться в нарастании эксергии подогреваемого воздуха дЕв - Ев2 - Ев1, а эксергетические затраты - в снижении расхода эксергии на греющий теплоноситель дЕт ■ Erl - Ет2. Тогда эксергетический ШЩ КУ с учетом целевого назначения процесса У) el - дрв/^рт = 1 - f Di/дЕт. (13)

<- i% I

Влияние каждой отдельно взятой необратимости на перерасход

' эксергии веодимой в установку может количественно учитываться вве- ■ дением абсолютных коэффициентов эксергетических потерь

Л-^Ш/фав (14)

где - абсолютный 'коэМмциент эксергетической потери 1-го узла.

Связь между йе и V выражается следующим образом

- ^Езвых/^Езвх - (,г:Е]ВХ - 1 - Ьь (15)

Выражение■приобретает наибольшую "знач^ость при анализе сложных и разветвленных технологических схем с промежуточными подводами и отводами эксергии, когда определение эксергетического КПД для всей схемы бывает весьма затруднительно. Имеюпщся методика определения общего ^е сложной схемы с применением декомпозиции технологической структуры на отдельные параллельные и последовательные участки' накладывает значительные ограничения на ее использование, так как изменение на предшествующем участке схемы влияет на значение /^е на последующем и наоборот.

Методология эксергетического подхода позволяет подтвердить положение о том, что: 1) перерасход--организованных видов энергии равен сумме эксергетических потерь в узлах системы,. Вт: ¿.V - £ 01;

2) величина перерасхода органического топлива на входе в' систему, вызванная приростом^ монет быть определена, кг

. ДВ -¿01/Ео-£е'- (£ЕВХ - ХЬ/Ео• (1 -где Ео - нулевая химическая ёксергия топлива, Дж/кг.

В работе обосновано .применение критериев экономической и эксергетической эффективности, в соответствии с новыми условиями хозяйствования, использование которых позволяет оценить качество решений для различных иерархических уровней системы теплоснабжения шахты и ее подсистемы КУ.

Для эксергетической оптимизации системы теплоснабжения шахты (ее подсистем) характерны два основных класса инженерных задач: а/ оптимальное проектирование и исследование этих систем, включающее выбор оптимальных: типов технологического оборудования, структур, рабочих параметров и вида теплоносителя; б/ оптимизация и исследование действующих систем путем изменения рабочих параметров и вида теплоносителя при неизменной технологической схеме.

При решении первой .задачи--(синтез допустимой структуры) для системы -теплоснабжения шахты в целом, выражение 1

У - В —> Ш1п, (16)

может быть использовано как энергетическая составляющая интегрального критерия" приведенных затрат. Это будет соответствовать задаче минимизации расхода топлива в теплогенераторе и, соответственно,

- 13 -

минимуму эксплуатационных энергетических затрат.

При решении задач второго класса (задача управления при закрепленной структуре) для всей системы теплоснабжения выражение (16) может быть использовано в качестве самостоятельного критерия эффективности. При этом расход и перерасход топлива могут быть представлены в реальном физическом измерении.

Для решения задач первого и второго классов на более низком уровне структурной иерархии, а именно, рассматриваемой нами шахтной КУ - в качестве критерия эффективности может выступать эйсер-гетичёский КПД данной подсистемы. В этом случае функция цели может быть записана: И £ ы - 1 - -1 " Ох/^ Евх —> шах. (17) В третьей главе рассмотрена оптимизаций параметров шахтной калориферной установки по эксергетическому критерию эффективности.

Дея формализации задачи оптимизации КУ используем методологическую основу теории построения и реализации математических моделей для горной промышленности, приведенную в работах ЕН. Еылегжа-нина, К И. Карасева и Е. И. Рогова.

Ограничения на фазовые переменные и параметры представлены в табл. 2. В скобках приведены пределы изменения переменных, значения которых отличаются от нормативных.

