Дисертації (ТАЕ)

Постійне посилання зібрання

https://ela.kpi.ua/handle/123456789/43905

У зібранні розміщено дисертації, які захищені працівниками кафедри.

Переглянути

Зараз показуємо 1 - 12 з 12

Відкритий доступ
Вплив параметрів капілярної структури на інтенсивність тепловіддачі при кипінні в умовах капілярного транспорту та субатмосферних тисках
(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Мельник, Роман Сергійович; Кравець, Володимир Юрійович; Дешко, Валерій Іванович
Мельник Р.С. Вплив параметрів капілярної структури на інтенсивність тепловіддачі при кипінні в умовах капілярного транспорту та субатмосферних тисках. -Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 144 «Теплоенергетика». - Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського", МОН України, Київ, 2023. Дисертаційна робота присвячена вивченню процесів кипіння на пористих структурах в умовах субатмосферних тисків. У вступі обґрунтовано актуальність роботи, визначено мету, об’єкт та предмети дослідження. Вказано наукову новизну отриманих результатів та надано інформацію щодо особистого внеску здобувача. Також надано інформацію про апробацію результатів роботи. Описано структуру та обсяг дисертаційної роботи. Активний розвиток електроніки та супутніх компонентів, призвів в свою чергу до створення нових видів двофазних теплопередаючих систем, таких як парові камери. На відміну від класичних систем теплопередачі основним завданням парових камер є зміна густини теплового потоку. Такий підхід дозволяє створювати компактні системи термостабілізації що менше залежать від умов зовнішнього охолодження. Крім того, постійне підвищення питомих теплових потоків, поступово наближає двофазні системи на кшталт теплових труб до меж передачі теплового потоку, які пов’язані з конструкцією останніх. На ефективність теплопередачі двофазних систем впливає ряд факторів. Основними з яких є теплоносій, тип капілярної структури (якщо таку передбачено конструкцією), сама конструкція та вид системи, а також матеріал з якого виготовлено корпус системи. У першому розділі представлено літературний огляд по основним типам теплопередавальних пристроїв на основі випарно-конденсаційного циклу роботи, в яких використовуються пористі структури. Проаналізовано найбільш розповсюджені типи пористих структур та матеріали їх виготовлення. В загальному випадку виготовляють їх з різних матеріалів як мідь, титан, нікель та ін. Сітчасті структури, що представляють собою сітку, чи декілька сіток скріплених між собою за допомогою контактного зварювання чи іншого методу, та прикріплені до внутрішньої стінки корпусу теплової труби. Активно на даний час розвиваються дослідження та технології виготовлення спінених пористих структур, які по суті є пінометалом. Також широкого розповсюдження набули так звані конструкційні пористі структури, або ж канавчасті. Ці структури представляють собою канали в корпусі теплопередавального пристрою. Окрім названих вище типів існують ще металоволокнисті капілярні структури. Також досить активно досліджується можливість використання композитних капілярних структур (КС) в двофазних теплопередаючих системах. Всі вищезазначені типи КС та їх характеристики в тій чи іншій мірі досліджені, а також частково досліджено ефективність їх використання в двофазних системах. Частково через те, що провести дослідження в умовах наближених до функціонування двофазних систем доволі складно. Умовами проведення подібних досліджень є забезпечення капілярного транспорту теплоносія в робочу зону, по аналогії з тепловими трубами – зону нагріву. Також, під час проведення досліджень необхідно підтримувати температуру насичення на одному рівні. Саме в таких умовах проведено найменшу кількість досліджень, серед усіх що представлені в літературі. Особливо це стосується металоволокнистих структур. Другий розділ присвячено визначенню коефіцієнтів рідинної проникності зразків металоволокнистих пористих структур вздовж площини войлокування. Представлено схему експериментального стенду та методику проведення досліджень. Хоча визначення коефіцієнтів проникності металоволокнистих капілярних структур (МВКС) в широкому діапазоні параметрів проводились раніше, умови для яких проводились дослідження не в повній мірі відповідають умовам в теплових трубах та парових камерах, а саме, теплоносій в таких пристроях в основному рухається вздовж площини войлокування, а попередні дослідження проводились в умовах коли теплоносій рухається поперек площини войлокування. В результаті було визначено, що напрямок фільтрації рідини через пористий зразок впливає на коефіцієнт рідинної проникності. Було проаналізовано та запропоновано пояснення такого відхилення в результатах. Також було запропоновано залежності для розрахунку коефіцієнта рідинної проникності для умов фільтрації вздовж площини войлокування. У третьому розділі представлено дослідження капілярного напору для зразків металоволокнистих пористих структур в широкому діапазоні структурних характеристик, а саме діаметрів волокон та пористостей. Дослідження капілярного напору проводились для зразків пористої структури з діапазоном значень пористості від 60% до 90%, для діаметрів волокон від 10 до 50 мкм. Виявлено вплив напрямку фільтрації на коефіцієнт проникності за рахунок порівняння з опублікованими результатами подібних досліджень. Вперше було помічено, що залежність транспортних характеристик можна описувати відносно ефективного діаметру пор. Тобто результати однакові для зразків з однаковим ефективним діаметром пор, не зважаючи на те, що зразки виготовлені з волокон з різним діаметром та мають різні значення пористості. У четвертому розділі представлено результати визначення коефіцієнтів тепловіддачі в залежності від режимних, структурних та геометричних факторів. В даній роботі, автором запропоновано конструкцію експериментального стенду, за допомогою якого можливе наближення до умов функціонування двофазних систем, а саме парових камер, як найбільш перспективного на даний час методу термостабілізації портативного електронного обладнання. Основним типом КС для вивчення було обрано металоволокнисту структуру, що за результатами попередніх досліджень має переваги відносно інших типів пористих структур та не досліджена в умовах функціонування що наближені до умов теплових труб чи парових камер. Крім того, цей тип пористої структури добре вивчено в широкому діапазоні параметрів в умовах кипіння у великому об’ємі при атмосферному тиску, що дає можливість порівняння результатів та проведення верифікації методики проведення. Крім того, для порівняння ефективності тепловіддачі, було виготовлено декілька зразків зі спеченого порошку. В результаті порівняння було виявлено, що ефективність тепловіддачі на порошкових капілярних структур (ПКС) вища ніж для МВКС в умовах кипіння у великому об’ємі (ВО) та в умовах капілярного транспорту, проте граничні густини теплових потоків для МВКС мали вище значення на 12-96%. Зі зниженням температури насичення, ефективність тепловіддачі для зразків зі спеченого порошку була нижча, ніж для зразків з МВКС. Граничні густини теплових потоків зразків виготовлених з металовойлоку також перевищували значення отримані для зразків порошкових КС. В результаті було досліджено 25 зразків МВКС з діаметрами волокон від 10 до 50 мкм, в діапазоні значень пористості від 60 до 85%, з товщинами 0.3 та 0.5мм. Кожен зразок тестувався в умовах кипіння у ВО при атмосферному тиску, а також в умовах капілярного транспорту при температурах насичення 100С, 65С та 50С. Рідина що використовувалась в дослідженнях – дистильована вода. П’ятий розділ присвячено розробці фізичної моделі пароутворення на пористих структурах та узагальненню отриманих даних. В результаті візуальних спостережень за зразками в ході основних досліджень, та співставлення їх зі значеннями температур, вперше було запропоновано класифікувати процеси пароутворення на КС в умовах капілярного транспорту за стадіями, з описанням цих стадій та можливими причинами їх виникнення. Візуальні спостереження проводились як для порошкових структур так і для металоволокностих. Якісно результати спостережень на них не відрізнялись, з чого можна висловити припущення, що аналогічним чином себе поводять інші види пористих структур з аперіодичною будовою. Було отримано критеріальні залежності виду Nu=f(Re) для різних температур насичення, що описують експериментальні точки з максимальним відхиленням ±30%. Також було проаналізовано залежність максимальної густини теплового потоку від структурних хпрактеристик пористої структури. Вперше було помічено, що на граничне значення густини теплового потоку впливають значення ефективного діаметру пор зразка, а не параметри волокон з якого його виготовлено. Проте слід зазначити, що в даному дослідження, для всіх зразків, використовувались волокна однієї довжини, що становила 3мм. Матеріали дисертаційної роботи поглиблюють розуміння процесів пароутворення що відбуваються в умовах наближених до функціонування двофазних теплопередаючих систем. Матеріали дисертаційної роботи ВПРОВАДЖЕННЯ Робота пов`язана з виконанням досліджень в рамках проекту Національного фонду досліджень України № 2020.02/0357 «Розвиток теплофізичних та конструктивно-технологічних основ підвищення ефективності охолодження приймально-передавальних модулів радіолокаційних станцій». 2020-2022 (з призупиненням у 2022 р. та продовженням у 2023 через форс-мажорні обставини) Результати роботи також впроваджено в НАУКОВОВПРОВАДЖУВАЛЬНА ФІРМА ТЕПЛОВІ ТЕХНОЛОГІЇ у 2021р.
