автореферат диссертации по энергетике, 05.14.08, диссертация на тему:Совершенствование методов оценки сельскохозяйственных энергоустановок на основе возобновляемых источников энергии

Российская академия сельскохозяйственных наук

Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства /ГНУ ВИЭСХ/

На правах рукописи

АМЕРХАНОВ Роберт Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК НА ОСНОВЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

Специальность 05.14.08 - Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 2004

Работа выполнена в Кубанском государственном аграрном университете

(КубГАУ)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ковалев Александр Андреевич

доктор технических наук, профессор Виссарионов Владимир Иванович

доктор технических наук, профессор Гайтов Борис Хамидович

Ведущая организация: Географический факультет МГУ

им. М.В. Ломоносова, лаборатория возобновляемых источников энергии

Защита состоится УХ 7Г' 1Г 7 2004 г. в 10_ часов на заседании диссертационного совета Д 006.037.01 во Всероссийском научно-исследовательском институте электрификации сельского хозяйства РАСХН (ГНУ ВИЭСХ), по адресу: 109456, г. Москва, 1-й Вешняковский проезд, 2, конференц-зал.

Отзыв на автореферат диссертации в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по адресу: 109456, г. Москва, 1-й Вешняковский проезд, 2, ГНУ ВИЭСХ. Факс: (095) 170-51-01. E-mail: viesh@dol.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВИЭСХ

Автореферат разослан

04 г.

Ученый секретарь диссертационного сов

А.И. Некрасов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В проекте энергетической стратегии России до 2020 г. большое внимание уделяется развитию нетрадиционной энергетики. По данным различных авторов реализация энергосберегающих мероприятий, основанных на использовании ВИЭ, позволит сэкономить в России к 2005 г. до 0,65 млн. т. у.т. Использование ВИЭ может дать существенный эффект, для сельскохозяйственной энергетики, особенно в районах, удаленных от центрального электроснабжения.

Краснодарский край является одним из наиболее развитых регионов в части использования ВИЭ. В настоящее время в этом регионе страны эксплуатируется более 40 гелиоустановок горячего водоснабжения производительностью от 0,5 до 40 м3 горячей воды в день. В крае смонтированы и эксплуатируются фотоэнергетические системы установочной мощностью приблизительно 50 кВт, более 30 действующих ветро-агрегатов с единичной мощностью 4 кВт. На территории края утверждены запасы семи геотермальных месторождений, эксплуатируются 45 скважин с температурой от 70 до 115°С с единичной мощностью от 1 до 5 МВт.

Несмотря на весьма оптимистические прогнозы их развития, возобновляемые энергоресурсы используются недостаточно. На это имеются объективные причины: непостоянство некоторых ВИЭ, низкая плотность их энергии, относительно высокая стоимость сооружения систем энергоснабжения. Решение данных вопросов - в повышении эффективности этих систем путем оптимизации в каждом конкретном случае. Это позволит во многом повысить эффективность и целесообразность более широкого применения ВИЭ, в особенности в сельскохозяйственной энергетике.

Настоящая диссертационная работа выполнена в рамках научно-исследовательских работ, проводимых в КубГАУ, в соответствии с госбюджетной темой №16 "Разработка энергосберегающих технологий в сельскохозяйственном производстве" (ГР №01960009015) 1996-2000 гг, тема №22 "Разработка и исследование энергосберегающих технологий, оборудования и источников электропитания для АПК" (ГР №01200113477) 2001-2005 гт.

Цель работы — разработка научных положений совершенствования методов оценки сельскохозяйственных энергетических установок на основе возобновляемых видов энергии, обеспечивающих повнш^нУ"* . эффективности их использования.

I БИБЛИОТЕКА 1

Объектами исследования являются энергосберегающие системы, основанные на использовании ВИЭ (солнце, биомасса, геотермальные воды, термоаккумуляторы).

Предмет исследования. Возобновляемые источники энергии, установки для их использования и методы их совершенствования на основе оптимизации параметров с применением современных достижений науки в области термодинамических процессов и эксергоэкономической оценки для повышения эффективности энергосистем.

Методы исследования. В работе использованы методы математического моделирования термодинамических процессов в системах энергоснабжения с использованием ВИЭ; графо-аналитические методы анализа и оптимизации структуры систем; эксергетический и эксергоэкономический методы (с использованием графов) для анализа, синтеза и оптимизации энергетических систем; принцип дискретно-импульсного введения энергии (ДИВЭ); метод расчета пограничного слоя; методы термодинамики неравновесных процессов.

Научная новизна:

- теоретически обоснован метод оценки энергетических систем, использующих ВИЭ на основе теоретико-графовых построений;

- разработан метод определения оптимальных термо- и гидродинамических параметров в солнечном коллекторе;

- разработана математическая модель тепловых и гидродинамических процессов в реакторе биогазовой установки;

- обоснована система комплексного производства тепловой и электрической энергии на основе термотрансформаторов;

- решена задача эксергоэкономического анализа и оптимизации вариантов солнечно-теплонасосных систем с сезонным аккумулированием;

- построены математические модели термогидродинамических процессов в гидротермальных системах;

- разработана математическая модель и выполнено эксерго-экономическая оптимизация солнечно-теплонасосных систем с аккумулированием теплоты.

Достоверность полученных результатов определяется корректностью постановки задач, обоснованностью принятых допущений, адекватностью использованного математического материала и полученных моделей исследуемым процессам; подтверждается хорошей сходимостью результатов аналитических расчетов, математического моделирования с экспериментальными данными.

Практическая значимость результатов работы состоит в разработке методов расчета оптимальных вариантов, энергоустановок и энергокомплексов с использованием возобновляемых источников энергии, которые могут быть использованы при проектировании сельскохозяйственных энергетических установок.

Разработана конструкция эффективного в энергетическом отношении тегшообменного аппарата (Патент РФ №2200289 2003 г. «Теплообменный аппарат»)

Реализация результатов работы. Практическим результатом работы, внедренной в учебный процесс, является отражение ряда теоретических и методических положений диссертации в рабочих программах, лабораторных и практических занятиях, курсовом и дипломном проектировании

Разработаны и изданы под грифом Министерства сельского хозяйства РФ учебники. "Проектирование систем теплоснабжения сельского хозяйства", 2001 г. и "Теплоэнергетические установки и системы сельского хозяйства", 2002 г., которые используются в учебном процессе 56 вузов России и стран СНГ по направлению 660300 "Агроинженерия". В учебниках в соответствии с учебным планом уделяется достаточно большое внимание вопросам использования возобновляемых видов энергии

Издана монография "Оптимизация сельскохозяйственных энергетических установок с использованием возобновляемых видов энергии", 2003 г. в которой рассматриваются вопросы эффективности и экономической рентабельности использования возобновляемых источников энергии.

На защиту выносятся:

— метод оценки энергетических систем с использованием теоретико-графовых построений,

— обобщенный метод определения оптимальных термо- и гидродинамических параметров теплоносителя в солнечном коллекторе;

— методика оценки систем перемешивания и подогрева субстрата, математическая модель тепловых и гидродинамических процессов в реакторе биогазовой установки;

— математический и физический методы моделирования работы грунтового теплообменника;

— методика оптимизации систем солнечного и геотермального теплоснабжения с использованием теории графов;

- математическая модель тегагамассопереноса в неоднородном пласте подземных аккумуляторов теплоты;

— эксергоэкономический метод оптимизации энергосистем с использованием ВИЭ.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на: Международной конференции "Проблемы энергосбережения и экологии при использовании углеводородных топлив, Ростов-н/Д, 2001 г.; Международной школе-семинаре "Промышленная экология", Ростов-н/Д, 2001 г.; Международной конференции "Строительство-2001", Ростов-н/Д, 2001 г.; Международной конференции "Проблемы промышленной теплотехники", Киев, 2001 г.; Международных научно-технических семинарах "Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии в XXI столетии", Сочи, 2001 г.; 3-й Международной научно-практической конференции "Проблемы экономии энергии", Львов, 2001 г.; научно-практическом семинаре "Безопасность, экология, энергосбережение", Гизель-Дере, 2001 г.; III Всероссийской научной молодежной школе "Возобновляемые источники энергии", Москва, 2001 г.; региональной научной конференции "80-летие КубГАУ", Краснодар, 2002 г.; Международной научно-практической конференций "Строительство-2002", Ростов-н/Д, 2002 г.; Международной научно-практической конференции "Современные энергосберегающие тепловые технологии", Москва, 2002 г.; Международной Школе-семинаре ЮНЕСКО "Использование возобновляемых источников энергии в Черноморском регионе. Стратегия и проблемы образования", Сочи, 2002 г.; региональной научной конференции "Энергосберегающие технологии и процессы в АПК", Краснодар, 2002 г.; Международной конференции "Энергия из биомассы", Киев, 2002 г.; Международной конференции "Энергосбережение и охрана воздушного бассейна при использовании газа", Ростов-н/Д 2002 г.; Международной научно-практической конференции "Строительст-во-2003", Ростов-н/Д, 2003 г.; 3-й Международной научно-технической конференции' ' "Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве,-Москва, 2003 г.; Международной Школе-семинаре ЮНЕСКО "Образование и подготовка специалистов в области возобновляемых источников энергий. Проблемы и перспективы XXI века", Махачкала, 2003 г.; Международной конференции "Возобновляемая энергетика 2003: Состояние, проблемы, перспективы", Санкт-Петербург, 2003 г.; внутри вузовских конференциях факультетов энергетики и электрификации, механизации Кубанского госагроуниверситета 1998-2003 гг.

Публикации. Основное содержание, результаты и рекомендации отражены в монографии объемом 33 п.л., двух учебниках, вышедших под грифом Минсельхоза РФ для направления подготовки 660300 — "Агроинженерия", объемом личного участия в учебниках 28 п.л., 43 публикации в рецензируемых научных журналах и изданиях, в т.ч. патенте России на теплообменный аппарат.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, списка использованной литературы, приложения и перечня обозначений, индексов и сокращений. -Диссертация изложена на 307 страницах, иллюстрирована 127 рисунками, 20 таблицами. Список использованной литературы- включает 314 наименований, в том числе 70 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Постановка проблемы исследования «Современное состояние использования возобновляемых источников энергии» проанализирован потенциал и размещение возобновляемых энергоресурсов на территории России, дана динамика замещения органического топлива ВИЭ и прогноз основных параметров топливно-энергетического баланса России до 2020 г.

