5. Описание составляющих алгоритма окмо – 2005

В алгоритме ОКМО–2005 предусмотрен перебор вариантов методом сеток [7] по 8–ми конструктивным независимым переменным, формирующим типоразмер стандартных или нормализованных теплообменных аппаратов, из которых комплектуется теплообменник:

1. Наименьший наружный диаметр труб, м, d_н.

2. Внутренний диаметр кожуха минимальный, м, D_в.

3. Число ходов в трубном пучке, М.

4. Число параллельных рядов аппаратов при соединении их трубных зон, U_т.

5. Число параллельных рядов аппаратов при соединении их межтрубных зон, U_м.

6. Длина пучка труб в аппарате, м, ℓ_п.

7. Относительная высота сегментной перегородки, Ω.

8. Число перегородок на одном погонном метре пучка труб, шт/м, n_п1.

Конструктивные размеры и характеристики аппаратов, из которых будет формироваться теплообменник, однозначно предопределяются этими переменными, а также следующими признаками конструкции аппарата:

1. Признак компенсации температурных напряжений П_к (0 – аппарат ТН, 1 – аппарат ТЛ,

2 – аппарат ТП, 3 – аппарат ТУ).

2. Признак расположения пучка труб по ходу межтрубного теплоносителя П_рп (0 – шахматный пучок, 1 – коридорный пучок).

3. Признак разбивки труб в пучке П_ртп (0 – по треугольнику, 1 – по квадрату).

4. Признак типа перегородок между трубами П_тп (0 – без перегородок, 1 – сегментные перегородки).

Для каждой переменной задаются минимальное и максимальное значения, а для последней переменной – шаг изменения Δn_п1. Шаги изменения остальных переменных находятся из таблиц стандартов или нормалей. В Приложении к алгоритму, в Т1Пр. и Т2Пр. приведены такие данные для кожухотрубчатых теплообменных аппаратов типа ТН и ТК при расположении труб по равностороннему треугольнику.

С помощью алгоритма ННП формируется начальный (исходный) набор независимых переменных. Далее для этого варианта теплообменного аппарата проводятся все перечисленные выше виды расчёта, необходимые для формирования и выбора показателя оптимальности (см. Б2–Б10 БС–ПОТ). Затем проводится оценка оптимальности текущего варианта ООВ теплообменника, т. е. из всех ранее рассмотренных выбирается наилучший, оптимальный вариант (Б11 БС–ПОТ). Если не все возможные варианты теплообменника перебраны, по алгоритму ИНП (Б12 БС–ПОТ) изменяется набор переменных (типоразмер аппаратов, из которых состоит теплообменник) и процедура расчёта повторяется (следует переход от Б12 к Б1 БС–ПОТ).

К онструкторский расчет характеристик теплообменного аппарата КРХТА и теплообменника КРХТО.

Эти расчёты очень просты (см. БС – КРХТА, БС – КРХТО, блок– схему расчета числа труб в пучке БС–n_тп, блок-схему расчёта габаритов Г_А и объёма V_А кожухотрубчатого теплообменного аппарата БС– Г_А,V_А, блок-схему выбора условного давления в теплообменном аппарате БС– Р_у, блок-схему расчёта объёма изоляции V_иА на кожухотрубчатом теплообменном аппарате БС– V_иА, блок-схему расчёта площади покрытия изоляции F_пиА на кожухотрубчатом теплообменном аппарате БС– F_пиА, блок-схему расчёта массы G_А кожухотрубчатого теплообменного аппарата БС– G_А). Расчёты основаны на использовании геометрических формул и данных стандартов теплообменных аппаратов.

Тепловой расчет. Ядром, основной и наиболее сложной частью алгоритма оптимизации кожухотрубчатых маслоохладителей ОКМО–2005 является алгоритм теплового расчёта (ТР) кожухотрубчатых теплообменников.

ТР включает в себя нахождение теплофизических свойств теплоносителей (термодинамические расчёты), расчёты теплопроводности, теплоотдачи и теплопередачи.

