Міністерство освіти і науки України ДВНЗ « Український державний хіміко-технологічний університет»

Методичні вказівки до виконання курсової роботи з дисципліни

«Оптимізація тепломасообмінних процесів та установок»

для студентів денної і заочної форми навчання

по спеціальності 144 «Теплоенергетика»

Затверджено на засіданні кафедри енергетики

Протокол №____від____2016 р.

Дніпропетровськ УДХТУ 2016

Методичні вказівки до виконання курсової роботи з дисципліни «Оптимізація тепломасообмінних процесів і установок» для студентів денної і заочної форми навчання по спеціальності 144 «Теплоенергетика»/

Укл.: В. В. Буличов, С. В. Швачич, О. В. Коломієць – Дніпропетровськ: ДВНЗ «УДХТУ», 2016 - с.

Укладачі: В. В. Буличов, канд. техн. наук

С. В. Швачич , канд. физ-мат. наук

О. В. Коломієць

Відповідальний за випуск М. П. Сухий, проф., канд. техн. наук

Навчальне видання

Методичні вказівки

До виконання курсової роботи з дисципліни « Оптимізація тепломасообмінних процесів і установок для студентів денної і заочної форми навчання по спеціальності 144 «Теплоенергетика»

Укладачі: Буличов Володимир Вікторович

Швачич Світлана Василівна

Коломієць Олена Вікторівна

Підписано до друку Формат Папір ксерокс. Друк різограф. Умов.-друк.арк. 0,75. Облік.-вид.арк. 0,84. Тираж___прим. Зам.№___ Свідоцтвро___від УДХТУ, 49005, м.Дніпропетровськ-5, просп. Гагаріна, 8.

Видавничо-поліграфічний комплекс ІнКомЦентру

Зміст

Вступ 4

1. Оптимізація теплообмінних процесів і теплоенергетичних установок з метою підвищення їхньої ефективності. 5

2. Розробка алгоритму вирішення задачі оптимізації по визначенню оптимальної ступені регенерації тепла в системі теплообмінних апаратів технологічної установки. 7

2.1. Постановка задачі оптимізації 7

2.2. Алгоритм вирішення з використанням методу дослідження функцій класичного аналізу. 9

2.3. Алгоритм вирішення трансцендентного рівняння методом половинного розподілу відносно ступеня регенерації теплоти. 13

2.4. Алгоритм термоекономічної оптимізації теплообмінника - холодильника який входить до системи теплообмінних апаратів технологічної установки. 15

3.Приклад постановки задачі оптимізації по визначенню оптимальної ступені регенерації теплоти в установці перегонки нафти з одноразовим випарюванням 21

4. Вимоги до оформлення курсової роботи 25

Література 28

ВСТУП

Сучасні хімічні виробництва характеризуються все більшою складністю операцій та устаткування. Висока якість отриманихпродуктів стає досяжною лише при підтриманнісуворо визначених технологічних режимів.

Суттєвою особливістю сучасних наукових методів досліджень складних процесів та систем є формалізація, їх аналіз при допомозі математичних моделей та складання набору правил-алгоритмів, які описують зміни стану досліджуваної системи.

Використання методів математичного моделювання стосовно до аналізу та розрахунку процесів хімічної технології дозволяє виявляти оптимальні умови. Більш того, стає можливим не тільки оптимально здійснювати самі процеси, але й оптимально керувати ними при порушенні режимів роботи або зміни окремих параметрів.

Основою методів хіміко-технологічних процесів єдостатньо підготовлений математичний апарат, засобом реалізації якою є сучасні ЕОМ. На сучасному етапі основна задача хімічної технології укладається в складанні та використанні двох алгоритмів: оптимального проектування процесу, таоптимального керування даним процесом.

Висока якість хімічного та нафтохімічного виробництва пов'язана з раціональним використанням матеріального і паливно-енергетичного ресурсу. Хімічне виробництво характеризується великою енергоємністю та відносно низьким рівнем використання палива. В ньому споживається десь 10 % природного газу, притому сюди входить газ, який використовується як енергоносій. Ефективними шляхами рішення проблеми енергозбереження є оптимізація структури розподілення паливно-енергетичних ресурсів між споживачами і систематичне зниження розходу палива та енергії на одиницю продукції, створення нових енергоматеріалозберігаючих та екологічно досконалих теплотехнологій, модернізація створених розроблень, більш економічного обладнання та утворення оптимальних режимів його експлуатування. Більш повне використання енергоносіїв досягається при використанні ВЕР (вторинних енергоресурсів), в якості яких виступають димові гази, пара, гаряча вода або гаряче повітря.

