автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Оптимизация неравномерного тепломассообмена - нетрадиционный метод энерго- и ресурсосбережения

Введение.

Глава 1. Современное состояние проблемы оптимизации неравномерного тепломассообмена.

1.1. Классификация методов энерго- и ресурсосбережения.

1.2. Недостатки общепринятых методов расчета локальной интенсивности тепломассообмена.

1.3. Анализ существующих методов расчета технологических аппаратов и их оптимизации в условиях неравномерного тепломассообмена.

1.4. Обзор исследований по неравномерности тепломассообмена.

1.5. Постановка задач исследования.

Выводы.

Глава 2. Математические модели локальной интенсивности тепломассообмена в задачах оптимизации неравномерности.

2.1. Требования к математическим моделям локальной интенсивности тепломассообмена

2.2. Локальная интенсивность тепломассообмена при испарении и конденсации в атмосфере парогазовой смеси.

2.3. Локальная интенсивность тепломассообмена при сушке и сорбции

2.4. Применение математических моделей локальной интенсивности тепломассообмена в теории статики сушки.

2.5. Локальная интенсивность радиационного тепломассообмена.

Выводы.•.11В

Глава 3. Математические модели неравномерного тепломассообмена в процессах и аппаратах.

3.1. Классификация аппаратов и типы неравномерности тепломассообмена в их рабочих камерах.

3.2. Структура дифференциальных уравнений переноса и расчет внутренней неравномерности тепломассообмена.

3.3. Численное интегрирование дифференциальных уравнений переноса

3.4. Граничные условия и расчет внешней неравномерности тепломассообмена

3.5. Технологические операции, влияющие на неравномерность тепломассообмена, и их математическое моделирование.

3.6. Структура интегрального уравнения переноса.

Выводы.

Глава 4. Критерии оптимизации процессов и аппаратов в условиях неравномерности тепломассообмена и структура программного обеспечения оптимизации.

4.1. Выбор критериев оптимизации тепломассообменных процессов и аппаратов

4.2. Эффект оптимизации неравномерного тепломассообмена, выражаемый в экономии различных видов ресурсов.

4.3. Структура программного обеспечения для оптимизации неравномерного тепломассообмена.

4.4. Универсальность и многоцелевое применение программного обеспечения

Выводы.

Глава 5. Методы оценки потенциала энерго- и ресурсосбережения, связанного с оптимизацией неравномерного тепломассообмена.

5.1. Классификация методов оценки влияния неравномерности тепломассообмена на затраты энергии и других ресурсов.

5.2. Аналитические методы оценки последствий неравномерности тепломассообмена

5.3. Сводка результатов оценки последствий неравномерности тепломассообмена аналитическими и численными методами.

Выводы.

Выводы.

Российский энергетический комплекс и российская экономика в целом находятся в кризисном состоянии. Энерго- и ресурсоемкость национального продукта России более чем в 3 раза превышает аналогичные показатели экономически развитых стран. Это - типичное проявление неэффективности российских предприятий. Результат такой неэффективности - неконкурентоспособность российской промышленной продукции на мировом рынке. По мнению ряда иностранных экономистов, экономика России, за исключением некоторых добывающих отраслей, представляет собой виртуальную экономику, занятую не созданием, а разрушением стоимости [10]. Отсюда вытекает объективная потребность в полной реконструкции российской экономики, в проведении активной энерго- и ресурсосберегающей промышленной политики.

Согласно классификации, приведенной в работе [38], энерго- и ресурсосберегающие операции в теплотехнологических процессах и установках можно разделить на три типа: утилизационные, операции энергетической модернизации и операции интенсивного энерго- и ресурсосбережения. Утилизация вторичных энергетических ресурсов решает задачу использования отходов энергии без модификации самих теплотехнологических процессов. Энергетическая модернизация - частичная модификация теплотехнологических процессов, которая не сопровождается глубоким снижением отходов энергии. Интенсивное энерго- и ресурсосбережение решает задачу предельного снижения энерго- и ресурсоемкости теплотехнологических процессов, мобилизуя предельно полный состав энерго- и ресурсосберегающих операций.

Наиболее актуальной задачей является развитие интенсивного энерго- и ресурсосбережения, поскольку потенциал экстенсивных методов энерго- и ресурсосбережения в значительной мере исчерпан. В диссертации разрабатываются научные основы нетрадиционного метода энерго- и ресурсосбережения - оптимизации неравномерного тепломассообмена, увеличивающей среднюю интенсивность тепломассообмена в рабочей камере теплотехнологического аппарата без интенсификации локального тепломассообмена путем изменения неравномерных полей переменных физических параметров рабочих сред. Этот метод удовлетворяет основным классификационным признакам интенсивного энерго- и ресурсосбережения:

- оптимизация неравномерного тепломассообмена приводит к снижению энерго- и ресурсоемкости технологического процесса, причем дополнительные затраты на эти операции малы. Если выполняется оптимизация на стадии проектирования теплотехнологического оборудования, в ряде случаев этих операции приводят даже к уменьшению затрат;

- оптимизация неравномерного тепломассообмена позволяет мобилизовать новые виды энерго- и ресурсосберегающих операций, которым до сих пор уделяется недостаточное внимание при проектировании и реконструкции теплотехнологического оборудования;

- при этом обнаруживается значительный потенциал энерго- и ресурсосбережения, который не может быть реализован при помощи традиционных оптимизирующих операций.

Таким образом, диссертации посвящена решению актуальной задачи -разработке одного из методов интенсивного энерго- и ресурсосбережения, наименее изученного из всех направлений энерго- и ресурсосбережения.