Обоснована актуальность рассматриваемой проблемы, показано ее место в рамках развития сельского хозяйства страны и решении проблем энергосбережения и экономии традиционных источников энергии.

Значительный вклад в совершенствование методов оценки систем, использующих возобновляемые источники энергии, внесли Аббасов Е.С., Авезов P.P., Алексеев В.В., Афанасьев В.И., Баштовой В.Г., Безруких П.П., Бородин И.Ф., Бутузов В.А., Виссарионов В.И., Гайтов Б.Х., Генералов МБ., Герасимович Л.С., Грундулис А.О., Доброхотов В.И., Долинс-кий А.А., Драганов Б.Х., Елистратов В.В., Закс М.Б., Забарный Г.Н., Ковалев А.А., Кормановский Л.П., Корчемний НА, Морозюк Т.В., Муру-гов В.П., Нигматулин Р.И., Поваров О.А., Панцхава Е.С., Рабинович Б.Д., Репин Л.А., Садилов П.В., Саплин Л.А., Сарнацкий Э.В., Свентицкий И.И., Стребков Д.С, Тарнижевский Б.В., Томаров Г.В., Чистович С. А., Шишкин Н.Д., Шпильрайн Э.Э., Шурчков А.В., и др.

Анализ современного состояния вопроса использования ВИЭ в сельскохозяйственных энергетических установках показал, что из наиболее существенных и, вместе с тем, менее изученных являются методы их оценки.

Для достижения этой цели в работе поставлены следующие задачи:

— осуществить ретроспективный аналитический обзор литературы, определить существующие научно-технические проблемы сельскохозяйственных энергоустановок, сопоставить возможности и ограничения современных методов их эксергоэкономического анализа;

— разработать метод графотопологической оптимизации энергетических систем с использованием ВИЭ;

— разработать метод эксергоэкономической оптимизации энергетических систем с использованием ВИЭ;

— выполнить эксергоэкономический анализ и оптимизацию солнечно- теплонасосных систем с сезонным аккумулированием для установки мощностью до 0,5 МВт;

— разработать обобщенные методы математического моделирования процессов, протекающих в энергетических системах с использованием возобновляемых источников энергии;

— определить метод и получить результаты численного моделирования теплогидродинамических процессов в солнечном коллекторе с воздушным теплоносителем;

— получить результаты теоретического и экспериментального исследования метода дисперсно-импульсного введения энергии при перемешивании субстрата в реакторе биогазовой установки.

В первом разделе «Методы оценки сочнечных систем энергоснабжения» проведен анализ систем энергоснабжения: с использованием тепловых насосов, коллекторов с кипящим теплоносителем, варьированием способа размещения коллекторов; гелиоустановки гравитационного типа; электрогелионагревательных систем теплоснабжения; автоматизированные системы солнечного энергоснабжения; объединенные солнечные коллектора с аккумулятором теплоты; использование тепловых труб. В разделе предложена система уравнений для расчета теплогидродинамики в солнечном коллекторе с учетом угла наклона коллектора для безотрывного и отрывного течения теплоносителя.

Разработан метод моделирования гидродинамики и теплообмена потока в солнечном коллекторе. Проанализировано 12 вариантов возможных значений исходных параметров потока. Результаты расчета одного из вариантов воздушного солнечного коллектора приведен на рис. 1...3.

В каждом конкретном случае, учитывая функциональные характеристики коллектора можно определить его оптимальные конструктивные и режимные параметры.

- X ~ 0,266 м

..... х-0.646м'

■ / х- 1,14 м

\ --- х-1,634 к

/ / • •• - * - 1,862 ы

♦у * > \ ■ . » \ * . (

Ь,00 0,02 0.04 О,Об 0,08 0,10 0,12 0.14 *. м

Рис. 1. Профили продольной составляющей скорости по высоте коллектора (координата г) в различных сечениях по длине канала (координата х). Начальная скорость потока 2 м/с

1.0Г

Рис. 2. Изменение статического давления по длине коллектора (координата х). Начальная скорость потока 2 м/с.

50 46 40

р 35

кзо 26

20

- -ХГ-0,19л -----х-0,76 и -----Х-1,862 м

1 • .1 Ъ к

\ . ..

—.—■—■—.........

0,00 0,02 0,04 0,0а 0,08 0,10 0.12 0,14

*, м

Рис. 3. Профили температуры по высоте коллектора (координата г) в различных сечениях по длине канала (координата х). Начальная скорость потока 2 м/с, температура дна 50 °С

Анализ и оптимизация гелиоустановок в данном разделе работы проводились методами теоретико-графовых построений. В качестве примера рассмотрена гелиосистема теплохладоснабжения с адсорбционным термотрансформатором. Эта установка предназначена для работы летом, поэтому термотрансформаторы используются в режиме кондиционирования (рис. 4).

В ночное время суток хладоагент из испарителя поступает в адсорбер. Теплота адсорбции отводится в грунтовый аккумулятор-теплообменник. Часть вырабатываемого холода направляется потребителям, а часть аккумулируется. В дневное время используется холод, аккумулированный в грунтовом теплообменнике.

На рис. 5 приведены потоковый параметрический граф рассматриваемой схемы и соответствующая матрица инциденций. Эксергетический потоковый граф и матрица инциденций изображены на рис. 6.

Рис. 4. Схема гелиоустановки с сезонным аккумулированием энергии: 1 - солнечный коллектор; 2 - бак-аккумулятор солнечного контура; 3 - бак-аккумулятор вторичного контура; 4 - теплообменник; 5, 7 - конденсаторы теплового насоса; 6 - расходный бак; 8 - сезонный аккумулятор теплоты; 9 - испаритель.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

I -1 1

II 1 -1

III 1 -1 1

IV 1 -1 1 -1 -1

V 1 -1

VI 1 -1

VII 1 -1 -1

VIII 1 -1

IX 1

X 1 -1

Рис. 5. Параметрический потоковый граф и матрица инциденций схемы, показанной на рис. 4.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

I -1 1 1

II 1 -1

III 1 -1 1

IV 1 -1 1 -1 -1

V 1 -1

VI 1 -1 -1

VII 1 -I

VIII 1 -1

IX 1

X 1 -1 1

Рис. 6. Эксергетический потоковый граф и матрица инциденций схемы, показанной на рис. 4.

Структурный анализ и оптимизация исходной многоконтурной схемы основываются на следующем. Параметрические графы, отображающие схему, должны содержать / равнопараметрических дуг S = (Si, S2, ..., Si) и простых контуров (Li, L2,.... LJ). Необходимо в исходном параметрическом потоковом графе определить множество особых дуг

с минимальной суммой параметричностей. При этом не существует никакого другого множества R с S, R<S*, обладающего тем же свойством. Минимальная сумма параметричностей определяется соотношением р - min.

С энергетической точки зрения оптимум решения определяется условием, при котором потери эксергии—минимальны: = т'п-

Решение определяется следующим образом. Для анализируемых конкретно выбранных вариантов, сканируя по матрицам инциденций для параметрического потокового графа и определяя булеву переменную на своем пути, ЭВМ рассчитывает все необходимые данные и находит значения параметров в данной узловой точке графа, значения тепловых и массообменных потоков и тем самым условия оптимальной топологии схемы. Аналогично по матрице эксергетического графа ЭВМ вычисляет значения эксергии, эксергетических потоков и, следовательно, определяет степень энергетического совершенства системы.

При сравнении вариантов необходимо соблюдать условия энергетической совместимости сравнимости вариантов.

Во втором разделе «Использование и методы переработки биомассы для получения энергии» анализируются различные способы применения биоэнергетических ресурсов: непосредственное сжигание биомассы, газификация, пиролиз, производство этанола ферментацией биомассы.

Основное внимание уделяется метановому сбраживанию биомассы. При этом рассматриваются все элементы биогазовой установки: процессы в шнековом устройстве, перемешивание субстрата в реакторе, теплообменные процессы в установке.

В первом приближении при исследовании процессов перемешивания в работе предлагается исходить из модели макросмешивания. В таких случаях не учитываются локальные, более мелкие явления. Для описания протекающих в аппарате физических явлений записываются уравнения Навье-Стокса. Ускорением поля внешних массовых сил и перепадом давления в объеме жидкости пренебрегается, так как они пренебрежимо малы по сравнению с инерционными силами и силами трения. В результате уравнение движения имеет вид

где Б - оператор дифференцирования; и— скорость; т — время; и кинематический коэффициент вязкости; V2 — оператор Лапласа. Уравнение энергии записывается так

Л' ^

— = aV2t, dT

(2)

где t

температура; а - температуропроводность. Для процесса перемешивания имеет значение энергия, расходуемая на преодоление сил вязкого трения, которая определяется из выражения

^ = (3)

где ц — динамический коэффициент вязкости; Ур — объем реактора; Ф„ — функция диссипации Рэлея

<*>..= 2

fcW, V (civ2 V (1>Уд V (<ТУУ, V ((cW2 öv3 Y. (л\

IftfJ 4&J +U» + &J + ac,

где v>i, W2,Wj- проекции вектора скорости на оси х, у, z.

В работе впервые используется принцип дискретно-импульсного введения энергии (ДИВЭ) при перемешивании субстрата в реакторе биогазовой установки. Метод ДИВЭ обеспечивает введение энергии в каждую дискретную зону в форме мощных кратковременных импульсов, т.е. дискретно во времени. Этим достигается пространственная и временная дискретизация при одновременном обеспечении условий энерго- и ресурсосбережения.

Опытные исследования проводились одном из вариантов конструкции аппаратов, осуществляющих принцип ДИВЭ, а именно - на роторно-импульсном аппарате (РИА) Роторно-импульсный аппарат конструктивно может выполняться в виде коаксиальных цилиндров, боковая поверхность которых перфорирована для прохождения обрабатываемой среды. Если отверстия смещаются, то происходят интенсивные пульсации скорости и давления. Решающее значение имеют изменения направленности и интенсивность движения среды между статором и ротором.