Відкритий доступ
Енергетичні показники динамічних режимів будівлі та інженерних систем
(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Яценко, Олена Ігорівна; Дешко, Валерій Іванович
Яценко О.І. Енергетичні показники динамічних режимів будівлі та інженерних систем. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 144 Теплоенергетика. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» Міністерства освіти і науки України, м. Київ, 2023. У вступі дисертації висвітлено актуальність теми дослідження на сьогоднішній день та зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Сформульовано мету, наукове завдання, об'єкт, предмет та методи дослідження, визначено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, що підтверджене актами впровадження результатів, представлено дані про апробацію дисертації та наявні публікації з окресленням особистого внеску здобувача. У першому розділі дисертації проведено огляд та аналіз сучасних даних щодо енергетичного стану будівельного сектору країни, розглянуто будівлю як складну енергетичну систему та проаналізовано сучасні підходи до визначення її енергетичних показників та актуальні тенденції підвищення її енергоефективності, наведено літературний огляд з питань організації режимів роботи інженерних систем, де окреслено основні фактори які впливають на вибір оптимального режиму роботи системи опалення та вентиляції. Підвищення енергоефективності будівельного сектору є пріоритетним напрямом та однією з умов досягнення сталого розвитку України. Окрім утеплення огороджувальних конструкцій та оновлення інженерного обладнання будівель, важливим етапом при підвищенні енергоефективності є врахування впливу експлуатаційного режиму. Щоденна взаємодія людей з інженерними системами є основою експлуатаційного режиму будівлі. Тож якісний підхід до оцінки ефекту від регулювання інженерних систем має розглядати динамічну поведінку будівлі ‒ вплив коливання зовнішніх та внутрішніх факторів на температурний режим всередині. Такі підходи реалізуються за допомогою спеціалізованого програмного забезпечення, яке дозволяє проводити достатньо точний аналіз енергетичних показників та теплового стану будівлі у часі. У другому розділі дисертації наведені методики визначення енергетичних показників динамічних режимів будівель, які включають розробку енергетичних моделей на базі спеціалізованих програм та експериментальні підходи для оцінки показників теплового комфорту всередині будівель. Представлено три авторські енергетичні моделі, дві з яких створені на базі програмного продукту EnergyPlus та одна – на базі Ansys Fluent. Також, описано методики проведення двох експериментальних досліджень: динаміки зміни внутрішньої температури та динаміки зміни концентрації CO2 за переривчастого режиму опалення приміщень. Створені енергетичні моделі житлового приміщення та громадської будівлі враховують взаємодію інженерних систем та оболонки при врахуванні впливу динамічних факторів всередині та ззовні. До внутрішніх факторів відносяться ті, що пов’язанні з діяльністю людей (присутність та активність людей, рівень використання електричного обладнання та освітлення), до зовнішніх – ті що пов’язані зі зміною кліматичних умов (зовнішня температура, сонячна активність та швидкість вітру). CFD-модель житлової кімнати призначена для визначення енергетичних показників роботи підсистеми тепловіддачі та налаштована для роботи як в стаціонарному так і в нестаціонарному режимах. За переривчастого режиму опалення було проведено експериментальне дослідження динаміки зміни внутрішньої температури у кімнатах квартири шляхом моніторингу. Польові виміри динаміки зміни концентрації CO2 були проведені у тих же приміщеннях з метою дослідження фактичної кратності повітрообміну. Обробка експериментальних даних проводилася за методом, що ґрунтується на основі балансів повітряних потоків та концентрацій СО2. У третьому розділі дисертації проведено аналіз впливу режимів роботи інженерних систем на енергетичні показники досліджуваних приміщень на основі моделей, створених у програмному середовищі EnergyPlus. Представлено результати експериментальних досліджень, які застосовані в енергетичних моделях. Шляхом моделювання оцінено вплив сонячних теплонадходжень та режиму повітрообміну на енергетичні показники житлового приміщення. Наведено результати аналізу енергетичної ефективності застосування переривчастого режиму опалення для житлового приміщення та громадської будівлі. Результати експерементальних досліджень дозволили визначити фактичну динаміку зміни внутрішньої температури, концентрації CO2 та рівня повітрообміну в години використання та невикористання приміщень під впливом експлуатаційних характеристик та погодних умов. Вплив радіаційної складової сонячних теплонадходжень на тепловий стан приміщень квартири за різної орієнтації огороджувальних конструкцій за сторонами світу було досліджено шляхом аналізу результатів енергетичного моделювання теплового навантаження та температури на внутрішніх поверхнях зовнішніх та внутрішніх стін кімнат для двох режимів роботи системи опалення: постійного та переривчастого. Аналіз впливу повітрообміну на енеретичні показники проводився на базі ряду підходів до задання повітрообміну всередині жилових приміщень, згідно норм, рекомендованих діючими стандартами (ASHRAE Std 62.2-2019, EN 16798-1:2019 та українським ДБН В.2.2-15:2019), та за результатами експерементального дослідження фактичної кратності у приміщеннях. Враховання динаміки повітрообміну призвело до підвищення середньодобової температури в приміщенні приблизно на 1-1,5C, порівняно з використанням постійних значень кратності, рекомендованих чинними стандартами при енергетичних розрахунках. В ході дослідження потенціалу енергозбереження при використанні різних варіантів переривчастого режиму опалення було визначено питому надбавку до теплового навантаження, яка за температурного режиму 15-18 C у громадській будівлі знаходилась на рівні 1,2. Аналіз річного енергоспоживання у житловому приміщенні показав, що застосування переривчастого режиму опалення призведе до 16,4% економії теплової енергії. У четвертому розділі дисертації на базі CFD-моделювання визначалися енергетичні показники роботи підсистеми тепловіддачі. Представлено результати дослідження швидкості розігріву та охолодження приміщення при застосуванні переривчастого режиму опалення. На базі створеної моделі було проаналізовано складову загальної ефективності, яка відповідає за вертикальний профіль розподілення температури повітря у приміщенні. Моделювання гідродинамічних процесів у досліджуваному приміщенні проводилося у стаціонарному та нестаціонарному режимах. Результати свідчать про те, що за однакової температури радіатора повітря у приміщення охолоджується швидше ніж нагрівається. При енергетичних розрахунках втрат теплоти в підсистемі тепловіддачі за ДСТУ Б А.2.2-12:2015 припускається, що температури в робочій зоні та внутрішня середньооб’ємна однакові та рівномірно розподілені у приміщенні. Для аналізу тепловтрат спричинених неоднорідністю розподілення внутрішньої температури, на базі CFD-моделі кімнати було досліджено коефіцієнти, що відповідають за вертикальний профіль розподілення температури повітря. Даний підхід дозволив провести якісну оцінку коефіцієнтів, що враховують вплив температурного напору та питомі тепловтрати через зовнішні огороджувальні конструкції. Результати досліджень передано до використання ГО "Асоціація енергоаудиторів України", ДП «Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій», а також використовуються в навчальному процесі при підготовці студентів навчально-наукового інституту атомної та теплової енергетики «КПІ» ім. Ігоря Сікорського на кафедрі «Теплової та альтернативної енергетики». Практичне значення одержаних результатів підтверджується актами впровадження результатів досліджень.
Відкритий доступ
Енергоефективність комбінованих схем опалення, вентиляції та кондиціювання на основі повітряних теплових насосів
(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Місюра, Тимофій Олексійович; Безродний, Михайло Костянтинович
Місюра Т. О. Енергоефективність комбінованих схем опалення, вентиляції та кондиціювання на основі повітряних теплових насосів. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 144 Теплоенергетика. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», м. Київ, 2023. У вступі дисертації висвітлено актуальність теми дослідження на сьогоднішній день та зв’язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Сформульовано мету, наукове завдання, об’єкт, предмет та методи дослідження, визначено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, представлено дані про апробацію дисертації та наявні публікації з окресленням особистого внеску здобувача. У першому розділі дисертації проведено огляд та аналіз сучасних даних щодо ефективного застосування систем HVAC (опалення, вентиляція та кондиціювання повітря) на базі повітряних теплових насосів з додатковим використанням різних низькопотенційних джерел теплоти або холоду. Проаналізовано сучасні підходи та актуальні тенденції до збільшення енергоефективності теплонасосних систем, наведено літературний огляд з питань організації цих заходів. На основі проведеного огляду встановлено перелік питань, які потребують більш глибокого дослідження. У другому розділі розглянуто принципову теплонасосну систему вентиляції та повітряного опалення виробничого приміщення з надлишковим вологовиділенням, у якій застосовано часткову рециркуляцію відпрацьованого повітря для підтримання заданих комфортних умов всередині приміщення. Показано, що необхідний для опалення додатковий підігрів припливного повітря може бути визначений через простий коефіцієнт пропорційності до перепаду температур всередині і ззовні приміщення, значення якого визначається характеристиками приміщення і кратністю повітрообміну. Проведено термодинамічний аналіз роботи системи для визначення необхідних режимів її роботи в холодний період року. Показано, що для підтримання заданих температури та вологовмісту повітря в приміщенні за різних параметрів довкілля коефіцієнт рециркуляції має змінюватись в залежності від температури і відносної вологості атмосферного повітря. Показані граничні межі застосування системи, після яких для підтримання комфортних умов в приміщенні необхідна робота системи в режимі кондиціювання припливного повітря. Отримані розрахункові величини питомих затрат зовнішньої енергії в даній системі, які характеризують енергетичну ефективність її роботи в залежності від параметрів навколишнього середовища. У третьому розділі досліджуються можливості застосування системи вентиляції та кондиціювання з тепловим насосом для підтримки комфортних умов усередині виробничої зони в теплу пору року. У зв’язку з цим було проведено термодинамічний аналіз теплонасосної системи з частковою рециркуляцією відпрацьованого повітря та змінною часткою свіжого зовнішнього повітря. Потім було проведено чисельний аналіз для оцінки впливу змін температури та відносної вологості навколишнього середовища та характеристик об’єкта вентиляції та кондиціювання на параметри системи. Це дозволило визначити потенційні можливості цієї системи підтримувати комфортні умови у виробничій зоні. Також було показано, що необхідне додаткове охолодження припливного повітря на вході в приміщення для потреб кондиціонування повітря можна визначити за допомогою простого коефіцієнта, і у розділі наведено методику його розрахунку. Теплонасосна система має найбільшу енергоефективність у зоні низьких температур навколишнього середовища та багато в чому залежить від відносної вологості зовнішнього повітря. Це свідчить, що досліджена система підходить до застосування у країнах із помірно-континентальним кліматом. У четвертому розділі проведено термодинамічний аналіз теоретичної моделі теплонасосної установки вентиляції та кондиціювання повітря з рециркуляцією холоду в залежності від параметрів зовнішнього повітря для підтримання температурних і вологісних умов у виробничому приміщенні в теплий період року. За допомогою чисельного аналізу методом послідовних наближень визначено параметри повітря в вузлових точках схеми та оцінено її енергетичну ефективність. Це дозволило встановити режими роботи установки в залежності від параметрів зовнішнього повітря, характеристик об’єктів вентиляції та кондиціювання та надходжень теплоти. Була кількісно відображена вагомість рециркуляції холоду для забезпечення високої ефективності роботи схеми. Досліджена система може бути придатною для застосування в країнах з помірним континентальним і вологим тропічним кліматом в усьому діапазоні температур навколишнього середовища, коли об’єктом вентиляції виступає виробниче приміщення з невисокою кратністю повітрообміну. У п’ятому розділі досліджено ефективність та режими роботи моделі теплонасосної системи вентиляції та кондиціювання повітря з рекуперацією холоду вентиляційного повітря в залежності від параметрів зовнішнього повітря, ефективності рекуперації та характеристик приміщення. За прототип був взятий цех з виробництва кондитерських виробів, де в теплу пору року необхідно підтримувати технологічний режим (температурно-вологісний режим). Проведено розрахунки методом послідовних наближень для оцінки параметрів повітря у вузлових точках системи. Це дозволило визначити теоретичну холодильну ефективність системи та довело переваги рекуперації в порівнянні з рециркуляцією для зменшення споживання енергії тепловим насосом. Досліджена система має найвищу енергоефективність в області відносно низьких температур і відносної вологості, що підходить для країн з помірно-континентальним кліматом. У шостому розділі викладено результати термодинамічного аналізу моделі теплонасосної системи вентиляції, кондиціювання та осушення виробничого приміщення за змінних величин внутрішніх надходжень вологи та теплоти у період перехідної та теплої пори роки. Встановлено та оцінено вплив рекуперації енергії відпрацьованого повітря на ефективність системи. У якості прототипу було прийнято ковальський цех, де необхідно підтримувати технологічні умови (температуру і відносну вологість). Принцип даної схеми полягає в тому, що виконуються умови постійних параметрів припливного повітря як по температурі, так і по вологості, у той час як в реальній практиці тільки один із параметрів є цільовим (найчастіше температура). Дана обставина виконується спеціальною організацією повітряних потоків таким чином, щоб досягалась максимально ефективна утилізація енергії, яка була згенерована в системі. Встановлено теоретичну холодильну ефективність даної системи та показало переваги рекуперації енергії для зниження енергозатрат на роботу системи. Дану модель можна застосувати для проектування припливновитяжних установок із встановленим контуром теплового насоса. У сьомому розділі міститься порівняльний термодинамічний аналіз двох найбільш популярних рішень загальної вентиляції та кондиціювання повітря: припливно-витяжних установок (ПВУ), що базуються на вбудованих контурах теплових насосів (ТН) або зовнішніх компресорно-конденсаторних блоках (ККБ) як основних джерелах енергії. Теоретичний аналіз проводився за однакових постійних умов у холодному режимі роботи в теплу пору року, коли необхідно охолоджувати припливне повітря. У результаті досліджень були побудовані графіки залежностей параметрів двох систем (температури та вологості повітря у вузлових точках систем, енергоефективності ТН або ККБ та схем в цілому) від параметрів зовнішнього повітря та потреб у вентиляції та кондиціюванні повітря всередині приміщення за умовами проекту. Досліджені теоретичні моделі двох систем можна використовувати для оцінки доцільності тієї чи іншої схеми в залежності від проекту, а також під час проектування ПВУ. Використовуючи даний аналіз, можна точно та ефективно підібрати такі реальні компоненти установки, як теплообмінники, компресор, ТРВ тощо для виробництва припливно-витяжних установок.