В качестве критерия эффективности "I" принимаем эксергетичес-кий КПД Обе задачи оптимизации технологической структуры и

режимов работы шахтной КУ сформулируем в виде локального варианта решения задачи оптимизации всей системы теплоснабжения шахты:

1. На множестве технически возможных вариантов технологических структур шахтных КУ необходимо выбрать такую допустимую, которая бы при максимально низкой для данного региона отрицательной температуре атмосферного воздуха обеспечила подогрев заданного объема шахтного воздуха до минимально допустимой по ПБ температуры, а значения остальных фазовых переменных удовлетворяли бы всему целесообразному множеству принятых ограничений (задача синтеза).

2. Цри закрепленной допустимой технологической структуре шахт-, ной КУ выбрать такой режим работы, который соответствовал бы передаче тепла от греющего теплоносителя шахтному вентиляционному воздуху с наибольшим эксергетическом КПД для всего множества принятых ограничений (задача управления). _ _ _ —

В общем виде это можно представить: Б —> I —> Я, где 5,1? -стимул и реакция системы (или входная и входная информации).

Для задачисинтеза: (С,У,й)_,__БвН^ (18)

I? - (х(о),у(о),г(о),х,уд), яен, (19)

Пределы изменения независимы:': и оптимизируемых переменных и параметров шахтной КУ

N

п/п

Наименование переменной (параметра)

Единица измерения

Еид ограничения

1.

6.

7.

8.

9.

Допуст. -потери- давления: а/ гидравлический тракт КУ, Рт. доп б/ гидравлический тракт КС, Ркус. доп в/ воздушному тракт,

Ре. доп. Абсолютное давл^ теп-ля: а/ вход КУ, Р-£(Рт1) б/ выход КУ, РГ(Рт2) Температуры: а/ теплоноситель: 1/ вход КУ, Ш

' 2/ выход КУ, 1т2

б/ воздух: 1/ вход КУ, 1в1 2/ выход КУ, 1бс2

Расход воздуха через КУ, !_в

Скорость теплоносителя: а/ трубки КС, VI

б/ трубам разводки КУ,

Мгр. доп. Массовая скорость воздуха через КС, (рЧ)

Число КС в стояке КУ, ш Коэффициент теплопередачи, Кт

Подсосы воздуха через неплотности КУ, Рн Относительный расход воздуха через теплую ляду КУ Рл

Па

Па

■Па

Га Па

"С

°С ',

чс '

,°с

"С

м-'/.с

• м/с м/с

м/с

кг/( мг- с) кг/(мг- с) штук

ЕТ/(м2- К)

а р

Л ¿2.-101

^¿¿П -[3£>£ ¿г* ^ ^01

60 ^Г

[25 £• ¿г1 £ 1<г*7

- £~0 4 ¿¿С ^ О 2 ^

[2. 22] I ¿Ро ^

-(О ± Кт± & о г рн

\

2

3

___ - 1Б - _

где {Х(0),У(0),г(0)>, _-СС,У,0>, {%Ч,1У - множества начальных состояний, значений независимых и управляемых векторов информации. Тогда задача синтеза допустимой технологической структуры шхтной' КУ состоит в том, чтобы среди всех допустимых путей на графе категорий В = (X, Г) найти оптимальное значение выражения

I * У,и,г,Ю —> тах (20)

при ограничениях-структуре системы

_ _ {«^я.к) >-о, у-г,г,(21)

где = Б\С, И. - * ■

Для задачи управления _ 1 - (Х(0),7(0)Д(0),С,У,и), 5£Н;. (22) Й = (Х,У,г), Я6 Н. (23) Казвдому допустимому пути, являющемуся точкой в дискретном пространстве категорий, соответствует задача оптимизации выражения (20) при ограничениях - структуре системы (21).

Искомое решение сформулированных задач оптимизации шахтной КУ может быть найдено с приемлемой для практики точностью применением метода сканирования с переменным шагом.