При выполнении исследований в качестве гетерогенной среды использовался навоз крупного рогатого скота. Процесс гомогенизации проводился в трех режимах работы установки, которые определялись зазором между ротором и статором, мм: <5/ = 0,3; ¿>2 = 0,2; S3 = 0,04. Полученные образцы изучались при помощи микроскопа CARL ZEISS JENA PERAVAL INTERHAKO. На рис. 7 приведены фотоснимки,

полученные соответственно для исходного вещества (а) и при перемешивании для ¿1 = 0,3 мм (б); 62 = 0,2 мм (в), 63 — 0,04 мм (г) Сравнивая полученные фотоснимки, можно заметить, что при перемешивании навоза с помощью РИА достигается заметное увеличение однородности среды. Кроме того, при использовании принципа ДИВЭ время работы в течение суток значительно меньше — 20... 30 минут против механического перемешивания, которое длится несколько часов. По сравнению с механическими гомогенизаторами аппараты типа РИА используют в несколько раз меньше энергии при более эффективном перемешивании

В работе приведена методика расчета теплопотерь из реактора как для наземной, так и для углубленной части реактора.

Оптимизация биогазовой установки основана на концепции графотопологического метода. Для оценки критериев оптимизации служат показатели: максимальная производительность по выходу биогаза, метана и ила

а б в г

Рис 7 Фотоснимки вещества (увеличение в 40 раз) а - до перемешивания, б - г - после перемешивания при трех режимах рабочего органа аппарата БГ-1 (о-<5/ = 0,3 мм, в-д2 = 0,2 мм, г-дз = 0,04 мм)

Энергетическая эффективность установки равна

где — соответственно суммарная, эксергия получаемой

продукции (биогаза и ила) и суммарные затраты эксергии на производство продукции.

Зависимость для энергетических приведенных затрат имеет вид

Я

"V _ _

гг - V

(6)

эксплуатационные затраты рекомендуется определить пропорционально затратам эксергии

В этих формулах приняты обозначения: К„ - нормативный коэффициент эффективности капиталовложений, 1/год; К, — удельные капиталовложения, отнесенные к затраченной энергии, р/кВтч; С3 - стоимость единицы эксергии, р/кВгч; - число часов работы установки, ч/год; ц - КПД процесса; Ку - удельные капиталовложения, отнесенные к единице объема установки, р/м3; V- объем установки, м3; Д^- количество эксергии, израсходованной на процесс в единицу времени, кВт.

В третьем разделе «Повышение эффективности работы термотрансформаторов» выполнен анализ компрессионных, абсорбционных и адсорбционных компрессоров. Для всех трех видов термотрансформаторов на основе эксерготопологического анализа изложен метод оценки и энергетической эффективности. С целью более четкого представления об эксергетических потоках в конкретном схемном решении предварительно построена диаграмма Грассмана. В качестве примера на рис. 8 приведена схема установки с компрессионным тепловым насосом и соответствующая диаграмма Грассмана (рис. 9).

I---------1 |------1

Рис. 8. Схема теплоснабжения с использованием теплонасосной компрессорной установки: 1 - эксплуатационная скважина; 2 - фильтр; 3 - теплообменники первой ступени; 4, 13 - потребители; 5 - теплообменники второй степени; 6, 12, 15 - насосы; 7 - тепловой насос; 8 - испаритель теплового насоса; 9 - дроссельный клапан; 10 - конденсатор; 11 - компрессор; 14 - котел; 16 - нагнетательная скважина;--чистая

вода -охладитель.

Теоретический анализ термотрансформаторов выполнен методами термодинамики неравновесных процессов.

1.0 МВт

Рис. 9. Диаграмма Грассмана, построенная для схемы, показанной на рис. 8.

Изменение энтропии АЯ /-элемента подразделяется на две части -одна связана с теплообменом рабочего тела с источником теплоты (внешняя необратимость другая зависит от внутренней необратимости

Изменение энтропии при наличии внешней необратимости имеет вид

где - повышение энтропии внешней среды вследствие подвода

теплоты абсорбции и конденсации; Д5М - уменьшение энтропии охлаждаемой среды (положительный эффект машины); А8гр - уменьшение энтропии греющего источника; Д5 - суммарное изменение энтропии, вызванное наличием внешней необратимости в процессах теплообмена.

Значение внутренней необратимости Д5 определяется из уравнения энтропийныхпотоков:

йт

(1т„ •У„---

с1т (1т

сЬп

йт .

5--5

с!т ж с1т

(9)

где тп и т, — соответственно, поступление количества пара в систему и количество испаряемого насыщенного пара; тж и /и, - соответственно, количество подводимой и отводимой насыщенной жидкости; Д$л, Д5Л Д5.*. и — соответствующие изменения энтропии.

По величине изменения их энтропии можно определить потери эксергии в каждом элементе системы.

Определенный интерес представляют термотрансформаторы, в которых в качестве рабочего раствора используются бромистолитиевые соединения. В качестве источника теплоты служит геотермальная вода. В

работе приведены результаты расчета трех видов таких установок: с повышающим абсорбционным термотрансформатором, с понижающим термотрансформатором, комбинированная.

В отдельном подразделе анализируются схемные решения адсорбционных термотрансформаторов.

В соответствии с принятом в работе методе выполнена эксергоэкономическая оптимизация теплонасосных систем. Рассматриваются пять схемных решений рис. 10.

Рис 10 Принципиальные схемы пяти вариантов систем

В качестве показателей эффективности установок служат: — эксергоэкономический фактор

— годовые суммарньте чятпяты

(10)

(11)

Стоимость эксергии потока при прохождении через элемент системы -

АС = г + С'£°.

(12)

В этих выражениях приняты обозначения: Ср - цена эксергии "топлива" (это цена на электроэнергию); Ср - стоимость продукта; Ец -деструкция эксергии, вызванная наличием ЛГ в процессе теплопередачи; £]£. - потери.эксергии; Zкan „ Z:)Kí„л „ Ъ9 0 - соответственно капитальные, эксплуатационные затраты и затраты на ремонт и обслуживание; Св - стоимость деструкции эксергии.

Для конкретных вариантов на основе расчетов показано, что максимальное значение эксергоэкономического фактора / имеет система № 5, т.е. схема, включающая солнечный коллектор и тепловой насос.

Потоковая эксергоэкономическая схема этого варианта приведена на рис. 11.

С-!70Х Европой

| Спребдшт сеюяетГ*

ф-ЦаЯЕВровсВт-«}

-1- С ш2!770в[СРО/гад

(с^атищ^ввиф Конденсатор г-ваевро/гиз

Компрессор А 2-г5ШЕВро/*оВ ( „-ККвОЕЙра/год Ч-

1

с*ехз£$иуад Испаритель 2-5563ЕОро/гоЯ С,*6577Е6рарей С*53349£фо/Ъ& ^

(с-адмьвлч) * с-ьяваарв/ьва | (с-О/тСВМгВт-ч}

Солнечный коллектор г-тгомро/яй Сц-0£бро/год

^ (451*5 Ира/год (С

Рис. 11. Потоковая эксергоэкономическая схема теплонасосной системы.

Приведенный пример указывает на значимость и эффективность эксергоэкономического метода оптимизации.

В четвертом разделе «Исследование аккумулирования энергии как эффективного средства энергосбережения» приведен анализ различных типов тепловых аккумуляторов и их физико-химических и технических характеристик; аккумуляторы с твердым, жидким, паровым и с плавящимся теплоаккумулирующим материалом; термохимические и электрохимические системы аккумулирования и превращения энергии; водородное аккумулирование энергии.

Для каждого типа аккумулятора приводятся соответствующие математические модели и указанны методы их решения. Это позволит определить основные режимные и эксплуатационные показатели данного аккумулятора. Для примера изложим математическую модель

термогидродинамических процессов в гидротермальном месторождении.

Существенным эквивалентом геотермальной системы является скважина. До начала ее работы давление во всех точках пласта одинаково. Сделаем замену и = ^ ~ Р-^/.

А'

где - постоянное давление, устанавли-

ваемое в пласте до начала работы скважины; - плотность источ-

ника. Здесь М - расход теплоносителя; р. - коэффициент динамической вязкости теплоносителя, - мощность водоносного горизонта.

Движение в скважине можно считать осесимметричным, как функцию двух пространственных координат — радиуса г и координаты г в направлении, нормальном к плотности фильтрации теплоносителя. При таких условиях для функции и (г, г., У можно записать уравнение и краевые условия

Сформулированная задача решается преобразованием Лапласа по переменной Бо и преобразованием Фурье по пространственной координате. Чтобы найти оригинал по изображению, используем теорему обращения Фурье-Меллина. Для безразмерного давления в трещиновато-пористой среде получено выражение

Ж % Рф2~Р)Ро Ко.-! (* оА.) + У^ (х0 рт )]

где

2

2 - л

V Р V*3

сов^г; / = /2-/„

А

Так как р1 и связаны отношением р1 = р2 + из уравнения

(18) получим распределение давления в трещиноватой среде (в пласте) как функцию пористости пласта и степени совершенства формы скважины. Если скважина проницаема по всей длине, / < /г и нет притока, то в уравнении (18) Лт (г) надо заменить на

А„ (:) = 2 зт 1т I сов Хт г.

При / = И, из формулы (18) получаем закон распределения давления для совершенной скважины. При получаем выражением для

распределения давления в неоднородно-анизотропном пористом пласте. При п = 0 задача описывает осесимметричную фильтрацию в однородном пористом пласте.

На рис. 12 приведена зависимость давления ——— от числа Б о

для различных значений г (1; 3; 5 м) и г = 2,6 и Ь = 100. Сплошные линии— для / = 100, штриховые - для / = 50.

Графики распределения давления в трещинах и блоках пласта показаны на рис. 13: сплошные линии — для ц = 0, штриховые — для т[ = 100. Исследования показали, что различия, возникающие в начальный момент времени, благодаря мгновенному перераспределению давления в трещинах и медленному изменению его в блоках, ликвидируется тем быстрее, чем меньше время запаздывания.

Рис. 12. Кривые зависимости безразмерного давления (р-Р„)/<1 от числа Бо при разных значениях г.

Рис. 13. Кривые зависимости распределения безразмерного давления от числа Бо при разных значениях г и

Метод оптимизации изложим на примере теплового аккумулятора, обеспечивающего одновременное аккумулирование и потребление энергии (рис. 14).

С5=соп51Л7 Тз=уаг,

Рис. 14. Схема аккумулятора, обеспечивающего аккумулирование и потребление энергии.

