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УДК 004.42
SYSTEM DER RECHNERGESTUTZTEN THERMISCHEN BERECHNUNGEN DER WARMEAUSTAUSCHAUSRUSTUNG
A.B. Borisenko, S.V. Karpushkin, I.E. Zimnuchova
Lehrstuhl "Die rechnergestutzte Projektierung der technologischen Anlagen ", TSTU; andrey@mail.gaps.tstu.ru
Vorgelegt vom Mitglied des Redaktionskollegiums Professor W.I. Konowalow
Kennworter und Phrasen: die automatisierte Rechnungssysteme; die Berechnung der Warmeanlagen; die Berechnung der Warmetauschern; die thermischen Berechnungen.
Zusammenfassung: Es ist das System fur die Automatisierung der thermischen Berechnungen der Haupttypen von industriellen Warmetauschern vorgestellt. Das System enthalt die Software-Moduln, die in der Entwicklungsumgebung Microsoft Visual C# entwickelt sind. Zum Bestand des Programmkomplexes gehort auch die elektronische Datenbank fur thermophysikalische Stoffdaten, die die Abhangigkeiten der thermodynamischen Eigenschaften von Produkten und Warmetragern von den Temperaturen enthalt.
Die Warmeaustauschprozesse finden breite Anwendung in der Chemie-, Petrochemie-, Energie-, Hutten- und Lebensmittelindustrie. In der Chemieindustrie der Anteil der Warmeausrustung bildet i5-iS %, und in der Petrochemieindustrie - bis zu 50 % der gesamten Ausrustung [i].
Die Warmeprozesse werden in der Industrie fur die Abkuhlung der heiBer Umgebung, fur das Erwarmen der kalten Warmetrager, fur die Durchfuhrung der Prozesse der Verdunstung, der Kondensation, der Verdampfung, des Schmelzens, der Kristallisation u. a. verwendet [2, 3].
Die Projektierung der Warmeaustauschanlagen enthalt eine Reihe von Berechnungen: thermische, hydraulische, mechanische (festigkeits-), technisch-okonomische. Die wesentliche Berechnungsart ist die thermische Berechnung, die die erforderliche Warmeaustauschflache bestimmt kann.
Das von den Autoren entwickelte System «Heat Exchangers Design^) (HeatExchange) ist fur der rechnergestutzte thermischen Berechnungen der Haupttypen von industriellen Warmetauschern zugeordnet, einschlieBlich der Folgenden:
- Doppelrohr-Warmeubertrager (ohne Veranderung von Aggregatzustand des Produktes und des Warmetragers);
- Rohrbundel-Warmeubertrager (der Aggregatzustand sowohl des Produktes, als auch des Warmetragers kann sich andern);
- Platten-Warmeubertrager (ohne Veranderung der Aggregatzustand des Produktes und des Warmetragers);
- Innere Rohrschlangen-Warmeubertrager (ohne Veranderung von Aggregatzustand des Produktes im Apparat, in Rohrschlangen ist die Kondensation ermoglicht);
- Mantel des Ruhrkessels, die aus den Rohren, Halbrohren, Winkeln oder Kastentragern hergestellt sind (ohne Veranderung von Aggregatzustand des Produktes im Apparat, im Mantel ist die Kondensation ermoglicht).
Zum Bestand des Programmkomplexes gehort auch die elektronische Datenbank fur thermophysikalische Stoffdaten, die die Abhangigkeiten der thermodynamischen Eigenschaften von Produkten und Warmetragern von den Temperaturen enthalt: einschlieBlich Densitat, dynamische Viskositat, Warmeleitkoeffizienten, spezifische Kondensationswarme, thermische Ausdehnungskoeffizienten, Oberflachenspannungen, sowie Warmeleitkoeffizienten der Materialien der Wande und der Isolationsmaterialien. Die Werte der Eigenschaften von Stoffen sind in der relationale Datenbank aufgrund des Paradigmas «Objekt-Eigenschaften-Werte» vorgestellt.
Fur die Losung der Aufgaben der Bestimmung der notwendigen Parameter der oben genannten Warmeaustauscher ist es erforderlich, die Reihe der Ausgangs- und Informationsdaten aufzugeben. Bei der Auswahl des Stoffes aus der Datenbank, alle seinen thermophysikalischen Eigenschaften werden automatisch aufgegeben sein. Daruber hinaus ermoglicht es die Dateneingabe vom Benutzer des Systems.
