автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Разработка рациональной системы энергоиспользования в производстве химических волокон

л ■; V и

На правах рукописи

БОРИ('"Р КОНСТАНТИН БОРИСОВИЧ

РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ЗНЕРГОИСПОЛЬЗОВАНИН В ПРОИЗВОДСТВЕ ХИМИЧЕСКИХ ВОЛОКОН

Специалъкость 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

Автореферат диссертации на соискание ученой ст«прни кандидата технических наук

Москва - 1НУП г

ь т

РаОота выполнена на кафедра " Промышленные т"н.лочнергети-ические системы " Московского Энергетического Института (Технического Университета).

Научный руководитель: к.т.н., доцент Шелгинокий А.Я.

Официальные оппоненты: д.т.н., профессор Летчик К И.

к.т.п., доцент Гурьева Л.Н.

Ведущая организация: АООТ "НПО ТЕХЭНЕРГОХИМПРОМ"

105318. г.Москва, ул.Щербаковская. д.З

Защита состоится " 17 " ноября 1995 г. в аудитории Г - 410 в </6 час. оо мин. на заседании Диссертационного Совета К.053.16.03 Московского Энергетического Института (Технического Университета).

Отрывы в двух экземплярах , заверенные печатью , просим присылать по адресу: 111250, г. Москва. Красноказарменная ул., д.14. Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института

Автореферат разослан "3 5x1995 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ ДИССЕРТАЦИОННОГО СОВЕТА к.х.н., доцент я.Л. Филиппов

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Задачи рационального использования энергоресурсов и охраны природы приобретают все большее значение из-за прогрессирующего истощения топливо-энергетических ресурсов планеты и возрастающего аагрязнения окружающей среды.

Эти проблемы особенно остро стоят в производстве химических (и прежде всего в производстве вискозных) волокон - одного из самых знерго-и-материалоемких в химический промышленности. Так например, на выпуск 1т.готовой вискозной продукции расходуется 3-5 тонн сырья и вспомогательных материалов; 80-130 ГДж теплоты; 400-800 м3 воды; 1500-6000 кВт-ч электроэнергии.

В тоже время, в ходе технологического процесса производства 1т. вискозного волокна, с парами вторичного вскипания вакуум-выпарных аппаратов и вакуум-кристаллизационных установок, с паро--воэдушной смесью от установок непрерывного обезвоздушивания и сушилок, отводится 43-62 ГДж теплоты в виде низкопотенциальных ВЭР. Одновременно в окружающую среду поступает 100-170 м3 сточных вод, содержащих серную кислоту и сульфаты металлов.

Анализ работ, посвященных совершенствованию технологии производства вискозного волокна, показал, что вопросам эффективного использования энергоносителей и снижения энергетических потерь в технологическом процессе не уделяется должного внимания.

Одним из перспективных направлений повышения энергетической эффективности производства вискозного волокна является создание высокоэффективных эн&рготехнологических систем использующих в технологических процессах низкопотенциальные ВЭР1 и снижающих при этом потребление первичных энергоресурсов и охлаждающей воды.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является разработка методики синтеза высокоэффективной энерготехнологической системы производства ВИСКОЗНОГО волокна . которая обеспечивает эффективное использование энергоносителей (при минимальном потреблении их из внешних систем) и создает режимы протекания технологических процессов , являющихся оптимальными для технологии и энергетики производства.

Для достижения'поставленной цели решены следующие задачи:

- собран и проанализирован большой статистический материал по энерго-, водо- и материалопотреблению в технологическом процессе производства вискозного волокна;

- определен наиболее энергоемкий, но энергетически малоэффектив-

ный объект (кислотная станция);

- проведен термодинамический анализ энерготехнологической системы кислотной станции. Термодинамический анализ позволил выявить причины возникновения энергетических потерь в элементах кислотной станции., а также определить способы их сокращения;

- синтезирована новая , более совершенная энерготехнологическая система кислотной станции;

- получены апроксимирующие зависимости изменения теплофизических свойств раствора осадительная ванна (плотность , теплоемкость . растворимость компонентов) от изменений температуры и состава;

- разработана математическая модель синтезированной энерготехнологической системы кислотной станции с выявлением критериев эффективности ее работы;

- проведены расчетные исследования синтезированной энерготехнологической системы кислотной станции, применительно к условиям работы ныне действующих вискозных производств. Расчетные исследования позволили определить оптимальные режимы работы и оптимальную структуру синтезированной энерготехнологической системы;

- проведено технико-экономическое сравнение синтезированной энерготехнологичеокой системы кислотной станции с существующей.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ заключается в следующем:

- проведен термодинамический анализ энерготехнологической системы кислотной станции , позволивший выявить источники и причины возникновения энергетических потерь в исследуемом объекте, а также определить направления и способы их сокращения;

- разработана методика синтеза более эффективной энерготехнологической системы кислотной станции;

- синтезирована новая, высокоэффективная энерготехнологическая система кислотной станции;

- впервые разработана математическая модель синтезированной энерготехнологической системы кислотной станции, учитывающая взаимовлияние отдельных ее элементов во взаимодействии с потребителем технологического раствора осадительная ванна, теплоутилизационными установками и внешним источником энергоснабжения;

- выявлены оптимальные режимы работы и оптимальная структура синтезированной энерготехнологической системы кислотной станции.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ состоит в следующем:

- разработана методика синтеза высокоэффективной энерготехнологической системы кислотной станции, которая может использоваться

для повышения энергетической эффективности работы аналогичных энергетически малоэффективных производств;

- разработанные алгоритм расчета и математическая модель синтезированной энерготехнологической системы кислотной станции могут использоваться при составлении энергобаллансов существующих производств вискозных волокон;

- выявленные оптимальные режимы работы и оптимальная структура синтезированной энерготехнологической системы кислотной станции могут использоваться при проектировании новых и реконструкции ныне действующих вискозных производств.

Реализация результатов работы позволит:

- сократить расход топлива в котельной внешнего источника энергоснабжения кислотной станции на 33-60%;

- сократить расход воды , подаваемой на кислотную станцию для конденсации паров вторичного вскипания вакуум-выпарных аппаратов, на 62-100%;

- получить экономический эффект в размере 925-1790 млн.руб/год (по ценам на 1-ый квартал 1995 года) со сроком окупаемости капитальных вложений в синтезированную энерготёхнологическую систему кислотной станции до 1.1 года.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ, Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международном симпозиуме " Экологическое строительство и образование ". Москва, 1994 г.; на семинаре-совещании " Учет тепловой энергии и теплоносителя ", Самара, 1995 г. ; на заседаниях кафедры " Промышленных теплоэнергетических систем " Московского Энергетического Института

- Технического Университета в период с 1992 по 1994 г.

ПУБЛИКАЦИИ. Результаты исследований опубликованы в пяти печатных работах.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения. Изложена па 148 страницах основного текста, содержит 36 рисунков и 29 таблиц. Список литературы состоит из 70 наименований.

• ОСНОВНОЕ Cl ¡ДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы и основные положения . вынсоимые па защиту, а также приводятся дополнительные сведения по работе.

ПЕРВАЯ ГЛАВА посвящена описанию и анализу технологического процесса производства вискозного волокна; дана оценка современного состояния энергопотребления на этапах технологического процесса; выявлен наиболее энергоемкий, но энергетически малоэффективный объект (кислотная станция) и. применительно к нему, конкретизируется задача создания более совершенной энерготехнологической системы.

Анализ энергопотребления на каждом из этапов производства вискозного волокна (приготовления вискозы, подготовки вискозы к формованию , формования волокна из вискозы . отделки и сушки волокна, текстильной обработки волокна) установил , что лидирующее положение в энергообеспечении технологических процессов занимают следующие энергоносители:

1.Пар, который расходуется на регенерацию раствора ос-адительная ванна, подогрев отделочных растворов, сушку волокна, создания вакуума в установках непрерывного обезвоздушивания, подогрев растворов гидроксида натрия и сероуглерода.