Работа аккумулятора теплоты основывается на двух графиках: поступление теплоты (в данном случае солнечной энергии); потребление теплоты (отопление и горячее водоснабжение); дополнительная информация - график потребления теплоты при условии, что температура теплоносителя на выходе из аккумулятора теплоты всегда постоянна, т.е. сК2„ =/(С„), где Qn — тепловой поток источника тепла; G - массовый расход теплоносителя.

Математическая модель системы в целом представлена моделями каждого отдельного элемента в виде набора функциональных операторов (теория, моделирование, расчет и апробация), представляемых в виде

Г, =/„ (Хь и„ К„ /У;

(19)

% =/* (р. Т,И,р,5, £).

На основе обобщенной математической модели предлагается следующая модель трехпотокового аккумулятора теплоты Ха - (рл, Ьа, ¿4, Рн, К, Рп /»П. Уа = {ТА. 5Л, РА. СО; = {Оа} - при полной зарядке аккумулятора; (20)

- для всех остальных случаев;

Ка = {I? Ул.%.

В уравнениях (19)-(20) приняты обозначения: Т~ температура; У~ выходные параметры; Ф - функциональные характеристики; V - вид функции уравнения состояния; /у. /ф - нелинейные функции; X -входные внутренние параметры; Ц- выходные внутренние параметры; К -конструктивные параметры; Г- топология элемента в схеме; р — давление; к — удельная энтальпия; р - плотность; 5 — удельная энтропия; £ — концентрация; G - массовый расход теплоносителя; ва - суммарный температурный напор в аппаратах абсорбционного теплового насоса; -коэффициент технико-экономического совершенства; УА — объем аккумулирующего вещества; индекс 1 означает произвольный элемент.

В пятом .разделе «Анализ перспектив использования геотермальной энергии» проведен, анализ и оптимизация проблемы использования геотермальной энергии.

Исследуются термогидродинамические процессы в геотермальных системах, приводятся математические модели этих процессов и указываются методы их решения. Решение приведенных систем уравнений позволит определить основные характеристики источников геотермальной энергии и, следовательно, наилучшим способом решить задачу геотермального теплоснабжения.

Приведем одну га математических моделей и метод ее решения. С этой целью рассмотрим схему конвективного теплопереноса в гомогенном проницаемом пласте с учетом теплопритока от окружающего массива непроницаемых пород. В данном случае процесс теплопереноса в реальном коллектора сводится к процессу конвективного теплопереноса в однородном пласте, имеющем параметры с учетом теплопритока от окружающего массива.

Математическая модель выражается системой уравнений

где Тж — условно средняя температура фильтрующей жидкости; т - время; Г„ - температура массива непроницаемых пород; /.„ - коэффициент теплопроводности массива непроницаемых пород; х, г - пространственные координаты; - средняя скорость фильтрации; - плотность и

удельная теплоемкость жидкости; - эффективные плотность и

удельная теплоемкость (для условно однородной проницаемой среде); Ь -характерная мощность геотермального пласта.

Решение уравнений (21), (22) при задании следующих краевых условий

начальные условия

граничные условия

с>0

г>0 ■Ы)

(25)

(26)

На границе проницаем!

7\.| . =Гж(х,т).

В монографии изложен ход решения. В итоге получаем

Рассмотренные математические модели и, полученные на их основе аналитические решения, позволяют с определенной степенью достоверности рассчитать:

- расстояние между контуром отбора гидротерм и контуром нагнетания отработанного теплоносителя;

-период добычи геотермального флюида постоянной пластовой температуры из продуктивного коллектора, в пределах которого организована закачка охлажденных вод.

Зависимости для вычисления расстояния между контуром отбора и контуром нагнетания теплоносителя получаются: - схема гомогенного пласта

т - с~Р~и.

схема гомогенного пласта с учетом кондукции

(30)

схема гомогенного пласта с учетом теплопритока

В приведенных зависимостях (30)-(32) Ь - расстояние между контуром отбора и нагнетания; - период разработки геотермального месторождения или период, на который подсчитываются восполняемые запасы термальных вод. Остальные обозначения прежние.

Зависимости для вычисления периода добычи геотермального флюида с постоянной температурой из продуктивного коллектора, в пределах которого организована закачка охлажденных вод, имеют вид: - схема гомогенного пласта

схема гомогенного пласта с учетом кондукции

/.

г - С>Р*Ь |

' согЫ 2 2 2

схрж1> сжржи

5,4

-2,7 /5,42+4

(34)

схема гомогенного пласта с учетом теплопритока

Следует подчеркнуть, что входящая в зависимости (30)-(35) скорость фильтрации о, является средней скоростью фильтрации по кратчайшей линии тока между источником и стоком.

Кроме расчетов перечисленных ранее технологических показателей, с помощью приведенных решений можно построить график изменения во времени температуры геотермального флюида на устье эксплуатационной скважины, работающей во взаимодействии с нагнетательными скважинами. Для построения этого графика по на различные моменты времени производятся вычисления температуры геотермального флюида. При этом значение координаты х принимается постоянным и равным расстоянию между эксплуатационной и нагнетательной скважинами. Используя вычисленные на различные моменты времени значения температуры, строится требуемый прогнозный график.

Рассматриваются различные варианты геотермального теплоснабжения, имеющие несомненное практическое значение.

В работе приведены структурные схемы петротермального теплоснабжения и выполнен их анализ. Одна из возможных схем приведена на рис. 15.

Рис. 15. Принципиальные схемы петротермальной системы теплоснабжения жилого дома: 1 - грунтовый теплообменник; 2 - насос; 3 - емкости для антифриза; 4 - испаритель теплонасосной установки; 5 - редукционный клапан; 6 - насос для циркуляции ваты в отопительной системе; 7, 8 - теплообменники конденсатора теплонасосной установки; 9 — бак горячей волы; 10 - трубопровод системы горячего водоснабжения; 11 - потребитель горячей воды; 12 - компрессор теплонасосной установки; 13 - водопровод холодной воды; 14 - разрешительный бак; 15 - трубопровод горячей воды системы отопления, 16 - бак горячей воды для отопительной системы; 17 - отопительный прибор; 18 - трубопровод обратной воды системы воды.

В шестом разделе «Оптимизация энергосистем, использующих возобновляемые источники энергии» изложены основные положения разработанной концепции оптимизации и приведен пример использования этого метода.

Выполнен анализ наиболее эффективных методов оптимизации: метод многомерных точек; многомерных таблиц испытаний; метод ЛП-поиска; использованием теории графов (метод ветвей и границ; "а-р-отсечение"; использование двудольного графа и матрицы назначений).

Выполненный анализ позволил сделать вывод, что наиболее перспективным является эксергоэкономический метод оптимизации, который. впервые применен для оптимизации энергетических систем с использованием возобновляемых источников энергии. Он позволяет дать энергетическую (по затратам эксергии) и экономическую (в денежном выражении) оценки рассматриваемых энергетических установок.

В основу метода положены топографические представление графовых построений и эксергетический анализ.

В общем случае термоэкономический критерий оптимальности имеет вид

V * /

где Цт П„ — стоимость и годовое потребление эксергии из внешних источников; Кя - годовые капитальные и другие, связанные с ними затраты в n-м элементе; - годовой расход эксергии для получения к-го продукта.

Таким образом, задача оптимизации СГСМ в общем случае может быть сведена к поиску экстремума функции

Zop, = min Zz\ или для параметрической оптимизации

Л,*, = гпах ,

где ije - эксергетический КПД.

Изложенный метод был использован для эксергоэкономической оптимизации солнечно-теплонасосной системы с сезонным аккумулированием (СТНССА). Сформулированная концепция оптимизации представляет собой многоэкстремальную большеразмерную задачу дискретно нелинейного программирования при соответствующих ограничениях.

Определяющим в расчете являются алгоритмы эксергетического и термоэкономических затрат.

Алгоритм АЛг - определения потерь эксергии в СТНССА

Алгоритм состоит из следующих основных шагов:

(I) Построить соответствующий данной системе эксергетический потоковый граф Е = (А, U), матрицу инциденций и рассчитать эксергии потоков по дугам Ej,j= 1,2.....п.

(II) Для всех элементов i = 1, 2,..., т определить входящие {Му =1),

выходящие потоки и рассчитать суммы потоки

эксергии J-ТЫХ элементов и степени термодинамического их совершенства.

(III) Рассчитать суммарные потери эксергии:

п, -in. <37>

Алгорити- AZz хределение термоэкономических затрат в СТНССА

Поскольку величина термоэкономических затрат в системе Ъ^ также, как эксергетические потери Пе, являются аддитивными, то алгоритм А2^ во многом схож с АП^.

Основные шаги алгоритма

(I) Повторить шаг (I) алгоритма АП;;.

(II) Рассчитать годовые неэнергетические (капитальные и связанные с ними) затраты Кп /' = 1,2,..., т в каждом из элементов.

(III) Повторить шаг (П) алгоритма АП^, но вместо расчета степени термодинамического совершенства рассчитать термоэкономические затраты в /-том элементе СТНССА

где Ц1 - цена 1 кВт-ч эксергетических потерь в СТНССА.

Приведенные в настоящем разделе обобщенные алгоритмы позволяют определять как термодинамические, так и экономические характеристики СТНССА любой структуры и функционального назначения.

Схема гелиоустановки с тепловым насосом и аккумулятором приведена на рис. 16.

Рис. 16 Схема гелиоустановки с тепловым насосом: 1 - гелиоколлектор; 2 - баки-акк) муляторы; 3 - насос; 4 - расходомеры; 5 - термометр; 6 - дроссельный клапан; 7 - фильтр, 8 - испаритель; 9 - конденсатор; 10 - компрессор.

На рис. 17 и 18 показаны структурная схема этой установки и соответствующий граф эксергоэкономических затрат системы.

Матрица инциденций эксергоэкономических затрат приведена на рис. 19.

Уровень 1,(рис, 17) содержит четыре висячие вершины, отражающие возможные суммарные термоэкономические затраты в зоне I, включающей в себя (рис. 17) солнечный коллектор и три теплообменника — T2, ТЗ.