Для конкретизации исследований рассмотрим оптимизацию водяной шахтной КУ с рекуперативными теплообменными аппаратами. Вариант исполнения технологической структуры КУ выбираем'из табл. 1, при этом характерный признак (первая цифра) и альтернативное техническое решение (вторая цифра) могут быть выражены числовым рядом; 1.1, 2.1, 3.3, 4.6, 5.2, 6.3, 7.4, 8.1, 10.3, 11.3, 12.2, 13.2. В качестве исследуемых калориферных секций принимаем следующие типы: КВБ11а-П, КЕБ12а-П, КСкЗ-11, КСкЗ-12, КСк4-11, КСк4-12.

Модель шахтной КУ состоит из ограничений табл. 2, функциональных уравнений материального, энергетического, зксергетического балансов (1)-(15), уравнений теплопередачи для стационарного режима, а также выражения для критерия оптимальности (17).

Для оценки чувствительности, выявления несущественных переменных и сокращения размерности модели КУ был применен эксперимен- ' тальный метод, предложенный проф. Е. И. Роговым. Тогда существенные переменные для решения задачи синтеза допустимой структуры (см. табл. 2): И. = (Рт2, №гр. д, Мк, тип КС, ш), где № - число калориферных секций в КУ. Для решения второй задачи - нахождения оптимальных режимов работы КУ при закрепленной структуре - существенные переменные: Я2 = (Рт2, Утр. д, 1в1, 1вс2).

В результате применения планирования эксперимента были решены следующие задачи: 1) минимизация количества опытов численного эксперимента; 2) реализация специальных планов эксперимента, предус-

матривающих одновременное,варьирование всеми фазовыми переменными; 3) определение наиболее значимых факторов; 4) количественная оцен-каи аффектов влияния отдельных факторов на целевую функцию.

Принимаем, что модель открывается уравнением регрессии первого порядка: -+-Д рС'У^с , (24) где - коэффициенты регрессии при соответствующих переменных, значения которых определяют форму поверхности отклика; XI -факторы при 1 = 1, N. В качестве экспериментального плана выбираем план дробного факторного эксперимента 2н"и, где К =■ Б, и = 2. Независим© и зависимые фазовые переменные: XI «• Рт2; Х2 - Утр. д; ХЗ - №с; Х4 » ш; Х5 - №г; У -

На основании разработанной матрицы и проведенных в соответствии с ней экспериментов было получено уравнение регрессии, учитывающее влияние пяти независимых факторов

У-0,2584+0,0057X1-0,0087X2+0,0092X3+0,0125X4+0,0003X5. (25) Статистический анализ значимости коэффициентов Ы в- уравнении регрессии (25) с помощью критерия Стьйдента 11, с заданной вероятностью устанавливает, окаэьйает ли данный фактор заметное влияние на критерий эффективности.

Расчеты для наших данных при точности гадания независимых факторов в интервале С+10Х,-10%] дали следующее неравенство

2/2-0,* о.оо ^,

где г^-уй ~ табличное значение критерия ..Стьйдента при = 0^96 и числе степеней свободы Т2 - (п-1)И - (3-1)8 = 16;_ гы -т/&ЩТ-ошибка коэффициентов регрессии; здесь 32(Ы) 5г(У)/Ы - дисперсия ошибки определения коэффициентов М, где Бг(У) - дисперсия воспроизводимости. Из всех коэффициентов регрессии (2£) незначимым оказался Ь5 ■= 0,0003 < 0,0012. Остальные коэффициенты с уровнем значимости 0,05 отличаются от нуля. Уравнение регрессии примет вид У - 0,2580+0,0057X1-0,0087X2+0,0092X3+0,0125X4. (26)

Расставив факторы в порядке их значимости в соответствии с величиной Ы в (26), получим упорядоченное множество X - -СХ4 > ХЗ > Х2 > Х1> . Цроверка гипотезы об адекватности представления результатов найденному.уравнении регрессии проводится с использованием Р-кри-терия Фшпера Рр.

2 2 — 2 о —

Для нашей задачи £3 ад > Б (У), поэтому Рр - Б ад / Б (У) -6,94*10"*/ 6,03*ю"^-..1,15. Здесь Б2ад - дисперсия адекватности. Находим табличное значение Рт = 3,2 для И = 3, ГС = 16 и •> 0,95. Неравенство Рр < Рт соблюдается, так как 1,15 < 3,2. На

том основании делаем вывод об адекватности полученного уравнения егрессии (26) исследуемому процессу.

