книги / Оптимизация систем обеспыливания воздуха в промышленных зданиях
..pdfЭкстремальный метод заключается в нахождении минимума целе вой функции, отражающей в аналитической форме изменения крите рия оптимальности под влиянием искомого параметра. Этот метод поз воляет избежать перебора альтернативных вариантов структур, и па раметров систем. При экстремальном методе используются модели ма тематического программирования.
Для нахождения оптимального решения данной задачи в зависи
L = гг>2 |
+ /,т |
(3 1 ) |
(32) |
||
мости от вида структуры целевой функции и ограничения наиболее |
||
широко используется линейное, нелинейное и |
динамическое |
програм |
мирование, реже - геометрическое, стохастическое, дискретное и
эвристическое |
программирование /2 9 /. |
|
|
|
|
|
||||||
Обозначим критерий |
оптимальности |
0 |
= |
X j у .. . ,Х п )у |
||||||||
где X f |
9 ^2 |
, . . . , Х п |
- |
независимые |
переменные из допусти |
|||||||
мой области Х0 . Совокупность |
переменных |
( Xi |
, Х% , . . . , Х п ) |
|||||||||
образует |
гг -мерный вектор X |
или точку X П-мерного простран |
||||||||||
ства. Область &о |
допустимых |
значений |
£ |
в |
общем случае |
зада |
||||||
на системой уравнений и |
неравенств: |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
rL (JC) ** О |
|
I |
= |
1, к |
, |
► |
|
|||
|
|
Гь (X) **0, |
|
I |
|
к.* |
|
(29) |
||||
|
|
|
= |
|
|
|||||||
Общая задача |
линейного программирования формруется |
следу |
||||||||||
ющим образом: |
определить, |
при |
каких значениях |
независимых пере |
||||||||
менных Лу 9 X 2 |
% . . . » |
Х п |
9 удовлетворяющих линейным ограниче |
|||||||||
ниям |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
п |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
= U m i |
|
(30) |
||
|
/7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
п
х - > 0 , |
(33) |
линейшй критерий оптимальности 0=11с^х^ принимает свое экстре
мальное |
значение. Предполагается, ^то |
> 0 ( 1 = 1ут уС^ - |
любые действительные коэффициенты). |
|
|
5 |
задачах математического программирования задачу минималь |
|
ного критерия оптимальности всегда можно привести к задаче макси мизации и наоборот. Оптимальное решение задачи линейного програм мирования называется оптимальным планом. Линейное программирование располагает методами, которые позволяют решить поставленную зада чу или сделать обоснованное заключение о ее неразрешимости.
Одним из наиболее часто используемых является симплексный метод, основная идея которого заключается в следующем. На первом этапе решения задачи находит начальное допустимое решение. После неко торых преобразований начального решения получают второе допустимое решение, позволяющее получить большее (или меньшее) значение кри терия оптимальности. Процесс повторяется до т.ех пор, пока происхо дит увеличение (уменьшение) критерия оптимальности. Задачи линей ного программирования во мнолх случаях являются грубым приближе нием реальных задач оптимязацш СОВ и СКМ, которые, как правило, нелинейны.
Нелинейное программирование - раздел математического про граммирования, изучающий задачи оптимизации, в которых критерий оптимальности и функции, определяющие допустимую область изме нения переменных, нелинейны.