Fur das Produkt, wenn sich sein Phasenzustand nicht andert, ist es erforderlich, die Temperatur auf dem Eingang und dem Ausgang des Warmeubertragers, sowie die Massenstrom aufzugeben. Wenn sich der Phasenzustand des Produktes andert (das Produkt wird verdichtet oder verdampft), so muss man seinen Druck (fur den reinen Stoff), oder die Verdampfungstemperatur (fur die Stoffgemisch), sowie den Massenstrom aufgeben. Wenn im Warmetauscher wird die Anwarmung der Flussigkeit bis zur Verdampfungstemperatur und (oder) die Dampfuberhitzung, die Dampfkuhlung bis zur Kondensationstemperatur und (oder) die Unterkuhlung des Kondensates ausgefuhrt, muss man auch die Temperatur auf dem Eingang und dem Ausgang des Warmeubertragers aufgeben.
Fur den Warmetrager, wenn sich sein Phasenzustand nicht andert, muss man die Anfangstemperatur und noch einen Parameter aufgeben: der Endtemperatur oder Massenstrom.
Im Falle der Veranderung des Phasenzustandes des Warmetragers wird seinen Druck (fur den reinen Stoff) oder die Verdampfungstemperatur (fur die Stoffgemisch) aufzugeben.
Die Berechnung der erforderlichen Warmeaustauschflache des Warmeaustausches besteht aus einigen Etappen [3, 4]:
1. Die Bestimmung der thermischen Belastung des Apparates nach dem Produkt, der mittlere logarithmische Temperaturdifferenz und der Mitteltemperatur des Produktes und des Warmetragers.
2. Die Bestimmung der Massenstrom des Warmetragers (wenn seine Endtemperatur aufgegeben ist) oder der Endtemperatur (wenn der Massenstrom aufgegeben ist) aus der Warmebilanzgleichung.
3. Wenn die uberschlagige Berechnung (fur den Rohrbundel-Warmetauscher, der Innere Rohrschlangen oder Mantel) oder die Berechnung fur einen bestimmten Warmeubergangszahl Kt gewahlt ist, wird die Bestimmung der voraussichtlichen Warmeaustauschflache durchgefuhrt. Wenn Nachrechnung gewahlt ist, so siehe den Punkt 5.
4. Die vorlaufige Auswahl des Warmeubertragers nach der gefundenen Warmeaustauschflache.
5. Die Bestimmung der Warmeubergangswert fur das Produkt und den Warmetrager mit der Nutzung der GroBengleichung fur die entsprechenden Warmeprozesse, der Stromungsregime des Warmetragers, der Konstruktionscharakteristiken des Warmeaustausches (der Querschnittsflache des Rohr-und Interrohrraumes, der raumliche Orientierung des Apparates usw.).
6. Die Bestimmung der Temperaturen der Wande von der Seite des Produktes und des Warmetragers durch die Losung des Bilanzgleichungssystems der Warmestrome.
7. Die Umrechnung der Warmedurchgangszahl unter Berucksichtigung der Warmeubergangswiderstand der Verschmutzungen Schichten der Wande von der Seite des Produktes und des Warmetragers.
S. Die Bestimmung der rechnerischen Warmeaustauschflache bei der Grundgleichung der Warmeubertragung und die endgultige Auswahl des Warmeaustauschers.
Das Beispiel der Arbeit des Systems ist auf der Zeichnung i vorgestellt.
Die Auswahl der Angleichungen fur die Berechnung der berichtigten Warmeubergangswerte hangt von der Art des Warmeaustausches (ohne Veranderung von Aggregatzustand, das Kochen oder der Kondensation), von der Art der gewahlten Oberflache des Warmeaustausches (flach, rohrformig), von der Konstruktiontyp (Rohrbundel-Warmetauscher, der Innere Rohrschlangen, der Mantel usw.), von der Stromungsfuhrung des Warmetragers (laminarer Bereich, Ubergangsbereich, turbulenter Bereich) ab [4, 5].
Vielen Berechnungsformeln fur die Bestimmung der Warmeubergangswerte enthalten in der offenbaren oder impliziten Art die Temperaturen der Wande der Apparateelemente (der Rohre, der auBerlichen Oberflache, der Oberflache der Isolation).
