Теплообменные системы

Печь — это термическая система материал—среда—футеровка . В рабочей камере печи во время ее функционирования одновременно находятся исходные материалы, полученные продукты, печная среда, которые заключены в огнеупорные (кислотоупорные) материалы футеровки и ограждены ими от окружающей среды. Все эти материалы имеют различные и постоянно меняющиеся температуры, в связи с чем они находятся в постоянном теплообмене в замкнутой термической (теплообменной) системе материал—среда—футеровка , в которой все эти элементы взаимосвязаны, взаимозависимы и взаимообусловлены. Теплота в этой термической системе, как и всякая энергия, передается в направлении от элемента с высшим потенциалом (источник теплоты) к элементу с низшим (приемник теплоты). Так как потенциалом переноса теплоты является температура, то процесс распространения теплоты непосредственно связан с температурным полем — совокупностью мгновенных значений температур в пространстве и во времени. [c.55]

Декомпозиция общей задачи синтеза на отдельные подзадачи (синтез стадии химического превращения, синтез стадии выделения продуктов, синтез теплообменной системы) существенно упрощает проблему разработки технологической схемы, однако снижается и вероятность получения действительно оптимального варианта вследствие неадекватного воспроизведения взаимосвязей между подзадачами. Поэтому процесс выбора технологической схемы является итерационным, с внесением изменений в стратегию поиска оптимального решения на каждой из стадий. [c.107]

В зависимости от типа элементов схемы (однородные или неоднородные) задача синтеза технологической схемы может ставиться по-разному. При выборе технологической схемы с однородными элементами (теплообменной системы, системы разделения многокомпонентных идеальных смесей методом ректификации) обычно отсутствует исходный вариант схемы и элементы могут соединяться между собой самыми различными способами. Задача состоит в том, чтобы найти оптимальный вариант их соединения (оптимальный в смысле критерия). В случае теплообменной системы задача синтеза может быть сформулирована следующим образом [34]. Имеется М горячих потоков 8 1 И = 1, 2,. . ., М), которые необходимо охладить, и N холодных потоков (7 = 1,2,.... . ., N), которые необходимо нагреть. Для каждого потока заданы начальная Гн, конечная Гк температуры и водяной эквивалент. Имеются также вспомогательные нагреватели и холодильники. Задача синтеза Состоит в том, чтобы создать систему из рекуперативных теплообменников, нагревателей и холодильников, которая позволила бы достичь заданных конечных температур потоков при минимуме полной стоимости системы при заданных стоимостях элементов. [c.108]

Проблема синтеза теплообменной системы состоит в определении поверхности теплообмена и поиске такого способа соединения теплообменников, при котором попарное взаимодействие потоков (теплоносителей и хладоагентов) обеспечивает оптимальное значение критерия функционирования всей системы (обычно экономического). Однородность элементов системы, легкость формулирования и относительная простота задачи привлекают внимание многих исследователей к разработке алгоритмов автоматизированного синтеза технологических схем теплообмена. Однако, несмотря на кажущуюся простоту, комбинаторная природа задачи приводит к значительным трудностям вычислительного характера. Поэтому все известные методы синтеза (а их известно уже большое количество) отличаются главным образом способами снижения размерности задачи. Примечательно, что большинство алгоритмов синтеза технологических схем своим появлением обязано теплообменным системам. [c.452]

При математической формулировке задачи в первую очередь выделяется совокупность параметров состояния синтезируемой системы, однозначно определяющих все остальные параметры системы и ее элементов, в том числе и критерия оптимальности. Формулирование задачи, очевидно, проводится с ориентацией на определенный алгоритм синтеза, в связи с чем принимаются и соответствующие ограничения. Технологические схемы теплообменных систем могут отличаться типом функциональных элементов, т. е. теплообменных аппаратов (вектор Т), конструкционными характеристиками элементов (вектор К) и схемой соединения элементов (множество структур С). Часть параметров состояния при проектировании обычно определяется техническим заданием (например, группа типов теплообменников Т) или регламентируется действующими стандартами на теплообменное оборудование (вектор К). К независимым параметрам состояния теплообменной системы также относится вектор параметров исходных технологических потоков (X). Что касается параметров выходных потоков (вектор У), то для них обычно задается совокупность [c.453]

Следует заметить, что часть эксплуатационных, технологических и других требований технического задания на разработку теплообменной системы не поддается формализации и не может быть включена в систему ограничений. К ним относятся, например, сложившиеся внутризаводские технологические связи конкретного производства, условия размещения оборудования в объеме площадки. Учет таких ограничений производится проектировщиками в процессе анализа теплообменных систем, полученных в результате синтеза. [c.453]