Основная задача нелинейного программирования может быть
сформулирована |
следующим образом: при |
заданных функциях О , Ц , |
||
^2 • •••» Гь |
от |
П действительных переменных определить |
||
П -мерный вектор X |
= ( Х^ , |
, . . . , |
Х п ), удовлетворяющий |
|
условиям |
|
|
|
|
|
|
|
|
(34) |
и обеспечивающий глобальный (абсолютный) экстремум целевой функ
ции (критерия |
оптимальности) |
О |
(Х _ ). Для определенности бу |
|
дем говорить |
о |
минимуме функции |
О (X) . |
|
функция О |
( X ) имеет в |
точке X - Q глобальный минимум, |
||
если по всей допустимой области изменения переменных выполняется неравенство
0 (0 ) 4 OCX) |
(35) |
Динамическое программирование применяется для решения задач оптимизации многостадийных процессов с управлением каждой стадии. Под стадией понимается один из элементов, на совокупность кото рых можно разбить процесс как во времени развития, так и в прост ранстве изменения его параметров. При этом в первом случае под стадией понимается некоторый заранее выбранный отрезок времени, а во втором - отдельный аппарат в системе, установке, элемент данного устройства или один из этапов проектирования. Использо
вание |
динамического |
программирования |
при оптимизации СОВ и СКМ, |
|||||||
в частности таких подсистем; как СА,ЦСПС, ПСОВ и СКВ, весьма |
||||||||||
эффективно. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Рассмотрим |
примеры использования экстремального метода оп |
||||||||
тимизации на различных уровнях иерархии систем |
по технологичес |
|||||||||
ким и экономическим критериям оптимальности. |
|
|
||||||||
|
Пример I . Средняя на интервале |
0 ^ 2 |
|
скорость дви |
||||||
жения воздуха |
в |
горизонтальном канале шириной 2 h KOH , при кото |
||||||||
рой частица |
пыли |
размером |
|
лежащая на |
дне |
канала, от |
||||
рывается и |
уносится |
воздушным потоком /1 3 ,1 4 / |
пр |
|
||||||
|
|
|
|
и /(и г+2.) |
1 |
|
|
|||
|
о Г - |
|
|
( 36) |
||||||
|
2(иг->- О |
( з |
|
|
||||||
|
|
|
< юьиг -■ |
|||||||
где и / |
- |
функция^числа Рейнольдса^для 5*10 4 < Re |
||||||||
= 7, |
а |
для Rt > |
Ю5 и/ = 8-ю); |
■ приведенные |
силы адгезии; |
|||||
Кад |
- |
показатель |
степени. |
|
|
|
|
|||
|
функция |
|
|
|
имеет экстремум. Для определения точ |
|||||
ки минимума выражение (26) |
перепишем |
следующим |
образом: |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
'2% |
|
|
|
|
Условие |
экстремума |
|
|
|
|
||||
,—KL |
|
|
|
|
1 |
-р*0д 4 ) '11г |
|
|
|
|
|
Ajty |
|
|
|
=0, |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
||||
откуда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-(S + kag)_ |
< - ь |
|
|
||
^ч.тсп ~ д^ 2. * k ->‘i~
*ад иг
подтверищается натурными измерениями. Эффективность циклона зави сит также от величины подсоса воздуха через бункер: при подсосе более 12 /о его эффективность резко уменьшается. Отсюда определя ются эксплуатационные требования к герметичности установки цик лонов.
Для примера выполним проверочный расчет циклона типа ЦН-15-300 П ( 8ц = 0,3 м) по приведенным в каталогах данным в со ответствии с которыми эффективность улавливания приу^=1,25 кг/м3,
jVg |
= |
18* I0" 6 |
Па с пыли с Sq = |
10 |
мкм и JDQ = 2700 кг/м3 состав |
|||||||
ляет |
|
= 0 ,8 |
(при |
иц |
= 2,86 м/с |
и |
= 147). Значения критери |
|||||
ев: S tk a = 0,0161; |
R eQ = 1,988. |
|
|
|
|
|||||||
|
По уравнению (I ) |
показатель |
экспоненты f ^ = |
2*0,161 х |
||||||||
х / 6 |
+ (147 |
*1,988)2//3/ |
= 1,609. |
Тогда эффективность улавлива |
||||||||
ния |
^ |
= I - |
exp (1-609) |
= 0 ,8 , |
что |
соответствует |
эффективности |
|||||
по каталогам. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
При тех же исходных данных эффективность конического циклона |
|||||||||||
СКЦН - 34Б-600 |
с коэффициентом |
|
= 1150 будет составлять вели |
|||||||||
чину |
£ |
= 0 ,9 4 , |
что также согласуется с данными каталога. |
|||||||||
|
йдравлическое сопротивление циклонов рассчитывают по из |
|||||||||||
вестной формуле |
ДРц |
= (£u U yj)g)/2 |
. При |
этом сопротивление |
||||||||
циклона СКЦН-34Б-600 будет в II50/I47 |
= 7 ,8 |
разе |
больше сопро |
|||||||||
тивления циклона ДО-15-300П, чем и |
объясняется большая эффек |
|||||||||||
тивность конического |
|
циклона. |
|
|
|
|
|
|||||
|
Пример 3 . В настоящее время |
все |
большее распространение по |
|||||||||
лучают вихревые |
пылеуловители. Их особенностью является подача |
|||||||||||
внутрь |
аппарате |
циклонного типа вторичного |
воздушного потока, |
|||||||||
интенсифицирующего процесс центробежного отделения частиц пыли, и одновременное экранирование внутренней поверхности циклонов от абразивного действия частиц пыли благодаря созданию "воздушной завесы" в пристенной зоне. Используются самые различные способы подачи и формирования как первичного, так и вторичного потоков.
