Теплонспользующие установки промышленных предприятий

Решение на ЭВМ задачи проектного расчета рекуператора

Описанные с помощью интегральных моделей теп­ловой п гидромеханический расчеты теплообменных аппаратов в условиях установившегося трчения теплоносителей рассмот­рены в гл. 1 (подразд. 1.5). Большой объем вычислительных операций делает ручные расчеты длительными и утомительными. Так, на проектирование простого теплообменного аппарата за­трачивается 8—15 ч, теплообменного аппарата средней слож­ности— 10—15 ч, сложного теплообменного аппарата — 75— 200 ч.

Разработка алгоритмов и программ позволяет ускорить вари­антные расчеты теплообменных аппаратов, свести к минимуму вычислительные ошибки.

Расчет теплообменного аппарата на ЭВМ включает следу­ющие этапы:!) разработка и проверка алгоритмов; 2) програм­мирование и отладка программы; 3) подготовка исходных дан­ных; 4) набивка исходных данных на ленту или перфокарты;

5) ввод исходных данных и программы в' машину; 6) счет; 7) пывод результатов на печать; 8) анализ результатов.

При разработке алгоритма программы необходимо ориен­тироваться на вычислительные возможности машины, опреде­ляемые ее внешней и оперативной памятью. В соответствии с этим могут изменяться исходные данные и расчетные ограниче-. ния, вводимые в программу.

11сходные данные делятся на первичные и вторичные. К пер­вичным относятся данные, не зависящие от воли расчетчика: состав теплоносителей; давление потоков; расход одного из теп­лоносителей и его температуры на входе и выходе; температура второго теплоносителя на входе; иногда температура на выходе пли теплопроизводительность аппарата.

К вторичным относятся такие данные: конструкция аппара­та, численные значения конструктивных размеров; схемы дви­жения теплоносителей (прямоток, противоток, перекрестный ТОК и г. д.); полости для движения теплоносителей в каналах (трубах) и между каналами; скорости течения теплоносителем шт, !£'мт; технологические и конструктивные ограничения; физи­ческие свойства теплоносителей, если они определяются в машине.

От выбора вторичиых исходных данных и метода их ввода зависят скорость и эффективность расчета аппарата. Вторичные исходные данные вводят в машину таким образом: во внешнюю память в виде отдельных программ; в оперативную память вместе с программой как постоянный числовой материал; вмес­те с первичными данными в начале расчета.

Вторичные данные подготавливаются для ЭВМ в виде посто­янных и коэффициентов (например, численные значения конструк­тивных размеров, признаки схемы движения п т. п.), а также функциональных зависимостей (например, физические свой­ства теплоносителей от температуры, скорость накопления за­грязнений в функции от времени и пр.). Следует стремиться к тому, чтобы функциональные зависимости задавались в яв­ном виде. Если исходные данные представлены таблицами, необходимо их аппроксимировать функциями.

При проектировании аппаратов на ЭВМ в программу расче­та вводятся ограничения наибольших и наименьших значений расчетных величин.. Программа расчета строится так, чтобы в случае несоблюдения принятого ограничения расчет повторял­ся по определенному отрезку программы либо проводился даль­ше по одной из ветвей программы. Ограничения делятся на конструктивные, технологические и расчетные.

Конструктивные ограничения: наименьший и наибольший эк­вивалентный диаметр теплопередающего канала; максимальное и минимальное число каналов в пучке для данного типа аппа­рата; максимальная и минимальная длина каналов в секции; наибольший и наименьший диаметр кожуха; наибольшее число ходов; минимальное расстояние между перегородками и т. д.

Технологические ограничения: минимальный допустимый пе­репад давлений в каналах и межканальном пространстве; наи­большая и наименьшая скорость в каналах, в патрубках; наибольшая и наименьшая температура стенок труб и кожуха

Расчетные ограничения: допускаемые напряжения; мини­мальные значения коэффициента совершенства схемы взаимного течения Чг; минимальные и максимальные значения коэффици­ента запаса площади теплообмена; допустимые погрешности расчета и др.

