ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Об оптимизации теплообменных аппаратов из "Теплообменные процессы химической технологии" Расчеты, проводимые по любому из приближенных методов или по более точному поинтервальному способу показывают, что реализовать процесс теплообмена в пределах заданных значений параметров возможно, как правило, не одним, а многими вариантами конструктивного оформления теплообменной аппаратуры. Можно варьировать число и диаметр труб ТОА, диаметр кожуха, число ходов и количество перегородок в межтрубном пространстве в рамках конструктивных вариантов ТОА, выпускаемых промышленностью. Кроме того, в пределах одной и той же конструкции ТОА возможны различные значения линейных скоростей теплоносителей, а в некоторых случаях и вариации конечной температуры одного из теплоносителей, если его расход не задан из каких-либо дополнительных соображений. [c.243] Различные варианты оформления процесса теплообмена обычно оказываются неравноценными по многим показателям. Выбор может быть сделан на основе приемлемого значения одного или нескольких параметров конструктивного (например, приемлемая длина ТОА), технологического (например, допускаемое значение I2k) или экономического (затраты энергии на прокачку теплоносителей) характера. Такой выбор может оказаться субъективным, может зависеть от опыта и интуиции проектировщика и часто носит неопределенное название конструктивного решения. В настоящее время такого рода методы должны уступать место более точным способам выбора оптимальных вариантов конструктивного оформления технологических процессов. [c.243] Поиск оптимального варианта неизбежно связан с формулированием определенного критерия оптимальности (КО), численное значение которого должно давать ответ на вопрос, какой из возможных допускаемых расчетом вариантов осуществления заданного процесса теплообмена является действительно оптимальным. Очевидно, что КО должен быть единым, поскольку стремление удовлетворить одновременно экстремальным значениям двух или более КО вновь делает задачу выбора неопределенной. [c.243] В литературе имеются примеры использования различных критериев для оценки работы ТОА, критический анализ которых приводится в [107]. Разнообразие способов оценки работы ТОА связано с различной ценностью тех или иных параметров работы, что определяется спецификой конкретных условий эксплуатации. Следует также отметить, что при любом выборе КО в него затруднительно включить в качестве численных параметров такие характеристики, как, например, условия техники безопасности, загрязнения окружающей среды, промышленной эстетики и т. д. [c.244] Критерий оптимальности (8.15) не является чисто экономическим показателем, но характеризует ТОА с точки зрения его экономической эффективности, с которой аппарат выполняет свои технологические функции, т. е. в величине приведенных затрат осуществляется численная оценка экономической формы представления достоинств аппарата. Расчет КО должен органически включаться в общую задачу проектирования ТОА. [c.244] Оптимальным вариантом ТОА будет тот, для которого КО имеет минимальное численное значение. [c.244] Эксплуатационные затраты (Э) состоят, зо-первых, из отчислений на капитальные вложения и расходов на текущий ремонт и содержание оборудования, обычно принимаемых пропорциональными капитальным затратам элКт + ь. иКи, где э. т и Аэ. н — коэффициенты, учитывающие амортизационные отчисления и расходы на текущий ремонт и содержание ТОА и нагнетательных устройств, соответственно. Иногда эти затраты считают пропорциональными суммарным капитальным затратам (Кт + Кт.ы) и (Кн + Кн.м), но это мало что изменяет в принципе, так как при этом соответственно изменятся значения коэффициентов k . т и ks., , а пропорциональность поверхности теплообмена сохраняется. [c.245] Многие из экономических коэффициентов в свою очередь являются функциями характера проектируемого оборудования, вида используемой энергии, шкал цен для каждой отрасли промышленности и т. д. При конкретных расчетах значения коэффициентов берутся из экономических справочников. Для расчета на ЭВМ данные соответствующих таблиц либо вводятся в память машины, либо аппроксимируются удобными для использования уравнениями. Некоторые данные по величинам экономических коэффициентов приводятся в литературе по математическому моделированию и оптимизации ТОА [118]. [c.246] Некоторые из варьируемых переменных могут иметь непрерывный характер изменения, например линейные скорости теплоноси-. телей. Другие переменные, связанные с конструкцией ТОА, могут изменять