21 = И, + Кк

(38)

I Л Ш

Рис. 17. Структурная схема СТНССА. СК - солнечный коллектор; Т1-Т15 -теплообменники; И - испаритель; К - конденсатор; СБА - сезонный бак-аккумулятор; БПТ - бак промежуточных температур; БАФ - бак антифриза; БГВС - бак горячего водоснабжения; ЭлК - электрокотел; МОП - маслоохладитель и переохладитель ТНУ; индексы: ГВС - горячего водоснабжения; СО - системы отопления; обр - обратной воды; п п - питательного потока; БПТ - блока промежуточных температур

Число вершин уровня II равно четырем в соответствии с четырьмя типоразмерами солнечного коллектора (Аск = 1000; 2000; 3000; 4000 м2). Соответственно возможные затраты на уровне I

(39)

где к = 1, 2, 3, 4 - отражает четыре типоразмера коллектора и необходимые

для этого коллектора теплообменники.

Нетрудно видеть, что <г'2 <г!3 поскольку с увеличением

площади коллектора вырастает не только стоимость самого коллектора, но и стоимость теплообменников XI, Т2, ТЗ.

Уровень II также содержит четыре висячие вершины, отражающие возможные термоэкономические затраты в зоне 2 (см. рис. 18), включающей в себя баки БПТ, СБА, БАФ, а также теплообменники Т4, Т5, Т6.

В соответствии с алгоритмом термоэкономических затрат необходимо сформулировать дерево решений (граф возможных термоэкономических затрат в анализируемой системе), общий вид которого изображен на рис. 19.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 45 46 47 48 49 50 51

I 1 -1 -1 1

II 1 -1 -1 I

III 1 -1

IV

V

VI -1 1

VII - 1

VIII 1 -1

IX

X

XI

XII

XIII 1 -1

XIV -1 1

XV 1 -1 1 -1

XVI -1 1

XVII

XVIII

XIX

XX

XXI

XXII 1 -1 -1 1

XXIII

Рис. 19. Матрица инциденций графа, изображенного на рис. 18.

На основе выполненного расчета доказано, что оптимальным из 64 исходных возможных вариантов для установки мощностью 0,5 МВт является система, содержащая коллектор площадью Аск = 1000 м2 с объемом аккумулятора V = 3000 м3 и степенью использования теплового насоса - 0,8.

Рис. 20. Дерево эксергоэкономических затрат в СТНССА.

Необходимо заметить, что для определения минимальных затрат методом прямого перебора надо было рассчитать 64 варианта системы, в то время как предлагаемой в работе процедуры эксергоэкономической оптимизации на соответствующем графе потребовало шестнадцать полных расчетов анализируемой системы. В результате время определения оптимального варианта уменьшилось в 4 раза.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Россия располагает значительными возможностями производства и использования энергетического потенциала возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Для повышения эффективности его использования предложены и обоснованы методы совершенствования и достоверной оценки энергоустановок, основанные на применении достижений науки в области аккумулирования, трансформирования и оптимизации

энергосберегающих систем.

2. Исследована и разработана модель гидродинамики и теплообмена потока-теплоносителя в каналах солнечного коллектора. На основании полученных результатов решены задачи теплообмена и разработан метод расчета аккумуляторов гелиоустановок, в основу которого положен эксергетический метод оценки их эффективности. Получена обобщенная математическая модель аккумулирования теплоты в виде набора функциональных параметров, в которой в качестве источника теплоты принята солнечная энергия, а объектом апробации модель -конкретная система теплохладоснабжения с аккумулированием теплоты (жилой дом на 60 квартир в Крыму). Техническое решение по совершенствованию конструкции гелиоколлекторов защищено патентом РФ.

3. Проведена оптимизация параметров системы для получения биогаза, по которой была составлена технологическая схема, определен состав оборудования, ее конструктивные и функциональные параметры. Оптимизация системы выполнена с использованием параметрического потокового графа и матрицы инциденций схемы биогазовой установки, на основании которых доказана степень энергетического совершенства принятого варианта системы. Получены аналитические зависимости реакций горения и сбраживания биомассы различного природного происхождения. Предложен метод дискретно-импульсного ввода энергии в анаэробный реактор для нагрева, измельчения и перемешивания биомассы, что позволило повысить эффективность производства биогаза в 1,3 раза

4. Выполнен эксергетический анализ абсорбционного водо-аммиачного термотрансформатора на основании чего было показано, что основные потери энергии имеют место в генераторе - 19%, а на долю ректификатора и абсорбера приходится по 16%. Разработанный подход, учитывающий это обстоятельство, позволяет повысить эффективность абсорбционных термотрансформаторов еще на стадии их проектирования.

5. Выполнено математическое модели^ива^^0д^|(щуамических

процессов в геотермальных системах схем

СПетербт »

о» -иа •«*__%

конвективного теплопсреноса в гомогенном теплоизолированном проницаемом слое, в теплоизолированном проницаемом пласте, в проницаемом пласте с учетом теплопритока от окружающего массива непроницаемых порид и в пласте, у которых происходит теплообмен с фильтрующей жидкостью. Получены аналитические решения перечисленных схем для их использования при проектировании конкретных энергоустановок.

6. Составлен эксергетический баланс различных энергоустановок на основе возобновляемых источников- энергии, позволяющий решать оптимизационные задачи при их построении. Для решения поставленной задачи использованы методы эксергетического анализа энергопреобра-зующих систем и теория графов. Выполнен пример синтеза на графе термоэкономических затрат, а также термоэкономическая оптимизация реальных солнечно-тепловых систем, позволяющая определить оптимальный вариант.

7. Основное содержание работы, результаты и рекомендации обобщены и отображены в монографии объемом 33 п.л., двух учебниках для студентов по направлению «Агроинженерия». На основании теоретических и экспериментальных исследований в диссертационной работе решена проблема совершенствования методов оценки сельскохозяйственных энергоустановок на основе использования энергии солнца, биомассы и геотермальных вод. Народнохозяйственное значение проблемы заключается в системном подходе ее решению, позволяющим осуществить комплексное проектирование и оптимизацию солнечно-теплонасосных систем с сезонным аккумулированием теплоты мощностью 0,5 МВт. Использование выполненных работ на конкретных примерах оптимизации сельскохозяйственных энергосистем позволяет повысить их эффективность как на стадии проектировании так и при их строительстве в сельскохозяйственном производстве. Ожидаемый годовой экономии-ческий эффект, при реализации разработок составит 5-12% стоимости создаваемой системы с ВИЭ.

Основные публикации по диссертации

Научное издание (монография)

1. Амерханов Р.А. Оптимизация сельскохозяйственных энергетических установок с использованием возобновляемых видов энергии: научное издание. -М.: КолосС, 2003. — 532 с: ил.

Учебники

2. Амерханов Р.А., Драганов Б.Х. Проектирование систем теплоснабжения сельского хозяйства: Учебник для студентов вузов по агроинженерным специальностям. / Под ред. д-ра техн. наук., проф. Б.Х. Драганова. — Краснодар, 2001. -199 с.

3. Амерханов Р.А., Бессараб АС, Драганов Б.Х, Рудобаиипа СП., Шишко Г. Г. Теплоэнергетические установки и системы сельского хозяйства / Под ред. Б.Х. Драганова. -М: Колос-Пресс, 2002. - 423 с: ил.-(Учебники и учебные пособия для студентов высших учебных заведений).

Публикации в ведущих научно-технических журналах

4. Амерханов РА. Потери энергии вследствие переноса тепла из реактора в окружающую среду // Энергосбережение и водоподготовка. 2001. № 4. С. 38-41.

5. Амерханов Р.Л., Дочинекий А.А., Морозюк Т.Е. Аккумулирование теплоты в системах теплоснабжения сельского хозяйства // Промышленная теплотехника. 2002. Том 24. № 1. С. 106-108.

6. Амерханов Р.А., Ярошепко М.Е., Анализ массообменных процессов в метантенке биогазовой установки // Энергосбережение и водоподготовка. 2002. № 1.С. 88-89.

7. Амерхаиов Р.А., Драганов БХ. Анализ систем энергоснабжения, использующих геотермальные источники энергии // Энергосбережение и водоподготовка. 2002. № 2. С. 40-44.

8. Амерханов РА, Шутюк В. В. Использование принципа дискретно-импульсного ввода энергии в пищевой и сельскохозяйственной технологиях // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион: Техн. науки 2002. № 2. С. 74-76.

9. Амерханов Р.А. Вопросы оптимизации технических систем // Известия вузов. Сев.-Кавк. регион: 2002. № 2. С. 77-79.

10. Амерханов Р.А. Анализ и оптимизация биогазовой установки методами теории потоковых графов // Известия вузов. Сев.-Кавк. регион: 2002. №3. С. 28-31.

11. Амерханов Р.А., Ададуров Е.А. Тепломассоперенос в подземном аккумуляторе теплоты. // Энергосбережение и водоподготовка. 2002 г. № 3. С. 32-34.

12. Амерханов Р.А: Использование кавитации для диспергирования и гомогенизации жидких гетерогенных сред // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2002. № 2. С. 100-102.

\Ъ. Амерханов Р. А. Анализ гидродинамики двухфазных сред в абсорбционных термотрансформаторах // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2002. № 4. С. 104-106.'

14. Амерханов Р.А, Гарькавый К.А. Теплообменный аппарат. Патент № 2200289,2003.

15. Амерханов Р.А. Подготовка инженеров по специальности «Энергообеспечение предприятий сельского хозяйства» // Труды 3-й Межд. научно-техн. конф. Москва: ГНУ ВИЭСХ, 2003. С.

16. Амерханов Р.А., Бессараб А.С. Основы подготовки специалистов по вопросам энергетического аудита и менеджмента в области возобновляемых источников энергии // Труды 3-й Межд. научно-техн. конф. Москва: ГНУ ВИСХЭ, 2003 С. 45-49.

17. Амерханов Р.А. Эксегроэкономическая оптимизация теплонасосных систем // Энергосбережение и водоподготовка. 2003. № 2. С. 65-67.

18. Амерханов Р.А., Драганов Б.Х. Термоэкономическая оптимизация реальных солнечных теплонасосных систем // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Электромеханика. 2003. № 3. С. 32-38.

Отраслевые издания и материалы конференций

19. Амерхаиов Р.А., Мищенко А.В., Гарькавый К.А. Солнечные коллекторы, объединенные с аккумуляторами тепла // Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии в двадцать первом столетии: Материалы междунар. науч. техн. сем., Сочи, 31 мая-2 июня 2001 г. Сочи, 2001. С. 60-64.

