Синтез оптимальных систем теплообмена

 

Для расчета используется программа, написанная в Visual Basic, исходные данные, приведенные в таблице ниже.

Исходные данные для проектирования тепловой системы:

Холодные потоки				Горячие потоки
№ исходного потока	Начальная температура ºС	Конечная темпера тура ºС	Значение водяного эквивалента, кВт/ºС	№ исходного потока	Начальная температура ºС	Конечная темпера тура ºС	Значение водяного эквивалента, кВт/ºС
1	50	415	43,56	1	577,06	485	43,56
2	414,34	425	43,56	2	514,18	410	43,56
3	43,34	405	40,97	3	430,73	180	43,56
				4	411,87	195	40,97

Код программы:

Dim nx As Integer, ng As Integer, n As Integer, n0 As Integer

Dim k As Single, c As Single, dt As Single, k0 As Single

Dim tn() As Single, tk() As Single, w() As Single

Dim tx() As Single, tg() As Single, nomx() As Integer

Dim nomg() As Integer, r() As Single, ne() As Single

Dim st() As Single

 

Private Sub Command1_Click()

st0 = 0

k = 0

m1:

With MSFlexGrid1

.Cols = 9: .Col = 0: .Row = 0: .Text = "L": .Col = 1: .Text = "х": .Col = 2: .Text = "Tнх"

.Col = 3: .Text = "Tхк": .Col = 4: .Text = "г": .Col = 5: .Text = "Tнг"

.Col = 6: .Text = "Tгк": .Col = 7: .Text = "Q": .Col = 8: .Text = "Стоимость"

l = 0

k = k + 1

For i = 1 To n

If tn(i) < tk(i) Then GoTo m2

For j = 1 To n

If tn(j) > tk(j) Then GoTo m3

tg0 = tn(i): tg1 = tk(i)

tx0 = tn(j): tx1 = tk(j)

a = tg0 - tx0 - dt

If a < 0 Then GoTo m3

If (tg1 - tx0) < dt Then tg1 = tx0 + dt

If (tg0 - tx1) < dt Then tx1 = tg0 - dt

qx = (tx1 - tx0) * w(j)

qg = (tg0 - tg1) * w(i)

q = qx

If qx > qg Then q = qg

If q < 1 Then GoTo m3

tx1 = tx0 + q / w(j)

tg1 = tg0 - q / w(i)

dt1 = tg0 - tx1

dt2 = tg1 - tx0

r0 = Log(dt1 / dt2)

dlt = (dt1 + dt2) / 2

If Abs(r0) > 0.639 Then dlt = (dt1 - dt2) / r0

f = q / k0 / dlt

l = l + 1

st(l) = c * f ^ 0.6

st0 = st0 + st(l)

nomg(l) = i: nomx(l) = j: tg(l) = tg1: tx(l) = tx1

.Rows = l + 1

.Col = 0: .Row = l: .Text = CStr(l)

.Col = 1: .Text = CStr(j): .Col = 2: .Text = CStr(tx0)

.Col = 3: .Text = CStr(tx1): .Col = 4: .Text = CStr(i): .Col = 5: .Text = CStr(tg0)

.Col = 6: .Text = CStr(tg1): .Col = 7: .Text = CStr(q): .Col = 8: .Text = CStr(st(l))

m3:

Next j

m2:

Next i

End With

If l = 0 Then GoTo m4

If ne(k) = 1 Then Label5.Caption = "Выберите вариант теплообмена между потоками i и j для которых начальные температуры максимальны"

If ne(k) = 2 Then Label5.Caption = "Выберите вариант теплообмена между потоками, который обеспечивает максимальное количество передаваемого тепла"

If ne(k) = 3 Then Label5.Caption = "Выберите для теплообмена горячий поток с наиболее высокой температурой на входе и холодный поток с наиболее высокой температурой на выходе из теплообменника"

If ne(k) = 4 Then Label5.Caption = "Выберите для теплообмена холодный поток с наиболее низкой температурой на входе и горячий поток с наиболее низкой температурой на выходе из теплообменника"

