Дослідження термодинамічної ефективності низькотемпературних систем - Автореферат

Захист відбудеться 25 грудня 2006 року о 12 годині в аудиторії 108 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.087.01 при Одеській державній академії холоду Міністерства освіти і науки України за адресою: вул. Цей перелік доводить складність і комплексність актуальної проблеми створення сучасного термодинамічного забезпечення для розрахунку та оптимізації установок низькотемпературної техніки. Будь - яка неперервна крива, яка знаходиться в області нестабільних станів термодинамічної поверхні суміші, може бути використана для прогнозування і моделювання азеотропних перетворень. Апробація результатів дисертації проводилась на на III - ій Всесоюзній конференції "Криогенная техника - 82" (Москва, 1982), ), Всесоюзній науково - технічній конференції "Микрокриогенная техника - 84" (Омск, 1984), Всесоюзній науково - практичній конференції "Интенсификация производства и применения искусственного холода" (Ленінград, 1986), IV - ій Всесоюзній конференції по кріогенній техніці "Криогеника - 87" (Балашиха, 1987), II - ій міжнародній науково - техничній конференції "Современные проблемы холодильной техники и технологии" (Одеса, 2002), IV-ій міжнародній науково - техничній конференції "Современные проблемы холодильной техники и технологии" (Одеса, 2005), міжнародній науково - техничній конференції "Промисловий холод і аміак "(Одеса, 2006), III - ей школи - семінара "Применение эксергетических методов анализа и оптимизации с целью повышения эффективности использования энергетических ресурсов" (Алушта, 1988), нарада секції "Разработка методов сублимационного и криогенного консервирования пищевых продуктов и биологических материалов" (Київ, 1979). В першому розділі дисертації проведений аналіз існуючих досліджень та розглянуті особливості низькотемпературної системи як обєкту термодинамічної оптимізації, що дозволило сформулювати наступні головні результати, яких слід очікувати при вирішенні цього класу задач: - для ряду систем кріогенної техніки термодинамічно оптимальні параметри близьки до значень, отриманих при термоекономічному аналізі (Бродянський В.М., Семенов А.М.).М(Р,RM,F,GM) де М - імя точки; Р - функція, що характеризує ії розташування відносно елемента; RM - род робочого тіла; F - масив термодинамічних властивостей; GM - доля (витрата) потоку в перерізі, що відповідає вузловій точці. Значення nmax знаходилось з умови врахування тільки рівнянь матеріального та енергетичного балансів, без використання рівнянь процесів та інших особливостей елементів. Рівняння РКВ має кращі по цим показникам екстраполяційні якості до області високих тисків, ніж рівняння БВР. В роботі запропоновано визначити криву інверсії не з рівності нулю диференціального дросель - ефекту бh, а з умови зміни ії знаку. Коли в обох потоках виникають фазові перетворення, причому температура такого перетворення в зворотному потоці вище, ніж у прямому, то в інтервалі обмеженому цими температурами функція Dqm-n має мінімум.Аналітично встановлені взаємозвязки між ексергетичним ККД системи та складаючих ії підсистем зменшують можливий діапазон зміни ККД системи, що веде до спрощення проектних досліджень і зіставлення альтернативних варіантів теплотехнічних установок. Запропоновані класифікація вузлових точок, їх ознак, а також уніфікація імен елементів кріогенних систем і методів їх термодинамічних розрахунків сприяє розробці ефективних формалізованих алгоритмів розрахунку та аналізу схем низькотемпературних установок. Запропонована методика аналізу підгоного параметру кубічного рівняння стану (КРС) з даних по парорідинній рівновазі дає можливість оцінити мінімальний обєм експериментальної інформації, необхідний для моделювання термодинамічних властивостей малодосліджених речовин. Різні набори критичних умов для чистих речовин можуть розглядатися як наслідок невизначених форм, які мають місце в критичній точці. Використання методу термодинамічної подібності речовин дало змогу встановити, що найбільше значення приведеної питомої холодопродуктивності ступені охолодження простого дросельного циклу на будь - якому робочому тілі, включаючи суміші, не може перевищувати значення приблизно рівного 3,86.