При анализе технической литературы, посвященной расчету теплотехнологического оборудования, становится ясным, что методы расчета, до сих пор широко используемые на практике и воспроизводимые в сознании специалистов системой высшего технического образования, возникли в первой половине XX века. Они отмечены печатью своего времени, когда возможности математического моделирования процессов и аппаратов были весьма ограниченны. В основе этих методов расчета лежит уравнение, по смыслу эквивалентное интегралу дифференциального уравнения переноса, связывающее между собой расходы, начальные и конечные параметры рабочих сред, размеры технологического аппарата и коэффициенты переноса (теплопередачи, теплоотдачи, мас-соотдачи). Обычно это уравнение получено не дедуктивным путем из фундаментальных физических законов, а эмпирически путем аппроксимации результатов физического моделирования удобной для вычислений математической функцией. Такая аппроксимация остается качественно справедливой лишь в ограниченном диапазоне изменения режимно-конструктивных параметров технологического аппарата. Создатели таких методов расчета не ставили своей задачей полное макроскопическое описание тепломассообменных аппаратов, включая неравномерные поля переменных физических параметров рабочих сред в рабочей камере. Первоначально такая задача не ставилась не потому, что исследователи не осознавали ее актуальности, а потому, что отсутствовали средства для ее решения. Но со временем подобный подход к математическому моделированию теплотехнологических аппаратов превратился в традицию, которая продолжает оказывать воздействие на специалистов даже после того, как доступные им возможности математического моделирования качественно изменились. б

Появление современной вычислительной техники качественно изменило технологию математического моделирования физико-технических процессов. Поскольку фундаментальные физические законы применительно к рассматриваемой области физико-технических процессов, как можно предположить, известны полностью, на основе этих фундаментальных физических законов стало возможным получить полное макроскопическое описание процессов и аппаратов дедуктивным путем, заменить физическое моделирование математическим. Над математическим моделями стало возможным проделывать такие эксперименты, которые над физическим моделями произвести затруднительно, и обнаруживать ранее неизвестные физико-технические эффекты. Можно привести много примеров новых технологий математического моделировании, основанных на современной вычислительной технике. Технологию детального макроскопического описания процессов конвективного переноса энергии, импульса и массы компонентов при ламинарном и турбулентном движении жидкости, основанную на математической модели в виде системы дифференциальных уравнений конвективного переноса, разработали Д.Б. Сполдинг и его последователи [80, 92, 116, 117 и др.]. Технологию детального макроскопического описания процессов радиационного переноса энергии в отсутствие локального термодинамического равновесия, основанную на математической модели в виде системы интегро-дифференциальных уравнений радиационного переноса и статистического равновесия, разработали Д. Михалас и его последователи [72]. Последний очень точно охарактеризовал историческое место более примитивных методов математического моделирования следующими словами: «Оглядываясь назад, следует отдавать себе отчет в том, что задача <.> требовала слишком большого объема вычислений, чтобы до появления быстродействующих ЭВМ к ней можно было бы применить прямой подход. Использование <.> давало практический метод для подхода к задаче, никак иначе не поддающейся решению». [72, с. 91]

Актуальность темы диссертации, посвященной разработке нового метода энерго- и ресурсосбережения - энерго- и ресурсосберегающей оптимизации неравномерного тепломассообмена в теплотехнологических процессах и аппаратах, определяется актуальностью проблемы энерго- и ресурсосбережения в целом в силу известных факторов:

- кризисного состояния российского энергетического комплекса и всей экономики;

- неоправданно высокого уровня удельных затрат энергии и других материальных ресурсов, в 3 - 4 раза превышающего показатели экономически развитых стран на единицу внутреннего валового продукта;

- объективной потребности в полной реконструкции российской экономики, в проведении активной энерго- и ресурсосберегающей промышленной политики.

Энерго- и ресурсосберегающие операции в теплотехнологических процессах и аппаратах можно разделить на три типа:

- утилизационные, решающие задачу использования отходов энергии без модификации самих теплотехнологических процессов;

- операции энергетической модернизации;

- операции интенсивного энерго- и ресурсосбережения, решающие задачу предельного снижения энерго- и ресурсоемкости теплотехнологических процессов путем мобилизации предельно полного состава энерго- и ресурсосберегающих операций.

Проведенный анализ научных и технических публикаций позволил доказать, что наиболее актуальной задачей является развитие интенсивного энерго-и ресурсосбережения, поскольку потенциал экстенсивных методов энерго- и ресурсосбережения в значительной мере исчерпан. В диссертации разрабатываются научные основы нетрадиционного метода энерго- и ресурсосбережения - оптимизации неравномерного тепломассообмена, увеличивающей среднюю интенсивность тепломассообмена в рабочей камере теплотехнологического аппарата без интенсификации локального тепломассообмена путем изменения неравномерных полей переменных физических параметров рабочих сред. Этот метод удовлетворяет основным классификационным признакам интенсивного энерго- и ресурсосбережения:

- оптимизация неравномерного тепломассообмена приводит к снижению энерго- и ресурсоемкости технологического процесса, причем дополнительные затраты на эти операции малы. Если выполняется оптимизация на стадии проектирования теплотехнологического оборудования, в ряде случаев этих операции приводят даже к уменьшению затрат;

- оптимизация неравномерного тепломассообмена позволяет мобилизовать новые виды энерго- и ресурсосберегающих операций, которым до сих пор уделяется недостаточное внимание при проектировании и реконструкции теплотехнологического оборудования;

- при этом обнаруживается значительный потенциал энерго- и ресурсосбережения, который не может быть реализован при помощи традиционных оптимизирующих операций.

Таким образом, в диссертации решается актуальная задача - разработка одного из методов интенсивного энерго- и ресурсосбережения, наименее изученного из всех направлений энерго- и ресурсосбережения.

Научные принципы оптимизации неравномерного тепломассообмена в диссертации разрабатываются на основе анализа новых физически обоснованных математических моделей теплотехнологических аппаратов и локальной интенсивности тепломассообмена. Общая черта всех разработанных автором математических моделей аппаратов - детальное макроскопическое описание многомерных полей переменных физических параметров в рабочих камерах. Не располагая таким описанием, оптимизировать неравномерный тепломассообмен невозможно. Тем самым в диссертации решается другая актуальная задача - разработка современных методов расчета теплотехнологических аппаратов.