Из 66 задач ТР в проектной практике, в том числе и в алгоритмах ТР любых теплообменников, чаще всего используются два вида ТР:

1. Проектный или прямой тепловой расчёт (ПТР) – определение теоретического, требуемого значения площади F_тот теплопередающей поверхности теплообменника (см. рис. 3, Б3 БС–ТР). Исходными данными являются составляющие уравнения теплового баланса теплообменника G_о, t_он, t_ок, η_по, G_в, t_вн, t_вк, η_пв, схема срока сред в теплообменном аппарате СТ_та, схема срока сред в теплообменнике СТ_то, как совокупности теплообменных аппаратов, все размеры проточной части теплообменных аппаратов, из которых комплектуется теплообменник, и другие величины, необходимые для расчёта процессов теплопереноса (теплоотдачи, теплопроводности, излучения, теплопередачи).

Здесь и далее G_о и G_в – расход теплоносителей, отдающего и воспринимающего теплоту,

t_он, t_вн, t_ок, t_вк – начальные и конечные температуры этих теплоносителей в теплообменнике, η_по, η_пв – притоки (потери) теплоты в окружающую среду каждым теплоносителем.

При расчёте теплообменников, состоящих из стандартных и нормализованных теплообменных аппаратов, размеры проточной части теплообменных аппаратов берутся из стандартов, нормалей или документации заводов – производителей оборудования. В этом случае в процессе расчёта F_тот проектный тепловой расчёт включает нахождение теоретического, требуемого значения числа аппаратов n_тот в теплообменнике, обеспечивающего передачу требуемого теплового потока Q_тот.

П роектному тепловому расчёту теплообменников, состоящих из аппаратов индивидуального изготовления (т. е. не стандартных и не нормализованных), предшествует конструирование проточной части аппаратов при заданном внутреннем диаметре кожуха D_в. Итогом расчёта, кроме значения F_тот, является требуемая длина пучка труб l_п. Если пропорции аппарата (соотношение D_в и ℓ_п) не устраивают проектанта, конструирование проточной части аппаратов повторяется при других D_в вплоть до достижения приемлемого результата.

Отметим, что аппараты индивидуального изготовления – более дорогие по сравнению со стандартными и нормализованными. Поэтому их расчеты в алгоритме ОКМО–2005 не предусмотрены.

2. Поверочный или обратный тепловой расчёт теплообменника (ПоТР) – нахождение любой пары величин из набора при заданном реальном значении площади F_тор теплопередающей поверхности теплообменника (см. рис. 3, Б6 БС–ТР). Уточняются конечные температуры сред t_окут, t_вкут и рассчитывается соответствующий им реальный тепловой поток Q_тоут.

Оба расчёта основаны на совместном решении уравнений теплового баланса и теплопередачи. Каждый из расчётов может применяться отдельно, независимо друг от друга.

В алгоритме ОКМО–2005 применён метод трёхэтапного иерархического ТР, разработанный Каневцом Г. Е. [6, 7].

Метод Каневца Г. Е. состоит их трёх последовательных этапов:

1–й этап. Подсистема ПТР. На первом этапе подсистема проектного теплового расчёта (ПТР) обеспечивает нахождение теоретического (требуемого) значения теплопередающей поверхности элементов F_эт, пар F_пт, рядов F_рт и комплексов F_кт элементов или аппаратов (в алгоритме ОКМО–2005 расчёт пар исключён).

2–й этап. Подсистема расчёта реальной площади теплопередающей поверхности теплообменника (комплекса, ряда, пары, элемента) F_тозо с учётом её запаса и округления.

