Совершенствование пинч-технологии для возможности интеграции нестационарных тепловых процессов с учётом их локализации

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.

1. Агапов, 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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"

5. Linnhoff, Bodo; Sahdev, Vimal (2000). "Pinch Technology". Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. doi:10.1002/14356007.b03_13. ISBN 3527306730.

6. 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.

7. Смит Р., Клемеш Й., Товажнянский Л.Л. Основы интеграции тепловых процессов. – Харьков: НТУ «ХПИ». – 2000. – 458 с.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. Агапов, Д. С. Регенерация, утилизация и интеграция теплоты / Д. С. Агапов // Сантехника, Отопление, Кондиционирование. – 2022. – № 2(242). – С. 25.

17. 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.