Традиционно применяемые на практике методы расчета аппаратов при помощи эмпирических критериальных уравнений, аналогичных критериальным уравнениям теории локального тепломассообмена, не ставят задачу детального математического моделирования многомерных полей переменных физических параметров. С появлением современной вычислительной техники появилась возможность детального математического моделирования процессов и аппаратов, заменяющего физическое моделирование. Для задач конвективного тепломассообмена в жидкости такую роль сыграли методы математического моделирования, разработанные научной школой Сполдинга. Для задач расчета, энерго-и ресурсосберегающей оптимизации аппаратов такие методы математического моделирования до сих пор систематически не разрабатывались. В диссертации описан один из возможных подходов к решению этой актуальной задачи.

Об актуальности темы диссертации свидетельствует ее соответствие тематике государственной научно-технической программы «Новые методы и средства экономии энергоресурсов и экологические проблемы энергетики», тематике межвузовской научно-технической программы «Конверсия и высокие технологии 1994 - 1996». Научные результаты, полученные автором в ходе работы над диссертацией, были использованы при проведении прикладных научно-исследовательских работ по этим научно-техническим программам.

Целью работы является разработка научных основ энерго- и ресурсосбережения в теплотехнологических процессах промышленной теплоэнергетики, протекающих в условиях неравномерного тепломассообмена, исследование влияния неравномерного в пространстве и во времени тепломассообмена в рабочих камерах теплотехнологических аппаратов на энерго- и ресурсоемкость процессов промышленной теплоэнергетики и выявление нового потенциала энерго- и ресурсосбережения, реализуемого путем совершенствования неравномерного тепломассообмена, включая решение следующих задач:

- разработка математических моделей и алгоритмов расчета тепломассо-обменных теплотехнологических аппаратов, учитывающих неравномерность тепломассообмена, позволяющих решать практические задачи различной степени сложности - выполнять поверочный и конструктивный расчет, параметрическую оптимизацию по минимуму энерго- и ресурсоемкости при проектировании нового и при энергодиагностике действующего оборудования - с учетом реальной неравномерности тепломассообмена;

- выявление физических возможностей совершенствования неравномерного тепломассообмена, нетрадиционных энерго- и ресурсосберегающих операций, приводящих к оптимизации неравномерного тепломассообмена, создание эвристических приемов и методики выявления таких операций, разработка методов количественной оценки энерго- и ресурсоемкости теплотехнологических процессов в условиях изменяемой неравномерности тепломассообмена, раскрытие физических механизмов влияния неравномерности тепломассообмена на затраты энергии и других ресурсов;

- создание методики расчета потенциала энерго- и ресурсосбережения на основе сравнения процессов, сопоставимых по результату, но различающихся неравномерностью тепломассообмена, методики оценки энерго- и ресурсосберегающего эффекта операций, оптимизирующих неравномерный тепломассообмен, применимой также к оценке энерго- и ресурсосберегающего эффекта любых оптимизирующих операций (утилизации вторичных энергетических ресурсов, улучшения тепловой изоляции, интенсификации локального тепломассообмена и др.). Методика должна учитывать двухэтапный механизм возникновения энерго- и ресурсосберегающего эффекта, принципиальную неоднозначность эффекта любой оптимизирующей операции и рассматривать задачу оценки этого эффекта как задачу параметрической оптимизации;

- сравнение ресурсоемкости энергосбережения, достигаемого путем оптимизации неравномерного тепломассообмена, с ресурсоемкостью традиционных методов энергосбережения (утилизации вторичных энергетических ресурсов, улучшения тепловой изоляции, интенсификации локального тепломассообмена и др.), поиск теплотехнологических процессов, в которых предлагаемый способ энерго- и ресурсосбережения предпочтителен по сравнению с традиционным, и в которых существует большой неиспользованный потенциал энерго- и ресурсосбережения в связи со значительной неравномерностью тепломассообмена;

- создание универсального программного обеспечения многоцелевого применения для математического моделирования энерго- и ресурсоемкости процессов как функции изменяемой неравномерности тепломассообмена, разработка структуры программного обеспечения, обеспечивающей его универсальность в применении к теплотехнологическим процессам различной физической природы, различающимся кинетикой переноса тепла и массы, и в применении к различным практическим задачам проектирования нового, энергодиагностики и реконструкции действующего оборудования промышленных теплоэнергетических систем.

Новые научные результаты, полученные в работе, заключаются в следующем:

- впервые выявлен ранее неизвестный потенциал энерго- и ресурсосбережения в процессах и аппаратах промышленной теплоэнергетики, связанный с оптимизацией неравномерного тепломассообмена - созданием равномерности или оптимальной неравномерности. Этот потенциал энерго- и ресурсосбережения является скрытым, то есть не может быть обнаружен наиболее широко распространенными инженерными методами расчета аппаратов, игнорирующими реальную кинетику процессов. Установлена связь между проблемой повышения равномерности технологических процессов, ранее обсуждавшейся в ряде научных работ разных авторов с чисто технологических позиций, с проблемой энергосбережения;

- разработаны и обоснованы математические модели неравномерного тепломассообмена в рабочих камерах аппаратов и элементах оборудования, в частности, в поверхностных теплообменниках, в контактных тепломассооб-менных аппаратах, в сушильных установках с конвективным массоотводом при различных физических механизмах теплоподвода и т.д., позволяющие рассчитывать неравномерные в пространстве и во времени поля изменяющихся физических величин путем решения нелинейных дифференциальных уравнений переноса с однотипной структурой, что дает возможность при помощи стандартных алгоритмов и унифицированного программного обеспечения исследовать неравномерный тепломассообмен в процессах и аппаратах разных типов, а также при произвольной кинетике процессов переноса, сильно зависящей от свойств тверды рабочих сред - в процессах сушки произвольных материалов;

- впервые разработаны аналитические приемы, позволяющие для ряда типов неравномерности тепломассообмена - прежде всего внешней, вызванной неравномерностью начальных параметров рабочих сред,- определять положительную или отрицательную направленность влияния технологических операций, изменяющих неравномерность, на затраты энергии и других ресурсов. Эти приемы имеют эвристическую ценность для разыскания энерго- и ресурсосберегающих технологических операций, но трудности в их применении возрастают с ростом сложности математических моделей аппаратов;