20. Амерханов Р.А., Мищенко А.В., Гарькавый К.А. Оптимизация системы солнечного и геотермального теплоснабжения теплиц на основе теории графов // Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии в двадцать первое столетии: Материалы междунар. науч. техн. семин., Сочи, 31 мая-2 июня 2001 г. Сочи, 2001. С. 113-119.

21. Амерхаиов Р.А, Булгаков В.М., Воптюк Д.Г., Драганов Б.Х. Математическое моделирование тепломассопереноса в неоднородном проницаемом пласте подземных аккумуляторов тепла // Сб-к науч. трудов Керченского морского технологического института, Керчь, 2001 г. Керчь, 2001. С. 23-31.

22. Амерхаиов Р.А., Гарькавый К.А., Adadypoe Е.А, Ярошенко М.Е. Моделирование процесса перемешивания субстратов в биогазовой установке // Возобновляемая энергетика: Материалы 3-й Всероссийской молодежной шк.; Москва, МГУ, 4-7 декабря 2001 г. М., 2001. С. 11-13.

23. Амерханов Р.А., Гарькавый К.А., Ярошенко М.Е. Методика расчета теплового режима в камере реактора биогазовой установки // Возобновляемая энергетика: Материалы 3-й Всероссийской молодежной шк. Москва, МГУ, 4-7 декабря 2001 г. М., 2001. С. 13-19.

24. До.тнскип А.А., Драганов Б.Х., Амерханов Р.А. Оптим¡защя систем теплохолодозабезпечення, шо використовують поновлюваш джерела енергп // Вентилящя, освгглення та теплогазопостачання: Науково-техтчний зб1рник. Випуск 3. Кит: КНУБА, 2001. С. 65-77.

25. Амерханов Р.А., Демьянченко Н.А., Турчанин О.С. Экология и гидроэнергетика Кубани (взаимосвязь, состояние и перспективы развития) // Известия. Ростов-н/Д., 2001. Вып. 6. С 106-110.

26. Аиерханов Р.А. К вопросу о эксергоэкономическом анализе и оптимизации технических систем // Безопасность, экология, энергосбережение: Матер, науч.-практ. семин. (Гизель-Дере, 2001 г.) Вып. 3. Ростов-н/Д.,2001. С. 102-108.

27. Аиерханов Р.А, БессарабА.С. Анализ процессов тепломассообмена на основе положений неравновесной термодинамики // Актуальные проблемы энергетики: Межвуз. сб. науч. тр., Ростов-н/Д., РГУ ПС. 2001. С. 68-71.

2%. Амерханов Р.А. Подготовка инженеров по специализации «Энергосбережение в сельском хозяйстве» // Использование возобновляемых источников энергии в Черноморском регионе. Стратегия и проблемы образования: Матер, междунар. шк.-семин. ЮНЕСКО. Сочи, 2002 г. М., МГУИЭ, 2002. С. 33-36.

29. Аиерханов Р.А, Бессараб А.С. Основы подготовки специалистов по вопросам энергетического аудита и энергетического менеджмента в области возобновляемых источников * энергии // Использование возобновляемых источников энергии в Черноморском регионе. Стратегия и проблемы образования: Матер, междунар. шк.-семин. ЮНЕСКО. Сочи, 2002 г. М., МГУИЭ, 2002. С. 37-41.

30. Амерханов Р.А. Выработка электрической энергии с применением биогаза // Энергосбережение и охрана воздушного бассейна при использовании газа: Сб. тр. междунар. конф. Ростов-н/Д.: Рост.гос. строит, ун-т, 2002. С 41-43.

31. Амерханов Р.А, Щербаков Е.А., Ярошеико М.Е. Вопросы эффективности работы предприятий // Безопасность жизнедеятельности. Охрана труда и окружающей среды: Межвуз. сб. науч. тр. Вып. 6 (междунар.). РГАСХМ, Ростов-н/Д., 2002. С. 24-25.

32. Аиерханов Р.А, Драганов Б.Х., Булгаков В.М. Математическое и физическое моделирование задач энергосбережения в сооружениях защитного грунта. // Сшьськогосподарськ1 машини. 36. наук, ст., вип. 10. - Луцьк: Ред.-вид. вщдшЛДТУ, 2002. С. 7-14.

33. Ачерханов Р.А. Применение гомогенизаторов в теплотехнологиях // Энергосбережение и охрана воздушного бассейна при использовании газа: Сб. тр. междунар. конф. — Ростов-н/Д.: Рост. гос. строит, ун-т, 2002. С. 34-38.

34. Ачерханов Р.А. Выработка электрической энергии с применением биогаза // Энергосбережение и охрана воздушного бассейна при использовании газа: Сб. тр. междунар. конф. - Ростов-н/Д.: Рост. гос. строит, ун-т, 2002. С. 41-43.

35. Амерханов Р.А., Марченко А.П., Ярошеико М.Е. Использование биогаза в качестве топлива в дизельной электростанции // Энергия из биомассы: Первая в Украине международная конференция. Сентябрь 23-26, 2002 г., Киев, Украина.

36. АмерхановР.А., ГарькавыпК.А., ЯрощенкоМ.Е, АдадуровЕЛ., Чернышев А. О., Чистяков П.А. Солнечные, коллекторы, совмещенные с аккумуляторами теплоты // Изв. акад. пром. экологии. 2002. № 4. С. 47-49.

37. Ачерханов Р.А. Эксергетический анализ гелиоустановок // Электромеханические преобразователи энергии: Матер: второй межвуз. науч. конф. Краснодар, 2003. С. 195-203.

38. Ачерханов Р.А, Ададуров Е.А, Чернышев A.M., Чистяков П.А. Использование солнечной энергии в сельскохозяйственном производстве // Строительство-2003: Материалы междунар. научно-практической конф. Ростов-н/Д., 2003. С. 175-177.

39. Ачерханов Р.А, Ададуров ЕА, Чернышев АИ., Чистяков П.А. Системы солнечного теплоснабжения теплиц и сушильных установок // Строительство-2003: Материалы междунар. научно-практической конф. Ростов-н/Д., 2003. С. 177-179.

40. Ачерханов Р.А., Ярошенко М.Е. Потери тепла из реактора биогазовой установки // Известия РГСУ. Ростов-н/Д., 2003. Вып. 7. С. 147-151.

f -5033

41. Драганов Б.Х., Аиерханов Р.А. Оптимизация солнечно-тегшонасосных с сезонным аккумулированием систем энергосбережения // Електри-фшашя та автоматизашя сшьського господарства. 2003. №1. С. 93-100.

42. Amerkhanov R. Optimization of power units, used renewable energy sources // International School-Seminar UNESCO "Education and Training in the Renewable Energy Sources: XXI Century Perspectives and Problems". Moscow, Russia. P. 153-163.

43. Аиерханов P.А. Биогаз как топливо для выработки электроэнергии // Сб. докладов Междун. конф. Возобновляемая энергетика 2003: Состояние, проблемы, перспективы. Санкт-Петербург, Россия, 2003. С. 93-97.

Тираж 150

Отпечатано в типографии КубГАУ, 350044, Краснодар, Калинина 13

Лицензия ИД 02334 14.07.2000

Подписано в печать 19.02.2004 Бумага офсетная Печ. л. 1,5

Формат 60x84/16 Офсетная печать Заказ № 128

ВВЕДЕНИЕ.

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ И ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Анализ интенсивности солнечного излучения.

Классификация систем солнечного энергоснабжения.

1.2 Использование солнечной энергии в системах энергоснабжения сельского хозяйства.

1.3 Повышение эффективности солнечных систем энергоснабжения

1.4 Математическое моделирование термо- и гидродинамики процессов в коллекторе гелиоустановки.

1.5 Анализ и оптимизация гелиоустановок методами теоретикографовых построений

Выводы.

2 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ И МЕТОДЫ ПЕРЕРАБОТКИ БИОМАССЫ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ

2.1 Количественные и качественные характеристики биомассы.

2.2 Непосредственное сжигание биомассы.

2.3 Метановое сбраживание биомассы.59/

Выводы.

3 ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ТЕРМОТРАНСФОРМАТОРОВ

3.1 Общие сведения по использованию и режимам работы термотрансформаторов.

3.2 Компрессионные тепловые насосы.

3.3 Оптимизация тепловых насосов на основе эксерготопологического анализа.

3.4 Повышение эффективности работы абсорбционных тепловых насосов.'.

3.5 Эксергоэкономическая оптимизация теплонасосных систем.

Выводы

4 ИССЛЕДОВАНИЕ АККУМУЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ КАК ЭФФЕКТИВНОГО СРЕДСТВА ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

4.1 Аккумулирование энергии как фактор энергосбережения.

4.2 Исследование характеристик различных типов тепловых аккумуляторов.

4.3 Оптимизация аккумуляторов теплоты.

Выводы.

5 АНАЛИЗ ПЕРСПЕКТИВ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ

5.1 Основные характеристики геотермальных вод.

5.2 Математическое моделирование термогидродинамических процессов в геотермальных системах.

5.3 Анализ существующих систем геотермального теп лохладоснабжения.

5.4 Использование петротермальной энергии.

Выводы.

6 ОПТИМИЗАЦИЯ ЭНЕРГОСИСТЕМ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

6.1 Характеристики энергосистем как объектов оптимизации.

6.2 Топологическое представление графовых построений.

6.3 Основы эксергетического метода анализа энергосистем.

6.4 Анализ методов оптимизации энергосистем.

6.5 Анализ методов оптимизации технических систем.

6.6 Эксергоэкономический метод анализа, синтеза и оптимизации.

6.7 Математическое моделирование и оптимизация солнечнотеплонасосных систем с сезонным аккумулированием . 245 Выводы.

Актуальность темы. В энергетической стратегии России до 2020 г. должное внимание уделяется развитию возобновляемой энергетики. В целом ; по нашей стране прогнозируется увеличение использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) с ОД до 20 млн т у.т. Реализация энергосберегающих мероприятий, основанных на использовании возобновляемых источников энергии, позволит сэкономить в России к 2005 г. до 0,65 млн т у.т.[129]. Использование ВИЭ может дать существенный эффект, в особенности в сельскохозяйственной энергетике и в энергетике районов, удаленных от центрального энергоснабжения к этому следует добавить четыре несомненно положительных аспекта использования ВИЭ — экологический, региональный, инвестиционный и стоимостный.

