автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Методология энергетического анализа для определения эффективности тепловых процессов и технологического оборудования

На правах рукописи УДК 641.75:643.3:621.365.46

ГАЖУР АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ

Методология энергетического анализа для определения эффективности тепловых процессов и технологического оборудования

Специальность 05.18.12. Процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 2011

1 6 11 ЮН 2011

4849803

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Российский экономический университет им. Г.В. Плеханова»

Официальные оппоненты: д.т.н., проф. Кавецкий Г. Д.

Д.Т.Н., проф. Илюхин В.В. д.т.н., проф. Плаксин Ю.М.

Ведущая организация: Московский Государственный Университет Прикладной Биотехнологии

Защита диссертации состоится «30» июня 2011 года в 12:00 час. На заседании диссертационного Совета Д 212.196.07 при ГОУ ВПО «Российский экономический университет им. Г.В.Плеханова» по адресу: 113054, г. Москва, Стремянный пер., 36, 6 корпус, ауд. 457.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского экономического университета им. Г.В. Плеханова.

Автореферат разослан «27» мая 2011 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

д.т.н., профессор

Елисеева Л.Г.

Общая характеристика работы. Актуальность работы.

Повышение эффективности тепловых процессов путем снижения энергозатрат на их проведение совокупно с определением наиболее эффективно реализующего процессы оборудования при соблюдении требований к качеству конечного продукта является одной из существенных проблем энергосбережения, то есть одним из фактором повышения эффективности экономики и, соответственно, благосостояния России. Для решения этих проблем государством принят ряд документов:

1.Федеральный закон Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации»;

2. Федеральный закон от 27.07.2010 N 190-ФЗ «О теплоснабжении»;

3. Энергетическая стратегия России на период до 2020 года;

4. Закон г. Москвы от 5.07.2006 года № 35 «Об энергосбережении в г.

Москве».

Решение поставленных задач требует в том числе единообразного сертифицирования всех тепловых (и холодильных) аппаратов и осуществляемых ими процессов с точки зрения энергетической эффективности.

При этом необходим системный подход к решению задачи, учитывающий чрезвычайное многообразие, как существующей и разрабатываемой техники, так и применяемых или возможных теплофизических процессов.

Несмотря на то, что вопросами энергетической эффективности процессов и аппаратов занималось много как отечественных, так и зарубежных ученых, до настоящего времени отсутствует единая система сертификации теплового оборудования, позволяющая оценивать и сравнивать их с точки зрения

энергетической эффективности, что чрезвычайно важно как для выяснения существующего положения дел в производстве, так и для продуктивного системного планирования развития соответствующих отраслей.

Поэтому необходимо системное решение данной проблемы, базирующееся на единой методике определения энергетических параметров процессов и осуществляющих их аппаратов.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что исследования, направленные на разработку методологии определения сопоставимых критериев энергетической эффективности тепловых процессов и аппаратов, являются своевременными и актуальными.

Цель и задачи исследований.

Целью данных исследований является создание методологии определения критериев энергоэффективности тепловых процессов и аппаратов, позволяющих при соблюдении требований к технологическому качеству и к количеству обрабатываемой продукции снизить энергетические затраты. Блок-схема этапов исследования.

Критерии энергетической эффективности

Ьо - базовый (базовая функция);

^проц - выбранного процесса;

Ькдеал.апп.-идеализированного аппарата и процесса (1 цикл);

Ьрсал-апп -реального аппарата и процесса (1 цикл);

ЬЭ!!С -реального аппарата и процесса в условиях эксплуатации (п циклов);

Ькап - реального аппарата и процесса в условиях эксплуатации (п циклов) с учетом приведенных капитальных затрат.

Для достижения этой цели необходимо выполнить следующие задачи

- проведение исследований и классификацию существующих способов определения энергозатрат для тепловых и холодильных аппаратов;

- оценить системную взаимосвязь всех элементов, необходимых для осуществления процессов с точки зрения их влияния на энергозатраты;

- на базе исследований по теории теплопроводности и теории теплообмена осуществить постановку системных задач по определению общих энергозатрат (энергетического баланса) на проведение тепловых процессов;

- на основе теории дифференциальных уравнений определить функциональные зависимости энергозатрат в процессе от задаваемых технологических параметров;

- определить функциональные зависимости изменения характеристик оборудования от параметров реализуемого процесса с точки зрения энергетической эффективности;

- разработать единую математическую модель для получения сопоставимых показателей по различным тепловым процессам и оборудованию;

- исследовать возможности и диапазоны применения численных методов при решении подобных задач;

- исследовать вопрос о влиянии эксплуатационных характеристик использования оборудования на изменение энергопотребления;

- исследовать влияние капитальных затрат, выраженных в энергетических единицах, при определении энергозатрат процесса;

- разработать методические основы для определения энергозатрат в зависимости от характеристик обрабатываемого продукта, параметров процесса, характеристик реализующего аппарата, эксплуатационных характеристик и стоимости оборудования в виде единой функциональной зависимости;

- ввести и научно обосновать единый критерий для оценки как процессов, так и реализующего эти процессы оборудования, который может быть положен в основу единой системы сертифицирования всех тепловых и холодильных аппаратов по показателю энергетической эффективности.

Научная концепция. В основу научного решения проблемы определения методики единой энергетической оценки процессов и осуществляющего их оборудования положен системный подход, позволяющий найти общие закономерности, связывающие между собой в единое целое характеристики продукта, задаваемые параметры процесса и характеристики аппарата, осуществляющего процесс.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- предложен системный метод определения энергозатрат в процессе изменения или сохранения температурного поля в продукте;

- определены и исследованы факторы, влияющие на величину общих энергозатрат;

- введен и обоснован критерий энергетической эффективности, применимый к процессам и осуществляющим процессы аппаратам;

- разработан системный метод определения комплексного критерия энергетического качества, позволяющий произвести энергетический анализ энергозатрат теплового и холодильного оборудования и осуществляемых с его применением тепловых процессов с точки зрения энергетического совершенства, то есть минимизации

энергозатрат, что позволяет комплексно оценивать конструктивное совершенство оборудования;

- впервые решена задача системного описания и исследования тепловых процессов совместно с реализующим их технологическим оборудованием, получены многопараметрические уравнения для всех основных видов переноса тепла и их комбинаций, описывающие общие энергозатраты, на основании совместного решения нескольких дифференциальных уравнений теплопроводности и уравнений теплообмена, описывающих стационарную и нестационарную фазы процесса эксплуатации теплового оборудования;

- проведено сопоставление и энергетическая оценка различных видов энергоподвода, осуществляющих заданный процесс в заданных температурных и временных диапазонах;

- сопоставлены различные процессы и осуществляющие их аппараты с точки зрения энергетической эффективности;

- получены математические модели для определения более эффективных допустимых процессов и оборудования;

- в решение общих уравнений введены параметры, учитывающие влияние суточной длительности эксплуатации оборудования;

- приведены математические модели, описывающие влияние капитальных затрат, и в решение общего уравнения введены учитывающие их параметры;

- рассмотрена применимость численных методов и возможность оптимизации полученных уравнений;

- предложена единая методика для определения критерия энергетической эффективности тепловых процессов и оборудования, позволяющая научно обоснованно сопоставлять различное оборудование и процессы и определять наилучшие пути их совершенствования.

Практическая ценность работы. В результате проведенных исследований:

- разработан системный метод определения критерия энергетической эффективности, позволяющий сертифицировать тепловое и холодильное оборудование и осуществляемые с его применением тепловые процессы;

- предложенный системный метод может быть применен для любых отраслей, где применяется оборудование, изменяющее или сохраняющее температурное поле в обрабатываемом объекте;

- системный метод может быть положен в основу системы единой сертификации всего теплового и холодильного оборудования с точки зрения энергетического совершенства, что позволит планировать снижение энергозатрат при сохранении или даже росте производительности;

- на основании системного метода и разработанного математического аппарата может быть подготовлен пакет компьютерных программ, позволяющий на стации проектирования, вводя диапазоны допустимых изменений параметров аппарата и процесса, для которого предназначен аппарат, планируемой временной загрузки и стоимостных параметров его изготовления (выраженных в энергетических единицах) получить оптимальные в смысле энергосбережения характеристики системы процесс-аппарат;

- методика определения энергетической эффективности теплового оборудования, используемого на предприятиях общественного питания на основе использования критерия энергетической эффективности, использована при разработке технологической линии модульных тепловых аппаратов ЗАО «РАДА»;

- методика оценки энергетической эффективности с помощью критерия позволила оптимально выбрать параметры вновь создаваемого оборудования при разработке солнечных нагревательных установок ООО «НПО «ГРАНАТ»»

- методика оценки энергетической эффективности с помощью критерия включена в рабочие программы учебных дисциплин : теплотехника (направление подготовки: 655800 «Пищевая инженерия», профиль подготовки: 260601.65 «Машины и аппараты пищевых производств»), теплотехника (направление подготовки: 655800 «Пищевая инженерия», профиль подготовки: 260501.65 - технология продуктов общественного питания), ресурсо- и энергосберегающие технологии (направление подготовки: 222000. Инноватика.)

- на основании системного метода и разработанного математического аппарата может быть подготовлен пакет компьютерных программ, позволяющий на стации эксплуатации, вводя диапазоны допустимых изменений параметров процесса и планируемой временной загрузки в систему управления аппаратом, получать оптимальные тепловые режимы непосредственно на предприятии;

- ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов данных исследований при проектировании нового оборудования, модернизации существующего и выборе более эффективных тепловых процессов может составить до 10-15% энергозатрат применительно к их существующему уровню.

Состояние вопроса. Применяемые в настоящее время методы определения энергетической (и, соответственно, экономической) эффективности отличаются большим разнообразием, однако носят локальный характер и часто определяются экспериментальным путем для единичных образцов оборудования.

Показатели эффективности процессов и аппаратов, встречающиеся в нормативных документах и специальной литературе, могут быть классифицированы следующим образом: стоимостные характеристики, производительные характеристики, конструктивные характеристики, теплофизические характеристики, оценки качества энергии, безразмерные характеристики.

Применяемые и предлагаемые показатели энергетической

эффективности процессов и аппаратов

Виды характе ристик Общий вид размерности Частные случаи размерност и Приме ры приме нения Преимущ ества Недостатки

Стоимо стные 1. (единицы стоимости)/ (единицы времени) руб /год униве рсаль ное Простота определе ния. Невозможность анализа. Определяется экспериментально по факту эксплуатации. Использование общих денежных затрат размывает картину влияния собственно энергетических процессов

2. (единицы стоимости) / (единицы произведенной продукции) руб/ кг руб/ шт унивс рсаль ное Простота определе ния. Невозможность анализа. Определяется экспериментально по факту эксплуатации. Использование общих денежных затрат размывает картину влияния собственно энергетических процессов

Прошв одител ьные 1. (единицы продукции)/ (единицы времени) кг/час Терм. Обраб отка с/х проду кции Простота определе ния. Оценивается ограничительными нормативами и процентными поправками, учитывающими вид энергоподвода, потери и т.п.

2. (единицы энергии))/ (единицы произведенной продукции) кДж/ кг мДж/кг (кДж /час) /(план.т/ча с) (кВт.час) /сутки (кВт.час) /кг Шкаф ы, печи и т.п. Использо вание только ограничи тельных характери стик, что упрощает вычислен ия. Оценивается ограничительными нормативами и процентными поправками, учитывающими вид энергоподвода, потери и т.п.

Констр уктивн ые 1. (единицы энергии)/ (геометрическ ие единицы) кДж/м^ кВт.час/м2 Печи, жар. шкаф ы Базируют ся только на эксперим ентально Характеристики определяются экспериментально. Не учитывается, собственно, сам продукт.

м определе НИИ.

