Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Разработка аппаратурного оформления современного промышленного хрімического производства . 12
1.1. Особенности многоассортиментных химических производств 12
1.2. Задача разработки аппаратурного оформления многоассортиментного химического производства. 16
1.3. Системный подход при определении аппаратурного оформления многоассортиментных химических производств 19
1.4. Пути решения задачи разработки аппаратурного оформления химического производства. 26
1.5. Информационные CALS-технологии в многоассортиментных химических производствах . 27
1.6. Информационная поддержка управляющего комплекса 35
1.7. Анализ структуры интерактивной системы разработки аппаратурного оформления многоассортиментных малотоннажных химических производств. 37
1.8. Алгоритм решения задачи разработки аппаратурного оформления химического производства. 46
1.9. Задачи, решаемые на основе аналитических решений задач теплопроводности 48
Выводы к главе 1 50
ГЛАВА 2. Моделирование полей определяющих параметров в производственном оборудовании . 5l
2.1. Задачи моделирования температурных полей производственного оборудования. 52
2.2. Методы расчёта и моделирования теплообменных процессов.
2.3. Обоснование методики моделирования полей определяющих параметров в производственном оборудовании
2.4. Использование фундаментальных уравнений переноса для решения прикладных задач . 72
2.5. Использование метода конечных интегральных преобразований для решения задач математической физики 82
2.6. Решение задач теплопроводности методом конечных интегральных преобразований для тел, свойства которых меняются скачкообразно вдоль одной из пространственных.координат. 85
2.7. Об использовании конечных разностей при решении задач теплопроводности 90
Выводы к главе 2. 96
ГЛАВА 3. Базовые решения задач теплопроводности . 98
3.1. Решение задачи нестационарной теплопроводности для N-слойной неограниченной пластины 98
3.2. Решение задачи нестационарной теплопроводности для 7V-слойного полого и сплошного цилиндров. 104
3.2.1. Решение задачи нестационарной теплопроводности для N-слойного полого цилиндра. 104
3;2.2. Решение задачи нестационарной теплопроводности для N -слойного сплошного цилиндра. 111
3.3. Решение задачи нестационарной теплопроводности для полого ограниченного цилиндра с функционально меняющимися температурами окружающей среды . 111
3.4. Решение задачи нестационарной теплопроводности для конечного цилиндра. 116
3.5. Решение задачи стационарной теплопроводности для составного конечного цилиндра. 121
3.6. Решение задачи нестационарной теплопроводности для N- слойного полого и сплошного шара с распределенным источником тепла.. 127
3.6.1. Задача теплопроводности для JV-слойного полого шара... 128
3.6.2. Задача теплопроводности для iV-слойного сплошного шара. 134
3.7. Решение задачи нестационарной теплопроводности для неограниченного бруса 134
3.8. Дифференциальное уравнение переноса тепла теплопроводностью в элементах оборудования, имеющих форму стержней и пластин в стационарном температурном режиме. 140
3.9. Дифференциальное уравнение переноса тепла жидкостью, движущейся в режиме идеального вытеснения по каналу 145
3.10. Решение обратных задач теплопроводности. 151
3.10.1. Решение обратной задачи теплопроводности преобразованиями Лапласа 153
3.10.2. Решение обратной задачи теплопроводности методом конечных интегральных преобразований. 156
3.11. Решение нелинейных задач теплопроводности 158
3.11.1. Возможности решения нелинейной задачи теплопроводности методом конечных интегральных преобразований. 158
3.11.2. Об использовании, конечноразностного аналога для приближенного решения нестационарной задачи теплопроводности. х 60
Выводы к главе 3. 163
ГЛАВА 4. Тепловой расчет элементарных областей внутреннего пространства теплонагруженного производственного оборудования 164
4.1. Элементарная область одноходового кожухотрубчатого теплообменника, работающего в стационарном температурном режиме. 164
4.2. Элементарная область одноходового кожухотрубчатого теплообменника, работающего в нестационарном температурном режиме 176
4.3. Методика расчета температурного поля кожухотрубчатого теплообменника, работающего в стационарном температурном режиме . 185
