Науково-технічні основи експлуатації суднових центральних систем комфортного кондиціювання повітря

Размещено на http://www.allbest.ru/

МIНIСТЕРСТВО ОСВIТИ I НАУКИ УКРАЇНи

Одеський національний морський університет

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Науково-технічні основи експлуатації суднових центральних систем комфортного кондиціювання повітря

Спеціальность

05.22.20 - «Експлуатація та ремонт засобів транспорту»

Вичужанін Володимир Вiкторович

Одеса - 2009

Дисертацією є рукопис.

Работа виконана в Одеському національному морському університеті

Мiнiстерства освiти і науки України

Науковий консультант: д.т.н., професор

Кириллов Володимир Харітонович,

завідувач кафедри інформаційніх технологій Одеського національного морського університету Мiнiстерства освiти і науки України

Офиційні опоненти:

д.т.н., професор

Дорошенко Олександр Вiкторович,

професор кафедри технічної термодинаміки Одеської державної академії холоду Мiнiстерства освiти і науки України

д.т.н., професор

Радченко Микола Iванович,

професор кафедри кондиціювання та рефрижерації

Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова

Мiнiстерства освiти і науки України

д.т.н., професор

Яровенко Володимир Олекiйович,

завідувач кафедри електротехніки та електроустаткування суден

Одеського національного морського університету

Мiнiстерства освiти і науки України

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Ефективність технічної експлуатації суден як найбільш енергонасичених засобів транспорту прямо залежить від функціонування систем комфортного кондиціювання повітря (СККП) - одних із найбільш головних функціональних систем, що забезпечують працездатність екіпажів, надійне обслуговування ними усіх суднових систем і обладнання, а відтак і життєздатність суден в цілому. Оптимальне, з раціональним використанням паливноенергетичних ресурсів, функціонування суднових систем і обладнання пов'язане з енергетичною ефективністю СККП, ефективністю керування ними, без чого неможливе підтримання в населених приміщеннях якісних оптимальних параметрів мікроклімату.

Галузь науки, що вирішує проблеми підвищення ефективності експлуатації суднових центральних СККП, є важливою частиною проблеми створення мето-дологічних основ оптимального використання засобів транспорту (обладнання), їх технічної експлуатації, технічного обслуговування та ремонту. Напрями відпо-відних досліджень полягають в удосконаленні засобів, технології та умов пере-везення пасажирів, створенні наукових основ і методів розрахунку параметрів та управління ресурсом, надійністю й технічним станом транспортної техніки, розробленні методів підвищення ефективності експлуатації транспортних засобів та їх функціональних систем, обладнання й засобів забезпечення їх працездатності.

Продуктивність праці, захворювання членів екіпажу, умови комфорту пасажирів залежать від ефективності функціонування СККП, серед яких найбільш поширеними є центральні СККП. Збільшення потужності суднових центральних СККП вимагає вирішення взаємозалежних проблем, і перш за все підвищення якості комфортного мікроклімату в населених приміщеннях за умови зниження енерговитрат на кондиціювання повітря.

Мікроклімат повітряного середовища в приміщеннях суден формується в умовах цілодобової дії на організм людини динамічного комплексу природних, виробничих і побутових факторів з параметрами, що досягають екстремальних значень. У вирішення проблеми формалізації параметрів комфортного мікроклімату вагомий внесок внесли Банхіді Л., Бурцев С.І., Цвєтков Ю.Н., Жиакко М., Fanger P., Gagge A.P., Jones B. W., Mayer E., Moran D.S., Zhang H. та інш. Найбільш повний комплексний критерій був запропонований Місенаром А. ? метод результуючої температури (РТ), що став нормативним комплексним параметром мікроклімату для визначення рівня комфорту в приміщеннях суден різних категорій.

Принципові науково-технічні рішення зі зниження енергоспоживання СККП запропоновані Богословським В.Н., Вишневським Е.П., Гоголіним А.А., Дзел-зитисом Е.Е., Дорошенком А.В., Захаровим Ю. В., Карписом Е.Е., Кирилло- вим В.Х., Кокоріним О.Я., Креслинем А.Я., Радченком М.І., Римкевичем А.А., Шилькротом Е.О., Falko Z., Zhang H., Ziller F. та іншими. Одним з перспективних, спрямованих на вирішення проблеми енергозбереження у процесах перетво- рення енергії, є метод термоекономічного аналізу. Метод був розвинений Бродянським В.М., Івановим О.П., Михалеком К., Шилклопером С.М., Axern J.E., Prek M., Rosen M. A., Szargut J. та іншими для визначення термодинамічної досконалості процесів, що протікають у взаємозалежних технологічних агрегатах СККП. Подальший розвиток методу термоекономічного аналізу з урахуванням взаємозалежного характеру роботи агрегатів СККП у комплексі «центральна СККП + система холодопостачання + населені приміщення (ЦСККП+СХ+НП), мінімуму приведених витрат на кондиціювання, наявності системи обмежень на експлуатаційні й керуючі параметри комплексу, що обумовлюють його технологічні параметри й нормовані комфортні умови в населених приміщеннях, дозволить забезпечити раціональну організацію процесів повітрообробки в суднових комплексах, роботу комплексів в енергоефективних режимах і комфортний мікроклімат.

Хоч параметри зовнішнього повітря, інтенсивність сонячної радіації, процес передачі тепла через конструкції поверхонь, що огороджують приміщення, носять періодичний характер, однак в засобах та рішеннях завдання мінімізації техніко-економічних показників не в повній мірі враховують періодичний характер діючих навантажень. У результаті споживана потужність при експлуатації СККП, встановлена, виходячи з умов стаціонарного режиму роботи устаткування, виявляється завищеною.

Відомі моделі статики й динаміки ланок керованих комплексів ЦСККП+СХ+НП не в повній мірі враховують взаємозалежність термодинамічних параметрів повітрообробки, мінливість параметрів моделей агрегатів при періодичних навантаженнях і тому адекватно описують динаміку деяких ланок комплексу тільки в обмеженому діапазоні зміни керованих величин. Кондиційовані приміщення не розглядаються як багатопараметричні, з багатьма зв'язками, об'єкти регулювання по РТ при періодичних навантаженнях. Існує розбіжність між нормативними вимогами по оцінці кліматичних умов у приміщеннях по РТ і їхньою реальною підтримкою.