- разработаны новые вычислительные процедуры, позволяющие для разных типов неравномерности тепломассообмена и для различных математических моделей аппаратов количественно оценивать энерго- и ресурсосберегающий эффект оптимизации неравномерного тепломассообмена, выраженный в изменении размеров аппаратов, расходов рабочих сред, их начальных температур ит. п., достигаемом за счет создания равномерности или оптимальной неравномерности при заданном кондиционном результате процесса, в изменении совокупных затрат на реализацию процесса в натуральном или стоимостном выражении, а также в изменении мощности материального и теплового загрязнения окружающей среды и однородности получаемого продукта;

- создано новое универсальное программное обеспечение многоцелевого применения с ранее неизвестной структурой, позволяющее решать все виды задач, встающих при проектировании и энергодиагностике действующего оборудования,- задачи поверочного и конструктивного расчета, в которых в качестве неизвестного может выступать любой допустимый режимный или конструктивный параметр, определяемый по прочим заданным параметрам при заданном кондиционном результате процесса, задачи параметрической оптимизации и задачи оптимизации неравномерного тепломассообмена, причем эффект оптимизации неравномерного тепломассообмена может выражаться в количественном изменении любого параметра, то есть затрат любого ресурса;

- на основе анализа физических возможностей изменения неравномерности тепломассообмена построена классификация энерго- и ресурсосберегающих технологических операций, при этом наряду с уже известными обнаружены новые технологические операции, оптимизирующие неравномерный тепломассообмен. Выполнено параметрическое исследование их энерго- и ресурсосберегающего эффекта в зависимости от режимных параметров самих операций и процессов, в которых они реализуются, исследование их совместимости по признаку положительности энерго- и ресурсосберегающего эффекта.

Практическая значимость работы заключается в следующем.

Область применения разработанной автором методики оценки энерго-или ресурсосберегающего эффекта оптимизирующих операций не ограничивается оценкой эффекта оптимизации неравномерного тепломассообмена. Эта методика может быть использована для оценки энерго- или ресурсосберегающего эффекта оптимизирующих операций других типов: утилизации вторичных энергетических ресурсов, интенсификации локального тепломассообмена, улучшения тепловой изоляции и др.

Новые математические модели локальной интенсивности тепломассообмена и тепломассообменных аппаратов, методика расчета и оптимизации те-пломассообменных аппаратов, разработанные автором алгоритмы и структура программного обеспечения могут быть использованы при разработке программного обеспечения для расчета и оптимизации тепломассообменных аппаратов.

Разработанное автором программное обеспечение может быть использовано для расчета, энерго- и ресурсосберегающей оптимизации неравномерного тепломассообмена, оценки потенциала энерго- и ресурсосбережения при проектировании нового тепломассообменного оборудования и при энергодиагностике действующего.

Новые оптимизирующие операции, устраняющие неравномерность тепломассообмена, могут быть использованы при проектировании нового тепло. массообменного оборудования и при реконструкции действующего.

Аналитические методы оценки последствий неравномерности тепломассообмена, основанная на них эвристическая методика оптимизации неравномерного тепломассообмена могут быть использованы для разыскания новых энерго- и ресурсосберегающих операций в различных тепломассообменных аппаратах, ранее не исследованных.

Работа выполнена на кафедре Тепломассообменных установок Московского энергетического института (технического университета).

Автор выражает глубокую признательность научному консультанту д.т.н., профессору О.Л. Данилову за неоценимую помощь и поддержку на всех этапах диссертационной работы, д.т.н., профессору Ю.М. Павлову и к.т.н. С.А. Власенко, без чьей материальной и моральной поддержки эта работа никогда не была бы завершена, д.т.н., профессору Э.Д. Сергиевскому за большую помощь в проведении экспериментальных исследований и за множество конструктивных замечаний по содержанию диссертации, Л.Ш. Найдорф за работу над рукописями диссертации, а также всем, совместно с кем автор выполнял научные исследования, положенные в основу диссертации: к.т.н., старшему научному сотруднику Ю.В. Есакову, к.т.н., доценту A.B. Извекову, к.т.н., доценту Э.Я. Фалькову, к.т.н., доценту A.A. Федяеву, к.т.н., доценту В.Н. Федяевой, к.т.н. А.П. Езерскому, к.т.н. C.B. Терентьеву, к.т.н. Г.П. Шаповаловой, аспирантам С.Ю. Шувалову, Н.В. Хомченко, A.B. Бучацкому.

ВЫВОДЫ

1. Решена важная народно-хозяйственная проблема - обнаружен ранее неизвестный скрытый потенциал энерго- и ресурсосбережения, составляющий до 50 - 55 % непроизводительных потерь энергии, в тепломассообменных тепло-технологических процессах и аппаратах промышленной теплоэнергетики, связанный с изменением затрат энергии и других ресурсов в результате изменения или устранения неравномерности тепломассообмена в рабочих камерах аппаратов и в элементах оборудования.

2. Разработаны новые математические модели различных процессов и аппаратов промышленной теплоэнергетики: поверхностных и контактных теплообменников, сушильных и сорбционных установок и др., аналитические и численные методы расчета неравномерного тепломассообмена. Математические модели учитывают неравномерность тепломассообмена в рабочих камерах технологических аппаратов, позволяют рассчитывать многомерные неравномерные поля переменных физических параметров, моделировать различные операции, изменяющие и оптимизирующие неравномерный тепломассообмен, и исследовать влияние неравномерности тепломассообмена на затраты энергии и других ресурсов. Выявлены серьезные недостатки широко распространенных методов расчета процессов и аппаратов: игнорирование реальной кинетики процессов, использование необоснованных эмпирических методов расчета. В результате потенциал энерго- и ресурсосбережения, связанный с оптимизацией неравномерного тепломассообмена, не может быть обнаружен и превращается в скрытый.

3. Обнаружено, что многие промышленные тепломассообменные установки содержат значительный потенциал энерго- и ресурсосбережения за счет создания равномерности или оптимальной неравномерности тепломассообмена. Величина потенциала энергосбережения сильно зависит от типа технологического оборудования. Так, возможно снижение потерь энергии в теплопроводах до 5 %, снижение затрат энергии на подогрев рабочих сред в поверхностных теплообменниках до 10 %, снижение затрат энергии на испарение жидкости в контактных тепломассообменных аппаратах и сушильных установках до 20 - 50 %, в некоторых неблагоприятных случаях - и более. Точные значения таких показателей сильно зависят от режимно-конструктивных параметров оборудования и должны в каждом случае вычисляться при помощи разработанного программно-методического обеспечения.