Сравнивая сформулированные ранее задачи синтеза допустимой труктуры и выбора оптимальных режимов работы шахтной КУ, можно вдеть, что формально они одинаковы, с той лишь разницей, что в адаче управления известно начальное состояние системы -CX(0),Z(0), '(0)}, а в задаче синтеза эти векторы являшся искомыми. Поэтому шгоритмы решения обеих задач отличаются незначительно, для каждой m них выбирается свой набор фазовых переменных.

На языке "TURBO-BASIC" нами разработаны программы DF1, KU1 и 112 для ШВЫ типа IBM, позволяющие получить последовательное реше-ше обеих вышеприведенных задач.

При анализе результатов оптимизирующих расчетов представляют штерес исследования влияния независимых переменных на показатель оптимальности "I", направление и степень изменения основных тепловых, "идравлических, конструктивных и эксергетических величин.

Представим текущие значения независимых переменных Xi, показателя оптимальности l(Xi) и исследуемых величин Zj(Xi) в виде безразмерных симплексов: * "XV / Х;0пт ? - I, ¿^а* )

Я-!*; = !(*')/Топт ; rt-y/г - , j - J~j/»л»,

где imax, jmax - число независимых и завис;:. ~-х переменных; Хюпт, ZjonT, 1опт - значения независимых и завис?«., s. переменных, а также показателя оптимальности в оптимальной точке соответственно.

На рис. 3-4 представлены примеры зависимостей полученных в результате оптимизирующих расчетов.

На рис. 5 приведены полосовые диаграммы энергетического и эк-сергетического балансов шахтной КУ, построенные на основании расчетов.

На основании проведенных исследований и анализа результатов моделирования можно сделать некоторые обопщицие выводы:

1. Установлено, что все конструктивные (тип и модель калори-. феров, их число в стояке и во всей установке, диаметры труб гидравлической разЕодки) и технологические независимые переменные (температуры теплоносителя и воздуха, их расходы, давление теплоносителя и его потери в системе) оказывают существенное влияние на энергетическую эффективность шахтной калориферной установки. Расчеты на модели позволяют получить количественные оценки этих зависимостей:

- абсолютная величина эксергетических потерь обусловленная конечной разностью температур при теплообмене между греющим тепло-

- п-

терь калориферной установки от ее площади поверхности теплообмена

ности теплообмена Рк, давления РтЕ на выходе калориферной установки, скоростей воды в трубках калориферов и трубах гидравлической разводки Утр. д

ат=Ао

Рис. 5, Полосовые диаграммы балансов шахтной калориферной установки, кЕт: а) энергетического ; б) эксергетического

носителем и воздухом является определяющей для суммарных эксерге- 1 тических потерь в калориферной установке. Она более чем на порядок выше эксергетических потерь от гидравлических сопротивлений и на два порядка выше потерь, обусловленных излучением .тепла в окружающую среду;

- потери ,от гидравлических сопротивлений по аэродинамическому тракту калориферов сравнимы с потерями эксергии в результате радиации тепла в окружаквдпо среду;

- эксергетический КПД, определяемый с учетом потерь от неда-рекуперации (/£,е2 = 10,9%), более чем в три раза ниже 'значения эксергетического КЦЦ (е1 - 35,4%) процесса с замкнутым циклом, где подобные потери отсутствуют.

2. Установлено, что эксергетический КПД является универсальным показателем оценки энергетической эффективности шахтных кадб-риферных установок, учитывающим как внешние потери эксергии в системе, так и потери от внутренней необратимости. В тоже время энергетический КПД т - 99,6%) характеризует совершенство процесса теплообмена только с точки зрения потерь тепла в окружающую среду, а КПД теплопередачи ( £- = 43,5%) лишь частично отражает эффективность калориферной установки с термодинамической точки зрения, так как не в полной мере учитывает потери- энергии от внутренней необратимости протекающих в системе процессов и, в частности, на прес--доление гидравлических сопротивлений при движении теплоносителей.