Відсутні також методики розробки технічних засобів контролю та керування режимами роботи суднових комплексів ЦСККП+СХ+НП, побудованих з урахуванням статичних і динамічних характеристик елементів комплексів як багатопараметричних, з багатьма зв'язками, керованих об'єктів зі змінними параметрами при періодичних навантаженнях.

Таким чином, існує об'єктивна необхідність у розробці науково-технічних основ експлуатації суднових центральних СККП, спрямованих на підвищення їх ефективності. Для цього необхідно визначати й підтримувати енергоефективні керовані режими роботи комплексів ЦСККП+СХ+НП на основі термоекономічного аналізу, а як систему обмежень використовувати мінімум змінної частини приведених витрат, що обумовлюють експлуатаційні, керуючі параметри і нормовані комфортні умови в населених приміщеннях. Необхідно враховувати періодичний характер теплового навантаження, взаємозалежність ланок комплексів в процесі роботи, як багатопараметричних, із багатьма зв'язками елементів зі змінними параметрами й забезпечувати результуючу температуру в населених приміщеннях, а також розробити технічні засоби контролю та керування енергоефективними режимами роботи.

Науково-прикладною проблемою, яку вирішено в роботі, є створення методології визначення і підтримки енергоефективних керованих режимів роботи комплексів ЦСККП+СХ+НП з урахуванням періодичного характеру теплового навантаження, взаємозалежності їх ланок у процесі роботи як багатопара-метричних, із багатьма зв'язками, елементів зі змінними параметрами та забезпеченням результуючої температури в населених приміщеннях, а також розробка технічних засобів контролю та керування енергоефективними режимами роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота пов'язана із законодавчими актами: Постановою Верховної Ради України № 75/94-ВР від 01.07.94 р., що затвердила «Закон України про енергозбереження», Постановою Кабінету Міністрів України № 148 від 05.02.97 р. «Про комплексну державну програму енергозбереження України», «Закон України про охорону праці», виконувалася в рамках науково-дослідних держбюджетних тем «Дослідження ефективності роботи суднових СКП» (номер держреєстрації № 02830021009), «Техніко-експлуатаційні вимоги до автоматизації суднових СКП» (№ 02850036752), «Техніко-експлуатаційні вимоги до високоавтоматизо-ваної суднової СКП» (№ 02860033596), в яких автор був відповідальним виконавцем.

Мета та завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є створення методології визначення і підтримки енергоефективних керованих режимів роботи комплексів ЦСККП+СХ+НП з урахуванням періодичного характеру теплового навантаження, взаємозалежності їх ланок у процесі роботи як багатопараметричних, із багатьма зв'язками, елементів зі змінними параметрами та забезпеченням результуючої температури в населених приміщеннях, а також розробка технічних засобів підтримки режимів роботи.

Для її досягнення необхідно вирішити наступні завдання:

- розвинути метод розробки термоекономічних моделей агрегатів ЦСККП+СХ;

- розробити фізичну модель комплексів ЦСККП+СХ і провести термоекономічний аналіз процесів повітрообробки в їх ланках;

- встановити закономірності взаємного впливу технологічних агрегатів ЦСККП+СХ у процесі функціонування в експлуатаційних керованих режимах роботи;

- оптимізувати експлуатаційні режими роботи суднових керованих комплексів ЦСККП+СХ;

- розвинути метод оцінки функціонально-технологічних показників комплексів ЦСККП+СХ+НП і їх агрегатів в оптимальних експлуатаційних режимах роботи;

- встановити критеріальні експлуатаційні технологічні показники комплексів ЦСККП+СХ+НП;

- розробити метод визначення сукупності наборів оптимальних експлуатаційних і керованих параметрів суднових комплексів ЦСККП+СХ+НП;

- розробити математичні моделі при періодичних теплових навантаженнях: кондиційованих населених приміщень судна; агрегатів і суднового центрального кондиціонера в цілому; нестаціонарних режимів роботи суднових комплексів ЦСККП+СХ+НП;

- розробити методи визначення та способи підтримки енергоефективних керованих режимів роботи комплексів ЦСККП+СХ+НП;

- розробити принцип раціонального керування оптимальною організацією енергоефективних експлуатаційних режимів роботи суднових комплексів ЦСККП+СХ+НП і забезпеченням комфортного мікроклімату в приміщеннях;

- розробити методики проектування технічних засобів контролю та керування режимами роботи суднових комплексів ЦСККП+СХ+НП.

Об'єктом дослідження є технологічні процеси повітрообробки в експлуатованих керованих комплексах ЦСККП+СХ+НП суден обмеженого і необмеженого районів плавання, включаючи пасажирські лайнери, суховантажники, танкери, кораблі військово-морського флоту.

Предметом дослідження є методи та технічні засоби підвищення ефективності функціонування суднових комплексів «центральна СККП + система холодопосточання + населені приміщення».

Методи дослідження. Для рішення завдань, поставлених у дисертаційному дослідженні, використовувався термоекономічний аналіз (оптимізація режимів роботи комплексів ЦСККП+СХ+НП), графоаналітичні методи досліджень, методи математичного моделювання (розробка математичних моделей режимів роботи комплексів, аналіз експлуатаційних режимів роботи ЦСККП+СХ+НП, взаємодії елементів суднових комплексів), теорія алгоритмів і структур даних (розробка алгоритмів і програмних продуктів для організації режимів роботи ЦСККП+СХ+НП), сучасні технології проектування програмних систем, методи структурного й об'єктно-орієнтованого програмування, проектування баз даних (розрахунки і розробка керуючих пристроїв ЦСККП+СХ+НП).

Наукові положення, що виносяться на захист.

1. Визначення керованих режимів роботи комплексів ЦСККП+СХ+НП при мінімумі приведених витрат, взаємозалежності їх ланок у процесі роботи як багатопараметричних, із багатьма зв'язками, елементів зі змінними параметрами забезпечує зниження енерговитрат на підтримку комфортного мікроклімату в населених приміщеннях.