Зміст поняття вузлової М-точки відображено наступними атрибутами

1. Аналітично встановлені взаємозвязки між ексергетичним ККД системи та складаючих ії підсистем зменшують можливий діапазон зміни ККД системи, що веде до спрощення проектних досліджень і зіставлення альтернативних варіантів теплотехнічних установок.

2. Запропоновані класифікація вузлових точок, їх ознак, а також уніфікація імен елементів кріогенних систем і методів їх термодинамічних розрахунків сприяє розробці ефективних формалізованих алгоритмів розрахунку та аналізу схем низькотемпературних установок.

3. Отримані аналітичні співвідношення для обчислення верхньої температури інверсії речовин можуть бути використані для розробки узагальнених алгоритмів розрахунку параметрів кривої інверсії та аналізу якості рівнянь стану.

4. Запропонована методика аналізу підгоного параметру кубічного рівняння стану (КРС) з даних по парорідинній рівновазі дає можливість оцінити мінімальний обєм експериментальної інформації, необхідний для моделювання термодинамічних властивостей малодосліджених речовин. Виконаний аналіз для трьохпараметричного КРС показав, що для отримання надійного значення цього параметру достатньо використати чотири - пять точок кривої пружності в районі нормальної температури кипіння.

5. Для будь - якого єдиного рівняння стану його критична точка є точкою дотику n - го порядку (n = 1, 2, …) кривої пружності з ізохорою, ізоентропою, ізоентальпою, а також лініями постійних значень внутрішньої та вільної енергії. Це наукове положення може розглядатися як розвиток і узагальнення відомого правила Планка - Гібса.

6. Різні набори критичних умов для чистих речовин можуть розглядатися як наслідок невизначених форм, які мають місце в критичній точці. Це положення дало змогу виявити нові набори критичних умов.

7. Отримані для двохпараметричних КРС безрозмірні значення обємів співіснуючих фаз і деяких інших термодинамічних функцій визначаються тільки формою рівняння стану і не залежать ні від його модифікації, ні від роду речовини. Цей аналітичний результат дозволяє визнати, що будь - яка модифікація двохпараметричного КРС не приводить до покращення опису парорідинної рівноваги. Крім того, він дозволив створити універсальні алгоритми розрахунку парорідинної рівноваги для різних видів КРС.

8. Запропонований спосіб умовної розбивки двопотокового теплообмінника по температурі зворотного потоку зменшив діапазон аналізованих температур і суттєво спростив алгоритм визначення працездатності апарату.

9. Аналіз працездатності теплообмінника може бути проведений перевіркою знаків похідної ексергетичних втрат по змінній, що однозначно визначає термодинамічні функції робочих речовин в перетині апарату. Якщо ця похідна в кожному перетині позитивна, то теплообмінний апарат є працездатним. У випадку відємного значення похідної в будь - якому перетині теплообмінник визнається непрацездатним.

10. Із виконаних аналітичних і чисельних досліджень витікає, що холодильний коефіцієнт простого детандерного циклу є полімодальною функцією тиску прямого потоку, глобальний максимум якої спостерігається при наближенні тиску прямого потоку до тиску зворотного потоку. Величина глобального максимуму для випадків ідеального детандеру та ідеальногазового робочого тіла дорівнює холодильному коефіцієнту зворотного циклу Карно.

11. Використання методу термодинамічної подібності речовин дало змогу встановити, що найбільше значення приведеної питомої холодопродуктивності ступені охолодження простого дросельного циклу на будь - якому робочому тілі, включаючи суміші, не може перевищувати значення приблизно рівного 3,86.

12. Результати прогнозування й моделювання азеотропних перетворень в бінарних сумішах, виконані на основі запропонованого методу максвеловських кривих, дозволяють проводити планування експерименту для пошуку ефективних робочих тіл дросельних мікрокріогенних систем.

13. Аналітично доведено, що відомі критичні умови можуть бути отримані на основі диференціальних рівнянь термодинаміки, умов термічної сталості та правила Планка - Гібса. Цей результат свідчить на користь припущення про значущість в критичній точці варіацій термодинамічного потенціалу включно до другого порядку.