2. (ед. энергии) / геом.ед.)(врем. ед.)(темпер.ед. )) кДж/(м2ча с) Вт/м3 Вт/(м3К) Здани я, печи Базируют ся на эксперим ентально м определе НИИ с учетом ограниче ний. Определяются дискретные значения по подобранным параметрам.

Теплоф нзнческ не 1. (ед. энергии) кДж Холод .обору довая ие. Использо вание только прямых замеров при эксплуата ции. Точечные исследования по заданным параметрам

2. (ед. энергии)/ ((геом.ед.)(вре м. ед.)(темпер.ед. )) Вт/(м 2К) ( коэфф. теплоотдач и) Конде нсато ры холод. Простые вычислен ия. Фрагментарное решение.

3.единицы температуры К (температу ра уходящих газов) Котел ьные уст. Использо вание только прямых замеров при эксплуата ции Косвенное решение.

Эксерге тическ не 1. (единицы стоимости)/ (единицы энергии) цент/кДж Опрес нит.ус танов ки. Развитый математи ческий аппарат. Основное направление исследований -совершенствование самих источников энергии.

2. геом.единицы/ единицы стоимости мг цент Тепло обмен ники Использо вание средств оптимиза ции Основное направление исследований -совершенствование самих источников энергии.

3. ед. энергии кДж Источ ники энерг. Фундаме нтальност подхода. Основное направление исследований -совершенствование самих источников энергии.

Безраз мерные 1. геом.ед./ геом.ед. м7и' тепло обмен ники Наличие идеально й характери Косвенный характер определения эффективности.

стики.

2.( ед. энергии)/ (ед. энергии) кДж/кДж тепло обмен НИКИ Простота определе ния. Специализированность.

3.( ед. массы топлива)/ (ед. массы топлива) кг/кг Копти льное обор. Простота определе ния. Узкая область применения. Грубость оценки.

4.( кол-во элементов) /.( кол-во элем.) шт. / шт. Перег он. Об- Простота определе ния. Косвенность и неточность оценки, а также узкая специализация.

5..( ед. массы топлива)/ (ед. массы прод.) кг/кг Суши льное обор. Простота определе ния. Специализированность.

6.(ед.мощност и./ед.мощност и), КЭЭ Вт/Вт Хол., конд., строи т.и др. Простота определе ния. Определяется отношением двух переменных величин

2.(ед. энергии)/ (ед. энергии).КПД кДж/кДж Униве реальный Простота определе ния. Определяется отношением двух переменных величин

Исследованиям по улучшению энергетической эффективности посвящены, в частности, работы В.А. Кириллина, В.В. Сычева, А.Е. Шейндлина, А.Н. Вышелесского, Л.И. Гордона, Е.В. Неугодова, В.В. Кирпичникова и др. Наиболее универсальным энергетическим показателем для тепловых аппаратов является коэффициент полезного действия. К недостаткам использования КПД относится тот факт, что он определяется отношением двух переменных функций. Таким образом, один и тот же КПД могут иметь аппараты с разными энергозатратами. Кроме того КПД может быть применен только к общим энергозатратам.

Объект исследования. Объектом исследования являлись тепловые и холодильные процессы, а также оборудование, предназначенное для их реализации. Рассматривались процессы теплопереноса, описываемые граничными условиями I, II, III рода, нагрев за счет внутренних источников тепла, а также их комбинации. Кроме того, были рассмотрены процессы

сохранения температурного поля в объекте. Также было рассмотрено оборудование, все эти процессы осуществляющее.

Предмет исследования. Предметом исследования являлось определение характеристики, позволяющей выявить наилучшие процессы и аппараты с точки зрения их энергетического качества, то есть минимизации затрат на процесс изменения (или сохранения) температурного поля в объекте.

Теоретическая и методическая основа. Теоретической основой исследования являлась теплофизика, в частности, теория теплопроводности и ее приложения, а также теория тепломассообмена. Методически задача определения критерия энергетического качества сводилась к последовательному рассмотрению компонентов энергозатрат, их нормированию и сведению в единую функциональную зависимость с последующим анализом.

Нормативно-информационная основа. Нормативно-информационную основу работы составили методы определения энергетического и экономического качества различного оборудования, отраженные как в ГОСТах, так и в специальной литературе.

Публикации. По теме диссертации опубликована 1 монография, 12 публикаций в изданиях, зарегистрированных ВАК (всего 35 публикаций, общим объемом 11,05 п.л.)

Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка литературы общим объемом 338 стр. и приложений. В диссертации содержится 304 рис., б таблиц и 11 приложений.

Основное содержание диссертационной работы

Введение. Во введении обоснована актуальность темы исследования, проведен анализ существующих методов определения энергетической эффективности процессов и оборудования, определены объекты исследования, его предмет и сформулирована цель работы. Определены теоретическая, методическая и нормативная основы исследования.

Глава 1. Критерий энергетической эффективности. Его зависимость от параметров процесса, аппарата, эксплуатационных характеристик и капитальных затрат. Применение критерия для нагрева теплопроводностью. В первой главе описана физическая модель исследуемого объекта и соответствующая математическая модель с рассмотрением частных случаев решения. В качестве модели принят срез системы процесс-аппарат, что позволяет говорить об удельных характеристиках. Геометрической моделью объекта, в котором изменяется температурное поле, принят элемент неограниченной пластины. В качестве основной характеристики процесса выбрана его длительность, что позволяет сравнивать между собой различные процессы.

На основании решения дифференциального уравнения теплопроводности при условиях, соответствующих ГУ 1 рода, получена зависимость конечной температуры в объекте Т (х,тк) от характеристики источника Тс (т к) и длительности процесса т к (Тс) из допустимых диапазонов (все параметры объекта и процесса, исключая характеристику источника Тс, в данном случае полагаем постоянными). Через определение интегральной средней температуры получено выражение для энергозатрат на изменение температуры в объекте в виде

«З^СО (1.1.)

Введено определение базовой функции энергозатрат <Збго, определяемой как энергозатраты для обеспечения некоторого предельного или идеализированного распределения температур. Приведены примеры выбора базовых функций. В качестве основной базовой функции, в дальнейшем используемой для числовых примеров описания тепловых процессов, характеризующихся изменением температурного поля в объекте при рассматриваемом виде процесса (задается диапазон допустимых конечных температур в объекте) выбрана величина энергозатрат, доставляющая минимально допустимое равномерное распределение конечных температур.

В данном случае базовые энергозатраты будут теоретически минимально возможными:

<2баз == СЭгтп (1.2.)

Введено определение критерия энергетической эффективности Ь, определяемого, как отношение реальных энергозатрат к базовым:

Ь|=<51 /Оба, (1.3.)

Для выбранной таким образом базовой функции справедливо следующее неравенство:

ЪЫ (1.4.)

Таким образом, меньшая величина Ц соответствует более высокому энергетическому качеству процесса.

Далее введено понятие замкнутости данной системы, то есть введено идеализированное описание ограждения, представленного как поверхность бесконечно малой толщины. С использованием уравнения теплопередачи определено выражение для величины идеализированных (максимальных) потерь СЬ = СЬпшх через такое ограждение и, соответственно, критерия , зависящего от длительности процесса

Ь2 = 1^(гк) (1.5.)

При объединении в суммирующую функцию критериев Л] и Ь2 получена безразмерная характеристика непосредственно теплового процесса без учета параметров осуществляющего процесс аппарата (в частности, толщины теплоизолирующего слоя ограждения):

Ьлроц = Ь(гк)=Ь1 + Ь2 (1.6.)

В качестве численного примера, позволяющего получить визуальную интерпретацию аналитических выражений, выбраны процесс и объект, допускающие использование целого ряда различных видов энергоподвода, что позволит в дальнейшем сравнить их энергетическое качество. Рассматривался универсальный нагревательный блок, позволяющий получить контактный нагрев. Численные параметры объекта исследования:

элемент неограниченной пластины с размерами 2RxYxZ, начальной температурой То, конечной температурой в центре Тк min^ Т(0,т-к) ^ Тк тах, температурой поверхности тела в течение процесса (ГУ 1), равной TkR min < T(Rrk) < Tkr max с заданным значением коэффициента температуропроводности а. Взяты следующие численные значения: R =0,01 м, То = 293 К,333 К <Тк(0,гк)<383 К, 333 К< Tk(R, г )<383 К, а = 0,14x10-6 м2/с, 200 с<т ic<800 с. На основании введенных данных получен ряд графиков. В частности, ниже показана зависимость критерия энергетического качества процесса L„p0H от длительности процесса г к (Тс) (косвенно характеризующего источник) и конечной температуры в центральной плоскости пластины:

Ьлроц = Ь1+Ь2 = Ь(тК)Т(0, гк)) (1.7.)

Рис. 1.1. Поверхность параметров процессов (зависимость величины критерия энергетической эффективности Ьлроц = 1,1 + Ьг от длительности процесса г к (Тс) и конечной температуры в центральной плоскости объекта Т(0, г к).

Каждой точке на поверхности процессов (рис. 1.1.) соответствуют параметры какого-либо допустимого процесса, характеризующегося соответствующим значением критерия энергетической эффективности Ь.

Проведенный анализ энергозатрат при проведении теплового процесса позволил определить эффективную характеристику процесса (критерий L), положенную в основу дальнейших сравнительных исследований. Кроме того, получены математическая и геометрическая модели, описывающие процесс, и приведена их реализация для граничных условий 1 рода (поверхность процессов).

Далее вводится характеристика аппарата - величина толщины слоя теплоизолирующего ограждения.

Определяется максимизирующая функция энергопотерь в окружающую среду через определяемые ГОСТ требования техники безопасности sup (Тогр) и соответствующая минимальная величина теплоизолирующего слоя.

Определялась и анализировалась зависимость величины критерия энергетической эффективности Ьг для теплообмена с окружающей средой при стационарном режиме работы аппарата и общего критерия для стационарного процесса L = Li + L2 от характеристик процесса т к (Тс) и аппарата 5.

1.5 1.4

И+%.3 1.2 1.1

Рис. 1.2. Поверхность параметров процессов и аппаратов (зависимость критерия для стационарного процесса при ГУ 1 рода Ь = + Ьг от длительности процесса г к (Тс) и толщины теплоизолирующего слоя ограждения аппарата 8).

Далее рассмотрена нестационарная составляющая работы аппарата. Использовано решение дифференциального уравнения для определения температурного поля ограждения в течение нестационарного режима. Получены зависимости от параметров стационарного процесса г к (Тс) и характеристики аппарата 5 для критерия Ьз, определяющего энергетическую эффективность энергозатрат на аккумуляцию тепла ограждением в процессе выхода аппарата на рабочий режим, и критерия Ь4, оценивающего величину энергопотерь в окружающую среду в течение нестационарного режима.

Получено выражение для критерия общих затрат Ь = Ц+ Ь2 + Ь3 + Ь4 для одного цикла работы аппарата (нестационарный и стационарный процессы) от тк(Тс)и 3:

Ь = =[с р 2ШХ((х Тк -4Тоехр(-я-2 ат к/4Я2)/(^ -4ехр(-;г2 а г к/4Я2)-То)(1-8ехр(-^2агк/4К2)/^2)+2ак(Тс,Токр)(Тс-Токр)Ргк+2£Со[(0,01Тс)4-(0,01Токр)4]Ргк+2срХУ«5((| (Тс-{Тс-То)ег£(316хг-°'5))<1х)<Г,-Т0)+

о

2 а экв.неет. (0,5((ЛТс Токр)(аэкво+лу'+ТокрНокр)?г,^(<5,™)"' (1.8.) где длительность нестационарного процесса

г«г = 0з1 (язаккГ^герХУ^Сс) (Тс - (Тс - То) ей{31 бх г "0,5))с1х) 6 ~г -Т0)/

о

(Л6'1 Тс + 2аэкв.нгстТокр - {Х5Л+ аЭКв.нест)Тогр) (1.9.)