Таким образом, синтез теплообменной системы заключается в выборе такой схемы соединения теплообменных аппаратов, чтобы обеспечивался оптимум критерия П [c.454]

В соответствии с постановкой задачи синтеза теплообменной системы и математической формулировкой Т, К ъ Y являются заданными величинами. Поэтому при синтезе тепловой системы требуется получить такой вариант технологической схемы G, чтобы [c.454]

Важным этапом в постановке задачи синтеза является выбор критерия оптимальности технологической схемы теплообменной системы. В качестве такого обычно принимается величина приведенных затрат на строительство и эксплуатацию системы. Способом формирования такого критерия является аддитивный учет факторов, определяющих затраты на изготовление и монтаж оборудования, а также затраты на эксплуатацию системы в течение определенного периода времени, включая стоимость энергии. Приведенные затраты, связанные со строительством и эксплуатацией тенлообменной системы, могут быть выражены следующим образом [5, 161 [c.454]

Задача синтеза теплообменной системы в соответствии с критерием (8.18) и даже (8.19) представляется чрезвычайно многомерной. Поэтому в алгоритмах синтеза принимаются упрощающие допущения, позволяющие снизить ее размерность. К таким допущениям обычно относятся следующие в пределах технологической схемы два потока обмениваются теплом только однажды (т. е. отсутствуют циклические структуры) потоки- в пределах системы выступают как единое целое (не допускается расщепление потоков) допустимая разность температур между потоками для всех теплообменников одинаковая. [c.455]

С минимальным числом теплообменников непосредственно связан еще один фактор, характеризующий эффективность теплообменной системы. Это минимум поверхности теплообмена. Оценка последнего, как, и двух предыдущих, может быть произведена по [c.456]

Информация, полученная на этапе предварительного анализа задачи разработки теплообменной системы, может служить опорными точками при выполнении непосредственно этапа синтеза. Стратегия же получения оптимального варианта технологической схемы полностью определяется используемым алгоритмом. [c.457]

Известные алгоритмы синтеза теплообменных систем отличаются большим разнообразием. Итак, все перечисленные подходы к синтезу технологических схем реализованы применительно к теплообменным системам. Имея, по существу, одинаковыми исходные данные на проектирование и конечную цель, алгоритмы синтеза различаются способами формирования структуры системы и ее модификации. В соответствии с этим все алгоритмы можно разделить на две группы — с последовательной и одновременной генерацией топологии системы, т. е. при отсутствии или наличии исходной топологии [1]. Хотя такая классификация и не является абсолютной (многие методы обладают признаками обоих подходов), все же она дает возможность делать некоторые обобщения. [c.457]

Итак, алгоритмы синтеза систем теплообмена, ставящие целью обеспечить минимум внешнего потребления энергии (энергетически замкнутые системы) при минимальном (или близком к минимально возможному) числе теплообменников, имеют большое практическое значение при решении задач оптимального проектирования. Однако при повышении степени взаимосвязей в теплообменной системе будут ухудшаться такие характеристики, как надежность и управляемость, которым должно быть уделено внимание при синтезе не в последнюю очередь. Дальнейшее развитие методов синтеза теплообменных систем, очевидно, должно быть связано с интеграцией источников и стоков энергии различного рода в пределах химического производства. Задача синтеза в такой постановке существенно усложняется, но и результаты ее решения имеют большое значение в теоретическом и практическом аспектах. [c.460]

Синтез теплообменных систем на основе термодинамических принципов проводится в несколько этапов [16]. Это определение оптимально-тепловой нагрузки системы (включая подвод и отвод тепла), синтез структуры теплообменной системы и модификация полученной системы с целью получения наиболее приемлемого варианта в соответствии с принятым критерием. Как и в большинстве методов, синтез проводится но эвристическим правилам. [c.466]

Синтез теплообменной системы в соответствии с термодинамическим методом состоит из следующих основных этапов. [c.467]

При решении задач синтеза отдельных стадий химического производства наибольший интерес представляют алгоритмы, пост-роенные с учетом специфики внешних источников и стоков тепла. Причем внешними по отношению к данной стадии могут быть потоки других стадий. Естественно, задача синтеза становится значительно сложнее, снижается управляемость производством вследствие появления дополнительных перекрестных связей, но достигается максимальная степень рекуперации энергии внутри схемы. По суш еству, этот переход от декомпозиционного принципа к совместному синтезу приводит к формированию соответствуюш ей стратегии и критерия оптимальности. Совместный синтез в равной степени может привести к изменению традиционной структуры каждой из стадий, поскольку они будут формироваться исходя из единого критерия оптимальности. Примером такой стратегии является синтез теплообменной системы одноколонной ректификационной установки на основе термодинамического метода [31, 32]. [c.468]