4.4. Методика расчета температурного поля одноходового кожухотрубчатого теплообменника, работающего в нестационарном температурном режиме. 195
4.5. Методика расчета нестационарного температурного поля емкостного аппарата с рубашкой, встроенным теплообменным устройством и перемешивающим устройством. 202
4.6. Математическое моделирование сушильных процессов 211
4.7. Внешняя тепло- и массоотдача в процессе сушки 220
4.8. Моделирование температурного и концентрационного полей элементарной области при сушке гранулированных материалов 225
4.9. Моделирование температурного и концентрационного полей элементарной области внутреннего пространства сорбционного оборудования 231
4.10. Методика расчета адсорбционного оборудования 239
4.11. Адаптация аналитических решений задач теплопроводности к компьютерной реализации. 241
4.12. Возможные действия при отсутствии части исходных данных. 246
Выводы к главе 4 248
ГЛАВА 5. Математическое моделирование технологического оборудования химической промышленности 249
5.1. Оптимизация конструктивных и режимных параметров тепло-
обменного оборудования СПИГС. 249
5.1.1. Описание технологической схемы СПИГС 251
5.1.2. Задачи оптимизации подсистем СПИГС 254
5.1.3. Экспериментальные исследования 258
5.1.4. Методика проведения экспериментальных исследований 265
5.1.5. Выбор расчётной модели состава ИГС 273
5.1.6. Определение диапазона изменения рабочих параметров 274
5.1.7. Определение теплофизических характеристик ОГ 275
5.1.8. Проверка адекватности математической модели 280
5.1.9. Задача поиска оптимальных конструктивных параметров теплообменного оборудования. 282
5.1.10. Разработка структуры критерия оптимальности. 284
5.1.11. Постановка задачи оптимизации теплообменного оборудования системы ТВО СПИГС. 290
5.1.12. Определение оптимальных конструктивных параметров теплообменного оборудования системы ТВО СПИГС 298
5.2. Определение режимов эксплуатации контактного аппарата в процессе производства анилина 300
5.3. Оптимизация оборудования для вибровращательного измельчения стружечных отходов 305
Выводы к главе 5 315
Основные результаты работы 316
Список литературы 319
Приложения 346
- Информационные CALS-технологии в многоассортиментных химических производствах
- Использование фундаментальных уравнений переноса для решения прикладных задач
- Решение задачи нестационарной теплопроводности для полого ограниченного цилиндра с функционально меняющимися температурами окружающей среды
- Методика расчета температурного поля кожухотрубчатого теплообменника, работающего в стационарном температурном режиме
Введение к работе
В настоящее время в России на предприятиях химической промышленности наблюдается тенденция к обновлению производственных мощностей на основе современного оборудования, модернизации и компьютеризации существующих производств, внедрению новых технологий, обновлению ассортимента выпускаемой продукции.
Это обусловлено рядом объективных причин.
Значительная доля находящегося в эксплуатации производственного оборудования и коммуникаций к настоящему времени в значительной степени, выработала свой ресурс. Это выражается в появлении трудноустранимых неисправностей, таких как сквозная коррозия ответственных элементов аппаратов, деформация стыковых поверхностей крупногабаритных деталей, усталостные проявления и т. д.
Из-за резкого возрастания стоимости энергоносителей многие применяемые до настоящего времени производственные технологии становятся нерентабельными, так как во времена их разработок задачи энергосбережения и утилизации материальных и тепловых отходов не рассматривались, как актуальные.
Развитие рыночных отношений сделало актуальным краткосрочное планирование, уменьшение объемов выпуска по каждому продукту, расширение и частое обновление ассортимента выпускаемой продукции, повышение требований к качеству продукции, конкурентоспособность продукции.
Возрастание стоимости сырья, транспорта, расходных и конструкционных материалов выдвигает на первый план задачи не просто рационального, а оптимального их использования.
Ужесточение требований экологической и аварийной безопасности также делает невыгодным сохранение или. внедрение потенциально опасных технологий.