3. Установлено, что эксергетический КПД шахтной калориферной установки может быть повышен по сравнению с принятым в результате расчета (приблизительно на 10%), но при этом диаметры трубопроводов разводки возрастают более" чем в 2,5 раза. Этот факт свидетельствует о необходимости проведения наряду с локальной оптимизацией по эксергетическому КПД также и технико-экономической оптимизации.

4. Установлено, что при увеличении температуры подогретого в калориферной установке воздуха от 7 до 22"С ( на 68&), эксергети-ческий КПД возрастает с 33,3% до 35,4% (на 2,1%), а разности эк-сергий увеличиваются по воздуху на 33% и по воде на 29%. Однозначно определить "цену" такого возрастания температуры шахтного воздуха до уровня комфортной можно б^дет только после проведения технико-экономической оптимизации всей.системы теплоснабжения шахты с учетом социально-экономических эффектов (ущербов) по выражениям (2. 55)-(2.56) и определения-стоимости эксергии на входе в систему.

5. На основании моделирования разработана полосовая эксерге-тическая диаграмма,шахтной калориферной установки, содержащая наг-

лядную информацию о величине потоков и потерь эксергии в системе. ' В четвертой главе представлен инженерный расчет шахтных КУ. Нами использованы элементы существующих методов расчета шахтных КУ, рекуперативных теплообменников и эксергии, приведенные в работах А. И. Андрющенко, П. И. Бажана, В. М. Бродянского, Д. И Гох-штейна, Г. Е.' Каневца, Н.И. Карасева, В. В. Назаревича, Р. Петеллы, Я. Шаргута, ЕМ. Шэмаханова, В.А. Щушпанникова, а также методы оптимизации, развитые в работах В. Н Вылегжанина и Е. И. Рогова.

Использование понятия эксергетического анализа позволяет - утг вердить новые положения в инженерном расчете шахтных КУ. В предлагаемом методе, в отличие от'существующих, используется расчет с применением ГЕЕМ допустимой компоновки и наиболее экономичных режимов режимов работы водяной шахтной КУ. В качестве критерия энергетической эффективности используется эксергетический КЦД. В ре- ' зультате расчета определяются также абсолютные и относительные коэффициенты эксергетических потерь, позволяющие дифференцировать потери эксергии в КУ. Это дает возможность наметить пути снижения наиболее весомых из них. Другим отличием предлагаемого метода является использование специально разработанного алгоритма для определения наиболее рациональных значений неизвестных температур греющего теплоносителя. Метод также включает в себя гидравлический расчет и выбор диаметров трубопроводов разводки КУ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научно-технической задачи повышения энергетической эффективности шахтных калориферных установок при одновременном совершенствовании методов их проектирования и расчета с использования метода эксергетического анализа. При этом показано, что эксергетическая эффективность системы теплоснабжения горного предприятия в значительной степени определяется уровнем эксергетических потерь именно на заключительной стадии использования тепловой энергии - шахтной калориферной установке, где "цена" эксергии возрастает по сравнению с начальными стадиями термодинамических преобразований.

Основные научные выводы и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Установлено, что существующие методики расчета калорифер-.ных установок шахт, основанные только на энергетическом балансе, не позволяют получить единый показатель оценки их энергетической

эффективности. Такой критерий можно разработать при совместном использовании энергетического и эксергетического. методов термодинамического анализа.

2. Установлено, что зксергетический КПД является универсальным показателем оценки энергетической эффективности шахтных калориферных установок... Полосовая диаграмма, разработанная по данным моделирования содержит наглядную информацию о величине потоков. и потерь эксергии в калориферной установке.