Подстановка ранее введенных численных значений с добавлением параметров ограждения: коэффициент теплопроводности X =0.04бДж /мсК ( например, базальтовое волокно), теплоемкость с= 922 Дж(кг К)'1, плотность /7= 20 кгм"3 в уравнение 1.8. дает поверхность процессов и аппаратов для одного цикла работы:

2000

0.1

Рис. 1.3. Поверхность параметров процессов и аппаратов для одного цикла работы аппарата (зависимость критерия энергетической эффективности Ь цикла от длительности стационарного процесса т и толщины ограждения £). Каждой точке поверхности на рис. 1.3. соответствуют аппарат с заданными характеристиками теплоизолирующего ограждения, а также конкретный тепловой процесс (из числа допустимых), осуществляемый таким аппаратом.

В конце главы приводится упрощенное решение общей задачи, позволяющее получить пригодную для аналитического исследования зависимость и оценивается качество приближения.

и.иээ и.ю и.ито и.и/ и.и/э и.о$ Рис. 1.4. Линия оптимальных параметров (зависимость между минимизирующими показателями, полученная по приближенной формуле).

Результаты исследований позволили получить математические и геометрические модели, описывающие систему процесс-аппарат (поверхность параметров процессов и аппаратов) для одного цикла работы на

1400

примере ГУ 1 рода, которые в дальнейшем были использованы для других видов энергоподвода и реализующих аппаратов.

Затем к рассмотрению добавляется еще одна переменная величина -количество циклов работы аппарата п. Влияние новой переменной на общую функциональную зависимость для Ь отражено формулой:

Увеличение количества рабочих циклов, то есть увеличение длительности стационарного процесса, улучшает показатель эффективности за счет удельного снижения влияния энергозатрат на нестационарную часть работы оборудования. Пространство решений для численного примера, рассмотренного выше с добавлением еще одной переменной, становится трехмерным, что невозможно отобразить графически. Поэтому исследуются соответствующие сечения, позволяющие получить визуальные поверхности и кривые (при этом рассматриваем зависимость Ь от п как гладкую функцию). На рисунке показана поверхность циклов, получающаяся сечением общей поверхности решений плоскостью по фиксированной температуре источника

Рис. 1.5 Поверхность циклов (зависимость Ь от толщины теплоизолирующего слоя 8 и числа стационарных циклов п при длительности процесса т= 243 с, что соответствует температуре источника

Ь = 1,1 + Ьг + Ь3п_1 + Ь4п' ,п=1,2,...т

(1.10.)

Тс =383 К).

ь

1.45

1.65

1.55

1.6

Рис. 1.6. Зависимость Ь от толщины теплоизолирующего слоя § при числе стационарных циклов п = 118(верхний), п = 237, п = 335(нижний) при длительности процесса т = 243 с, что соответствует температуре источника Тс = 383 К).

На рисунке показан ряд сечений поверхности циклов, показанной на рис.1.5., по фиксированному числу циклов.

Анализ изменения критерия Ь показывает, что увеличение теплоизолирующего слоя до некоторого предела тем эффективнее, чем больше длительность процесса. При чрезмерной же величине теплоизолирующего слоя разность температур между ограждением и окружающей средой стремится к нулю, что соответственно сводит к нулю потери в окружающую среду и резко снижает среднюю температуру разогрева теплоизоляции, что в свою очередь снижает затраты на разогрев. Таким образом, качество процессов при достаточно больших величинах теплоизоляции уже не зависит от режима работы и монотонно стремится к минимальным энергозатратам.

Так как вид поверхности циклов показывает наличие оптимальных значений, критериальная зависимость продифференцирована по 8, приравнена нулю и, соответственно, получена оптимальная функция, вид которой показан ниже.

п

Рис. 1.7.3ависимость оптимальной толщины теплоизолирующего слоя 5 от числа стационарных циклов п при длительности процесса 1=243 с, что соответствует температуре источника Тс=383 К.

Проанализировано также влияние числа циклов на компоненты Ъ,.

На основании исследований построена математическая модель, учитывающая влияние цикличности работы оборудования (поверхность циклов). Влияние числа рабочих циклов на общий критерий энергозатрат позволяет определить интегрированное влияние на энергетическое качество оборудования числа рабочих циклов, параметров процесса и характеристик аппарата.

Капитальные затраты выражаются в стоимостных единицах, а их величина определяется условиями производства, стоимостью рабочей силы, конъюнктурой и т.д. Для любого аппарата стоимость точно определена, как и зависимость стоимости от количественного или качественного изменения любого компонента, влияющего на стоимость. Однако, так как влияние приведенных капитальных затрат на величину критерия энергетической эффективности достаточно существенно, была введена функционально эквивалентная модельная функция приведенных капитальных затрат. В основу введения такой функции были положены два условия: первое условие -рассматривались приведенные капитальные затраты не в денежном выражении, а в энергетическом, то есть стоимость в денежных единицах была переведена в эквивалентную величину в энергетических (джоулях),

исходя, например, из стоимости электроэнергии на данный момент, что определяет введение второго условия;

второе условие - будем полагать что те базовые энергозатраты, которые переносятся на продукт (С)баз= (}тт, Ьбаз= Ьтт) аппаратом, полагаем вложенными в стоимость аппарата ((^кап):

п(2гшп = (2кап (1-11.)

Это может быть характеристикой специализированного аппарата, то есть аппарата, проектируемого под определенную суточную длительность работы и, соответственно, определенное п(2тт . Однако, учитывая, что обычно амортизация аппарата и его длительность эксплуатации определяются независимо от его суточной загрузки, например, срок службы в календарных годах, будем рассматривать случай 8- часовой работы аппарата при максимально возможном числе циклов пгаах(8) за этот период.

Птах(8)С>1ШП = (2кап. (1.12.)

Необходимо отметить, что величины (^кап и реальная стоимость аппарата, определяемая производством и потреблением являются величинами одного порядка.

Далее введена зависимость С>кап= С)кап(о), примерно соответствующая реальной зависимости стоимости аппарата от роста величины теплоизолирующего слоя

ь = Юз + Об]От!п' = 1-5 + 1,5 ёб(а) = [(1 - (1) пиах(8)С>тт + ае1,!. пшах(8)(3тт] Отт1 (1.13.)

(здесь (1 - доля изменяющихся кап. затрат при значении 5 -е ; , -капитальные затраты, соответственно, не зависящие и зависящие от толщины слоя теплоизоляции (то есть размеров аппарата)).

Можно также оценить влияние собственно стоимости аппарата на общую энергетическую эффективность

Ь = К(Ь5 + Ь5 ш6(3)) ,п=1,2,...ш (1.14.)

Показателем стоимости аппарата будет являться коэффициент К.

Рис. 1.8. Зависимость величины критерия Ь от толщины теплоизолирующего слоя 8 и безразмерного коэффициента капитальных затрат К при длительности процесса т = 800 с и числе циклов п = 36.

Далее рассмотрены различные виды приведенных капитальных затрат и их влияние на целевую функцию Ь:

1) Аппарат с варьируемой суточной загрузкой. Здесь интерес представляет зависимость энергозатрат и, соответственно, критерия от числа циклов. В этом случае влияние приведенных капитальных затрат будет чрезвычайно существенным. Снижение числа рабочих циклов (недогрузка аппарата) резко увеличивает энергозатраты на фоне их незначительного роста при увеличении теплоизолирующего слоя.

2) Капитальные затраты, зависящие от ресурса. Это случай, когда срок службы аппарата определяется ресурсом его работы. В этом случае более короткая длительность процесса позволяет при использовании одного и того же ресурса работы обработать большее количество объектов, что повышает энергетическую эффективность процесса.

Наиболее эффективно в данном случае снижение длительности совокупно с ростом теплоизоляционного слоя.

3) Влияние производительности на энергетическую эффективность. Рассмотрим случай, когда аппарат максимально загружен и при этом использует допустимый процесс, характеризующийся максимальной производительностью, чему соответствует минимальная длительность

24

процесса и максимальное число загрузок. Процесс при этом энергетически не самый эффективный, как было показано выше (рис.1.3.), однако позволяет в течение суток обработать максимальное количество продукта. Если при производстве поставлена такая задача, то она может быть решена либо использованием одного аппарата с таким режимом работы, либо, допустим, двумя аппаратами с вдвое более длительным процессом. Если речь идет о нескольких аппаратах, то представляет интерес рассмотреть с точки зрения общих энергозатрат влияние снижения эффективности самого процесса совокупно со снижением приведенных капитальных затрат.

При снижении стоимости оборудования возможна замена нескольких аппаратов более высокой производительности большим количеством аппаратов с меньшей производительности (но более экономичных с точки зрения энергозатрат) при сохранении величины общих затрат.

Предложенная математическая модель описания капитальных затрат, сводящая стоимостные затраты к энергетическим с помощью использования безразмерного коэффициента стоимости К, позволяет оценить влияние интенсивности использования оборудования на критерий энергетической эффективности при различных типах переноса капитальных затрат на стоимость продукта.

В завершение главы, исследованные в ней методы определения критерия энергетической эффективности на разных уровнях рассмотрения сведены в общую формализированную методику и приведено обобщающее уравнение для критерия L

L=£ «(r.iJmQiab"1 =[fi(r)+f2(r,5) +f3(r,i)n-1 +Цг,«К'+ Qs +

f6(i)]Qimin"1,n=l,2,...m (1.15.)

Разработанная в главе 1 общая методика в дальнейшем использована при энергетической оценке других тепловых процессов и аппаратов.

Глава 2. Применение критерия энергетической эффективности для аппаратов, реализующих инфракрасный, конвективный и микроволновой нагрев.

В первой части разработанная методика применяется для определения критерия Ь для теплообмена описываемого граничными условиями второго рода (условия Неймана). Это соответствует нагреву, осуществляемому инфракрасным излучением от источника, температура которого существенно выше температуры нагреваемого тела.

Критерий Ь для этого случая определится как

ь = и+ и+ Ь5+ и = й(0+ и?) +Q5+ СШ»*,"1 (2.1.)

(потери в окружающую среду при инфракрасном нагреве складываются из

излученного источником тепла, которое не было поглощено телом (^ь и тепла,

потерянного поверхностью тела при теплообмене с окружающей средой СЬг).

Проведено исследование всех составляющих критерия Ь и получен

обобщающий график на основе использования численных данных процесса,

введенных ранее, при использовании аппарата, реализующего двусторонний

инфракрасный нагрев (ростер), ь

Рис. 2.1. Зависимость величины критерия Ь от длительности процесса тк •

Кроме того, произведено аналитическое преобразование целевой функции Ь с целью определения оптимальных показателей:

Благодаря некоторому упрощению целевой функции, вызванному условиями процесса, оказалось возможным провести аналитическое исследование критерия энергозатрат на оптимальность.

Далее рассмотрены процессы, описываемые граничными условиями третьего рода, что примерно соответствует конвективному теплообмену между средой и поверхностью тела, который осуществляется по закону Ньютона. Уравнения для определения безразмерного критерия энергетической эффективности Ь совпадают с уравнениями для ГУ 1

йг.^дша, п= 1,2,...ш (2.2.)

■»I

Отличием являются условия теплообмена и более сложный вид уравнений теплопередачи для стационарного и нестационарного процессов.

Проведен анализ влияния изменения параметров процесса и аппарата на частные и общее значение критерия энергетической эффективности Ь также с использованием сечений пространства решений.

ь

Рис. 2.2. Зависимость критерия Ь от длительности процесса г к при толщине слоя ограждения 8 = 0,1 м и числе циклов п=10 (без учета кап. затрат). Например, на рис. 2.2. видно наличие в данном сечении локально оптимального процесса.

Использование методики определения критерия энергетической эффективности для граничных условий 3 рода показывает влияние параметров теплопередающей среды и наличие локально оптимальных процессов.