Also, in der Gesamtansicht die Berechnungsformeln fur die Bestimmung der Warmeubergangswerte kann man in der folgenden Art aufzeichnen:
X
a = lf (Re,Pr,Gr, twand )>
nge\samples\Py6aiuKa масло.Ие] ^■ [=|Э| в |
0 Файл Расчет Сервис Окно 1 Q * ЕЗ В ►Хй Справка - в X
В 1. П В 2. Пространстві
Агрегатное состояние Жидкое
Вещество/смесь Масло ДМТ-300 (100)
Начальная температура, [гр.С] 150 Конечная температура. [гр.С] 140
Вещестео/Ьмео) ^ Уксусная кислота (100)
Начальная температура, [гр.С] 40 Конечная температура. [гр.С] 120 Объем среды. [мкуб] 1Є
Длительность процесса. [чч:мг 12:00:00 □ 4. .Аппарат с геплообменньм усір-вом Гип рубашки Гїопутруба
[мг. 12
т
с т
Толщина стенки аппарата, мм: Диаметр навивки рубашки, мм: Шаг навивки рубашки, мм: Число витков рубашки:
58,141
Средняя температура в рубашке, гр.С:
Средняя температура в аппарате, гр.С:
Средняя разность температур, гр.С:
Формулы для расчета коэффициентов теплоотдачи
Коэффициент теплоотдачи для пространства рубашки рассчитывается по формуле для случая вынужденного движения жидкости в змеевике, рубашке из полутруб
Источник: Перемешивание в жидких средах: физические основы и инженерные методы расчета / Л Н. Брагинский и др.-Л: Химия, 1984.-c.170 1 / \0.14
л „ 0.8 „ 0.33 [ Ц
Коэффициент теплоотдачи для пространства аппарата рассчитывается по формуле для случая свободной конвекции
Источник: Методы расчетов процессов и аппаратов химической технологии (примеры и задачи): Учеб. пособие для вузов/ П.Г. Романков и др. - СПб: Химия, 1993. -с. 134 0.25
4,150
•Рг
- 1.1S (GrPl)0 125
Найденные температуры стенок Температура стенки в рубашке, гр.С:
Температура стенки в аппарате, гр.С:
Результат расчета
Коэффициент теплопр-ти материала стенки, ккал/(ч.*м*гр.С): Коэфф-т теплоотдачи в рубашке, ккал/(ч.*м.кв.*гр.С): Коэфф-т теплоотдачи в аппарате, ккал/(ч.*м.кв.*гр.С):
Сопр-е загрязнений в рубашке, м.кв.*гр.С*ч./ккал:
Сопр-е загрязнений в аппарате, м кв *гр С*ч /ккал: Коэффициент теплопередачи, ккал/(ч.'м.кв.*гр.С):
Требуемая поверхность теплообмена, м.кв.:
Обеспечиваемая поверхность теплообмена, м.кв.:
Требуемый тепловой поток, ккал/ч:
Максимально возможный тепловой поток, ккал/ч:
Требуемый тепловой поток обеспечивается 1ЧвТ изоляции Температура стенки в рубашке, гр.С:
Температура внутреннего слоя изоляции, гр.С:
Толщина слоя изоляции, мм:
127,293
114,117
14,104
603,827
313,392
0,00023
0,00058
145,068
6,765
7,401
57058,641
62426,612
145,207
145,123
73,440
Zeichnung І. Das Beispiel der Arbeit des Systems der rechnergestutzten Berechnungen der Warmeaustauschausrustung
wo X - die Warmeleitkoeffizient, W/(m-K); l - der geometrische Parameter des Apparates, m; Re - Reynolds-Zahl; Pr - Prandtl-Zahl; Gr - Grashof-Zahl; twand - die Temperatur der Wande des Apparateelements, К.
Die Berechnungsformeln fur die Bestimmung der Warmeubergangswerte, die in dem System verwendet sind, werden in [3-7] gebracht.
Das entwickelte Rechnungssystem der thermischen Berechnungen der Warmeausrustung wurde in die Projektierungs- und Konstruktionsabteilung der Geoffneten Aktiengesellschaft «Pigment», Tambow, ubergibt, wird bei der Ausbildung der Master-Richtungen i50400 «Die Technologischen Maschinen und Ausrustung» und der Studenten der Fachrichtung 240S0i «Die Maschinen und Apparate der chemischen Produktionen» den Methoden der Bestimmung und der Rekonstruktion der apparativen Ausrustung der chemisch-technologischen Systeme mit breitem Sortiment aktiv verwendet.
