probenerИзвестия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИPower engineering: research, equipment, technology1998-99032658-5456Kazan State Power Engineering University10.30724/1998-9903-2023-25-5-115-125probener-2823Research ArticleТЕОРЕТИЧЕСКАЯ И ПРИКЛАДНАЯ ТЕПЛОТЕХНИКАTHEORETICAL AND APPLIED HEAT ENGINEERINGСовершенствование пинч-технологии для возможности интеграции нестационарных тепловых процессов с учётом их локализацииImprovement of pinch technology for the possibility of integration of non-stationary thermal processes, taken into account of their localizationАгаповД. С.AgapovD. S.

Агапов  Дмитрий  Станиславович  –  канд.  техн.  наук,  доцент,  доцент  кафедры «Автомобили,  тракторы  и  технический  сервис»  (АТТС)

г. Пушкин

Pushkin

different76@list.ruКартошкинА. П.KartoshkinA. P.

Картошкин  Александр Петрович  –  д-р  техн.  наук,  профессор,  профессор  кафедры «Автомобили,  тракторы  и  технический  сервис»  (АТТС)

г. Пушкин

Pushkin

akartoshkin@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2965-357XКалютикА. А.KalutikA. A.

Калютик Александр Антонович –  канд.  техн.  наук,  доцент,  директор  высшей  школы атомной  и  тепловой  энергетики

г. Санкт-Петербург

St. Petersburg

aa_kalyutik@spbstu.ruКондрашовА. В.KondrashovA. V.

Кондрашов Алексей Владимирович – аспирант

г. Санкт-Петербург

St. Petersburg

kondrashov22@gmail.comСанкт-Петербургский государственный аграрный университетРоссияSt. Petersburg State Agrarian UniversityRussian FederationСанкт-Петербургский политехнический университет Петра ВеликогоРоссияPeter the Great St. Petersburg Polytechnic UniversityRussian Federation202313012024255115125Copyright © Агапов Д.С., Картошкин А.П., Калютик А.А., Кондрашов А.В., 20242024Агапов Д.С., Картошкин А.П., Калютик А.А., Кондрашов А.В.Agapov D.S., Kartoshkin A.P., Kalutik A.A., Kondrashov A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.energyret.ru/jour/article/view/2823

АКТУАЛЬНОСТЬ.  Проектирование  сети  теплообменных  аппаратов  для регенерации  теплоты  и  интеграции  тепловых  процессов  в  целом  является  весьма актуальной  задачей  энергосбережения.  Такой  мощный  и  широко  применяемый инструмент для синтеза и дизайна сети теплообменных аппаратов как пинч-технология обладает  рядом  ограничений.  Настоящее  исследование  направлено  на  расширение возможностей  пинч-технологии.  Пинч-технология  способна  эффективно  работать только со стационарными потоками теплоты. В практике встречаются циклические и периодические процессы, что ограничивает возможности применения пинч-технологии. Это  и  явилось  причиной  настоящего  исследования  с  целью  расширения  границ применения пинч-технологии. ЦЕЛЬ. Совершенствование метода пинч-технологии для расширения  возможностей  интеграции  циклических  и  периодических  тепловых процессов, а также учёта их локализации. МЕТОДЫ. При решении поставленной задачи произведён анализ принципа определения теплообменных связей, предложены алгоритмы их выбора и синтезированы новые критерии оптимизации.  РЕЗУЛЬТАТЫ. Предложен критерий  структурного  совершенства  системы,  являющийся  отношением регенерируемой  в  системе  теплоты  к  её  теоретически  возможному  значению. Теоретическими  результатами  являются  предложенные  критерий  структурного совершенства и обобщённый показатель структурно-параметрического совершенства системы. Практическим результатом исследования явилось предложенное техническое устройство для преобразования нестационарного потока в ряд стационарных потоков. Предложенное устройство преобразования расширяет возможности пинч-технологиии, а введённые критерии позволят вести синтез или дизайн системы, опираясь на новые целевые  показатели,такие  как  степень  интеграции  тепловых  потоков.  Также практическим  результатом  данного  научного  исследования  является  программа  для синтеза  теплообменных  сетей.  Созданная  в  процессе  работы  программа позволяет вести синтез теплообменной сети в автоматическом и полуавтоматическом режимах. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.  Благодаря  проведённым  исследованиям  удалось  усовершенствовать такой  мощный  инструмент  как  пинч-технология  и  существенно  расширить  его возможности.  Предложено  совершенствование  пинч-технологии  для  возможности интеграции  нестационарных  тепловых  процессов  и  учёта  их  локализации.  Для возможности интеграции нестационарных тепловых процессов предложено техническое устройство,  позволяющее  преобразовать  нестационарный  поток  на  несколько стационарных, а для учёта локализации тепловых потоков предложен программный продукт,  позволяющий  вести  синтез  теплообменной  сети  в  автоматическом  и полуавтоматическом режимах. Кроме того, введены два показателя, характеризующие структурное и структурно-параметрическое совершенство системы.