Відкритий доступ
Зниження термічних напружень і підвищення терміну служби елементів енергетичного обладнання шляхом використання стабілізаторних пальників
(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Мороз, Олег Сергійович; Черноусенко, Ольга Юріївна
Мороз О.С. Зниження термічних напружень і підвищення терміну служби елементів енергетичного обладнання шляхом використання стабілізаторних пальників. - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 144 – Теплоенергетика. - Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», МОН України, Київ, 2023. Дисертаційна робота присв′ячена дослідженню впливу змінного в просторі і часі високотемпературного поля продуктів згоряння в топковому просторі на характеристики міцності, напружено-деформований стану, мало цикловій втомленості, пошкодження енергетичного обладнання, а також підвищенню ефективності та надійності елементів, які мають високу температуру, шляхом використання нових схем і конструкцій пальникових пристроїв, які також дозволяють використовувати альтернативні види газових палив. В роботі показана актуальність теми, яка пов′язана з тим, що значна кількість енергетичних та промислових об′єктів – котлів, печей, підігрівачів, сушил, газотурбінних установок тощо, які використовуються в енергетиці та промисловості України, характеризується значною моральною та фізичною зношеністю, вимагає ремонту і покращення ефективності роботи. . В економічних умовах нашої країні модернізація установок є найбільш реальним шляхом підвищення їх ефективності при мінімальних затратах. За розрахунками, сума вкладень, що дають можливість продовження експлуатації, в 3–5 разів менше, чим введення в дію нових потужностей. Певним умовам експлуатації обладнання повинна відповідати найбільш ефективна схема організації паливного процесу в топці. Виконано огляд роботоспроможності металів при високих температурах, надійність роботи, проаналізовано характеристики міцності металу при високих температурах і робота в нестаціонарних температурних умовах, в тому числі в умовах температурної нерівномірності. Розглянуті основні джерела температурної нерівномірності в енергетичному обладнанні. З проведеного огляду матеріалів щодо умов роботи високотемпературних елементів енергетичного та промислового устаткування зроблені висновки і розроблені завдання по проведенню відповідних досліджень з метою аналізу стану обладнання та заходів щодо підвищення його надійності та ефективності. На даний час існуючі методи, які пов'язані з визначенням термічних напружень в високотемпературних елементах енергетичного обладнання, вимагають проведення тривалих випробувань. З урахуванням досягнень сучасних комп'ютерних технологій з'явилась можливість виконання відповідних досліджень за значно коротший термін, з меншими затратами і з використанням мінімальної кількості дослідних даних. Враховуючи визначальну роль пальникових пристроїв на характеристики поля температур газів в топковому просторі одним з напрямків пріоритетних завдань роботи визначено розробку пальникових пристроїв, які дозволяють впливати на формування температури газів з метою зменшення нерівномірності поля температур і, таким чином, зниження термічної напруженості високотемпературних елементів. Перспективним напрямком є використання пальникових пристроїв стабілізаторного типу. Експериментальні дослідження виконувались з використанням обладнання кафедри ТАЕ і відповідної вимірювальної апаратури. Розглянуто фактори, які впливають на термонапружений стан високотемпературного обладнання і запропонована методика розрахунку залишкового ресурсу високотемпературних елементів. Для дослідження теплового стану трубопроводів котла виконувалась побудова 3D просторового аналога топкового простору котлоагрегату. Виконане моделювання і аналіз допомогли запобігти дорогим і тривалим експериментам. Були послідовно виконані гідрогазодинамічний розрахунок і вибрана модель турбулентності. Розрахунки виконувались з використанням програмного комплексу ANSYS Fluent. Перед початком розрахунків в ANSYS Fluent була визначена прийнята модель турбулентності. Для цього перед проведенням гідродинамічних розрахунків були проаналізовані декілька моделей турбулентних течій. В даній роботі була використана модель k-ε Realizable. Безпосередньою перевагою реалізованої моделі k-ε є те, що вона забезпечує покращені прогнози щодо швидкості поширення як плоских, так і круглих струменів. При теплових розрахунках були визначені гранічні умови. Була проаналізована газодинамічна та теплова структура потоку в стабілізаторних пальникових пристроях і виконані розрахункові дослідження теплового стану патрубку. На наступному етапі були проведені розрахункові дослідження напружено-деформованого стану трубопроводу. Оцінка малоциклової втомленості та статичної пошкоджуваності виконувались з урахуванням нестаціонарного напружено-деформованого стану. Отримані температури використовувались для розрахунку кількості циклів до руйнування. На основі максимального напруження за встановлений період часу у відповідних точках розраховується температура металу. Користуючись розробленою методикою, на підставі замірених або розрахованих температур, можна орієнтовно розрахувати термонапружений стан енергетичного обладнання і термін експлуатації до руйнування. Створена комп’ютерна модель дозволила гнучко змінювати і отримати відповідне поле температур перед патрубком. Результати проведених досліджень можуть бути використані при реалізації розроблених рекомендацій у великій і малій українській енергетичній, промисловій і газотранспортній системі, а також в інших галузях науки і техніки. Розглянуті особливості роботи і зміни параметрів газового потоку при мікродифузійному спалюванні газу в системі стабілізаторів. При аналізі зміни параметрів робочого процесу – швидкості потоку, концентрації, повноти згоряння, температури газів були проведені випробування систем стабілізаторів, Розглянуто питання формування поля швидкості ізотермічного потоку в системі стабілізаторів, а також Зміна швидкості потоку, коефіцієнту надлишку повітря і повноти згоряння в системі стабілізаторів при горінні. На наступному етапі увага приділялась визначенню закономірності формування поля температур продуктів згоряння в стабілізаторному пальниковому пристрої в поперечному перерізі стабілізаторного пальника і вздовж стабілізатора, а також комбінований вплив на зміну поля температур газів в топці. Показано,що довжина вогневого простору, на якій відбувається вирівнювання поля швидкостей, поля температур і компонентів реакції горіння у поперечному перерізі залежить від коефіцієнту затінення і коефіцієнту надлишку повітря. В мікрофакельних стабілізаторних пальниках є можливість впливати на профіль температури газів в повздовжньому і поперечному перерізах конструктивними засобами – зміною кроку стабілізаторів та їх ширини, зміною (або прикриттям) подачі газу на окремі стабілізатори, відносним зміщенням стабілізаторів вздовж і поперек потоку. Встановлено, що характер формування температури газу і інтенсивність горіння палива залежить від відносного кроку газових отворів вздовж висоти стабілізатора. При tг/dг < 7,0 зменшується інтенсивність процесів масообміну в струменях і відбувається зниження інтенсивності процесу вигоряння палива з можливим недопалом в кінці топкового простору. З метою розширення використання альтернативних газів в енергетиці і промисловості були розроблені і дослідженні мікрофакельні стабілізаторні пальники для спалювання забаластованих газових палив. Альтернативні види палив, як правило, складаються з суміші високореакційного газу типу метану, і баластових домішок - повітря, двоокису вуглецю, азоту, біодобавок тощо, які, як правило, погіршують характеристики горіння паливного газу, причому відбувається це тим в більшій мірі, чим вище вміст баластової домішки в паливі. Це породжує певні труднощі практичного використання забаластованих газів як палива, до яких додаються ще дві обставини: гази різних видів і різних родовищ мають різний вміст баласту; у багатьох випадках склад газів може змінюватися в часі; газобаластова суміш може виходити за концентраційні межі горіння. Це робить неможливим спалювання газобаластових сумішей за традиційними технологіями і пальниковими пристроями. Показано, що перспективним методом вирішення проблеми спалювання низькокалорійних альтернативних палив, склад яких виходить за концентраційні межі горіння, є застосування комбінованої подачі палив, при якому низькокалорійне паливо підпалюється високотемпературними стабілізуючими факелами. Розроблено метод і конструкції стабілізаторних пальникових пристроїв, які забезпечують підвищення сталості горіння забаластованого палива при концентрації домішок від 0 % до 100 % (відсутність палива - подача баласту). Для цього прийнята комбінована технологія подачі палив, при якій струмені низькореакційного палива проходять через високо температурні факели і відбувається сталий процес горіння обох палив незалежно від концентрації домішки з забаластованому паливі. Потужність пальника підтримується за рахунок збільшення витрати палива, яке подається на стабілізуючий факел. Сталість і довжина загального факелу визначається характеристиками запалюючого факелу Розроблено три варіанти модулей стабілізаторних пальників з різними схемами подачі альтернативного і стабілізуючого палив. Розроблено і досліджено двонішевий пальниковий пристрій, в якому, практично без зміни конструкції є можливість регулювати характеристики сталості і довжини факелу в залежності від умов роботи енергетичного об′єкту. Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що . - вперше за допомогою комплексу ANSYS Fluent розроблена програма визначення термічного і термо-напруженого стану високотемпературних елементів енергетичного обладнання; - розроблена програма розрахункової оцінки терміну експлуатації високотемпературних елементів в стаціонарних і змінних режимах; - доповнені експериментальні дані і уточнені залежності щодо вирівнювання характеристик газового потоку в топковому просторі при використанні стабілізаторних пальників; - показана можливість регулювання поля температур газів в топковому просторі зміною конструктивних параметрів стабілізаторних пальників; - вперше запропонована технологія спалювання забаластованих низько реакційних газових палив в стабілізаторних пальниках; - вперше розроблено і досліджено моделі стабілізаторних пальників для спалювання альтернативних низько реакційних газових палив; - отримані експериментальні дані та одержані узагальнюючі залежності стосовно характеристик робочого процесу горіння газів різного складу, який може суттєво змінюватись під час роботи.