2.Вода, которая используется для приготовления отделочных растворов, конденсацию паров вторичного вскипания, темперирования технологических операций.

3.Электроэнергия, расходуемая на привод насосов и центрифуг.

Вместе с тем , технологические процессы производства вискозного волокна сопровождаются значительными потерями теплоты (с парами вторичного вскипания вакуум-выпарных аппаратов и вакуум-кристаллизационных установок, с паро-воздушной смесью от установок непрерывного обезвоздушивания и сушилок.).

Наибольшее теплопотребление (более 50%) приходится на этап формования волокна и сопутствующей ему вспомогательной стадии регенерации раствора осадительная ванна, причем более 70Z подведенного тепла теряется с энерготехнологическими потерями теплоты. Большая энергоемкость и низкая энергетическая эффективность технологических процессов этапа формования позволили выделить их в отдельный объект для изучения и совершенствования.

Этап формования волокна из вискозы оказывает решающее влияние на структуру и свойства конечного готового продукта. Вискозные волокна всех видов формуют обычно "мокрым" способом. По этому способу волокно образуется в процессе взаимодействия вискозы с компонентами раствора осадительная ванна (ОВ) .

ОВ - водный раствор серной кислоты и сульфатов металлов

- ? "

(оОычно натрия и цинка), содержание компонентов которого меняется в широких пределах и зависит от вида выпускаемого волокна.

В процессе формования вискозных волокон происходят следующие химические•реакции:

- нейтрализация гидроксида натрия, входящего в состав вискозы.

2ИаОН + Н2304 = Маг304 + 2Н20 (1)

- разложение ксантогената целлюлозы, содержащегося в вискозе и регенерация целлюлозы ((СбНю05)х) в виде волоко; или нитей.

(СбНдОрОЭ)* + хН?Б04 = (СбНюОр)х + хЫаН504 + хСЗй (2)

ЗИа

В реаультате химических реакций (1) и (2) в раствор ов поступает вода и сульфат натрия. Одновременно раствор ОВ теряет серную кислоту и уносимый волокном сульфат цинка.

Для регенерации и повторного использования раствора ОВ необходимо удалить избытки воды и сульфата натрия, а также добавить серную кислоту и сульфат цинка.

На современных производствах вискозных волокон регенерация раствора ОВ осуществляется на кислотных станциях (КС). Технологическая схема КС приведена на рис.1А. КС включает в себя два контура:

- выпаривания, где осуществляется подогрев раствора ОВ и удаление избыточной воды с использованием вакуум-выпарных аппаратов:

- кристаллизации, где осуществляется удаление избыточного сульфата натрия с использованием вакуум-кристаллизационных установок.

Для обеспечения работы КС расходуется свыше 40 ГДж теплоты на 1 тонну произведенного волокна, причем более 30 ГДж этой теплоты теряется с парами вторичного вскипания вакуум-выпарных аппаратов и кристаллизационных установок. Одновременно для конденсации этих паров расходуется до 300 м3 охлаждающей воды.

Уменьшить потери теплоты и одновременно сократить расходы рабочего пара и охлаждающей воды возможно путем синтеза более эффективной энерготехнологической системы КС, в которой используется теплота паров вторичного вскипания в технологических процессах регенерации раствора ОВ и создаются режимы протекания этих процессов оптимальные для технологии и энергетики производства.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ приведен термодинамический анализ существующей энерготехнологической системы КС и . на основе рго результатов, определены направления и способы сокращения энергетических потерь в элементах кислотной станции; разработана методика сип

А

Пар

охлаждающая воЬа

раствор ОВ

на. «ворсование 1

а

канализацию

(мЮ ч

_ ___г г охлаждающая

Г ,'л \ во^а

хстбор 00 после орор/чобания

мсх.точ.цый

'раствор 0В

Д'Р

раствор ОВ

на орормоваиие

пар -2. пар

-схН

СНгЩ ) (т^о, )

Т | --- разбор

ов нос

крттсимч^Ацию -

растбор ОВ «осле орормования

маточ.нми

растбйр

Рис.1. Технологическая схема кислотной станции (пунктиром обозначены элементы, которые могут присутствовать в схеме или отсутствовать) . А - существующая; Б - синтезированная. 1.Бак-смеситель; 2.Подогреватель осадительной ванны; 2Р.Охладитель упаренного раствора ОВ; 2П, ЗП.Предвключенные подогреватели; 3.Подогреватель выпарного отделения; 4.Вакуум-выпарной аппарат; 5.Охладитель осадительной ванны; 6.Вакуум-кристаллизационная установка; 7.Конденсаторы смешения; 8.Пароструйный эжектор; 9.Паровой компрессор.

теза новой, более эффективной энерготехнологической системы КС.

При синтезе и оптимизации энерготехнологических систем в качестве критерия эффективности работы системы целесообразно использовать эксергетический КПД, а в качестве метода исследования

- термодинамический анализ. Использование термодинамического метода анализа и эксергетического КПД позволяет синтезировать эффективные системы и выявлять оптимальные режимы энергосбережения на основе учета действий только законов термодинамики, не связывая полученные результаты с изменением экономических условий.

При проведении термодинамического анализа процессов и з.ле ментов КС определялась величина полной эксергии (Е = ЕфИ?+ ЕХИм).

Для однокомпонентных веществ полная эксергия вычислялась по выражению:

Е = Gi-Cpi-[(Ti - Toc) - Toc-In ¡Г 3 + —-R-Toc-ln

« oc m i » ос

т - т

• с eni + п т ос • (dnl - ещ) 1 (3)

G- Р

Для твердых и жидких веществ комплекс —L • R-T0c•In —-

Mi Рос

принимался равным нулю.

Для многокомпонентных растворов, циркулирующих в элементах

КС, полная эксергия вычислялась по выражению:

i=n Т, Тп-Тос

Е = L G, -<сР1 • С СТj-Toc) ~ Toc ln--] + em+----(<1ni-em)> +

i=l Toc Tn

i=n

+ R-Toc-S ni•lnXj (4)

i = l

где: ЕфИЭ и ЕХим - физическая и концентрационная химическая эксергия вещества; Toc и Рос _ абсолютная температура и давление окружающей среды; R - универсальная газовая постоянная; G,. cPi. Ti, Pi, М4, eni, dni. ni, Xi - расход, теплоемкость, абсолютная температура, давление, молекулярная масса, нормальная химическая эксергия, энтальпия девальвации, количество киломолей и мольное содержание вещества (компонента раствора); Тп - абсолютная температура, при которой определялись нормальная химическая эксергия и энтальпия девальвации вещества (компонента раствора): п -

- количество компонентов раствора.

В энерготехнологической системе КС , суммарные потери эксергии (Е Dkc) складываются из потерь эксергии в ее элементах:

£ DKC = Djiob + DHBO + DOOB + DBKy + Dec + DBBa (5)

где: Опов. 0П6о, D0ob. Овку. Dec, DBBa - потери эксергии в подогревателях осадительной ванны и выпарного отделения, охладителе осадительной ванны . вакуум-кристаллизационной установке , баке-смесителе и вакуум-выпарном аппарате.

Эксергетический КПД для элементов (или системы) КС определялся по выражению:

у рЕЫХ __ рТР у рВЫХ гтр

" ММ1Э ЬфИЭ + Г-ХИМ - П.ХИМ

у рВХ _ рТР , г рВХ рТР

U ПфИЭ (^ФИЗ f <- Ьхим " г-хцм

где: L Ефиэ.. Е Ехйм. Е Ефиэ- £ - суммарная физическая и химическая эксергия вещества на входе и выходе элемента (системы): Ефиэ и Ехим - физическая и химическая эксергии вещества, прошедшего через элемент (систему) без изменения (транзитом).