If ne(k) = 5 Then Label5.Caption = "Выберите для теплообмена пару потоков произвольным образом"

l = CInt(InputBox("Введите номер варианта теплообмена:"))

i = nomg(l): j = nomx(l): tn(i) = tg(l): tn(j) = tx(l)

MSFlexGrid1.Clear

GoTo m1

m4:

Label7.Visible = True: Text4.Text = CStr(st0): Text4.Visible = True

End Sub

 

Private Sub Form_Load()

Dim S As String, i As Integer

CommonDialog1.Action = 1

S = CommonDialog1.FileName

Open S For Input As #1

Input #1, nx, ng

n = nx + ng

Text1.Text = CStr(nx)

Text2.Text = CStr(ng)

n0 = nx * ng

Input #1, k0, c, dt

ReDim tn(1 To n) As Single, tk(1 To n) As Single, w(1 To n) As Single

ReDim tx(1 To n0) As Single, tg(1 To n0) As Single, nomx(1 To n0) As Integer

ReDim nomg(1 To n0) As Integer, r(1 To n0 + 2) As Single, ne(1 To n0 + 2) As Single

ReDim st(1 To n0) As Single

For i = 1 To n

Input #1, tn(i), tk(i), w(i)

Next i

Close #1

r0 = -100

dr0 = CInt(InputBox("Введите любое число из интервала 1-33:"))

For i = 1 To n0 + 2

r0 = r0 + dr0

r(i) = Rnd(r0)

Next i

Label4.Caption = ""

For i = 1 To n0 + 2

If r(i) >= 0 And r(i) < 0.2 Then ne(i) = 1

If r(i) >= 0.2 And r(i) < 0.4 Then ne(i) = 2

If r(i) >= 0.4 And r(i) < 0.6 Then ne(i) = 3

If r(i) >= 0.6 And r(i) < 0.8 Then ne(i) = 4

If r(i) >= 0.8 And r(i) < 1 Then ne(i) = 5

Label4.Caption = Label4.Caption + CStr(ne(i)) + " "

Next i

End Sub

 

Результаты расчета:

 

Таблица 1 Таблица пар исходных потоков ( I этап синтеза)

 

На основании таблицы 1 для теплообмена выбран 8 поток, так как необходимо было выбрать для теплообмена холодный поток с наиболее низкой температурой на входе и горячий поток с наиболее низкой температурой на выходе из теплообменника.

Таблица 2 Таблица пар результирующих и исходных потоков (II этап синтеза)

На основании таблицы 2 для теплообмена выбран 7 поток, так как необходимо было выбрать вариант теплообмена между потоками, который обеспечивает максимальное количество передаваемого тепла.

 

Таблица 3 – Таблица пар результирующих и исходных потоков (III этап синтеза)

На основании таблицы 3 для теплообмена выбран 2 поток, так как необходимо было выбрать вариант теплообмена между потоками i и j, для которых начальные температуры максимальны.

 

Таблица 4 – Таблица пар результирующих и исходных потоков (IV этап синтеза)

 

На основании таблицы 4 для теплообмена выбран 2 поток, так как необходимо было выбрать для теплообмена горячий поток с наиболее высокой температурой на входе и холодный поток с наиболее высокой температурой на выходе из теплообменника.

 

Таблица 5 – Таблица пар результирующих и исходных потоков (V этап синтеза)

 

На основании таблицы 5 для теплообмена выбран 2 поток, так как необходимо было выбрать поток произвольным образом.

В результате синтеза системы теплообмена все потоки, кроме 1го холодного, достигли заданной температуры. Следовательно, его необходимо нагреть до нужной температуры, используя нагреватель.

 

Расчет нагревателя

 

Для расчета используется программа, написанная в Visual Basic.