14. Припущення про термічну сталість критичного стану чистих речовин та про те, що коефіцієнт Ріделя є скінчена величина більше за одиницю є необхідними та достатніми умовами для розкриття деяких невизначених форм, що мають місце в критичній точці.

15. Ізотерми всіх відомих форм єдиних рівнянь стану мають в навколокритичній області парорідинної рівноваги якісно аналогічний вигляд з ізотермами ван - дер - ваальсовського газу. Цей висновок, одержаний на основі чисельних експериментів, дає змогу спростити алгоритм знаходження розрахункових критичних параметрів єдиних рівнянь стану.

Головний зміст дисертації опубліковано в роботах

1. Лавренченко Г.К., Троценко А.В. Исследование оптимальных параметров рефрижераторного цикла Линде//Холодильная техника и технология.- 1976, вып. 23, с.54- 58.

2. Лавренченко Г. К., Троценко А. В. Определение максимума термодинамической эффективности цикла Линде // Известия вузов СССР - Энергетика. - 1976, № 11, с. 87 - 92.

3. Лавренченко Г. К., Троценко А. В. Анализ термодинамической эффективности цикла Линде на смесях веществ // Известия вузов СССР - Энергетика. - 1980, № 8, с. 71 - 76.

4. Лавренченко Г. К., Троценко А. В., Валякин В. Н., Анисимов В. Н., Сысоев А. М., Табачник Э. И. Энергетические характеристики рефрижераторного цикла Линде на бинарных смесях // Холодильная техника и технология. - 1981, вып. 32, с. 59 - 65.

5. Лавренченко Г. К., Троценко А. В. О формировании смесей веществ для дроссельных рефрижераторных систем // Холодильная техника и технология. 1981, вып. 32, с. 65 - 69.

6. Лавренченко Г. К., Троценко А. В. Термодинамическая эффективность дроссельного цикла на многокомпонентных рабочих телах // Холодильная техника и технология. - 1981, вып. 33, с. 47 - 50.

7. Рувинский Г. Я., Лавренченко Г. К., Троценко А. В. Метод термодинамического расчета элементов криогенных установок // Холодильная техника и технология. - 1981, вып. 33, с. 43 - 46.

8. Рувинский Г. Я., Лавренченко Г. К., Троценко А. В. Расчет фазового равновесия жидкость - пар по кубическим уравнениям состояния // Холодильная техника и технология. - 1982, вып. 35, с. 94 - 96.

9. Лавренченко Г. К., Троценко А. В., Табачник Э. И., Баклан О.В. Обобщенный алгоритм определения критических параметров чистых веществ на основе единых уравнений состояния // В кн. "Пути автоматизации электробытовых машин и приборов ". Киев.: Техника, 1982, с. 17 - 19.

10. Лавренченко Г. К., Троценко А. В., Табачник Э. И., Рувинский Г. Я., Валякин В. Н., Балабайченко В. И. Исследование фазовых равновесий в бинарных смесях с ограниченно смешивающимися компонентами // Холодильная техника и технология. - 1983, вып. 37, с. 38 - 44.

11. Лавренченко Г. К., Рувинский Г. Я., Табачник Э. И., Троценко А. В. Определение параметра разнородного взаимодействия уравнения Редлиха - Квонга - Вильсона для смесей холодильных агентов // Холодильная техника и технология.-1983, вып. 37, с.44- 47.

12. Лавренченко Г. К., Табачник Э. И., Троценко А. В. Метод расчета фазового равновесия жидкость - пар чистых веществ // Теплофизические свойства веществ и материалов / ГСССД, 1983, вып. 18, с. 41 - 46.

13. Додельцева Н.И., Лавренченко Г.К., Рувинский Г.Я., Табачник Э. И., Троценко А. В. Расчет и анализ q, T -диаграммы двухпоточного теплообменника на многокомпонентных рабочих телах // Холодильная техника и технология. - 1984, вып. 39, с. 61 - 65.

14. Табачник Э. И., Троценко А. В. Обобщенный алгоритм расчета кривой инверсии холодильных агентов // Холодильная техника и технология. - 1985, вып. 40, с. 58 - 62.

