автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Структурно-параметрическая оптимизация разветвленных циркуляционных контуров холодильных установок с промежуточным хладоносителем

Глава 1. Обзор литературы и постановка задачи.

1.1 Особенности холодильных установок с промежуточным хладоносителем

1.2 Методы расчета потокораспределения в трубопроводных системах.

1.3 Оптимальное проектирование трубопроводов.

1.4 Комплексное решение при проектировании трубопроводных систем.

1.5 Оптимизация в процессе проектирования трубопроводных систем.

1.6 Проектирование трубопроводов холодильных установок.

1.7 Выводы.

Глава 2. Теоретический анализ и экспериментальное исследование теплофизических свойств хладоносителей.

2.1 Результаты исследования свойств хладоносителя "Бишол®".

2.2 Комплексы свойств, характеризующие эффективность применения хладоносителя.

Глава 3. Формирование методов координирования отдельных этапов многоуровневой оптимизации в процессе автоматизированного проектирования

3.1 Формализация представления холодильной установки.

3.2 Многоуровневая оптимизация холодильной установки.

3.2.1 Экономическая оценка стоимости холодильной установки.

3.2.2 Оптимизация системы холодоснабжения.

3.2.3 Координирование отдельных этапов оптимизации холодильной установки.

3.3 Оптимизация подсистем холодильной установки.

3.3.1 Оптимизация подсистемы "потребители холода - испаритель".

3.3.2 Оптимизация подсистемы разветвленных трубопроводов.

3.3.2 Определение функциональных зависимостей для затрат подсистемы емкостное оборудование - насосы".

3.4 Обобщенный алгоритм автоматизированного проектирования контуров систем охлаждения с промежуточным хладоносителем.

Глава 4. Разработка методов структурно-параметрической оптимизации разветвленных трубопроводов.

4.1 Формирование оптимальной схемы трассировки трубопроводов.

4.2 Параметрическая оптимизация разветвленных трубопроводов.

4.3 Оптимизация неразветвленных трубопроводов.

Глава 5. Анализ результатов исследований трубопроводных систем.

5.1 Результаты исследования неразветвленных трубопроводов.

5.2 Результаты исследования циркуляционных контуров холодильных установок с промежуточным хладоносителем.

Выводы.

Современные холодильные установки представляют собой сложные комплексы, объединяющие в себе охлаждающие устройства (испарители, теплообменники без фазовых превращений), насосное отделение в схемах с промежуточным хладоносителем, компрессорное оборудование, конденсаторы, вспомогательное оборудование и аппараты, а также систему трубопроводов с регулирующей и запорной арматурой, соединяющую отдельные элементы системы. Это достаточно сложные системы с несколькими температурами кипения, различного схемного исполнения (непосредственного охлаждения и с промежуточным хладоносителем) и т. д.

Количество и мощность потребителей холода могут меняться в широких пределах в зависимости от вида предприятия, причем расположение потребителей холода относительно компрессорного отделения часто требует разработки схем трассировки трубопроводов с учетом основных направлений трасс технологических трубопроводов и расположения производственных помещений.

Актуальность темы. В настоящее время при проектировании и строительстве пищевых предприятий все большее распространение получают схемы с промежуточным хладоносителем. Современные технические средства проектирования и управления позволяют существенно повысить их эффективность, однако уровень проектирования указанных систем в нашей стране до сих пор существенно отстает от зарубежного.

Получили широкое распространение упрощенные методы расчета холодильных установок. При этом место размещения компрессорного цеха и насосного отделения выбирается на основе инженерной интуиции и опыта проектировщика, а диаметры труб и толщина изоляционных конструкций определяются по нормативным значениям потерь давлений и плотности теплового потока через изоляцию трубопроводов.

Оптимизационные предпроектные исследования в практике проектных организаций весьма ограничены.

Применение ЭВМ позволило значительно сократить время расчетных работ при проектировании трубопроводов. Однако, в большинстве случаев, использование ЭВМ осуществляется не в полной мере, обычно ограничиваются оптимизацией отдельных участков трубопроводов между цехами, камерами или теплообменниками, исходя из регламентируемых перепадов давления между рассматриваемыми точками. Существующими методами невозможно решение общей задачи автоматизированного проектирования холодильных установок, ввиду большого расхождения в значениях гидравлических сопротивлений и тепловых нагрузок, наличия локальных подсистем управления отдельных потребителей холода.

