Автоматизированный расчет двухпоточных теплообменников Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Раздел 6. Инженерная экология и смежные вопросы. Литература

1. Казанков Ю.В., Макаров М.С., Миронов В.А. Расчет и конструирование формующего инструмента: Лабораторный практикум. - М.: МИХМ, 1992. - 84 с.

2. Троелсен Эндрю. Язык программирования С# 2005 и платформа .NET 2.0. - М.: ООО «И.Д. Вильяме», 2007. - 1168 с.

Автоматизированный расчет двухпоточных теплообменников

к.т.н. Лянг В.Ф. Университет машиностроения

Аннотация. В статье дается описание структуры и основных принципов работы с программным продуктом по автоматизации расчета двухпоточных теплообмен-ных аппаратов для жидких и газообразных веществ.

Ключевые слова: теплообменники, автоматизированный расчёт

Программное обеспечение АСаТ, разработанное на языке С# [1], предназначено для расчета теплофизических свойств веществ и потерь давления прямого и обратного потоков, геометрических размеров намотки, габаритных размеров и веса двухпоточных витых тепло-обменных аппаратов согласно руководящему документу [2].

Программа АСаТ имеет привычный интерфейс в виде диалоговых окон. Она состоит из управляющей программы, выполненной в виде диалогового окна со стандартной панелью падающих меню, и диалогового окна с двумя вкладками «Ввод данных» и «Расчет».

Последовательность работы с программным продуктом АСаТ представлена в виде схемы на рисунке 1.

Рисунок 1 - Последовательность работы с программой АСаТ

После вызова программы АСаТ на экране появится диалоговое окно (рисунок 2). Далее следует зайти в меню «Теплообменник витой» выделить и щелкнуть левой кнопкой мышки на строке «Двухпоточный». На экране появится диалоговое окно для ввода данных (рисунок 3).

Вкладка «Ввод данных» снабжена рисунками с ползунком прокрутки, на которых пока-

заны обозначения размеров основных конструктивных элементов витого теплообменника

9 АСаТ □ Ей

File Edit Tools Help 1 Теплообменник еигой |_

Деукпоточный

Рисунок 2 - Стартовое диалоговое окно программы АСаТ

' Теплообменник витой

Ввод данник | Расчет

Диаметр (мм)

т рубы внут ренний - <J1 трубы наружный -проволоки оребрении - du эквивалентный - tfö СОрДОчника • Do [21

6.0

Шаг намотки (мм)

поперечный' 11 продольный t2 Шаг ребра-tp, им

намо 1 ки наружный - D |4/р

Температура (К)

входа прямого потока -Т1м |/ioo выхода прямого потока ■ Т1 к I315

входа обратного потока - Т2н 1275 выхода обратного потока Т2к 1394,5

Давление (МПа)

входа прямого потока * Р1 н 13 входа обратного потока - Р2н

Ш

Кюэффициен I оребр&ння - f

■/ЛАПКНЫЙ ХЯрДКТАрИГгТИКИ

El Sl/Зф (МШ} Е2 - F/S.Î (ИВНЗ) ЕЗ ■ RV (ii'(u3) El = FÏM M2M)

_1

|QJ 84

Массовый расход (кг/с)

прямого потока - G1 о 7fi

обратного потока G 2 [о,58

Средним I in о I нос г ь (кг /мЗ)

прямого потока-fl 28 18

Удельная энтальпия (Дж/krJ

входа прямого потока - hin 141 ¿71 о

выхода прямого потока h I к 321135

обратного потока - г2 1 75

Коэффициент запаса поверхности теплообмена * г .

входа обратного потока - И2н ß4 5

выхода обрап юго потока [409415,5 Открыть файл

Число труб - п

—Намотка

Вещество прямого потока |Азот Вещество обратного потока Дзот «

Средняя удельная теплоемкость ( Дж/(кг*К)) Средняя теплопроводность ( Вт/(м*К)) Средняя динамическая вязкость (Па'с)

V] прямого потока И

*] обратного потока- 12

прямого потока • epi обратного потока-ср2

1074

1043

прямого потока• Ь1 обратного потока-

Среднеин тег ральная разность_______

температур (К) О Тси I \ 4^45

Внимание' 1) В попях, выделенныхсветпо-гопубым и серым цветом редактирование не возможно

2) При повторном изменении исходных данных необходимо подтвердить выбор вещее I ва

Рисунок 3 - Диалоговое окно для ввода данных

1

Труба

timi.,

Наружная обечайка Сердечник

Труба

Рисунок 4 - Рисунки вкладки «Ввод данных» при перемещении ползунка прокрутки

174 Известия МГТУ «МАМИ» № 2(14), 2012, т. 4

Ввод данных осуществляется либо выбором численного значения из падающего списка, при щелчке левой кнопки мышки на кнопке-стрелке, либо набором числа с клавиатуры: необходимо предварительно установить маркер в нужное белое поле (рисунок 5).