2. Врахування періодичного характеру теплового навантаження, взаємної залежності ланок суднових комплексів ЦСККП+СХ+НП у процесі роботи як багатопараметричних, із багатьма зв'язками, елементів зі змінними параметрами дозволяє підтримувати енергоефективні керовані режими роботи комплексів і нормативний комфортний мікроклімат в населених приміщеннях.

Наукові результати та їх новизна.

Вперше розроблені й установлені:

- фізична модель комплексів ЦСККП+СХ, яка, на відміну від існуючих моделей, враховує змінний характер керуючих параметрів обладнання комплексів, що забезпечує задану точність підтримання енергоефективних режимів роботи;

- закономірності взаємного впливу агрегатів ЦСККП+СХ у процесі їх сумісного функціонування, що враховують ступінь впливу експлуатаційних і керованих параметрів кожного агрегату на роботу комплексу в енергоефективних режимах;

- критеріальні експлуатаційні технологічні показники комплексів ЦСККП+СХ+НП, що визначають ступінь енергоефективності роботи кожної їх ланки і вибір оптимізованих змінних параметрів, що мають найбільший вплив на ефективність функціонування комплексів;

- спосіб визначення сукупності значень оптимальних експлуатаційних та керованих параметрів суднових комплексів ЦСККП+СХ+ОП;

- математичні моделі при періодичних теплових навантаженнях як багатопараметричних, із багатьма зв'язками, керованих об'єктів зі змінними параметрами: кондиційованих населених приміщень судна з забезпеченням результуючої температури в населених приміщеннях; агрегатів і суднового центрального кондиціонера в цілому; нестаціонарних режимів роботи суднових комплексів ЦСККП+СХ+НП;

- методи визначення і засоби підтримки енергоефективних керованих режимів роботи комплексів ЦСККП+СХ+НП за розрахунковими ексергетичними характеристиками з урахуванням періодичного характеру теплового навантаження при мінімальних приведених витратах і наявності системи обмежень комплексів що забезпечують технологічні параметри і нормативні комфортні умови в населених приміщеннях;

- принцип раціонального керування оптимальною організацією енергоефективних експлуатаційних режимів роботи суднових комплексів ЦСККП+СХ+НП із забезпеченням комфортного мікроклімату в приміщеннях з урахуванням статичних і динамічних характеристик елементів комплексів як багатопараметричних, із багатьма зв'язками, керованих об'єктів зі змінними параметрами при періодичних навантаженнях.

Одержали подальший розвиток:

? метод розробки термоекономічних моделей агрегатів ЦСККП+СХ з урахуванням їх взаємозв'язку при функціонуванні;

? метод оптимізації експлуатаційних енергоефективних режимів роботи суднових керованих комплексів ЦСККП+СХ+НП при мінімальних приведених витратах, який базується на використанні термоекономічного аналізу;

? метод оцінки функціонально-технологічних показників комплексів ЦСККП+СХ+НП і його агрегатів в оптимальних експлуатаційних режимах роботи, заснований на графоаналітичному аналізі процесів кондиціювання повітря в комплексі;

? методики проектування технічних засобів контролю та керування режимами роботи суднових комплексів ЦСККП+СХ+НП з урахуванням статичних та динамічних характеристик елементів комплексів як багатопараметричних, із багатьма зв'язками, керованих об'єктів зі змінними параметрами при періодичних навантаженнях.

Вірогідність наукових положень забезпечується повнотою і коректністю вихідних передумов, результатами експериментально-розранхункових досліджень, якісним та кількісним їхнім збігом з основними параметрами існуючих технологічних процесів у реальних центральних системах комфортного кондиціювання повітря.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Розроблено методику визначення енергоефективних експлуатаційних режимів роботи комплексів ЦСККП+СХ+НП, застосування якої при кондиціюванні повітря дозволяє зменшити споживання електроенергії на 17 %, тепла та холоду на 40 %.

2. Запропоновано спосіб врахування впливу періодичних теплоприпливів на повітряне середовище приміщень судна, з метою визначення розрахункових параметрів зовнішнього повітря в енергоефективних режимах роботи комплексів ЦСККП+СХ+НП.

3. Запропоновано спосіб підтримки комфортного мікроклімату повітряного середовища у суднових приміщеннях за результуючою температурою з урахуванням теплових періодичних навантажень, який забезпечує енергоефективну обробку повітря в центральних СККП і комфортний мікроклімат в населених приміщеннях.

4. Розроблені алгоритми оцінки функціонально-технологічних показників комплексу і його агрегатів, а також визначення критеріальних показників системи комфортного кондиціювання повітря, призначені для забезпечення контролю за роботою комплексів в експлуатаційних режимах.

5. Розроблено алгоритми пошуку та підтримки енергоефективних режимів роботи суднових комплексів ЦСККП+СХ+НП за розрахунковими ексергетичними характеристиками для їхньої реалізації в системі керування, а також при модернізації центральних СККП.

Основні наукові результати (методика визначення енергоефективних експлуатаційних режимів роботи комплексів ЦСККП+СХ+НП, спосіб врахування впливу періодичних теплоприпливів на повітряне середовище приміщень з метою визначення розрахункових параметрів зовнішнього повітря в енергоефективних режимах роботи комплексів, спосіб підтримки комфортного мікроклімату повітряного середовища у суднових приміщеннях за результуючою температурою з урахуванням теплових періодичних навантажень) впроваджені на суднах ДП «Укрферри Шипменеджмент», а також у проектах Морського Інженерного Бюро при оснащенні суден центральними СККП, що підтверджується відповідними актами впровадження.

Розроблені методи та технічні рішення підвищення ефективності функціонування суднових центральних систем комфортного кондиціювання повітря є достатньо універсальними і можуть застосовуватись при експлуатації та модернізації як суднових, так і стаціонарних центральних СККП.

Особистий внесок здобувача. Всі наукові результати, представлені в дисертаційному дослідженні й опубліковані в роботах [1-75], отримані автором самостійно. У статті [10], опублікованої в співавторстві з Кирилловим В.Х., здобувачеві належать: виконання розрахунків, проведення досліджень, аналіз отриманих результатів.