Экономический потенциал возобновляемых источников энергии сегодня оценивается в 20 млрд т у.т. в год, что в два раза превышает объем годовой добычи органического топлива всех видов.

Потенциал ВИЭ в нашей стране велик [185]. В частности, экономический потенциал ВИЭ России составляет [53] 270 млн т у.т., т.е. свыше 25 % внутреннего энергопотребления.

В России наблюдается рост использования возобновляемых источников энергии, хотя и не такими заметными темпами.

Большой интерес представляет распределение экономического потенциала ВИЭ по регионам России (табл. 1.1 ) [52].

Поэтому неслучаен всплеск интереса научных и производственных организаций России в плане развертывания научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок по расширенному использованию ВИЭ.

Так, под руководством акад. Д.С. Стребкова разработан Национальный проект, развития экономически эффективных технологий солнечной энергетики [203, 204]. В этот проект включены основные вопросы, относящиеся к развитию современных технологий использования возобновляемых источ

Таблица 1.1. Распределение нетрадиционных возобновляемых энергоресурсов в России (экономический потенциал, млн т у.т.)

Регион России Малая гидроэнергетика Геотермальная энергия Биоэнергетика Ветровая энергия Солнечная энергия

Северный — — — 1,4 0,12

Северо-Западный- 7,8: 2 2,5 0,16 0,06.

Центральный 0,65 0,5 5,6 0,32 0,62

Центрально-черно- 0,1 — 2,1 0,13 0,25 земный

Волго-Вятский 0,3 — 2,2 г 0,25 0,18:

Поволжье' 1,8 1 4,3 0,52 1,3

Северный Кавказ 3,7 35 4,4 0,32 0,87

Урал 3,7 0,5 5,4 0,6. 1,25

Западная Сибирь 4,0 35 3,9 1,6 1,9

Восточная Сибирь 21,7 1 2,4 1,7 3,45

Дальний Восток 21,2 40 2,2 3,0 2,5

Всего по России 64,95 115 35 10 12,5 ников энергии. Цель проекта — разработка новых экономически эффективных и конкурентоспособных технологий преобразования солнечной энергии по сравнению с традиционными. Реализация проекта позволит решить ряд существенных социально-экономических проблем в стране, в частности, в сфере энергетики и экологии. Общая годовая экономия энергии за счет ожидаемого объема производства фотоэлектрических преобразовательных систем составит 100-200 кВт-ч/м2. Срок окупаемости системы ФЭП снизится от 3-4 лет до 1-2 лет.

Заслуживает внимания предложение ВИЭСХ об энергоснабжении курортных комплексов Черноморского побережья Кавказа, а именно сооружение фотоэлектрических станций. Один из вариантов заключается в том, что конструктивно станция собирается из герметизированных под стеклом стационарных концентраторных модулей размером 1x2 м, установленных на общей раме с наклоном на юг под углом 30-35°. Годовая выработка электроэнергии одним модулем составляет 200 кВт-ч при КПД оптической системы 60 %.

Краснодарский край является одним из наиболее развитых регионов в части наличия и использования ВИЭ [45, 65, 184, 172]. В настоящее время в этом регионе страны эксплуатируется более 40 гелиоустановок горячего водоснабжения производительностью от 0,5 до 40 м2 горячей воды в день. В крае смонтированы и эксплуатируются фотоэнергетические системы установочной мощностью около 50 кВт, более 30 действующих ветроагрегатов с единичной мощностью 4 кВт. На территории края утверждены запасы семи геотермальных месторождений, эксплуатируется 45 скважин с температурой от 70 до 115 "С с единичной мощностью от 1 до 5 МВт. В санатории «Белая Русь» используется тепловой насос. Надо, однако, признать, что эти работы имеют преимущественно неорганизованный характер.

Темпы внедрения и коммерциализации возобновляемых источников энергии могут и должны быть существенно увеличены.

Во многих районах особо перспективны комплексные системы, использующие несколько видов ВИЭ, например, двухмерная электрическая машина (ДЭМ), разработанная в Кубанском государственном технологическом университете, работающая одновременно от ветра и солнца [72]. Исследования и разработки, выполненные по оригинальным гелиосистемам, ветроустановкам и биогазовым установкам, а также их совместному использованию в автономных энергетических комплексах, позволяют спрогнозировать выбор энергоисточников основных типов (возобновляемых и топливно-энергетических) и определить наиболее рациональный с энергетической и экологической точек зрения вариант их применения [19^ 204,,234]. Уже сегодня по некоторым районам страны минимальные и максимальные значения стоимости на электроэнергию, вырабатываемую ВИЭ различных видов и обычными тепловыми электростанциями, оказываются сопоставимыми между собой. Зоны экономически эффективного применения ВИЭ будут расширяться по мере ужесточения требований к выбросам и введения дополнительной платы за эти выбросы.

Аналитический обзор литературы показал, что в опубликованных работах уделено мало внимания проблеме расширенного использования: ВИЭ; малочисленны случаи технической реализации, которые обеспечили бы эффективное использование сельскохозяйственных энергоустановок на основе ВИЭ.

Поэтому необходимы дальнейшие комплексные исследования проблемы повышения эффективности и оптимизации энергоустановок на основе ВИЭ.

Это определяет своевременность, научную актуальность и практическую значимость выбранной темы исследований.

В работе обобщенны исследования в рамках Федеральной целевой программы в соответствии с тематическим планом Министерства сельского хозяйства РФ по плану научного направления Кубанского государственного аграрного университета (КубГАУ) в соответствии с госбюджетными« темами : № 16 «Разработка энергосберегающих технологий в сельскохозяйственном производстве» (ГР № 01960009015) 1996-2000 гг., №22 «Разработка и исследование энергосберегающих технологий, оборудования и источников электропитания для АПК» (ГР №01200113477) 2001-2005 гг.

Цель работы - разработка научных положений совершенствования методов оценки сельскохозяйственных энергетических установок на основе возобновляемых видов энергии, обеспечивающих повышение-эффективности их использования.

Объектами исследования я.вляются энергосберегающие системы, основанные на использовании ВИЭ (солнце, биомасса; геотермальные воды, термоаккумуляторы).

Предмет исследования: Возобновляемые источники энергии, установки для их использования и методы их совершенствования на основе оптимизации параметров с применением современных достижений науки в области термодинамических процессов и эксергоэкономической оценки для повышения эффективности энергосистем.

Методы исследования. В работе использованы методы математического моделирования термодинамических процессов в системах энергоснабжения с использованием ВИЭ; графо-аналитические методы анализа и оптимизации структуры систем; эксергетический и эксергоэконо-мический методы (с использованием графов) для анализа, синтеза и оптимизации энергетических систем; принцип дискретно-импульсного введения энергии (ДИВЭ); метод расчета пограничного слоя; методы термодинамики неравновесных процессов.

Научная новизна:

- теоретически обоснован метод оценки энергетических систем, использующих ВИЭ на основе теоретико-графовых построений;

- разработан метод определения оптимальных термо- и гидродинамических параметров в солнечном коллекторе;

- разработана математическая модель тепловых и гидродинамических процессов в реакторе биогазовой установки;

- обоснована система комплексного производства тепловой и электрической энергии на основе термотрансформаторов;

- решена задача эксергоэкономического анализа и оптимизации вариантов солнечно-теплонасосных систем с сезонным аккумулированием;

- построены математические модели термогидродинамических процессов в гидротермальных системах;

- разработана математическая модель и выполнено эксергоэкономи-ческая оптимизация солнечно-теплонасосных систем с аккумулированием теплоты.

Достоверность полученных результатов определяется корректностью постановки задач, обоснованностью принятых допущений, адекватностью использованного математического материала и полученных моделей исследуемым процессам; подтверждается хорошей сходимостью результатов аналитических расчетов, математического моделирования с экспериментальными данными.

Практическая значимость результатов работы состоит в разработке методов расчета оптимальных вариантов энергоустановок и энергокомплексов с использованием возобновляемых источников энергии, которые могут быть использованы при проектировании сельскохозяйственных энергетических установок.

Разработана конструкция эффективного в энергетическом отношении теплообменного аппарата (Патент РФ №2200289 2003 г. "Теплообмен-ный аппарат").

Реализация результатов работы. Практическим результатом работы, внедренной в учебный процессу является отражение ряда теоретических и методических положений диссертации в рабочих программах,, лабораторных и практических занятиях, курсовом и дипломном проектировании.

Разработаны и изданы под грифом Министерства сельского хозяйства РФ учебники: "Проектирование систем теплоснабжения сельского хозяйства", 2001 г. и "Теплоэнергетические установки и системы сельского хозяйства", 2002 г., которые используются в учебном процессе 56 вузов России и стран СНГ по направлению 660300 "Агроинженерия". В учебниках в соответствии с учебным планом уделяется достаточно большое внимание вопросам использования возобновляемых видов энергии.

Издана монография "Оптимизация сельскохозяйственных энергетических установок с использованием возобновляемых видов энергии", 2003» г. в которой рассматриваются вопросы эффективности и экономической рентабельности использования возобновляемых источников энергии.