Для закручивания потоков применяют тангенциальный подвод воздуха, улитки, лопатки, розетки.
|
6 логъточный вихревой пылеуловитель одновременно поступают |
|||||
навстречу друг другу два |
воздушных потока: |
первичный с |
расходом |
|||
Of |
и вторичный с расходом |
• В общих |
потоках |
потери давле- |
||
ния |
АЙ, = C^jDsuf)/2; |
APZ = ( l,fi&U *)/2 |
, где $0 & - |
|||
коэффициенты гидравлического |
сопротивления; и1 и и2 - |
скорости |
||||
первичного и вторичного |
потоков соответственно. Общий коэффици |
|||||
ент тдравлического сопротивления пылеуловителя £ц = ^ |
( / - Р ц ^ + |
|||||
|
|
|
65 |
|
|
|
+ |
%2рц |
• где |
Ра |
- кратность расхода |
(ри = G2./G3 ) |
\ |
|||||
0г5 - |
общий расход очищенного воздуха. Минимальное значение об |
||||||||||
щего |
коэффициента |
Ц™1*7=• |
|
|
> т .е . минимальное |
||||||
значение величины |
Яц для пылеуловителя заданной геометрии |
опре |
|||||||||
деляется кратностью расходов. |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
В работе |
/7 0 / |
исследована |
зависимость |
аппарата от |
соот |
||||
ношения потоков &2I &з |
и Угла |
наклоне лопаток |
завихри те ля пер |
||||||||
вичного |
потока |
J i 3Q& |
. Кривые |
этой |
зависимости |
имеют минимум |
|||||
коэффициента |
|
при значениях Сг3 |
- 0,3 в |
случае |
40° |
||||||
и |
G5 = 0,47 |
в случае JB3Qg |
= 15°. Полученные кривые описыва |
||||||||
ются эмпирической зависимостью видв |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
- *оц + (955 - H,5ji3oS)& -(1025 - 1SJ3o6)02/(}3 , |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
•5 |
|
|
|
|
где |
toa |
= 385 |
- 7,34Jb3Qg . Для нахождения оптимального соотно |
||||||||
шения ^ /£ 3 , |
отвечающего минимуму гидравлического сопротивле |
||||||||||
ния данной конструкции |
аппарата, приравнивают нулю производную |
||||||||||
коэффициента гидравлического сопротивления по отношению к |
|
||||||||||
#2/£3 |
. Экстремальное значение величины |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
“ |
(56,94 ~у3зо6) / ( Щ 9 ~ |
|
|
(38) |
|||
Проверка этого уравнения для аппарата диаметром 150 и 400 мм по казала вполне удовлетворительное совпадение результатов. Приве денные соотношения могут быть применены для инженерного расчета
пылеуловителей лопаточного вида. |
San и эффективности улав |
Для раочета диаметра аппарата |
|
ливания частиц пыли предложена методика, согласно которой |
|
Son = |
> > (39) |
где лРоп- допустимый перепад давления.