Апробація результатів досліджень. Основні положення та результати дисертаційної роботи були представлені на наукових конференціях: I. Conferencia internacional de refrigetation, climatizacion y energia na convencional Reclien, Gavana. ? 1990; VIII Міжнародна науково-практична конференція “Динаміка наукових досліджень 2005”, м. Дніпропетровськ, 2005 р.; Міжнародна науково-практична конференція «Перспективні інновації в науці, проектуванні техніки, виробництві й транспорті 2008», м.Одеса, 2008 р.; IV Мezinarodnа vedecko-prakticka conferencіа, Veda: Teorie a praxe ? 2008, Praha, 16-31 srpna 2008 roku; IV Мiedzynarodowаj naukowо-praktycznа conferencjа «Perspektywiczne opracowania nauki i techniki ? 2008», Przemysl, 07-15 listopada 2008 roku; Міжнародна науково-практична конференція «Сучасні проблеми й шляхи їхнього рішення в науці, транспорті, виробництві й утворенні '2008», м. Одеса, 2008 р.; IV Мezinarodnа vedecko-prakticka conference, «Veda a Vznik ? 2008/2009», Praha, 27 prosincu 2008 ? 05 ledna 2009 roku; V Miedzynarodowаj naukowо-praktycznа conferencjа «Kluczowe aspekty naukowej dzialalnosci ? 2009», Przemysl, 07-15 stycznia 2009 roku; Міжнародна науково-практична конференція «Сучасні напрямки теоретичних і прикладних досліджень '2009», м. Одеса, 2009 р., професорсько-викладацьких науково-технічних конференціях (1991-2008 рр.).

Публікації. Основні наукові положення та результати дисертаційної роботи представлено в 75 публікаціях у науково-технічних журналах і збірниках наукових праць, серед яких одна монографія. У спеціалізованих виданнях, що входять до переліку ВАК України з технічних наук, опубліковано 19 статей і один патент України. У спеціалізованих виданнях, що входять до переліку ВАК з технічних наук інших країн, опубліковано 11 статей і один патент.

Обсяг і структура дисертації. Дисертація викладена на 406 сторінках, включаючи 256 сторінок основного тексту, 84 сторінки з рисунками, 18 сторінок з таблицями, і складається з шести основних розділів, чотирьох додатків і списка літератури з 298 назв.

Умовні позначки

Ц_ел - ціна електроенергії, грн; Е - ексергія, кДж/с; П - приведені витрати, грн; f - частота напруги живлення, Гц; G - витрата, кг/с;T,t - температура,⁰С; ц - відносна вологість.

Індекси: а - холодоагент; зв - забортна вода; к - конденсація; о - кипіння, п - пар; р - радіаційний параметр; w - холодоносій.

Скорочення в тексті: В - вентилятор; Вп - випарник; Зв - зволожувач, З -змішувач; Км - компресор; Кн - конденсатор; НЗВ - насос забортної води; НР - насос розсолу; ПН - повітронагрівач; ПО - повітроохолоджувач; РТ- ре-зультуюча температура.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наведено загальну характеристику роботи, обґрунтовано її актуальність, показано зв'язок із державними програмами, визначено об'єкт і предмет дослідження, його мету та завдання, наукову новизну та практичне значення його результатів, конкретний особистий внесок автора в їх одержанні, повноту викладення матеріалів дослідження в публікаціях і апробації результатів.

Перший розділ присвячений аналізу сучасного стану та особливостей проблеми підвищення ефективності технічної експлуатації суден у цілому і систем комфортного кондиціювання повітря як найважливішої складової їхнього життєзабезпечення зокрема. Встановлено, що напрямки відповідних досліджень пов'язані з удосконаленням засобів, технологій і умов перевезення пасажирів, створенням наукових основ і методів розрахунку параметрів і керування ресурсом, надійністю та технічним станом транспортної техніки, розробкою методів підвищення ефективності експлуатації транспортних засобів і їх функціональних систем, устаткування й способів забезпечення їх працездатності. За результатами проведеного аналізу встановлено, що вирішення проблеми підвищення ефективності експлуатації центральних СККП пов'язане, в свою чергу, з розв'язанням взаємозалежних проблем і, насамперед, підвищенням якості комфортного мікроклімату в населених приміщеннях за умови зниження енерговитрат на кондиціювання повітря.

Другий розділ присвячений обґрунтуванню вибору напрямків досліджень, пов'язаних з підвищенням ефективності експлуатації центральних СККП і забезпеченням комфортного мікроклімату в кондиційованих приміщеннях. Розглянуто й проаналізовано методи вирішення подібних науково-прикладних проблем. Ухвалено мету й сформульовано завдання відповідних досліджень.

Результати аналізу приводять до висновку, що перспективним напрямком для рішення проблеми енергозбереження в СККП, є використання методу термоекономічного аналізу. Подальший розвиток методу стосовно суднових центральних СККП у комплексах ЦСККП+СХ+НП як сукупності взаємозалежних багатопараметричних елементів зі змінними параметрами при періодичних теплових навантаженнях і раціональній організації процесів повітрообробки дозволить забезпечити роботу комплексів в енергоефективних режимах і комфортний мікроклімат.

З формально-логічної точки зору проблема підвищення ефективності експлуатації комплексів ЦСККП+СХ+НП зводиться до рішення оптимізаційного завдання. Воно полягає в забезпеченні мінімуму змінної частини приведених витрат при наявності системи обмежень на експлуатаційні й керуючі параметри, що обумовлюють технологічні параметри й нормативні комфортні умови в населених приміщеннях.

Виходячи з умов функціонування встаткування комплексів, приведені експлуатаційні витрати визначаються сумою приведених витрат усіх складових їхніх технологічних агрегатів. У загальному випадку змінна частина приведених витрат комплексів (на основі базової структури типової центральної СККП) є функцією експлуатаційних і керуючих змінних

, (1)

де , , , , , , - витрата змішаного повітря, холодоносія, холодоагенту, забортної води, пара через повітронагрівачі, зволожувач, кг/с;

, , , - температура навколишнього середовища, змішаного повітря, кипіння й конденсації холодоагенту, К;

, - відносна вологість навколишнього середовища й суміші повітря;

, - температура розсолу на вході й виході повітроохолоджувача, К;

, - температура забортної води на вході й виході конденсатора, К;

, , , - частота напруги живлення електродвигунів вентилятора, компресора, насосів розсолу й забортної води, Гц.