3–й этап. Подсистема ПоТР. Она обеспечивает расчет реальных конечных температур t_окут, t_вкут (в отличие от заданных t_ок, t_вк) и реального теплового потока Q_тоут (в отличие от Q_тот)

Методической основой 1–ого и 3–его этапов ТР является обобщённая универсальная математическая модель (ОУММ…) процесса теплопередачи в теплообменниках [6, 7, стр. 113, 166, 184]. Она представляет собою систему уравнений теплового баланса и теплопередачи

, (26)

(27)

Здесь Ф_э – функция тепловой эффективности теплообменной поверхности,

ТИП – типоразмеры теплообменной поверхности,

СТ – схема тока сред, А – функция водяных эквивалентов сред,

R – величина, обратная А, . (28)

Температурные комплексы Р и R применяются в западных публикациях. В соответствии с принятыми в литературе определениями при А≤1

ε, (29)

при А>1 , (30)

где – тепловая эффективность схемы тока сред. Отсюда вытекает физический смысл Ф_э как величины, равной (при А≤1) либо пропорциональной (при А >1) отношению фактически переданного тепла Q к теоретически предельно возможному Q_пред, которое могло быть передано при достижении нулевого температурного напора, т. е. теплообменнике с бесконечно большой поверхностью.

О бобщённая универсальная математическая модель процесса теплопередачи в теплообменниках с различными схемами тока сред (ОУММ…) создана при допущении постоянства условий теплопередачи в теплообменнике.

Гидравлический расчет маслоохладителя. Этот расчет (см. рис. 4) сводится к нахождению гидравлических сопротивлений ΔР_т в трубах теплообменника (Б1), между трубами ΔР_м теплообменника (Б3), проверке реальности их значений (Б2, Б4), расчёту мощности N_т и N_м нагнетателей трубной и межтрубной сред.

О сновная сложность этого расчёта содержится в определении ΔР_т и ΔР_м (здесь это не показано). Значения мощности N_т и N_м нагнетателей используются далее при подборе оборудования и в экономическом расчёте.

Экономический расчет. При экономическом расчёте (см. рис. 5) определяются необходимые для последующих оптимизирующих процедур значения капитальных вложений, эксплуатационных расходов, приведенных затрат, а также нужных для этого всех промежуточных экономических показателей.

Ниже кратко показаны основные составляющие расчёта.

Расчёт капитальных вложений.

Ц_то = Ц_а(n_тозо + n_ра) (31)

1.Стоимость монтажа аппарата, УЕ,

С_ма = Ц_а k_ма . (32)

2. Капитальные вложения в изоляцию аппарата,УЕ,

К_иа = Ц_а k_иа . (33)

3. Общие капитальные вложения в аппарат с учётом транспортных и заготовительно – складских расходов (>1), стоимости монтажа и капитальных вложений в изоляцию, УЕ,

К_ао = Ц_а k_тзс + С_ма + К_иа. (34)

4. Капитальные вложения в обвязку теплообменника (задвижек, трубопроводов и др. устройств, включая стоимость монтажных работ) , УЕ,

К_ото = Ц_то k_ото . (36)

5. Капитальные вложения в фундамент теплообменника, УЕ,

К_фто = Ц_то k_фто . (37)

6. Капитальные вложения в металлоконструкции теплообменника, УЕ,

К_мкто = Ц_то k_мкто . (38)

7. Капитальные вложения в КИП и автоматику теплообменника, УЕ,

К_КИПто = Ц_то k_КИПто . (39)

8. Стоимость рабочих сред (теплоносителей) для первоначального заполнения системы, УЕ,

С_ср = Ц_то k_срто . (40)

9. Капитальные вложения в теплообменник, УЕ,

К_то = К_ао(n_тозо + n_ра) + К_ото+ К_мкто + К_фто + С_ср + К_КИПто. (41)

n_тозо – фактическое число аппаратов в теплообменнике с учётом их запаса и округления

n_ра – число резервных аппаратов в теплообменнике, шт.;

k_ма – коэффициент удельной стоимости монтажных работ как доли цены теплообменного аппарата, доли ед., ≥0;

k_иа– коэффициент удельной стоимости изоляции как доли цены теплообменного аппарата, доли ед., ≥0 (0÷0.20);

k_тзс – коэффициент увеличения цены аппарата за счёт транспортных и заготовительно – складских расходов (≥1);

k_ото – коэффициент удельной стоимости обвязки аппаратов как доли цены теплообменника, ≥0 (0÷0.25);

k_мкто – коэффициент удельной стоимости металлоконструкций как доли цены теплообменника, ≥0 (0÷0.15);

k_фто – коэффициент удельной стоимости фундамента как доли цены теплообменника, ≥0;

k_КИПто – коэффициент удельной стоимости КИП и автоматики как доли цены теплообменника, ≥0 (0÷0.10).

