Научная тематика

Объект исследования – процессы теплообмена и гидродинамики в элементах и устройствах, теплообменных аппаратах сложных теплоутилизационных систем.
Цель работы – разработка научно-технических основ повышения уровня технико-экономических и экологических показателей энерготехнологических процессов, которые характеризуются значительными объемами материальных и энергетических потоков.
Результаты работы и их научная новизна:
– разработана обобщенная методика моделирования теплообменного оборудования систем утилизации тепловых вторичных энергоресурсов высокотемпературных энерготехнологических процессов. Впервые в методике учитывается специфика работы установок, где используется теплоутилизационное оборудование (компрессорные и когенерационные установки, высокотемпературные энерготехнологические комплексы, использование в качестве теплоутилизаторов устройств для выпаривания растворов и пластинчатых аппаратов).
– впервые создана методика анализа работы теплообменного оборудования систем утилизации тепловых вторичных энергоресурсов высокотемпературных энерготехнологических процессов, которая учитывает распределение тепловых и гидравлических параметров внутри аппарата с учетом процессов гидродинамики и теплообмена, состав продуктов сгорания и их свойств, мест накопления отложений и загрязнений.
– впервые разработана общая структура проведения расчетно-теоретических исследований металлогидридных энергопреобразующих теплоутилизационных систем, учитывающий взаимосвязь физико-химических и сложных тепломассообменных процессов, а также особенности работы каждого элемента системы с учетом режимов и параметров работы генераторов-сорберов. На основе этих результатов разработана усовершенствованная методика расчета новой металлогидридной системы утилизации низкопотенциальных тепловых выбросов промышленных предприятий и ее элементов с применением турбопреобразователей, которые используют в качестве рабочего тела газы с малой молекулярной массой.
– созданы и усовершенствованы методы и средства оценки взаимного влияния термогазодинамических характеристик основных элементов системы утилизации на эффективность комбинированных циклов энерготехнологических установок с применением эксергетических функции и анализа.
– на основе проведения расчетно-теоретических исследований эффективности работы предложенных теплотехнологических утилизационных схем доменного производства с использованием турбопреобразователей впервые выбраны и обоснованы наиболее перспективные из них и определены режимные параметры работы, обеспечивающие комплексное выработки электрической, тепловой энергии и холода и разработаны рекомендации по выбору технологических схем.
– впервые создана методика прогнозирования эффективности и надежности работы утилизаторов-регенераторов доменного производства с применением нейросетевой модели с учетом интегрирования системы утилизации теплоты в энерготехнологическую схему производства.
– созданы методы интегрирования систем утилизации теплоты в энерготехнологические схемы индустриальных предприятий с целью повышения их энергоэффективности с использованием оптимизации оборудования. Полученные методы позволят разработать рекомендации по практической реализации энергосберегающих мероприятий и повысить эффективность использования энергоресурсов на промышленных предприятиях. Впервые на базе полученных новых результатов обоснованный переход к системам утилизации теплоты с тригенерацией – совместной выработки тепловой энергии, холода и электрической энергии. Результаты, полученные в данной работе, являются актуальными для решения проблемы повышения энергоэффективности доменного производства или производств, где есть высоко- и низкотемпературные вторичные энергоресурсы, и уменьшение расхода дефицитного и дорогого природного газа, уменьшение загрязнения окружающей среды. Разработанные методики и алгоритмы могут быть применены и к аналогичного оборудования различных отраслей промышленности, что имеет большое значение для науки и практики.

Проведено комплексное расчетно-теоретическое исследование и усовершенствование характеристик энергетического взаимодействия элементов теплоутилизационной системы с регенеративной стекловаренной печью и оценка общей энергоэффективности систем использования сбросной теплоты стекловаренных печей с помощью разработанных средств анализа и оптимизации. Разработаны усовершенствованные алгоритмы и математические модели для прогнозирования тепловых режимов регенераторов стекловаренных печей и элементов теплоутилизационной системы; создана новая математическая модель и методика анализа динамических процессов теплообмена в рекуперативных теплоутилизаторах с перекрестным движением теплоносителей; разработана и предложена новая система утилизации теплоты дымовых газов стекловаренных печей с применением высокоэффективных пластинчатых теплообменных аппаратов, методика и программные продукты для анализа ее эффективности; созданы усовершенствованные методики, алгоритмы и исследовательские программы для проведения многопараметрической оптимизации теплообменного оборудования теплоутилизационной системы; впервые разработаны комплексные методики, алгоритмы и программные продукты для определения энергоэффективности и оптимизации технико-экономических показателей работы систем теплоутилизационного оборудования.
Результаты актуальны для решения проблемы повышения энергоэффективности стекольного производства и уменьшения затрат дефицитного и дорогого природного газа.

