06.08.2018

Применение методов классической термодинамики в цифровой экономике.

В.В. Шишов, главный инженер группы компаний «Фармина», доцент МГТУ им. Н.Э.Баумана
(журнал "Холодильная Техника" №5, 2018 г.)

Бурное развитие техники на современном этапе заставило задуматься о новой промышленной революции, которая приведет к значительным изменениям во всех отраслях жизни общества. Очень часто мы стали слышать выражения «цифровая экономика», «индустрия 4.0», «четвертая промышленная революция», которые описывают происходящие процессы. По определению Всемирного банка Цифровая экономика – система экономических, социальных и культурных отношений, основанных на использовании цифровых информационно-коммуникационных технологий.

   В данной статье мы рассмотрим применение классических законов термодинамики с современными технологиями.

Каждая промышленная революция характеризуется особенными направлениями изменений. Например, первая промышленная революция характеризуется переходом от ручного труда к машинному. В этот же период происходит зарождение основ термодинамики, связанных с трудами Сади Карно, Рудольфа Клаузиуса и других исследователей. Вторая промышленная революция характеризуется появлением поточного производства, широким применением электричества, развитием химической промышленности. Третья – широким внедрением автоматизации, коммуникационных технологий. Четвертая промышленная революция характеризуется тотальной цифровизацией (внутренняя цифровизация предприятия, цифровая коммуникация с внешним миром, цифровая продукция, цифровое описание продукта и т. д.), развитием аналитических систем, появлением «умных» сервисных систем и производственного оборудования.

   Что касается холодильной промышленности, то на сегодняшний день есть все предпосылки для перехода к цифровой экономике. Развитие этих инструментов не отстает от общих тенденций (рис. 1). Например, появившаяся в начале 2000 годов система мониторинга m2 от компании Danfoss вызвала один вопрос – зачем это нужно? В настоящее время обязательным требованием к строительству новых объектов является обязательное наличие системы мониторинга рабочих процессов, которые успешно производят все большее количество компаний.

Рис. 1. Инструменты цифровой экономики в холодильной промышленности.

   В 2011 году компания Emerson начала производство инновационного компрессора серии Stream. Вся инновационность заключалась в наличие системы диагностики, позволяющей следить за работой компрессора, которая поставлялась как неотъемлемая часть компрессора.

   О возможности применения технологий 3D печати в компрессоростроении говорил в 2013 году Пирсон в статье «Что готовит будущее для производителей компрессоров»?

   В настоящее время производятся агрегаты и холодильные установки использующие облачные технологии, удаленным управлением системой уже никого не удивить – существуют и отечественные разработки, позволяющие управлять работой, например, тепловых насосов на расстоянии (компания SagaTherm).

   В рамках выставки «Мир Климата 2018» компания Danfoss представила «умную» сервисную систему для подбора, заказа и доставки комплектующих.

Дальнейшее развитие мы видим в совершенствовании аналитических систем обработки данных, в которых есть дефицит.

   В МГТУ им. Н. Э . Баумана уже несколько лет ведутся работы в данном направлении…

С точки зрения классической термодинамики, существуют три метода оценки работы холодильных систем:

  1. Энергетический метод анализа.

Метод основан на первом законе термодинамики и к его недостаткам относятся:

  • Холодильный коэффициент не дает представления о степени термодинамического совершенства анализируемой системы;
  • С помощью холодильного коэффициента нельзя оценить в отдельности энергетические потери и характеризовать термодинамическое совершенство всей установки;
  • Трудности в определении холодильного коэффициента реальных установок;
  • Анализ холодильной системы только в одной точке без учета изменения параметров окружающей среды, нагрузки на оборудование, работу системы автоматического регулирования и т. д.

2. Эксергетический метод анализа.

Этот метод целесообразно применять к исследованию систем, задачей которых является генерация работы (электроэнергии). Применение понятия эксергии к исследованию низкотемпературных систем, работающих за счет затрат работы (электроэнергии), усложняет анализ и не является корректным.

  1. Энтропийно-статистический метод анализа.

Он позволяет определить необходимые затраты энергии на компенсацию производства энтропии вследствие необратимости рабочих процессов в различных элементах (узлах) установок и указывает на пути их совершенствования

На базе энтропийно-статистического метода термодинамического анализа (ЭСМТА) в МГТУ им. Н. Э. Баумана был разработан ряд методик для применения в разных отраслях промышленности.