С использованием выражений (3) - (6) определялись потери эксергии и эксергетические КПД элементов энерготехнологической системы КС. Результаты расчета одного из режимов работы КС производства вискозной текстильной нити даны в таблице 2.

Таблица 2.

Потери эксергии и эксергетические КПД аппаратов и установок КС

N п/п Наименование аппарата или установки КС Потери эксергии. ГДж/т.готовой продукции Эксергетический КПД.%

Внешние Внутренние

1 Бак-смеситель 0.01 0.134 . 73

г Подогреватель осадительной ванны 0.13 2.859 45

з Подогреватель выпарного отделения 0.3 2.714 50

4 Вакуум-выпарной аппарат 1.88 2. 164 45

5 Охладитель осадительной ванны 0.038 0.05 32

6 Вакуум-кристаллизационная установка 0.47 0.667 31

Суммарные потери эксергии в элементах КС (Е 0КС) равны 11,416 ГДж/т.готовой продукции, а эксергетический КПД энерготехнологической системы КС (Пе.кс) составляет 0.27 (27%).

Анализ полученных результатов показывает, что наибольшие потери эксергии возникают в вакуум-выпарном аппарате (35.4% от Е Оке) . подогревателях выпарного отделения (26.4% от £ 0КС) и осадительной ванны (26.2% от £ 0кС). В подогревателях КС основные потери эксергии (более 90%) связаны с необратимостью процессов- теплообмена (завышенное давление рабочего пара). В вакуум-выпарном аппарате значительную долю (46%) составляют внешние потери эксергии , обусловленные отводом паров вторичного вскипания в окружающую среду.

Таким образом, термодинамический анализ действующих КС определил основные направления их энергетического совершенствования: - использование для подогрева раствора 0В нагревателя с более низкими параметрами , чем применяемый рабочий пар (давление 0.32 МПа , температура насыщения 135*С);

синтез новой энерготехнологической системы КС, в которой ис-полъвуется энергетический потенциал отводимых паров вторичного вскипания для технологических процессов регенерации раствора 0В.

В современных энерготехнологических системах КС не предусмотрена возможность использования теплоты конденсации паров вторичного вскипания, т.к. параметры вторичного пара (давление 0.01 гаДа, температура насыщения 45 *С) ниже параметров раствора ОВ. Поэтому, целесообразно повышать параметры отводимых паров вторичного вскипания и использовать их для нагрева раствора ОВ.

На рис.1Б представлена синтезированная технологическая схема КС, в которой используются повышенные энергетические потенциалы вторичных паров и упаренного раствора ОВ. Предложены следующие спосоСы повышения энергетического потенциала вторичных паров:

1. Поддержание в вакуум-выпарном аппарате более высокого давления. Это позволит использовать теплоту упаренного раствора ОВ (в баке-смесителе и охладителе 2Р) и теплоту части паров вторичного вскипания (в подогревателе 2П). Недостаток данного способа в том , что невозможно использовать в технологических процессах все вторичные пары и часть их отводится в окружающую среду.

2. Поддержание в вакуум-выпарном аппарате более высокого давления и одновременное^ подключение теплоутилизационной установки (пароструйного эжектора или парового компрессора), которая дополнительно повышает энергетический потенциал паров вторичного вскипания. После теплоутилизационной установки (ТУУ) пары вторичного вскипания поступают в подогреватель 311 и нагревают раствор ОВ.

направляемый на выпаривание. При этом способе возможно использовать все вторичные пары для регенерации раствора ОВ.

Дополнительно, для повышения энергетической эффективности работы КС, маточный раствор ОВ после кристаллизации (с температурой 8-10 вС) направляется в охладитель осадительной ванны. В охладителе осадительной ванны, маточный раствор ОВ охлаждает раствор ОВ, идущий на кристаллизацию до температуры 25-20*С. Это исключает внешние потери эксергии в охладителе осадительной ванны, связанные с отводом нагретой воды в окружающую среду.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ рассматривается математическая модель (ММ) синтезированной энерготехнологической системы КС , учитывающая взаимовлияние ее элементов во взаимодействии с потребителем раствора ОВ (формовочной машиной), ТУУ и внешним источником энергоснабжения КС. ММ включает в себя расчет материальных и энергетических балансов формовочной машины, контуров кристаллизации и выпаривания, дополненных определением поверхностей нагрева тепло-обменных аппаратов (ТА) КС и вычислением расхода топлива в котельной внешнего источника энергоснабжения КС.

При проведении расчета задаются следующие величины:

- расход (б_у!з), температура (О^э) и состав (количества ксан-тогената целлюлозы - г_кБап и гидроксида натрия - Б_па1) вискозы, подаваемой на формование;

- расход (в_оу), температура (1_оу) и состав (концентрации серной кислоты - К1_оу, сульфата натрия - К2_оу, сульфата цинка -кЗ_оу, воды - к4_оу) раствора ОВ, подаваемого на формование;

- доля раствора ОВ, уносимого волокном (Б_ип) и доля раствора ОВ, направляемого на выпаривание (п_уо);

- давление рабочего пара (Р_р), давление в вакуум-выпарном аппарате (Р_уа), давление в последней ступени кристаллизатора (Р_кг);

- количество ступеней кристаллизатора (ш);

- тип ТУУ (пароструйный эжектор или паровой компрессор);

- тип источника внешнего энергоснабжения КС (котельная или ТЭЦ);

На основании химических реакций 1 и 2, при расчете формовочной машины определяются количества серной кислоты (61_Г), сульфата натрия ((32_0, сульфата цинка (63_Г), воды (04_И и их концентрации (к!) в растворе ОВ после формования. 31_Г = П(к1_0У, ров, В_оу, е_У1з, в_к£;ап, Б_паи, (7)

= Г2(к2_ОУ, ров, £_у15, ё:_кзап, Е_паи. (8)

Ш Г - Г8(к4_0У, ров. й_кЕап, в_паи, (9)

G3_f = f4(k3_OV. ров, G ov), (10) kj= Gi/VOB (11)

4

где: V0B = C^GiJ/pos и pOB - обьем и плотность раствора OB.

Вычисляются количества серной кислоты (G_ck) и сульфата цинка ,(G_z), которые необходимо добавлять в раствор ОВ после формования. Рассчитываются избыточные количества сульфата натрия (G_n) и воды (Dv_vp), которые необходимо удалять из раствора ОВ, после формования. Определяются расход (Gv_ov) и температура (t_v) раствора ОВ, возвращаемого на КС.

При расчете контура кристаллизации, по давлению P_kr определяется температура раствора ОВ в последней ступени кристаллизатора (t_kr). Затем вычисляется расход раствора ОВ , подаваемого в контур кристаллизации (G_kr).

G_kr = f5(G_n, k2j, ров, R_n) (1?.)

где: R_n = 0.0470Я t (0.?R763 * 0.03954 ■ t kr )• (kl ¡/рОР) ' O.OOOiTi •(t_kr)z - растворимость сульфата натрия в растворе ОВ; kl, и k2i

- концентрации серной кислоты и сульфата натрия в растворе ОВ. Определяются расходы воды, выводимой в контуре кристаллизации с. вторичным паром (Dv_kr) и с избыточным сульфатом натрия (Dn_kr). Рассчитываются технологические (расход, концентрации компонентов, плотность) и энергетические (температура, теплоемкость) характеристики раствора ОВ в каждой точке контура кристаллизации. Вычисляется расход рабочего пара на пароструйные эжрктора вакуум-кристаллизационной установки (Dp_kr).