15. Лавренченко Г.К., Анисимов В.Н., Додельцева Н.И., Рувинский Г.Я., Табачник Э. И., Троценко А. В. Обобщенные алгоритмы расчета термодинамических свойств чистых фреонов и их смесей // Теплофизические свойства веществ и материалов / ГСССД, 1984, вып. 20, с. 33 - 55.

16. Рувинский Г. Я., Табачник Э. И., Троценко А. В. Метод вычисления плотности веществ поединому уравнению состояния при независимых переменных температуре и давлении // Теплофизические свойства веществ и материалов / ГСССД, 1985, вып. 22, с.134 - 140.

17. Троценко А. В., Табачник Э. И. Расчет q, T -диаграммы двухпоточного теплообменника // Холодильная техника и технология. - 1985, вып. 41, с. 33 - 36.

18. Троценко А. В. Исследование влияния технических потерь на оптимальные параметры дроссельного рефрижераторного цикла // Холодильная техника и технология. - 1985, вып. 41, с. 89 - 92.

19. Троценко А. В., Табачник Э. И. Метод анализа q, T -диаграммы двухпоточного теплообменника // Инженерно - физический журнал, 1986, т.1, № 1, с. 138 - 139.

20. Троценко А. В., Табачник Э. И. Определение предельной термодинамической эффективности дроссельного рефрижераторного цикла // Холодильная техника и технология. - 1987, вып. 44, с. 65 - 69.

21. Троценко А. В. Исследование теоретической холодопроизводительности простого детандерного цикла // Холодильная техника и технология. - 1987, вып. 45, с. 18 - 21.

22. Троценко А. В. Анализ взаимного положения экстремумов критериев термодинамической эффективности циклов // Холодильная техника и технология. - 1988, вып. 46, с. 44 - 46.

23. Троценко А. В., Табачник Э. И. Определение вида агрегатного состояния многокомпонентных систем // Холодильная техника и технология. - 1988, вып. 47, с. 23 - 26.

24. Табачник Э. И., Таран В. Н., Троценко А. В. Определение точек азеотропа поединому уравнению состояния // Теплофизические свойства веществ и материалов / ГСССД, 1988, вып. 24, с. 96 - 100.

25. Троценко А. В. Термодинамическая эффективность простого детандерного цикла // Холодильная техника и технология. - 1989, вып. 48, с. 24 - 26.

26. Троценко А. В. Термодинамические аспекты использования азеотропных смесей в дроссельных микрокриогенных системах // Холодильная техника и технология. - 1990, вып. 50, с. 57 - 60.

27. Троценко А. В. Определение числа независимых переменных при термодинамическом расчете схем установок // Холодильная техника и технология. - 1991, вып. 52, с. 62 - 65.

28. Троценко А. В. Сравнение моделей единых уравнения состояния при расчете простого дроссельного цикла // Холодильная техника и технология. - 1992, вып. 54, с. 65 - 69.

29. Троценко А. В. Анализ критериев термодинамической эффективности простого дроссельного цикла // Холодильная техника и технология. - 1994, вып. 56, с. 53 - 57.

30. Trotsenko A. V. Prediction and calculation of azeotropic behaviour from an equation of state // Fluid Phase Equilibria, 1997, v. 127, p. 123 - 127.

31. Троценко А. В. Обобщение соотношений Планка - Гиббса для уравнения состояния вещества // Журнал физической химии, 1998, т. 72, № 8, с. 1507 - 1509.

32. Троценко А. В. Термодинамические соотношения для критической точки чистого вещества // Журнал физической химии, 2001, т. 75, № 4, с. 586 - 589.

33. Троценко А. В. Раскрытие и анализ неопределенных форм в критической точке чистого вещества // Журнал физической химии, 2002, т. 76, № 5, с. 800 - 804.

34. Троценко А. В. Описание термодинамических свойств веществ уравнениями ван - дер - ваальсовского типа // Технические газы, 2002, №1, с.52 - 57.

35. Троценко А. В. Уравнение состояния технических газов // Технические газы, 2002, № 2, с.57 - 62.

36. Троценко А. В. Моделирование термодинамических свойств малоисследованных веществ // Технические газы, 2002, № 3, с.33 - 39.