Ефективність експлуатації суднових комплексів ЦСККП+СХ+НП оцінюється рішенням оптимізованого завдання виду “мінімізація приведених витрат + обмеження ”. Цільова функція - змінна частина приведених витрат

, (2)

де ф_Р - час роботи встаткування, ч.

Обмеження, що зв'язують змінні в (1) при мінімізації приведених витрат для періодичних теплових навантаженнях, визначаються взаємозалежними параметрами технологічних процесів в агрегатах комплексів, електромеханічними властивостями електровстаткування комплексів, а також результуючою температурою в приміщеннях. Перераховані процеси описуються математичними моделями у вигляді системи диференціальних рівнянь із заданими крайовими умовами.

Основними обмеженнями оптимізованого завдання є співвідношення ексергії (е_i), підведених від однієї групи агрегатів комплексів до іншої групи. Чисельні значення ексергетичних потоків визначаються функцією

(3)

де G, Т ,t, ц, f - вектори експлуатаційних і керуючих змінних.

Додаткові обмеження оптимізованого завдання визначають галузь варіювання експлуатаційних і керуючих змінних G,Т,t,ц,f і пов'язані з варіантами експлуатаційних режимів роботи комплексів ЦСККП+СХ+ОП.

Для реалізації енергоефективних режимів роботи суднових керованих комплексів ЦСККП+СХ+НП необхідно розробити технічні засоби контролю й керування режимами з обліком статичних і динамічних характеристик елементів комплексів як багатопараметричних, багатозв'язних керованих об'єктів зі змінними параметрами при періодичних навантаженнях.

Третій розділ відображає результати розробки теоретичних основ і методичних положень по визначенню при періодичних теплових навантаженнях енергоефективних режимів роботи керованих комплексів ЦСККП+СХ+НП, що складаються із технологічно взаємозалежних агрегатів.

Оцінка впливу періодичних теплових навантажень на вибір експлуатаційних режимів роботи комплексів ЦСККП+СХ+НП здійснена з урахуванням зміни метеорологічних параметрів зовнішнього повітря для можливих районів плавання суден. Установленим галузям відповідають шість класів зовнішніх теплових навантажень і шість головних експлуатаційних режимів роботи комплексів базової структури. Експлуатаційні режими роботи є обмеженнями, що визначають межі зміни експлуатаційних і керуючих змінних комплексів.

Термоекономічний аналіз експлуатаційних режимів роботи комплексів проведений взаємодоповнюючими аналітичним і графоаналітичним методами. Взаємозалежний технологічний процес у комплексах представлений потоками ексергії, переданої від одного агрегату до іншого. Агрегати комплексів взаємодіють за допомогою зв'язків, показаних на рис.1 (1 - підведення ексергії до СККП; 2, 3, 4, 5, 6 - підведення ексергії до: ПН1; В; Зв; ПН2; ПО; 7 - підведення ексергії до СККП; 8, 9, 10 - підведення ексергії до теплоносія; 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17- підведення ексергії до: ПО; НР; Вп; Км; Кн; дросельному вентилю; НЗВ; 18, 19, 20 - підведення ексергії до: ПО; Км; НЗВ).

Рис. 1. Еквівалентний граф схеми комплексу ЦСККП +СХ

Фізична модель комплексів ЦСККП+СХ із урахуванням встановлених закономірностей взаємного впливу їх агрегатів у процесі спільного функціонування, а також ступені впливу змінних експлуатаційних і керуючих параметрів кожного агрегату на роботу комплексу в енергоефективних режимах має вигляд

;

;

; (4)

;

;

;

;

;

E_пн1 = E_пн1(G_з , G_п1, T_нс, T_п, ц_нс);

E_Зв = E_Зв( G_п.3, T_нс, T_у, ц_нс, ц_с);

E_пн2 = E_пн2(E_пн1, G_з , G_п2, T_нс, T_п, ц_нс),

де , , , , , , , , , , _п - ексергія, підведена до змішувача повітря, двигунів вентилятора, циркуляційного насосу розсолу, насосу забортної води, компресору, забортної води в конденсаторі, повітря повітронагрівачами першого й другого ступенів, повітря в зволожувачі, що виділяється з повітря в повітроохолоджувачі, розсолу у випарнику, кДж/c.

На підставі ексергетичної моделі (4) для експлуатаційних режимів роботи суднових комплексів ЦСККП+СХ+НП по розробленій програмі проведені розрахунки потоків ексергії, ексергетичних втрат і ексергетичних ККД (табл. 1).

Таблиця 1

Результати розрахунків витрат ексергії на функціонування агрегатів

Вузол системи	Параметри повітря, теплоносіїв	Е, кВт
	t, єC	G, кг/з	W, кВт
Змішувач	t в= 35	2,87	-	0,14…0,23
Повітронагрівач 1	Tп= 135…158	0,0028…0,053	-	3,05…60,64
Вентилятор	-	2,87	11	0,5…3,55
Зволожувач	tп= 135…158	0,0028…0,013	-	6,98…8,34
Повітроохолоджувач	Tw1= 1	0,77…5,97	-	5,89…40,91
Повітронагрівач 2	tп= 135…158	0,0028…0,027	-	2,37…29,28
Компресор	To= -4…3	3,7…3,827	26	55,24…60,83
Випарник	tw2= 11	3,7…3,82	-	5,95…36,83
Конденсатор	Tk= 31...36	3,7…3,82	-	4,03…6.38
Насос розсолу	tw1= 1	0,77…5,97	2	0,4…4,58
Насос забортної води	Tзв= 25	4,4…8,1	2	0,4…5.0

Встановлені функціональні залежності в (4) покладено в основу розробленої термоекономічної моделі, що враховує закономірності взаємного впливу елементів комплексів в процесі спільного функціонування в «літньому» (рис.2) і «зимовому» режимах, ступінь впливу експлуатаційних і керуючих змінних кожного агрегату на роботу комплексів в енергоефективних режимах, а також засіб визначення сукупності значень оптимальних експлуатаційних і керуючих параметрів суднових комплексів ЦСККП+СХ+НП. На рис.2 блок I включає компресор, конденсатор і насос забортної води, блок II - випарник і насос розсолу, блок III ? вентилятор і повітроохолоджувач. и_ПО, и_Кн, и_Вп - температурні напори в повітроохолоджувачі, конденсаторі, випарнику.