При расчете контура выпаривания определяется расход воды, выводимой в вакуум-выпарном аппарате (n_vp = Dv vp - Dv_kr -

- Dp_kr). Вычисляются технологические (расход, концентрации компонентов, плотность) и энергетические (температура, теплоемкость) характеристики раствора ОВ в каждой точке контура выпаривания. Рассчитываются расходы рабочего пара на подогреватели осадитель-ной ванны (D_ov) и выпарного отделения (D_vo). Определяется количество охлаждающей воды, подаваемой для конденсации паров вторичного вскипания вакуум-выпарного аппарата (WSUm = 30-(D_vp -

- D3_vp)/p„, где: D3_vp - количество вторичного пара, направляемого в подогреватель. 2П; рв - плотность воды).

При расчете ТУУ определяются расход вторичного пара, направляемый в эжектор или компрессор (D_k = D_vp - D3_vp) и его параметры после сжатия (давление Р_п и температура насыщения t п). Вычисляются степень сжатия вторичного пара в ТУУ (e_s = P_n/P_va)

и расход энергоносителя, необходимого для привода ТУУ. Если ТУУ -пароструйный эжектор, то рассчитывается расход рабочего пара на его привод (D_k/u2, где u2 = f6(P_va. Р_р. Pjn) - коэффициент ин-жекции пароструйного аппарата). Если ТУУ - паровой компрессор, то определяется мощность привода (N_e).

Для расчета процессов формования, кристаллизации, выпаривания и подогрева необходимо знать плотность и теплоемкость раствора ОВ при рабочих температурах этих процессов. С использованием методики , предложенной Эйфером И.З. и Рудовой Г.А. разработана модель расчета плотности раствора ОВ с учетом взаимодействий каждого компонента раствора с водой (контракция объема Vxi) и между собой (ДУ).

э э зэ

Pop = Рв ' ( l + ^k./рв -^(ki/pj) " ^AV ) (13)

Теплоемкость раствора ОВ (с0в) вычисляется по выражению: с0в= (klj/ров)-c_ck+(k2i/p0B)-c_n+(k3i/poB)-c_2t(k4i/p0B)-св (14) где: pi - плотность компонента; c_ck, c_n. c_z. ce - теплоемкости серной кислоты, сульфата натрия, сульфата цинка и воды.

Работа синтезированной энерготехнологической системы КС оценивалась по следующим критериям эффективности: 1.Эксергетический КПД энерготехнологической системы КС (т»е.кс);

2.Суммарное количество теплоты, подаваемое с рабочим паром на КС (Qsum = £ Q . где Q - тепловая нагрузка каждого потребителя рабочего пара на КС)

3.Количество охлаждающей воды, подаваемой на КГ! для конденсации паров вторичного вскипания вакуум-выпарного аппарата (Wsum) ;

4.Суммарная поверхность нагрева ТА КС (Fsum = L F , где F - поверхность нагрева каждого ТА КС);

5. Расход топлива в котельной внешнего источника энергоснабжения КС ( Bsum = (34.4 • Q.sum)/ (kpd__k • kpd_ts) );

- если в качестве ТУУ используется паровой компрессор , то: Bsum = (34.4•Qsum)/(kpd_k•kpd_ts)+(N_e•b_kes)/kpd_l, где: kpd_k-

- КПД котельной внешнего источника энергоснабжения КС; kpd_ts и kpd_l- коэффициенты, учитывающие потери тепла и электроэнергии в коммуникациях от источника внешнего энергоснабжения до КС; b_kes-

- удельный расход топлива на единицу отпущенной электроэнергии.

Разработанная ММ позволяет: исследовать изменение энергопотребления синтезированной энерготехнологической системой КС в зависимости от изменения вида выпускаемого волокна, составов вис-

козы и раствора ОВ, а •также при использовании теплоты конденсации вторичных паров вакуум-выпарных аппаратов по предложенной технологической схеме (см. рис.1Б); определять наиболее совершенную структуру и оптимальные режимы работы КС.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ представлены результаты расчетных исследо-•ваний, полученных в ходе адаптации разработанной ММ применительно к условиям работы существующих вискозных производств.

Проведены исследования работы контура кристаллизации синтезированной энерготехнологической системы КС. Определено влияние на потребление теплоты контуром кристаллизации (и всей КС) таких переменных как: давление в последней ступени кристаллизатора Р_кг (изменялось от 0.0008 до 0.002 МПа) и количество ступеней кристаллизатора т (изменялось от 1 до 4). Для различных видов вискозных волокон (текстильная нить, штапельное волокно, техническая нить) установлено, что минимум потребления теплоты контуром кристаллизации (и всей КС) создается при условиях: Р_кг » 0.0014 МПа, ш=4(текстильная нить); Р_кг = 0.0012 МПа, ш=4 (штапельное волокно); Р_кг = 0.0011 МПа, ш=4 (техническая нить).

Для выявления оптимальных режимов работы и структуры КС, проведены расчетные исследования контура выпаривания синтезированной энерготехнологической системы . Исследования проводились для следующих вариантов: повышение давления в вакуум-выпарном аппарате без подключения ТУУ; повышение давления в вакуум-выпарном аппарате с одновременным подключением пароструйного эжектора (или парового компрессора). Рассмотрено влияние на энергопотребление КС таких переменных как: давление паров вторичного вскипания вакуум-выпарного аппарата Р_уа (изменялось от 0.01 до 0.09 МПа) и доля раствора ОВ, направляемого на выпаривание п_уо (изменялась от 0.до О.45).

В варианте работы контура выпаривания без подключения ТУУ, повышение давления Р_уа приводит к тому, что из-за возрастания энергетического потенциала упаренного раствора ОВ из синтезированной технологической схемы КС (рис.1Б) исключается подогреватель осадительной ванны. Также, в этом случае исключаются подогреватель ЗП , пароструйный эжектор и паровой компрессор. Зкг.ор-гетический КПД синтезированной энерготехномогическэй системы КС (Не. кс) возрастает до 36%, (за счет устранения потерь эксергии в подогревателе осадительной ванны и использовании части вторичных паров для регенерации раствора ОВ). Расход топлива в котельной

внешнего источника энергоснабжения КС (Вгит) снижается на 337., а количество охлаждающей воды , подаваемой для конденсации вторичных паров вакуум-выпарного аппарата (И^и,,,) сокращается на 627„.

Однако снижение потерь эксергии от необратимости процесса теплообмена в ТА и установка в КС новых элементов (охладителя 2Р , подогревателя 2П) приводит к росту суммарной поверхности нагрева ТА КС (Рзит)■ На рис.2 и ЗА показано изменение В5ит и Геит при работе контура выпаривания без подключения ТУУ.

Из графиков видно, что наибольшее снижение В:гит и наименьший рост Гзищ происходит при малых долях раствора ОВ, направляемого на выпаривание (п_уо = 0.15) и увеличения давления Р_уа до 0.03 МПа. Следовательно, можно однозначно говорить, что в варианте работы контура выпаривания без подключения ТУУ, целесообразно придерживаться малых расходов раствора ОВ, направляемого на выпаривание и повышать давление в вакуум-выпарном аппарате до 0.03 МПа.

В варианте работы контура выпаривания с подключением ТУУ, возможно использовать для регенерации раствора ОВ все вторичные пары вакуум-выпарного аппарата и, тем самым, полностью исключить потребление охлаждающей воды для их конденсации (Изиго). При подключении ТУУ , в технологической схеме КС кроме охладителя 2Р и подогревателя 2П устанавливаются подогреватель ЗП и пароструйный эжектор (или паровой компрессор). Наибольший эксергетический КПД синтезированной энерготехнологической системы КС (ле. кс= 46%) и наименьший расход топлива в котельной внешнего источника энергоснабжения КС (Вйищ снижается на 60%) достигаются при подключении пароструйного эжектора , когда на выпаривание направляются большие расходы раствора ОВ (п_уо= 0.45 и 0.3). Однако, при этом наблюдается значительный рост Рейт (рис.ЗБ). При малых долях раствора ОВ . направляемого на выпаривание (п_уо = 0.15) и при малых давлениях в вакуум-выпарном аппарате (до 0.05 МПа) применение пароструйного эжектора не дает положительного энергетического эффекта (ле, кс меняется от 13 до 2?Х , Врит увеличивается в 1.6 по сравнению с существующими КС). Для таких режимов работы контура выпаривания целесообразно подключать паровой компрессор , применение которого всегда дает положительный энергетический эффект (Пр. кс меняется от 33 до 43£. В;?ит сокращается на 24-56Х ).