4. Доказано, что ресурсоемкость энергосбережения путем совершенствования неравномерного тепломассообмена оказывается ниже, чем путем утилизации вторичных энергетических ресурсов технологического процесса. Большинство технологических операций, оптимизирующих неравномерный тепломассообмен, не требует значительных затрат, ни единовременных, ни постоянных. Экономический эффект оптимизации неравномерного тепломассообмена может быть выражен в изменении затрат различных видов ресурсов: в уменьшении единовременных затрат на сооружение рабочей камеры или в уменьшении постоянных энергетических затрат (например, в снижении начальной температуры или расхода рабочих сред). Поскольку оптимизация неравномерного тепломассообмена приводит к уменьшению размеров технологических аппаратов, температур и расходов рабочих сред, то есть к снижению материального и теплового загрязнения окружающей среды, она является также природозащит-ным мероприятием.

5. Разработана методика оценки энерго- и ресурсосберегающего эффекта оптимизации неравномерного тепломассообмена, выраженного в изменении затрат различных видов ресурсов. Выбор ресурса, в изменении которого выражается экономический эффект устранения неравномерности тепломассообмена, осуществляется путем решения задачи параметрической оптимизации на основе стоимостных или натуральных экономических критериев. Показано, что обычно снижение расхода рабочих сред выгоднее снижения их начальной температуры, а целесообразность снижения размеров рабочей камеры зависит от соотношения цен на тепловую энергию и конструкционные материалы.

6. Установлен физический механизм возрастания затрат энергии и других ресурсов в условиях неравномерности тепломассообмена в рабочих камерах аппаратов - нелинейная зависимость результата технологического процесса от различных параметров - плотности потока массы и начальных параметров рабочих сред, интенсивности переноса и т.д.,- определяемая интегралом дифференциального уравнения переноса.

7. Выявлены приемы, влияющие на затраты энергии и других ресурсов на реализацию технологического процесса в условиях неравномерности тепломассообмена (механическое устранение внешней неравномерности различных параметров и устранение внутренней неравномерности путем компенсации изменения движущей силы переноса изменением коэффициентов тепло- и массо-отдачи; линеаризация зависимости результата процесса от неравномерных параметров, устраняющая или ослабляющая физический механизм влияния неравномерности на энергетические затраты, не затрагивая неравномерности различных параметров; активизация, в частности, перемешивание рабочих сред, изменение схемы их движения и др.).

8. Разработаны сравнительно простые аналитические методы для случая только внешней неравномерности тепломассообмена, которые в условиях неравномерности любого параметра позволяют определять направленность влияния технологических операций - выравнивания и активизации - на затраты энергии и других ресурсов. Методы имеют эвристическую ценность для разыскания энерго- и ресурсосберегающих технологических операций, но не позволяют количественно оценить энерго- и ресурсосберегающий эффект.

9. Разработаны оригинальные численные методы количественной оценки энерго- и ресурсосберегающего эффекта оптимизации неравномерного тепломассообмена, и на их основе - универсальное программное обеспечение многоцелевого применения для поиска путей оптимизации неравномерного тепломассообмена, позволяющее выполнять проектирование нового или энергодиагностику действующего оборудования, обладающее ранее неизвестной специфической структурой - способностью решать интегральное уравнение переноса, связывающее между собой все режимные и конструктивные параметры технологического аппарата, относительно любого допустимого параметра, позволяющее выразить эффект изменения неравномерности при заданном кондиционном результате технологического процесса в изменении любого допустимого параметра, выполнять оптимальный выбор технологической операции, устраняющей неравномерность тепломассообмена, и выбор режимного или конструктивного параметра, изменяемого одновременно с устранением неравномерности тепломассообмена, то есть выбор вида ресурсов, в изменении затрат которого выражается эффект оптимизации.

10. Исследована применимость различных критериев оценки энерго- и ресурсосберегающего эффекта оптимизации неравномерного тепломассообмена. В этом качестве могут выступать стоимостные и натуральные экономические критерии оптимизации. Показано, что другие критерии оптимизации (эк-сергетические, технические) в оценке последствий неравномерности тепломассообмена приводят к противоречивым результатам в зависимости от способа отвода продуктов технологического процесса в окружающую среду (в рабочей среде с постоянным или с переменным расходом), от схемы движения рабочих сред (параллельный или перекрестный ток) и т.д.

11. Разработанное программное обеспечение позволяет решать целый класс ранее нерешаемых физико-технических задач, связанных с энерго- и ресурсосберегающей оптимизацией неравномерного тепломассообмена, в том числе: оценка влияния неравномерности профилей нескольких начальных параметров в произвольном сочетании на затраты энергии и других ресурсов, параметрическая оптимизация энерго- и ресурсосберегающего эффекта технологических операций при переменных режимных параметрах, исследование совместимости таких технологических операций, относящихся к различным типам в смысле усиления или ослабления энерго- и ресурсосберегающего эффекта при их одновременном применении и т.д.

12. Практическая значимость работы заключается в следующем. Разработанное программное обеспечение может быть использовано для энергодиагностики и оптимизации промышленных тепломассообменных установок, для выявления в них скрытого потенциала энерго- и ресурсосбережения. Операции, устраняющие неравномерность тепломассообмена, могут быть использованы при проектировании нового и при реконструкции действующего тепломассо-обменного оборудования. Математические модели неравномерного тепломассообмена позволяют находить новые энерго- и ресурсосберегающие операции, ранее не исследованные, в различных тепломассообменных аппаратах. Методика оценки энерго- или ресурсосберегающего эффекта оптимизирующих операций может быть использована применительно к другим методам энерго- и ресурсосбережения: утилизации вторичных энергетических ресурсов, интенсификации локального тепломассообмена, улучшению тепловой изоляции и др. Разработанные автором приемы оптимизации неравномерного тепломассообмена, математические модели и универсальное программное обеспечение внедрены в НПО «Химволокно», во Всесоюзном институте электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ), во Всесоюзном научно-исследовательском проектном институте «Теплопроект» (ВНИПИТеплопроект), в ЗАО «АСКОМ», в теплосети ОАО «Мосэнерго», в Государственном научно-исследовательском институте авиационных систем (ГОСНИИАС), в НТИЦ ЭТТ МЭИ, использованы в работах по научно-техническим программам «Новые методы и средства экономии энергоресурсов и экологические проблемы энергетики», «Конверсия и высокие технологии 1994 - 1996».