Далее рассматривались процессы, осуществляемые внутренними источниками тепла. Этому соответствует, например, сверхвысокочастотный энергоподвод (СВЧ-нагрев). В качестве примера рассматривался как СВЧ-разогрев, так и СВЧ-стерилизация. СВЧ-нагрев осуществляется без создания теплоизолирующего ограждения, так как не создается специальное

внутрикамерное тепловое поле, поэтому энергозатраты складываются из затрат на непосредственное изменение температуры в продукте Qj, теплопотерь в окружающую среду через теплообмен между поверхностью тела и средой Q2 и приведенных капитальных затрат (Qs + Qs) = const. Таким образом, общее уравнение для безразмерного критерия примут вид

ь = [f,(r)+ f2(0 + Qj + QelQlmin"1 (2.3.)

Характерной особенностью этого процесса является более высокая конечная температура в центре тела по отношению к температуре на его

поверхности, что вызвано оттоком тепла с поверхности, р

300 400 500 600 700 ~Й0 ^

Рис. 2.3. Зависимость удельной мощности р от длительности процесса г к.

Вид зависимостей L = L(rK(p)) показывает неизменный суммарный рост энергозатрат (и относительного критерия L = Li + L2) с ростом длительности нагрева при соответствующем снижении величины удельной объемной мощности внутренних источников тепла.

Так как отсутствует нестационарная часть цикла, то полученные результаты могут быть отнесены к произвольному количеству циклов.

Результаты исследований в этой главе указывают на монотонный рост энергозатрат при снижении удельной объемной мощности. Глава 3. Определение критерия энергетической эффективности для комбинированного нагрева.

В этой главе рассмотрен энергоподвод с применением двух независимых источников тепла: 1) конвективный нагрев (ГУ 3) и нагрев за счет внутренних источников (СВЧ); 2) инфракрасный нагрев (ГУ 2) и СВЧ-нагрев.

Конвективный нагрев и нагрев за счет внутренних источников тепла сводится к решению общих уравнений в полном объеме, причем в решения добавляется еще одна независимая переменная величина, характеризующая второй вид энергоподвода. Общая функция примет следующий вид:

«г^.р^д,^-1 = №(г,р)+£,(г,<У,р) + £3(г,<?,р)п1 +

-1

£4(г,£,р)п'1+ д5 + «<УШ1пйв , п= 1,2,...ш (3.1.)

где т (Тс) - длительность процесса, с; р - удельная объемная мощность внутренних источников тепла, Втм"3: п - число циклов; Тс - температура в рабочей камере,°К.

Инфракрасный нагрев и нагрев за счет внутренних источников тепла описываются упрощенным видом уравнений:

ь = й(г ,р)+ Ь(т ,р) + (Ш^1 (3.2.)

где т (^ - длительность процесса, с; д - величина теплового потока, Втм2. В первой части главы рассмотрен конвективно-микроволновой нагрев:

'100000

500 ^0

Рис. 3.1. Поверхность параметров (зависимость длительности процесса от температуры внешнего теплового поля Тс и удельной объемной мощности внутренних источников тепла р).

При р=0 поверхность вырождается в кривую, описывающую конвективный теплоподвод. При Тс=293 К поверхность вырождается в кривую описывающую энергоподвод за счет внутренних источников тепла (СВЧ).

Обзор рассмотренных процессов показывает, что наиболее эффективным является процесс при постоянной температуре внешнего поля и переменной удельной объемной мощности источников тепла. Это обусловлено тем, что влияние внешнего поля преимущественно на удаленные от центра области в сочетании с варьированием мощностью внутренних источников позволяет получить наиболее равномерное конечное распределение температур, что и показывает снижение величины критерия. Сравним комбинированный нагрев с процессами, легшими в его основу: конвективным и микроволновым.

L

Рис. 3.2. Сравнительная характеристика L = Li + La+ L3n"' + L4I1"1 (сверху вниз по левой стороне: при конвективном (ГУ 3), СВЧ (поле с внутренними источниками тепла), комбинированный конвективно-микроволновой нагрев).

Для комбинированного инфракрасно-микроволнового нагрева при постоянной величине удельной мощности внутренних источников рассмотрен набор процессов при одинаковой величине удельной объемной мощности внутренних источников тепла р = const.

Сравним полученную зависимость с процессами, определившими комбинированный инфракрасно-микроволновой нагрев, взятыми по отдельности.

ь

1.4

2.2

1.6

1.8

^ ТГС3

Рис. 3.3. Зависимость критерия Ь = 1,1 + Ь 21 + Ьгг от длительности процесса гк (сверху вниз по правой стороне: ИК-СВЧ, ИК, СВЧ).

Комбинированный ИК-СВЧ нагрев практически не имеет преимущества перед СВЧ-нагревом, хотя является в целом более эффективным, чем ИК-нагрев. Совместное рассмотрение нескольких процессов позволило определить энергетически наилучший процесс. Глава 4. Критерий энергетической эффективности при стационарных режимах большой длительности.

Эта глава посвящена процессам, когда требуется поддержание постоянного температурного поля внутри теплоизолирующего ограждения в течение длительного периода. Такие режимы имеют место как при хранении объектов при заданной температуре, так и при поддержании заданной температуры в жилых и других помещениях. При этом не происходит изменения температуры рассматриваемого тела (если рассматривается хранение) или внутреннего температурного поля (если рассматривается помещение как таковое). Относительная длительность таких процессов позволяет не рассматривать нестационарную часть процесса из-за ее относительной малости по энергопотерям. Таким образом, общее уравнение существенно упрощается и принимает вид

Ь = иг) + + ГбС^^Оге«1, п= 1,2,...т

(4.1.)

В качестве базовой функции можно взять две функции: минимальный энергопоток и максимальный. Минимальному энергопотоку соответствует бесконечно большая величина теплоизолирующего слоя, при которой поток тепла, проходящий через ограждение, стремится к нулю. Это неудобно, так как к нулевому потоку ничего нельзя соотнести. Поэтому в качестве базовой величины в данном случае взята величина максимального потока, то есть потока через ограждение бесконечно малой толщины. Безразмерный критерий L, соответственно

Lj = % / Я2баз = qi / q2max (4.2.)

Для численных примеров получено несколько видов зависимостей: 1. Внутреннее температурное поле То = const = 271 К; внешнее температурное поле Тс = const = 293 К; коэффициент теплопроводности ограждения X— 0,046 Дж(м сК)"1; К = 0,5, ai = 0,9; а2 = 2 (например, холодильная камера в помещении).

Кроме определения непосредственного пространства решений для критериальной функции, были получены оптимальные зависимости, так как достаточно простой вид зависимости позволяет это сделать.

Рис. 4.1. Поверхность параметров оптимальных аппаратов (зависимость оптимальной толщины слоя ограждения 5 0m от безразмерного коэффициента стоимости К и температуры в рабочей камере То). 2. Внутреннее температурное поле То = const = 255 К; внешнее температурное поле Тс = 250 - 298 К; коэффициент теплопроводности

ограждения (керамзитобетон) Х~ 0,25 Дж( м сК)'1; К =0,1, а! = 0,95; а2 = 1. Эхо, например, промышленный холодильник (здание).

Рис. 4.2. Поверхность оптимальных значений критерия Ь = Ь^ (зависимость оптимальных значений Ь - ЬШщ от значения температур внутри рабочего объема То и снаружи Тс).

3. Рассмотрим жилое или рабочее помещение, где поддерживается То = 293 К. Среднюю температуру внешнего температурного поля в период подвода тепла примем Тс = 270 К. Остальные характеристики: Л = 0,25 Дж( м сК)"';К =0,1, а! = 0,95; а2 = 1.

Рис. 4.5. Поверхность параметров оптимальных зданий (зависимость оптимальных значений толщины ограждения <5 „т от значения средней наружной температуры и коэффициента стоимости).

Рисунок, в частности, показывает, что оптимальный по энергозатратам кирпичный дом одинакового качества постройки, например на Урале, должен иметь стены в 2-3 раза толще, чем, например, в центре Западной Европы.

Использование методики определения безразмерного критерия энергетической эффективности для стационарных режимов позволило в виду упрощения уравнений получить оптимальные характеристики процессов и аппаратов при использовании аналитических методов. Глава 5. Апробация методики оценки и модернизации существующих аппаратов с использованием критерия энергетической эффективности.

В качестве непосредственного применения метода определения критерия энергетической эффективности рассмотрена соответствующая оценка нескольких существующих аппаратов, по которым имеются сопоставимые экспериментальные данные.

В виде таблицы приведены характеристики, соответственно, электрического жарочного шкафа (ШЖЭСМ-2) и электрической плиты (ПЭСМ-ШБ), примененных для проведения одного и того же технологического процесса (жарка) и одного и того же продукта (котлеты). Проведены расчеты как для стационарной, так и для нестационарной фаз процесса. Ниже приведены обобщенные данные. Таблица.5.1. Общие показатели.

Общие энергозатраты (\ViH- \Уг) = <3, кВт.час (эксп.) Количество жарок в смену (п), (эксп.) Масса готовой продукции, кг, (эксп.) Удельный расход энергии, квт.час / кг, (эксп.)

ШЖЭСМ-2 25,4 38 60,4 0,42

ПЭСМ-4ШБ 28,7 26 44,2 0,65

Общий критерий эффективности: Коэффициент полезного действия, 77, % Удельный общий критерий Коэффициент полезного действия

1^= Ь,+ и+ Ь3+ и (юос^/ (3), эффективности (отнесенный к 1м2 поверхности продукта для аппарата в виде элемента бесконечной пластины): ЬуД =Ь[уд+ (удельный), (юо и/^

шжэсм-2 4,83 28 1,94 70

ПЭСМ-4ШБ 6,88 18 2,79 49

Дополнительно введен показатель ЬуД, относящийся к идеализированным моделям аппаратов, то есть рассмотренным в виде элементов бесконечной пластины с площадью поверхности 1 м2, что позволяет оценить и сравнить аппараты без учета непосредственно влияния конструктивного решения на энергозатраты.

Отметим, что использование КПД позволяет получить оценку только для всей совокупности энергозатрат, что обусловлено чисто математической непригодностью КПД для оценки компонент энергозатрат (например, «КПД» для потерь в окружающую среду при нестационарном режиме: (ЮОС^/ С>4), будет равен 800% (ШЖЭСМ-2). В свою очередь, соответствующая величина критерия энергетической эффективности Ь4 = 0,17, вполне точна и понятна).

Применение размерной характеристики (кВт.ч / кг) теряет наглядность при отвлечении от конкретных аппарата и процесса.

Критерий Ь позволяет в любом случае оценить энергетическое качество как процесса и аппарата в целом, так и его отдельных составляющих, относительно базового процесса (в данном случае наилучшего, равного Ь =1), что не зависит, вообще говоря, ни от вида теплового процесса, ни от вида аппарата.

В качестве объекта для модернизации рассмотрен электрический жарочный шкаф ШЖЭСМ-2. Применяя метод определения критерия энергетической эффективности для граничных условий 3 рода (чему соответствует исследуемый процесс), описанный в главе 2 данной работы, получили множество возможных процессов и аппаратов, которые могут быть реализованы на базе данного аппарата. В качестве варьируемых величин использовали: для процесса - температуру в рабочей камере Т [К]; для аппарата - толщину теплоизолирующего слоя ограждения д [м].

Приводимые в работе результаты вычислений учитывают всю совокупность влияющих на процесс факторов и позволяют определить влияние варьируемых параметров (Т и 6) как на общие энергозатраты р (и, соответственно, на критерий Ь), так и на их компоненты.

0.14 240

Рис. 5.1. Общий критерий эффективности Ь, в зависимости от температуры в рабочей камере 1[С] и толщины ограждения £ [м].