Эти проблемы требуют координированных методов автоматизированного проектирования данных систем; проведения исследований с целью изучения характеристик разветвленных трубопроводных систем; разработки программного обеспечения для реализации задач оптимизации как в ходе проектирования, так и при эксплуатации систем охлаждения с промежуточным хладоносителем.

Существенное влияние на работу данных систем оказывают свойства хла-доносителей, что требует оценки влияния хладоносителей на работу холодильной установки.

Целью работы является разработка методического и программного обеспечения для автоматического проектирования систем холодоснабжения с промежуточным хладоносителем, обеспечивающих снижение уровня энергопотребления и размеров капиталовложений с учетом особенностей эксплуатации и управления.

Основными задачами исследования являются:

- разработка математической модели участка неразветвленного трубопровода и исследование при использовании различных видов материалов;

- анализ теплофизических свойств хладоносителей без изменения агрегатного состояния и их влияния на работу холодильной установки;

- разработка методологии структурно-параметрической оптимизации разветвленных контуров холодильных установок с промежуточным хладоносите-лем;

- разработка комплексного подхода к проектированию холодильной установки в целом и отдельных подсистем, выражающегося в создании подсистемы автоматизированного проектирования с единым скоординированным алгоритмом и тесным взаимодействием специалистов-проектировщиков и ЭВМ;

- численное исследование с целью теоретического и опытного изучения характеристик разветвленных трубопроводных систем.

Научная новизна работы.

Впервые разработан обобщенный алгоритм автоматизированного проектирования на базе скоординированных отдельных этапов с использованием методологии структурно-параметрической оптимизации разветвленных трубопроводов, теплообменного, компрессорного оборудования и холодильных установок в целом.

Разработано программное обеспечение и проведено численное исследование неразветвленных и разветвленных трубопроводов, теплообменного оборудования.

Выполнено исследование свойств нового хладоносителя и сравнительный анализ характеристик перспективных хладоносителей.

На основе выполненного объема исследований сформированы направления совершенствования методов автоматизированного проектирования систем с промежуточным хладоносителем.

Практическая значимость работы.

Разработанное методическое и программное обеспечение позволяет осуществлять оптимальное проектирование холодильных установок с использованием промежуточного хладоносителя. Применение разработанных методов автоматизированного проектирования позволяет сократить время выполнения проектных работ, увеличить эффективность проектирования систем холодоснабжения.

Содержание работы. Работа состоит из пяти глав.

В первой главе проводится обзор описанных в литературе методов проектирования и оптимизации, способов расчета неразветвленных и разветвленных трубопроводных систем и производится постановка задачи данной работы.

Во второй главе сравниваются свойства наиболее распространенных хладоносителей, определяющие их применимость в схемах холодильных установок. Приводятся результаты исследований свойств нового хладоносителя. Проводится анализ влияния теплофизических свойств хладоносителей на тепловые, гидравлические и экономические показатели трубопроводных систем.

В третьей главе представлена методика многоуровневой оптимизации, способы координирования отдельных этапов оптимизации с учетом заложенных принципов декомпозиции и формализации представления холодильной установки. Описаны основные положения оптимизации отдельных подсистем. Приводится обобщенный алгоритм автоматизированного проектирования контуров систем охлаждения с промежуточным хладоносителем.

В главе 4 описывается методика структурно-параметрической оптимизации разветвленных трубопроводов. Представлена методика расчета и оптимизации неразветвленного участка трубы.

В пятой главе проводится анализ результатов оптимизационных исследований неразветвленных трубопроводов, анализ численных исследований контуров холодильных установок с промежуточным хладоносителем. Показано влияние свойств хладоносителя, тарифов на энергоносители и стоимости материалов изолированных трубопроводов на стоимость трубопроводной системы.

Выводы

1. Разработана математическая модель неразветвленного участка изолированного трубопровода, позволяющая проводить оптимизационные численные исследования. Результаты исследований подтверждают необходимость проведения предпроектных технико-экономических расчетов с учетом принятых типов изоляции, текущей стоимости энергоносителей и материалов.

2. Проведен анализ влияния теплофизических свойств хладоносителей без изменения агрегатного состояния на гидравлические и тепловые характеристики трубопроводов. Выявлена целесообразность расширения области применения хладоносителей природного происхождения ("Бишол®" и др.).