1. Арнольд В.И. Обыкновенные дифференциальные уравнения- М.: Наука, 1971,-239 с.

2. Байджанов Р., Данилов O.JL, Коновальцев С.И., Султанов О.Н. Оптимизация сушильной установки для штучных изделий Ашхабад, 1990 - 10 с-Деп. в НТЦ АН ТССР 23.03.1990, № 156-Ту.

3. Борель А. Линейные алгебраические группы: Пер. с англ.; Под ред. В.П. Платонова-М.: Мир, 1972 269 с.

4. Брунауэр С. Адсорбция газов и паров. В 2 т.: Пер. с англ.; Под ред. М.С. Дубинина. Т. 1.-М.: Госинлитиздат, 1948 784 с.

5. ВатсонГ.Н. Теория бесселевых функций. В 2 т.: Пер. с англ. Т. 1.-М.: Гос. изд-во иностранной литературы, 1949 798 с.

6. Гавриленков А.М. Развитие научных основ, создание и реализация методов и средств повышения эффективности конвективной сушки солода в высоком слое. Дисс. . докт. техн. наук-Воронеж: ВГТА, 1997.-466 с.

7. Гэдди С.Г., Айкс Б.У. Стоит ли спасать виртуальную экономику? Пер. с англ. // Рынок ценных бумаг 1998 - № 23 - 24 - С. 6 - 10.

8. Данилов О.Л. Научно-технические основы интенсификации и энергосбережения в сушильных установках: Дисс. в виде научного доклада . докт. техн. наук М.: МЭИ, 1996 - 39 с.

9. Данилов О.Л., Власенко С.А., Коновальцев С.И. Энергосбережение в сушильных установках // Промышл. энергетика,- 1990 № 10,- С. 45 - 47.

10. Данилов О.Л., Коновальцев С.И. Влияние неравномерности поля скоростей сушильного агента на энергетические затраты в ленточных сушилках // IV Бенардосовские чтения: Тез. докл. Всесоюз. науч.-тех. конф Иваново, 1989,-С. 104.

11. Данилов О.Л., Коновальцев С.И. Влияние неравномерности температуры окружающей среды на эффективность тепловой изоляции теплопроводов // Теплопроводность, теплоизоляция: Тез. докл. I Рос. нац. конф. по теплообмену,- М., 1994,- Т. 10 С. 81 - 85.

12. Данилов О.JI., Коновальцев С.И. Расчет инверсии интенсивности испарения в парогазовую смесь // Испарение, конденсация: Тез. докл. I Рос. нац. конф. по теплообмену М., 1994 - Т. 5- С. 51 - 56.

13. Данилов О.Л., Коновальцев С.И. Энергосберегающий эффект за счет кинетической оптимизации сушки / Вестн. Моск. Энерг. ин-та.- 1995,- № 1- С. 81-85.

14. Данилов О.Л., Коновальцев С.И. Энергосбережение в сушильных установках- М.: Изд-во МЭИ, 1997 18 с.

15. Данилов О.Л., Коновальцев С.И., Шаповалова Т.П. Энергосбережение в фильтрационных сушильных установках периодического действия // Рациональные пути использования вторичных ресурсов АПК: Тез. докл. Междунар. науч. конф-Краснодар, 1997-С. 174- 176.

16. Данилов О.Л., Леончик Б.И. Экономия энергии при тепловой сушке- М.: Энергоатомиздат, 1986 136 с.

17. Жукаускас А.А. Конвективный перенос в теплообменниках- М.: Наука, 1982,- 472 с.

18. Идельчик И.Е. Аэрогидродинамика технологических аппаратов. (Подвод, отвод и распределение потока по сечению аппаратов).- М.: Машиностроение, 1983.-351 с.

19. Извеков А.В., Коновальцев С.И., Данилов O.JL, Новиков А.В., Аль-бертинский Л.И. Потери тепла в вентилируемых каналах тепловых сетей / Теплоэнергетика- 1994 № 12 - С. 37 - 42.

20. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел АС. Теплопередача- М.: Энергия, 1975.-485 с.

21. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Ярко С.А. Интенсификация теплообмена в каналах,- М.: Машиностроение, 1990,- 206 с.

22. Кафаров В.В. Основы массопередачи М.: Высшая школа, 1972496 с.

23. Кириллин А.В., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика-М.: Энергоатомиздат, 1983.-416 с.

24. Ключников А.Д. Интенсивное энергосбережение и перспективные модели энергосберегающих и экологически безопасных производственно-технологических систем: Учеб. план учеб.-консульт. спец. курса для инженеров- М.: МЭИ, 1998.-4 с.

25. Комаров B.C. Адсорбенты и их свойства,- Минск: Наука и техника, 1977,- 248 с.

26. Коновальцев С.И. Оптимизация режимно-конструктивных параметров сушильных установок. Дисс. . канд. техн. наук.-М.: МЭИ, 1990.-202 с.

27. Коновальцев С.И. Повторное присоединение пограничного слоя в плоском диффузоре: Оптимизация процессов тепло- и массопереноса в аппаратах промышленной теплоэнергетики // Тр. ин-та / Моск. энерг. ин-т Сб. науч. тр. №239,- 1990-С. 51-58.

28. Коновальцев С.И. Прикладные программные средства для расчета процессов и аппаратов теплоэнергетики,- М.: Изд-во МЭИ, 1998,- 66 с.