Предложена комплексная методика оценки эффективности термотрансформаторов на основе термоэкономического анализа с учетом термогидравлической необратимости процессов в основных блоках и линиях обвязки парокомпрессионных термотрансформаторов, которая позволяет на предпроектной стадии диагностики схемы холодильной машины с помощью коэффициентов структурных связей определить термоэкономические условия, при которых процедура оптимизации может быть целесообразной с точки зрения стоимости производимого холода, а также наилучший вариант модернизированной схемы холодильной машины, обеспечивающий минимум приведенных затрат с учетом технологических условий эксплуатации и области приоритетного использования перспективных хладагентов.
Выполнен анализ действующей парокомпрессионной установки и на его основе разработаны рекомендации по обеспечению ее эффективной модернизации. Полученные результаты создают базу для повышения эффективности парокомпрессионных холодильных машин и тепловых насосов, что, в свою очередь, обеспечит надежность и безопасность рациональной эксплуатации холодильного оборудования с продлением его ресурса.

Создана новая методика расчета пластинчатого сепаратора теплообменного аппарата контактного типа с определением характеристик сепаратора, которые обеспечивают максимальный уровень коэффициента эффективности при минимальном гидравлическом сопротивлении.
Полученные результаты создают базу данных для дальнейшего повышения эффективности сепараторов контактных тепло-массообменных аппаратов, что, в свою очередь, обеспечит минимизацию массогабаритных характеристик теплообменников, повысит их теплотехническую эффективность и приведет к улучшению экологической обстановки за счет уменьшения выноса в окружающую среду капельной жидкости. Ценность методики заключается еще и в том, что она пригодна к использованию при произвольной теплотехнологической функции контактного аппарата с соответствующей топологией распылительных устройств в его рабочем пространстве. Использование предложенного метода позволяет получить необходимые характеристики контактных аппаратов уже на стадии их проектирования без проведения предварительных натурных экспериментов. Полученные результаты могут использоваться в качестве методики расчета и средств повышения эффективности пластинчатых сепараторов в таких аппаратах как градирни брызгального типа ТЭС и АЭС для охлаждения циркуляционной воды, а также вентиляторных градирен различного теплотехнологического назначения.

Предложена новая методика расчета контактных аппаратов различного теплотехнологического назначения с учетом взаимодействия газокапельных потоков с целью интенсификации и многопараметрической оптимизации теплообменных процессов. Впервые методика расчета контактных аппаратов учитывает эффект эжекции газовой среды, а также неравномерность распределения локальных расходов, функцию распределения капель по размерам и их стартовые скорости.
С использованием оптимизационных решений появляется возможность уменьшить массогабаритные характеристики аппаратов, а также энергетические затраты по обеспечению функционирования контактных теплообменников.
За счет оптимальной топологии распылительных устройств контактных аппаратов и повышения их эффективности уменьшается энергетическая нагрузка на холодильные машины и водогрейные генераторы, а соответственно, минимизируется тепловое загрязнение окружающей среды.
Разработанная методология касается таких аппаратов как контактные конденсаторы, скрубберы, камеры орошения центральных кондиционеров воздуха, градирни брызгального типа.

Сформирована универсальная математическая модель контактного тепломассообмена, которая является справедливой как при произвольной направленности потоков тепла и массы между диспергированной жидкостью и газовой средой, так и при произвольной геометрии пространства взаимодействия фаз и схем оросительной системы. Предложена новая методика расчета тепломассообменных аппаратов контактного типа, описывающая процессы тепломассообмена как при конденсации паровой фазы на поверхности капель, так и при испарении последних, что позволяет без проведения дорогостоящего физического эксперимента определять все необходимые характеристики контактных аппаратов различного теплотехнологического назначения.

Практическая ценность заключается в разработке научных основ для инженерных расчетов и проектирования контактных аппаратов как энергетического, так и общетеплотехнологического назначения, в которых происходит тепло-массообмен при непосредственном контакте между диспергированной жидкостью с произвольным законом распределения локальных расходов в поперечном сечении аппарата и газовой фазой. Полученные результаты могут быть использованы как замена эмпирических зависимостей для расчета таких аппаратов как градирни брызгального типа, скрубберы влажной очистки газов, конденсаторы контактного типа паровых турбин, камеры орошения кондиционеров и т.п.
Разработанная методика расчета контактного теплообмена с учетом начальной неравномерности распределения капельной среды создает математическую основу для оптимизации контактных аппаратов. В целом ряде случаев при проектировании новых аппаратов контактного типа исключается необходимость в сооружении экспериментальных образцов для определения дееспособности объекта.