RELEVANCE.  Designing  a  network  of  heat  exchangers  for  heat  recovery  and integration  of  thermal  processes  in  general  is  a  very  urgent  task  of  energy  saving.  Such  a powerful and  widely  used  tool  for  the  synthesis  and design of a network of  heat exchangers  as pinch  technology  has  a  number  of  limitations,  and  this  study  is  aimed  at  expanding  its capabilities. Pinch technology can only work effectively with stationary heat flows. In practice, cyclic  and  periodic  processes  are  encountered,  which  limits  the  possibilities  of  using  pinch technology.  This  was  the  reason  for  this  study  with  the  aim of  expanding  the  boundaries  of application  of  pinch  technology.  THE  PURPOSE.  Improving  the  pinch  technology  method  to expand the possibilities for integrating cyclic and periodic thermal processes, as well as taking into  account  their  localization.  METHODS.  When  solving  the  problem,  the  principle  of determining heat exchange connections was analyzed, other algorithms for their selection were proposed,  and  new  optimization  criteria  were  synthesized.  RESULTS.  A  criterion  for  the structural  perfection  of  a  system  is  proposed,  which  is  the  ratio  of  the  heat  regenerated  in  the system  to  its  theoretically  possible  value.  The  theoretical  results  are  the  proposed  criterion  of structural  perfection and  a  generalized  indicator  of  the  structural-parametric  perfection of  the system.  The  practical  result  of  the  study  was  the  proposed  technical  device  for  converting  an unsteady  flow  into  a  series  of  stationary  flows.  Also,  the  practical  result  of  this  scientific research  is  a  program  for  the  synthesis  of  heat  exchange  networks.  The  proposed  conversion device  expands  the  capabilities  of  pinch  technology,  and  the  introduced  criteria  will  make  it possible to synthesize or design a system based on new target indicators. The program created during  the  work  allows  for  the  synthesis  of  a  heat  exchange  network  in  automatic  and  semi-automatic  modes.  CONCLUSION.  Thanks  to  the  research  carried  out,  it  was  possible  to improve  such a  powerful  tool  as  pinch  technology and  significantly expand  its  capabilities.  An improvement of pinch technology has been proposed to enable the integration of non-stationary thermal  processes  and  take  into  account  their  localization.  To  enable  the  integration  of  non-stationary  thermal  processes,  a  technical  device  has  been  proposed  that  allows  converting  a non-stationary  flow  into  several  stationary  ones,  and  to  take  into  account  the  localization  of heat  flows,  a  software  product  has  been  proposed  that  allows  for  the  synthesis  of  a  heat exchange  network  in  automatic  and  semi-automatic  modes.  In  addition,  two indicators  have been  introduced  that  characterize  the  structural  and  structural-parametric  perfection  of  the system.