На приведенных поверхностях режиму (и аппарату), по которым имеются экспериментальные данные, соответствует крайняя дальняя точка на поверхности. Как показывает характер получившейся поверхности, рост температуры в рабочей камере ведет к общему росту энергозатрат, а рост теплоизолирующего слоя - к снижению. (Надо, однако, заметить, что эти

выводы касаются чисто энергетической картины процесса, а рост температуры в рабочей камере ведет и к росту выхода готовой продукции, что в стоимостном выражении может перевесить рост энергозатрат, также, как и капитальные затраты на модернизацию шкафа с целью увеличения теплоизолирующего слоя снизят эффект от его увеличения.)

В заключение приведем таблицу, показывающую возможную экономию при применении таких расчетов для модернизации оборудования и подборе режимов работы на данном примере:

Таблица 5.2. Модернизация жарочного шкафа (ШЖЭСМ -2)

Общие Удельный Общий Удельный

энергозатраты расход критерий общий

энергии, эффективности: критерий

кВт.час квт.час / ь =ь,+ и+ Ь3+ эффектов

кг и ности

(отнесенн

ый к 1 м2

поверхнос

ти

продукта

ДЛЯ

аппарата в

виде

элемента

бесконечн

ой

пластины)

: Цг

Ь1Уд+ Ьгуд+

Ьзуд+ 1л}уд

Наилучшие

показатели (Т= 473 21,04 0,35 3,95 1,58

К, <5=0,14 м

Наихудшие

показатели (Т= 513 31,47 0,52 5,35 2,14

К, ¿=0,07 м

Экспериментальные данные (Т= 473 К, 6=0,07 м) 25,4 0,42 4,83 1,94

Экономические показатели (для 1 аппарата)

За смену, кВт.час За год, кВт.час За год, руб ( 1 кВт.час= 3,5 руб) % ДЬ

Разность энергозатрат между наилучшим и наихудшим вариантами, квт.час 10,03 3129 10952 33 1,4

Разность энергозатрат между наилучшим и экспер.вариантами 4,45 1635 5726 21 0,88

Таким образом, диапазон возможной экономии ресурсов при использовании предлагаемой методики для данного аппарата составляет порядка 20-30 %.

Рассмотрен также в качестве модернизации тепломассообменных процессов электрический жарочно-кондитерский двухкамерный шкаф. В качестве реализуемого процесса выбран процесс выпечки пшеничных булок. В качестве геометрической модели возьмем параллелепипед. В качестве базового (идеализированного) распределения конечной температуры возьмем кусочно-непрерывную функцию, определяемую резко отличающимися технологическими требованию к конечной температуре внутри (мякиш) и в пограничном слое (корка), следующего вида I тГ= 1баз : 1 баз ={ ^ баз=гран.тт, (11-8)2 Х£ II;

12 баз=*к цетр.тт, (0^Х< Я-Б) (5.1.)

Ь=§ и = Ьо + и+ Ь2=Ь01 + Ь02 + Ь1.1 + Ь12 + Ь13 + Ьн + Ьгл + (5.2)

1=0

Ьо - доля в критерии от затрат тепла, идущего на изменение температурного поля в продукте: Ьи - доля в критерии от затрат тепла, идущего на нагрев теста; Ь<ц - доля в критерии от затрат тепла, идущего на

испарение влаги из теста, и на дальнейший перегрев пара до температуры воздуха камеры при выходе из камеры, при определении этих значений учтены результаты влияния на измеряемую температуру при фазовом переходе электромагнитных полей, полученные В.В. Илюхиным; Ь\ - доля в критерии от затрат тепла в течение стационарного процессами - доля в критерии от затрат тепла на нагрев вентиляционного воздуха; Ь]2 - доля в критерии от затрат тепла на нагрев кондитерских листов, противней и пр.; Ь13 - доля в критерии от потерь тепла в окружающую среду ограждениями; Ь14 -доля в критерии от потерь тепла излучением через дверцу;Ь2 - доля в критерии от затрат тепла в течение нестационарного процесса:!^.] - доля в критерии от аккумуляции шкафом тепла; 1^.2 - доля в критерии от потерь тепла в окружающую среду в течение процесса разогрева аппарата. Ниже на рисунке показано сечение четырехмерного пространства Ь(Т,<У, п) =0, где критерий качества зависит от температуры в рабочей камере (взята весовая функция, ориентированная на наиболее продолжительную фазу тепловой обработки), толщины ограждения и числа циклов п.

Рис. 5.2. Зависимость Ь от температуры в рабочей камере и толщине теплоизолирующего слоя при числе циклов п = 16 (односменная работа).

Зависимость показывает эффективность снижения температуры и увеличение толщины ограждения. Однако на практике ускоряют процесс, повышая температуру с целью увеличения выпуска продукции. В главе

показан диапазон стоимости производимого продукта, при котором такой выбор менее энергетически эффективного процесса допустим экономически.

Заключение.

Сформулирована задача отыскания величины критерия энергетической эффективности для произвольного процесса переноса тепла.

Обобщено множество потенциальных процессов, которое было исследовано в гл. 1-3:

Рис. 6.1. Сечение поверхностей допустимых распределений Т;(х, г к) = £(х, т к): конечные распределения температур в теле при г к = 500 с (прямые Т(х,тк) = 383 К и Т(х,тк) = 333 К показывают диапазон допустимых конечных температур): (сверху вниз по правой стороне) 1) ИК-нагрев; 2) конвективный нагрев; 3) ИК-СВЧ; 4) СВЧ-конвекция; 5) контактный нагрев; 6) СВЧ).

Математически определены величины критерия энергетической эффективности, что описано следующим уравнением

Ь=£ Ь;=£ <},/<&„=£ $(хь...хг) (6.1)

¡=1 1.1 ¡-1

где Ь - общий критерий энергетической эффективности;

Ьь Ь2, Ь3, Ь4 - критерии эффективности, соответственно, аккумуляции

энергии объектом (Ц), теплообмена с окружающей средой в стационарном

режиме работа оборудования (Ьг), аккумуляции тепла оборудованием (Ь3), теплообмена с окружающей средой в нестационарном режиме (ТЦ); С?; -соответствующие энергозатраты; (^щ - базовые (идеализированные)

энергозатраты; XI.....х^- характеристики видов энергоподвода (величина

теплового потока к поверхности, температура внутри рабочего объема аппарата, удельная объемная мощность внутренних источников, величина температуры, поддерживаемой на поверхности); хк+ь...,хт-теплофизические параметры объекта (коэффициенты теплопроводности, теплоемкости и др.); хт-ц,..., х„-геометрические размеры обрабатываемого объекта; хп+1,..хр - характеристики оборудования (размеры и параметры ограждения); Хр+1,..., хч- параметры окружающей среды и внутреннего температурного поля; хг - эксплуатационная характеристика (число процессов, осуществленных в непрерывном режиме работы оборудования).

Определение величины критерия Ь предполагает совместное решение четырех уравнений: дифференциального уравнения теплопроводности для обрабатываемого объекта, уравнения теплопередачи для стационарного процесса, дифференциального уравнения теплопроводности для ограждения, уравнения теплопередачи для нестационарного процесса.

Рассмотрено также расширенное за счет включения приведенных капитальных затрат уравнение для определения Ь. При этом к числу переменных в уравнении 6.1 добавляется еще одна: величина безразмерного коэффициента стоимости х3 = К, а к числу слагаемых добавляется величина приведенной стоимости, не зависящей от варьируемых параметров аппарата Ь<5, и, соответственно, часть стоимости, зависящей от них Ьб. Уравнение приобретает вид

ь=£ £ в(х„...х,) (6.2.)

¡=1 /-1 м

Так как в качестве иллюстрирующего методику примера для гл. 1-3. подобраны универсальный объект (элемент неограниченной пластины) и процесс, который может быть осуществлен в заданном температурно-

временном диапазоне каждым из рассматриваемых способов энергоподвода, то получены сопоставимые решения. Кроме того, для возможности графической интерпретации задача в большинстве случаев сведена к трехмерной и двухмерной путем замены части варьируемых параметров на постоянные величины с сохранением в качестве переменных величин тех, которые наиболее подвержены изменениям и являются общими (например, длительность процесса) для всех рассматриваемых процессов. Тем самым численные примеры сведены в основном к рассмотрению следующего уравнения и его модификаций

ь =£ (Зшп"1 =1ЖО+Г2(г,<У) +6(г,*)п-1 +Ъ(ь<?)п'+ <55 +

«-1

(6.3.)

(г- длительность процесса, д- толщина ограждения, п - число циклов, <ЗбШ

=(?1тт)

Полученные результаты иллюстрируются следующими графиками:

Ь

Рис. 6.2. Сопоставление процессов без учета кап. затрат. Сверху вниз по правой стороне: ИК-СВЧ, ИК,СВЧ, Конв, конт., конв-СВЧ (базальтовое волокно).

Тот же график, но при использовании другого теплоизолирующего материала (мин. вата), примет следующий вид.

ь

Рис. 6.3. Сопоставление процессов без учета кап. затрат. Сверху вниз по правой стороне: ИК-СВЧ, ИК, СВЧ, Конв, конг., конв-СВЧ (мин.вата).

Учет приведенных капитальных затрат приведет к соответствующему изменению вышеприведенных зависимостей. ь

Рис. 6.4. Сопоставление величин критерия Ь для различных процессов, применимых для осуществления заданного теплового процесса (с учетом приведенных капитальных затрат): (сверху вниз по правой стороне) ГУ 2 рода с внутренними источниками тепла (ИК-СВЧ-нагрев), ГУ 3 рода с внутренними источниками тепла (конвекция- СВЧ), на1рев внутренними источниками тепла (СВЧ-нагрев), ГУ 2 рода (ИК-нагрев), ГУ 3 рода

(конвективный нагрев), ГУ 1 рода (контактный нагрев). Теплоизоляционный материал - базальтовое волокно. '

Полученные результаты дают достаточно полное представление об энергетической эффективности процессов и осуществляющих их аппаратов и отражают динамику изменения целевой функции Ь в зависимости от варьирования параметрами.

Остальные возможные тепловые задачи ограничены по количеству применяемых методов теплоподвода и методически являются частными случаями рассмотренной в целом задачи.

Отдельно проведена оценка исследований процесса термостатирования (гл. 4), где вводилась другая базовая функция qб¡a =Я2тах-

В качестве непосредственного применения метода определения критерия энергетической эффективности рассмотрено несколько существующих аппаратов, которые оценены энергетически, а для жарочного шкафа аналитически рассчитана возможная модернизация с целью снижения величины критерия (гл. 5).

Дня тех модификаций уравнения 6.1., где оказалось возможно провести аналитические преобразования с целью получения минимизирующих зависимостей, такие операции были проведены. Кроме того, были проанализированы возможности упрощения общего уравнения с целью получения аналитического выражения для оптимизирующих зависимостей. Получение при оптимизации поверхностей оптимальных аппаратов с локально минимальными энергозатратами в общем виде требует известных упрощений как в виде решения дифференциальных уравнений, так и в критериальных уравнениях, описывающих теплопередачу. Однако современное состояние вычислительной техники, вообще говоря, не требует обязательного приближенного аналитического решения (с неизбежными погрешностями), а может доставить требуемый набор значений непосредственным вычислением в случае такой необходимости.

В целом в работе проведен анализ различных способов энергоподвода и осуществляющих их аппаратов, примененных к реализации одного и того же теплового процесса, что позволило сопоставить и оценить их энергетическое качество с применением критерия энергетической эффективности Ь. Кроме того, разработанный метод отдельно применен к процессам термостатирования. Проведена также оценка и модернизация существующих аппаратов.

Такой метод может быть положен в основу энергетической сертификации устройств, осуществляющих изменение температурного состояния объекта или сохраняющих его температурные параметры.

Сопоставление в заключении всех рассмотренных способов энергоподвода и их комбинаций позволяет сделать заключение о эффективности использования критерия энергетической эффективности процессов и оборудования.