3. Разработанная методика многоуровневой структурно-параметрической оптимизации разветвленных циркуляционных контуров холодильных установок с промежуточным хладоносителем позволила получить единый скоординированный алгоритм автоматизированного проектирования указанных систем. Использование при этом комплексного подхода к проектированию с выделением подсистем локального управления отдельных потребителей холода существенно повышает качество проектирования и сокращает объем оптимизационных исследований.

4. Проведены численные исследования неразветвленных и разветвленных трубопроводов. В зависимости от протяженности трубопровода и мощности потребителя холода удельная стоимость циркуляционных контуров находится в диапазоне 10 30 % стоимости всей системы холодоснабжения, что для крупных предприятий составляет значительную долю общих затрат на строительство предприятия. Применение оптимизационных расчетов рассматриваемых систем холодоснабжения позволяет снизить эксплуатационные затраты на производство холода на 15 4- 20 % и избежать необоснованного завышения капитальных затрат.

1. Абрамов Н. Н. Теория и методика расчета систем подачи и распределения воды. М.: Стройиздат, 1972. - 288 с.

2. Андрияшев М. М. Техника расчета водопроводной сети. М.: Сов. законодательство, 1932. - 62 с.

3. Арянин А. Н., Арский А. К., Кузнецов Ю. А., Меренков А. П., Рогожки-на X. Я. Оптимизация развития во времени сложных газопроводных систем. // Экономика и математика, 1970, т. 6, № 1, с. 105-111.

4. Баранник В. В., Маринюк Б. Т., Овчаренко В. С., Афонский В. П. Новый хладоноситель, особенности и перспективы применения. // Холодильное дело, 2001, №1.

5. Белан А. Е. Универсальный метод гидравлического увязочного расчета кольцевых водопроводных сетей. // Изв. вузов. Строительство и архитектура, 1964, №4, с. 69-73.

6. Блиер Б. М., Вургафт А. В., Абдульманов X. А. Влияние рассольного охлаждения на стоимость холода. // Труды Астраханского технического института рыбной промышленности и хозяйства, Астрахань: Издательство газеты "Волга", 1958, вып. VI, с. 31-48.

7. Бродянский В. М., Фратшер В., Михалек К. Эксергетический метод и его приложения. Под. ред. В. М. Бродянского. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 288 с.

8. Валиев А. Г. Методы оптимизации разветвленных тепловых сетей на основе применения ЭВМ.: Автореф. дис. на соиск. уч. степ. канд. технич. наук. -Л., 1981.-23 с.

9. Васильев В. В. Алгоритмы решения задачи Штейнера с ортогональными расстояниями. // Труды МЭИ. Системы автоматизации проектирования и научных исследований. 1978, вып. 386, с. 94-100.

10. Ю.Васильченко М. П. Расчет водопроводных сетей путем нахождения полных поправочных расходов. // Изв. вузов. Строительство и архитектура, 1964, № 6, с. 80-90.

11. Генель JI. С., Галкин М. Д., Сорокин С. С. Некоторые особенности применения теплоносителя на основе пропиленгликоля в холодильном оборудовании. // Холодильная техника, 2000, № 2, с. 26-27.

12. Гилберт Э. Н., Поллак Г. О. Минимальные деревья Штейнера. // Кибернетический сб. НСМ.: Мир. 1974. - Вып. 8. - с. 19-51.

13. Гольтяев О. М. Антифриз-теплоноситель "Hot Blood" и его свойства. // АВОК, 1999, № 4, с. 58-60.

14. Гордюхин А. И. Газовые сети и установки. (Устройство и проектирование). М.: Стройиздат, 1978. - 383 с.

15. Жидкий теплоноситель для нагрева или охлаждения тепловых систем. // Патент на изобретение № 2072381. Выдан РОСПАТЕНТ, 27.01.1997 г. Авторы: Табаков Ю. И., Конев А. А., Строкатов А. А.

16. Зайцев И. Д., Вайнер В. Г. К вопросу оптимизации трубопроводных сетей на стадии проектирования. // Экономика и мат. методы, 1979, т. 15, № 1, с. 171177.

17. Калюнов В. С., Корнеев А. П. Математическое моделирование гидравлических режимов испарительных систем. // Холодильная техника, 1986, № 10, с. 28-33.

18. Кафаров В. В., Мешалкин В. П. Проектирование и расчет оптимальных систем технологических трубопроводов. М.: Химия, 1991. - 368 с.

