Открытый доступ
Доступ предоставлен
Только для подписчиков
№ 3 (2025)
Статьи
Аналитические решения математических моделей сложного теплообмена
Аннотация
В математических моделях аналитической теплофизики задачи нестационарной теплопроводности с граничным условием вида занимают особое место и относятся к сложному теплообмену вследствие зависимости относительного коэффициента теплообмена от времени: коэффициент теплообмена, коэффициент теплопроводности) [1]. Считается, что определяется только температурным напором. Однако эксперименты показывают [2–4], что в нестационарных процессах 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 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 ( 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 , 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 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.
Известия Российской академии наук. Энергетика. 2025;(3):3-17
3-17
Единый энергетический подход математического описания механических и физико-химических процессов
Аннотация
Современная техника и технологии имеют дело с системами, в которых одновременно протекают процессы различной физической и химической природы, например, механические, тепловые, химические и др. Характерными представителями таких систем являются тепловые двигатели (в частности, поршневые и газотурбинные двигательные установки), металлургические производственные системы. Для решения задач проектирования и эксплуатации таких систем, как правило, разрабатываются математические модели их функционирования. Рассматриваемые системы характеризуются не только физическими и химическими процессами, но и перекрестными связями между ними, которые часто сложно или невозможно учесть на практике. Для решения данной проблемы авторами предложено использовать метод математического прототипирования энергетических процессов (ММПЭП), который является энергодинамическим развитием формализма механики Гамильтона, а также формализмов современной неравновесной термодинамики и электродинамики. В настоящей статье на основе ММПЭП представлен единый подход моделирования систем, в которых одновременно происходит механическое движение, химические превращения и теплообмен.
Известия Российской академии наук. Энергетика. 2025;(3):18-35
18-35
Термодинамический анализ способов модернизации ТЭС с противодавленческими турбинами в условиях отсутствия промышленного потребителя пара
Аннотация
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.
Известия Российской академии наук. Энергетика. 2025;(3):36-53
36-53
Разработка и исследование методов выбора комплектов измерений параметров аварийного режима и обработки результатов домп
Аннотация
Дистанционное определение места повреждения (ДОМП) по параметрам аварийного режима (ПАР) необходимо выполнять при таких значениях тока и напряжения, которые обеспечат низкую погрешность расчета расстояния до места повреждения. Классический подход с отстройкой от апериодической составляющей тока и напряжения, применяемый в программном обеспечении с функцией ДОМП, не всегда обеспечивает определение комплекта измерений ПАР, позволяющего рассчитать расстояние до места повреждения с минимальной погрешностью. Данная работа посвящена анализу эффективности методов выбора комплектов измерений ПАР и обработке результатов ДОМП. Анализ эффективности производился на основе многофакторного эксперимента, в котором выполнялось моделирование короткого замыкания на участке электрической сети при варьировании ряда параметров имитационной модели. Результаты исследований показали, что наиболее эффективными подходами к выбору комплектов измерений ПАР и обработки результатов ДОМП являются: поиск локального минимума по расчетному значению приращения сопротивления в поврежденных фазах, по соответствующему виду КЗ приращению фазных значений тока и напряжения и соответствующих им симметричных составляющих, поиск локального минимума приращения расчетного значения расстояния до места повреждения и комбинированные методы. Данные методы могут быть реализованы в микропроцессорных устройствах релейной защиты с функцией ДОМП, в регистраторах аварийных событий и специализированном программном обеспечении для просмотра аварийных осциллограмм с функцией ДОМП.
Известия Российской академии наук. Энергетика. 2025;(3):54-73
54-73
Особенности энергетической эффективности переработки углеродсодержащих отходов методом высокотемпературной плазменной газификации
Аннотация
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.
Известия Российской академии наук. Энергетика. 2025;(3):74-91
74-91
Однокритериальная задача оптимизации мест строительства ветровых электростанций
Аннотация
В статье рассматривается задача оптимизации мест строительства ветровых электростанций (ВЭС), обусловленная нарастающим развитием ветроэнергетики в энергосистеме России. Для ее решения исследованы показатели, характеризующие режимы работы ВЭС в энергосистеме. На их основании разработан алгоритм однокритериальной задачи оптимизации мест строительства ВЭС. Для численных расчетов разработаны тестовая модель, в которой предусмотрено строительство шести ВЭС, а также идеализированные модели суточного хода ветра. Расчетная модель показала, что выбор целевой функции влияет на показатели оптимальной системы ВЭС. В соответствии с полученными результатами установлено, что целевые функции по критериям минимальной скорости и амплитуде изменения мощности дают лучшую совокупность всех показателей оптимальной системы ВЭС. При незначительном снижении экономической эффективности наблюдается значительное улучшение остальных показателей оптимальной системы ВЭС: суммарная скорость изменения мощности снижается примерно на 45%, суммарная амплитуда изменения мощности на 20% и базисная мощность увеличивается почти на 15%.
Известия Российской академии наук. Энергетика. 2025;(3):92-112
92-112