k_срто – коэффициент удельной стоимости рабочих сред (теплоносителей) для первоначального заполнения системы как доли цены теплообменника, ≥0;

Калькуляция эксплуатационных расходов.

1.Общие эксплуатационные расходы теплообменника, УЕ/год.

, (42)

где Э_то – эксплуатационные расходы самого теплообменника (сумма амортизационных отчислений, отчислений на ремонт и содержание теплообменника), УЕ/год,

Э_нi – то–же для нагнетателя i–того теплоносителя, УЕ/год,

З_энi – годовые затраты на энергию, необходимую для привода нагнетателя i–того теплоносителя, УЕ/год,

З_тi – годовые затраты на i–тые теплоносители, УЕ/год.

2. Амортизационные отчисления, отчисления на ремонт и содержание теплооб-менника, УЕ/год.

, (43)

где З_трт – годовые затраты на текущие ремонты теплообменника, УЕ/год,

З_1крт – затраты на один капитальный ремонт теплообменника, УЕ/год,

n_кр – количество капитальных ремонтов за весь срок службы оборудования, шт,

К_то – капитальные вложения в теплообменник (4), УЕ,

Т_в – срок службы теплообменника, год.

3. Амортизационные отчисления, отчисления на ремонт и содержание нагнета-телей, УЕ/год.

, (44)

где К_нi – капитальные вложения в i –тый нагнетатель, УЕ,

а_н – общая норма амортизационных отчислений нагнетателя, доли ед.,

а_рсн – отчисления на ремонт и содержание нагнетателей.

4. Годовые затраты на энергию для привода нагнетателей, УЕ/год.

, (45)

где Ц_э – цена единицы потребляемой энергии привода нагнетателей, УЕ/кВт·час,

τ – количество часов работы нагнетателей в году, час/год,

N_i – мощность нагнетателей, кВт.

5. Годовые затраты на теплоносители, УЕ/год,

, (46)

где G_о , G_в – масса теплоносителей, отдающего и воспринимающего тепло, кг/час,

Ц_то , Ц_тв – цена соответствующих теплоносителей, УЕ/т,

10^-3 – коэффициент перевода кг в т.

6. Годовые затраты на текущий ремонт теплообменника, УЕ/год.

, (47)

где n_ч – число чисток аппаратов в году, ед.,

n_а – число аппаратов в теплообменнике, шт,

k_нзт – коэффициент начислений на заработную плату рабочих при текущем ремонте, (>1),

H_сл , H_ст , H_св ,H_пр – нормы времени, соответственно на слесарные, станочные, сварочные и прочие работы, чел.– час,

Т_сл5 ,Т_сл3 – средние часовые тарифные ставки слесарей соответствующих разрядов, УЕ/чел.–час.

7. Годовые затраты на один капитальный ремонт теплообменника, УЕ.

Стоимость капитального ремонта включает расходы включает оплату следующих видов работ:

– разборка и сборка,

– гидравлическое испытание,

– демонтаж,

– монтаж (в случае, если ремонт проводится не на месте эксплуатации оборудования),

– изготовление или замена изношенных частей аппаратов и обвязки С_зтп ,

– расходы на приобретение и хранение материалов и комплектующих.