К сожалению, действующие проектные и конструкторские подразделения, как правило, ограничиваются разработками приемлемых вариантов реализации производственных процессов, а поиском оптимальных вариантов не занимаются. Это обусловлено применением рекомендованных нормативными документами (ГОСТ, РСТ, ОСТ, РД; РТМ) упрощенных расчетных методик, широко использующих обобщенные эмпирические зависимости и усредненные характеристики процессов. Такие расчеты, как правило, являются в значительной мере оценочными. Поэтому до сих пор инженеры при разработках технологий и аппаратурного оформления производственных процессов широко используют личный опыт и интуицию, а также добавку избыточных запасов "на незнание" к результатам стандартных расчетов; При; этом возможности компьютерной техники используется далеко не в полной мере.
Как показывает практика, другой путь, заключающийся в приобретении импортного производственного оборудования и зарубежных технологий, также не решает всех проблем. И здесь свои объективные причины.
Доступно, как правило, лишь морально устаревшее оборудование и технологии, от которых индустриально развитые страны уже отказались, и как следствие - неконкурентоспособность продукции на мировом рынке.
Специфика эксплуатации и обслуживания импортного оборудования, требующая исключительно грамотного и высококвалифицированного выполнения технологических и регламентных операций.
Необходимость использования высококачественных и, следовательно, дорогих сырьевых и; расходных материалов.
Актуальным направлением решения проблем действующего химического предприятия является разработка методик постановки и решения оптимизационных задач, связанных с выбором аппаратурного оформления многоассортиментных малотоннажных химических производств (ММХП), отвечающих всем современным требованиям; на основе новейших научных достижений и полномасштабного использования возможностей компьютерной техники. Решающее значение приобретает подготовка специалистов на базе технологического образования, способных практически внедрять и развивать эти методики.
Интенсивное развитие возможностей компьютерной техники вызвало в настоящее время поистине революционные изменения в теории и практике синтеза технических систем и устройств.
Широкое использование периодических и квазинепрерывных процессов в: ближайшей перспективе останется характерной чертой производств рассматриваемого класса.
Периодические и квазинепрерывные процессы, широко применяющиеся в многоассортиментных малотоннажных химических производствах, являются нестационарными; изменение характеристик процессов во времени принципиально усложняет их инженерные расчеты и математическое моделирование.
Последовательная обработка продукта в различных аппаратах и в различных условиях не позволяет моделировать отдельные аппараты и отдельные стадии производственного процесса обособленно.
Таким образом, особо важное значение при разработке аппаратурного оформления; многоассортиментных малотоннажных химических производств приобретает подход, заключающийся в комплексном; математическом моделировании и расчете технологических стадий и операций во времени с учетом их взаимного влияния. Составной частью такого подхода является накопление и обобщение информации об особенностях моделируемых процессов.
На стадии проектирования наиболее достоверные данные о ходе процессов, протекающих в производственном оборудовании, могут быть получены лишь на основе математического моделирования полей целевых параметров, таких, как температура, концентрация, давление, скорость, напряженность, деформация и Т.П:
В І данной работе рассматриваются термонагруженные процессы, то есть процессы, в которых тепловые взаимодействия играют ключевую роль, а характеристики температурных полей определяют основные результаты процессов, такие, как производительность, качество продуктов, затраты на производство и др. Это процессы, реализуемые в теплообменном, емкостном,, реакционном, сушильном и адсорбционном оборудовании.
Практическая значимость и реализация результатов научных, исследований заключается в разработке унифицированной методологии математического моделирования полей определяющих параметров класса аппаратов химической промышленности, функционирующих в непрерывных, квазинепрерывных, периодических, переходных и циклических режимах.
В настоящее время интенсивные работы в этом направлении проводятся: на кафедре "Автоматизированное проектирование технологического оборудования" Тамбовского государственного технического университета под руководством зав. кафедрой, Заслуженного деятеля науки РФ, д.т.н., профессора Малыгина Е.Ш
Разработанные методы моделирования и расчета технологического оборудования использованы в Объединенном институте ядерных исследований при проектировании баков и штоков циклотрона тяжелых ионов У-400М и циклотрона ДС-72 ЛЯР; во ВНИИРТмаше при проектировании пропиточно-сушильного оборудования для обработки кордных материалов, линии производства конвейерных лент ЛПД-1600, линии обкладки каркасов ЛОК-1400, ро-торно-конвейерной линии АРКЛ; на ОАО "Пигмент" при проектировании автоклава для щелочной; плавки амино-Г-кислоты, и контактного аппарата для синтеза монометиланилина; на ОАО "Тамбовский завод "Комсомолец" им. Н.С.Артемова при проектировании системы охлаждения плакированного корпуса высокотемпературного реактора; на ФГУП "ТамбовНИХИ при проектировании теплообменного оборудования. энергетической установки специального цикла и индивидуального дыхательного аппарата ИДА.