Відкритий доступ
Методи визначення інтенсивності теплообміну в багатофазних та багатокомпонентних середовищах
(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2022) Власенко, Ольга Володимирівна; Ткаченко, Станіслав Йосипович; Середа, Володимир Володимирович
Відкритий доступ
Оцінювання впливу поведінково-експлуатаційних факторів на рівень енергоефективності будівлі за допомогою динамічного моделювання
(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024) Голубенко, Олександр Олександрович; Дешко, Валерій Іванович
Голубенко О.О. Оцінювання впливу поведінково-експлуатаційних факторів на рівень енергоефективності будівлі за допомогою динамічного моделювання – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 144 Теплоенергетика. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» Міністерства освіти і науки України, м. Київ, 2024. У вступі дисертації висвітлено актуальність теми дослідження на сьогоднішній день та зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Сформульовано мету, наукове завдання, об'єкт, предмет та методи дослідження, визначено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, представлено дані про апробацію дисертації та наявні публікації з окресленням особистого внеску здобувача. Перший розділ дисертації присвячено аналізу теоретичних аспектів енергоефективності будівель. Розглянуто ряд ключових нормативних документів що регулюють енергетичну ефективність будівель в Україні та в Європейському Союзі. Також, проведено аналіз ряду міжнародних системи зеленої сертифікації будівель та програм з енергетичного моделювання будівель. За результатами аналізу програм з енергетичного моделювання будівель обрано DesignBuilder як основний документ для подальшого дослідження. Висвітлено основні напрямки сучасних досліджень у галузі енергоефективності будівель. В Україні дослідженню енергоефективності будівель останніми роками присвячено багато наукових робіт, зокрема щодо впливу технічних покращень на енергоефективність будівель, а також дослідження теплового комфорту перебування в приміщеннях. Особливу увагу приділено дослідженню тепловтрат через огороджувальні конструкції, а також параметричному аналізу впливу зовнішніх і внутрішніх факторів на енергоефективність будівель. Закордонні дослідження, зокрема в Європі та США, зосереджуються на пасивних будівлях і будівлях з нульовим споживанням енергії. Іншими популярними темами також є економічний аналіз при впровадження заходів з енергозбереження та вплив поведінки людей, що використовують будівлю на рівень енергоспоживання. Дослідження охоплюють всі типи будівель, проте левова частина досліджень присвячена саме житловому фонду, оскільки саме ця група споживачів споживає найбільше енергії серед будівель. Огляд наукових робіт показує, що проблема енергоефективності та комфортності перебування в будівлях з частковою зайнятістю залишається недостатньо висвітленою, що робить її перспективною темою для подальших досліджень. Другий розділ дисертації присвячений опису об’єкту дослідження – будівлі школи в Івано-Франківській області. Надано характеристику архітектурним особливостей, огороджувальних конструкцій, графіку експлуатації та інших особливостей досліджуваної будівлі. Також, надане пояснення, як в роботі отримані результати узагальнюються на інші будівлі шкіл. Надалі в розділі надається більш детальний опис обраної програми з енергетичного моделювання будівель. Описуються принцип роботи, основні вхідні дані, та переваги використання кліматичної бази IWEC. Детально описана математична модель, якою розрахункове ядро (EnergyPlus) оперує для обробки даних. Також, надані числові значення основних параметрів моделі в DesignBuilder, та проведено її верифікацію. Базова модель використана для оцінки впливу підвищення рівня теплоізоляції будівлі до вимог ДБН 2.6-31 2016 року та ДБН 2.6-31 2021. За допомогою динамічного моделювання встановлено, що це дозволяє знизити споживання енергії на опалення на 48,9% та 55% відповідно, при доведені всіх огороджувальних конструкцій до мінімальних вимог. Третій розділ присвячено комплексній оцінці впливу варіативності режимів опалення на загальне енергоспоживання, тепловий комфорт, а також їх вплив на необхідну потужність систем опалення в шкільних будівлях. Виявлено, що використання режиму опалення з провалом на 4 ℃ в неробочі години дозволяє заощадити від 23% до 27% енергії на опалення порівняно з постійним опаленням, в залежності від рівня теплового захисту будівлі. Встановлено, що регулювання з аналогічним провалом, але за розкладом шкільних занять дозволяє додатково заощадити 1,8-4,2% в порівнянні з режимом описаним вище. За результатами моделювань встановлено, що впровадження режимів опалення з провалом вимагає збільшення потужності системи опалення для компенсації періоду різкого переходу від пониженої температури до робочої. Виявлено, що при утеплені будівлі з одночасним введенням одного з графіків опалення з провалом, необхідна потужність системи опалення не перевищує аналогічний показник для постійного опалення в випадку неутепленої будівлі, що робить комплексне впровадження утеплення та режиму з провалом одночасно дуже перспективним заходом з енергозбереження. Для аналізу впливу регулювання за розкладом шкільних занять на комфортність перебування дітей в приміщенні розглядається параметр PMV. В розділі йому наданий детальний опис. Надалі, обрано кутове приміщення, що контактує, в один з навчальних днів, з класом який не експлуатується на протязі всього дня, таким чином, досліджуючи варіант «найгіршого сценарію» робиться висновок про вплив режиму на термічний комфорт. Результати моделювань показують, що значної різниці параметру PMV в порівнянні з режимом з провалами в неробочі години не спостерігається. З описаного вище аналізу робиться висновок, що регулювання за розкладом шкільних занять є перспективним заходом з енергозбереження, хоча й зазначається, що реалізація такого заходу є набагато більш складною за два інші описані графіки опалення. Четвертий розділ аналізує експлуатацію будівлі школи в умовах неповної зайнятості. З метою дослідження з усієї будівлі було виокремлено кластер з п’яти приміщення, серед яких планується експлуатувати три. Кластер має форму хреста, що дозволяє розглянути наступні конфігурації розміщення приміщень, що експлуатуються: горизонтальне, вертикальне, кутове з контактом з дахом (але без контакту з підлогою по ґрунту) та кутове з контактом з підлогою по ґрунту (але без контакту з дахом). Сама ж будівля школи розглядається у законсервованому вигляді, тобто систему опалення не експлуатують, а обігрів приміщень забезпечується індивідуальними електронагрівачами. Першочергово розглядався графік опалення при якому в неробочі години опалення вимикалось повністю, для максимальної економії енергії. Дослідження річного споживання енергії конфігурацій розміщення приміщень показало, що найефективнішим є вертикальне розміщення приміщень, що експлуатуються, будучи на 8,5% більш ефективною за найближчу по споживанню кутову конфігурацію та на 22% за горизонтальну. Аналіз комфортності для найхолоднішої доби досліджуваного року показав, що вертикальне розміщення є найбільш ефективним і з точки зору цього параметру. Динаміка зміни температури на графіках наштовхнула на думку що програма можливо розрахувала надто потужну систему опалення що підтвердилось результатами моделювань: потужність, що була розрахована програмою становила близько 10 кВт на приміщення. Для оцінки можливості запровадження такого режиму експлуатації будівлі в реальних умовах, було промодельовано нормальний режим експлуатації для випадку неутепленої будівлі, і потужність розраховану в таких умовах було встановлено в модель неповної зайнятості школи, та проведено повторний аналіз комфорту. Система опалення наближена до реальною не змогла задовільнити комфортні умови ні за переривчастого графіку опалення, ні за графіку з провалами ні за постійного. Температура повітря в приміщеннях за постійного графіку опалення навіть для випадку будівлі з огороджувальними конструкціями доведеними до сучасних нормативних умов, в досліджувану добу не перевищувала 12 ℃ в найкращому випадку. Надалі, для вирішення ситуації було розглянуто поліпшення: різний рівень утеплення внутрішніх стін та підвищення потужності опалення; в самому приміщенні, а також введення опалення в сусідніх приміщеннях для компенсації низької середньої радіаційної температури, що виникала в попередніх моделюваннях. Заходи з опалення сусідніх приміщень, не лише не допомогли досягнути комфортних умов, але й значно підвищували споживання енергії, що виключило їх доцільність. Надалі було проведено ряд моделювань для встановлення мінімальної рекомендованої потужності опалювальних приладів при впроваджені режиму неповної зайнятості будівлі, та отримані наступні результати: для неутепленої будівлі – 33,14 Вт/м3 ; для будівлі з огороджувальними конструкціями, що відповідають мінімальним вимогам ДБН 2.6-31 2016 – 24 Вт/м3 ; мінімальним вимогам ДБН 2.6-31 2021 – 22,57 Вт/м3 . Для дослідження впливу утеплення внутрішніх стін на комфортність перебування в приміщеннях за умови неповної зайнятості, було розглянуто утеплення мінеральною ватою з кроком 2 см, і хоча утеплення позитивно впливало на показник PMV, 100% комфортних умов для всього опалювального періоду не вдалось досягти ,навіть, при утепленні внутрішніх стін на рівні з сучасними вимогами до опору теплопередачі зовнішніх огороджуючих конструкцій, сказалась нестача потужності опалення. При дослідженні було помічено, що зі зростанням рівня теплового захисту приміщень, сонячні теплонадходження дозволяли частково компенсувати нестачу потужності опалення, що було помітно по відносно високих значеннях температури повітря та середньої радіаційної температури в приміщеннях, виходячи з чого було запропоновано змістити графік навчання на 2 години вперед. Це позитивно вплинуло на комфорт в робочі години, хоча й не вирішило проблему. Аналіз енергоспоживання описаних вище заходів показав, що при збільшення потужності системи опалення для забезпечення комфортних умов, споживання енергії зросло на 77%. Варіанти з опаленням сусідніх приміщень показали зростання споживання на 100-200%, при цьому не задовільнивши комфорт. Ізоляція внутрішніх стін енергоспоживання знизила, проте комфортних умов на протязі всього опалювального періоду досягнути не вдалось.
Відкритий доступ
Оцінювання енергоефективності будівлі дошкільного навчального закладу в умовах забезпечення теплового комфорту
(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024) Сапунов, Анатолій Олександрович; Дешко, Валерій Іванович
Сапунов А.О. Оцінювання енергоефективності будівлі дошкільного навчального закладу в умовах забезпечення теплового комфорту – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 144 Теплоенергетика. – Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського” Міністерства освіти і науки України, м. Київ, 2024. У вступі дисертації висвітлено актуальність теми дослідження на сьогоднішній день та зв᾽язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Сформульовано мету, наукове завдання, об᾽єкт, предмет та методи дослідження, визначено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, що підтверджене актами впровадження результатів, представлено дані про апробацію дисертації та наявні публікації з окресленням особистого внеску здобувача. Перший розділ дисертації присвячений аналізу теоретичних аспектів енергоефективності будівель, що є фундаментальною складовою сучасної архітектури та будівництва. Висвітлені основні засади їх енергоефективності, такі як теплоізоляція та енергозберігаючі матеріали, енергоефективні системи опалення та кондиціювання, енергоефективне освітлення, використання відновлювальних джерел та поведінка користувачів і їхній вплив на енергоспоживання. Розглянуто вимоги до нового будівництва та реконструкції будівель з метою досягнення високих стандартів енергоспоживання у світлі українського законодавства у сфері енергоефективності. В сучасному світі особлива увага приділяється застосуванню комп᾽ютерного моделювання для ефективності будівель. Цей метод використовується як надійний спосіб оцінки енергоспоживання та потенційного зниження вуглецевих викидів в атмосферу. Серед ключових програмних продуктів, які знаходять застосування в цій сфері, можна виділити EnergyPlus, eQUEST, TRNSYS, DesignBuilder, IDA ICE, та DIALux. Ці інструменти розроблені з урахуванням високих європейських стандартів енергомоделювання та дозволяють комплексно аналізувати теплові навантаження, систем опалення, вентиляції, кондиціювання повітря, освітлення, а також інерційні особливості огороджувальних конструкцій. В Україні ці методи набувають популярності, сприяючи зменшенню вуглецевого сліду та економії енергоресурсів. Впровадження таких технологій відкриває нові можливості для розробки проєктів будівель та їхньої модернізації з метою досягнення високих показників енергоефективності. Висвітлено сучасні дослідження у галузі енергоефективності та забезпечення умов комфорту в будівлях, необхідність термомодернізації житлового фонду в Україні для відповідності підвищеним вимогам стандартів. Розглянуто різноманітні підходи для забезпечення енергоефективності та комфорту, включаючи застосування передових програм для моделювання енергетичних характеристик будівель, що дозволяє оптимізувати проєкти будівель з метою досягнення найкращих показників енергоспоживання та теплового комфорту. Особлива увага приділяється потребам особливо чутливих груп населення, таких як дітей та літніх людей, у контексті створення оптимальних умов проживання. Підкреслюється критична важливість створення оптимальних теплових умов в приміщеннях, що є основним місцем перебування людей. У розділі вивчаються різноманітні методології оцінювання теплового комфорту, зокрема через застосування адаптивних і стаціонарних моделей. Ці моделі дозволяють враховувати особистісні відчуття та фізіологічні відгуки на зміни температурного середовища. Особливо вирізняється модель PMV, розроблена Фангером, яка є ключовою для ідентифікації ідеальних параметрів теплового комфорту, показуючи важливість інтегрованого підходу до проєктування та управління внутрішнім кліматом. У другому розділі дисертації наведені опис об’єкта дослідження, а саме дошкільного навчального закладу в м. Києві. Окрім того, детально розглянуто основні налаштування будівлі з використанням програмного середовища DesignBuilder. Застосування даної програми дозволяє комплексно підійти до вивчення теплових характеристик будівлі згідно стандарту ISO 13788, включаючи оцінку теплових втрат через огороджувальні конструкції та аналіз ризиків конденсації вологи і формування плісняви. Описано, як програмне середовище дозволяє налаштувати детальні параметри приміщення, враховуючи активність людей та термічний опір їхнього одягу, що відіграє вирішальну роль у розрахунку теплового комфорту. Для динамічного моделювання використано кліматичні дані з погодного погодинного файлу IWEC