Введение

В современных энергетических системах рациональное и эффективное использование энергетических ресурсов является одной из важнейших научных и практических задач, стоящих перед человечеством. Стремительное развитие промышленности, усиление процессов урбанизации и постоянный рост мирового потребления энергии обусловливают необходимость максимально эффективного использования существующих источников энергии. Наряду с этим всё более актуальной становится задача сокращения энергетических потерь, возникающих в процессе производства и потребления энергии, а также их переработки и возврата в энергетическую систему.

Одним из перспективных направлений решения данной проблемы является использование вторичных источников энергии (ВИЭ). Под вторичными источниками энергии понимаются виды энергии, образующиеся в результате основных технологических процессов и зачастую выбрасываемые в окружающую среду либо теряемые без полезного использования. К ним относятся потоки отходящего тепла, газы высокого давления, механические вибрации, избыточная электрическая энергия, а также энергия, выделяющаяся в результате химических реакций. Научные исследования показывают, что во многих промышленных системах от 20 до 50 % общей энергии теряется именно в виде вторичных энергетических ресурсов.

Рис. 1. Потребление энергии по отраслям (2026 г.)

Особое значение имеют тепловые потоки, возникающие в ходе технологических процессов. При обработке материалов в высокотемпературной среде, в процессах сгорания топлива или в системах теплообмена значительная часть энергии рассеивается в окружающую среду. Такая энергия зачастую обладает низким энергетическим потенциалом и недостаточной концентрацией для непосредственного использования. Тем не менее современные теплообменники, рекуператоры и термоэлектрические генераторы позволяют эффективно восстанавливать и использовать данную энергию повторно. С научной точки зрения такие процессы описываются законами теплопроводности, конвекции и теплового излучения, а их эффективность определяется температурным градиентом и параметрами окружающей среды. В технологических системах энергия механического характера также представляет собой важный вторичный энергетический ресурс. В движущихся узлах, вращающихся механизмах и устройствах, работающих под давлением, часть энергии теряется в виде вибраций, ударных воздействий или избыточного давления. Обычно такие потери рассматриваются как фактор, снижающий эффективность системы. Однако данную энергию можно преобразовывать в электрическую с помощью специальных пьезоэлектрических элементов или устройств сбора энергии. Это направление особенно активно развивается в микроэлектронике и медицинской технике, где использование механических колебаний малой амплитуды позволяет создавать автономные источники питания. Такие решения способствуют повышению энергоэффективности устройств и снижению их зависимости от традиционных источников энергии.

Особого внимания заслуживает энергия, выделяющаяся в результате химических процессов. В составе отходящих газов, образующихся в различных производственных процессах, нередко сохраняются горючие компоненты. Их повторное сжигание или каталитическая переработка позволяют получать дополнительную энергию. Кроме того, некоторые химические реакции являются экзотермическими и сопровождаются выделением значительного количества тепла, которое может использоваться в качестве дополнительного энергетического ресурса. Для повышения эффективности таких систем важное значение имеют анализ состава газов, моделирование кинетики химических реакций и определение оптимальных условий их протекания. С практической точки зрения значительные объёмы вторичных энергетических ресурсов образуются в различных отраслях промышленности. На предприятиях тяжёлой промышленности широко распространены высокотемпературные отходящие потоки, тогда как в транспортных средствах существенные энергетические потери возникают в процессе работы двигателей. Эффективное использование данных ресурсов позволяет снизить общее энергопотребление и повысить производственную эффективность. Таким образом, вторичные источники энергии имеют различную физическую природу, и каждый из них требует применения специальных научных подходов к исследованию. Их комплексное изучение и интеграция с современными технологиями открывают широкие возможности для существенного повышения эффективности энергетических систем. Математическое моделирование является одним из основных инструментов исследования вторичных источников энергии. Данный подход позволяет описывать реальные физические процессы с помощью математических уравнений и анализировать их в компьютерной среде. Особенно широко при оценке тепловой энергии используются формулы, основанные на классических законах термодинамики. Наиболее простое и фундаментальное выражение для определения количества тепловой энергии задаётся следующим уравнением:

Q=mcΔT

В данной формуле:

Q — количество теплоты, поглощённое или выделенное веществом (Джоуль, Дж);

m — масса вещества (килограмм, кг);

c — удельная теплоёмкость вещества (Дж/(кг·К));

ΔT — изменение температуры, то есть разность между конечной и начальной температурами (Кельвин, К или °C).

Данное уравнение имеет важное значение при расчёте вторичной тепловой энергии, поскольку позволяет определить количество тепла, образующегося в ходе технологических процессов. Например, энергетический потенциал потока горячей жидкости или газа, выходящего из промышленного оборудования, оценивается именно на основе этой формулы. В процессе математического моделирования данное уравнение используется не изолированно, а как составная часть более сложных систем уравнений. В реальных условиях передача тепла осуществляется одновременно несколькими механизмами — теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением. Поэтому в компьютерных моделях формируется система дифференциальных уравнений, учитывающая влияние всех перечисленных факторов, которая затем решается с использованием численных методов.