Дана тестовая экономическая оценка эффективности работы синтезированной энерготехнологической системы КС. Целью экономической оценки являлось определение экономического эффекта от работы

шо

з

п ы

ГГЭ

с

О сО О

£ о «-о

ь;

Гг>

СО <

С

о £

8

о «£

?000

2000

¿000

ЗГ

^ Iе* ^ бар эбый иангщ

Х\" т 1 ' ' 1 '1 / |4- гг

\ ±

0.0;£ 0.05" аоэ

Давление 6 ёьтарном аппарате , ИГТа

Рис.2. Графики изменения расхода топлива в котельной внешнего источника энергоснабжения кислотной станции.

1. П_уо = 0.45; 2. п_уо = 0.3; 3. гм/о = 0.15.

-- - подключен пароструйный эжектор;

ВДТШШ .. подключен паровой компрессор; '/¡НИШ/ ~ кислотная станция работает без ТУУ.

а

со

о>

<н

6 3

■х X

г о •% 6 г

О о

X

И

с_

о) о

СО X

О с г

о

<

о

•з

о а:

X

<2-

6 со

X о

X у £

о 6

О—

о> 6

X с

X о» I С ё

а/

X

СУО

х>

О* з:

О з:

X а>

0 < 01 X. \Ю

г О о

5 «;

и с

О о)

X £ £

о

А

0.01

0.05

0.09

<0

У/ / 2

/ // / X • • / /

А ' 3-

'/у- '/У . / у / \зг

/ <

0.0{ О.о£ 0.09

Даблсние 6 8ьток.рном аппарате МПа.

Рис.3. Графики изменения суммарной поверхности нагрева теплооб-менных аппаратов кислотной станции.

А - без подключения ТУУ; В - при подключении ТУУ. 1. п_У0 = 0.45; 2. П_УО = 0.3; 3. п_У0 = 0.15.

------ подключен пароструйный эжектор;

---- подключен паровой компрессор;

-- кислотная станция работает без ТУУ.

синтезированной энерготехнологической системы КС (ДЭ) и срока окупаемости капитальных вложений в нее (Ток). Экономические расчеты проводились в ценах на энергоносители за 1-ый квартал 1995 года с учетом действующего на этот период коэффициента переоценки производственных фондов для предприятий вискозных волокон. ". При работе контура выпаривания КС без подключения ТУУ , ДЭ составляет 925-1086 млн.руб/год , ТСк меняется от 0.1 до 0.65 года. При использовании пароструйного эжектора ДЭ равно 509-1790 млн.руб/год , а Ток находится в интервале от 0.15 до 0.29 года. При подключении парового компрессора ДЭ составляет 804-1467 млн. руб/год , Ток изменяется от 0.68 до 1.1 года. Расчеты показали, что наибольший рост ДЭ достигается при повышении давления вакуум-выпарного аппарата Р_уа до 0.03 МПа. Дальнейшее увеличение давления Р_уа незначительно влияет на рост ДЭ. Почти во всех вариантах работы контура выпаривания минимальные Ток находятся в интервале давления Р_уа от 0.03 до 0.05 МПа.

Таким образом, тестовая экономическая оценка работы синтезированной энерготехнологической системы КС показала, что результаты расчетных исследований , основанные на оценке термодинамических и энергетических критериев(пе,кс, Ояит. Геит, Взит) подтверждаются экономической целесообразностью их реализации.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ изложены основные научные и практические результаты, полученные в диссертационной работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основе собранных статистических данных по энергог, водо- и материалопотреблению в технологическом процессе производства химических (вискозных) волокон, выделен наиболее энергоемкий, но энергетически малоэффективный объект - кислотная станция (КС) и, применительно к нему , конкретизирована задача создания более совершенной энерготехнологической системы.

2. Проведен термодинамический анализ существующей энерготехнологической системы КС, который выявил причины возникновения энергетических потерь в ее элементах. На основании результатов термодинамического анализа, разработана методика синтеза более совершенной энерготехнологической системы КС.

3. Синтезирована новая высокоэффективная энерготехнологическая кая система КС.

so -

4. Разработана математическая модель (ММ) синтезированной энерготехнологической системы КС с выявлением критериев эффективности ее работы.

5. Получены апроксимирующие зависимости изменения теплофизичес-ких свойств раствора осадительная ванна (плотность, теплоемкость, растворимость компонентов в растворе) от изменения его температуры и состава, которые используются в разработанной ММ синтезированной энерготехнологической системы КС.

6. Проведены расчетные исследования синтезированной энерготехнологической системы КС , которые позволили определить ее наиболее совершенную структуру и оптимальные режимы работы. Реализация результатов исследований позволяет: уменьшить расход топлива в котельной внешнего источника энергоснабжения КС на 33-60%; сократить расход воды , подаваемой на КС для конденсации паров вторичного вскипания вакуум-выпарных аппаратов на 62-100*; получить экономический эффект в размере 925-1790 млн.руб/год (по ценам за 1-ый квартал 1995 года).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Шелгинский А.Я., Борисов К.Б. Разработка рациональной схемы регенерации теплоты пара вторичного вскипания вакуум-выпарного аппарата.//Межвузовский научный сборник,- Саратов, 1993.-с.97-100

2. Борисов К.В., Шелгинский А.Я. Повышение энергетической эффективности работы кислотных станций на предприятиях по производству вискозных волокон.//Сб.науч.тр.N2 - М.: ТЭНЭК, 1993.- с,5-11

3. Борисов К.Б.. Шелгинский А.Я. Повышение экологической и энергетической эффективности производств вискозной продукции за счет рационализации системы извлечения сульфата натрия из отработанного технологического раствора.// Сб.науч.тр.- М.: МГСУ, 1994. - с.45-54

4. Борисов К.Б., Шелгинский А.Я. Некоторые аспекты повышения энергетической эффективности контура выпаривания технологического раствора на кислотных станциях производства вискозной продукции. //Сб. науч. тр. - М.: МГСУ, 1994. - с.81-87

5. Борисов К.Б., Шелгинский А.Я. Совершенствование тепло-и-во-допотребления в производстве химических волокон.//Материалы первого семинара-совещания "Учет тепловой энергии и теплоносителя". - Самара, 1995. - с.42-45

Псч. .i IZÓ

Подшк'анс» к,иеч;пи

Тираж jOO

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13.

' - -ОБШ ХА?ЛП£РИ£Г1Ии РАБСТВ • узлььость Tgtg: СчаестЕэнной хомпонектоЗ большинства уст-

.-'■■.'-тг. тетеззчаченных длл зреобрззованиа солнечной энергии, ...... -сзчоиле.гочяыс юлэьггчя. Тонкие пленки используются

• •• *•• этти«рских характеристик яучевсспрдаотнаюией по-_ - .-'a -sT.-f-'c^pcíic-b.: ~> петлсзаваих. отрагзюкяг, поосветляющих и защитных покрытии, При разработке селектиз -

—тчти» дл„ ."""""^»мче^л«;. иногда невозможно

-«случать необхоапмыа оптические характернопскрчти* одкс.-^■азндаи «j.rosx:. Применение композитных смесей значительно расширяет возможности технологии '•*згото,гления селективных поглощающее, просветляющих, отрагжцге rraptrnti» с улучшенными оптическими а механическими характерно гаками. Поэтому, работы, п-.-.г-^сякакт г.-к*—— оптических свойств и упроаению техноло-

для , ят:-

.г.

