Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Уфимский государственный нефтяной технический университет»
Кафедра автоматизации технологических процессов и производств
Моделирование статических характеристик
и оптимизация режимов теплообменного аппарата
Отчет о лабораторной работе №2
по дисциплине «Моделирование систем»
Выполнил студент гр. БАТ-09 Михайлов И.Ю.
Проверила доцент В.С. Пручай
Уфа 2011
Цель работы:
Работа предназначена для закрепления теоретического материала по моделированию процессов теплообмена на практических примерах в соответствии с вариантом задания (Приложение B).
В процессе выполнения работы студент должен:
– изучить теоретические основы процесса теплопередачи;
– освоить структуру алгоритма модели;
– рассчитать поверхность нагрева аппарата и конечную температуру нагрева
продукта при базовом режиме и с вариациями по заданным параметрам;
– построить статические характеристики;
– проанализировать полученные результаты;
– выбрать оптимальные рабочие параметры;
– разработать функциональную схему автоматизации (ФСА);
– оформить отчет о проделанной работе.
Схема теплообменника
4.3 Условные обозначения
Исходные данные к расчету теплообменного аппарата:
|
Наименование параметра |
Единица измерения |
Условное обозна- чение |
|
Массовый расход горячего потока (теплоносителя) |
кг/ч |
gh * |
|
Массовый расход холодного потока (нагреваемого продукта) |
кг/ч |
gc * |
|
Относительный удельный вес: горячего потока |
безразм. |
dh |
|
холодного потока |
безразм. |
dc |
|
Начальная температура: горячего потока |
°C |
tnh * |
|
холодного потока |
°C |
tnc * |
|
Конечная температура горячего потока |
°C |
tkh * |
|
Внутренний диаметр: внутренней трубы |
мм |
dv * |
|
наружной трубы |
мм |
dn * |
|
Толщина стенки трубы |
мм |
tt * |
|
КПД теплообменника |
безразм. |
kpd |
|
Средняя т-рная поправка удельного веса на 1°C: для горячего потока |
1/°C |
ah |
|
для холодного потока |
1/°C |
ac |
|
Значения вязкости для соответствующих им температур [два значения при двух температурах]: для горячего потока |
°C см2/с |
t1h, t2h v1h, v2h |
|
для холодного потока |
°C см2/с |
t1c, t2c v1c, v2c |
Примечание. В графе "Условное обозначение" звездочкой помечены параметры, которые можно использовать в качестве варьируемых при исследовании статических характеристик.
4.4 Алгоритм модели
Алгоритм модели представлен в двух вариантах: упрощенной блок – схемой (Приложение А) и в виде математических формул, порядок выполнения которых описывается ниже.
Определяются удельные теплосодержания потоков (ккал/кг) при заданных температурах tnh, tkh и tnc:
(5)
По аналогии находятся qkh и qnc.
Из уравнения теплового баланса (с учетом потерь через кпд аппарата) вычисляется удельное теплосодержание холодного потока на выходе из теплообменника:
(6)
Полученное значение qkc записывается в виде формулы (5), из которой конечная температура холодного потока находится как корень квадратного уравнения и равна
,
(7)
где
(8)
Рассчитываются среднелогарифмические температуры горячего и холодного потоков:
,
(9)
(10)
Затем при среднелогарифмических температурах потоков находятся их плотности
,
(11)
;
(12)
вязкости по формуле Гросса
,
(13)
,
(14)
где
,
(15)
;
(16)
средние удельные теплоемкости по формуле Крэга
,
(17)
;
(18)
коэффициенты теплопроводности потоков по формуле Крэга
,
(19)
;
(20)
критерии подобия Рейнольдса
,
(21)
;
(22)
критерии подобия Прандтля
,
(23)
;
(24)
критерий подобия Нуссельта для холодного потока
(25)
Коэффициенты теплоотдачи потоков рассчитываются при условии, что их критерии Re>10000 и Pr от 0,7 до 2500:
,
(26)
(27)
Это позволяет найти коэффициент теплопередачи
(28)
Далее определяются разности температур потоков на входе и выходе из теплообменника:
,
(29)
(30)
При
,
(31)
иначе
(32)
Вычисляется количество переданного тепла
,
(33)
при котором поверхность теплообмена
,
(34)
а полезная длина внутренней трубы составит
(35)
В случае моделирования режимов работы аппарата с целью построения статических характеристик задается начальное значение одного из входных – варьируемых параметров, шаг варьирования и количество точек. Параметры, которые могут быть варьируемыми, обозначены в п. 4.3 знаком «*».