типового метеорологічного року для м. Києва, що виявляють значні коливання температури та сонячної радіації протягом року, і відіграють важливе значення для планування систем опалення, охолодження та енергозабезпечення будівель. Використання даних про глобальну горизонтальну сонячну радіацію і зовнішню температуру повітря дозволяють глибше зрозуміти енергетичні потреби та вплив погодних умов на комфортні умови клімату будівель. Виходячи з кліматичних даних, програма дозволяє оцінити енергетичні потреби та вплив погодних умов на комфорт і споживання енергії. Використання DesignBuilder сприяє глибокому аналізу енергетичної ефективності та теплового комфорту будівлі, дозволяючи розробляти рекомендації для підвищення стандартів ефективності та зниження енергоспоживання. У третьому розділі детально розглянуто вплив термомодернізації, згідно з шведськими енергетичними стандартами, на зменшення енергоспоживання. В ході дослідження порівнюються два сценарії: існуючий стан будівлі та її модернізований варіант із підвищеними показниками теплоізоляції до нормативних стандартів Швеції. Аналіз показує, що модернізація огороджувальних конструкцій дозволяє значно знизити витрати енергії на опалення, що демонструє важливість заходів щодо утеплення будівель. Встановлено, що впровадження переривчастого опалення, одночасно із підвищенням теплового опору конструкцій, призводить до ще більшого зниження енергоспоживання, що підтверджує ефективність такого підходу. Розглянуто вплив зміни функціонального призначення будівлі на її енергетичні потреби, зміна призначення будівлі − дитячого садка на офіс, що значно знижує витрати енергії. Також висвітлено роль присутності людей і необхідність вентиляційних систем у формуванні теплового балансу будівлі, що вказує на необхідність оптимізації систем опалення та вентиляції для досягнення енергетичної ефективності. Дослідження підкреслює значення географічного орієнтування будівлі та врахування сонячних надходжень через віконні конструкції, які можуть істотно покращувати тепловий комфорт внутрішніх приміщень і зменшення додаткового опалення. Завдяки комплексному підходу до модернізації будівлі, що включає утеплення, ефективне використання сонячної енергії та раціональне планування використання приміщень, можна суттєво знизити енергоспоживання та сприяти сталому розвитку міського середовища. Аналіз таких аспектів, як радіаційна температура та вплив географічного орієнтування приміщень, вказує на те, що покращення теплоізоляційних характеристик не тільки знижує енергоспоживання, але й позитивно впливає на сприйняття теплового комфорту людьми. Особливо це стосується приміщень, орієнтованих на південну сторону, де додаткові теплові надходження через вікна сприяють покращенню теплового сприйняття. Результати свідчать про можливість зниження внутрішньої температури без втрати в комфорті, що додатково сприяє економії енергії. Таким чином, врахування факторів теплового комфорту відіграє важливу роль у розробці стратегій енергоефективності та забезпеченні здорового та комфортного середовища для користувачів будівлі. У 4 розділі дослідження зосереджено на аналізі ефекту підвищення енергоефективності експлуатації будівлі у літній період. Вивчення впливу заходів щодо підвищення енергоефективності використання енергії влітку показало, що інтеграція спліт-систем охолодження та опалення є важливою для дошкільних навчальних закладів, де зазвичай відсутні системи охолодження. Дослідження включає розгляд впливу підвищення теплоізоляційних характеристик на рівень споживання енергоресурсів, виходячи з варіантів, які відповідають законодавчим стандартам з енергоефективності Швеції. Аналіз результатів моделювання показує, що вдосконалення теплового захисту огороджувальних конструкцій може значно знизити енергоспоживання на охолодження та опалення, забезпечуючи при цьому необхідний рівень теплового комфорту в приміщеннях. Особливу увагу приділено аналізу динаміки зміни температур як всередині, так і ззовні будівлі, а також впливу орієнтації будівлі на радіаційні температури. Висновки систематичних досліджень підкреслюють необхідність комплексного підходу до вибору теплових захисних технологій та управління температурним режимом, що включає практичне планування та застосування інноваційних рішень для досягнення оптимального балансу між енергоефективністю та тепловим комфортом. Особлива увага приділяється літнім місяцям, коли інтенсивне сонячне випромінювання може призводити до перегріву приміщень, необхідності збільшення витрат на кондиціонування, а також до негативного впливу на здоров᾽я людей. Зокрема, обговорюється необхідність використання пасивних методів, таких як затінення вікон, для зниження енергоспоживання та підвищення комфорту у літні місяці. Використовуючи програмне моделювання DesignBuilder, було оцінено енергетичну потребу на охолодження та енерговитрати освітлення для варіанту з/без затінення, включаючи статичне затінення та рулонні жалюзі. Результати вказують на те, що статичне затінення є найбільш ефективним, і для репрезентативної кімнати знижує енергоспоживання на охолодження на 74,98 кВт∙год порівняно з варіантом без затінення, але при цьому призводить до збільшення енерговитрат на освітлення на 4,63 кВт∙год. Зауважено, що встановлення рулонних жалюзі з внутрішньої сторони може бути найменш ефективним рішенням через збільшення витрат на освітлення та незначне зменшення енергопотреби на охолодження. Оцінено вплив орієнтації вікон та розташування затінення на ефективність зменшення енергопотреби на охолодження. Крім того, аналіз впливу затінення на радіаційну температуру показує, що статичне затінення сприяє зниженню температури в приміщенні, поліпшуючи тепловий комфорт у літній період. Загальні висновки підкреслюють важливість обрання оптимального затінення та орієнтації будівлі для забезпечення енергоефективності та комфортної внутрішньої обстановки. Результати досліджень передано до ДП НДІБК для використання при розробці стандартів з енергоефективності будівлі. Практичне значення одержаних результатів підтверджується актами впровадження результатів досліджень. Створена модель будівлі використовується для технічної розробки за держбюджетної теми «Ексергетичне обгрунтування нестаціонарних режимів та характеристик комбінованого тепло-та холодозабезпечення енергоефективних будівель на основі теплонасосних систем» та державним замовленням “Розроблення інтелектуальної низькотемпературної системи теплозабезпечення будівель на базі конденсаційної модульної котельні” (Розпорядження Кабінету Міністрів України від 29 вересня 2023 р. № 872 р “Про затвердження переліку науково-технічних (експериментальних) розробок в рамках виконання державного замовлення на найважливіші науково-технічні (експериментальні) розробки та науково-технічну продукцію у 2023 році”.
Відкритий доступ
Оцінювання розосередженого рівня природного повітрообміну в будівлях з врахуванням мінливості внутрішніх та зовнішніх умов
(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024) Гетманчук, Ганна Олександрівна; Білоус, Інна Юріївна
Гетманчук Г.О. Оцінювання розосередженого рівня природного повітрообміну в будівлях з врахуванням мінливості внутрішніх та зовнішніх умов. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 144 Теплоенергетика – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» Міністерства освіти і науки України, м. Київ, 2024. У вступі дослідження підкреслено актуальність обраної теми, де аргументовано важливість розробки та удосконалення методів та підходів до визначення кратності природного повітрообміну як показника умов мікроклімату приміщень та його впливовості, як вентиляційної складової на енергетичні характеристики будівель. Сформульовано мету, наукове завдання, об'єкт, предмет та методи дослідження, визначено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів. Подано інформацію щодо апробації дослідження, публікацій та актів впровадження результатів, а також розкрито особистий внесок автора. У першому розділі дисертації проведено огляд та аналіз впливовості кратності повітрообміну, як вентиляційної складової на енергоефективність будівель різного призначення. Підвищення енергоефективності будівельного сектору як значного споживача енергії наразі є пріоритетним напрямом та однією з умов досягнення енергетичної незалежності України. Житловий фонд та інші громадські будівлі споживають основну частку енергоресурсів на потреби опалення. При цьому велика частина будівель, що експлуатуються є будівлями масової забудови з відсутністю капітального ремонту, що вказує на необхідність покращення їх енергетичних характеристик та умов комфорту. Підвищення енергоефективності будівель вимагає не лише утеплення огороджувальних конструкцій та модернізації інженерного обладнання, але й застосування вдосконалених моделей розрахунку енергоспоживання будівлями. Ці моделі мають враховувати комплекс показників, включаючи природну складову кратності повітрообміну. Для оцінки потенціалу енергоефективності в розділі розглянуто будівлю як складну енергетичну систему. Важливим є порівняння та гармонізація міжнародних та європейських підходів з українськими стандартами на нормативами, що стосуються питань вентиляції та повітрообміну. Щоденна динаміка кратності повітрообміну в будівлях визначається взаємодією ряду факторів, що включають як зміни у зовнішньому середовищі, так і внутрішній активності користувачів. Оцінка впливу регулювання систем вентиляції на якість повітря та енергетичні характеристики вимагає комплексного підходу, враховуючи динамічний характер змін. В даному розділі наведено літературний огляд з питань підходів до визначення кратності повітрообміну, де окреслено основні фактори які впливають на забезпечення комфортних умов з точки зору якості повітря. В тому числі приділена увага показнику СО2 в приміщеннях, як індикатору якості повітря. Проведено огляд спеціалізованих програми, що дозволяють провести детальний аналіз та визначити оптимальні параметри кратності повітрообміну в різні часові проміжки. Це необхідно для забезпечення ефективності вентиляційних систем та створення комфортних умов всередині будівель у різних сценаріях використання та мінливих зовнішніх умовах. У другому розділі наведена загальна схема досліджень та опис об’єктів аналізу та моделювання. Представлена емпірична методика розрахунку погодинної природної кратності повітрообміну в багатоповерхових будівлях в умовах мінливості зовнішнього та внутрішнього середовища. Дана методика передбачає визначення повітрообміну через різницю тисків. Так як в роботі досліджується саме природня складова повітрообміну, методика враховує стак ефект та вітровий тиск, механічна вентиляція в будівлях що досліджувались відсутня. Також наведений план експерименту та методика визначення природної кратності повітрообміну на базі експериментальних вимірювань рівня СО2 в репрезентативних приміщеннях з кроком 1 хвилина. Визначення концентрації СО2 було проведено на основі масового балансу вибраних приміщень з врахуванням ключових параметрів: природного повітрообміну, фонової (зовнішньої) концентрацію СО2, початкової концентрації СО2 в приміщенні, присутності людей та геометричних розмірів приміщення. Під час дослідження були зафіксовані кліматичні дані, такі як напрямок та сила вітру, температура в приміщеннях квартири та зовнішня температура, які також враховувались при аналізі результатів. В рамках дослідження було проаналізовано зміну концентрації СО2 в приміщенні в залежності від ряду параметрів, а саме: виділень від людей, зміни концентрація СО2 у припливному повітрі та об'єму припливного повітря. За результатами проведеного аналізу встановлено, що регулювання кратності повітрообміну за рівнем СО2 є кращим підходом, ніж просте дотримання нормативних значень, оскільки цей підхід дозволяє більш точно та ефективно регулювати повітрообмін в будівлях, враховуючи реальні умови та потреби користувачів. У третьому розділі дисертації представлено результати експериментальних досліджень концентрації СО2 та визначена кратність природного повітрообміну в аудиторіях навчального корпусу КПІ ім. Ігоря Сікорського. Встановлено, що без врахування провітрювань кратність повітрообміну становить 0,41 год-1, з врахуванням провітрювань середня кратність повітрообміну становить 0,48 год-1. На основі декількох серій вимірювань проведених в зимовий період в приміщеннях житлової будівлі було встановлено, що характерним є явище інфільтрації. За даного механізму циркуляції повітря, кратність повітрообміну складала 0,74 год-1 для житлової кімнати, від 0,73 год-1 для коридору, та 3,4 год-1 для кухні. При умовах ексфільтрації, кратність повітрообміну для житлової кімнати була на рівні 0,37 год-1, 1,06 год-1для коридору, та 0,57 год-1 для кухні. Експерименти підтвердили, що реальна кратність повітрообміну, коли свіже повітря надходить через вікна та двері, перевищує мінімальні нормативні значення. Однак, при оберненому потоці повітря, вона не відповідає нормативним значенням. Також проводилась обробка серії експериментальних досліджень в репрезентативних приміщеннях квартири в літній період. Протягом літнього періоду було виявлено, що кількість випадків інфільтрації та ексфільтрації майже однакова, але, як і для опалювального періоду, напрямки руху повітря в приміщеннях залежать від напрямку вітру. Для умов інфільтрації кратність повітрообміну становила 0,57 год-1 для житлової кімнати, 2,34 год-1 для коридору, 2,41 год-1 для кухні. Для умов ексфільтрації кратність повітрообміну становила 0,24 год-1 для житлової кімнати, 0,94 год-1 для коридору, 0,52 год-1 для кухні. В рамках експериментального дослідження також проводились експериментальні заміри концентрації СО2 в аудиторії учбового корпусу КПІ ім. Ігоря Сікорського №22 в режимі охолодження в літній період. Отримані результати показують, що величина природної кратності повітрообміну залежить від вітрового та стак ефектів. З посиленням різниці температур між внутрішнім та зовнішнім повітрям, спостерігається зростання величини кратності повітрообміну від 0,37 до 0,9 год-1. У четвертому розділі дисертації проведено аналіз енергетичних показників досліджуваних приміщень на основі моделей, створених у програмному середовищі EnergyPlus, які дозволяють визначати енергоспоживання будівлі на потреби опалення з врахуванням мінливості фактичного природного повітрообміну в житлових будівлях. За результатами енергетичного моделювання, річна економія енергії з врахуванням фактичних значень природної кратності повітрообміну в різних зонах будівлі становить 5,4% в порівнянні зі стандартом ДСТУ Б EN 15251:2011, а в порівнянні зі стандартом ДБН В.2.2-15:2019 – 7,7%. Результати досліджень були передані для використання ДП «Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій», ГО «Школа енергоефективності» та відділом енергоменеджменту та екології Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського". Практичне значення одержаних результатів підтверджується актами впровадження результатів досліджень.