В общем случае пакет программ для проектирования тенлообменной аппаратуры ориентирован на создание теплообменной системы в результате выполнения следующих этапов синтеза одного или нескольких вариантов увязки продуктовых потоков проектирования каждого из теплообменников конкретного варианта теплообменной системы получения оценок каждого теплообменного аппарата и тенлообменной системы в целом по заданному критерию оптимальности (приведенным затратам, термоэкономической эффективности) оптимизации теплообменной системы проверочного расчета тенлообменной системы методом моделирования принятия окончательных решений и получения проектно-сметной документации. [c.567]

Задача синтеза теплообменной системы формулируется как задача оптимальной организации взаимообмена горячих и холодных потоков с минимумом подвода внешней энергии. Система теплообмена рассматривается состоящей из двух подсистем — внутренней (собственно теплообменники) и внешней (нагреватели холодильники, печи, вспомогательное оборудование). [c.567]

Задача синтеза теплообменной системы (ТС) в общем случае формулируется следующим образом [13] необходимо определить структуру технологических связей между теплообменными аппаратами заданного типа, а также размеры поверхностей теплообмена каждого аппарата разрабатываемой теплообменной системы, которые обеспечивают выполнение требуемой операции рекуперативного теплообмена между исходными т горячими и п холодными технологическими потоками при минимальном критерии эффективности. [c.76]

В качестве критерия эффективности могут быть использованы приведенные затраты на создание и эксплуатацию теплообменной системы, которые складываются из капитальных затрат на основное и вспомогательное оборудование (с учетом нормы амортизации и срока окупаемости) и эксплуатационных затрат, зависящих от стоимости тепло- и хладоагентов, электроэнергии и времени функционирования теплообменной системы. Для расчета стоимости теплообменника (Ц,) используется степенная функция от поверхности теплообмена аппарата (Fi) [c.77]

Задача синтеза теплообменных систем решается путем формирования множеств возможных комбинаций исходных горячих и холодных потоков для проведения физически реализуемых операций теплообмена в теплообменном аппарате. Результирующие потоки, которые могут быть получены в процессе рекуперативного теплообмена исходных потоков, также могут обмениваться теплом с другими результирующими и исходными потоками. При необходимости для достижения заданных конечных температур в теплообменных системах могут быть использованы вспомогательные тепло- и хладоагенты. [c.77]

Дополнительные потоки — результирующие потоки, остаточное тепло которых соответствует остаточному теплу исходных технологических потоков и может быть рекуперировано в теплообменной системе путем использования только тепло- и хладоагентов. [c.80]

В общем случае синтезируемая теплообменная система может состоять из совокупности внутренней и внещней подсистем. Внутреннюю подсистему образуют рекуперативные теплообменники, в которых идет взаимный теплообмен между исходными и промежуточными потоками. Внешнюю подсистему образуют вспомогательные теплообменники, в которых идет теплообмен исходных и результирующих потоков с потоками хладоагентов. [c.81]

При решении задачи о назначениях, отображающей внутреннюю и внешнюю подсистемы теплообменной системы, можно получить смешанно-комбинированные структуры, содержащие расположенные в произвольном порядке (рекуперативные теплообменные аппараты, холодильники и нагреватели, что в ряде случаев позволяет получить теплообменную систему с меньшими значениями критерия оптимальности. [c.81]

В ряде случаев в синтезированной теплообменной системе определенные совокупности взаимосвязанных теплообменников с малыми поверхностями могут быть заменены меньшим числом теплообменников с большими поверхностями без увеличения об- [c.81]

При использовании интегрально-гипотетического принципа синтеза систем для решения задачи синтеза теплообменной системы могут быть получены как ациклические, так и циклические структуры технологических схем, теплообменные аппараты в которых, как правило, унифицированы в одном ряду типоразмеров. [c.82]

После синтеза оптимальной структуры теплообменной системы и определения технологических и конструкционных параметров теплообменных аппаратов, входящих в эту схему, анализируется синтезированная схема теплообменной системы. Для каждого теплообменника рассчитываются скорректированные выходные температуры потоков, обусловленные выбором стандартного аппарата с учетом коэффициента запаса поверхности. Если в результате анализа рассчитанные выходные температуры исходных потоков отличаются от заданных, следует синтезировать систему теплообменников при новых значениях тепловых нагрузок и минимально возможном сближении температур на концах аппарата. [c.82]