Кроме того, в настоящее время разработанная методология используется. в проектно-конструкторских работах, выполняемых в Технологическом институте ТГТУ, а также в аспирантских работах и в учебном процессе при подготовке магистров и инженеров конструкторско-технологических специальностей.
На защиту выносятся:
- унифицированная методология математического моделирования полей определяющих параметров класса аппаратов химической промышленности, функционирующих в непрерывных, квазинепрерывных, периодических, переходных и циклических режимах;
- унифицированная методология выполнения технологических расчетов теплообменного, емкостного, сушильного и адсорбционного оборудования химической промышленности.
Работа выполнена на кафедре "Автоматизированное проектирование технологического оборудования" Тамбовского Государственного технологического университета.
Автор выражает глубокую благодарность научным консультантам Заслуженному деятелю науки РФ, д.т.н., профессору Малыгину Евгению Николаевичу за всестороннюю помощь и поддержку, оказанные при выполнении работы и Заслуженному деятелю науки и техники РФ, д.т.н., профессору Коновалову Виктору Ивановичу, который предопределил направление работ автора.
Д.т.н., профессор Малыгин Е.Н. осуществлял консультации по вопросам реализации системного подхода к разработке оборудования многоассортиментных химических производств, вопросам теории математического моделирования, вопросам оптимизации конструктивных и режимных характеристик аппаратов химических производств.
Д.т.н., профессор Коновалов В.И. осуществлял консультации по вопросам, связанным с кинетическими закономерностями основных процессов и аппаратов химической технологии.
Информационные CALS-технологии в многоассортиментных химических производствах
Такая интерактивная система может являться составной s частью системы информационной CALS-технологии (GALS - Continuous Acquisition and Life-cycle Support - непрерывная информационная поддержка жизненного цикла продукции). Это стратегия, принятая в качестве международного стандарта и направленная на повышение производительности и рентабельности производственных процессов за счет внедрения методов информационного взаимодействия между этапами производства и реализации продукта [9].
Основой концепцией GALS является повышение эффективности процессов жизненного цикла продукта за счет повышения эффективности управления информацией о продукте. Задачей GALS является преобразование жизненного цикла изделия в высокоавтоматизированный процесс путем реструктуризации входящих в него элементов.
По данным [9]; внедрение CALS в полном объеме позволяет на 25-30 % повысить эффективность производства наукоемкой продукции при;одновременном значительном повышении его качества, в том числе сокращения: - времени планирования — до 70%; - времени проектирования — до 50%; - затрат на оценку выполнимости проектов — до 15-40%; - производственных затрат — до 15-60%; - стоимости технической документации — до 10-50 %; - времени планирования эксплуатационной поддержки — до 70%; - стоимости информации — до 15-60%; - количества ошибок при передаче данных — до 90%. Первая часть термина «CALS» (Continuous Acquisition) означает постоянное повышение эффективности как самого продукта, так и процессов взаимодействия между поставщиком и потребителем изделия в течение его жизненного цикла. Вторая часть термина «CALS» (Life cycle Support) обозначает внедрение новых организационных методик разработки продукта. Это приведет к увеличению инвестиций на этапах создания и І модернизации продукта, и позволит более полно учесть потребности заказчика и условия реализации, что, в свою очередь, приведет к снижению затрат на этапах производства и использования продукта и, в конечном итоге, к сокращению затрат на весь жизненный цикл продукта. Можно выделить две основные проблемы, стоящие на пути повышения эффективности управления информацией.
Во-первых, с увеличением сложности технологии производства продукта и расширением использования современных компьютерных систем, значительно увеличивается объем данных о продукте. При этом прежние методы работы с данными уже не позволяют обеспечивать их точность, целостность и актуальность при сохранении приемлемых временных и материальных затрат.