Розвитком методу термоекономічного аналізу, використанням термоекономічних моделей був розроблений метод оптимізації експлуатаційних енергоефективних режимів роботи суднових керованих комплексів ЦСККП+СХ+НП.

Теоретичні основи оптимізації зводяться до того, що ефективна експлуатація комплексів відповідає мінімуму змінної частини наведених витрат у рівнянні (1). Підстановкою виражень, що визначають ексергетичні потоки й наведені витрати для агрегатів комплексів в їх ексергетичну модель, узяттям їх похідних, була отримана система рівнянь, що відображує необхідні умови існування мінімуму наведених витрат, обумовлених відповідно до (2). З урахуванням зв'язків між елементами комплексів їхня термодинамічна оптимізація зроблена зміною параметрів елементів, що максимально впливають на ефективність комплексів. Для розрахунку значень оптимізованих змін наведені витрати, що забезпечують мінімальні, використовувалася методика рішення трансцендентних рівнянь.



Рис. 2. Термоекономічна модель ЦСККП + СХ в «літньому» режимі роботи

Взаємозв'язок мінімізованих змінних у процесі оптимізації призвів до необхідності знаходження умовного екстремуму, а завдання оптимізації режимів роботи комплексів ЦСККП+СХ вирішено шляхом приведення її до завдання безумовної оптимізації з використанням оператора Лагранжа

, (5)

де л₂, л₃ - невизначені множники Лагранжа, грн.;

E₁₁, E₁₂, E₂₁, E₃₁- ексергія, підведена до двигунів компресора, насосів забортної води й розсолу, вентилятора, кДж/с;

е₂, E₂, е₃, E₃ - ексергія, що виділяється від холодоагенту в конденсаторі й від холодоносія у випарнику, кДж/с.

Цільова функція (5) визначається явними залежностями потоків ексергії в комплексах ЦСККП+СХ від експлуатаційних і керуючих змінних. У результаті рішення оптимізованого завдання встановлені критеріальні експлуатаційні технологічні показники комплексів, що визначають ступінь енергоефективності роботи кожного їхнього елемента й вибір оптимізованих змінних параметрів (витрат холодоагенту, холодоносія, забортної води, що охолоджує, температур кипіння й конденсації для СХ, частот напруги живлення електроустаткування комплексів), що забезпечують мінімум приведених витрат для ЦСККП+СХ. Величини мінімальних приведених витрат, оптимальних витрат середовищ, частот напруг живлення електроустаткування ЦСККП + СХ при різних розрахункових значеннях температури навколишнього середовища наведені на рис. 3-5.

Рис. 3. Залежності оптимальної витрати холодоносія від температури навколишнього середовища для насоса розсолу

Рис. 4. Залежності оптимальної витрати холодоагенту від температури навколишнього середовища при змінних частотах напруги живлення двигуна компрессора

При проведенні термоекономічного аналізу на основі фізичної моделі (4) використовувалися результати оцінки функціонально-технологічних показників комплексів в оптимальних експлуатаційних режимах роботи, засновані на графоаналітичному аналізі процесів кондиціювання повітря. Такий підхід дозволив взаємопов'язати класи навантажень з режимами роботи комплексів, визначати склад оптимізованих параметрів, обчислювати їхні техніко-економічні показники в будь-який момент експлуатації, оптимізувати режими роботи з погляду ексергетичної доцільності використовуваного встаткування й формувати закони керування параметрами з метою досягнення максимального ексергетичного ККД.

Рис. 5. Залежності мінімальних наведених витрат від температури навколишнього середовища при змінних частотах напруг живлення електроустаткування комплексу

З метою реалізації способу оцінки енергоефективності комплексів створені алгоритми оцінки їх функціонально-технологічних показників, визначення технологічних і критеріальних показників. Для розрахунків і визначення енергоефективних експлуатаційних режимів роботи суднових комплексів ЦСККП + СХ застосована розроблена програмно-обчислювальна система. Під час розрахунків проведена верифікація отриманих даних з відомими експеримен-тальними даними, що показала їхній збіг.

Четвертий розділ відображає результати досліджень, пов'язаних з розробкою математичних моделей кондиціонованих населених приміщень судна, що входять у комплекс ЦСККП+СХ+НП, як багатопараметричних багатозв'язних керованих об'єктів зі змінними параметрами по результуючій температурі при періодичних теплових навантаженнях.

З метою обліку впливу періодичних теплових навантажень на статичні й динамічні характеристики кондиціонованих приміщень судна проведене дослідження теплостійкості й тепловий розрахунок приміщень. Отримані результати дозволили визначити величину розрахункової температури зовнішнього повітря, величина якої на 2-4 ⁰С менше стандартної величини. У табл. 2 наведені порівняльні результати розрахунків техніко-економічних показників комплексів ЦСККП+СХ+НП, обумовлених за стандартною методикою й з урахуванням зміни зовнішньої температури повітря за періодичним законом. Встановлені значення розрахункової температури зовнішнього повітря використовувалися при формуванні набору заданих параметрів для системи керування комплексами в енергоефективних режимах роботи.

Результати дослідження теплостійкості й теплового розрахунку приміщень судна застосовані для математичного опису характеру зміни радіаційної температури в приміщеннях. При визначенні радіаційної температури були отримані диференціальні рівняння теплових балансів для тонких стінок зовнішнього й внутрішнього огороджень приміщень судна зі змінними коефіцієнтами тепловіддачі й теплопередачі. Рівняння моделі вирішені з використанням перетворення Лапласа в середовищі Simulink.