Основные результаты и выводы. На основании системного подхода проведены комплексные теоретические исследования, в результате которых получены решения по совершенствованию осуществления тепловых процессов, внедрение которых позволит при проектировании, модернизации оборудования, а также при выборе энергетически наиболее эффективных тепловых процессов существенно снизить энергозатраты от существующего уровня при соблюдении требований к технологическому качеству и количеству обрабатываемой продукции. Проведенные научные исследования привели к следующим результатам:

- классифицированы и оценены с точки зрения универсальности применения, точности оценки и привязки тепловых процессов к осуществляющему их оборудованию существующие в нормативных документах и литературе показатели энергозатрат при проведении тепловых и холодильных процессов;

- в соответствии с системным подходом теоретически определены и оценены основные факторы, характеризующие процесс, аппарат, условия эксплуатации и их взаимовлияние на величину энергозатрат;

- на базе исследований по теории теплопроводности и теории теплообмена определены системные задачи по определению общих энергозатрат на проведение тепловых процессов;

- на основе теории дифференциальных уравнений и уравнений теплообмена разработаны математические модели всех основных тепловых процессов и их комбинаций с учетом влияния условий протекания процессов и характеристик продукта на изменение величины энергозатрат и получены соответствующие функциональные зависимости;

- определены функциональные зависимости изменения характеристик оборудования от параметров реализуемого процесса с точки зрения энергетической эффективности;

- разработана единая математическая модель для получения сопоставимых показателей по различным тепловым процессам и оборудованию;

- исследованы возможности и диапазоны применения численных методов при решении подобных задач с целью аналитического получения оптимальных зависимостей;

- исследован вопрос о влиянии эксплуатационных характеристик использования оборудования на изменение энергопотребления и в общую математическую модель введен параметр, учитывающий влияние суточной длительности эксплуатации оборудования;

- исследовано влияние стоимостных характеристик оборудования при определении энергозатрат процесса и предложена математическая модель учета капитальных затрат, выраженных в энергетических единицах, при выборе наиболее энергетически эффективного оборудования;

- разработаны методические основы для определения энергозатрат в зависимости от показателей обрабатываемого продукта, параметров процесса, характеристик реализующего аппарата, эксплуатационных характеристик и стоимости оборудования в виде единой функциональной зависимости;

- введен и научно обоснован комплекс единых критериев энергетической эффективности для оценки как процессов, так и реализующего эти процессы оборудования;

- разработана научно-обоснованная методика определения критериев энергетической эффективности для тепловых и холодильных процессов и аппаратов, которая может быть положена в основу сертификации соответствующего оборудования общественного питания и пищевой промышленности и осуществляемых на нем процессов с точки зрения определения его энергетического совершенства.

Применение разработанной методики при проектировании, модернизации оборудования, а также при выборе энергетически наиболее эффективных тепловых процессов позволит снизить энергозатраты до 10-15 % от существующего уровня.

По теме диссертации автором опубликована монография:

1. Гажур А.А. Методика определения безразмерного критерия энергетического качества тепловых процессов и оборудования. Монография, Тула, Изд. Гриф и К, отпечатано в типографии РЭА им. Г. В. Плеханова, 2007. 5,7 п.л.

По теме диссертации в ведущих рецензируемых научных журналах опубликованы следующие работы:

2. Гажур А.А. Критерий энергетической эффективности тепловых процессов и оборудования. «Энергосбережение и водоподготовка», М., №6, 2005. 0,2 п.л.

3. Гажур А.А. Безразмерный критерий энергетической эффективности

тепловых процессов и аппаратов. Пищевая промышленность, М., №11, 2005. 0,2 п.л.

4. Гажур A.A. Оценка энергетического качества оборудования для хранения и тепловой обработки продукции. Вестник Российской Академии сельскохозяйственных наук, М., №1,2006,с. 83.0,2 п.л.

5. Гажур A.A. Оценка энергетического качества теплового и холодильного оборудования. Хранение и переработка сельхозсырья, М., №1,2006. 0,3 п.л.

6. Гажур A.A. Система оценки энергетического качества тепловых процессов и реализующего их оборудования при помощи безразмерного критерия. «Энергосбережение и водоподготовка», М., №6,2007.0,2 п.л..

7. Гажур A.A. Метод определения безразмерного критерия энергетической эффективности теплового оборудования. Вестник Российской Академии сельскохозяйственных наук, М., №1,2008. 0,2 п.л..

8. Гажур A.A. Метод определения энергетической эффективности при разработке и модернизации теплового оборудования. «Энергосбережение и водоподготовка», М., №6,2008. 0,2 п.л.

9. Гажур A.A. Система единой сертификации оборудования и зданий при хранении и переработке сельскохозяйственной продукции. Вестник Российской Академии сельскохозяйственных наук, М., №1,2009.0,2 п.л. Ю.Гажур A.A. Минимальная экономика. «Энергосбережение и водоподготовка», М., №4,2009. 0,2 п.л.

11.Гажур A.A. Энергоэффективность при комбинированном способе подвода тепла. «Энергосбережение и водоподготовка», М., №2,2011.0,2 п.л.

12.Гажур A.A. Система оценки и сертификации энергоэффективности тепловых процессов и реализующего их оборудования при помощи критерия энергетической эффективности. «Надежность и безопасность энергетики», М., №1,2011.0,2 пл.

13.Гажур A.A. Оценка теплового и холодильного оборудования с использованием критерия энергетической эффективности. Вестник Российской Академии сельскохозяйственных наук, М., №3,2011. 0,2 п.л.

Остальные работы по теме диссертации в порядке выхода в свет:

14. Гажур A.A., Некрутман C.B. Сушка овощей в ЭМП СВЧ. «Применение СВЧ-энергии в народном хозяйстве для исследовательских целей и интенсификации технологических процессов», тезисы докладов 1У Всесоюзной конференции, г. Саратов, 1983. ОД п.л.

15. Гажур A.A., Лебедев В.Ф., Некрутман C.B., Никольская O.A. Разогрев охлажденной кулинарной продукции комбинированным способом. «Проблемы индустриализации общественного питания страны», тезисы докладов Всесоюзной научной конференции, г. Харьков, 1984.0,1 п.л.

16. Гажур A.A., Баранов B.C., Хок М.Ш., Некрутман C.B. Приготовление полуфабрикатов из сушеных овощей. Депонировано в ЦНИИТЭИ, 1984. 0,2 п.л.

17. Гажур A.A., Некрутман C.B., Большаков С.А. СВЧ-обработка сушеных овощей. «Новые физические способы обработки пищевых продуктов», тезисы докладов Всесоюзной научной конференции, г. Москва, 1985.0,1 п.л.

18. Гажур.А.А., Захаров.В.С., Владимиров В.А., Цветков O.A., Шелягин И.А., Чернов С.П. Ростер. а.с.№ 21916 (промышленный образец), 1986 г.

19. Гажур A.A., Лебедев В.Ф. Геометрическое программирование при техническом проектировании холодильных аппаратов. «Интенсификация производства и применения искусственного холода», тезисы докладов Всесоюзной научно-практической конференции, Л.:ЛТИХП, 1986.0,1 п.л.

20. Гажур.А.А., Захаров.В.С., Владимиров В.А., Цветков O.A., Шелягин И.А., Чернов С.П. Ростер. а.с.№ 23189 (промышленный образец),1986 г.

21. Гажур A.A., Лебедев В.Ф., Никольская O.A. Определение оптимальных конструктивных параметров специализированных камерных аппаратов. «Научно-технический прогресс в общественном питании», тезисы докладов IX Всесоюзной научной конференции, М., 1987. 0,1 п.л.

22. Гажур A.A., Большаков С.А., Бойко Ю.А., Некрутман C.B., Шарай

В.Т., Способ стерилизации материалов, а.с. № 1378108,1987 г.

23. Гажур A.A., Лебедев В.Ф. Комбинированный разогрев быстрозамороженных готовых вторых блюд. «Искусственный холод в агропромышленном комплексе», тезисы докладов Всесоюзной научно-практической конференции, Кишинев, 1987. ОД п.л.

24. Гажур A.A., Владимиров В.А., Цветков O.A., Шелягин И.А. Универсальный нагревательный блок. № 28441 (промышленный образец), 1988 г.

25. Гажур A.A., Некрутман C.B., Цветков O.A. Минимизация приведенных затрат при проектировании конвективных аппаратов. «Процессы и аппараты пищевых производств», Межвузовский сборник, М.:МИНХ, 1988. 0,3 пл.

26. Гажур A.A., Большаков С.А., Тихонов Б.С. О критериях эффективности технологического процесса. Тринадцатые международные Плехановские чтения, тезисы докладов, М., 2000. 0,1 пл.

27. Гажур A.A., Лебедев В.Ф. Комбинированный нагрев полуфабрикатов, доготовка и ее аппаратурное оформление. Тринадцатые международные Плехановские чтения, тезисы докладов, М., 2000. 0,1 пл.

28. Гажур A.A. Определение энергетической эффективности тепловых процессов и аппаратов. Труды инженерно-экономического института РЭА им. Г.В. Плеханова, М., 2000.0,3 пл.

29. Гажур A.A. Определение энергетической эффективности тепловых процессов и аппаратов. Четырнадцатые международные Плехановские чтения, тезисы докладов, М., 2001.0,1 пл.

30. Гажур A.A., Большаков С.А., Лебедев В.Ф. Критерии оптимальности при выборе тепловых режимов в технологических процессах. «Производство, образование, наука: проблемы и перспективы интегрированного образования», межвузовский сборник научных трудов, Московский государственный индустриальный университет, М., 2001. 0,2 пл.

31. Гажур A.A., Лебедев В.Ф. Использование безразмерных характеристик при оценке и проектировании холодильных аппаратов. Тезисы докладов выездной сессии РАСН, Углич, 2001.0,1 п.л.

32. Гажур A.A., Лебедев В.Ф. Оптимизация в тепловых расчетах технологического оборудования. Шестнадцатые международные Плехановские чтения, тезисы докладов, М., 2003. 0,1 п.л.

33. Гажур A.A. Определение энергетически оптимальных характеристик теплового аппарата. Труды инженерно-экономического института РЭА им. Г.В. Плеханова, М., 2004.0,3 п.л.

34. Гажур A.A. Безразмерная характеристика эффективности тепловых процессов. Труды инженерно-экономического института РЭА им. Г.В. Плеханова, М., 2006.0,3 п.л.

35. Гажур A.A., Большаков С.А. Способ стерилизации термолабильных веществ. «Липатовские чтения», тезисы докладов, М., 2010. 0,15 п.л.

Напечатано в типографии ГОУ ВПО «Российского Экономического Университета имени Г. В. Плеханова». Тираж 120 экз. Заказ №117.

Введение.

Глава 1. Критерий энергетической эффективности. Его зависимость от параметров процесса, аппарата, эксплуатационных характеристик и капитальных затрат. Применение критерия для нагрева теплопроводностью.

Глава 2. Применение критерия энергетической эффективности для аппаратов, реализующих инфракрасный, конвективный и микроволновой нагрев.

Глава 3. Определение критерия энергетической эффективности для комбинированного нагрева.

Глава 4. Критерий энергетической эффективности при стационарных режимах большой длительности

Глава 5. Апробация методики оценки и модернизации существующих аппаратов с использованием критерия энергетической эффективности.

Актуальность темы.исследования. Повышение эффективности тепловых процессов путем снижения энергозатрат на их проведение совокупно с определением наиболее эффективно реализующего процессы оборудования при соблюдении требований к качеству конечного продукта является одной из существенных проблем энергосбережения, то есть одним из фактором' повышения эффективности экономики и, соответственно, благосостояния России.