3. Разработанный и реализованный в виде пакета программ для вычислительной машины алгоритм аналитического метода расчета эксергетического КПД, основанный на методологии эксергетического подхода, позволил получить взаимосвязи между параметрами калориферной установки и установить, что:

- все конструктивные (тип и модель калориферов, их число в стояке и во всей установке, диаметры труб гидравлической разводки) и технологические независимые переменные (температуры теплоносителя и воздуха, их расходы, давление'теплоносителя и его потери в системе) оказывают существенное влияние на энергетическую эффективность калориферной установки. Расчеты, на модели позволяют получить количественную оценку этих зависимостей:

- абсолютная величина эксергетических потерь, обусловленная конечной разностью температур при теплообмене между теплоносителями, является определяющей для суммарных.эксергетических потерь в калориферной установке. Она более чем на порядок выше эксергетических потерь от гидравлических сопротивлений и на два порядка выше потерь, обусловленных излучением в окружающую среду;

- потери от гидравлических сопротивлений по воздушному тракту сравнимы с потерями эксергии в результате радиации тепла в окружающую среду;

- зксергетический КГЩ, определяемый с учетом потерь от недо-рекуперации, более чем в три раза ниже значения.эксергетического КПД процесса с замкнутым циклом, где подобные потери отсутствуют.

4. Разработанная методика инженерного расчета водяных калориферных установок, утвержденная АООТ."Ленинскуголъ", позволяет повысить энергетическую эффективность шахтных калориферных установок и качество их расчета при проектировали и эксплуатации.

5. Результаты исследований нашли свой практический выход.в реализации технических нововведений при реконструкции калориферной установки вентиляционного ствола шахты "Кузнецкая" (г. Ленинск- Кузнецкий) ., При этом экономический эффект за один отопитель-

- 23 -

ный сезон составил около 85,6 тыс.руб. (в ценах 1989г.).

Основные положения диссертации отражены в публикациях:

1. Жалнин Н. И., Лазаревич В. Б. Некоторые вопросы производства и использования тепловой энергии, на угольных тахтах- // В сб. тезисы докладов областной научно-практической конференции "Мэлодые ученые Кузбасса - народному хозяйству". - Кемерово, 1990. -С. 34.

2. Жалнин Е И., Моисеев Л. Л Проблемы повышения эффективности шахтных калориферных установок // В сб.: Теплообмен в энергетических установках и повышение эффективности их работы / Мэжвуз. сб. науч. тр.; Воронеж, политехи, ин-т. - Воронеж, 1990. -С. 125-129.

3. Жалнин ЕИ.., Моисеев Л. Л. Проблемы производства и использования тепловой энергии на угольных шахтах // В сб.: Вопросы горной механики и шахтного транспорта / Шжвуз. сб. науч. тр.; Нузбас. политехи, ин-т. - Кемерово, 1991. -С. 4-11.

4. Жалнин Н.И. Классификация основных вариантов подогрева шахтного воздуха // В сб.: Исследования в области стационарных и транспортных машин / Шжвуз. сб. науч. тр.; Кузбас. политехи, ин-т. - Кемерово, 1993. -С. 105-113.

5. Жалнин Е И., Моисеев Л. Л. Постановка задачи оптимизации шахтной калориферной установки // В сб.: Исследования в области стационарных и транспортных машин / Межвуз. сб. науч. тр.; Кузбас. политехи, ин-т. - Кемерово, 1993, -С. 113-119.

6. Моисеев Л. Л., Назаревйч В. В. , Жалнин Е И. Анализ эффективности шахтной калориферной установки // Б сб. Механизация горных работ / Мэжвуз. сб. науч. тр.; Кузбас. гос. техн. ун-т.. - Кемерово, 1996. -С. 80-85.

7. Моисеев Л. Л., Казаревич В. В. , Жалнин Е И. Расчет эксергетичес-ких потерь шахтной калориферной установки // В сб. Техника и технология разработки полезных ископаемых / Мэжвуэ. науч. -техн. сб. Вып. 2. -Новокузнецк: СибГГМА, 1996. -С. 256-263.

8. Жалнин Е И. Оценка пределов подогрева шахтного воздуха в калориферных установках // В сб. Механизация горных работ / Межвуэ. сб. науч. тр.; Кузбас. гос. техн. ун-т. (в,печати).