пинч-технологияинтеграция тепловых процессовтеплотакритерий структурного совершенстватеплообменный аппаратpinch technologyintegration of thermal processesheatcriterion of structural perfectionheat exchangerReferencesАгапов, Д. С. Структурная и параметрическая оптимизация систем промышленного теплотехнического и технологического оборудования: специальность 05.14.04 "Промышленная теплоэнергетика": автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук / Агапов Дмитрий Станиславович. – Санкт-Петербург, 2016. – 22 с.Agapov, D.S. Structural and parametric optimization of systems of industrial heating and technological equipment: specialty 05.14.04 "Industrial Heat and Power Engineering": abstract of the dissertation for the degree of Doctor of Technical Sciences / Agapov Dmitry Stanislavovich. – St. Petersburg, 2016. – 22 p.Луканин, П. В. Энергосберегающие технологии на предприятиях целлюлозно-бумажной промышленности: специальность 05.14.04 "Промышленная теплоэнергетика": диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук / Луканин Павел Владимирович, 2022. – 357 с. – EDN AJSODJ.Lukanin, P.V. Energy-saving technologies at pulp and paper industry enterprises: specialty 05.14.04 “Industrial Heat and Power Engineering”: dissertation for the degree of Doctor of Technical Sciences / Lukanin Pavel Vladimirovich, 2022. – 357 p.Картошкин, А. П. Ресурсосбережение при проектировании и эксплуатации технологического оборудования энергетических систем / А. П. Картошкин, Д. С. Агапов. – Санкт-Петербург: Проспект Науки, 2021. – 311 с. – ISBN 978-5-6046442-1-8.Kartoshkin, A.P. Resource saving in the design and operation of technological equipment of energy systems / A.P. Kartoshkin, D.S. Agapov. – St. Petersburg: Prospekt Nauki, 2021. – 311 p. – ISBN 978-5-6046442-1-8.AIChE Journal Vol 24, Issue 4, July 1978, Pages: 633–642, Bodo Linnhoff and John R. Flower "Synthesis of heat exchanger networks: I. Systematic generation of energy optimal networks"AIChE Journal Vol 24, Issue 4, July 1978, Pages: 633–642, Bodo Linnhoff and John R. Flower "Synthesis of heat exchanger networks: I. Systematic generation of energy optimal networks"Linnhoff, Bodo; Sahdev, Vimal (2000). "Pinch Technology". Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. doi:10.1002/14356007.b03_13. ISBN 3527306730.Linnhoff, Bodo; Sahdev, Vimal (2000). "Pinch Technology". Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. doi:10.1002/14356007.b03_13. ISBN 3527306730.Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015612919 Российская Федерация. Пинч анализ и теплообменная сеть: № 2014663873: заявл. 29.12.2014: опубл. 26.02.2015 / Д. С. Агапов.Certificate of state registration of a computer program No. 2015612919 Russian Federation. Pinch analysis and heat exchange network: No. 2014663873: application. 12/29/2014: publ. 02/26/2015 / D. S. Agapov.Смит Р., Клемеш Й., Товажнянский Л.Л. Основы интеграции тепловых процессов. – Харьков: НТУ «ХПИ». – 2000. – 458 с.Smith R., Klemesh J., Tovazhnyansky L.L. Basics of thermal process integration. – Kharkov: NTU “KhPI”. – 2000. – 458 p. Smith R., Klemesh J., Tovazniansky L.L. Basics of thermal process integration. – Kharkov: NTU “KhPI”. – 2000. – 458 p.Dhole V.R., Smith R., Linnhoff B. Computer Application for Energy – Efficient System / Paper in Encyclopedia of Energy Technology and the Environment. 4Volume. Set.: New York. John Wiley and Sons. Inc. – 1995. рр. 935 – 960.Dhole V.R., Smith R., Linnhoff B. Computer Application for Energy – Efficient System / Paper in Encyclopedia of Energy Technology and the Environment. 