2.6.4. Классификация расчётов оборудования по назначению.

Расчеты машин и аппаратов по назначению (приложению) представляют собой различные сочетания прочностных, конструктивных (ком­поновочных), тепловых, массообменных, гидромеханических и экономических рас­четов. Таких сочетаний может быть множество. Из этого мно­жества выделим только наиболее распространен­ные [9]: конструкторский, проектный, проектно-конструкторский, поверочный, проектно-поверочный и оптимизирующий расчёты.

Рассмотрим их на примере расчёта теплообменного оборудования (см. рис 3.Х.).

Основой конструкторского расчета служат конструктивный (компоновочный) и прочностной расчеты. Конструкторские рас­четы в основном используются при составлении нормалей, стандартов теплообменных аппаратов и при конструировании спе­циальных аппаратов.

При проектном расчете определяется площадь теплопередающей поверхности при заданных основных размерах стандартных или нормализованных аппаратов, число этих аппаратов, схема тока (соединения аппаратов) в теплообменнике, общая масса теплообменника (масса всех аппаратов в теплообменнике), гидравлические сопротивления в аппаратах, обвязке и теплообменнике в целом. В основе проектного расчета лежит тепловой и гидромехани­ческий расчеты.

Проектно-конструкторский расчет характеризуется тем, что рассчитанная площадь теплопередающей поверхности компону­ется из нестандартных (или ненормализованных) аппаратов. Он более сложен и трудоемок по сравнению с проектным расчетом, так как включает в себя полностью последний и элементы конст­руктивного (компоновочного) расчета.

Основная цель поверочного расчета – определение режима работы теплообменника либо расчет теплопотерь, если известны конструкция, размеры, число и компоновка аппаратов (т. е. заданы поверхность теплообмена и схема тока теплоносителей в аппаратах и теплообменнике). При поверочном расчете определяются любая пара величин из набора G_о, G_в, t_он, t_вн, t_ок, t_вк, η_по, η_пв и гидрав­лические сопротивления при движении теплоносителей в теплооб­меннике. Здесь G_о и G_в – расход теплоносителей, отдающего тепло и воспринимающего тепло, t_он, t_вн, t_ок, t_вк – начальные и конечные температуры этих теплоносителей в теплообменнике, η_по, η_пв - потери тепла в окружающую среду каждым теплоносителем. Основой поверочного расчета являются тепловой и гид­равлический расчеты.

Проектно-поверочный расчет включает в себя полностью теп­ловой проектный (или проектно-конструкторский) и поверочный расчеты. Как правило, после проведения проектн ого расчета реальная площадь теплопередающей поверхности, полученная в результате округления числа аппаратов до целого, отличается от требуемой (расчетной). Последующий поверочный расчет компен­сирует эту неточность путем корректировки пары величин из набора G_о, G_в, t_он, t_вн, t_ок, t_вк, η_по, η_пв.

При оптимизирующем расчете определяются конструктивные, технологические (энергетические), экономические и прочие пара­метры теплообменников, при которых процесс передачи тепла с заданной точностью удовлетворяет условию существования экстремума целевой функции (или показателя оптимальности).

По целям оптимизации (по виду критерия эффективности) можно выделить:

термодинамическую оптимизацию;

технологическую оптимизацию (например, использование допустимых пе­репадов давления или экстремализации скоростей теплоноси­телей);

конструкторскую оптимизацию (например, минимизация массы и габари­тов теплообменника);

эксплуатационную оптимизацию (например, проектирование аппаратов с минимальной скоростью образования отложений);

частичную технико-экономическую оптимизацию (например, минимизация капитальных вложений, эксплуатационных расходов либо их составляющих);

полную технико-экономическую оптимизацию (расчет теплообменника с наименьшим сроком окупаемости дополнительных капитальных вложений либо с наибольшей рен­табельностью, прибылью).

По учету значащих факторов (по числу и составу независи­мых переменных) оптимизирующие расчеты подразделяются на следующие:

расчет оптимальных конструктивных параметров при задан­ной конструкции и форме теплопередающей поверхности (напри­мер, диаметра теплопередающих труб, числа труб в пучке, дли­ны пучка труб, шага между трубами, расстояния между перегородками, толщины изоляции и т. п. для кожухотрубчатых аппаратов, высоты и ширины каналов для пластинчатых аппа­ратов, шагов между витками для змеевиковых аппаратов и т. д.);

расчет оптимальных технологических параметров (опреде­ление оптимальных начальных либо конечных температур сред, их расходов, оптимальных перепадов давления);

расчет оптимальных конструктивных и технологических параметров;

выбор оптимальной схемы тока теплоносителей в аппарате и теплообменнике;

выбор оптимальной конструкции аппарата (определяет комп­лекс предыдущих задач и решается путем сопоставления оптимумов целевой функции для каждой из сравниваемых конст­рукций);

выбор оптимального материального оформления аппарата;

выбор сред, если есть возможность перебора сред. Эффектив­ность использования каждой из них определяется при поочеред­ном решении одной из описанных выше задач поиска оптимума с последующим сопоставлением оптимальных значений целевой функции для каждого из наборов сред;

расчет оптимальной системы теплообменников [14, с. 245— 246], ставящий целью рациональное распределение температур, расходов теплоносителей, тепловых нагрузок между отдельными теплообменниками системы.

Оптимизирующие расчеты можно классифицировать также по содержанию (общности и специфике) алгоритмов, методам поиска экстремума целевой функции и по другим, в том числе комплексному, признакам: по уровню (назначению, приложению) расчетов.

Среди существующих и обозримых в ближайшем будущем задач оптимизации теплообменников можно выделить семь уров­ней расчета: проектная оптимизация; оптимизация аппаратов предельной производительности; оптимальная замена действую­щих аппаратов; оптимизирующие расчеты и унификации оборудования в масштабе предприятий; отраслевая оптимизация теплообменного оборудования; государственная оптимизация теплообменного оборудования и оптимизация стандартов на теплообменные аппараты.