На защиту выносятся:

- метод оценки энергетических систем с использованием теоретико-графовых построений;

- обобщенный метод определения оптимальных термо- и-гидродинамических параметров теплоносителя в солнечном коллекторе;

- методика оценки систем перемешивания и подогрева субстрата, математическая модель тепловых и гидродинамических процессов в реакторе биогазовой установки;

- математический и физический методы моделирования работы грунтового теплообменника;

- методика оптимизации систем солнечного и геотермального теплоснабжения с использованием теории графов;

- математическая модель тепломассопереноса в неоднородном пласте подземных аккумуляторов теплоты;

- эксергоэкономический метод оптимизации энергосистем с использованием ВИЭ.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на: Международной конференции "Проблемы энергосбережения и экологии при использовании углеводородных топлив", Ростов-н/Д; 2001 г.; Международной школе-семинаре "Промышленная экология", Ростов-н/Д, 2001 г.; Международной конференции "Строительство-2001", Ростов-н/Д, 2001 г.; Международной конференции "Проблемы промышленной теплотехники", Киев, 2001г.; Международных научно-технических семинарах " Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии в ХХГстолетии'', Сочи, 2001г.; 3-й Международной научно-практической конференции "Проблемы экономии энергии^', Львов, 2001 г.; научно-практическом семинаре "Безопасность, экология, энергосбережение", Гизель-Дере, 2001 г.; III Всероссийской научной молодежной школе "Возобновляемые источники энергии'', Москва, 2001 г.; региональной научной конференции "80-летие КубГАУ", Краснодар, 2002 г.; Международной научно-практической конференций "Строительство-2002", Ростов-н/Д, 2002 г.; Международной научно-практической конференции "Современные энергосберегающие тепловые технологии", Москва, 2002 г.; Международной?Школе-семинаре ЮНЕСКО "Использование возобновляемых источников энергии в Черноморском регионе. Стратегия и проблемы образования", Сочи, 2002 г.; региональной научной конференции " Энергосберегающие технологии и процессы в АПК", Краснодар, 2002 г.; Международной конференции "Энергия из биомассы", Киев; 2002 г.; Международной конференции "Энергосбережение и охрана воздушного бассейна при использовании газа", Ростов-н/Д, 2002 г.; Международной научно-практической конференции "Строительство

2003", Ростов-н/Д, 2003 г.; 3-й Международной научно-технической конференции ;"Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве7, Москва* 2003 г.; Международной Школе-семинаре ЮНЕСКО "Образование и подготовка специалистов в области возобновляемых источников энергии. Проблемы и перспективы XXI века", Махачкала, 2003 г.; Международной конференции "Возобновляемая энергетика 2003: Состояние, проблемы, перспективы", Санкт-Петербург, 2003 г.; внутри вузовских конференциях факультетов энергетики• и электрификации, механизации Кубанского госагроуниверситета 1998-2003 гг.

Публикации. Основное содержание, результаты и рекомендации отражены в монографии объемом 33 п.л., двух учебниках, вышедших под грифом Минсельхоза РФ для направления подготовки 660300 - "Агро-инженерия", объемом личного участия в учебниках 28 п.л., 43 публикации в рецензируемых научных журналах и изданиях, в т.ч. патенте России на теплообменный аппарат.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, списка использованной литературы, приложения и перечня обозначений, индексов и сокращений. Диссертация изложена на 307 страницах, иллюстрирована 127= рисунками, 20 таблицами. Список использованной литературы включает 314 наименований, в том числе 70 на иностранных языках.

Выводы

1С целью рационального использования геотермальной энергии выявлены и систематизированы основные характеристики геотермальных вод в России, а также существующие схемы и устройства их использования.

2 Выполнено математическое моделирование термодинамических процессов в геотермальных системах с использованием четырех расчетных схем:

- чисто конвективного теплопереноса в гомогенном теплоизолированном проницаемом слое (ГТПС);

- кондуктивно-конвективного теплопереноса в гомогенном теплоизолированном проницаемом пласте;

- конвективного теплопереноса в гомогенном проницаемом пласте с учетом теплопритока от окружающего массива непроницаемых пород;

- конвективного теплопереноса в проницаемом теплоизолированном пласте, состоящем из частиц шаровидной формы, у которых происходит теплообмен с фильтрующей жидкостью.

Получены точные аналитические решения перечисленных схем с использованием конкретных для каждого случая краевых условиях.

3 Построенные по четырем расчетным схемам (п. 2) математические модели позволяют вычислить период добычи геотермального флюида с постоянной температурой в устье эксплуатационной скважины, а также расстояние между контурами отбора и нагнетания системы геотермального месторождения.

4 Выполнен детальный анализ существующих систем геотермального теплохладоснабжения, с акцентом перспектив их использования, в аграрном секторе России.

5 Выявлены аспекты рационального использования петротермальной энергии с использованием, в необходимых случаях, грунтовых теплообменников в виде деаэрированной воды или нетоксичного антифриза.

1.1*Характеристики энергосистем как объектов оптимизации

2. Анализ и оптимизацию энергетических систем следует основывать на методе системного анализа 152.

3. При исследовании сложных энергетических систем объект структу-ризируют, рассматривая его как систему взаимосвязанных элементов с учетом присущим им собственных характеристик и процессов 152.

4. Топологическое представление графовых построений

5. Топологические модели системы позволяют установить зависимость взаимосвязи между изменениями технологической топологии и количественными характеристиками изучаемой системы от входных переменных, воздействующих на систему 174, 222.

6. Следует подчеркнуть, что кроме внешних источников теплоты могут быть и внутренние (фиктивные), например тепловой эффект, вызванный экзотермической химической реакцией.

7. Матричное представление графов позволяет отобразить структурные особенности графов;

8. Граф можно отобразить при помощи следующих матриц: ветвей ||Ь||, смежности ||Н||, циклов ||М||,.отсечений ЦЫЦ, инциденций ЦвЦ.

9. Топологический метод составления системы уравнений базируется на анализе топологических особенностей потоковых графов.

10. Вместо матричного уравнения вершин (6.1) можно составить эквивалентное матричное уравнение отсечений1.I X ||С|| = О, (6.2)где ||N|| — матрица отсечений графа, имеющая размер (R х е).

11. Топологический метод следует применять к каждому материальному потоковому графу и к тепловому потоковому графу.

12. Если уравнения для всех материальных и тепловых потоковых графов образуют совместно разомкнутую систему уравнений, то получают ациклический информационный граф системы уравнений балансов ЭС.

13. Если уравнения связей рассматриваемого потокового графа образуют совместно замкнутую систему уравнений, то получают циклический информационный граф системы уравнений балансов ЭС.

14. При решении задач расчета балансов ЭС, для которых справедливы системы линейных уравнений материальных и тепловых балансов, топологический метод позволяет разработать ациклический информационный граф системы уравнений балансов ЭС.

15. Необходимо в исходном ППГ определить множество особых дуг

16. Q* = (qv q2, qp), Q* с Q, \Q*\ =p,p< m, (6:3)с минимальной суммой параметричностей.

17. Основы эксергетического метода анализа энергосистем

18. Для энергетической оценки технических систем наиболее целесообразно обращаться к методу эксергетического анализа.

19. Эксергия представляет собой количество работы, которое может быть получено внешним приемником энергии при обратимом взаимодействии системы или потока энергии с окружающей средой до установления полного равновесия 239.

20. Если объем потока не изменяется, то АЕу = 0.

21. Отношение отводимой от системы эксергии Евых к подводимой эксергии Евх определяет значение эксергетического КПД1. Пех=-^ТГ-• (6.6)• .

22. При построении эксергетического графа следует учитывать следующее. Процесс сжатия рабочего тела сопровождается возрастанием эксергии, а процесс расширения — ее уменьшением.

23. Эксергетический КПД реального процесса сжатия без отвода теплоты,но с внутренним трением, определяется по формуле= (6-7)л2 — л1где £П — потери эксергии; Лх, Л2 — начальное и конечное значения энтальпии в процессе сжатия.

24. Эксергетический КПД адиабатного процесса расширения6.8)

25. Заметим, что эксергетический КПД процесса расширения отличается от адиабатного КПД: в сопоставляются две характеристики одного и того же процесса, а в т^— характеристика реального процесса с характеристикой идеального.

26. Анализ методов оптимизации энергосистем

27. При выборе оптимального варианта необходимо обращать внимание также на то, чтобы показатели свойств системы не только имели оптимальные значения, но и чтобы была обеспечена стабильность этих пока»зателей при изменении параметров системы.

28. Возможны два принципиальных подхода при решении задач анализа энергетических систем: блочный и информационный.

29. Для блочного принципа анализа характерно то, что система уравнений математической модели каждого элемента рассматриваемой энергетической установки представляет собой единый математический оператор без выделения процедур решения определенных уравнений.

30. Применение информационного принципа при анализе многоструктурных и сложных энергетических систем связано с трудностями методического порядка, поэтому для решения задач синтеза этих систем рекомендуется пользоваться блочным принципом.

31. Для однонаправленных ЭС порядок расчета элементов совпадает с направлением технологических потоков в. системе от входящих их-значений к выходным значениям.

32. Анализ оптимизации однонаправленных систем энергосбережения рекомендуется основывать на топологическо-структурных методах.6:5 Анализ методов оптимизации технических систем

33. Оптимальное решение можно определить, если принять ряд ограничений; в рамках которых производится соответствующий поиск. Поэтому выбор оптимальных параметров технических систем (устройств) предполагает в той или иной степени компромиссное решение 16.

34. Экстремум критерия оптимизации Ф(дс) можно определить несколькими путями. Наиболее рекомендуемые следующие.

35. Иногда может стоять более сложная задача, а именно оптимизация по двум указанным выше критериям. Математически это формулируется следующим образом:6.12)

36. Поиск оптимального варианта размещения элементов объекта завершается, когда рассмотрены все перспективные варианты решения : Яорг = шшЯ. = Пм, где Ш— верхняя граничная оценка на данном этапе поиска варианта размещения элементов объекта.,

37. Для оценки степени равномерности распределенных последовательностей целесообразно обратится к методу, разработанному И.М. Соболем 177.;

38. Очевидно, что одна и та же модель установки в общем случае не является наилучшей по всем показателям Фв. Поэтому следует идти по пути компромиссного варианта, устанавливая желательный допуск отклоне ния Ф , от Ф : 1 < А.< 1 + АД.1.в j j

39. Приоритетное значение того или иного показателя Ф^ определяется величиной А. При этом, чем важнее показатель, тем меньше значение1. ДА.

40. О < xj < х ■ < х*, j = 1, 2,га. (6.14)•

41. На поведение модели накладываются ограничения в виде S(yn, х) < О, в соответствии с которыми в принятых пределах (6.14) проводится поиск решений в области G(x).

42. Оптимизация анализируемых моделей определяется целевыми функциями Ф{, i = 1, 2\ ., к. Оптимальные, параметры модели находятся следующим образом.

43. Непрерывное множество G(x) заменяется дискретным G(xl, х2,., xN), где все xN, характеризующие модели, принадлежат области G(x) и представляют счетное множество.

44. Оптимальное решение принимается как результат компромисса по всем Ф4: extr Ф^х) = Ф.(хор1;), где xopt — оптимальная модель, определяемая на основании многомерных таблиц испытаний.