■ с-л.1. ^;•-. '".-j ; лгзра'/огке гегола лемпы".гс~.-:ог-; .4..J - .->,'-;- >■■■■ г. ьпе ;Г1с::е»ок;л c.w -

-j^;. "--^ч;;:. .г-- - ->\. ..¿лзгянх'ч с '••згето.1.л-. жм

селективных покрытий, в разраоотие метс^;" •> «cc;:-«csa.j п . . .... ' ; .. т??«вг!енных спектров

отражения, ари^о;.,!.;;:." ' ¡.<;ент\лг;;ьп: .'.-ччрХ эле^-.г ; к-

ной микроскопии и исследовании оптических свойств селектив-■"•"' "очпмтий для гелиотехнических устройств.

'/.Л'; '-'С-.—ногл^г ~з,!е"гг»«нным и

:--"=ап?гнм совпадвпнеа рас«егиь.т ve -

• . '»и • :с-, .-мате« алл напатояшх композитных покрытия - поглова«мшх, 7гплсотрач.?кы«х, насчет лих и зеркальных.

Научная и практическая ценность работы. Впервые сформулирована и аналитически решена обратная задача для композитных материалов С КМ 3. Обоснована методика определения структуры реального композитного Покрытия по измеренным спектрам отражения и данным электронной микроскопии. Предложенный метод компьютерного моделирования оптических свойств значительно сокракает время подбора материалов к позволяет в кагзом кон -кретном случае применения оптических покрытий выдать оптимальные рекомендации для разработки технологии напыления с учетом свойств подложки и условий эксплуатации. В ряде случаев удается снизить стоимость изделий за счет использования одного слоя из композитного материала вместо 3-4 однофазных слоев, по -высить механическую и адгезионную прочность покрытия. Основные положения работа, выносимые на защиту 1. Метод поиска оптических постоянных и геометрических толщин веаеств, покрытия из которых значительно уменьшают коэффициент отражения лучэвоспринимающей поверхности гелио-устройства.

2 Аналитическое решение обратной задачи, то, есть задачи о подборе компонент композитной смеси, нахождении все -возможных геометрических.структур и концентраций фаз, реализующих заданные оптические свойства,

3. Методика определения концентрации компонент реального композитного покрытия по измеренным спектрам отражения и данным электронной микроскопии.

4. Пакет программ VEGA для компьютёрного моделирования оптических свойств тонкослойных покрытий.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на научно-технических конференциях: "Проблемы использования солнечной энергии в странах СНГ" ССочи, 1993 г), " Состояние и перепек-

ванне солнечной - .-;о?я;;с". ле-" ' • --/^•гт. ; val

П»Ja«»«,«,..... Пс тг:'" —onvrtjraKOEaHQ восемь работ,

список, которых предотавл*» в лит.,«

Объем работы: Диссертация состоит из введения, четырех глаз, вгаодов и приложения. Изложена на 148 страницах машинописного текста, включает 27 иллюстраций, 17 таблиц и библиографию из 105 наименований.

тивной диэлектрическом ирсчйвмсцэгта дзсперхо-ч счете;.«! Сс:-с ----—* wa-fnrrtroeftitMe. так и мат-

для расчета диэлектрической проницаемости дисперсной сис -темы рассматривается макроскопическое поле, усредненное по

часто, поО^р^ипС** ¿1 :.-.у

ленным эффективным значением диэлектрической проницаемости. Основные формулы для оптических свойств диэлектрических сред, содержащих-частицы металла, хаотически распределенных в мат-

- б -

ркце диэлектрика и имеющих сферическую форму, выведены Гар -неттом. Так как диэлектрическая проницаемость смеси зависит не только от ее состава, но в от особенностей ее структуры, то становиться очевидным, что невозможно вывести универсальную формулу для эффективной диэлектрической проницаемости. Во второй главе представлены основные теоретические разработки, связанные с решением задач практического применения композитных материалов для гелиотехническая устройств. Решена задача минимизации коэффициента отражения лучевоспринкмающей поверхности. Исходники данными для решения этой задачи являет ся оптические постоянные лучевоспринимающей поверхности ге-лиоустройства - показатели преломления пг и поглоцен-,;я . Рассматривается система тонкая пленка - поверхность гелио -устройства. Тонкая пленка характеризуется показателями лре -патент п( и поглощения к(. Из условия равенства нулю коэффициента отражения получека формула

2п С1п!Г | - 1п|Г р-кСб - в + я + 2ли) = 0 (1)

1 1 1 1 1 о 1 10 i

где п = О, 1, 2, и Го, 0о - коэффициент Френеля и фазовый угол отражения на границе вакуум - пленка, Г1, 0 - коэффициент Френеля и фазовый угол отражения на границе пленк?. -лучевоспринимающая поверхность гедиоустройства. Для фиксированного значения п С или к(3 формулу С 1 ) можно рассматривать как уравнение относительно неизвестной величины к (или п ). Каждое решение из множества решений уравнения С С можно интерпретировать как вещество с оптически»; постоянными п) , к, однослойное покрытие из которого толщиной (1 на выбранной длине волны уменьшает до нуля коэффициент отракени> В сазе данных мохе г не оказаться вепества с необх->димш..я згг-

ниями п , к(. Поэтому возникает проблема решения обратной задачи для композитных материалов,--то.есть задачи о подборе компонент КМ, нахождении всевозможных геометрических структур и концентрация фаз, реализующих заданные оптические свойства, то есть п , к1.Для однородной и изотропной смеси ее комплексная диэлектрическая проницаемость, показатели преломления п и поглощения к связаны между собой соотношением

г

£=Сп+1к). Из множества формуя, выведенных для расчета

диэлектрической проницаемости смесей е , били использованы часто цитируемые формулы Максвелла-Гарнетта-Коэна и Беттче-ра-Пслдера-Сантена.

Если известны комплексные дкг .-.с-?.:эаческие проницаемости компонент смеси сл, то ее диэлектрическая проницаемость ск для заданных значений объемной концентрации Г наполнителя А в матрице В С далее применяется сокращенная форма записи А-'й ) и фактора формы частиц наполнителя Ь вычисляется или по формуле Максвелла-Гарнетта-Коэна (МПО

+ ( Ь + ГС 1 - и)С £ -

£ = £ --а-(23

а £ + и 1 - ПС с - с,)

или по формуле Беттчера - Полдера - Сантена С ЕПС

)

------ {---(3)

4 +К£ - £)

п\ а т

Га

оли ввести в рассмотрение комплексную плоскость, задавая ее систс-мои носрдпкат С с е. ). то диэлектрические яро -

нииаемоети Фаз г, : с образуют на ней определенную область,

хкскгсгву течек котсос,! соответствует значения с для различных структур и концентраций фаз. Эта область ограничена

- а -

дугой окружности, проходящей через начало координат, точки

и сл, и отрезком прямой, соединяющим эти точки. Ясно, что решение обратной задачи возможно лишь в том случае, если для заданных величин сл и вычисленная по (23 или СЗ) еа принадлежит области, определяемой этими точками. Для выбранной комбинации наполнитель - матрица условие принадлежности еа области допустимых значений имеет вид

In КОЗ* la fCl) < О С4)

где 1и fCL3 мнимая часть (53. Таким образом, компоненты КМ для заданного значения сш подбираются так, чтобы выполни- • лось условие (43. Если компоненты КМ определены, то для фиксированных значений £л,ел и ¿п функциональную зависимость между f и L получим преобразованием (2)

г аз » т л ..л-—i—-i. с5>

" £л + 1*Сс - С.)

