Теплотехнические расчеты и оптимизация
9.5.1. Оптимальное конструирование
В основе анализа и оптимизации любого теплообмениого аппарата лежат принципы его конструирования. Таким образом, создание методик расчета и принципов проектирования и проектной оптимизации теплообменных аппаратов невозможно без обобщения научного и практического опыта.
Термины выбор, расчет и проектирование теплообмениого аппарата имеют различное содержание.
Выбор означает использование уже существующих теплообменных аппаратов (выпускаемых промышленностью) или с небольшими изменениями, проводимыми конкретным заводом-изготовителем по согласованию с заказчиком. Выбор теплообменных аппаратов осуществляется по каталогам (прайс-листам) заводов - изготовителей.
Поверочный расчет означает расчетную процедуру, при которой определяются тепло - и гидро-(газо-)динамические характеристики уже сконструированного теплообмениого аппарата (рис.9.11).
Весь процесс проектирования теплообменных аппаратов основан на формулировке критериев, по которым будет проверяться его работа. Логические формулировки критериев оптимального проектирвоания хорошо известны, однако практическая их реализация оказывается значительно сложнее. Рассмотрим традиционные принципы выбора критериев в порядке степени их важности:
|
Входные параметры Л |
|
Выходные параметры А |
Расчеты
Геометрических
Размеров
Теплообменной
|
Расходы____ Потоков Температуры потоков ----- Давления потоков ----- |
|
Температуры потоков на выходе |
Поверхности
Геометрия______
Поверхности теплообмена
Теплофизические свойства рабочих
Веществ и----------
|
Тепловая нагрузка аппарата |
|
Расчеты Коэффициента Теплопередачи И плотности Теплового Потока |
Теплоносителей
Потери давления и мощности
_ [30] насоса
|
Расчеты Потерь Давления |
|
Параметры_ загрязнения |
(вентилятора)
Рис.9.10. Схема проведения поверочного расчета
Теплофизических свойств основаны на использовании критериальных уравнений, точность которых находится в пределах разброса экспериментальных данных;
• теплообменный аппарат изготовляется с определенными допусками, что определяется технологической базой завода- изготовителя;
• отложения на теплообменной поверхности теплообменных аппаратов, как правило, оказываются отличными от предполагаемых вначале (к тому же они изменяются со временем). Поэтому жесткие требования к рабочим характеристикам выполняются на практике далеко не всегда. С этой точки зрения для количественных оценок слишком мало как статистических данных о работе отдельных аппаратов, так и сведении о влиянии эффективности их работы на основные технологические процессы. Следовательно, инженер - конструктор может гарантировать будущую надежную работу аппарата только с определенной степенью вероятности.
Второй критерий заключается в том, что теплообменный аппарат должен удовлетворять условиям, общим для всего оборудования холодильной машины (теплового насоса). Сюда входят прежде всего механические напряжения, связанные не только с нормальной работой, но и с транспортировкой от завода-изготовителя до места постоянной работы, монтажом, пуском в эксплуатацию, а также рядом операций по обслуживанию и ликвидации возможных последствий аварийных ситуаций.
Третий критерий представляет собой требования возможности проведения периодического ремонта и обслуживания. Этот критерий относится к ограничениям на размещение теплообменного аппарата (обеспечение свободного пространства вокруг него).
Необходимо отметить, что существуют две принципиально различные в эксплуатации группы теплообменников, каждая из которых требует различных подходов к конструированию и изготовлению, следовательно, основным критерием их оценки и сравнения выступает стоимость. Большая часть существующих поверхностей теплообмена и конструктивные схемы (рис.9.7 и 9.10) дублируются во многих теплообменных аппаратах. Для таких теплообменных аппаратов мировой промышленностью производятся тысячи и миллионы идентичных узлов. В основном из экономических соображений процесс создания этой группы теплообменников сводится к изготовлению некоторого числа аппаратов различной конструкции, всестороннему испытанию в пределах ожидаемых рабочих параметров, окончательному выбору наиболее удачной конструкции и, наконец, к серийному производству теплообменников, наиболее близких к выбранному прототипу.
Теплообменные аппараты (так называемые, коммерческие) широко выпускаются промышленностью без учета каких-либо специальных требований на условия эксплуатации. Они способны выдерживать рабочие давления до 2,5 МПа. Термин коммерческие подразумевает, что стоимость теплообменного аппарата является разумной (но не всегда оптимальной!) как с точки зрения завода- изготовителя, так и с точки зрения будущего потребителя. Очевидно, что любые изменения конструкции или выполнение специального заказа значительно повышает стоимость изготовления тепло - обменного аппарата, т. е. способствует увеличению капитальных затрат на него.
Для частных условий эксплуатации используют тепло - обменные аппараты, которые проектируют и изготавливают небольшими партиями. Часто эти аппараты предназначены для рабочих веществ и теплоносителей, состав и свойства которых способствуют образованию значительных отложений на тепло - обменной поверхности (особенно внутренней), динамика формирования которых недостаточно изучена, а значит, и условия протекания теплообмена не могут быть спрогнозированы на стадии проектирования. Очевидно, такая ситуация не способствует обеспечению высокого процента соответствия между теоретическими характеристиками теплообменного аппарата в результате проектирования и реальными характеристиками в процессе эксплуатации.
Специальные конструктивные материалы для теплообменных аппаратов применяют в исключительных целях, например, при работе в условиях ультранизких температур и/или с химически агрессивными рабочими веществами и тепло - и хладоносителями. Такие тепло - обменные аппараты изготавливают по индивидуальным заказам.
Для широко применяемых рабочих веществ материалом изготовления теплообменных поверхностей могут быть черные и цветные металлы и их сплавы.