Длярешения этих проблем государством принят ряд документов: 1 .Федеральный закон Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации»;

2. Федеральный закон от 27.07.2010 N 190-ФЗ «О теплоснабжении»;

3. Энергетическая стратегия-России на период до 2020 года;

В свою очередь правительство одного из основных потребителей энергии в РФ г. Москвы приняло целый пакет последовательных документов, посвященных энергосбережению во всех отраслях городского хозяйства, аккумулированных в документе «Энергосбережение в городе Москве на 2009-2013 гг. и на перспективу до 2020 года». В частности, в законе г. Москвы от 5 июля 2006 г. N 35 "Об энергосбережении в городе Москве" в статье 4 в числе основных принципов городской государственной политики в области энергосбережения введены следующие: 1) приоритет эффективного использования энергетических ресурсов; 4) включение в государственные стандарты на оборудование, материалы и конструкции, транспортные средства показателей их энергоэффективности; 6) сертификация топливо-, энергопотребляющего, энергосберегающего и диагностического оборудования, материалов, конструкций, транспортных средств, а также энергетических ресурсов; 10) внедрение нормативной системы оценок показателей энергопотребления и энергоэффективности.

В этих и других документах определено, что в целях снижения энергоемкости выпускаемой-в г. Москве продукции нарзду со структурною перестройкой экономики необходимо целенаправленное проведение организационных и технологических мероприятий по повышению4 эффективности использования топливно-энергетических ресурсов путем реализации программы энергосбережения.

Цели и задачи программы, задания по снижению объема потребляемых топливно-энергетических ресурсов, сокращению объема дотаций и бюджетных расходов должны определять необходимые меры по их достижению за счет проведения научно-технических, технических и организационно-технических мероприятий. Повышение эффективности тепловых процессов путем снижения энергозатрат на их проведение совокупно с определением наиболее эффективно реализующего процессы оборудования при соблюдении требований к качеству конечного продукта все более актуально. Для решения такой задачи в целом необходимо единообразное сертифицирование всех тепловых (и холодильных) аппаратов и осуществляемых ими процессов с точки зрения энергетической эффективности при соблюдении технологических требований к качеству обрабатываемых продуктов:

При этом необходим системный подход к решению задачи, учитывающий чрезвычайное многообразие, как существующей и разрабатываемой техники, так и применяемых или возможных теплофизических процессов.

Несмотря на то, что вопросами энергетической эффективности процессов и аппаратов занималось много как отечественных, так и зарубежных ученых, до настоящего времени отсутствует единая система сертификации тепловых процессов, позволяющая оценивать и сравнивать их с точки зрения» энергетической эффективности, что чрезвычайно важно как для выяснения существующего положения дел в производстве, так и для'продуктивного системного планирования развития соответствующих отраслей.

Поэтому необходимо системное решение данной проблемы, базирующееся на единой методике определенияэнергетических параметров, процессов и осуществляющих их аппаратов.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что исследования, направленные на разработку научных основ определения сопоставимых критериев энергетической эффективности тепловых процессов и аппаратов, являются своевременными и актуальными.

Состояние вопроса. Применяемые в настоящее время методы определения энергетической (и-, соответственно, экономической) эффективности отличаются большим разнообразием, однако носят локальный характер и часто определяются экспериментальным путем для единичных образцов оборудования. г

Например, энергетическое качество конфорок по ГОСТ [9: с.6.] характеризует коэффициент полезного действия, который определяется нагревом алюминиевого куба от 20°С до 100°С. Понятно, что такой метод не имеет отношения к какому-либо реальному процессу,-для осуществления которого данное оборудование используется. Другим ГОСТом [1: с.13] для характеристики конфорки используется среднеарифметическое КПД при нагреве воды от холодного состояния повёрхности конфорки и от горячего. Такой показатель также носит достаточно приближенный характер. Энергетическая эффективность электрического гриля и жарочного шкафа определяется через среднее значение мощности при холостом ходе для цикла (при включенном и отключенном состоянии нагревателей в течение цикла). Такой процесс определения энергетической эффективности вообще не учитывает обрабатываемый продукт. Кроме того, как энергетический показатель.для.жарочного шкафа используется-величина удельного расхода, энергии на разогрев аппарата, определяемая; через отношение соответствующего расхода энергии к объему жарочного шкафа, или отношением расхода энергии к площади внутренней поверхности рабочей камеры [1: с.7, с. 17] . Условность=таких оценок очевидна. Энергетические характеристики бытовых холодильников [16: с.14] определяются опытным путем через прямой замер потребления электроэнергии. Оценки промышленных устройств также носят приблизительныйсхарактер: Например, энергетическая^оценка сталеплавильных духовых печей [8: с.2] определяется через коэффициент использования энергии,, задаваемый ограничительным неравенством. При сушке лакокрасочных покрытий [4: с.3] вводится часовая норма расхода, относительно обрабатываемой площади; ориентированнаяна температуру рабочей камеры. Печи для плавки алюминия*[3: с.3]; также оцениваются ограничительными нормативами; шаговое изменение температуры в печи учитывается процентной надбавкой, расход при росте объема выплавляемого металла определяетсятростой-линейной интерполяцией. При этом основной упор делается на определение действительного расхода, определяемого испытаниями. Печи для обжига цемента [2: с. 1, с. 9] оцениваются также через ограничительный-временной энергорасход (кВт.час/сут.); получаемый как расчетом, так и экспериментально: Превышение допустимого интервала температур внешнего^поля учитывается-процентными поправками. При определении удельного расхода энергии,(кВт.час /кг) при эксплуатации индукционных тигельных печей [15 : с.1—2] изменение теплоотдачи в окружающую среду при изменении конструкции (наличие крышки у тигля) фиксируется: предельным табличным значением, при том что допустимая температура плавления колеблется в диапазоне 50°. Относительно печей для варки стекла [12: с.1, с.З] применяется удельныйфасход тепловой энергии (МДж/кг); При этом различие способов энергоподвода (в данном случае направление пламени) и различие обрабатываемых объектов (тип стекла) учитывается введением коэффициентов при том, что различие тепловых режимовварки достигает 100°. Показатели энергопотребления для печей по обжигу керамической плитки. (МДж/кг) задаются таблично по величине производительности, а потери в окружающую среду процентным ограничивающим неравенством [14: с.1-2]. Применяется также упрощенный расчет полного теплового баланса для выбранной конструкции, например, для электропечей по обработке стеклотары [10: с.З], величина которого определяет энергетическое качество. В ГОСТе [11: с.2—3], касающемся электропечей сопротивления для термообработки алюминия и его сплавов, применяется номограмма для определения показателя удельного расхода энергии (кВт. час/кг) в зависимости от температуры рабочей емкости, однако при этом пренебрегается всеми прочими энергозатратами.

Показатели эффективности процессов и аппаратов, встречающиеся в специальной литературе, могут быть классифицированы следующим образом: стоимостные характеристики, производительные характеристики, конструктивные характеристики, теплофизические характеристики, оценки качества энергии, безразмерные характеристики, исследованиям по улучшению наиболее универсальной из которых — коэффициенту полезного действия, посвящены работы А.Н. Вышелесского, Л.И. Гордона, Е.В. Неугодова, В.В. Кирпичникова. Опишем кратко применяемые подходы.

Стоимостные характеристики. В целом эти характеристики могут быть описаны, как отношения: (единица стоимости / единица времени) [131: с.211], (единица стоимости / единица производимой продукции) [85: с.55-64]. Наличие стоимостных параметров сужает временные рамки использования таких характеристик в связи с большой изменчивостью стоимостных показателей.

Производительные характеристики. Такие характеристики могут быть абсолютными, например, прямая производительность, (единица продукции/ единица времени) [50: с.57, 63: с.38] или относительными, которые базируются на отношениях ресурсов в разном выражении к производительным характеристикам, (единица.энергии/ единица продукции). Например, удельный расход энергии Эуд = Эз V П; где Эз - затраты на выход на режим и работу в режиме (Дж), ГГ— производительность(кг) [30: с.457], кДж / кг [20: с.804-806; 30: с.287-288], (кДж /час) / (план.т. /час) [81: с. 101], кВт / кг[30: с.28-32, 62: с.26]. Такие характеристики применимы к аппаратам равной производительности по одинаковому продукту [30: с.287-288].

Конструктивные характеристики. В данном случае энергозатраты относятся к геометрическим характеристикам аппарата, то есть это характеристики типа: (единица энергии/ геометрическая единица). Например, Вт/м —характеристика микроволновой аппаратуры [20: с.893; 91: с.83-86], кДж /дм - показатели панельного теплового оборудования [42: с.10-11], Вт

-1 о м тепловая характеристика здания [91: с.83-86], Вт/ (м К) -теплотехническая экономичность здания [28: с.318-320].В таких характеристиках отсутствует объект, в котором изменяется температурное поле или они относятся к термостатическим процессам, но в любом случае не являются универсальными.

Теплофизические характеристики. Определяются эффективные теплофизические параметры, характеризующие аппарат. Например, простое определение расхода энергии на проведение процесса [20: с.913-915], эффективный коэффициент теплоотдачи, как характеристики теплообмена в холодильной камере [94: с.6-7], определение эффективности теплопередачи по температуре уходящих газов [26: с.246—247], определение потерь через коэффициент теплопередачи к, определяемый после выбора теплоизоляции рабочего объема [130: с.223-224], нормы потребления энергии, как для первого часа работы (нестационарный режим), так и для последующих (стационарный режим) [131: с.225]. Все эти характеристики также носят достаточно конкретный характер и привязаны- к отдельному виду оборудования.

Оценки качества энергии. В данном случае используется понятие эксергии, позволяющее оценивать энергию с точки зрения ее эффективности для данного процесса. Это выражается в оценке стоимости разных форм энергии [123: с.208], экономичности производства энергоносителей через показатели эксергии (ед.стоимости/ед.энергии) [136: с.165]. Кроме того, рассматривались такие параметры, как обобщенное сопротивление протеканию процесса [123: с.213], стоимость эксергии [123: с.216], соотношение оптимальной поверхности теплообмена и минимальной цены [123: с.219]. Также существуют модификации КПД с точки зрения оценки качества энергии [90: с.11—16], оценка качества процессов с точки зрения падения величины природной эксергии энергоносителей [104: с.31—48]. Оценивается также качество энергии через колебания ее суточной стоимости [123: с.219]. В целом эти методы имеют отношение в первую очередь к совершенствованию самих источников энергии.

Безразмерные характеристики. Предлагаемые безразмерные характеристики энергетической эффективности оборудования относятся к эффективным характеристикам оборудования с конструктивной точки зрения, относительным показателям использования источников энергии, либо к определению стандартного коэффициента полезного действия. Так, теплообменники характеризуются отношением тепловой производительности данного теплообменника к производительности теплообменника с бесконечно большой поверхностью теплообмена е < 1 [53 : с. 145—148], отношением полученного и переданного тепла в теплообменнике [41: с.269-270]. Перегонные аппараты характеризуются отношением теоретического числа тарелок к реальному [20: с.996-997]. Как показатель эффективности оборудования используется отношение сгоревшего топлива к загруженному для коптилен [20: с. 1146-1147], как показатель эффективности процесса - отношение массы использованного топлива к массе обработанного продукта [22: с.262]. Также как универсальный показатель используется КПД [30: с.278-288]. В.П. Кирпичниковым введено несколько модификаций КПД, а именно, КПД без учета потерь теплоты технический КПД, тепловой КПД - с учетом теплообмена при нагреве воды, и технологический — эквивалентный универсальному [62: с. 16—17].

Таблица 1. Применяемые и предлагаемые оценки энергетического качества процессов и аппаратов.