В частности для кожухотрубчатых теплообменников теплообменные трубы (пучок) являются самым дорогим элементом и выходят из строя в 3-4 раза чаще, чем трубные решетки. Поэтому в стоимость ремонта трубного пучка включается только стоимость замены труб. Тогда затраты на один капитальный ремонт теплообменника, УЕ,

, (48)

где k_нзк – коэффициент начислений на заработную плату при капитальном ремонте, доли ед.,

H_рс – норма времени на разборку и сборку аппаратов, чел.- час,

Ц_зтп – цена замены трубного пучка, УЕ,

З_дм – затраты на демонтаж и монтаж аппарата, УЕ,

Т_к – срок службы заменяемой теплопередающей поверхности аппарата (в рассмат-риваемом случае – пучка труб.

Для аппаратов других конструкций калькуляция годовых затратх на капитальный ремонт теплообменника аналогична. В этих случаях вместо Ц_зтп подставляется цена замены других теплопередающих поверхностей аппаратов.

8.Число капитальных ремонтов за срок службы оборудования, шт,

. (49)

Величина округляется до ближайшего меньшего целого.

9. Расчёт годовых затрат на текущие и капитальные ремонты теплообменников.

Точный расчет стоимости текущего и капитального ремонтов проводятся только при оптимальной замене действующих аппаратов. При проектной оптимизации следует использовать более простую форму расчета с помощью отчислений от капитальных вложений на ремонт и содержание теплообменников (a_рсто) и нагнетателей (а_ртн) в виде

С_трт + С_крт = К_тоа_рсто, (50)

С_трн + С_крн = К_н·а_рстк. (51)

Расчёт эксплуатационных расходов.

Ниже показан такой расчёт применительно к теплообменникам, состоящим из кожухо-трубчатых аппаратов. При комплектации теплообменников аппаратами других конструкций

структура и содержание расчетов сохраняются полностью.

1. Годовые затраты на теплоносимтель трубный, УЕ/год,

З_тт = G_тЦ_ттτ_г . (52)

2. Годовые затраты на теплоносимтель межтрубный, УЕ/год,

З_тм = G_мЦ_тмτ_г . (53)

3. Общие годовые затраты на теплоносители, УЕ/год,

З_т = З_тт + З_тм. (54)

4. Годовые затраты на энергию для работы трубного нагнетателя, УЕ/год,

З_ет = N_т Ц_эт τ _г. (55)

5. Годовые затраты на энергию для работы межтрубного нагнетателя, УЕ/год,

З_эм = N_м Ц_эм τ _г. (56)

6. Общие годовые затраты на энергию для работы нагнетателей, УЕ/год,

З_э = З_эт + З_эм. (57)

7. Годовые затраты (отчисления) на амортизацию, текущий и капитальный ремонты, содержание теплообменника, УЕ/год,

З_то = К_тоk_то. (58)

8. То-же для трубного нагнетателя, УЕ/год,

З_нт = К_нт k_нт. (59)

9. То-же для межтрубного нагнетателя, УЕ/год,

З_нм = К_нм k_нм. (60)

10. Годовые эксплуатационные расходы в теплообменник, УЕ/год,

Э_то = З_то + З_т. (61)

11. Годовые эксплуатационные расходы в трубный нагнетатель, УЕ/год,

Э_нт = З_нт + З_эт. (62)

12. Годовые эксплуатационные расходы в межтрубный нагнетатель, УЕ/год,

Э_нм = З_нм + З_эм. (63)

13. Годовые эксплуатационные расходы в нагнетатели, УЕ/год,

Э_н = Э_нт + Э_нм. (64)

14. Общие годовые эксплуатационные расходы в теплообменник и нагнетатели, УЕ/год,

Э = Э_то + Э_н. (65)

Здесь индексы т и м к теплоносителям трубному и межтрубному,

k_то – коэффициент отчислений на амортизацию, текущие и капитальные ремонты, содержание теплообменника, доли ед., ≥0;

k_нт, k_нм – коэффициенты отчислений на амортизацию, текущие и капитальные ремонты, содержание нагнетателей трубного и межтрубного, доли ед., ≥0.

Остальные величины ясны из текста.