19. Кафаров В. В., Мешалкин В. П. Современные методы автоматизированного конструкционного проектирования промышленных объектов с большимколичеством трубопроводов. // Дополнение в кн. Лейлит JI. "Макетное проектирование". М.: Мир, 1984, с. 313-331.

20. Кикачейшвили Г. Е. Технико-экономический расчет разветвленных водопроводных систем методом линейного программирования. // Водоснабжение и сан. техника, 1969, № 6, с. 7-8.

21. Койда Н. У. Гидравлический расчет кольцевых трубопроводов методом сечений. // Теплоэнергетика, 1962, № 9, с. 66-68.

22. Курганов А. М., Федоров Н. Ф. Справочник по гидравлическим расчетам систем водоснабжения и канализации. Л.: Стройиздат, Ленинградское отделение, 1978.-424 с.

23. Курицын В. М. Гидравлический расчет водопроводных сетей методом последовательной увязки смежных колец. // Водоснабжение и санитарная техника, 1973, №10, с. 11.

24. Леонас В. Л., Моцкус И. Б. Метод последовательного поиска для оптимизации производственных систем и сетей. // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1965, № 1, с. 18-25.

25. Лобачев В. Г. Новый метод увязки колец при расчете водопроводных сетей. //Санитарная техника, 1934, № 2, с. 8-12.

26. Лотарев Б. Т. Задача Штейнера для транспортной сети на поверхности, заданной цифровой моделью. // АиТ, 1980, № 10, с. 104-115.

27. Математическое моделирование и оптимизация систем тепло-, водо-, нефте- и газоснабжения. / Меренков А. П., Сеннова Е. В., Сумароков С. В. и др. Новосибирск.: ВО "Наука", Сибирская издательская фирма, 1992. - 407 с.

28. Мелкумов Я. С. Организация и финансирование инвестиций. М.: ИНФРА-М, 2001.-248 с.

29. Меренков А. П. Математические модели и методы для анализа и оптимального проектирования трубопроводных систем.: Автореф. дис. на соиск. уч. степ. д. физ.-мат. наук, Новосибирск, 1974.

30. Меренков А. П. Применение ЭВМ для оптимизации разветвленных тепловых сетей. // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1963, № 4, с. 531-538.

31. Меренков А. П., Хасилев В. Я. Теория гидравлических цепей. М.: Наука, 1985.-278 с.

32. Минский Е. М., Максимов Ю. И. Основы расчета сложных газосбросных сетей на ЭВМ. // Газовая промышленность, 1962, № 10, с. 9-12.

33. Миркин А. 3. Оптимальное автоматизированное проектирование трубопроводных систем технологических и энергетических установок. // Трубопроводные системы в энергетике. М.: Наука, 1985, с. 65-78.

34. Миркин А. 3., Кузнецова Т. В. Выбор оптимальных диаметров разветвленных трубопроводных систем. // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья, 1985, № 1, с. 29-33.

35. Морозов К. К., Одиноков В. Г., Кудрейчик В. М. Автоматизированное проектирование конструкций радиоэлектронной аппаратуры. М.: Радио и связь, 1983.-280 с.

36. Моцкус И. Б. Многоэкстремальные задачи в проектировании. М.: Наука, 1967.-215 с.

37. Моцкус И. Б., Леонас В. JL, Шальтянис В. JI. О нахождении оптимальной конфигурации распределительных сетей. // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1963, №2, с. 176-182.

38. Мурадян А. Е. Оптимизация развития сетей, комплектуемых из стандартных элементов. // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1970, № 2, с. 94-100.

39. Незамерзающие теплоносители. Теплоноситель "DIXIS". / ООО "Гелис-Инт". М., 2000.

40. Некрасова О. А. Оптимальная трассировка трубопроводных сетей.: Авто-реф. дис. на соиск. уч. степ. канд. экономич. наук. М.: ЦЭМИ АН СССР, 1970. -16 с.

41. Некрасова О. А., Хасилев В. Я. Оптимальное дерево трубопроводной системы. // Экономика и мат. методы, 1970, т. 4, № 3, с. 427-432.

42. Островский Г. М., Бережинский Т. А. Оптимизация химико-технологических процессов. Теория и практика. М.: Химия, 1984. - 240 с.

43. Островский Г. М., Волин Ю. М. Моделирование сложных химико-технологических схем. М.: Химия, 1975. - 312 с.

44. Ощепкова Т. Б. Оптимизация разветвленных и многоконтурных трубопроводных систем.: Автореф. дис. на соиск. уч. степ. канд. технич. наук. Новосибирск: Ин-т математики СО АН СССР, 1983. - 22 с.

