1.2.3 Эволюционно - эвристический метод

Рассмотрим эволюционно-эвристический метод синтеза систем теплообмена, разработанный специально для ручных расчетов [2]. Применение этого метода особо эффективно для синтеза оптимальных систем теплообмена установок первичной перегонки нефти.

Синтез проводят с использованием диаграмм энтальпий потоков. На рисунке 1.6 в качестве примера показана диаграмма энтальпий потоков для системы теплообмена одного горячего потока, двух холодных потоков SC1 и 5С2 и потока водяного пара как теплоносителя. По осям ординат на диаграмме отложены температуры потоков и по оси абсцисс в масштабе, указанном на рисунке, откладываются теплоемкости потоков. Каждому потоку соответствует прямоугольник или трапеция (блок) при различных теплоемкостях потока на входе и выходе. Следовательно, площадь блока обозначает энтальпию потока (блоки вверху рисунка относятся к горячим потокам, внизу - к холодным). Стрелки около соответствующих потоков показывают направление движения потоков, т. е. изменение температур потоков. Относительно оси абсцисс блоки располагаются произвольно, но таким образом, чтобы температуры горячих потоков на входе в блоки и температуры холодных потоков на выходе из блоков располагались в порядке уменьшения их значений слева направо. Теплоносители или хладагенты обозначаются точками на уровне соответствующих температур (первые выше и вторые ниже оси абсцисс). При этом нагреваемые теплоносителями или охлаждаемые, хладагентами потоки соответствуют заштрихованным площадям блоков.

Теплообмен на соответствующих блоках между горячими и холодными потоками обозначается буквами, например, А и В. Поскольку при теплообмене тепло, отдаваемое одним потоком, практически полностью передается другому потоку площади горячих и холодных блоков с одинаковыми буквами должны быть равны между собой. Аналогично, общая площадь всех горячих блоков- должна быть равна площади холодных блоков за вычетом площади потоков, нагреваемых теплоносителем .и охлаждаемых хладагентом. И, наконец, разбивка блоков на меньшие фигуры горизонтальными и вертикальными линиями обозначает соответственно организацию последовательного или параллельного теплообмена.

При синтезе систем теплообмена используют следующие эвристические правила.

1. Теплообмен между горячими потоками или теплоносителем и холодными потоками или хладагентами осуществляется последовательно для потоков в порядке уменьшения их температур, т. е, горячий поток с максимальной температурой на входе связывается теплообменом с холодным потоком с максимальной температурой на выходе; горячий поток со средней, температурой на входе связывается теплообменом с холодными потоками со средней температурой на выходе и, наконец, горячий поток с минимальной температурой на входе связывается теплообменом с холодным потоком с минимальной температурой на выходе.

2. Если температура теплоносителя выше максимальной температуры горячих потоков, подогреватели ставят в конце схемы, т. е. на выходе холодного потока, и. если температура хладагента ниже минимальной температуры холодных потоков, холодильник устанавливают также в конце схемы, т. е. на выходе горячего потока.

Предлагается следующий порядок синтеза системы теплообмена.

1. Для заданных условий теплообмена строят диаграмму энтальпий потоков.

2. Определяют максимальное количество тепла, передаваемого теплообменником с учетом тепла теплоносителей и хладагентов.

. Каждый из блоков, разбивают горизонтальными линиями на участки последовательного теплообмена. Горизонтальные линии в i-м блоке проводят для температур, соответствующих температуре входа (i +1)-го блока.

. Обозначая, элементы блоков одинаковыми буквами, синтезируют схему теплообмена между горячими и холодными потоками.

. Элементы блоков разбивают вертикальными линиями для организации системы параллельного теплообмена, при. этом вертикальные линии в блоке проводят в том случае, когда необходимо уравнять число элементов блоков; обозначенных одинаковыми буквами для холодных и горячих потоков.

. На основе построенной диаграммы энтальпий потоков чертят синтезированную схему теплообмена.

. Определяют необходимые поверхности теплообмена и общую стоимость всей системы теплообмена.

. Вычисленные поверхности теплообмена укрупняют за счет объединения двух или нескольких теплообменников. Новую стоимость системы теплообмена сравнивают с предыдущим значением. Укрупнение продолжают до тех пор, пока стоимость системы теплообмена не начнет увеличиваться.

Проверка данного метода на целом ряде примеров показала, что он обеспечивает нахождение системы теплообмена, близкой к оптимальной с использованием довольно простых вычислительных операций. Одним из существенных достоинств указанного метода является возможность синтеза циклических схем теплообмена, не всегда реализуемых другими известными методами синтеза.