37. Вассерман А. А., Бодюл С. В., Троценко А. В., Лавренченко Г. К. Программное обеспечение проектирования воздухоразделительных установок // Технические газы, 2003, № 1, с.43 - 50.

38. Троценко А. В. Прогнозирование азеотропных превращений на основе кубических уравнений состояния // Технические газы, 2003, № 1, с.51 - 57.

39. Троценко А. В. Анализ работоспособности многопоточных теплообменных аппаратов // Технические газы, 2003, № 2, с. 9 - 15.

40. Троценко А. В., Валякина А. В. Определение критических параметров чистых веществ из единых уравнений состояния // Технические газы, 2005, № 4, с.50 - 55.

41. Троценко А. В., Валякина А. В. Формализация определения термодинамических свойств рабочих тел из единых уравнений состояния // Технические газы, 2006, № 4, с.55 - 58.

42. Рабочая смесь для дроссельной рефрижераторной системы: А. с. 666854 СССР, МКИ С 09 К 5/00 / Г.К. Лавренченко, В.С. Зиновьев, А.М. Сысоев, В.Н. Валякин, Н.И. Артеменко, А.В.Троценко (СССР). - № 2418657/23 - 26. Заявл. 09.11.76. Бюл. № 7. - 4 с.

43. Рабочая смесь для дроссельных рефрижераторных систем: А. с. 966107 СССР, МКИ С 09 К 5/00 / Г. К. Лавренченко, А. В.Троценко, В. Н. Анисимов А. В. Егоров, А. М. Сысоев, В. Н. Валякин, (СССР). - № 3273211/23 - 26. Заявл. 06.01.81. Опубл. 15.10.82. Бюл. № 38. - 2 с.

44. Лавренченко Г.К., Троценко А.В., Рувинский Г. Я., Табачник Э. И., Анисимов В. Н. Анализ и оптимизация энергетических характеристик дроссельных рефрижераторов на уровень охлаждения 150 К, работающих на расслаивающихся смесях // Деп. в УКРНИИНТИ 09.08.1983, №914 Ук - Д83.

45. Лавренченко Г. К., Троценко А. В. Анализ термодинамической эффективности цикла Линде на смесях веществ // Тезисы докладов совещания секции "Разработка методов сублимационного и криогенного консервирования пищевых продуктов и биологических материалов". Киев, 10 - 12 мая 1979 г.

46. Лавренченко Г. К., Троценко А. В., Табачник Э. И., Рувинский Г. Я. Метод расчета критических параметров и фазовых равновесий бинарных смесей криоагентов // Тезисы докладов III-ей Всесоюзной научно - технической конференции "Криогенная техника - 82".

47. Додельцева Н.И., Рувинский Г.Я., Табачник Э. И., Троценко А. В. Обобщенные алгоритмы расчета дроссельных циклов // Тезисы докладов Всесоюзной научно - технической конференции "Микрокриогенная техника - 84". М.: Цинтихимнефтемаш, 1984, с.33.

48. Троценко А. В. Определение числа независимых переменных при термодинамической оптимизации циклов криогенной техники // Тезисы докладов Всесоюзной научно - практической конференции "Интенсификация производства и применения искусственного холода". Л.: 1986, с. 94.

49. Троценко А. В. Анализ взаимосвязи между эксергетическими КПД системы и ее элементов // Материалы 60-й научно - технической конференции "Теория и практика вузовской науки", Одесса, ОГАХ, 1995, с. 50.

50. Троценко А. В. Термодинамический анализ работоспособности многопоточных теплообменных аппаратов // Сборник трудов 2-й международной научно - технической конференции "Современные проблемы холодильной техники и технологии", Одесса, 2002. - С. 157 - 158.

51. Троценко А. В. Анализ составляющих эксергетических потерь теплообменных аппаратов // Сборник научных трудов 4-ой международной научно - технической конференции "Современные проблемы холодильной техники и технологии", Одесса, 2005, с. 129.

52. Троценко А. В., Валякина А. В. Унификация программного обеспечения для расчета термодинамических свойств рабочих тел // Збірник наукових праць Міжнародної науково - технічної конференції "Промисловий холод і аміак", Одеса, 2006, с. 107.