Відкритий доступ
Підвищення енергетичної ефективності теплонасосних схем опалення і кондиціонування на основі ґрунтових теплових насосів
(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Ословський, Сергій Олексійович; Безродний, Михайло Костянтинович
Ословський С. О. Підвищення енергетичної ефективності теплонасосних схем опалення і кондиціонування на основі ґрунтових теплових насосів – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 144 «Теплоенергетика». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2023. Підготовка здійснювалась на кафедрі теплової та альтернативної енергетики Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» Міністерства освіти і науки України. У вступі обґрунтовано актуальність підвищення енергетичної ефективності систем на базі теплових насосів (ТН), показано проблему наростаючого дефіциту енергоресурсів, подано загальну характеристику роботи ТН, сформульована мета дисертаційної роботи, основні задачі, об’єкт та предмет досліджень, наведена наукова новизна та практична цінність отриманих результатів, представлено інформацію про особистий внесок здобувача та апробацію роботи, її структуру та обсяг. В першому розділі роботи проведено літературний огляд джерел та проаналізовано сучасний стан досліджень в науковому просторі стосовно теми дисертації. Розглянуто проблему використання теплонасосних установок, яка висвітлюється в літературі. Проаналізовано основні причини низького рівня застосування ТН та геотермального теплопостачання загалом в Україні та світі. Визначено напрямки та етапи раціонального проектування систем опалення, вентиляції та кондиціювання повітря (ОВ і К) на базі ТН. Проаналізовано економічні аспекти впровадження ТН та специфіку українського ринку. Показано аналоги державних програм підтримки та економічного стимулювання енергоефективних технологій ОВ і К в світі. Проведено аналіз досліджень в напрямку конструктивних особливостей теплообмінника нижнього контуру ґрунтового ТН, який широко представлений в літературі. Визначено та проаналізовано фактори, що впливають на енергетичну ефективність ґрунтового ТН на різних етапах впровадження. Висвітлено вплив наземного покриття, руху підземних вод, перенесення вологи, промерзання ґрунту на ефективність роботи ТН. Зроблено висновок про загальний стан досліджень в сфері теплонасосних технологій та, за результатами літературного огляду, поставлено задачі дослідження. У другому розділі проведено термодинамічний аналіз розроблених схем опалення та вентиляції на базі ґрунтового ТН з використанням низькопотенційних джерел енергії та комбінації з повітряним ТН. Розроблено комбіновану схему теплонасосного опалення і вентиляції з використанням теплоти ґрунту, стічних вод та вентиляційних викидів, теплота від яких відбирається за допомогою теплоутилізатору вентиляційної установки. Для цієї схеми розроблено термодинамічну модель, яка містить рівняння для розрахунку енергетичного балансу окремих компонентів і системи в цілому. Було запропоновано алгоритм для визначення параметрів у різних вузлових точках системи, що дозволяє числовий аналіз схеми. Результати цього аналізу представлені у вигляді графічних зображень, що ілюструють роботу схеми при різних початкових параметрах і температурах навколишнього середовища. На основі отриманих даних зроблено висновки щодо потенційного зниження капітальних та експлуатаційних витрат на опалення та вентиляцію за рахунок впровадження запропонованого рішення. Підкреслено ефективність комбінованої схеми та її спроможність сприяти енергозбереженню та збереженню навколишнього середовища в комунальному секторі. Розглянуто систему теплопостачання, що використовується комбінацію повітряного та ґрунтового ТН, що включені в роботу каскадно. Щоб оцінити продуктивність системи, розробляється обчислювальна модель на основі набору рівнянь, які враховують тепловий і матеріальний баланси в системі. Аналіз обчислювальної моделі дає систему рівнянь, що дозволяє перевірити два ключових показники енергоефективності: відносне теплове навантаження на ґрунтовий теплообмінник і питомі загальні витрати на зовнішню роботу, необхідну для керування системою. Ці показники вивчаються відносно глибини утилізації тепла, отриманого від вентиляційних викидів. Результати демонструють, що оптимальної енергоефективності та ефективності витрат у системі опалення та вентиляції з двома ТН можна досягти, коли глибина використання вентиляційних викидів узгоджується з умовою рівних коефіцієнтів перетворення як для повітряних, так і для ґрунтових ТН. Загалом, зроблено висновок, що позитивний вплив на енергоспоживання та інвестиційні витрати може бути досягнуто шляхом використання системи опалення та вентиляції з використанням двох ТН, за умови, що глибина використання вентиляційних викидів відповідає умові рівних коефіцієнтів перетворення для повітря і ґрунтові ТН. У третьому розділі проаналізовано термодинамічну ефективність використання комбінованих схем кондиціювання повітря на базі ґрунтових ТН. Проведено аналіз енергетичної ефективності системи кондиціонування повітря, на базі ґрунтового ТН з горизонтальним ґрунтовим теплообмінником. Результати досліджень свідчать про те, що оптимальна ефективність такої системи досягається при приблизно однаковій тривалості холодного і спекотного періодів. Визначено температури в ключових точках системи та коефіцієнт корисної дії, а також встановлюються зв’язки між цими параметрами та змінними системи. Проведено порівняння між запропонованою системою та стандартною сплітсистемою, що виявило значний позитивний вплив системи на базі ґрунтового ТН. Однак зазначається, що вимоги до теплоізоляції для будівель, які використовують систему кондиціонування повітря з ґрунтовим тепловим насосом, повинні будуть бути більш жорсткими. Тим не менш, використання системи протягом року може призвести до значної економії енергії для кондиціонування повітря. Розглянуто теплонасосну систему кондиціювання повітря на базі вертикального ґрунтового теплообмінника. Визначено дві задачі дослідження: аналіз ефективності в активному та пасивному режимах кондиціювання. Проведено термодинамічний аналіз ефективності роботи запропонованої схеми. Визначено основні параметри роботи системи у вузлових точках. За допомогою балансових рівнянь визначено рамки роботи системи в пасивному та активному режимах за основними параметрами. Побудовано та проаналізовано графічні залежності показників енергетичної ефективності від визначальних параметрів роботи системи. Показано, за яких значень параметрів система має оптимальні витрати на експлуатацію. Результати дослідження співставлено з такими ж даними для спліт-системи. Визначено переваги і недоліки використання запропонованого рішення. Визначено, що теплонасосна система з використанням теплоти ґрунту для кондиціювання повітря з вертикальним ґрунтовим теплообмінником має більш жорсткі вимоги до термічної ізоляції об’єкту кондиціювання, аніж система на базі повітряного ТН. Четвертий розділ включає в себе дослідження практичного використання запропонованих рішень для опалення, вентиляції та кондиціювання повітря на базі ґрунтового ТН. Проаналізовано енергетичну ефективність схеми теплопостачання на базі ґрунтового ТН з використанням теплоти вентиляційних викидів та стічних вод для опалення та вентиляції реального виробничого цеху в м. Черкаси. Для цього проведено розрахунок теплових втрат приміщень, підібрано теплонасосне обладнання, визначено затрати зовнішньої енергії на систему та кількість ТН. Наведено дані щодо температури за опалювальний період погодинно в досліджуваному регіоні. На основі цих даних показано частку часу за опалювальний сезон, коли працюють компресори ТН та їх кількість, проведено порівняння з традиційною системою на базі ґрунтового ТН. Зроблено висновки щодо доцільності використання запропонованого рішення та показано реальний ефект від його застосування. Проведено аналіз термодинамічної ефективності використання системи кондиціювання повітря на базі ґрунтового ТН з горизонтальним ґрунтовим теплообмінником для охолодження приватного заміського будинку в с. Ходосівка, Київської області. Проведено розрахунок надходжень теплоти до приміщень, обрано ТН. Визначено межі роботи ТН для кондиціювання повітря в активному та пасивному режимах, показано граничну температуру навколишнього повітря, за якої вмикається компресор ТН. Проаналізовано гідрометеорологічні дані за останній теплий сезон в м. Києві. На основі такого аналізу спрогнозовано кількість часу роботи системи в активному режимі. Зроблено порівняння запропонованого рішення з традиційною спліт-системою кондиціювання повітря. Результат порівняння наведено у вигляді графічних залежностей. Зроблено висновки про особливості роботи запропонованої системи, показано реальний ефект від її використання.