Во-вторых, увеличение количества участников проекта по разработке и эксплуатации производственной технической системы приводит к возникновению серьезных проблем при обмене информацией между участниками из-за наличия между ними коммуникационных барьеров (например, из-за несовместимости компьютерных систем).
Путь реализации концепции GALS содержится в стратегии GALS, предполагающей создание единого информационного пространства для всех участников жизненного цикла изделия. Единое информационное пространство должно обладать следующими свойствами: - вся информация представлена в электронном виде; - единое информационное пространство охватывает всю информацию, созданную об изделии; - единое информационное пространство является единственным источником данных об изделии (прямой обмен данными между участниками жизненного цикла исключен); - единое информационное пространство строится только на основе международных, государственных и отраслевых информационных стандартов; - для создания единого информационного пространства используются программно-аппаратные средства, уже имеющиеся у участников жизненного цикла; - единое информационное пространство постоянно развивается. Стратегия GALS предусматривает двухэтапный план создания единого ин формационного пространства: - автоматизация отдельных процессов (или этапов) жизненного цикла,продукта и представление данных на них в электронном виде; - интеграция автоматизированных процессов и относящихся к ним данных, уже представленных в электронном виде, в рамках единого информационного пространства. Основными преимуществами единого информационного пространства являются: - обеспечение целостности данных; - возможность организации доступа к данным географически удаленных участников жизненного цикла изделия; - отсутствие потерь данных при переходе между этапами жизненного цикла изделия; - изменения данных доступны сразу всем участникам жизненного цикла изделия; - повышение скорости поиска данных и доступа к ним по сравнению с бумажной документацией; - возможность использования различных компьютерных систем для работы с данными. Единое информационное пространство может быть создано для организационных структур разного уровня: от отдельного подразделения до виртуального предприятия или корпорации: При этом различается и:эффект, получаемый от создания единого информационного пространства. При реализации стратегии CALS должны использоваться три группы методов, называемых CALS-технол огнями: - технологии анализа и реинжиниринга бизнес-процессов - набор организационных методов реструктуризации способа функционирования производственного подразделения с целью повышения его эффективности. Эти технологии нужны для того, чтобы корректно перейти от бумажного к электронному документообороту и внедрить новые методы разработки изделия;: - технологии представления данных о продукте в электронном виде — набор методов для представления в электронном виде данных о продукте, относящихся к отдельным процессам жизненного цикла продукта. Эти технологии предназначены для автоматизации отдельных процессов. жизненного цикла (первый этап создания единого информационного пространства).
Использование фундаментальных уравнений переноса для решения прикладных задач
Ниже приводятся примеры и анализ наиболее типичных подходов к математическому моделированию теплообменных устройств, работающих в стационарных и нестационарных режимах.
Так в [102] ставится общая задача моделирования процесса теплообмена. Рассмотрена задача распределения температуры в стенках пластины и цилиндра. Предложены методы и алгоритмы расчёта; а также проанализировано влияние расчётной сетки на точность результатов. Для описания процесса нестационарного конвективного теплообмена с изменяющейся во времени плотностью теплового потока в стенке предложена методика расчёта, основанная на системе дифференциальных уравнений в частных производных [103]..
В работе [104] совместным использованием методов конечных элементов и разностей исследованы процессы вынужденного конвективного переноса в областях сложной геометрической формы и для каналов сложного сечения.
С целью снижения затрат на охлаждение воздуха в вентиляционной системе, предложена математическая модель для І расчёта трубчатого секционного теплообменника без использования допущений, искажающих реальную конструкцию аппарата [105]. Лабораторные испытания проводились в воздушном канале при 12 комбинациях расхода воздуха и воды. В работе [106] для стационарного ламинарного течения в плоском канале рассмотрена нестационарная задача теплообмена с периодическим изменением температуры на входе в канал. На стенках канала задавались граничные условия второго и третьего родов, учитывалась также теплоёмкость материала стенки.
В работах [106, 107] излагаются численные методы, решения нелинейной задачи кристаллизации и охлаждения полиакриловых заготовок.