В хімічному виробництві усі технологічні процеси супроводжуються процесами тепломасопереносу, які проходять в теплообмінних апаратах. Використання задач оптимізації дозволяє найбільш якісно організувати технологічні процеси при мінімальних витратах. [3]

1. Оптимізація теплообмінних процесіві теплоенергетичних установокз метою підвищення їхньої ефективності

Сучасний рівень проектування теплоенергетичних установок припускає широке застосування обчислювальноїтехніки, як для прискорення самих інженерних розрахунків, такідля вибору оптимальних характеристик проектованогоустаткування.

Задачею оптимізації теплообмінних систем (ТС) є пошукекстремуму критерію чи ефективності оптимізації(технологічного, термодинамічного, економічного й ін.). Призаданій структурі технологічних зв'язків між теплообміннимиапаратами системи і з урахуванням обмежень, що відповідаютьвимогам технологічного завдання на проектування ТС читехнологічних умов її функціонування.

Звичайно варіюючимиперемінними при оптимізації ТС є масова Витрата холодного потоку, кінцеві температури потоків, кількість теплоти, переданій системі в цілому.

На стадії проектування можна виділити наступні основні етапи рішення задач:

• загальний аналіз задачі оптимізації;

• визначення критерію чи ефективності оптимізації;

• вибір оптимізуючи чи керуючих перемінних і аналіз їхнього впливу на критерій оптимізації;

• складання математичної моделі ТС

• вибір оптимальної стратегії дослідження ТС;

• вибір методу пошуку екстремуму критерію оптимізації і проведення оптимального розрахунку.

Для оцінки ефективності ТС можуть бути використані критерії різного виду :

• технологічні (кінцева температура потоку, що допускається, лінійна швидкість потоку в апараті);

• термодинамічні (утрати ексергії в апараті, ККД);

• економічні (приведені витрати на створення і функціонування чи апарата системи).

Найбільш загальним і повної є техніко-економічнийкритерій ефективності у виді приведених витрат. Для ТС капітальні витрати відповідають вартості з урахуванням коефіцієнтів окупності й амортизації, а експлуатаційні витрати, що враховують витрати на сировину (у даному випадку гарячим чи холодний потік).

Приведені витрати на ТС:

ТС: П= ЕЦ + θG_xG_x ** (1)

де Ц - ціна ТС; Е - Нормативний коефіцієнт окупності й амортизації; G_x - витрата холодного потоку; С_x ** - вартість холодного потоку; θ - тривалість річної експлуатації ТС.

Якщо прийняти лінійну залежність вартості Ц від поверхні теплообміну Ц=аF^b, b=1, то критерій ефективності може бути записаний у виді:

П=S_f∙F+S_x∙G_x (2)

де S_F - вартість одиниці поверхні теплообміну з урахуванням норми окупності й амортизації; S_x=θС_x **.

Таким чином, задача оптимізації ТС зводиться до визначення оптимальних значень поверхні теплообміну і відповідного масової витрати холодного потоку з урахуванням різних значень - масової витрати гарячого потоку, кінцевоїтемператури потоків . числа ходів в апаратах системи що забезпечують мінімальні приведені витрати.

У сучасних виробництвах, яким властиво багаторазове, нагрівання, охолодження технологічних продуктів регенерація теплоти представляється діючим фактором удосконалювання тепловикористання. У загальноприйнятому розумінні регенерація теплоти здійснюється шляхомвикористання фізичної теплоти технологічних потоків, щовідходять, для нагрівання, що входять у цей апарат потоків. При цьому забезпечується економія теплової чи енергії на стадії попереднього підігріву вихідного потоку, чив самому апараті. Одночасно, як правило, досягається зниження витрати хладоагентів у процесі доведення температури технологічного продукту, що відходить, до необхідного кінцевого рівня.

Регенерація теплоти може бути реалізована не тільки при проектуванні нових технологічних установок, але й в умовах експлуатації існуючих виробництв шляхом установки додаткових типових ТА. [1]