Так, например, в случае теплообменной системы задача синтеза может быть сформулирована следующим образом. Имеется М горячих потоков Sf j (у = 1, 2,. .., М), которые необходимо охладить, и N холодных потоков 8 ]= 1, 2,. .., ЛО, которые необходимо нагреть. Для каждого потока заданы начальная Т , конечная температуры и водяной эквивалент. Имеются также вспомогательные нагреватели и холодильники. Задача синтеза состоит в том, чтобы создать такую систему из рекуперативных теплообменников, нагревателей и холодильников, которая позволила бы достичь заданных конечных температур потоков при минимуме полной стоимости системы и заданных стоимостях элементов. [c.62]

К указанным трем типам включения ступеней может быть сведена любая теплообменная система, будь то единичный сложный аппарат или группа аппаратов, соединенных между собой произвольным образом. При этом важно подчеркнуть, что отдельная ступень может быть сама элементом произвольной сложности. [c.35]

Для таких случаев на основе ступенчатого метода можно указать весьма простую схему, позволяющую осуществлять расчет сколь угодно сложной теплообменной системы с любой заранее заданной точностью. Ниже приводится примерный порядок такого расчета. [c.39]

Вся теплообменная система или сложный теплообменный аппарат разбивается на отдельные ступени, для которых имеются общие аналитические зависимости вида (1.79) или (1.80). Например, в качестве расчетных ступеней могут быть взяты части общей системы, представляющие собой поперечный ток, общий прямо- и противоток, параллельно-смешанный ток, для которых имеются соответствующие зависимости. [c.39]

По заданным температурам входа и выхода определяют к. п. д. теплообменной системы [c.39]

Описанный способ может быть применен для расчета теплообменной системы любой сложности с заданной точностью. Во многих практических случаях, однако, вполне достаточно иметь хотя и приближенный, но простой и универсальный метод расчета. Идеальным решением этого вопроса было бы одно уравнение для всех встречающихся на практике случаев. [c.40]

Потоки внутри теплообменной системы, называемые промежуточными, составляют множество Р. Промежуточный поток,- определяемый как исходный поток в некотором стационарном состоянии между двумя последовательными операциями теплообмена, будет иметь параметры, зависяпще от конкретных условий взаимодействия и возможностей используемых теплообменников. Число и параметры потоков зависят от количества и параметров теплообменников системы чем больше число теплообменников, тем выше размерность задачи синтеза. [c.453]

Прямой перебор вариантов схем с ростом числа потоков практически невозможен из-за высокой размерности задачи. Практически уже для шестипоточной схемы необходимо рассмотреть 10 вариантов схемы Поэтому использование эвристик и допущений весьма желательно. Так, алгоритм, построенный на эвристике (8.24), позволяет решать задачи разумной размерности [18]. Прав- да, метод может давать иногда заведомо неоптимальные решения, что приводит к необходимости использовать другие эвристики в таких ситуациях. Эта эвристика совместно с запретом на рекуперацию очень малых количеств тепла используется для синтеза теплообменной системы в сочетании с методом ветвей и границ [19]. Основным требованием к синтезируемой схеме является максимальная степень рекуперации тепла. Сочетание стратегии метода декомпозиции с эвристическими правилами было положено в основу декомпозиционно-эвристического алгоритма с обучением [5]. [c.458]

Рассмотренный алгоритм достаточно просто реализуется на начальном этапе синтеза теплообменных систем на основе критерия максимума рекуперации тепла. Однако как при получении базового варианта схемы, так и при его усовершенствовании используются определенные эвристические правила и эволюционные стратегии, связанные с опытом и эрудицией проектировщика и трудно поддающиеся формализации. Наиболее удобным режимом проектирования поэтому является режим непосредственного взаимодействия пользователя с ЭВМ. В этом случае любая стратегия получения оптимального (квазиоптимального) варианта схемы может быть легко реализована. Одной из важных задач для получения оптимального варианта теплообменной системы в соответствии с температурно-интервальным алгоритмом является объединение (расщепление) потоков и теплообменников, перемещени подогревателей и холодильников вдоль температурных градиентов потоков таким образом, чтобы обеспечивалась необходимая [c.465]