Общим для. перечисленных работ является то, что для решения уравнений математических моделей были использованы численные методы. Так в [106], решение уравнения энергии получено методом интегральных преобразований, а задача Штурма-Лиувилля решалась численно. В свете современных представлений такой подход можно считать не совсем удачным, т.к. численные методы имеют ряд недостатков. Найденное решение здесь почти всегда зависит от начального приближения, шага, и т. д., поэтому почти всегда следует проводить анализ полученных результатов. Так, в?[108] анализу влияния вышеозначенных факторов на точность полученного решения посвящена целая глава. Также для большинства численных методов, как правило, существует достаточно узкая область значений искомых и задаваемых параметров, в которой метод будет работать гарантированно надёжно.
Упомянутых выше недостатков лишены аналитические методы. В [ 109] предложен метод расчёта прямоточного теплообменника «труба в трубе», основанный на сосредоточенно дифференциальном приближении (температуры потоков сосредоточены по радиусу и распределены по длине). Аналитическое решение уравнений энергии для внутренней и внешней труб получено с использованием метода обобщённого интегрального преобразования: Сопоставление с результатами расчётов «показало,-.что предложенный метод даёт результаты достаточно точные для инженерных расчётов при отношении термических сопротивлений; теплоносителей не превышающих 0,1. В [110] рассмотрена методика теплового расчёта прямоточного регенеративного теплообменника с газообразными теплоносителями, при этом допускалось, что теплоёмкости.теплоносителей и насадки, а также коэффициенты теплопередачи распределены равномерно и постоянны, перенос тепла теплопроводностью в направлении движения теплоносителей отсутствует, а теплоёмкость теплоносителей по сравнению с теплоёмкостью насадки мала. Показано, что при таком подходе разница параметров прямоточного и противоточного теплообменников составляет от 2 до 10%. В [111] исследован ламинарный пульсирующий режим движения теплоносителей; получено аналитическое решения уравнений энергии и теплопроводности; для стенки трубы. В работе [112] путём разбиения трубного пучка на iV параллелепипедов, получен трёхмерный массив температур Nx, Ny, Nz. Рассматриваемая-в работе модель является ячеечной с разбиением на ячейки не только длины аппарата, но и его поперечного сечения: В [113] расчёт нестационарных температур теплоносителей выполнен на базе тепловой модели сложной формы. В[114] путём турбулизации теплоносителя; за счёт оптимального соотношения режимных и конструкторских характеристик для - комплекса теплообменников предложен: принцип интенсификации теплообмена.
В [115 - 117] рассмотрен нестационарный теплообмен в нетипичных случаях. В первом приводятся результаты исследования нестационарного теплообмена в каналах плотно упакованных витых труб овального сечения (только турбулентный режим), а во втором приведена модель расчета теплоотдачи при поперечном омывании набора последовательно расположенных труб, в третьем решается задача нестационарного теплообмена в канале с пучком с овальным, спиральным и круглым оребрением.
В [118] предложена методика расчета турбулентного переноса при нестационарном турбулентном и переходном течении в условиях изменяющегося расхода. Методика позволяет рассчитать локальную среднюю теплоотдачу, сопротивление, профиль скоростей и температур, а также тепловые потоки при скачкообразном, синусоидальном; линейном изменении расхода. В [119] ставится и решается задача выбора оптимального диаметра трубчатого теплообменника по критерию минимума теплового сопротивления стенки.
В работах [120-124] подчеркнута важность именно аналитических решений для описания процессов теплообмена; хотя и численные в определенных случаях могут иметь место. Так, в работе [125] излагается аналитическое решение несимметричной задачи теплопроводности для і однослойной пластины при безградиентном начальном распределении температуры для t случая охлаждения резины в отборочных агрегатах, а в работе [126] та же задача с не меньшей точностью решается численным методом при произвольном начальном распределении температуры.
В случаях, когда решается нелинейная задача теплопроводности, необходимо использовать численные методы (аналитически решаются лишь некоторые частные случаи), поэтому большинство из приведённых моделей решаются численно. Отдельные же аналитические решения выполняются со значительными допущениями [105, 109 - 111, 118].
Решение задачи нестационарной теплопроводности для полого ограниченного цилиндра с функционально меняющимися температурами окружающей среды
При математическом моделировании температурных полей, как правило, основным источником погрешностей служат значения конвективных коэффициентов теплоотдачи, входящие в граничные условия третьего рода задачи теплопроводности.