45. Рекомендации по графическому методу расчета трубопроводов тепловых сетей.: ИЗ-9 / Гос. проект, инст-т "Сантехпроект". М.: ГПИ "Сантехпроект", 1981.-19 с.

46. Рекомендации по проектированию холодильных установок мясной и молочной прмышленности. / Государственный агропромышленный комитет СССР. Научно-технический центр мясной и молочной промышленности. ВНИКТИХП. М., 1987.

47. Свидетельство № 147041 на Товарный Знак. РОСПАТЕНТ. 16.10.1996 г.

48. Скороход Д. К., Штраус JL Н. Гидравлический расчет трубопроводов для жидких хладоносителей с помощью ЭВМ. // Холодильная техника, 1978, № 6, с. 27-30.

49. Сумароков С. В. Применение динамического программирования для оптимального проектирования расширяемых и реконструируемых разветвленных водопроводов. // Изв. вузов. Строительство и архитектура, 1975, № 11, с. 125129.

50. Сухарев М. Г., Ставровский Е. Р. Оптимизация систем транспорта газа. -М.: Недра, 1975.-278 с.

51. Сухарев М. Г., Ставровский Е. Р. Расчеты систем транспорта газа с помощью вычислительных машин. М.: Недра, 1971. - 206 с.

52. ТУ 2150-001-7568-94. Жидкий теплоноситель-хладагент "Бишол". / ТОО "Буртас и К". Волгоград, 1994.

53. Хасилев В. Я. Анализ конфигурации несимметричных тепловых сетей и его применение к выбору мощности систем централизованного теплоснабжения. //Изв. АН СССР. Отделение техн. наук, 1945, № 10/11, с. 1105-1114.

54. Хасилев В. Я. и др. Методы и алгоритмы расчета тепловых сетей. / Под общ. ред. Хасилева В. Я. и Меренкова А. П. М.: Энергия, 1978. - 178 с.

55. Хасилев В. Я., Меренков А. П., Сумароков С. В. Выбор диаметров трубопроводов разветвленных тепловых сетей с применением ЭВМ. // Теплоэнергетика, 1966, № 6, с. 60-65.

56. Хасилев В. Я., Толмачева Н. И. Программа расчета многокольцевых гидравлических сетей увязочным методом. М., 1965.

57. Ху Т. Целочисленное программирование и потоки в сетях. М.: Мир, 1974.-520 с.

58. Шифринсон Б. Д., Хасилев В. Я. Рациональная трассировка трубопроводов. // Строительная промышленность, 1944, № 213, с. 21-24.

59. Штейн М. Е., Штейн Б. Е. Методы машинного проектирования цифровой аппаратуры. М.: Советское радио, 1973. - 196 с.

60. Юрин О. Н. Единая система автоматизированного проектирования ЭВМ. -М.: Советское радио, 1976. 176 с.

61. Aittomaki Е. A., Karkiainen S. V. Lowering temperature by brines in ice banks. // 20th International Congress of Refrigeration, IIR/IIF, Sydney, 1999.

62. Applevard J. R. Optimal design of distribution networks. Build. Serv. Eng., 1978, vol. 45, N11, P. 191-204.

63. Cooling & Refrigeration. Product Information leaflets. Freezium™. / Kemira Chemicals Oy, Finland.

64. Cross H. Analysis of flow in networks of conduits or conductors. Urbana, Illinois: Eng. Exp. station of Univ. of Illinois, 1936, November, Bull. N 286, 29 p.

65. Dijkstra E. W. A note on two problems in connection with graphs. // Numerische Math. 1959, vol. 1, P. 269-271.

66. Duffy F. L. Gas network analysis program for high-speed computer. GAS (USA), 1958, vol. 34, N 6, P. 47-54.

67. Hoag L. N., Weinberg G. Pipeline networks analysis by electronic digital computer. Journ. of Am. Water Works Ass., 1957, vol. 49, N 5, P. 517-534.

68. Kally E. Computerized planning of the least cost water distribution network. -Water and Sewage Works. Reference Number, 1972, Aug. 31, P. 121-127.72.0'Shina E. //Karlovy Vary. 1975, P. 811-821.

69. Wilson G. G., Kniebs D. V. Distribution system analysis with the electronic digital computer. GAS (USA), 1956, vol. 32, N 8, P. 37-44.