Die Veroffentlichung ist in den Rahmen des Projektes, die Zulassungsnummer 2.2.2.3/9065, nach dem analytischen amtlichen Zielprogramm «Die Entwicklung des wissenschaftlichen Potentials der Hochschule (2009-2010 Jahre)» im Jahr 2010 erfullt.
Literatur
1. Леонтьева, А.И. Оборудование химических производств / А.И. Леонтьева. -М. : КолосС, 200S. - 479 с.
2. Скобло, А.И. Процессы и аппараты нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности / А.И. Скобло, И.А. Трегубова, Ю.К. Молоканов. -2-е изд., перераб. и доп. - М. : Химия, i9S2. - 5S4 с.
3. Романков, П. Г. Теплообменные процессы химической технологии / П.Г. Романков, В.Ф. Фролов. - Л. : Химия, i9S2. - 2SS с.
4. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию / Г.С. Борисов [и др.] ; под ред. Ю.И. Дытнерского. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Химия, i99i. - 49б с.
5. Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии (примеры и задачи) : учеб. пособие для вузов / П.Г. Романков [и др.]. - СПб. : Химия, i993. -49б с.
6. Машины и аппараты химических производств. Примеры и задачи : учеб. пособие для студентов втузов, обучающихся по специальности «Машины и аппараты химических производств» / И.В. Доманский [и др.] ; под общ. ред. В.Н. Соколова - Л. : Машиностроение, i9S2. - 3S4 с.
7. Брагинский, Л.Н. Перемешивание в жидких средах: Физические основы и инженерные методы расчета / Л.Н. Брагинский, В.И. Бегачев, В.М. Барабаш. - Л. : Химия, i9S4. - 336 с.
Система автоматизированных тепловых расчетов теплообменного оборудования
А.Б. Борисенко, С.В. Карпушкин, И.Е. Зимнухова
Кафедра «Автоматизированное проектирование технологического оборудования», ГОУ ВПО «ТГТУ»; andrey@mail.gaps.tstu.ru
Ключевые слова и фразы: автоматизированная информационная система; расчет теплообменников; расчет теплообменных устройств; тепловые расчеты.
Аннотация: Представлена система для автоматизации тепловых расчетов основных типов промышленного теплообменного оборудования. Система включает программные модули, разработанные в среде Microsoft Visual C#. В состав программного комплекса также входит справочник теплофизических свойств веществ, содержащий зависимости характеристик используемых рабочих сред и теплоносителей от температуры.
System of Computerized Heat Calculations for Heat Transfer Equipment A.B. Borisenko, S.V. Karpushkin, I.E. Zimnukhova
Department “Computer Aided Designing of Technological Equipment”, TSTU; andrey@mail.gaps.tstu.ru
Key words and phrases: computerized data system; heat calculations; heat transfer calculations; heat transfer devices calculation.
Abstract: The paper presents the system for computerization of heat calculations of basic types of industrial heat transfer equipment. The system includes program modules developed in Microsoft Visual C#. The program complex includes the directory for thermo-physical properties of substances; it contains the dependence of characteristics used in the working environment and heat carriers on the temperature.
Systeme des calculs thermiques automatises de l’equipement de l’echange de chaleur
Resume: Est presente le systeme pour le calcul thermique automatise des types essentiels de l’equipement industriel de l’echange de chaleur. Le systeme comprend des modules programmes elabores dans le milieu Microsoft Visual C#. Dans la composition du complexe programme entre aussi l’indicateur des proprietes thermophysiques des matieres contenant les dependances des carateristiques des milieux utilises de travail et des supports de chaleurs a partir de la temperature.
Авторы: Борисенко Андрей Борисович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Автоматизированное проектирование технологического оборудования»; Карпушкин Сергей Викторович - доктор технических наук, профессор кафедры «Автоматизированное проектирование технологического оборудования»; Зимнухова Ирина Евгеньевна - магистрант группы МТ-53 кафедры «Автоматизированное проектирование технологического оборудования», ГОУ ВПО «ТГТУ».
Рецензент: Гатапова Наталия Цибиковна - доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой «Химическая инженерия», ГОУ ВПО «ТГТУ».
