книги / Методы управления тепло- и массообменными процессами

3

ВВЕДЕНИЕ

По курсу «Методы управления тепло- и массообменными процессами» в соответствии с учебной программой дисциплины предусматривается проведение четырех расчетных работ. Для проведения расчетных работ описываются задания и приводятся исходные данные, даются соответствующие рекомендации и указываются требования к выполнению работы.

Темы расчетных работ соответствуют различным темам курса:

1.Расчетная работа по проектированию плоской самонесущей футеровки (стены) энерготехнологического агрегата с целью достижения максимальных теплоизоляционных параметров при минимальной стоимости конструкции относится к первой теме курса, связанной с теплопроводностью и конвекцией.

2.Расчетная работа по определению оптимального варианта расположения трубопровода для подачи природного газа на предприятие с целью снижения текущих затрат на перекачку относится к первой и второй темам курса, связанным с теплопроводностью и конвекцией.

3.Расчет энерготехнологического агрегата, производящего перегретый пар, и оптимизация режимов его работы относятся

ктретьей теме курса, связанной с конвективной теплопередачей, усложненной процессами сжигания топлива и утилизации тепла дымовых газов.

4.Расчетная работа по разработке вариантов технологической схемы для разделения технологического потока на отдельные компоненты с использованием методов ректификации/ абсорбции/десорбции с учетом минимальных капитальных и текущих затрат на разделение относится к четвертой теме курса, связанной с процессами теплопередачи и массопередачи.

4

Необходимо отметить, что задания в основном ориентированы на получение студентами определенных навыков работы и усвоение основ инженерного анализа, поэтому рассматриваемые технологические схемы являются упрощенными и могут отличаться от схем реального производства.

Выполнение расчетных работ производится в компьютерном классе с использованием MS Excel и Design-II for Windows. Оформление отчетов относится к самостоятельной работе студентов, а их обсуждение в составе студенческой группы и защита – к аудиторной.

Выполнение расчетных работ совместно с анализом результатов в составе студенческой группы позволит сформировать у студентов не только навыки проектирования и оптимизации сложных технологических объектов, в которых протекают совмещенные процессы передачи тепла и массы, но и навыки анализа большого количества вариантов, результаты расчета которых были получены другими участниками работы (студентами группы).

Оценка качества выполнения заданий и составления отчетов производится по балльной системе, причем за каждое задание можно получить до 10 баллов. Если в ходе выполнения заданий студент набрал в сумме менее 32 баллов, то это означает недопуск его к сдаче экзамена.

5

ЗАДАНИЕ № 1

Проектирование плоской самонесущей футеровки (стены) энерготехнологического агрегата

Цели работы:

1.Получение навыков решения задачи проектирования футеровки энерготехнологического агрегата при наличии сложного критерия оптимальности.

2.Получение навыков проектирования и анализа полученных результатов в составе группы.

Описание задания

В ходе выполнения работы необходимо предложить конструкцию самонесущей теплоизоляционной непродуваемой футеровки энерготехнологического агрегата (температура внутри 1000 С), позволяющую достичь минимальных тепловых потерь в окружающую среду (температура окружающей среды 20 С) при ее минимальной толщине, весе и стоимости. При этом температура поверхности стены снаружи не может превышать 60 С.

Этапы выполнения работы:

1.Повторить теоретические сведения по теме расчетной

работы.

2.Совместно с другими студентами разработать и обсудить реалистичные варианты (количество вариантов должно быть равно количеству студентов) самонесущей теплоизоляционной стенки и согласовать их с преподавателем.

3.Для своего варианта стены с использованием Excel произвести расчеты в целях оптимизации варианта по удельной стоимости стены (руб./м2) и величине тепловых потерь (Вт/м2) за счет из-

6

менения толщины теплоизоляционных материалов многослойной стены и составить отчет (с необходимыми графиками).

4.Обсудить в группе различные варианты конструкции стены совместно с преподавателем и предложить оптимальный вариант конструкции, позволяющий достичь минимальных потерь тепла, с минимальной стоимостью. Используемые в расчетах варианты и полученные другими студентами результаты добавляются к отчету студента с обоснованиями и выводами.

5.Отчет о проведенных расчетах сдать преподавателю

вэлектронном виде.

Порядок выполнения расчетов:

Основное уравнение теплопередачи имеет вид

Qтп Kтп F Т,

где Qтп – тепловой поток через стену; Kтп – коэффициент теплопередачи; F – площадь теплообмена; T – перепад температур, С,

∆Т = Твнутри – Токр. среды,

где Твнутри – температура внутри агрегата; Токр. среды – температура окружающей среды.

Следствием этого уравнения является постоянство удельного теплового потока qтп, проходящего через стену. На этом базируются расчеты, выполняемые по следующему алгоритму:

1. Для определения величины теплового потока qтп необходимо рассчитать T и Kтп.

Разность температуры внутри агрегата и температуры окружающей среды

∆Т = Твнутри – Токр.среды = 1000 – 20 = 980 .

2. Для разработанной конструкции самонесущей теплоизоляционной стены (не менее трех слоев) выбирают материал с необходимой плотностью (таблица), определяют толщину слоев материалов, кратную размерам используемых материалов.

7

Характеристики материалов

3. Рассчитывают коэффициенты теплоотдачи снаружинаружн и изнутри внутр (Вт/(м2·К)) по формулам:

наружн = 9,74+0,07·Tокр. среды;

внутр = 10,0 + 0,16·Tвнутри.

4. По этим данным рассчитывают коэффициент теплопередачи:

на слоя.

5. С использованием полученных данных рассчитывают удельный тепловой поток через 1 м2 стены (Вт/м2) по формуле

qтп Kтп Т.

8

6. Исходя из постоянства теплового потока, рассчитывают температуру на внутренней (горячей) поверхности стены:

7. Исходя из постоянства теплового потока, рассчитывают температуру на наружной (холодной) поверхности стены:

8. Исходя из уравнения теплопроводности, постоянства теплового потока, а также толщины и теплопроводности слоев материала, рассчитывают температуру на границах каждого последующего теплоизоляционного слоя. Например, при расчете с «горячей стороны» стены в «холодную сторону»:

9.Определяют точность расчетов посредством сравнения значений температуры стены с наружной (холодной) стороны, рассчитанных по п. 7 и по п. 8.

10.При несоответствии температуры стены с наружной стороны требованиям условий расчета производят коррекцию конструкции или толщины теплоизоляционных слоев стены.

11.В циклических расчетах (пп. 2–9) варьированием толщины слоев материалов добиваются расчетных температур на границах слоев меньше допустимой температуры эксплуатации

материалов (Тmax) на величину не менее 100 С.

12. С использованием полученных значений толщины слоев материалов, а также известных плотности и цены материалов рассчитывается удельная стоимость стены (руб./м2).

9

13. Варьируя толщину теплоизоляционных слоев при выполнении требований условий расчетов, добиваются максимальных теплоизоляционных характеристик стены при ее минимальной стоимости.

Расчеты подтверждаются графиками и таблицами. Пример выполненных расчетов представлен на рис. 1.

Рис. 1. Расчет теплоизоляционной стены

10