I Теплообменник витой

Ввод данных расчет

Диаметр (мм)

трубы внутренний - сП 6,0 V

трубы наружный - с!2 8

проволоки оребрения - с!п

эквивалентный - йэ 2,1

сердечника - Ос Ш V

намотки наружный - □ Температура 200 | А

250 300 350

входа прямого потока - Т' 400 450

выхода прямого потока -' 500 550 V

Шаг намотки (мм)

поперечный - Н |з,: Т

продольный - \2 Шаг ребра-1р, мм Коэффициент оребрения -1

Удельные характеристики

Е1 = 31/3ф (м2/м2) Е2 = Р/32 (м2/мЗ) ЕЗ = №/ (М2/МЗ) Е1 = ВМ (м2/кг)

выхода обратного потока-Т2к 394,5

Давление (МПа)

нхпла ппнмпгп потока - Р1 н -г

Массовый расход {кг/с) прямого потока- й 1 о,78 обратного потока - о ,58

Рисунок 5 - Верхняя левая часть вкладки «Ввод данных» с раскрытым списком

Редактирование данных в полях светло-голубого цвета не производится (рисунок 5). Численные значения в этих полях зависят от внутреннего диаметра трубы теплообменника (11, который выбирается из соответствующего падающего списка.

Если в белое поле будет введена буква или какой-либо символ, программа выдаст сообщение о неправильно введенном значении.

Вещество прямого и обратного потока выбирается из заданного списка (рисунок 6). Зависимости между веществами прямого и обратного потока нет. Так же, как и в предыдущем случае поля веществ потоков окрашены в светло-голубой цвет, а значит, редактирование в

них невозможно.

¿НО V

1135 4845 9415,5

Коэффициент запаса поверхности теплообмена-г

1.3

Число труб - п

127

Вещество прямого потока Азот

:ть (Дж^кг-К))

74 43

,45 V

прягм обра

Внима!

Воздух

Водород

Гелий

Кислород

Метан

Вода

Вещество не из списка

Вещество обратного потока Азот *

Вт/(м*К)) Средняя динамическая вязкость (Па*с)

прямого потока- М обратного потока-

№

светло-голубым и серым цветом редактирование не возможно, юнии исходны* данных необходимо подтвердить выбор вещества.

Рисунок 6 - Выбор вещества прямого потока из списка

Программа позволяет проводить расчет не только для веществ, указанных в списке на рисунке 6, но и для каких-либо других веществ. Если выбрать азот, воздух, водород, гелий, кислород, метан или воду, то поля для ввода средней динамической вязкости будут окрашены в серый цвет и численные значения в них редактированию не подлежат. Пользователь может провести расчет теплообменника для вещества не из списка, т.е. для произвольного вещества. Тогда после выбора строки «Вещество не из списка» поля для ввода численных значений средней динамической вязкости станут белыми, а значит, доступными для ввода данных параметров.

В правом нижнем углу вкладки «Ввод данных» под знаком «Внимание!» находится

краткая информация об особенностях и требованиях при работе с программным продуктом.

Вторая вкладка «Расчет» (рисунок 3) служит для вывода результатов расчета на экран монитора (рисунок 7). Она содержит название выбранных веществ прямого и обратного потоков, результаты промежуточного и основного расчета, а также параметры намотки витого теплообменника, кнопки «Сохранить исходные данные» и «Протокол».

LE Теплообменник вмтон с1 /х]

Ваод данных | Расчет

Вещество прямого оотсжз Вещество обратного потока _

Результаты промежуточного расчета

Прямой лоток Обратный поток

Средняя теплопроводность ( ВтДм'К)) - и 1® Средняя относительная »фивизна-А, м/м

i 'рйДнЯЯ Динамическая вязкость (Па* С) - hl М2 Значение фактора кольборна • ]2

Значений Рейнольдса • R&1 Re2 критическое значение критерия Рейнольдса отрубах Коэффициент сопротивления в трубах г1

Значение Прандтля- Pr 1 Рг2

'-Значение Нусоелыа- Nul Коэффициент сопротивления® межгрубном пространстве- f2

Коэффициент теплоотдачи в трубном пространстве al, 8т/(м2*К) е межтрубном пространстве - а?, Вт/(м2*К)

[ Сохранить исходные данные !

Результаты основного расчета | Протокол ]

Потери давления по прямому потоку ■ D RI, Па Высота намотки ■ Н, мм

Потери давления по обратному потоку ■ О Р2, П а масса намотки - м, кг

коэффициент теплопередачи, отнесенный к наружной сребренной поверхности - к. Вт/{м2*К) Площадь поверхности теплообмена меж трубного пространства • F2, м2 Число труб-п |l2~ 1

Число слое© труб в намотке ■ m Средняя длина трубы ■ L, м

Параметры намотки Номер слоя

I Следующий номер слоя |

Наружный диаметр слоя ■ 0\, мм

:: ЗахОДНОСТЬ, ЧИСЛО труб В СЛОЙ - ПЗ [■• [ |5 ] |б 1 [':> ] 1 | ! |

Число рядов труб по длине намотки - пб |ч | [9 | |з | |о | |! | ['/ | }

Длина одной трубы в слое без оыоодоо ■ м | ] ['л^'; \ г ] [

Рисунок 7 - Вкладка «Расчет»

Как правило, результаты промежуточного расчета служат для контроля автоматизированного расчета. Результаты основного расчета используются в расчетно-пояснительной записке, а параметры намотки в рабочих чертежах.