Коэффициент теплоотдачи является комплексной характеристикой интенсивности теплообмена теплоотдающей (тепловоспринимающей) поверхности и омывающего ее потока жидкости (газа). Он зависит от большого количества физических, геометрических и режимных параметров теплообменного процесса (10 и более). Поэтому вывод прямых аналитических зависимостей для расчета коэффициентов конвективной теплоотдачи на основе фундаментальных знаний о природе процессов теплопереноса в пространстве не представляется возможным.
Существуют различные возможности для определения численных значений коэффициентов конвективной теплоотдачи в конкретных условиях протекания теплообменного процесса.
Классическая инженерная методика расчета коэффициентов конвективной теплоотдачи, базирующаяся на теории подобия, основана на использовании критериальных алгебраических уравнений, обобщающих экспериментальные данные по различным веществам, выступающим в роли теплоносителей, для каждого набора условий протекания теплообменного процесса. Поэтому, использование критериальных уравнений, являющихся, по сути, результатом многомерной аппроксимации, приводит в каждом конкретном расчете к погрешностям, не поддающимся оценке. Как правило, погрешность расчета коэффициентов конвективной теплоотдачи по критериальным уравнениям составляет 30 — 50%. По словам А.А. Гухмана, высказанным в частной беседе, эта погрешность может достигать 900 %.
Другой путь связан с непосредственным измерением температурных полей » в лабораторных или промышленных условиях на действующем оборудовании для исследуемых условий протекания теплообменных процессов и видов теплоносителей. По результатам измерению температурных полей могут быть вычислены локальные значения коэффициентов теплоотдачи.
Существует ряд методик расчета коэффициентов теплоотдачи по экспериментальным данным, это: 1) расчет непосредственно по (определению коэффициента теплоотдачи как удельного количества тепла; приходящегося на единицу площади поверхности теплообмена в единицу времени и; отнесенного к единичной разности температур поверхности и определяющей температуры потока; 2) итеративный алгоритм нахождения коэффициента теплоотдачи, в котором при каждой итерации решается прямая задача теплопроводности, то есть рассчитывается температурное поле в моделируемых условиях, и корректируется значение коэффициента теплоотдачи, входящего в граничные условия задачи теплопроводности; итерации выполняются до приемлемого совпадения расчетного и измеренного температурных полей; 3) прямой расчет коэффициента теплоотдачи по результатам; решения обратной задачи теплопроводности для исследуемого процесса. Первый способ позволяет определить усредненные значения коэффициентов теплоотдачи по результатам экспериментов, выполненных на экспериментальных установках, позволяющих определять значения тепловых потоков. Этот способ широко освещен в литературе и является своего рода классическим. Второй способ является "кустарным", то есть не имеет строгого математического обоснования, хотя он относительно прост и нагляден. Этот способ целесообразно использовать в оценочных расчетах. Третий способ математически строг, но сложен и специфичен. Решению обратных задач теплопроводности посвящено много работ, но их результаты часто оказываются не адаптированными для решения прикладных инженерных задач. Рассмотрим возможные, относительно простые, пути определения коэффициента теплоотдачи по результатам экспериментальных исследований с использованием решения обратных задач теплопроводности. В качестве иллюстрации приведем процесс конвективного теплообмена плоской неограниченной вертикальной пластины с окружающей средой, имеющей постоянную температуру.
Методика расчета температурного поля кожухотрубчатого теплообменника, работающего в стационарном температурном режиме
Вследствие большого количества исходных данных для каждого отдельного расчета целесообразно использовать расчетную программу совместно с базами данных, одна из которых содержит характеристики аппаратов, другая — теплофи-зические характеристики веществ. В этом случае достаточно будет задавать тип аппарата и названия веществ, взаимодействующих в аппарате.
