Известия Российской академии наук. Энергетика

В математических моделях аналитической теплофизики задачи нестационарной теплопроводности с граничным условием вида (∂T / ∂n)_Г = h (t) [T|_Г – T_c (t)], t > 0 занимают особое место и относятся к сложному теплообмену вследствие зависимости относительного коэффициента теплообмена h = α / λ* от времени: h = α (t) / λ* = h (t) (α – коэффициент теплообмена, λ* – коэффициент теплопроводности) [1]. Считается, что α определяется только температурным напором. Однако эксперименты показывают [2–4], что в нестационарных процессах α является неравновесной величиной и значительно более существенно зависит от времени, чем от температуры. Учитывая, что его практическое определение весьма затруднительно, во всех критериальных уравнениях теплоотдачи он принимается постоянной величиной α = const (h = α / λ* = const). В этом случае становится возможным получать точные аналитические решения соответствующих задач теплопроводности в виде интегралов Фурье–Ханкеля для частично ограниченных областей или в виде рядов Фурье–Ханкеля для ограниченных областей канонического типа. Для этих целей разработаны специальные таблицы, вошедшие в теплофизику как таблицы Карташова № (1–2), позволяющие в считаные минуты по специальной методике в № 1 выписать точное аналитическое решение тепловой задачи [5–6] в декартовой, цилиндрической и сферической системах координат и далее улучшить решение в виде ряда по методике в № 2 до абсолютной и равномерной сходимости вплоть до границы области определения дифференциального уравнения теплопроводности. В случае зависимости коэффициента h от времени (h = h (t)) ситуация с нахождением аналитического решения задачи резко меняется: точное решение получить не удается. Трудность заключается в том, что, оставаясь в рамках классических методов математической физики [7–9], не удается согласовать решение уравнения теплопроводности с граничным условием теплообмена при переменном h (t), и до настоящего времени указанная проблема остается открытой, несмотря на попытки огромного числа исследователей по данной проблеме аналитической теплофизики.

В настоящей статье развивается метод расщепления обобщенного интегрального преобразования Фурье, что позволило получить в конечном счете точное аналитическое решение тепловой задачи при произвольной зависимости h (t)  вначале в цилиндрических координатах (радиальный поток теплоты в бесконечной области, ограниченной изнутри цилиндрической полостью), а затем в декартовых (полупространство, ограниченное плоской поверхностью). Полученные результаты составляют научную новизну работы.

Тепловые электрические станции с противодавленческими турбинами широко использовались для комбинированного производства электричества и промышленного пара. В связи со спадом промышленного производства более чем на 50% в период с 1990 по 1998 гг. потребность в промышленном паре снизилась, в результате чего часть противодавленческих турбоустановок лишилась нагрузки и была выведена из эксплуатации. Для возобновления работы ТЭС с противодавленческими турбинами возможно модернизировать существующие энергоблоки. В данной статье представлены результаты сравнительного термодинамического анализа различных способов модернизации ТЭС с противодавленческими турбинами: надстройка конденсационной турбины и надстройка утилизатора, подогревающего диоксид углерода, используемого в качестве рабочего тела замкнутого цикла Ренкина или Брайтона. Получены расчетные оценки влияния температуры окружающей среды на энергоэффективность предложенных схемных решений. Установлено, что использование контура с углекислотным рабочим телом оказывается термодинамически эффективным решением при среднегодовой температуре наружного воздуха в регионе ниже 7°C. В свою очередь, срок окупаемости при модернизации путем надстройки углекислотного цикла составляет 13.5 года.

Разработка наилучших технологий утилизации и обезвреживания отходов, их внедрение и совершенствование является актуальной задачей. Одна из перспективных технологий, основанная на термическом воздействии, а именно высокотемпературная плазменная газификация, рассмотрена в настоящей работе с точки зрения ее энергоэффективности. Среди всего разнообразия отходов акцент сделан на отходах коммунального сектора и произведенного из них твердого топлива. На основании параметрических расчетов показано, что в связи с высокой степенью разброса характеристик отходов получить стабильный процесс плазменной газификации с положительным энергетическим балансом без специальной подготовки отходов, стабилизирующей их характеристики, не представляется возможным. В то же время при использовании в качестве сырья твердого топлива из бытовых отходов 1–3-го классов (согласно классификации ГОСТ 33516-2015) процесс плазменной газификации будет проходить при положительных параметрах энергетической эффективности.