ж, . а с n а

здесь индекс "i" указывает на то, что ft - комплексная функция L. По физическому смыслу f - действительная величина, поэтому мнимая часть С 5.3 должна удовлетворять условию

1и f4 (' L 3 « О (63

Корень этого уравнения определит форму частиц наполнителя, а (53 их концентрацию. Доказано, что (63 имеет единственное решение

a

I я ,ej-__-----(73

D«d - I^di D»d

Выполнив для формулы БПС такие же преобразования как и для

МГК, получим

f CD я —* .С 1+ L -М

1. £ - е. с

а корень уравнения Сб) для БПС определяется па формуле

2

L «

2¡£J ^,»<1

|£ |гС0 +D „ .)♦ D . X\с (*- [6

' am' та ad,n<S ad.md 'о' 'о'

где

♦ D„C|eJ + |ej 3

(93

ciß ciß

и VTr'WV^ÍlO}

Как показали расчета, уравнение (63 для МГК имеет единственное решение для любых Leí 0,11 и fei 0,11 как для непоглоиаавшх, так и для слабо поглощагдах матриц. В качестве иллюстрации выполнено проектирование селективного покрытия для фотоэлектрического преобразователя на основе GaAs, у которого максимум спектральной чувствительности приходится на длину волны к =• 0.6S мкм. Расчет с использованием VEGA показывает, что коэффициент отражения равен нулю, если на по -верхность фотоэлектрического преобразователя нанести диэлек -

о

трическое покрытие о n = 1.93 и к = 0, толщиной 800 А или

о

слабо поглощающее погоюте с п = 1.83, к = 0,077 и d =880 А. -

! I i

Из базы данных оптических постоянных материалов компьютерная программа выбирала вещества с такими асе показателями преломления и поглощения. Если таких веществ в базе данных нет, то она решала обратную задачу. На рисунке 1 представлены спект -

СсАз с тонкопленочпокрытием

в ао

» Сг/ЗЮ ( = 0.167 (. = 0.3333 ► Ге/13е0 ( = 0.067 С = 0.3+1

тральные коэффиценты отражения селективных покрытий для фотопреобразователя на основе 6а Аз.

Если КМ используются в качестве элементов тонокослойных покрытий, то оптические постоянные и состав пленки зависят от вакуумных условий и технологии напыления. Для получения покрытий с воспроизводимыми оптическими характеристиками.необходик неразрушащий метод определения концентрации компонент КМ в тонких пленках. Предлагаемый оптический метод определения концентрации наполнителя основан на измерении нормального коэффициента отражения КМ и последующей математической обработке спектров'с использованием дисперсионного соотношения Крамерса - Кронига. Преимуществом соотношения Крамерса - Кро-нига является возможность определения двух спектральных харак-

теристик вещества из измерения только одной величины коэффициента отражения. Практическому применении соотношения Кра -мерса - Кроиига для определения оптических постоянных вецеств посвяаена обширная литература Если известны R и фаза коэффициента отражения Э, то показатели преломления пи и поглощения КМ могут £кть вычислены по формулам

1 - R

n = --CID

1 - 2-/R cosCQ) + R

гЛГ since) kms -■--С12)

1 - 2>/1Г eosCQ) + R

Для известных оптических постоянных компонент КМ и с кон-

п\

центрация наполнителя f вычисляется по (5), <.7) или (8), (93. В общем случае соответствие между вычисленным и реальным значениями формфактсра монсно установить в совместных спектрометрических и структурных исследованиях. Результаты таких исследований можно интерпретировать для L < . если аппроксимировать форму частиц сфероидом с почуосями э. b и с. Для этого по фотографиям электронной микроскопии необходимо определить среднее значение отношения полуосей, а затек вычислить L. Для Ь=с и а > b среднее'значение L вычисляется по формуле

1 1 + е

L = РгСеЭ ( - In--1 ) С13:*

2е 1-е

а для а « b и а > с по формуле

г>Се) п р*(е)

L = - С--arctg рСе))------(14)

2ег 2 2

где e-зксиентриситет сфероида равный » i -Cb/a)a- для С133,

S третьей главе описывается структура и алгоритмы пакета программ VEGA, приведены расчетные формулы и результаты тестирования. Пакет программ VEGA представляет собой авто -матизироЦнное рабочее место С АРМ) проектировщика оптических тонкослойных покрытия для гелиотехнических и оптических устройств. АРМ VEGA сострит из исполняемого файла vega.exe и базы данных в виде множества однотипных файлов. Имя файла соответствует химической формуле вещества. База данных содержит оптические постоянные тонких пленок и поликристаллов тридцати восьми веиёств для области спектра от 0,4 до 2,55 юсм. Настройка АРЙ VËGA на другую область спектра и изменена© характеристик источника излучения осуществляется изменением файлов VELLEN» SUHSP, ЯШИ и файлов базы данных. В пункты меню Входят следующие операции:

1. Дополнение базы данкг; оптическими постоянными нового вещества и вывод справочной информации по базе оптических постоянных. '

2. Расчет оптических постоянных смесей из веществ, входящих в базу данных, для заданных значений f и L по формулам МГТС и БПС.

3. Моделирование КМ с заданными оптическими постоянными для выбранной длины волны.

4. Расчет спектральных коэффициентов отражения. пропуска -ния и поглощения при нормальном падении излучения как для произвольной системы пленок, так и для периодических структур типа I ВН Î. Расчет интегральных значений " коэффициентов отражения, пропускания и поглощения проек-

- - 13 - - -руемой снстеш тонких пленок относительно модели солнечного излучения AMO или АМ1»5. Расчет угловсЯ зависимости коэффициента отражения на выбранной длине волны и спек -тральной зависимости для заданного утла падения. Угол

о о

падения изменяется от 0 до 89 .

5. Послойная оптимизация в диалоговом режиме выбранного пользователем спектрального коэффициента С или отражения, или пропускания, или поглощения). При этом на экран дисплея в виде графиков выводятся текущая и предыдущая итерации,- экстремальное значение спектрального коэффи -" циента и соответствующая длина иста.

6. Определение по измеренным спектрам отражения f и L реальных КМ.

В четвертой главе описана расчетко-экспериментальная методика создания композитных покрытий.

При разработке просветляющих покрытий для кремниевого фотопреобразователя были смоделированы оптические свойства покрытий двух типов - яа основе смеси Ag/SiO и на основе смеси Si/SiO различных концентраций. При моделировании просветляющих по -крыгай на основе Ag/SiO выбор SiO обусловлен его прочностны -ми и адгезионными свойствами и тем, что показатель преломления SiO порядка двух. Выбор кремния в качестве наполнителя для покрытий второго типа (.-SjL/SíO ) позволил, упрочнить композитное покрытие v. повысить адгезионную прочность покрытия к кремние- -вой подложке, Составлялись скеси из мелкодисперсных порошков Ад с SiO и Si с SiO выбранной концентрации и прессованием изготавливали из них тонкие таблетки для испарения. Напыление покрытий проводилось на вакуумной полуавтоматической уставов-' ке резистквного напыления УВН-71-ПЗ. Экспериментальные образцы кремния с напыленными слоями Ag/SiO и Si/SiO были полу-'

чены испарением спрессованных таблеток с молибденовых лодочек

о

на неподвижную подложку со скоростью 3-5 А/сек. Толвшна слоя определялась по навеске для усредненной по объему удельной плотности смеси (2,86 г/см3 для Ад/БЮ. Г =0,1 и 2.17 г/см3 для Бх/^Ю Г=0.3) и контролировалась измерениями толщины слоя образцов - свидетелей на эллипсометре ЛЭФ-ЗМ. На рис 2 приведены спектры отражения экспериментальных образцов 51 с напыленными слоями Ад/510 и Ба^Ю. Такие покрытия достаточно эффективны, что и подтвердилось при измерении вольтамперных характеристик кремниевых солнечных элементов до и после просветления. В таблице 1 приведены результаты измерений вольт-амперперных характеристик солнечных элементов на основе моно (образец N0 43) и поликристаллического (образец N0 7 )

' - - ----Просветление .->.!/

- ~ " 1 " 1 I ?Л « ( 0,547 |

i i 1 ■ -1 __, - i J..........