4Volume. Set.: New York. John Wiley and Sons. Inc. – 1995. рр. 935 – 960.Sustainable energy development in the major power-generating countries of the European Union: The Pinch Analysis / W. Su, Y. Ye, C. Zhang [et al.] // Journal of Cleaner Production. – 2020. – Vol. 256. – P. 120696. – DOI 10.1016/j.jclepro.2020.120696.Sustainable energy development in the major power-generating countries of the European Union: The Pinch Analysis / W. Su, Y. Ye, C. Zhang [et al.] // Journal of Cleaner Production. – 2020. – Vol. 256. – P. 120696. – DOI 10.1016/j.jclepro.2020.120696.Optimal configuration and economic analysis of PRO-retrofitted industrial networks for sustainable energy production and material recovery considering uncertainties: Bioethanol and sugar mill case study / U. Safder, J. Y. Lim, P. Ifaei [et al.] // Renewable Energy. – 2022. – Vol. 182. – P. 797-816. – DOI 10.1016/j.renene.2021.10.047.Optimal configuration and economic analysis of PRO-retrofitted industrial networks for sustainable energy production and material recovery considering uncertainties: Bioethanol and sugar mill case study / U. Safder, J. Y. Lim, P. Ifaei [et al.] // Renewable Energy. – 2022. – Vol. 182. – P. 797-816. – DOI 10.1016/j.renene.2021.10.047.Large-scale heat pumps: Applications, performance, economic feasibility and industrial integration / F. Schlosser, J. Vogelsang, J. Hesselbach [et al.] // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2020. – Vol. 133. – P. 110219. – DOI 10.1016/j.rser.2020.110219.Large-scale heat pumps: Applications, performance, economic feasibility and industrial integration / F. Schlosser, J. Vogelsang, J. Hesselbach [et al.] // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2020. – Vol. 133. – P. 110219. – DOI 10.1016/j.rser.2020.110219.Development of an integrated network for waste-to-energy and central utility systems considering air pollutant emissions pinch analysis / S. Hwangbo, G. Sin, G. Rhee, C. K. Yoo // Journal of Cleaner Production. – 2020. – Vol. 252. – P. 119746. – DOI 10.1016/j.jclepro.2019.119746.Development of an integrated network for waste-to-energy and central utility systems considering air pollutant emissions pinch analysis / S. Hwangbo, G. Sin, G. Rhee, C. K. Yoo // Journal of Cleaner Production. – 2020. – Vol. 252. – P. 119746. – DOI 10.1016/j.jclepro.2019.119746.Design of optimal heat exchanger network with fluctuation probability using break-even analysis / A. M. Hafizan, S. R. Wan Alwi, Z. A. Manan [et al.] // Energy. – 2020. – Vol. 212. – P. 118583. – DOI 10.1016/j.energy.2020.118583.Design of optimal heat exchanger network with fluctuation probability using break-even analysis / A. M. Hafizan, S. R. Wan Alwi, Z. A. Manan [et al.] // Energy. – 2020. – Vol. 212. – P. 118583. – DOI 10.1016/j.energy.2020.118583.Electric System Cascade Extended Analysis for optimal sizing of an autonomous hybrid CSP/PV/wind system with Battery Energy Storage System and thermal energy storage / M. Chennaif, H. Zahboune, M. Elhafyani, S. Zouggar // Energy. – 2021. – Vol. 227. – P. 120444. – DOI 10.1016/j.energy.2021.120444.Electric System Cascade Extended Analysis for optimal sizing of an autonomous hybrid CSP/PV/wind system with Battery Energy Storage System and thermal energy storage / M. Chennaif, H. Zahboune, M. Elhafyani, S. Zouggar // Energy. – 2021. – Vol. 227. – P. 120444. – DOI 10.1016/j.energy.2021.120444.Куколев, М. И. Модели тепловых процессов в накопителях энергии для обоснования проектных решений: специальность 05.14.04 "Промышленная теплоэнергетика": диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук / Куколев Максим Игоревич. – Санкт-Петербург, 2006. – 280 с.Kukolev, M. I. Models of thermal processes in energy storage devices to substantiate design decisions: specialty 05.14.04 "Industrial Thermal Power Engineering": dissertation for the degree of Doctor of Technical Sciences / Kukolev Maxim Igorevich. – St. Petersburg, 2006. – 280 p.Агапов, Д. С. Регенерация, утилизация и интеграция теплоты / Д. С. Агапов // Сантехника, Отопление, Кондиционирование. – 2022. – № 2(242). – С. 25.Agapov, D. S. Regeneration, utilization and integration of heat / D. S. Agapov // Plumbing, Heating, Air Conditioning. – 2022. – No. 2(242). – P. 25.Exergoeconomic performance comparison, selection and integration of industrial heat pumps for low grade waste heat recovery / M. Wang, C. Deng, Y. Wang, X. Feng // Energy Conversion and Management. – 2020. – Vol. 207. – P. 112532. – DOI 10.1016/j.enconman.2020.112532.Exergoeconomic performance comparison, selection and integration of industrial heat pumps for low grade waste heat recovery / M. Wang, C. Deng, Y. Wang, X. Feng // Energy Conversion and Management. – 2020. – Vol. 207. – P. 112532. – DOI 10.1016/j.enconman.2020.112532.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.