На экран выведены параметры семи первых слоев («Параметры намотки» на рисунке 7). Для просмотра параметров остальных слоев следует нажать один или несколько раз кнопку «Следующий номер слоя».

Для того чтобы не набирать такое большое количество исходных данных, вкладка «Расчет» содержит кнопку «Сохранить исходные данные». При нажатии на нее появляется стандартное окно «Сохранить как». Такое же окно появляется и при выходе из программы «Теплообменник витой». Имя сохраненного файла имеет расширение «.аса!:». Исходные данные сохраняются в виде файла в любом месте магнитного носителя. Их можно открыть на вкладке «Ввод данных», нажав соответствующую кнопку «Открыть файл».

Результаты основного расчета помимо расчета теплофизических свойств веществ включают расчет высоты намотки, массу намотки, число труб, число слоев труб в намотке и среднюю длину трубы. Это позволяет решать задачу оптимизации методом перебора. Например, найти минимальную массу или габаритные размеры теплообменника.

Программу АСаТ можно использовать в Высших учебных заведениях химико-машиностроительного профиля при выполнении курсового и дипломного проектирования на кафедрах «Автоматизированное конструирование машин и аппаратов» и «Процессы и аппараты химических технологий», в проектных организациях, а так же на курсах повышения квалификации специалистов.

Раздел 6. Инженерная экология и смежные вопросы.

Литература

1. Троелсен Эндрю. Язык программирования С# 2005 и платформа .NET 2.0. - М.: ООО «И.Д. Вильяме», 2007. - 1168 с.

2. РД 26-04-4-87. Теплообменники витые криогенных систем. - 81 с.

Термодинамика в слабо-диссипативной теории Колмогорова-Арнольда-Мозера

д.ф.-м.н. проф. Богданов Р.И., к.ф.-м.н. доц. Богданов М.Р., Баранов М.А.

Университет машиностроения Аннотация. В статье представлены результаты численного расчета основных термодинамических переменных, таких как зависимость термодинамических потенциалов от температуры и давления, а также геометрические характеристики динамики. Динамика описывается с помощью дискретной аппроксимации в виде ломаных Эйлера как семейство векторных полей, возникающих в бифуркации Бо-гданова-Такенса.

Ключевые слова: термодинамика, численный расчет основных термодинамических переменных

Слабо-диссипативная теория Колмогорова-Арнольда-Мозера рассматривает малые возмущения гамильтоновых систем в классе всех гладких динамических систем. Таким образом, мы разрушаем интеграл динамики, задаваемый гамильтонианом, но пользуемся методами гамильтоновой механики и термодинамики для рассмотрения численных характеристик маловозмущённой системы в качестве асимптотического анализа расчётных численных данных. Простейший наиболее исследованный пример в слабо-диссипативной теории связан с «Bogdanov-map». Это отображение при подходящем выборе параметров имеет достаточно много асимптотически (не)устойчивых периодических орбит, что позволяет анализировать численные термодинамические величины на практике, сопоставляя эти результаты с пионерскими работами Клаузиуса.

Нормальные формы динамических систем Выбор объектов исследования для математики и математиков был и есть основной проблемой, ввиду длительности по времени создания новых содержательных теорий (см. [6, 10, 24, 27-31, 33-45, 48-50]).

Нормальные формы динамических систем дают примеры, которые репрезентативны в смысле математической статистики или теории вероятностей (см. [6, 7, 11, 24]). Первоначально они возникли в работах A.A. Андронова и его учеников в связи с развитием теории бифуркаций (см. [6, 7, 24]). На смену исследованиям XVIII-XIX столетий индивидуальных динамических систем пришло более трудное изучение семейств динамических систем, зависящих от конечного числа параметров. Другой энтузиаст теории бифуркаций В.И. Арнольд говорил: «.. На полках библиотек пылится много работ, посвящённых исследованию конкретных индивидуальных систем, но простые модельные системы сценариев потери и смены устойчивости не построены и не исследованы...». Он имел ввиду знаменитую работу A.A. Андронова, посвящённую исследованию семейства векторных полей в нелинейном модельном однопараметрическом семействе сегодня зачастую называемую бифуркацией Андроно-ва-Хопфа. Сам В.И. Арнольд эти идеи реализовал в теории версальных деформаций линейных систем, далеко продвинув исследования Жордана по нормальным формам индивидуальных линейных операторов в конечномерном случае.

Ввиду вышеизложенного на сегодняшний день существует большая математическая проблема: описание хаоса или хаотической динамики в детерминированных системах (см. [6, 8, 10, 24, 33, 35, 45]). Примеры необходимости таких исследований даёт математическая фи-