Відкритий доступ
Підвищення ефективності печей малої потужності за рахунок струменево-нішової технології
(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Бєтін, Юрій Олексійович; Абдулін, Михайло Загретдинович
Бєтін Ю.О. Підвищення ефективності печей малої потужності за рахунок струменево-нішевої технології – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 144 «Теплоенергетика». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2023. Підготовка здійснювалася на кафедрі теплової та альтернативної енергетики Навчально-наукового інституту атомної та теплової енергетики Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського». В першому розділі описано засоби організації робочого процесу одного з видів промислових печей – низькотемпературних печей малої потужності. Відмічене, що перспективним є імпульсний режим роботи пальникових пристроїв та печі в цілому. Різноманітність альтернативних видів палива та відповідні відмінності у їх фізичних та хімічних властивостях, у поєднанні з одночасними змінами у конструкції пристроїв перетворення енергії необхідність скорочення викидів, створюють серйозні проблеми для організації ефективного спалювання. На кафедрі теплової та альтернативної енергетики інституту атомної та теплової енергетики Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» протягом декількох десятків років розробляються пальникові пристрої на основі струменево-нішевої технології з мікродіфузійним механізмом спалювання, які характеризуються високим рівнем економічності, екологічної безпечності та надійності. Одним із основних напрямків підвищення теплової ефективності вогнетехнічного обладнання є використання нових прогресивних технологій спалювання палива. Висновки. На основі приведеної інформації можна зробити такі висновки: 1. Для створення та модернізації існуючих ВО основним інструментом є ПП на основі технології спалювання яка відповідає всім вимогам економічності, екологічної безпеки та надійної роботи ВО. 2. Струменево-нішева технологія дає змогу модернізувати низькотемпературні печі малої потужності. У другому розділі описана методологія та методика проведення досліджень на наступних експериментальних стендах в лабораторних умовах та промислових об’єктах: промислова піч із випікання кексів на фабриці «Хаас-Майнке» в Копенгагені (Данія); піч випалення вапна КМ-14 на ММК ім. Ілліча у Маріуполі; промислова піч із випікання вафельного листу на фабриці «Домінік» в Полтаві. Висновки. Були описані конструкції та методики іспитів на експериментальних стендах. Обчислені похибки вимірювань. У третьому розділі описана конструкція та робочий процес печі з випікання кексів на датської фабриці «Хаас-Майнке». Для оцінки ефективності роботи печі і складання її теплового балансу було виміряно ряд узгоджених параметрів: витрата газу на різних технологічних режимах роботи печі; температура продуктів згоряння на виході з печі; температура холодного повітря на вході в піч; температура повітря на вході рециркуляційного вентилятора; температура повітря на вході модуля нагріву; аналіз відпрацьованих газів: СО та NОх, а також температури відхідних газів. На основі графічних матеріалів показано, що кожному часовому інтервалу режиму відповідає певна кількість, ідентичних між собою циклів. Кожен із циклів включає три характерні зони, що відповідають певним значенням коефіцієнта надлишку повітря. Аналіз отриманих даних дозволив вирахувати втрати метану і також викиди чадного газу на кожному із досліджуваних режимів. Висновки. Аналіз отриманих даних показав, що існуючий ПП з закруткою потоку окислювача, який працює в імпульсному режимі (періодичне включення на вимикання ПП автоматикою печі, або переривчасте опалення печі, для підтримки необхідної технологічної температури у топковому просторі печі) в процесі роботи має великі втрати чистого метану від 10% до 40% в переліку на годинний інтервал. Також були зафіксовані наднормативні викиди чадного газу СО. В четвертому розділі на підставі досліджень описаних в третьому розділі, проведено розрахунок максимального навантаження ПП при технологічної температурі 250 °С (максимальний по витраті газу режим роботи печі). Показано, що існуючий ПП не відповідає своїм паспортним даним. Це вказує на необхідність його заміни, чи модернізації. В якості альтернативи розглянуто близький за тепловою потужністю пальник СНТ-11, що реалізує струменево-нішеву технологію спалювання газу на машині з випалу вапна КМ-14 на ММК ім. Ілліча, де було задіяно шість пальників СНТ-11, та проведені їх іспити. В результаті обробки результатів випробувань побудовано витратну характеристику ПП СНТ-11, згідно якої видно, що діапазон стійкої роботи одиничного ПП СНТ-11 становить від 1 м. куб/год до 40 м. куб/год. При порівнянні витратних характеристик ПП СНТ-11 з існуючим штатним ПП кекс-печі фабрики ХААС МАЙНКЕ показано, що при заміні даного штатного ПП на пальник СНТ можлива економія палива до 40% на перехідних режимах роботи печі. Висновки. Досліджено роботу базового модуля пальників СНТ на мінімальних режимах по потужності. Визначено критичні геометричні параметри прямокутного модуля ПП при яких треба переходити до циліндричної форми пілону. В розділі п’ять приведено конструкція та опис робочого процесу печей по виготовленню вафельного листа фабрики ХААС (м. Відень) та фабрики Домінік (м. Полтава). Було виявлено, що застосування мікрофакельних пальників призводять до ряду суттєвих недоліків, таких як: локальний перегрів вафельниць (нерівномірності прогрівання вафельниць, брак готової продукції), перегрів та руйнування підшипників коліс вафельниць (може призвести до зупинки роботи машини). Також були зафіксовані надмірні викиди чадного газу. Висновки. Враховуючи виявлені недоліки розглянутих печей було запропоновані методи вирішення виявлених проблем: запропоновано схему модернізації даних печей на основі струменево-нішевої технології. Виконано попередній розрахунок базового пальника необхідного для модернізації. В шостому розділі дисертаційної роботи були розглянуті методи усунення недоліків організації топкових процесів в печах GOCMEN и HAAS, та проведено вибір альтернативних ПП. Проведеним розрахунком було показано, що потужність модуля СНТ-11 надвелика, а зниження його геометричних розмірів для зменшення потужності, обмежено критичною шириною ПП, що дорівнює 50 мм, внаслідок руйнування рівномірності течії внаслідок крайових ефектів. Ця обставина призводить до необхідності переходу до пальника циліндричної форми, де крайові ефекти відсутні. Для вибору оптимальних параметрів ПП було проведено математичне моделювання, на основі якого було створено кілька ПП циліндричної форми і проведені дослідження з метою вибору оптимального ПП. В процесі іспитів було виявлено мінімальний критичний розмір і критичний кут співвідношення струменів газу. Була підібрано оптимальна конфігурація амбразури ПП та виявлено її вплив на форму та довжину факелу. Висновки. Таким чином досліджено організацію топкових процесів в печах: а) де пальниковий пристрій працює в імпульсному режимі; б) та в печах де застосовується мікрофакельна технологія спалювання. Виявлені характерні особливості роботи цих печей та запропоновані шляхи підвищення ефективності організації топкового процесу. Результати дисертаційної роботи були випробувані та затверджені до використання на агломераційної фабриці ММК ім. Ілліча (м. Маріупіль) та у австрійської компанії-виробнику пекарських печей «HAAS FOOD EQUIPMENT GmbH».
Відкритий доступ
Підвищення ефективності робочого процесу струменево-нішевих пальників за рахунок домішок водню
(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024) Кобилянська, Ольга Олександрівна; Сірий, Олександр Анатолійович
Кобилянська О.О. Підвищення ефективності робочого процесу струменевонішевих пальників за рахунок домішок водню – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 144 «Теплоенергетика». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2024. Підготовка здійснювалася на кафедрі теплової та альтернативної енергетики Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» Міністерства освіти і науки України. Дисертацію присвячено дослідженню закономірностей процесу горіння традиційних вуглеводневих палив при додаванні водню в умовах струменевонішевого стабілізатора полум’я, робочий процес якого визначає ефективність універсальних дифузійно-кінетичних промислових пальникових пристроїв. В роботі представлені рекомендації щодо адаптації струменево-нішевого стабілізатору для спалювання традиційних газоподібних палив у суміші з воднем. За результатами широкого промислового впровадження пальникових пристроїв струменево-нішевого типу розроблено рекомендації стосовно оцінки емісійних показників модернізованого вогнетехнічного устаткування. Отримані результати є продовженням робіт із вдосконалення робочого процесу пальників, які реалізують струменево-нішеву технологію горіння. В роботі показана актуальність теми, яка підкреслює необхідність переходу до безвуглецевих технологій спалювання палив. Так, поступове заміщення традиційних палив альтернативними є важливою задачею на найближчий період та має супроводжуватися науково-обґрунтованими рекомендаціями. У вступі наводиться обґрунтування актуальності теми дослідження, сформульовано мету та задачі дослідження, визначено об’єкт, предмет, наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів, показано особистий внесок здобувача та висновки. Представлено відомості щодо апробації результатів досліджень та напрямки їх потенційного використання. Описано загальний обсяг дисертаційної роботи та її структуру. В першому розділі відображено актуальність даної тематики. Проаналізовано перспективи використання альтернативних газів, таких як: сланцевий газ, шахтний метан, спалювання біогазу, газифікація, використання водню, аміаку. Розглянуто основні особливості водню як палива. Способи виробництва, зберігання та транспортування водню. Теоретичний вплив спалювання водню на екологічні показники. Показано основні аспекти, які треба враховувати при спалюванні суміші водню з природним газом. Проаналізовано результати попередніх досліджень спалювання водню і встановлено основні фактори впливу водню на процес горіння, в порівнянні зі спалюванням природного газу, а саме: вплив на нормальну швидкість горіння, межі займання, геометрію факела, температури горіння. Окрема увага присвячена дослідженню впливу додавання водню до палива на емісію шкідливих компонентів. В ході досліджень авторами показано, що додавання водню призводить до підвищення температури в зоні горіння, а отже і до зростання викидів токсичних оксидів азоту. Натомість викиди СО та СО2 зменшуються. Однією з найбільш ефективних вітчизняних технологій горіння є Струменевонішева технологія, яка має широку географію та номенклатуру ефективно модернізованого газоспалювального устаткування. В контексті основних переваг технології, спалювання сумішного газу з воднем постає перспективним напрямком розвитку вже існуючих науково-технічних рішень. Для проведення досліджень розроблено експериментальний стенд, який дозволяє проводити багатоваріантні досліди, визначати вплив геометричних та режимних параметрів системи на характеристики робочого процесу пальників. Застосування теплової моделі стабілізації горіння забезпечує теоретичне обґрунтування технічних рішень щодо покращення надійності та ефективності експлуатації вогнетехнічного устаткування. Отримані результати дозволяють розробити комплексні рекомендації, щодо спалювання суміші традиційних палив з воднем з ціллю покращення робочих та екологічних показників паливоспалювального устаткування. В другому розділі наведено схему лабораторного стенду, детально представлено методику проведення експерименту і обробки отриманих даних при спалюванні традиційних паливних газів та їх суміші з воднем в умовах струменевонішевої системи. В розділі особливу увагу приділено опису конструкції стенда та наведено вимірювальне обладнання, яке використовувалось під час досліджень. В методиці проведення досліджень описано умови проведення вимірювань та особливості підготовки апаратури до вимірювань. Так, в ході експерименту фіксувались: тиск та температура повітря на вході у вимірювальну ділянку; витрати та температури пальних газів; температура продуктів згоряння по довжині факела та на виході з високотемпературної ділянки; емісійні характеристики СНС, в тому числі CO, CO2 та NOx, витрати компонентів горіння на зривних режимах та режимах запалювання суміші. Емісійні показники вимірювались за допомогою газоаналізаторів Testo-330 1LL та ОКСИ 5М-5Н. В розділі наведено методику обробки експериментальних даних та методику тарування звужуючих пристроїв вимірювання витрати з використанням сопла Вітошинського, наведено порядок обробки результатів вимірювань. Окрема увага приділена оцінці похибок вимірювання, а саме: похибці вимірювання емісійних характеристик СНС та похибці вимірювання швидкості потоку повітря. В третьому розділі наведено результати експериментального дослідження процесу горіння природного газу та пропан-бутану в суміші з воднем. Наведені фотографії факела, які наглядно показують, що додавання водню кардинально змінює структуру факела спалюваної суміші, що пояснюється підвищенням реакційної здатності палива. Результати вимірювання температур у відкритому факелі показало збільшення температури в усті пальника при додаванні водню більше 50% на 35…40°С і для чистого водню на 100-120°С у порівнянні з природним газом. Також додавання водню призводить до збільшення значення гідродинамічного параметра q, що характеризує далекобійність струменів, що важливо врахувати при адаптації пальників СНТ до спалювання водневмісних палив. В роботі досліджено вплив домішок водню на стабілізаційні характеристики спалювання природного газу в об’ємному співвідношенні 30%, 50% та 70% по водню. Показано, що додавання водню значно розширяє межі зриву. Коефіцієнт регулювання пальника при цьому суттєво підвищується. Також було проведено дослідження впливу домішки водню в об’ємному співвідношенні 50% на 50% за різної теплової потужності на розподіл температур. Показано, що додавання водню локально підвищує температури горіння суміші. Експериментально досліджено вплив домішки водню на рівень емісії оксидів азоту та вуглецю у продуктах спалювання сумішевих палив. Встановлено закономірності утворення СО та NOx в залежності від геометричних та режимних параметрів стабілізатора. Так, результати обробки експериментальних даних показали, що викиди оксидів азоту збільшуються приблизно на 65% при потужності пальника 20 кВт і становлять СNOx=57 ppm. Підвищення потужності пальника до 30 кВт призводить до збільшення емісії шкідливих газів на 20%. В свою чергу, для потужності пальника N=20 кВт емісія оксидів вуглецю майже втричі менше (а для випадку N=30 кВт – в 1,7 раза менше), ніж для природного газу без додавання водню. Для пропан-бутану підвищення концентрації оксидів азоту у продуктах згоряння не перевищує 40% і проявляється в більшій мірі у перехідних режимах роботи. Різниця між викидами СО з додаванням водню і для чистого пропан-бутану має майже однакову картину. Тобто, за умов проведення досліджень водень майже не впливає на екологічні характеристики спалювання пропан-бутану. В розділі було проведено стехіометричний розрахунок викидів СО2 у випадку заміщення метану воднем на 50% за об’ємом. Результати розрахунків показали зниження емісії СО2 на 23,0%. Також проведено теоретичний розрахунок викидів СО2 за ГКД 34.02.305-2002, в результаті розрахунку встановлено, що зниження викидів у випадку заміщення природного газу воднем на 50% за об’ємом складає – 24,0%. Представлені теоретичні результати корелюються з характеристикою отриманою за результатами газового аналізу. В роботі наведені приведені показники концентрації оксидів азоту, які використовуються при проведенні екологічного аудиту пальникових пристроїв. Надані рекомендації щодо адаптації конструкції струмінево-нішевого стабілізатору до спалювання сумішних палив в пальниках СНТ. В четвертому розділі наведено результати енергоекологічної оцінки паливоспалюючого устаткування. Так, за результатами аналізу емісійних показників модернізованого вогнетехнічного обладнання потужністю 0,5–60 МВт отримано дані для оцінки емісійних показників котлів малої та середньої потужності залежно від основних впливових факторів, а саме: від типорозміру агрегату, коефіцієнта надлишку повітря й навантаження котла, а також враховано вплив введення газів рециркуляції у топковий простір на рівень концентрації оксидів азоту. Так, введення 12-14% продуктів згоряння у топковий простір котла майже в 2,5 раза зменшує вміст оксидів азоту у відхідних газах. Показано, що зменшення оксидів азоту на один відсоток рециркуляційних газів становить величину CNOx=2...8%. Пальники СНТ мають на 1/3 вищу ефективність схеми рециркуляції в порівнянні з іншими газоспалювальнимим системами. Запропоновано методологічний підхід щодо екологічної оцінки котельного устаткування модернізованого на базі СНТ з використанням підходу компенсації впливів. Представлені результати є важливим етапом досліджень стосовно подальшого поглиблення уявлення процесів емісії шкідливих оксидів при спалюванні вуглеводневих палив у суміші з воднем. Результати дисертаційної роботи використані підприємством НВО «СНТ» при проєктуванні промислового газопальникового устаткування. Результати теплотехнічного налагодження водогрійних котлів КВ-Г-6,5, КВН-3,9, НИИСТУ-5, КВ-ГМ-20, ПТВМ-30 і ПТВМ-50, а також парових котлів типу ДКВР є технічною базою для узагальнення еколого-теплотехнічних показників паливоспалювального устаткування модернізованого на основі СНТ. Запропоновані методичні засади екологічного аудиту низки об’єктів паливоспалювального устаткування.