«ппгввтлвнвл, ч, ¡ww»

ткем ZnS и просветляющими покрытиями на основе Si/SiO. Спект ры снимались с образцов - свидетелей, на которые наносились просзетляющие покрытия одновременно с напылением на СЭ. С использованием пакета VEGA наш были проведены модельные расчеты оптических свойств композитных поглощающих селектив--л Гг " папслпхтеля в мят-

лОКрм * »'АН -Г.-. . ' '■: ' '' ■- ^ .. !

..„„„„„„ „„„д напыляемых покрытий проводились контрольно -

500, 1000, 1500 А на одну подложку и зал» :с;г.'

ны, полученные из измерений с помощь» УКСК-21 ДФ в процессе • : '••>•.- ": т интерференционным кето-

¿г,,.,-'.. г.Iпп^пмок пвумя мегодами — сднс^р*.!.'.!1 ' : :"'■ ^ . ":. - '

спрессованных таблеток смеси порошков заранее подготовленной концентрации. Удельная плотность рассчитывалась так же, как н для просьетлящих покрнт/й. При напылении первым методом труд-

- 1о -

но получить образцы с воспроизводимыми свойствам, достаточно идентичные образцы получались при испарении таблеток. В НПО Прикладной Механики ( г. Красноярск ) образцы с покрытиями Ш/П0 и Сг/ПО , нанесенными на №6 с подслоем алюминия

2 о г

толщиной 500 А, были подвергнуты эксплуатационным испытаниям, которые включали в себя термоциклировакие в вакууме (50 термоциклов с изменением температуры от - 150°С до + 150°С), изучение стойкости к истиранию С 200 ходов резины, обернутой салфеткой, при давлении 2 кПа и скорости движения 3.2 см/сек 3, ускоренные климатические испытания. Покрытия выдержали все виды испытаний без заметного изменения вно;. '-?го вида и опта -ческих характеристик. В четвертой главе тслже рассмотрены и другие возможности применения пакета прогрей.:' УЕЗД для решения прикладных задач гелиотехники.

ВЫВОД)!

• 1. Впервые использован метод решения обратной задачи для подбора компонент композитной смеси, концентрации и формы частиц наполнителя, котор- обеспечивают заданные оптические свойства КМ.

2. Предложен и обоснован метод определения концентрации и формы частиц по измеренным спектрам отражения композитного покрытия.

3. Разработан пакет программ и создано АРМ на базе ПЗВк, позволяющие рассчитывать спектральные коэффициенты отражения, пропускания и поглощения в области 0,4 - 2,55 мкм одно - мг,. -гослойных покрытий для нормального к наклонного падения излучения, рассчитывать показатели преломления и поглощения КМ заданных коцентраций и форм частиц, значительно уменьшить время подбора компонент материалов для напыления селективных" пог лсааваих. просветляющих, зеркальных покрытии, целенаправленно

ог!"/ческкй снсйства .т/чвьсспргёхммаей'поверхности.

•чиновные положения длссЕрге,;; изложены в следующих работах;

. Г':с и■: У. X, , Соттаро?а У. С. . лукова Е.й. . "Яксккн В. Г. , "»г^чтай тепловой фильтр ;;а. лолимерно.1 пленке, ' ■ Ул'УКА, . Но Ъ. слр 75 - 78

2. Газиев У. X, Сеттарова 3.0, Джанкл^1: М. У, Ус.слина Н. Г, м»»«;«^ !!..»""кип и. Г, . Тгг""отряташее покрытие для просветления преобразователен солк«ч;.с2 сгсрнга, • Судостр:лтлькая промышленность, серия: Промзнергетика. Охрана окружающей среды. Энергоснабжение судов, вып. 14-с 20, 1990 г.

3. Газиев У. X, Сеттарова 3. С, Джанклич М. У, Дыскин В. Г,

покрытия на основе металл - ди-

'чух слс; , локл- гесгуелл-ллскол

^-'.Н'.'.-.^'. " У..пол; лсг.лп;:^ со;: -/:ле", 1г;:.-:ект. ' 991 •

.- ...•' У.У.. Ул ^лло ло~

5. Дыскин Э.Г.Газиез' У.X, Методика uiûopa ""-ят -sj.'l - ■

л .лл; "■ ■ ",■.'.■"■' 1 . " ч,л "ль-пытий,

ГЕЛИОТЕХНИКА, ils У гл - с'

6. Дыскин В. Г, Оптический метод опредёления концентрации - «гпмпоэитных матерлзюв в тонких пленках.

■ .01У . •■ '. . У- . . о ..: V. - S1 У: ттг^опетляюаее 1юпры»;и :;а о: :У0

. г-".'.". с о:. г лс-'.'лл т.,' , с гу;;: ;;>.•..

No 1612678 (СССР) 8. Селективное покрытие, Ааторское свидетельство, Но 1693391 ССССР} спубя в БИ 1S91, По 45, стр. 148.

Гелиотехник мосланалар учун селектив композит цоплаыаларнинг оптик хусусиятларини моделлаштириш ва з^исоблаш.

Бу ишда металл-диэлектрик ва яримуткаэгич - диэлектрик аралашмалари асосидаги ихки фазали композит ^опламаларнинг оптик хусусиятларини моделлаштириш ва ^¡соблаш усули таклиф к5илинган ва асосланган. Муаляиф яратган дастуряар пакета кур сякими тик ва бурчак остида тушганда бир ва куп ¡^атламли к4оп-пламалар юзаоининг кайтарии, утказиш ва »ткш спехтраль коэффп-циентларини ^исоблаш имконини беради. Композит аралашмада тул-дирувчининг концентрация«!, заррачанинг формаси ва к4опламаккнг ^алинлиги олдиидан берилса, дастурдан фойдаланиб композит аралашманинг скниш ва птиш курсатгичларини эрсоблаш мумкин ва зрмда ^уёш знергиясининг фотозлектрик айлантиргичларининг сза-сини тини^лантирувчи ^опламалардан нурларнинг минималь ^ай-тарилиш шаройтларини таминланади.

Икки фазали композит аралашмаларнинг компонентларини танлазда ва рёш нурланишини ^абул ^илувчи юзалар учун селектив копла-маларнинг олдиндан берилган оптик хусусиятларини амалга оши -рувчи фазаларкинг структураси ва концентрациясини аник,лашда. тескари масалани ечиш усулидан фойдаланклган. г^опламаларни моделлаштириш - юзага тушириш схемаси буйича ишлаб чи.чилган технологик усуя "Физика-^уёш" ИИЧБсида исси^ликни айлантир-гичлар учун ютувчан селектив ^¡опламалар С а5= 0. 9. .. 0.92 ьа

0.08) яратишда, кремний з^уёш элементлари учун с^ори эф -фективли тиницлантирувчи ^опламалар ишлаб чи.^ишда, селектив кенгяикдаги ва кесувчан кузгулар ясашда ^улланилган.

Modelling and calculation of optical properties of selective cosposite coatings for solar installations

Dyskin V.G.

In this work the isethod of expectancy »odelling of optical properties of two - phase composite coatings on the base of aetal - dielectric, seniconductor - dielectric aixtures is suggested and justified. The description of prograa pacet created by the author is given, it allows to coapute spectral coefficients of reflection, trans aission and absorption of single and nultilayer coatinges for nornal and sloped fall of the light flux; to coapute the indexes of refraction and ab -sorption of composite aixture for the netal C or-seaiconduc -tor3 concentrations defined, for the partickle shape and coating thicknesses, it also promotes to realize the regice of ainiaal reflection at the creation of antireflection coatings for phototheraal conversion.

The Bsthod of reverse task solution for choice of component of coaposite aixture is used«

The netod of technological development of coatings is applied at the Scientific Association " Phusics - Sun " for production of selective absorber coatings srith af «0.9 - 0.92 and c =0.08 and high efficiency antireflection coatings for silicon solar cells.