Следует особо отметить, что чем больше значение ΔT , тем выше потенциальный объём вторичной тепловой энергии, содержащейся в системе. Однако на практике эффективность повторного использования тепла зависит не только от разности температур, но и от физических свойств среды, условий теплообмена и конструктивных особенностей технологического оборудования. С помощью компьютерных технологий данные параметры могут рассчитываться в режиме реального времени, моделироваться различные сценарии функционирования системы и определяться оптимальные способы рекуперации энергии. В результате математическое моделирование выступает не только инструментом теоретических расчётов, но и важным средством проектирования, оптимизации и совершенствования современных энергетических систем.

Рис. 2. Профессиональная диаграмма рассеяния (Scatter Plot), демонстрирующая результаты модели прогнозирования потребления электрической энергии

Технологии симуляции представляют собой важное научное направление, позволяющее исследовать сложные энергетические процессы безопасным и экономически эффективным способом. При этом вместо реальных объектов создаются их цифровые (виртуальные) модели, а различные режимы работы анализируются и тестируются с использованием компьютерных средств. В результате значительно сокращаются временные и материальные затраты, необходимые для проведения экспериментов, одновременно обеспечивая возможность глубокого анализа поведения исследуемой системы. Современные программные среды позволяют изучать энергетические системы на основе многоуровневого подхода. С помощью вычислительных пакетов системы дифференциальных уравнений решаются численными методами, что позволяет определять энергетические потоки, процессы распространения тепла и динамику энергетических потерь. Такие программные средства обеспечивают высокоточную пространственно-временную модель физических процессов, позволяют оценивать чувствительность системы к изменению параметров и находить оптимальные режимы её функционирования.

Заключение

С помощью специализированных инженерных платформ в комплексе исследуются процессы движения жидкостей, теплообмена и структурных нагрузок. Это имеет особенно важное значение при проектировании устройств для утилизации и повторного использования вторичных источников энергии, поскольку в таких системах одновременно протекают несколько взаимосвязанных физических процессов. Мультифизические модели позволяют с высокой точностью описывать процессы преобразования энергии из одной формы в другую и анализировать их взаимное влияние. Системы, основанные на интеграции аппаратного и программного обеспечения, обеспечивают мониторинг и управление в режиме реального времени. Данные, поступающие от датчиков, непрерывно обрабатываются, оценивается текущее состояние системы и, при необходимости, автоматически вносятся корректирующие воздействия. Это позволяет оперативно выявлять энергетические потери и принимать меры по их минимизации. Таким образом, технологии симуляции и современные программные средства выполняют роль важнейшего связующего звена между теоретическими расчётами и практическими результатами при исследовании вторичных источников энергии. Их применение способствует повышению эффективности энергетических систем, разработке новых технологических решений и оптимизации существующих производственных процессов.

Литература:

1. Moran M. J., Shapiro H. N., Boettner D. D., Bailey M. B. Fundamentals of Engineering Thermodynamics. — 9th ed. — Hoboken: John Wiley & Sons, 2018. — 896 p.
2. Bejan A. Advanced Engineering Thermodynamics. — 4th ed. — Hoboken: John Wiley & Sons, 2016. — 848 p.
3. Dincer I., Rosen M. A. Exergy: Energy, Environment and Sustainable Development. — 3rd ed. — Oxford: Elsevier, 2021. — 816 p.
4. Klemeš J. J. Handbook of Process Integration (PI): Minimisation of Energy and Water Use, Waste and Emissions. — 2nd ed. — Cambridge: Woodhead Publishing, 2022. — 1350 p.
5. Smith R. Chemical Process Design and Integration. — 3rd ed. — Chichester: Wiley, 2016. — 918 p.
6. Kalogirou S. A. Solar Energy Engineering: Processes and Systems. — 3rd ed. — Academic Press, 2020. — 760 p.
7. Lund H. Renewable Energy Systems: A Smart Energy Systems Approach to the Choice and Modeling of 100 % Renewable Solutions. — 3rd ed. — Academic Press, 2022. — 672 p.
8. Wang L. Energy Efficiency and Management in Industry. — Boca Raton: CRC Press, 2021. — 412 p.
9. Zhou K., Fu C., Yang S. Big Data Driven Smart Energy Management: From Big Data to Big Insights // Renewable and Sustainable Energy Reviews. — 2016. — Vol. 56. — P. 215–225.
10. Al-Fuqaha A., Guizani M., Mohammadi M., Aledhari M., Ayyash M. Internet of Things: A Survey on Enabling Technologies, Protocols and Applications // IEEE Communications Surveys & Tutorials. — 2015. — Vol. 17, No. 4. — P. 2347–2376.
11. Minoli D., Sohraby K., Occhiogrosso B. IoT Considerations, Requirements and Architectures for Smart Buildings — Energy Optimization and Next-Generation Building Management Systems // IEEE Internet of Things Journal. — 2017. — Vol. 4, No. 1. — P. 269–283.
12. Goodfellow I., Bengio Y., Courville A. Deep Learning. — Cambridge: MIT Press, 2016. — 800 p.