Відкритий доступ
Ресурсні характеристики парових турбін від дії крутильних коливань
(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024) Марисюк, Богдан Олександрович; Черноусенко, Ольга Юріївна
Марисюк Б.О.. Ресурсні характеристики парових турбін від дії крутильних коливань. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 144 – Теплоенергетика. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» МОН України, Київ, 2024. Дисертаційну роботу присвячено дослідженню впливу крутильних коливань валопроводу, що виникають внаслідок нештатних режимів роботи турбогенератора, на ресурсні характеристики парових турбін. У вступі здобувачем обґрунтовано стан задачі дослідження, що розглядається в роботі, її актуальність та значимість. Сформульовано мету та завдання наукового дослідження. Вказано наукову новизну та практичну значимість отриманих результатів. Надано відомості щодо публікацій та апробації результатів досліджень, вказано особистий внесок здобувача. Зазначено структуру та обсяг дисертаційної роботи. Перший розділі дисертаційної роботи присвячено аналізу літературних джерел та розкритю сучасного стану досліджень, що стосуються теми дисертаційної роботи. Проаналізовано основні фактори, що впливають на втомну пошкоджуваність металу валопроводів турбоагрегатів при їх різних режимах роботи. При експлуатації енергетичного обладнання, в його матеріалі виникають напруження, які постійно змінюються в часі як за інтенсивністю так і за напрямком. При багатократному повторенні цих змінних напружень в матеріалі обладнання може накопичуються пошкодження. Внаслідок цього відбувається зародження та розвиткок тріщин втоми, які в кінцевому результаті призводять до руйнування деталі. Виділено основні причини появи крутильних коливань валопроводів турбоагрегатів. До них відносяться всі перехідні режими роботи турбоустановки, короткі замикання в лініях електромереж, включення електрогенератора в мережу з недостатньою (грубою) синхронізацією, задівання обертовими частинами статору, всі можливі впливи електромагнітного характеру з боку енергосистеми на турбогенератор, що призводять до зміни реактивного крутного моменту на роторі останнього. Обґрунтовано необхідність розробки та впровадження засобів безперервного моніторингу пошкоджуваності металу роторів парових турбоагрегатів, для точної оцінки залишкового ресурсу та можливості подовження термінів експлуатації. Проведений аналіз літературних джерел свідчить про недостатність даних, щодо визначення ресурсних характеристик втомної пошкоджуваності парових турбін внаслідок крутильних коливань У другому розділі дисертації проведено аналіз пошкоджуваності металу роторів турбоагрегату внаслідок дії крутильних коливань валопроводу, що виникають при нештатному режимі роботи електрогенератора. При штатному режимі роботи турбоагрегату загальний крутний момент, що діє на його валопроводі визначається сумою моментів, що створюються потоком пару в кожному робочому циліндрі. Крутний момент підсумовується та досягає максимального значення на ділянці валопроводу між паровою турбіною та генератором: (1) де – крутні моменти, що виникають на роторі кожного робочого циліндра. Таким чином, статичний крутний момент спричиняє максимальні значення дотичних напружень в області з’єднувальної муфти між паровою турбіною та турбогенератором. Відповідно величина дотичних напружень зменшується по довжині валопроводу в напрямку від електрогенератора до валоповоротного пристрою (першого опорного підшипника). При роботі електрогенератора на ньому часто виникають перехідні процеси. Вони з’являються внаслідок різкої зміни навантаження, коротких замикань в електромережах, замикання та розмикання електричних кіл обмоток, а також асинхронних підключень до мережі. Це призводить до виникнення крутильних коливань валопроводу турбіни, які за певних умов можуть спричинити його втомну пошкоджуваність. Циклічне пошкодження матеріалу виникає при перевищенні його границі витривалості. Це максимальне напруження, яке він здатен витримати при необмеженій кількості циклів навантаження, і при цьому в його структурі не відбувається пошкоджень за механізмом багатоциклової втоми. Сумарна пошкоджуваність, накопичена в основному металі валопроводу турбоустановки, визначається як сума статичної, циклічної пошкоджуваності та пошкоджуваності внаслідок крутильних коливань: (2) де – статична пошкоджуваність металу; – циклічна пошкоджуваність металу; – пошкоджуваність металу через дію крутильних коливань валопроводу, накопичена в металі ротору на момент оцінки залишкового терміну експлуатації; – тривалість роботи на j-му сталому режимі при температурі металу та еквівалентних місцевих напружень повзучості max; – час до настання граничного стану металу під дією еквівалентних напружень при температурах згідно із діаграмою тривалої міцності матеріалу; – число різних типів сталих режимів на момент оцінки з температурою й сталими еквівалентними місцевими напруженнями повзучості ; – кількість циклів l-го типу; – кількість циклів до появи утомних тріщин внаслідок дії тільки циклічних навантажень l-го типу; – кількість різних типів циклів на момент оцінки з різними розмахами наведених напружень або амплітуд деформацій ; – кількість циклів навантаження з амплітудою напружень ( – амплітуда і-го циклу затухаючого процесу); – кількість циклів до руйнування при дії циклічного навантаження з амплітудою напружень (τаі)max від крутильних коливань; – кількість рівнів (блоків) навантаження. Третій розділ дисертаційної роботи присвячено дослідженню напружено-деформованого стану валопроводу парової турбіни К-200-130 при короткому замиканні на турбогенераторі. З метою раціоналізації розрахункових ресурсів при комп’ютерному моделюванні вперше запропоновано варіант заміни робочих лопаток та бандажних кріплень на диски еквівалентної довжини та маси (перший пункт наукової новизни). Крутильні коливання валопроводу турбіни, що виникають внаслідок трьохфазного короткого замикання, моделювалися шляхом прикладанням додаткового реактивного крутного моменту бігармонійної форми на бочку ротора електрогенератора. Величина та тривалість його дії є випадковими max max величинами. Було проведено розрахунок дотичних напружень при тривалості сплеску 0,02 с. Сформульовано другий пункт наукової новизни. Реактивний сплеск на роторі турбогенератора спричинив появу крутильних коливань по всій довжині валопроводу. Але інтенсивність максимальних дотичних напружень не перевищила границю втоми роторної сталі 25Х1М1ФА, тим самим не призвівши до пошкодження металу. В четвертому розділі досліджено напружено-деформований стан валопроводу турбоагрегату К-1000-60/3000 при нештатних режимах роботи електрогенератора. На основі отриманого напружено-деформованого стану валопроводу оцінено вплив крутильних коливань валопроводу турбоагрегату на його ресурсні характеристики. При нештатних режимах роботи турбогенератора на його роторі виникають реактивні крутні моменти. Моделювання методом кінцевоелементного аналізу показало, що внаслідок даних сплесків, по всій довжині валопроводу виникають крутильні коливання. Після припинення дії реактивного моменту, вільні коливання поступово згасають. В першу чергу це забезпечується завдяки демпфуючим властивостям системи. Високий рівень демпфування призводить до швидшого згасання вільних коливань. Сформульовано третій пункт наукової новизни – удосконалено розрахункову модель напружено-деформованого стану та оцінки залишкового ресурсу валопроводу турбоустановки К-1000-60/3000 для дослідження впливу крутильних коливань. Розрахунки циклічного пошкодження при короткому замиканні та асинхронному включенні турбогенератора показали, що найбільший рівень пошкодження при крутильних коливаннях виникає на ділянці валопроводу між паровою турбіною та електрогенератором. Віддаляючись від джерела збудження зменшуються дотичні напруження і відповідно зменшується рівень пошкодження металу. Будь яка зміна крутного моменту між турбогенератором та паровою турбіною викликає появу крутильних коливань всього валопроводу. Але при цьому не завжди виникають дотичні напруження, що призводять до втомного пошкодження металу. Інтенсивність крутильних коливаннь валопроводів турбоагрегатів не виявилась достатньою для миттєвого крихкого руйнування валопроводу. Проте багатократне повторення нештатних режимів роботи турбогенератора призводить до суттєвого рівня пошкодження металу. Сформульовано четвертий пункт наукової новизни – вперше проведено порівняльну оцінку пошкодження металу валопроводу внаслідок крутильних коливань, що виникають при підключенні турбогенератора до енергосистеми з грубою синхронізацією, для проєктного валопроводу та валопроводу після відновлення (без одного робочого ступеня). В п’ятому розділі дисертації наведено результати дослідження теплового та напружено-деформованого стану ротора циліндру високого тиску після пошкодження, для номінального та пускових режимів роботи енергоблоку, які були виконані на кафедрі теплової та альтернативної енергетики за участі здобувача. На номінальному режимі роботи турбоагрегату найбільша температура металу спостерігається на диску першого ступеня та становить 264,5 С. Температура металу на ділянках кінцевих ущільнень становить від 151,1 до 115,3 С. Найбільший градієнт температур (gradT = 952 K/м) при пуску турбіни з холодного стану спостерігається в області діафрагмового ущільнення 4-го ступеня, в момент синхронізації турбогенератора з енергосистемою (4400 с). Максимальний градієнт температур при пуску з гарячого стану металу становить gradT = 958 K/м. Він також зосереджений в області діафрагмового ущільнення 4-го ступеня тиску, але в момент часу 3300 с, що відповідає роботі на електричній потужності 400 МВт. Визначено найбільш напружені ділянки ротора. Ними виявилися області розвантажувальних отворів 3-го та 4-го робочого ступеня, а також осьовий канал під цими ж ступенями. При пуску з холодного стану металу найбільше розтягуюче напруження в роторі ЦВТ становить = 296,4 МПа, а найбільше стискаюче – = -190,2 МПа. При пуску з гарячого стану металу найбільше розтягуюче – = 298,9 МПа, а найбільше стискаюче – = -205,9 МПа. На основі результатів розрахунку напружено-деформованого стану при номінальному та пускових режимах експлуатації визначено статичну та циклічну пошкоджуваність ротора, які відповідно становлять 51,66 % та 5,38 %. Сумарне пошкодження металу валопроводу внаслідок 156-ти асинхронних підключень турбогенератора до мережі становить 10,06 %, що є співставною величиною з циклічними пошкодженнями металу ротора циліндру високого тиску, що відбулися за весь час експлуатації енергоблоку.

Переглянути

Перегляд Дисертації (ТАЕ) за Назва

Результатів на сторінці

Налаштування сортування