Виды характе ристик Общий вид размерност и Частные случаи размерност и Приме ры приме нения Преимущ ества Недостатки

Стоимо стные 1 .(единицы стоимости)/ (единицы времени) Руб /год униве рсаль ное Простота определе ния. Невозможность анализа. Определяется экспериментально по факту эксплуатации. Использование общих денежных затрат размывает картину влияния собственно энергетических процессов

2.(единицы стоимости) / (единицы произведен ной продукции) руб/ кг руб/ шт униве рсаль ное Простота определе ния. Невозможность анализа. Определяется экспериментально по факту эксплуатации. Использование общих денежных затрат размывает картину влияния собственно энергетических процессов

Произв одител ьные 1. (единицы продукции) / (единицы времени) кг / час Терм, обраб отка с/х ироду кции Простота определе ния. Оценивается ограничительными нормативами и процентными поправками, учитывающими вид энергоподвода, потери и т.п.

2.(единицы кДж / кг Шкаф Использо Оценивается энергии))/ ы, вание ограничительными единицы мДж / кг печи и только нормативами и произведен т.п. ограничи процентными поправками, ной (кДж /час) тельных учитывающими вид продукции) /(план.т/ча характери энергоподвода, потери и

С) стик, что т.п. упрощает кВт.час) вычислен сутки ия. кВт.час) кг

Констр 1. кДж/м Печи, Базируют Характеристики уктивн (единицы жар. ся только определяются ые энергии) )/ кВт.час/м2 шкаф на экспериментально. Не геометрия ы эксперим учитывается, собственно, еские ентально сам продукт. единицы) м определе

НИИ.

2. ( ед. кДж/(м ча Здани Базируют Определяются дискретные энергии)/ с) я, ся на значения по подобранным геом.ед.) печи эксперим параметрам. врем. Вт/м3 ентально ед.)(темпер Вт/(м3К) м ед.)) определе

НИИ с учетом ограниче ний.

Теплоф 1. (ед. кДж Холод Использо Точечные исследования по шическ энергии) .обору вание заданным параметрам ие дован только ие. прямых замеров при эксплуата ции.

2. (ед. Вт/(м 2К) Конде Простые Фрагментарное решение. энергии)/ (коэфф. нсато вычислен геом.ед.) теплоотдач ры ия. врем. и) холод. ед.)(темпер

•ед.))

3.единицы К Котел Использо Косвенное решение. температур (температу ьные вание ы ра уст. только уходящих газов) прямых замеров при эксплуата ции

Эксерге тическ ие 1 .(единицы стоимости)/ (единицы энергии) цент/кДж Опрес нит.ус танов ки. Развитый математи ческий аппарат. Основное направление исследований -совершенствование самих источников энергии.

2.геом. единицы/ единицы стоимости м 2 / цент Тепло обмен НИКИ Использо вание средств оптимиза ции Основное направление исследований -совершенствование самих источников энергии.

3. ед. энергии кДж Источ НИКИ энерг. Фундаме нтальност ь подхода. Основное направление исследований -совершенствование самих источников энергии.

Безраз мерные 1. геом.ед./ геом.ед. 2/ 1 м / м тепло обмен НИКИ Наличие идеально й характери стики. Косвенный характер определения эффективности.

2.(ед. энергии)/ (ед. энергии) кДж/ кДж тепло обмен НИКИ Простота определе ния. Специализированность.

З.(ед. массы топлива)/ (ед. массы топлива) кг/ кг Копти льное обор. Простота определе ния. Узкая область применения. Грубость оценки.

4.(кол-во элементов) /( кол-во элем.) шт. / шт. Перег он. об. Простота определе ния. Косвенность и неточность оценки, а также узкая специализация.

5. (ед. массы топлива)/ (ед. массы прод.) кг/ кг Суши льное обор. Простота определе ния. Специализированность.

Исследованиям по улучшению энергетической эффективности посвящены, в частности, работы В.А. Кириллина, В.В. Сычева, А.Е. Шейндлина, А.Н. Вышелесского, Л.И. Гордона, Е.В. Неугодова, В.В. Кирпичникова и др. Наиболее универсальным энергетическим показателем для тепловых аппаратов является коэффициент полезного действия. К недостаткам использования КПД относится тот факт, что он определяется отношением двух переменных функций. Полезная работа, необходимая для его определения, вычисляется по фактическому конечному распределению температуры, одному из технологически допустимых. Таким образом, один и тот же КПД могут иметь аппараты с разными энергозатратами. Кроме того КПД может быть применен только для всего процесса в целом. Что исключает возможность оценки компонент энергозатрат.

Объект исследования. Объектом исследования являлись тепловые и холодильные процессы, а также оборудование, предназначенное для их реализации. Рассматривались процессы теплопереноса, описываемые граничными условиями I, II, III рода, нагрев за счет внутренних источников тепла, а также их комбинации. Кроме того, были рассмотрены процессы сохранения температурного поля в объекте. Одновременно было рассмотрено оборудование, все эти процессы осуществляющее.

Предмет исследования. Предметом исследования являлось определение характеристики, позволяющей выявить определить наилучшие процессы и аппараты с точки зрения их энергетического качества, то есть минимизации затрат на процесс изменения (или сохранения) температурного поля в объекте.

Цель исследования. Целью данных исследований является создание методологии определения энергетически эффективных тепловых процессов и аппаратов, позволяющих при соблюдении требований к технологическому качеству и к количеству обрабатываемой продукции снизить энергетические затраты.

Для достижения этой цели необходимо выполнить следующие задачи

- проведение исследований и классификацию существующих способов определения энергозатрат для тепловых и холодильных аппаратов;

- оценить системную взаимосвязь всех элементов, необходимых для осуществления процессов с точки зрения их влияния на энергозатраты;

- на базе исследований по теории теплопроводности и теории теплообмена осуществить постановку системных задач по определению общих энергозатрат (энергетического баланса) на проведение тепловых процессов;

- на основе.теории дифференциальных уравнений определить функциональные зависимости энергозатрат в процессе от задаваемых технологических параметров;

- определить функциональные зависимости изменения характеристик оборудования от параметров реализуемого процесса с точки зрения энергетической эффективности;

- разработать единую математическую модель для получения сопоставимых показателей по различным тепловым процессам и оборудованию;

- исследовать возможности и диапазоны применения численных методов при решении подобных задач;

- исследовать вопрос о влиянии эксплуатационных характеристик использования оборудования на изменение энергопотребления;

- исследовать влияние капитальных затрат, выраженных в энергетических единицах, при определении энергозатрат процесса;

- разработать методические основы для определения энергозатрат в зависимости от характеристик обрабатываемого продукта, параметров процесса, характеристик реализующего аппарата, эксплуатационных характеристик и стоимости оборудования в виде единой функциональной зависимости;

- ввести и научно обосновать единый критерий для оценки как процессов, так и реализующего эти процессы оборудования, который может быть положен в основу единой системы сертифицирования всех тепловых и холодильных аппаратов по показателю энергетической эффективности.

Теоретическая и методическая основа. Теоретической основой исследования являлась теплофизика, в частности, теория теплопроводности и ее приложения, а также теория тепломассообмена. Методически задача определения критерия энергетического качества сводилась к последовательному рассмотрению компонентов энергозатрат, их нормированию и сведению в единую функциональную зависимость с последующим анализом.

Нормативно-информационная основа. Нормативно-информационную основу работы составили методы определения энергетического и экономического качества различного оборудования, отраженные как в ГОСТах, так и в специальной литературе.

Научная концепция. В основу научного решения проблемы определения методики единой энергетической оценки процессов и осуществляющего их оборудования положен системный подход, позволяющий найти общие закономерности, связывающие между собой в единое целое характеристики продукта, задаваемые параметры процесса и характеристики аппарата, осуществляющего процесс.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- предложен системный метод определения энергозатрат в процессе изменения или сохранения температурного поля в продукте; определены и исследованы факторы, влияющие на величину общих энергозатрат; введен и обоснован критерий энергетической эффективности, применимый к процессам и осуществляющим процессы аппаратам; разработан системный метод определения комплексного критерия энергетического качества, позволяющий произвести энергетический анализ энергозатрат теплового и холодильного оборудования и осуществляемых с его применением тепловых процессов с точки зрения энергетического совершенства, то есть минимизации энергозатрат, что позволяет комплексно оценивать конструктивное совершенство оборудования; впервые решена задача системного описания и исследования тепловых процессов совместно с реализующим их технологическим оборудованием, получены многопараметрические уравнения для всех основных видов переноса тепла и их комбинаций, описывающие общие энергозатраты, на основании совместного решения нескольких £ дифференциальных уравнений теплопроводности и уравнений теплообмена, описывающих стационарную и нестационарную фазы процесса эксплуатации теплового оборудования; проведено сопоставление и энергетическая оценка различных видов энергоподвода, осуществляющих заданный процесс в заданных температурных и временных диапазонах; сопоставлены различные процессы и осуществляющие их аппараты с точки зрения энергетической эффективности; получены математические модели для определения более эффективных допустимых процессов и оборудования; в решение общих уравнений введены параметры, учитывающие влияние суточной длительности эксплуатации оборудования;

- приведены математические модели, описывающие влияние капитальных затрат, и в решение общего уравнения введены учитывающие их параметры;

- рассмотрена применимость численных методов и возможность оптимизации полученных уравнений;

- предложена единая методика для определения критерия энергетической эффективности тепловых процессов и оборудования, позволяющая научно обоснованно сопоставлять различное оборудование и процессы и определять наилучшие пути их совершенствования.

Практическая ценность работы. В результате проведенных исследований:

- разработан системный метод определения критерия энергетической эффективности, позволяющий сертифицировать тепловое и холодильное оборудование и осуществляемые с его применением тепловые процессы;

- предложенный системный метод может быть применен для любых отраслей, где применяется оборудование, изменяющее или сохраняющее температурное поле в обрабатываемом объекте;

- системный метод может быть положен в основу системы единой сертификации всего теплового и холодильного оборудования с точки зрения энергетического совершенства, что позволит планировать снижение энергозатрат при сохранении или даже росте производительности;

- на основании системного метода и разработанного математического аппарата может быть подготовлен пакет компьютерных программ, позволяющий на стации проектирования, вводя диапазоны допустимых изменений параметров аппарата и процесса, для которого предназначен аппарат, планируемой временной загрузки и стоимостных параметров его изготовления (выраженных в энергетических единицах) получить оптимальные в смысле энергосбережения характеристики системы процесс-аппарат; методика определения энергетической эффективности теплового оборудования, используемого на предприятиях общественного питания на основе использования критерия энергетической эффективности, использована при разработке технологической линии модульных тепловых аппаратов ЗАО «РАДА»; методика оценки энергетической эффективности с помощью критерия позволила оптимально выбрать параметры вновь создаваемого оборудования при разработке солнечных нагревательных установок ООО «НПО «ГРАНАТ»» методика оценки энергетической эффективности с помощью критерия включена в рабочие программы учебных дисциплин : теплотехника (направление подготовки: 655800 «Пищевая инженерия», профиль подготовки: 260601.65 «Машины и аппараты пищевых производств»), теплотехника (направление подготовки: 655800 «Пищевая инженерия», профиль подготовки: 260501.65 - технология продуктов общественного питания), ресурсо- и энергосберегающие технологии (направление подготовки: 222000. Инноватика.) на основании системного метода и разработанного математического аппарата может быть подготовлен пакет компьютерных программ, позволяющий на стации эксплуатации, вводя диапазоны допустимых изменений параметров процесса и планируемой временной загрузки в систему управления аппаратом, получать оптимальные тепловые режимы непосредственно на предприятии; ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов данных исследований при проектировании нового оборудования, модернизации существующего и выборе более эффективных тепловых процессов может составить до 10-15% энергозатрат применительно к их существующему уровню.

Публикации. По теме диссертации опубликована 1 монография, 12 публикаций в изданиях, зарегистрированных ВАК (всего 35 публикаций, общим объемом 11,05 п.л.)

Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка литературы общим объемом 338 стр. и приложений. В диссертации содержится 304 рис., 6 таблиц и 11 приложений.