Таблиця 2

Техніко-економічні показники комплексів ЦСККП+ СХ+НП

Найменування	За діючим стандартом	За запропонованим методом
Повні теплопритоки, кВт	16100	11200
Тривалість роботи, г	6700	6700
Масова витрата приточного повітря, кг/с	12.5	12.5
Повна холодопродуктивність, кВт	132000	91200
Споживання електроенергії, кВт·г	291200	247330
Наведені витрати, грн.	82900	75822

Математичний опис характеру зміни радіаційної температури повітря в приміщенні використовувся при рішенні завдання, пов'язаного з розробкою його моделі як об'єкта керування по РТ. Отримана модель є динамічною моделлю приміщення як керованого багатопараметричного багатозв'язного об'єкту по РТ, структурна схема, якої наведена на рис.6. Вона описується сукупністю лінійних рівнянь теплового й матеріального балансів у збільшеннях параметрів

;

(6)

,

де , , , ,, - збільшення температури зовнішнього, приточного, внутрішнього й повітря в коридорах судна, у поверхнях, що обгороджують, з боку борту й з боку перебірок, ⁰С;

, ,- збільшення відносної вологості приточного, внутрішнього повітря й повітря в коридорах;

- збільшення напруги сонячної радіації, Вт/м²;

, - збільшення питомих тепловиділень і вологовиділень однією людиною, Вт/м²;

,- збільшення теплопритоків від висвітлення й устаткування, Вт;

- збільшення витрати приточного повітря, кг/с;

W(P) - передатні функції зі змінними параметрами прямих (W₀₁(P),W₀₂(P),W₀₁₁(P),W₀₁₂(P),W₀₂₁(P),W_Т1(P),W_Т6(P)-W_Т12(P),W_Т14P)-W_Т12(P),W_В1(P)-W_В5(P),зворотних W_Т2(P)-W_Т5(P), W_В8(P), W₀₁₃(P),W₀₂₂(P), W_Т4(P), W_Т13(P), W_Т17(P), W_Т18(P), W_В7(P) перехресних зв'язків керованих і спостережуваних частин багатопараметричного, багатозв'язного об'єкту.

Рис.6. Структурна схема динамічної моделі приміщення судна.

У моделі враховані взаємозалежності температур конструкцій, що огороджуючих поверхонь, температури й відносної вологості повітря в приміщеннях. Крім того, у моделі приміщення (6) також враховані зміни теплового потоку й температури в товщі огородження через зміни температури зовнішнього повітря, сонячної радіації, швидкості вітру за бортом, середньої швидкості повітря в приміщенні, спосіб подачі повітря через каютний повітророзподільник, а також зміни температури повітря в приміщені змінні параметри, що обумовлюють передатні функції. Рівняння моделі вирішено з використанням перетворення Лапласа.

Моделі приміщення (6) відповідає дискретна модель суднового кон-диціонованого приміщення, що має в матричній формі вигляд:

(7)

де х_i - елементи матриці-стовпця вхідних величин;

у_i - елементи матриці-стовпця вихідних величин;

а_in - елементи матриці, обумовлені передатними функціями об'єкта за каналами його прямих і перехресних зв'язків відповідно до (6).

Сукупності вхідних величин матриці х_i визначаються враховуючи збурені вхідні параметри і передатні функції, що впливають на об'єкт керування, за рівняннями

(8)

Елементи матриці а_in визначаються за формулами

(9)

Сукупність рівнянь (7) - (9) визначає дискретну модель кондиціонованого приміщення судна, як керованого об'єкта регулювання за РТ. Рівняння моделі приміщення вирішено з використанням Z-перетворення. Параметри передатних функцій, рівнянь моделі приміщення в явному вигляді визначено в середовищі Simulink з обліком знайдених змінних значень коефіцієнтів тепловіддачі й теплопередачі, що огороджують поверхні приміщень, а також рухливості повітря й способу його розподілу.

П'ятий розділ присвячений розробці й дослідженню математичних моделей агрегатів і суднових СККП у цілому, що входять у комплекс ЦСККП+СХ+НП як багатопараметричних багатозв'язних об'єктів зі змінними параметрами. Для успішного вирішення завдань проектування технічних засобів контролю й керування режимами роботи суднових комплексів ЦСККП+СХ+НП досліджувалися нестаціонарні експлуатаційні режими роботи при періодичних теплових навантаженнях.

Розроблені математичні моделі агрегатів центральних кондиціонерів являють собою диференціальні рівняння теплового й матеріальних балансів у змішувальній камері, повітронагрівачі, повітроохолоджувачі, зволожувачі повітря. На основі математичних моделей агрегатів комплексів розроблено математичні моделі центральних СККП у цілому для нестаціонарних «літнього», «перехідного» і «зимового» режимів роботи при періодичних теплових навантаженнях. Рівняння моделей вирішені для багатопараметричних багатозв'язних керованих об'єктів з використанням перетворення Лапласа. Параметри рівнянь моделей визначені в явному виді з урахуванням теплотехнічних характеристик агрегатів у середовищі Simulink. На основі математичних моделей центральних СККП у нестаціонарних «літньому», «перехідному» і «зимових» режимах роботи отримана математична модель статики СККП, що дозволяє встановити якісні й кількісні зв'язки між керуючими обурюючими впливами, прикладеними до агрегатів. Модель описується системою лінійних алгебраїчних рівнянь зі змінними параметрами, отриманими розрахунковими шляхами

;

(10)

;

;

Рішення рівнянь моделі статики (10) для «літнього» (рис.7) і «зимового» режимів роботи комплексів отримано в середовищі Simulink.

Результати досліджень нестаціонарних експлуатаційних режимів роботи центральних СККП дозволили встановити наступне. На температуру повітря на виході повітроохолоджувача вплив зміною: витрати повітря виявляє в середньому в 8 разів, витрати холодоносія - в 5 разів і температури холодоносія - в 2 рази більш сильний вплив, чим зміна температури суміші зовнішнього й рециркуляційного повітря.

Енергетичні витрати, пов'язані зі зміною витрати пари через повітронагрівач менше енергетичних витрат, пов'язаних зі зміною витрати повітря. В області більших відхилень керованих параметрів статична точність підтримки необхідної температури повітря повинна забезпечуватися одночасною зміною процентного співвідношення зовнішнього й рециркуляційного повітря в суміші, а також зміною витрати пари на вході в повітронагрівач.