Исходные данные и результаты оптимизации. Паспорт расчёта включает минимум 105 значений исходных данных, распределённых на следующие группы:

• Технологические величины

• Признаки конструкции аппарата

• Признаки схем тока сред

• Признак вида показателя оптимальности теплообменника

• Расчетные ограничения

• Признаки материального исполнения аппарата

• Пределы и шаг изменения независимых переменных

• Экономические величины

• Признаки организации оптимизирующих и исследовательских расчетов

Результаты расчёта содержат следующие группы величин:

• Оптимальные конструктивные характеристики аппаратов

• Результаты теплового расчёта теплообменника

• Результаты конструктивного расчёта теплообменника

• Результаты гидравлического расчёта теплообменника

• Результаты экономического расчёта теплообменника

• Результаты расчёта показателей эффективности

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ ИНФОРМАЦИИ

(приведен в хронологическом порядке).

1. Якоб М. Вопросы теплопередачи. Пер. с англ. – М.: Изд–во иностранной литературы, 1960. – 518 с.

2. Хоблер Т. Теплопередача и теплообменники. Пер. с польского.– М.: Госхимиздат, 1961.–820 с.

3. Клименко А.П., Каневец Г.Е. Расчёт теплообменных аппаратов на электронных вычислительных машинах. – М.; Л.: Энергия, 1966. – 272с.

4. Теория теплообмена. Терминология. Вып. 83. – М.: Наука, 1971. – 81 с.

5. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. – М.; Л.: Госэнергоиздат. 1973. – 320 с.

6. Каневец Г.Е. Обобщенные методы расчета теплообменников и их применение при оптимизации теплообменного оборудования. Дис. … д–ра техн. наук. – Киев, 1974. – 495 с.

7. Каневец Г.Е. Обобщенные методы расчета теплообменников. – Киев: Наук. думка, 1979.– 352 с.

8. Каневец Г.Е. и др. Оптимизация теплообменного оборудования пищевых производств. – Киев: Технiка, 1981. – 192 с.

9. Жукаускас А. А. Конвективный перенос в теплообменниках. – М.: Наука. 1982. – 472 с.

10. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. – М.; Л.: Энергия, 1982. – 424 с.

11. Kanewez G. Berechnung von Wärmeübertragern. Berlin: Akademie-Ferlag, 1982. –328 s.

12. Каневец Г.Е. Теплообменники и теплообменные системы. – Киев: Наук. думка, 1982. – 272 с.

13. Ильченко О.Т., Левченко Б.А., Павловский Г.И., Фокин В.С. Теплоиспользующие установки промышленных предприятий. – Х.: Вища шк., Изд-во Харьк. ун-та, 1985. – 384 с.

14. Каневец Г.Е., Зайцев И.Д., Головач И.И. Введение в автома­тизированное проектирование теплообменного оборудования –Киев:Наукова думка1985.– 232 с.

15. Справочник по теплообменникам. Пер. с англ. В 2 т. – М.: Энергоатомиздат,1987. Т. 1. Часть Х16. Теория теплообменников. Часть 2. Механика жидкости и теплообмен.– 560 с. Т. 2. Часть 3. Тепловой и гидравлический расчёт теплообменников. Часть 4. Физические свойства жидкостей, газов и твёрдых тел. Часть 5. Механический расчёт теплообменников. – 352 с.

16. Бажан П.И., Каневец Г.Е., Селивестров В.М. Справочник по теплообменным аппаратам. – М.: Машиностроение, 1989. – 364 с.

17. Кириллов П. Л. и др. Справочник по теплогидравлическим расчётам (ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы). –М.: Энергоатомиздат.1990. – 360 с.

18. Кутателадзе С. С. и др. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. Справочное пособие. – М.: Энергоатомиздат. 1990. – 367 с.

19. Товажнянский Л. Л. и др. Основы энерготехнологии промышленности. – Харків: НТУ „ХПІ”, 2002. – 430 с. – Рос. мовою.