- •Введение
- •Понятие модели
- •Лекция 2 Математическое моделирование однофазных потоков
- •Лекция 3 Математическое моделирование теплообменных процессов
- •Температурное поле
- •Основы теплового расчета
- •Проектный расчет теплообменного аппарата
- •Проверочный расчет теплообменного аппарата
- •Математические модели теплообменников
- •Теплообменник типа «перемешивание-перемешивание»
- •Теплообменник типа «перемешивание-вытеснение»
- •Теплообменник типа «вытеснение-вытеснение»
- •Постановка задачи
- •Для прямотока
- •Для противотока
- •Тепловой баланс теплообменника: для прямотока
- •Для противотока
- •Варианты заданий для расчета теплообменника
- •Лекция 4 Моделирование кинетики химических и ферментативных реакций
- •Постановка задачи
- •Обратная задача кинетики
- •5.2. Методические указания по практической части.
- •3.4.1. Ингибирование ферментативных реакций
- •Математическое моделирование биОлогической очистки сточных вод в аэротенке
- •Аэротенк
- •Лекция 6 Автоматизированная оценка степени загрязнения окружающей среды от газовых выбросов
Математические модели теплообменников
Обычно принимают, что движение потоков теплоносителя и хладоагента характеризуется гидродинамическими моделями идеального смешения, идеального вытеснения, ячеечной моделью ОДМ или их комбинацией.
Если гидродинамическая структура потоков в теплообменном аппарате соответствует модели идеального смешения, то во всем потоке происходит полное смешение молекул потока. В таком случае любое изменение температуры потока на входе в зону идеального смешения мгновенно распространяется по всему объему зоны.
Гидродинамическая структура потоков теплоносителя, соответствующая модели идеального смешения, имеет место в теплообменных аппаратах с изменением агрегатного состояния потоков –в конденсаторах, кипятильниках, испарителях. Уравнение, описывающее изменение температуры для теплообменника в зоне идеального смешения, имеет вид:
, (6)
где V –объем зоны идеального смешения;v –объемная скорость;Твх, Т –температура потока на входе и в зоне идеального смешения;Ср –теплоемкость потока; –время.
Условие физической реализуемости модели идеального вытеснения выполняются в случае поршневого потока, когда предполагается, что в направлении его движения смещение полностью отсутствует, а в направлении, перпендикулярном движению, происходит идеальное смешение. Гидродинамическая структура потоков, соответствующая модели идеального вытеснения, характерна для движения потоков в трубном пространстве кожухотрубчатых теплообменников различных конструкций, а также для теплообменного аппарата типа «труба в трубе».
Уравнение, описывающее изменение температуры в зоне идеального вытеснения, имеет вид:
, (7)
где Sb –сечение зоны идеального вытеснения;l –координата длины аппарата.
Диффузионная модель гидродинамической структуры потоков соответствует такому движению потоков, когда в направлении его движения существует продольное смещение, а перпендикулярном направлении предполагается наличие идеального смешения.
Диффузионная модель значительно лучше, чем модель идеального вытеснения, описывает гидродинамические условия в реальных кожухотрубчатых теплообменниках. Уравнение, характеризующее изменение температуры по длине зоны, имеет вид:
, (8)
где ет –коэффициент продольного переноса теплоты.
Температуры потоков в теплообменных аппаратах могут изменяться в каждой точке потока не только в результате его движения, но также из-за теплообмена с окружающей средой или за счет источника теплоты. Интенсивность источника теплоты записывается следующим образом:
V qT = F*K*T, (9)
где F –поверхность теплообмена, отнесенная к единице объема;К –коэффициент теплопередачи;Т –разность температур.
Уравнения (4.6)и (4.7)для температур потока с учетом источника теплоты в потоке имеет вид:
; (10)
. (11)
Учитывая (4.9)и зная, чтоV = S*Lиз (4.11)получим:
или
. (12)
Аналогично для ДДМ с учетом (4.9)имеем:
. (13)
Для описания гидродинамической структуры потоков в реальных теплообменных аппаратах используются комбинированные модели движения потоков: ячеечная модель; модель идеального смешения с застойной зоной; модель идеального смешения с байпасом; последовательное соединение двух моделей МИС и МИВ. Применение таких моделей для описания гидродинамической структуры потоков позволяет описать изменение профиля температур как по длине, так и в объеме теплообменного аппарата.