Результати експериментальних досліджень характеристик центральної СККП в «літньому» і «зимовому» режимах роботи, отримані в ході моделювання у середовищі Simulink, показують, що технологічні процеси в судновому центральному кондиціонері характеризуються малою інерційністю (максимальну постійну часу має повітроохолоджувач 160,54 с, з максимальним часом запізнювання 32,1 с) і самовстановленням перехідного процесу з малим транспортним запізнюванням.

Шостий розділ присвячений розробці принципу раціонального керування оптимальною організацією енергоефективних експлуатаційних режимів роботи суднових комплексів ЦСККП+СХ+ОП. Таке керування повинне враховувати статичні й динамічні характеристики елементів комплексів, як багато-параметричних багатозв'язних керованих об'єктів зі змінними параметрами й забезпечувати комфортний мікроклімат у приміщеннях при періодичних наван-таженнях. Для успішного вирішення поставленого завдання використовувалися результати, отримані в третьому, четвертому й п'ятому розділах, що дозволило визначити методи й розробити способи підтримки енергоефективних керованих режимів роботи комплексів ЦСККП+СХ+НП за розрахунковими ексергетичними характеристикам. При цьому враховувався періодичний характер теплового навантаження при мінімальних наведених витратах і наявність системи обмежень комплексу, що забезпечують технологічні параметри й нормовані комфортні умови в населених приміщеннях. Змістом розроблених методів є встановлений порядок синтезу алгоритмічних зв'язків системи керування з урахуванням результатів аналізу процесів повітрообробки у встановлених режимах роботи ЦСККП+СХ+НП і система обмежень комплексу. Для виконання логічних операцій і арифметичних обчислень у розробленій системі керування комплексом вирішуються завдання: визначення поточного класу навантаження комплексу; аналіз технологічних ситуацій; встановлення виду регулюючого впливу; формування контурів регулювання, законів регулювання і їх параметрів; визначення впливів, що задають, для контурів регулювання в комплексі ЦСККП+СХ.

Рис. 7. Модель комплексу ЦСККП+СХ в «літньому» режимі роботи

кондиціювання повітря термоекономічний судновий

Для реалізації керування оптимальною організацією режимів роботи комплексів і забезпечення комфортного мікроклімату розроблено принцип раціонального керування, використаний при створенні програмно-логічної системи керування комплексами. Створено спосіб пошуку енергоефективного режиму роботи. Вихідні передумови для визначення складу основних технологічних операцій керування визначаються режимами роботи комплексів та їх системою обмежень. Аналіз і синтез системи керування зроблений на основі використання апарату термоекономічної моделі комплексів (рис. 2) шляхом ручного покрокового «програвання» і моделювання всього його циклу роботи в базисних координатах процесу від мінімальних до максимальних розрахункових значень параметрів зовнішнього повітря. Результатом такого підходу стала розроблена схема системи керування (рис.8), реалізована на основі моделей комплексу при їх цілорічній повітрообробці. На рис.8 показано: 1 - кондиціонер; 2 - приміщення; 3, 5 - регулювальні клапани повітронагрівачів; 4 - регулювальний клапан зволожувача; 6 - вентилятор; 7 - двигун В; 8-10 - локальні регулятори повітронагрівачів і зволожувача; 11, 25-27 - частотні перетворювачі; 12 - оптоелектронна розв'язка, буферні схеми, схеми узгодження; 13 - панель керування; 14 - процесор; 15 - ПЕОМ; 16 - терморегулюючий клапан холодильної установки; 17 - випарник; 18 - циркуляційний насос розсолу; 19 - насос забортної води; 20 - конденсатор; 21 - компресор; 22 - двигун циркуляційного насосу розсолу; 23 - двигун насосу забортної води; 24 - двигун компресора; 28 - буферні схеми, схеми узгодження.



Рис. 8. Програмно-логічна система управління комплексами ЦСККП+СХ+НП

Розроблені методики проектування технічних засобів контролю й керування режимами роботи суднових комплексів ЦСККП+СХ+НП спрямовані на створення: центрального пристрою програмно-логічного керування; локальної цифрової системи керування продуктивністю теплообмінних апаратів з коригувальною ланкою; пристрою задатчика технологічних параметрів; пристроїв визначення результуючої температури й контролю параметрів повітряного середовища. Розроблений центральний пристрій для програмно-логічної системи керування комплексами ЦСККП+СХ+НП (рис.8) побудований на основі синтезу алгоритму перемикання енергоефективних експлуатаційних режимів. Працездатність пристрою програмно-логічної системи керування комплексом перевірялася моделюванням у САПР Quartus II. Пристрій функціонує відповідно до розробленої програми, що використовує інформацію про граничні стани всіх можливих керувань, про поточні керуючі впливи й гранично припустимі значення параметрів повітря в приміщенні, що обслуговується.

Для стабілізації технологічних параметрів комплексів вирішено лінійно-квадратичне класичне завдання аналітичного конструювання оптимальної системи керування. Система керування комплексами при їх цілорічній роботі описується лінійним диференціальним рівнянням

, (11)

де А, В - матриці коефіцієнтів, що враховують особливості математичної моделі комплексів ( i = 1,…,4; j = 1,…,14; l = 1,…,5);

Х_j - елементи матриці стану системи;

U_l - елементи матриці керуючих змінних.

Керуючі змінні визначаються із системи рівнянь виду:

(12)

де ;

,,,, - розрахункові коефіцієнти.

Дослідженнями встановлено, що оптимальний керуючий пристрій відповідно до закону (12) забезпечує стабілізацію температури, відносної вологості повітря й при відповідній корекції параметрів може застосовуватися у всіх режимах обробки повітря.

Відповідно до встановленого принципу реалізації керування оптимальною організацією енергоефективних експлуатаційних режимів роботи комплексів розроблено локальну цифрову систему керування продуктивністю теплообмінних апаратів СККП із коригувальною ланкою (рис.9).

На рис.9

; ; ,

де , - коефіцієнти передачі збурюючих та керуючих впливів;

К_р - коефіцієнт посилення регулятора;

Т_1,Т₂- постійні часу за каналами передачі, збурюючих та керуючих впливів, сек;

T_k - період квантування сигналу, сек;

- збурюючий, керуючий вплив та регульований параметр;

...