Анализ и оптимальный синтез теплообменных систем со сложной конфигурацией потоков в энергетических и химических комплексах

• Автор: Барочкин, Евгений Витальевич
• Шифр специальности: 05.13.01
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Иваново
• Количество страниц: 308 с. : ил.

Реферат

Диссертация 294 стр., 25 табл., 87 рис., 275 библ.:.

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, СИСТЕМЫ ТЕПЛОМАССОБМЕННЫХ АППАРАТОВ, СТРУЙНО-БАРБОТАЖНАЯ ДЕАЭРАЦИЯ, СЛОЖНАЯ КОНФИГУРАЦИЯ ПОТОКОВ, ВАРЬИРУЕМЫЙ УРОВЕНЬ ДЕКОМПОЗИЦИИ, СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ МНОГОМЕРНАЯ И МНОГОКРИТЕРИАЛЬНАЯ ОТТИМИЗАЦИЯ, МНОЖЕСТВО ПАРЕТО.
Разработан универсальный алгоритм синтеза математических моделей тепломассообменных аппаратов-и их систем со сложной конфигурацией потоков, позволяющий вводить различный уровень декомпозиции моделируемых систем и процессов.
Предложена матричная модель для расчета характеристик систем поверхностных теплообменников со сложной конфигурацией потоков, учитывающая возможность фазовых переходов в. теплоносителях, в которой модели подсистем представлены конечным числом разработанных дифференциальных описаний.
Разработанная матричная модель обобщена на случай деаэрации воды в многоступенчатых аппаратах струйного и барботажного типа.
На основе математического аппарата теории цепей Маркова разработан единый алгоритмический подход к моделированию переходных процессов в тепломассообменных аппаратах и их системах со сложной конфигурацией потоков, позволяющий описывать их характеристики в нестационарных режимах работы и допускающий простое включение этих моделей в системы автоматического регулирования.
На основе экспериментальных данных выполнена параметрическая идентификация математических моделей процессов тепло- и массопереноса в ряде промышленных аппаратов.
С использованием принципа оптимальности по Парето по разработанным моделям сформулированы и решены задачи многомерной и многокритериальной оптимизации по ряду выбранных целевых функций и показана не-тривиальность расчетных рекомендаций по совершенствованию режимноконструктивных параметров тепломассобменного оборудования.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕПЛОМАССООБМЕНА В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
СО СЛОЖНОЙ КОНФИГУРАЦИЕЙ ПОТОКОВ
1Л. Современные тепломассообменные аппараты и схемные решения их объединения
1.2. Моделирование и расчет процессов тепло- и массопереноса
1.3. Использование теории цепей Маркова для динамического моделирования химических процессов
1.4. Системный анализ процессов тепломассопереноса в химической промышленности и энергетике. Показатели эффективности тепломассообменного оборудования
1.5. Постановка задачи исследования
2. МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ СИСТЕМ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ АППАРАТОВ СО СЛОЖНОЙ КОНФИГУРАЦИЕЙ ПОТОКОВ
2.1. Моделирование процесса теплопереноса в поверхностных теплообменниках с учетом и без учета фазовых переходов в теплоносителях
2.2. Моделирование тепломассопереноса в теплообменных аппаратах смешивающего типа
2.3. Моделирование процесса деаэрации воды в аппаратах струйного
и барботажного типа
2.4. Обобщенный подход к моделированию каскадов теплообменных аппаратов
2.5. Формирование матрицы коммутации и разработка системы кодификации структуры сложных систем тепломассообменных аппаратов
2.6. Моделирование процесса деаэрации воды с учетом
декарбонизации
2.7. Выводы по главе
3. МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ЦЕПЕЙ ТЕОРИИ МАРКОВА
3.1. Моделирование переходных процессов теплообмена
в подогревателях поверхностного типа
3.2. Моделирование переходных процессов в подогревателях смешивающего типа с учетом фазового перехода теплоносителей
3.3. Моделирование переходных процессов деаэрации воды
3.4. Выводы по главе
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССООБМЕНА В ДЕАЭРАЦИОННЫХ
УСТАНОВКАХ
4.1. Исследование процесса тепломассообмена в установке со струйным деаэратором подпитки теплосети
4.1.1. Описание установки и методики проведения экспериментальных исследований
4.1.2. Проведение и результаты теплохимических исследований теплообмена и деаэрации воды
4.1.3. Обработка результатов измерений, идентификация и проверка
адекватности расчетной модели
4.2. Расчетно-экспериментальное исследование процесса тепломассообмена в установке с деаэратором струйно-барботажного
типа ДСА
4.2.1. Описание экспериментальной установки и методики проведения экспериментальных исследований

/. Современное состояние исследований тепломассообмена в технологических системах со сложной конфигурацией потоков
Уравнения (1.1)-(1.4) могут быть решены, если их дополнить краевыми условиями, которые включают в себя:
• геометрические условия, задающие форму и размер тела,
• теплофизические свойства вещества,
• начальные условия, устанавливающие значение искомой функции в начальный момент времени,
• граничные условия, характеризующие условия на границе рассматриваемой области.
Совместное решение полученных уравнений при сформулированных начальных и граничных условиях позволяет рассчитать температурные и скоростные поля и поля концентраций для теплоносителей.
При расчете конкретных технологических аппаратов возникает ряд существенных проблем:
• поверхностные и смешивающие подогреватели включают большое число ограждающих конструкций, подвижных поверхностей раздела фаз, для которых достаточно сложно записать граничные условия;
• перечисленные уравнения относятся к классу дифференциальных уравнений в частных производных, совместное решение которых даже для плоской задачи достаточно трудоемко и связано с рядом вычислительных проблем [24,27,28];
• для идентификации и верификации полученных решений отдельную проблему представляет получение экспериментальных скоростных, температурных и массовых полей для теплоносителей внутри аппарата. Кроме этого, такая подробная детализация объекта представляет безусловный интерес для научных исследований, но для практического использования более интересны интегральные параметры процесса.