свои значения лишь дискретно (диаметр и длина труб, их количество на один ход, число ходов по трубному пространству, диаметр кожуха аппарата, количество перегородок в межтрубном пространстве и т. д.). [c.246] В более общем виде КО может включать в эксплуатационные статьи расхода затраты на очистку теплообменных поверхностей от возможных загрязнений и на простой оборудования, а слагаемые, содержащие величину поверхности теплообмена, могут зависеть от термического сопротивления загрязнений, радиуса навивки для ТОА змеевикового типа и некоторых других факторов. Наоборот, в частных задачах может отыскиваться не значение общего КО, а какие-либо его частные составляющие. Это могут быть площадь поверхности теплообмена, масса ТОА или иные величины. [c.246] В найденное оптимальное значение КО добавляются затраты на контрольно-измерительные приборы и средства автоматики, которые обычно принимаются не зависящими от вида ТОА и поэтому не влияющими иа поиск оптимального варианта. [c.246] Расчет каждого из вариантов обычно начинается с наиболее трудоемкого элемента — определения необходимой плошади поверхности теплообмена на основе кинетического теплового расчета одним из рассмотренных выше методов. Для рассчитанного и выбранного варианта ТОА определяется его гидравлическое сопротивление и по соотношению (8.16) находится значение КО. [c.247] При расчете отдельных вариантов существенными являются ограничения на величины некоторых из переменных или иных величин, зависящих от варьируемых переменных. Характер ограничений может быть самым различным и связан с конкретными условиями работы аппарата. Так могут быть поставлены ограничения по скоростям теплоносителей, мощности нагнетательной установки, каким-либо конструктивным размерам, например по габаритам ТОА. Могут быть ограничения чисто теплового характера, например по допустимым температурам теплоносителей или стенок ТОА (процессы термического крекинга нефти, пиролиза углеводородов, синтеза аммиака, метанола и др.). В принципе, число ограничений может быть значительным, а их учет в процессе расчета заключается, как правило, в отбрасывании тех вариантов, которые не удовлетворяют первому по ходу расчета ограничению. [c.247] Численный поиск экстремального значения функции нескольких переменных при наличии ограничений представляет собой известную задачу современной вычислительной математики, имеющую достаточно разработанные методы решения [122]. [c.247] Расчет обычно начинается с произвольного набора варьируемых переменных, не. выходящих за существующие ограничения на эти переменные. Далее переходят к расчету соседней точки в многомерном пространстве, в котором искомая функция (8.16) может быть представлена как некая поверхность с искомым минимумом. Способы скорейшего осуществления таких переходов составляют различные математические методы решения задачи на оптимальный поиск. Не рассматривая здесь конкретные методы численного поиска минимума функции КО, отметим следующее существенное обстоятельство. В пределах изменения переменных функция КО может иметь не один, а несколько минимумов. Естественно, что задачей оптимального проектирования является поиск не частного, а главного минимума, в котором КО имеет наименьшее значение, поэтому из имеющихся методов поиска целесообразно использовать те, которые гарантируют быстрое отыскание главного минимума. Дискретный характер конструктивных размеров ТОА делает нецелесообразным варьирование переменных с малым шагом. [c.247] Примеры блок-схем оптимальных проектных расчетов, а также рекомендации по организации программ и анализ результатов конкретных расчетов ТОА приводятся в литературе [118—121]. В монографии [107] систематизированы общие рекомендации по выбору типов ТОА, которые полезно учитывать на этапе, предшествующем оптимальному расчету. Предварительные соображения, позволяющие в некоторых случаях значительно ограничить диапазон поисков оптимального варианта осуществления процесса теплообмена, весьма существенны, поскольку оптимизация в пределах неудачно выбранного, например, типа ТОА не приводит к действительно возможному оптимальному решению. Важно рационально выбрать вид теплоносителя в тех многочисленных случаях, когда он не предопределен какими-либо привходящими обстоятельствами, а также конструкционный материал ТОА и схему взаимного движения теплоносителей. Такой предварительный выбор, как правило, проводится на основании предварительных расчетов ТОА по приближенным методам, например в предположении о постоянстве коэффициента теплопередачи в ТОА. [c.248] Вернуться к основной статье