Из последних 7 значений исходных данных (F ,GX,G2,/,,,,t2„,txK,t2K) могут быть неизвестны 1 или 2 значения при условии, что остальные однозначно определяют ситуацию. Очевидно, что не могут быть однозначно определены следующие пары: неизвестных: G, и G2; tu и tu; t2llu t2l!. Наиболее простым является вариантов котором не заданы температуры теплоносителей на одном из концов теплообменника. Любой формально корректный набор исходных данных однозначно определяет температурное поле в аппарате. Если не заданы площадь поверхности теплообмена и одна из четырех температур теплоносителей, становится необходимой проверка заданных значений исходных данных на корректность, так как возможны такие сочетания- исходных данных, при которых передаваемые тепловые мощности не соответствуют тепловым емкостям теплоносителей (не говоря уже о прямо нереальных сочетаниях значений исходных данных). Таким образом, для случаев, когда не заданы температуры теплоносителей на одном из концов теплообменника или не задана площадь поверхности теплообмена, расчет температурного поля аппарата представляет собой однократный последовательный тепловой расчет элементарных областей, составляющих внутренний объем аппарата до достижения либо заданной суммарной площади поверхности теплообмена, либо заданной температуры одного из теплоносителей на і противоположном началу расчета конце аппарата. Если не задан один из расходов теплоносителей либо неизвестны температуры на разных концах теплообменника, выполняется многократный последовательный тепловой расчет элементарных областей, составляющих внутренний объем аппарата по итеративному алгоритму, обеспечивающему нахождение значения одной из неизвестных величин, при котором заданные значения на другом конце аппарата совпадают с расчетными. При этом пересчет температур теплоносителей осуществляется с учетом направления их движения (прямоток или противоток), направления расчета (от горячего конца к холодному, или наоборот) и взаимного расположения теплоносителей (горячий теплоноситель в трубном или межтрубном пространстве). В ходе расчета кожухотрубчатого теплообменного аппарата, работающего в стационарном температурном режиме, средние и конечные температуры теплоносителей в текущей элементарной области, а также знаки составляющих теплового баланса определяются следующим образом.
Текст компьютерной программы, реализующей данную методику расчета температурного поля одноходового кожухотрубчатого теплообменника на основе теплового расчета элементарной области, приводится в приложении 4. Приведенный вариант программы предполагает ввод исходных данных из временного файла, который формируется при выборе данных из базы данных на теплообменное оборудование, из базы данных со свойствами веществ, и данных, определяющих вид расчета. При этом, если не заданы (или заданы нулевыми) толщина загрязнений или толщина теплоизоляции, считается, что они отсутствуют. Зависимости теплофизических характеристик теплоносителей от температуры или давления могут задаваться в виде таблиц. Если таблица состоит из одного значения параметра, оно используется в расчете, как константа; иначе реализуется линейная интерполяция по ближайшим табличным значениям.
Расчет представляет собой последовательный одно- или многократный просчет температурных полей элементарных областей по длине аппарата до достижения заданной конечной температуры одного из теплоносителей, либо до просчета заданной площади поверхности (длины) аппарата; либо до выяснения факта некорректности исходных данных.
При последовательном просчете температурных полей элементарных областей выходные температуры теплоносителей предыдущей элементарной области являются входными для последующей.
При расчете многоходовых и {/-образных кожухотрубчатых теплообменников выполняется совместный итеративный расчет каждого хода, как независимого теплообменника, с учетом соответствующих геометрических условий. Здесь также определяется одна из неизвестных температур на входе (выходе) теплообменника, при которой расчетные температуры теплоносителя в трубном пространстве в области изменения направления движения совпадают по расчетам всех проходов. При такой методике предполагается добавление дополнительного вложенного итеративного цикла на каждые два хода.
В качестве примера приводятся изображения температурных полей элементарной области одноходового кожухотрубчатого теплообменника, работающего в стационарном температурном режиме при прямоточном направлении» движения продукта и хладоагента;
Внутренний диаметр кожуха - 0,462 м; толщина стенки корпуса - 0,009 м; толщина теплоизоляции - 0,07 м; внутренний диаметр труб — 0,0025 м; толщина стенок труб — 0,0002 м; длина труб - 2 м; число труб - 110.
В теплообменнике осуществляется охлаждение перегретого пара бензола, конденсация паров и переохлаждение і жидкого бензола. Расход паров бензола 0,034 кг/с; начальная-температура паров - 150 С; конечная температура жидкого? бензола —25 С.
