Wybrane zagadnienia modelowa i optymalizacji skraplaczy energetycznych i wymienników regeneracyjnych

Celem niniejszej pracy jest synteza i podsumowanie prowadzonych przez autora badań na temat modelowania cieplno-przepływowego maszyn i urządzeń służących głównie poprawie efektywności bloków energetycznych. Poprawa efektywności bloku energetycznego jest złożonym zagadnieniem, aby można je było zrealizować w sposób kompleksowy, dlatego w pracy skupiono się na możliwości jej poprawy od strony układu chłodzenia (skraplacze) i od strony wymienników regeneracyjnych. Poprawy efektywności bloku można dokonać na etapie projektowania poprzez dobór odpowiedniej geometrii i konfiguracji wymienników lub podczas eksploatacji poprzez dobór parametrów cieplno-przepływowych dla zmiennego obciążenia bloku. Tego typu zagadnienia dla układu chłodzenia i wymienników regeneracyjnych były analizowane w niniejszej pracy. W przypadku układu chłodzenia badania dotyczyły analizy różnych konfiguracji połączenia skraplaczy, tj. konfiguracji szeregowej, równoległej lub mieszanej. Dla skraplacza dokonano analizy doboru optymalnej średnicy rur, jak również podano warunek na przyrosty temperatur wody chłodzącej w poszczególnych rurach.Przy zmiennym obciążeniu bloku energetycznego badania dotyczyły możliwości doboru strumienia masy i temperatury wody chłodzącej. W przypadku wymienników regeneracyjnych przeprowadzono analizę, w jaki sposób powinien następować podział podgrzewu wody zasilającej na poszczególne wymienniki. Podczas projektowania ważne jest nie tylko określenie optymalnych parametrów, ale również znajomość najbardziej niekorzystnych pod względem termodynamicznym stanów pracy wymiennika w celu ich uniknięcia. Dlatego zbadano, dla jakiego strumienia ciepła występuje największy przyrost generacji strumienia entropii (największej straty egzergii) dla znanych (stałych) parametrów na wlocie do wymiennika. W pracy również przedstawiono zależności aproksymacyjne dla skraplacza i wymiennika regeneracyjnego pozwalające określać ich osiągi dla zmiennych warunków. Zależności aproksymacyjne pozwalają zastąpić modele wymienników składające się z kilkunastu liniowych i nieliniowych zależności. Do wyboru optymalnej geometrii wymienników i ich konfiguracji najczęściej stosowano funkcje celu w postaci maksymalizacji mocy i sprawności oraz minimalizacji generacji strumienia entropii lub straty egzergii. Analizy zostały przeprowadzone na podstawie danych uzyskanych z symulatorów skraplacza, wymiennika regeneracyjnego i wymiennika przeciwprądowego oraz charakterystyk skraplacza, danych pomiarowych oraz danych uzyskanych na podstawie układów cieplnych stworzonych w programie GateCycle. Zbiór wykorzystywanych danych jest przedstawiany w każdym z rozdziałów omawiających poszczególne zagadnienia.