Код программы:

Private Sub Command1_Click()

Dim c As Single, dt As Single, qx As Single

Dim tx1 As Single, tx0 As Single, tg0 As Single

Dim tg1 As Single, Wx As Single, Wr As Single

Dim qg As Single, q As Single, dlt As Single, k0 As Single

Dim st As Single

c = 483: dt = 20: k0 = 0.01745

tg0 = CSng(Text3.Text)

tx0 = CSng(Text1.Text)

tx1 = CSng(Text2.Text)

Wx = CSng(Text6.Text)

Wr = CSng(Text7.Text)

tg1 = tx1 + dt

qx = (tx1 - tx0) * Wx

qg = (tg0 - tg1) * Wr

q = qx

If qx > qg Then q = qg

tx1 = tx0 + q / Wx

tg1 = tg0 - q / Wr: dtl = tg0 - tx1: dt2 = tg1 - tx0

dlt = (dt1 + dt2) / 2

f = q / k0 / dlt

st = c * f ^ 0.6

Text5.Text = CStr(st)

Text4.Text = CStr(tg1)

End Sub

 

Результаты расчета:

Тепловая схема будет иметь следующий вид:

                                 577,06

 

 

                    414,34               425

 

 

  430,73            566,4               514,18

 

 

43,34                309,92       396,47              405

 

                         

                           411,87                            506,15                435

       180                      485

 

                50                           253,98                  350,129             415

 

                                                                                            460

                             195                              410

 

Общая стоимость данной технологической схемы составляет 1192555.42, которая была получена в результате расчета оптимальных технологических схем (1154145), а также учитывает стоимость нагревателя (38410.42).

Выводы

 

В данной курсовой работе были произведены следующие процессы оптимизации:

1.  С помощью метода наименьших квадратов получили минимальные отклонения экспериментальных значений константы скорости химической реакции от расчетных для нахождения предэкспоненциального множителя k₀ и энергии активации химической реакции Е.

2.  С помощью метода наименьших квадратов получили минимальные отклонения экспериментальных значений константы равновесия от расчетных значений.

3. С помощью метода Брандона получили статическую модель абсорбера, а также рассчитали все потоки на входе и выходе из реакторов.

Выбранная схема теплообмена, состоящая из 5 реакторов и 1 нагревателя, позволяет достичь заданных начальных и конечных температур основных технологических потоков наиболее оптимальным из рассмотренных вариантов.

Таким образом, рассчитанная в данной курсовой работе химико-технологическая система обеспечивает эффективную реализацию заданной технологии.

 

 

Список литературы

1. Методы и средства автоматизированного расчета химико-технологических систем / Кузичкин Н. В., Саутин С. Н., Пунин А. Е., Холоднов В.А., Шибаев В. А. – Л.: Химия, 1987. – 152с

2. Химико-технологические системы. Синтез, оптимизация и управление / Д. Бальцер, В. Вайсс, В. К. Викторов и др. / Под ред. И. П. Мухленова. – Л.: Химия, 1986. -424 с. 

3. Синтез оптимальных тепловых систем. Метод. указания / ЛТИ им. Ленсовета. Л.,1985

Приложение 1

    Зависимость константы скорости от температуры

 

Tº, C	k, 1/c
400	0.4
405	0.4
415	0.5
435	0.6
455	0.8
485	1.3
505	1.6
515	1.8
530	2.2
575	3.5
595	4.3
605	4.7
615	5.2

 

Приложение 2

Зависимость константы равновесия от температуры

 

Tº, C	kp
400	443
420	265
440	112
460	108
480	72
520	35
540	25
560	16
580	12
600	9.5
620	7.0

 

 

Приложение 3

Экспериментальные данные по работе абсорберов

 

Tвх, ºC	Плотность орошения, м3/м2	Объем абсорбера, м3	Tвых, ºC	Степень абсорбции, %
170	13	22	58.9	69.06
180	14	25	52.4	77.10
170	13	30	44.0	87.15
160	18	21	46.1	80.40
188	17	27	43.8	88.45
200	16	24	54.1	76.63
210	19	22	53.3	76.72
150	20	25	32.1	99.12
174	21	26	33.6	98.57
182	21	26	35.3	96.81
190	21	26	37.0	95.16
170	18	26	39.5	92.11
160	17	29	35.4	99.54
170	15	24	49.8	79.19
180	15	24	52.1	77.40
190	15	24	54.3	75.74
210	15	24	58.7	72.77
225	16	22	64.3	68.49
210	18	29	43.0	91.87
150	18	19	47.8	76.54
186	14	25	53.7	76.09
190	14	25	54.6	75.45