МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
“УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ”
Кафедра автоматизации технологических процессов и производств
Учебно-методическое пособие
к лабораторной работе «Моделирование статических характеристик
и оптимизация режимов теплообменного аппарата»
для студентов специальности 220301
«Автоматизация технологических процессов и производств»
Уфа 2010
Учебно-методическое пособие содержит теоретические основы, используемые при разработке математической модели процесса теплообмена и алгоритм реализации модели на ПК.
Рассматриваются вопросы получения расчетных статических характеристик теплообменного аппарата типа «труба в трубе», предназначенного для передачи тепла от более нагретой жидкости к менее нагретой через разделяющую поверхность. Приводятся варианты характеристик потоков и конструктивных параметров аппаратов.
Работа предназначена для студентов инженерно-технических специальностей и бакалавров высших учебных заведений.
Составители: Пручай В.С., доц., канд. техн. наук
Хабиров Н.М., ассистент
Микряков И.В., ст. гр. АТ-07-01
Рецензент: Кирюшин О.В., доц., канд. техн. наук
© Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2010
1 Постановка задачи
Математическое моделирование позволяет исследовать различные варианты аппаратурного оформления процесса, изучить его основные особенности, вскрыть резервы усовершенствования и найти оптимальные решения в рамках используемой модели.
В данной лабораторной работе рассматривается статическая модель процесса передачи тепла в теплообменнике типа «труба в трубе». Алгоритм модели приведен в п. 4.4 и оформлен в виде блок-схемы (Приложение А). Задачей моделирования является определение оптимальных параметров работы аппарата, обеспечивающих максимальный нагрев холодного потока при минимальной поверхности нагрева теплообменника и разработка системы управления процессом.
2 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.
3 Теоретические основы процесса теплообмена
Теплообменные аппараты предназначены для передачи тепла от более нагретой жидкости (газа) к менее нагретой через разделяющую поверхность.
На рисунке 1 показан теплообменник типа «труба в трубе» с противоточным движением фаз и даны условные обозначения параметров.
Рисунок 1 – Схема теплообменника типа «труба в трубе»
При математическом описании процесса принята модель «вытеснение – вытеснение» с использованием уравнений кинетики и теплового баланса. Движущей силой процесса является среднелогарифмическая разность температур потоков, а коэффициентом скорости процесса – коэффициент теплопередачи, который определяется из выражения:
,
(1)
где
и
– пограничные коэффициенты теплоотдачи
от горячего потока к стенке, и от стенки
к холодному потоку, ккал/(м2·ч·°С);
– коэффициенты теплопроводности
отдельных слоев, ккал/(м·ч·°С);
– толщина отдельных слоев, из которых
состоит данная многослойная стенка
(металл, накипь, грязь и т.д.), м.
Расчет коэффициентов теплоотдачи (
)
выполняется с использованием критериев
подобия* Рейнольдса (Re),
Нуссельта (Nu) и Прандтля
(Pr) по формуле:
,
(2)
;
;
,
(3)
где
– скорость потока, м/с;
– внутренний диаметр трубы, м;
– кинематическая вязкость, м2/с;
с – удельная теплоемкость, ккал/(кг·°С);
ρ – плотность, кг/м3.
Поверхность нагрева теплообменника (поверхность теплообмена) определяется по формуле:
,
м2, (4)
где
– среднеарифметическая или
среднелогарифмическая разность начальных
и конечных температур потоков, °С;
Q – количество переданного тепла, ккал/ч;
К – коэффициент теплопередачи, ккал/(м2·ч·°С).
_____________________________________________________________
*Критерии подобия – это безразмерные комплексы, составленные из величин, характеризующих это явление