Величине коэффициента сопротивления равна 95-110 при опти мальных эшчениях соотношения воздушных потоков £^/£3 =0,66-0,7 и угла наклона лопаток завихрите ля первичного потошJ i 3a& =
* 25-30°. Диаметр ввода первичного потока составляет Диаметр! обтекания, отбойной шайбы и выхлопного патрубке рав
ны соответственно 0,15 $0п , (0 ,9 -0 ,9 5 ) Son и ( 0 ,6- 0,7 ) $апа
Высота рабочей части аппарата составляет (2, 5- 3 ,0) 47/7» 8 вы сота камеры ввода вторшчного потока “ Son •
Шнвмальный диаметр улавливаемых в пылеуловителе чаотяц найден в зависимости от основных геометрических дараметров и от
66
соотношения потоков ^ / 0 ^ • Расчет выполнен отдельно для каж дого из двух потоков, и общая эффективность представлена в следую щем виде:
|
Чап = CGt & |
* |
|
(40) |
||
Экстремальный метод, |
позволяющий избежать перебора |
альтерна |
||||
тив и успешно используемый, |
как это показано на примерах, для ре |
|||||
шения локальных оптимизационных задач (как правило, |
на |
нижних |
||||
уровнях иерархии систем*) |
при оптимизации сложных систем и уста |
|||||
новок (ПСОВ, |
СКВ и д р .), |
особенно СКМ в целом, т .е . |
на высоких |
|||
иерархических уровнях, нередко |
трудно осуществим. Он обладает |
|||||
определенными недостатками: повышенной трудоемкостью иэ-за не |
||||||
обходимое та |
представления |
составляющих приведенных затрат в |
||||
виде аналитических функций; |
пониженной точностью И8-за |
приближен |
||||
ных описаний многах экономических характеристик; невозможностью определения изменений приведенных затрат при отклонении от "оп тимальной точки". В то же время для множества задач кривая изме нения цриведенных затрат вблизи точки минимума имеет пологий ха рактер, т .е . проявляется устойчивость экономической характерис тики. В этом случае желательно установить "оптимальную зону", в пределах которой с учетом натуральных показателей может быть выб ран оптимальный вариант. Для ее установления целесообразно со четание экстремального и вариантного методов. Переход от точки оптимума к интервалу экономических допустимых решений в боль шинстве случаев вносит существенные изменения в принимаемое Проектное решение / 7 / .
На высоких уровнях иерархии (установка, подсистема, СОВ и СКМ в целом) наибольший эффект дает вариантный метод оптими зации. Он заключается в определении критерия оптимальности,
приведенных затрат по каждому варианту и сопоставлении получен ных значений. Минимальное значение цриведенных затрат характе ризует оптимальныЙ\(навболее экономичный) вариант. Связь глобаль ного и локальных критериев оптимальности в данном случае имеет аддитивную форму / 8/ . Например, приведенные затраты на СКМ в целом определяются по формуле
Нс*м~ |
> |
(4 I) |
При принятии окончательного решения по выбору варианта наря ду с энергетическими и стоимостными показателями (приведенными затратами) принимаются во внимание и другие показатели (затраты на сырье, материалы, защиту окружающей среды и д р .).
Технико-экономическому сравнению вариантов должно предшест вовать приведение их в сопоставимый вид. Основными этапами приве дения вариантов в сопоставимый вид являются технико-экономическое обоснование сравниваемых вариантов; количественный и качественный анализ вариантов; обоснование тождественности учета влияющих фак торов.
ГЛАВА 2 . ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТРАДИЦИОННЫХ СИСТЕМ ОБЕСПЫЛИВАНИЯ ВОЗДУХА В ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗДАНИЯХ
2 .1 . Структура и характеристики традиционных (существующих) систем обеспыливания воздуха
Большинство технологических процессов производств различной продукции на предприятиях основных отраслей промышленности сопро вождается значительным! пылеобразованиям) и выделениям! пыли в воздушцую среду производственных помещений. Образование пыли при различных производствах составляют иногда от 0,15 до 212,0 кг на тонну продукции.