29. Коновальцев С.И. Энерго- и ресурсосберегающая оптимизация неравномерного тепломассообмена в сушильных установках / Проблемы энергетики,- 1999,- № 9 10,- С. 27 - 35.

30. Коновальцев С.И. Энерго- и ресурсосберегающая оптимизация неравномерного тепломассообмена в технологических аппаратах / Проблемы энергетики 1999 - № 7 - 8 - С. 28 - 36.

31. Коновальцев С.И., Леончик Е.Б. Методика расчета кинетики конвективной сушки жома облепихи // Проблемы энергетики теплотехнологии в отраслях АПК, перерабатывающих растительное сырье: Тез. докл. Росс, науч.-тех. конф-М., 1997.-С. 157- 158.

32. Коновальцев С.И., Магтымов Г. Энергосбережение при сушке силь-ноусаживающихся материалов // Проблемы энергетики теплотехнологии в отраслях АПК, перерабатывающих растительное сырье: Тез. докл. Респ. науч.-тех. конф M , 1994.-С. 33 -35.

33. Коновальцев С.И., Магтымов Г., Назарклычев В., Худайбердиев Б.Х. Выбор критериев оптимизации термовлажностных установок Чарджев: Изд-воТГПИ, 1993,-38 с.

34. Коновальцев С.И., Шаповалова Г.П. Аналитический метод расчета оптических характеристик влажных материалов- М., 1996- 9 е.- Деп. в ВИНИТИ 23.03.1997, № Ю6-В97.

35. Красников В.В. Методы анализа и расчета кинетики сушки // Хим. пром.- 1979,- № 7,- С. 40-43.

36. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие.-М.: Энергоатомиздат, 1990,- 367 с.

37. Куц П.С., Ольшанский А.И. Некоторые закономерности тепловлаго-обмена и приближенные методы расчета кинетики процесса сушки влажных материалов Н Инж.-физ. журн 1977 - Т. XXXVIII - С. 1007 - 1014.

38. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред М.: Гостехтеориздат, 1957,- 532 с.

39. Леончик Б.И., Токарь Н.В., Громолин С.Л. Методические указания к выполнению НИРС и УИРС по курсу «Зерносушение»: Моделирование на ЭВМ тепломассообменных процессов при сушке зерна,- М.: МТИПП, 1986 40 с.

40. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа,- М.: Наука, 1970,- 904с.

41. Лыков А.В. Теория сушки 2-е изд., испр - М.: Энергия, 1972 - 470с.

42. Лыков А.В. Теория теплопроводности,- М.: Высшая школа, 1967600 с.

43. Лыков M.B. Сушка в химической промышленности.- М.: Химия, 1970.-432 с.

44. Макдоннелл K.P., Брю СЛ. Экономикс: Принципы, проблемы и политика. В 2 т.: Пер. с англ. 11-го изд. Т. 1,- М.: Республика, 1993.- 399 с.

45. Маркус М., Минк X. Обзор по теории матриц и матричных неравенств: Пер. с англ.- М.: Наука, 1972 232 с.

46. Методические рекомендации по комплексной оценке эффективности мероприятий, направленных на ускорение научно-технического прогресса / ГКНТ СССР, АН СССР,- М.: Изд-во АН СССР, 1988,- 17 с.

47. Методические рекомендации по математическому моделированию процесса сушки и охлаждения зерна в установках плотного слоя / A.B. Демин, Ю.В. Есаков, Н.Э. Мильман, Т.А. Ананьева,-М.: ВИЭСХ, 1977 44 с.

48. Михалас Д. Звездные атмосферы. В 2 т.: Пер. с англ. под ред. В.В. Иванова. T. 1.-М.: Мир, 1982,- 352 с.

49. Михеев М.А. Основы теплопередачи М.: Госэнергоиздат, 1956392 с.

50. Морс Ф.М., Фешбах Г. Методы теоретической физики. В 2 т.: Пер. с англ. T. 1.-М.: Иностранная литература, 1958.-930 с.

51. Мотулевич В.П., Жубрин C.B. Численные расчеты теплообменного оборудования-М.: Изд-во МЭИ, 1989 78 с.

52. Невенкин СЛ. Сушене и сушилна техника,- София: Техника, 1988,300 с.

53. Новиков И.И. Термодинамика-М.: Машиностроение, 1984 592 с.

54. Ортега Д., Рейнболдт В. Итерационные методы решения нелинейных систем уравнений со многими неизвестными: Пер. с англ.; Под ред. Э.В. Верш-кова.-М.: Мир, 1975 558 с.

55. Основные формулы физики: Пер. с англ.; Под ред. Д. Мензела М.: Иностранная литература, 1957 - 657 с.

56. Патанкар C.B. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости: Пер. с англ.-М.: Энергоатомиздат, 1984 130 с.

57. Перельман И.Я. Занимательная физика. В 2 т. Т. 2. Изд. 18-е, стереотип- М. : Наука, 1968 263 с.

58. Программно-методическое обеспечение для оптимизации сушильных установок и другого тепломассообменного оборудования / С.И. Коновальцев // Отчет по НИР 1240930, 1994, Гос. per. № 01930010376, Инв. № 02940004442,44 с.

59. Проектирование, монтаж и эксплуатация тепломассообменных установок: Учеб. пособие для вузов / А.М. Бакластов, В.А. Горбенко, П.Г. Удыма: Под ред. А.М. Бакластова-М.: Энергоиздат, 1981.-336 с.

60. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника (Справочник) / Под общ. ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина М.: Энергоатомиздат, 1983 - 552 с.

61. Промышленные тепломассообменные процессы и установки: Учебник для вузов / А.М. Бакластов, В.А. Горбенко, О.Л. Данилов и др.; Под ред. А.М. Бакластова-М.: Энергоатомиздат, 1986 328 с.

62. Сергиевский Э.Д. Разработка методов расчета и управления тепломассообменом и гидродинамикой в промышленных теплотехнологических и энергетических установках при наличии внешних воздействий. Дисс. . докт. техн. наук.-М.: МЭИ, 1984,- 380 с.

63. Серр Ж.-П. Алгебраические группы и поля классов. Пер. с франц.; Под ред. С.П. Демушкина.-М.: Мир, 1968.-285 с.