Сложность теплообменной системы зависит от последовательности применения операций преобразования. Для упрощения этой последовательности предлагается следующая эвристика. Сначала операции (/р, f ) и (/г, /е) принменяются к отдельным частям суперпотока, а затем ко всему суперпотоку применяются операции (/р, /е)- Помимо этого, МОЖНО применить и другие эвристики, например объединение теплообменников с малыми поверхностями, а также эвристики, связанные с обеспечением надежности, безопасности и гибкости системы. Все это предполагает использование интерактивного режима проектирования, [c.471]

Другим возможным распределением тепловой нагрузки в теплообменной системе является передача равного количества тепла в каждом теплообменнике. При этом используется интегральногипотетический принцип синтеза химико-технологических систем и задача синтеза ТС формулизуется как задача о назначениях. Оптимальная структура ТС определяется путем выбора оптимального варианта из гипотетической обобщенной технологической схемы, включающей совокупность всех альтернативных вариантов теплообменных систем. [c.78]

Каждый альтернативный вариант теплообменной системы формируется на основе декомпозиционного принципа синтеза химико-технологической системы. Количество передаваемого тепла в каждом теплообменнике одинаково, ибо выбор очередной пары потоков не должен зависеть от предыдущих и последующих операций теплообмена исходных потоков, составной частью которых являются эти результирующие потоки. Принимается, что в каждом теплообменнике количество передаваемого тепла — Qmax равно [c.79]

Использование при расчете процесса теплообмена в каждом теплообменнике величины Qmax = Q niin приводит, с одной стороны, к увеличению в синтезируемой теплообменной системе числа теплообменников с меньшей поверхностью, а с другой стороны, позволяет унифицировать набор используемых теплообменников, так как при этом условии диапазон значений поверхностей теп- [c.80]

В зависимости от типа элементов схемы (однородные или неоднородные) задача синтеза технологической схемы может ставиться по-разному. При выборе технологической схемы с однородными элементами (теплообменной системы, системы разделения многокомпонентных идемьных смесей методом ректификации) обычно отсутствует исходный вариант схемы и элементы могут соединяться между собой самыми различными способами. Задача состоит в том, чтобы найти оптимальный вариант их соединения (оптимальный в смысле критерия). [c.62]

Это является результатом того, что ХТС, как кибернетически оргатзованная система, при функционировании исправляет, уточняет и осуществляет стыковку входных и выходных параметров. Примером этого является реализованные проекты висбрекинга. По технологическому проекту процесс нафева исходного гудрона должен осуществляться целевым продуктом - остатком висбрекинга. Температура нафева гудрона, по технологическому проекту, на выходе из теплообменной системы должна была равняться 347°С. Фактическая величина нафева гудрона после 3-4 месяцев эксплуатации составляет всего 270-280°С. Такие условия создались из-за того, что схема теплообмена принятая для реализации состоит из фёх параллельных потоков как по гудрону, так и по остатку висбрекинга. Такое решение продиктовано тем, что подача гудрона на установку и через подсистему теплообмена осуществляется насосами предыдущей установки. Таким образом, попытка экономии энергии на сырьевых насосах привела к вынужденному ухудшению работы теплообменной системы в целом и теплообменных аппаратов подсистемы в частности. В результате -необеспечение фебуемой температуры нафева гудрона. [c.217]

Отсюда следует вывод,-что фубопроводы должны проектироваться и экс17луатироваться в режимах, позволяющих управлять теплообменом системы и регулировать скорости промерзания-протаивания с тем, чтобы скорость продвижения фаницы промерзания с1К/<1х не превысила критическую скорость промерзания. Правильно рассчитанный регламент должен обеспе 1 вать безопасные пределы изменения [c.159]

При использовании стратегии произвольной декомпозиции НФЗ Р декомпозируется путем введения дополнительных множеств переменных декомпозиции Г,, на совокупность нескольких подзадач меньшей размерности каждая из которых является произвольной задачей (ПЗ). Так, например, использование стратегии произвольной декомпозиции для решения ИЗС некоторой теплообменной системы (ТС), которая должна обеспечить рекуперацию тепловой энергии определенного множества горячих и определенного множества холодных технологических потоков, может означать декомпозицию этих множеств горячих и холодных потоков по крайней мере на два подмножества меньшей мощности. В результате указанной декомпозиции образуются две новые подзадачи синтеза меньшей размерности, чем ИЗС. Для решения каждой из подзадач можно использовать либо дальнейшую произвольную декомпозицию образовавшихся подмножеств горячих и холодных потоков, либо применить стратегию элементарной декомпозиции [10, 69 . [c.181]