Методика определения потерь в холодильных установках основана на:

- втором законе термодинамики:

                                                          (1)

- уравнении Гюи-Стодолы:

                                                                       (2)

,где - суммарная величина производства энтропии вследствие необратимости процессов во всех n подсистемах, Тос – температура окружающей среды.

- свойстве аддитивности энтропии:

                                                     (3)

, где n – количество подсистем.

- выражении для действительной затрачиваемой работы:

                   (4)

,где - сумма минимальных работ (при условии полностью обратимых процессов), необходимых для генерации холода,  - величина ожидаемых реальных затрат энергии для компенсации производства энтропии во всех «n» элементах установки.

Степень термодинамического совершенства, являющаяся критерием оценки эффективности работы установки:

                                               (5)

ЭСМТА успешно применяется для анализа реальных холодильных установок.

В качестве исходных данных для анализа, используются данные систем мониторинга, получаемые в виде таблиц или графиков (рис. 2).

Рис. 2. Пример исходных данных для анализа. Графики изменения температур кипения (нижний график), конденсации (верхний график) и наружного воздуха (средний график) и их средние значения (горизонтальные прямые).

   Одним из примеров является сравнение работы холодильной установки, работающей по циклу одноступенчатого сжатия, с холодильной установкой, работающей по циклу с экономайзером.

В таблице 1 представлены средние значения параметров за рассматриваемый период.

Таблица 1

Параметр

Система 1

Система 2

Хладагент

R404А

R404А

Тип холодильного цикла

Одноступенчатый, непосредственное кипение

Одноступенчатый с экономайзером

Тип компрессора

Поршневой одноступенчатый

Спиральный с экономайзером

Средние температуры, С

 

 

кипения

-33,46

-32,58

конденсации

36,75

31,35

наружного воздуха

10,58

15,98

в охлаждаемом объеме

-15,14

-16,25

Средний перегрев в испарителях, К

13,67

9,73

Адиабатный КПД компрессора

0,673

0,632

   По итогам анализа были выявлены большие затраты работы сжатия для компенсации производства энтропии при дросселировании, которые можно снизить, применив цикл с экономайзером (рис. 3).

Рис. 3. Результаты анализа систем

 

Выводы:

  1. Применение ЭСМТА с инструментами цифровой экономики позволяет производить глубокий анализ холодильных систем на основании данных, полученных из системы мониторинга, с учетом реальных показателей, включая потери давления в трубопроводах и аппаратах, перегревы на линии всасывания, настройку системы автоматического регулирования и т. д., а также осуществлять прогнозирование.
  2. Методики на базе ЭСМТА позволяют выявить элементы системы, требующие улучшения.
  3. Сравнение энергоэффективности холодильных систем целесообразно производить по степени термодинамического совершенства.

Литература

  1. Архаров А.М. Основы криологии. Энтропийно-статистический анализ низкотемпературных систем. М.: Изд-во. МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2014. 507 с.
  2. Архаров А.М., Шишов В.В. Энтропийно - статистический анализ классических холодильных циклов для систем кондиционирования // Холодильная техника. 2011. № 7. С.84-97.
  3. Шишов В.В., Талызин М.С. Практическое применение энтропийно-статистического метода анализа холодильных циклов // Холодильная техника. 2015. № 3. С.25-28.
  4. Архаров А. М., Шишов В. В., Талызин М. С. Энтропийно-статистический анализ низкотемпературных холодильных циклов и выбор на его основе оптимальной системы холодоснабжения магазина // Холодильная техника. 2016. № 3.
  5. Архаров А.М., Шишов В.В. Анализ низкотемпературных холодильных циклов с помощью энтропийно-статистического анализа// «Холодильная техника». 2014. №8;
  6. Архаров А. М., Шишов В. В., Талызин М. С. Сравнение с помощью энтро-пийно-статистического анализа транскритических циклов на СО2 с циклами на традиционных хладагентах для систем холодоснабжения предприятий торговли// Холодильная техника. 2017. № 2; С. 34-41.
  7. Архаров А. М., Шишов В. В., Талызин М. С. Энтропийно-статистический анализ каскадных холодильных систем с СО2// Холодильная техника. 2017. № 10. С. 32-35.