64. Серр Ж.-П. Алгебры Ли и группы Ли. Пер. с англ. и франц.; Под ред. А.Л. Онищика М.: Мир, 1969.-375 с.

65. Смагин В.В. Использование нестационарного энергоподвода для интенсификации процесса сушки плоских материалов. Дисс. . канд. техн. наук,-М.: МЭИ, 1984- 147 с.

66. Соболев С.Л. Уравнения математической физики,- М.: Гос. изд-во технико-теоретической литературы, 1954,-444 с.

67. Сполдинг Д.Б. Конвективный массоперенос. Пер. с англ. З.П. Шуль-мана -М Л.: Энергия, 1965 - 384 с.

68. Справочник по специальным функциям с формулами, графиками и математическими таблицами: Пер. с англ.; Под ред. М. Абрамовича, И. Сти-ган М.: Наука, 1979 - 830 с.

69. Справочник по теплообменникам. В 2 т.: Пер. с англ.; Под ред. Б.С. Петухова, В.К. Шикова. Т. 1.-М.: Энергоатомиздат, 1987 560 с.

70. Степанов В.В. Курс дифференциальных уравнений М.: Гос. изд-во физико-математической литературы, 1958.-465 с.

71. Сумятов В.А. Сушка и увлажнение лубоволокнистых материалов-М.: Легкая индустрия, 1980 336 с.

72. Фиников С.П. Дифференциальная геометрия- М.: Изд-во МГУ, 1961,- 160 с.

73. Харди Г.Г., Литтльвуд Д.Е., Полна Г. Неравенства: Пер. с англ.- М.: Гос. изд-во иностранной литературы, 1948.-456 с.

74. Хемминг Р.В. Численные методы для научных работников и инженеров: Пер. с англ.; Под ред. P.C. Гутера 2-е изд., испр.- М.: Наука, 1972 - 400 с.

75. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование: Пер. с англ.; Под ред. М.Л. Быховского- М.: Мир, 1975 304 с.

76. Хомченко Н.В. Расчетно-экспериментальное исследование процессов во вращающихся сушильных установках бытового и промышленного назначения. Дисс. . канд. техн. наук.-М.: МЭИ, 1999 160 с.

77. Цой П.В. Методы расчета задач тепломассопереноса М.: Энерго-атомиздат, 1984.-416 с.

78. Четыркин Е.М. Методы финансовых и коммерческих расчетов,- 2-е изд., испр. и доп.- М.: «Дело Лтд», 1995 320 с.

79. Шаповалова Г.П. Оптимизация кинетики сушки в фильтрационных сушильных установках периодического действия. Дисс. . канд. техн. наук-М.: МЭИ, 1998.- 176 с.

80. Шаргут Я., Петела Р. Эксергия: Пер. с польск М.: Энергия, 1968280 с.

81. Шевалле К. Теория групп Ли. В 3 т.: Пер. с англ. Д.А. Райкова, пер. с франц. Л. А. Калужнина. Т. 1- М.: Иностранная литература, 1948. 315 с.

82. Шервуд Т., Пигфорд Р., Уилки Ч. Массопередача. Пер. с англ.; Под ред. В.А. Малюсова.-М.: Химия, 1982 696 с.

83. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. Пер. с нем. Г. А. Вольпер-та. 3 -е изд.- М.: Наука, 1974 712 с.

84. Batchelor G.K. On the Concept and Properties of the Idealized Hydrody-namic Resistance, Australian Council for Aeronautics, Rep. A. C. A., 1945, vol. 13, 20 P

85. Berg W.F., Berg J.L. Flow Patterns for Isothermal Condensation in One-Pass Air-Cooled Heat Exchangers, Heat Transfer Engineering, 1980, vol. 1, No. 4, pp. 21-31.

86. Clodic D., Wen C., Sergievsky E., Khomtchenko N. Calculation of Hy-drodynamic and Heat and Mass Exchange in Cylindrical Rotating Chamber. The 11th Int. Heat Transfer Congress, Kyongju, v. 4, pp. 325 329, 1998.

87. Danilov O.L., Konovaltsev S.I. Drier Designing with Due Regard for the Effect of Drying Rate Non-Uniformity. The Jubilee 10th Int. Congr. Chemical Engineering, Chemical Equipment, Design and Automation, Praha, p. 91, 1990.359

88. Danilov O.L., Konovaltsev S.I., Serov R.A., Vlasenko S.A. Drying Intensified with Dissimilar Technological Expedients. Int. Conf. Heat and Mass Transfer in Technological Processes, Jurmala, pp. 43 45, 1991.

89. Danilov O.L., Konovaltsev S.I., Serov R.A., Vlasenko S.A. Increasing the Efficiency of Non-Uniform Drying. Int. Conf. Heat and Mass Transfer in Technological Processes, Jurmala, pp. 45 47, 1991.

90. Danilov O.L., Konovaltsev S.I., Serov R.A., Vlasenko S.A. The Action of Drying Agent Properties on Drying Rate. Int. Conf. Heat and Mass Transfer in Technological Processes, Jurmala, pp. 17-19, 1991.

91. Spalding D.B. Numerical Modeling of Fluid-Mechanics, Heat-Transfer and Mass-Transfer Processes: A Lecture Course, Imperial College, Mech. Eng. Dept., Heat Transfer Section Report, 1980.

92. Spalding D.B. A General Purpose Programme for Multidimensional One-and Two-Phase Flows, Math. And Computer in Simulation, 1984, vol. 23, pp. 267 -276.

93. Thermique industrielle optimisation énergétique d'un séche-linge. CENERG ESSWEIN, Étude dirigée par Denis Clodic, Septembre - Octobre 1995.

94. Washing Machines, Driers and Dishwashers, Final Report CTTN IREN (France), DEFU (Denmark), SWOKA (Netherlands). Van Holstein en komma (Netherlands). Vol. II and III. June 1995.

95. Yochida T., Hyodo T. Evaporation of Water in Air, Humid Air, and Superheated Steam, Ind. Eng, Chem. Process. Des. Develop., 1970, v. 9, pp. 207 212.