Современные СОВ в промышленных зданиях с выделениями пыли чаще всего не обеспечивают допустим^ уровень запыленности возду ха и другие параметры микроклимата в помещениях. Они включают в себя лишь GA, недостаточно эффективно локализующие выделения пы ли» и ПСОВ или СКВ, компенсирующие аспирационный воздух. Перед выбросом в атмосферу си льнозапыленный аспирационный воздух зачас тую с недостаточной эффективностью очищается от пыли в различных, дорогостоящих, энергоемких и сложных в эксплуатации очистных уст ройствах. Кратности аспирационных воздухообменав нередко достига
ет нескольких десятков единиц в час. Это обусловливает огромные рас ходы теплоты, холода и вода на тепло- и влажностную обработку при точного воздуха, значительные расходы электроэнергаи на его пере мещение и распределение в помещениях и большое число приточных камер и кондиционеров. Последние, а также воздухопровода, иногда занимают до 25-^35 % производственных площадей зданий. Значительные аспирационные воэдухообмены требуют больших затрат электроэнер
гии на перемещение высококонцентрированного запыленного воздуха и преодоление сопротивления высокопроизводительных очистных устройств и металла на изготовление аспирационных укрытий, воронок и воздухо проводов и пылеуловителей. При этом происходят потери зачастую цен ных, материалов. Аспирационное оборудование и воздухопроводы также занимают значительные производственные площади* Капитальные затра ты на сооружение таких СКМ нередко достигают 20-22 % общей стоимос ти зданий, а эксплуатационные - 30-45 % всей эксплуатации.
Ввиду недостаточной эффективности работы GA значительная доля образующейся пыли поступает в производственные помещения. Концентрация пыли на рабочих местах при различных производствах достигает 12,6-430,0 мг/м3. Запыленность воздуха в цехах превшает ЦДК иногда в сотни раз.
Значительная доля выделяющейся пыли оседает на поверхностях. Интенсивность оседания пыли при различных производствах достигает
120-130 г/(м 2*ч). Кроме этого, измельченные материалы часто |
про |
||
сыпают. Пыль и просыпи чаще всего убирают вручную (по |
данным АКХ |
||
им. К.Д. Памфилова в нашей стране уборкой пыли в промышленных и |
|||
общественных зданиях |
занято свыше 5 млн.человек /2 7 /) . |
Иноцца |
|
применяют гидросмыв. |
Высокопроизводительная, имеющая саш е |
высокие |
|
технико-экономические |
и санитарно-лленические показатели |
ваку |
|
умная пылеуборка используется редко. Ооновные рабочие процессы систем вакуумной уборки пыли изучены недостаточно.
В помещениях происходит пылеобмен с наружным воздухом и внутри помещений. Осевшая пыль в силу ряда причин вновь поступа ет в воздушную среду помещений. Доля вторичных пылеобразований в общей запыленности воздуха в некоторых цехвх составляет 40-45 %. Пылевое состояние помещения характеризуется взвешенной и осадоч ной запыленностью. Между ниш существует корреляционная связь, учет которой и нормирование осадочной запыленности позволяют оптимизировать СРПВ и ЦСПС.
Значительные расходы аспирационного воздуха компенсируются приточным вентиляционным или ковдидаонираванным воздухом и опре деляют величину общего воздухообмена в помещении. Аспирационное оборудование и ПСОВ (СКВ) занимают вмеоте до 30-45 % производст венных площадей и объемов помещений. GA и систеш ОВ и КВ металло- и энергоемки (последняя достигает иногда 7S-2I4 Вт/м3 помещения), дорогостоящи и требуют больших эксплуатационных затрат. Значитель ная часть (15-25 %) капитальных влекений на строительство рассмат риваемых зданий приходится на систеш обеспыливания и сопряженные