Блок-схема расчета поверхности теплообмена и компоновки пластин для аппаратов без изменения агрегатного состояния теплоносителей (рис. 5.1) соответствует примеру ручного рас­чета, предложенного в подразд. 1.5.

Подпрограмма расчета тепловой производительности или одной из конечных температур, или расхода одного из теплоно­сителей из уравнения баланса тепла (ПП—ТБ) не представля­ет сложностей и может быть построена как универсальная для всех возможных случаев исходных данных. Пример построения подобной подпрограммы приведен в работе [37]. Подпрограммы

SHAPE \* MERGEFORMAT

(^ОстоипЗ

Расчета Д2, АЛ. АРъ, Л^ь N2 предельно просты и могут быть составлены по аналогии с подпрограммой ПП — Га — С.

Все рассматриваемые модели процесса переноса тепла в теп­лообменных аппаратах в стационарных режимах переноса тепла И количества движения исходят из допущения постоянства тепло - фнзичеекпх свойств и коэффициентов теплоотдачи вдоль поверх­ности аппарата. Эти допущения правомерны далеко не во всех случаях работы аппаратов, поэтому использование ЭВМ в рас­четах теплообменных аппаратов позволяет сравнительно легко

И достаточно точно корректировать решение разбивкой всей поверхно­сти теплообмена на т элементов, так чтобы в пределах одного эле­мента изменения температур тепло­носителей были бы незначительны.

Рассмотрим структуру построе­ния алгоритма и блок-схемы прог­раммы интервально-итерационного расчета противоточного кожухо­трубного аппарата.

Выберем теплоноситель, темпе­ратура которого изменяется наибо­лее близко к линейному закону (рис. 5.2). Тогда, разбив аппарат на т последовательных блоков, оп­ределим

Из уравнения баланса энергии в пределах элемента получим

C.G,

= • г (Ли —Л21■)• с2и2

Зная температуру t22i, находим t2i = t22i— Ы2. Располагая тем­пературами одного и другого теплоносителей, определяем тепло­физические характеристики потоков, а затем вычисляем значения <х 1 i, 0-2i, ki-

Используя уравнения для среднего температурного напора при противотоке (1.44), вычисляем Д/(, а из уравнения баланса (Q; = = ciG|5/|) запишем F{ = QiKkiLti). По найденным значениям klt Flt используя уравнения (1.56), (1,57), скорректируем значения t2i, Л21 ■

Приняв, что для следующего элемента Fi такое же, расчет изменения температур в конце следующего блока ВЫПОЛНИЛ! по уравнениям (1.56), (1.57). Располагая Л21, вычисляем для средних температур в элементе значения 1ц, a2l, ki. Определяем Д/i, Qt из уравнения баланса. Тогда легко получить Ft во второй
итерации. По формулам (1.56), (1.57) вновь рассчитываем /21/»

/,2|. Сопоставляем их значения в двух последовательных итера­циях. Если погрешность менее некоторой б, суммируем площади и переходим к следующему элементу.

Программа расчета теплообменного аппарата с учетом из­менений теплофизических свойств теплоносителей по длине ап­парата строится из ряда блок-схем, как и в случае постоянства теплофизических характеристик, однако требует итерационного обращения к группе блоков до обеспечения допустимой погреш­ности в вычислении температур по длине теплообменника.

Для повышения точности расчета блок-схема программы (рис. 5.3) может быть скорректирована изменением числа ин­тервалов разбивки аппарата т и поверхности теплообмена в пределах интервала в двух последовательных итерациях.

В зависимости от целей машинного расчета программа мо­жет быть более полной. Тогда она завершится не расчетом по­верхности теплообмена, гидравлических сопротивлений и мощ­ности насосов, а оценкой техннко-экономических показателей аппарата.

Разработка алгоритмов и программ оптимизационных рас­четов теплообменных аппаратов целесообразна тогда, когда определены структуры максимальной общности аппаратов раз­личных конструктивных выполнений, условий течения, агрегат­ных состояний теплоносителей, технологического назначения аппаратов и т. п.