Разработка математических моделей и программных комплексов для расчета и оптимизации многопоточных тепломассообменных систем ТЭС

• Автор: Барочкин, Алексей Евгеньевич
• Шифр специальности: 05.13.18, 05.14.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Иваново
• Количество страниц: 156 с. : ил.

Реферат
Диссертация 156 стр., 50 рис., 19 табл., 152 библ.
Ключевые слова. Тепломассообмен, многопоточные установки, многоступенчатые установки, тепловая экономичность, структурная оптимизация, программный комплекс, конденсационная установка, пластинчатый и спиральный теплообменник.
Объектами исследования являются многопоточные многоступенчатые тепломассообменные системы.
Целью работы является разработка математических моделей и программных комплексов для расчета и оптимизации многопоточных тепломассообменных систем ТЭС.
Приведен анализ моделей и методов расчета многопоточных теплообменных аппаратов, разработано математическое описание процесса теплопередачи в виде системы линейных дифференциальных уравнений для произвольного числа теплоносителей, найдены эффективные структуры потоков теплоносителей;
Предложены методы моделирования многопоточной многоступенчатой теплообменной системы применительно к пластинчатым и спиральным аппаратам; представлен генетический алгоритм оптимизации структуры потоков многопоточных многоступенчатых теплообменных систем.
Приведено описание структуры и функциональных возможностей разработанного программного комплекса, позволяющего производить численный расчет тепломассообмена в выбранном фазовом пространстве многофазной среды в конденсаторе паровой турбины.
Даны рекомендации по повышению эффективности работы конденсатора турбины.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ МНОГОСТУПЕНЧАТЫХ И МНОГОПОТОЧНЫХ
ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ СИСТЕМ
1.1. Классификация теплообменных систем
1.2. Модели и методы расчета тепломассообменных аппаратов
1.2.1. Классификация основных моделей и методов расчета для описания процессов тепломассопереноса
1.2.2.Тепловой расчет многопоточного пластинчатого теплообменника
1.2.3.Тепловой расчет конденсатора турбины
1.2.4. Метод матричной формализации расчета сложных многоступенчатых систем
1.2.5. Методы стохастического программирования и моделирование совмещенных процессов
1.2.6. Моделирование и расчет теплообменных систем на основе построения их энергетических характеристик
1.3. Показатели эффективности работы и пути их улучшения
в теплообменных энергетических системах
1.4. Анализ методов решения задач оптимизации тепломассообменных энергетических систем и программных вычислительных средств
для их реализации
1.5. Постановка задач исследования

2. ПОСТАНОВКА И РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В МНОГОСТУПЕНЧАТЫХ И МНОГОПОТОЧНЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ СИСТЕМАХ
2.1. Задача теплопередачи для трехпоточной ступени теплообмена
и ее аналитическое решение для четырех возможных вариантов относительного движения теплоносителей
2.2. Задача теплопередачи для п-поточной ступени теплообменна
2.3. Обобщенный метод численного решения задачи многопоточной
и многоступенчатой теплопередачи
2.4. Анализ результатов численного и аналитического решений
задачи теплопередачи
2.5. Обобщение метода расчета для анализа многопоточных спиральных и кожухотрубных теплообменных аппаратов
2.6. Выводы по главе
3. СТРУКТУРНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ МНОГОСТУПЕНЧАТЫХ И МНОГОПОТОЧНЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ СИСТЕМ
3.1. Разработка системы кодификации и постановка задачи структурной оптимизации двухпоточных многоступенчатых теплообменных систем
3.2. Разработка системы кодификации и постановка задачи
структурной оптимизации многопоточных теплообменных систем
3.2.1. Разработка системы кодификации структуры многоступенчатых
и многопоточных теплообменных систем
3.2.2. Разработка метода автоматизированного расчета многопоточных
и многоступенчатых теплообменных систем по ее коду
3.2.3. Структура генетического (эволющионного) алгоритма оптимизации многоступенчатых многопоточных систем
3.2.4. Пример решения оптимизационной задачи
3.3. Выводы по главе

1.2.5. Методы стохастического программирования и моделирование совмещенных процессов
В качестве еще одного подхода для моделирования распределенных динамических процессов тепло- и массопереноса следует отметить использование методов стохастического программирования [110, 111]. К таким методам, наиболее пригодных для описания процессов переноса вещества и энергии, следует отнести использование математического аппарата цепей Маркова [41-45] и построение моделей на основе кинетического уравнения Больцмана [47-54].
В последнее десятилетие все большее внимание уделяется стохастическим моделям, основанным именно на теории цепей Маркова [41-45]. Основным оператором этой модели является матрица переходных вероятностей, структура и элементы которой имеют ясный физический смысл, если выбрана структура модели. Развитие современных компьютерных программ, манипулирующих с матрицами (например, MATLAB) как бы заранее обеспечивает компьютерную поддержку этих моделей и делает их универсальным инструментом моделирования совмещенных процессов различных технологий.
Математический аппарат теории цепей Маркова является эффективным инструментом построения таких моделей. Он сочетает простоту, гибкость, универсальность, а также высокую эффективность и устойчивость сопряженных с ним вычислительных процедур. Применение теории цепей Маркова к математическому моделированию основных процессов химической технологии и смежных отраслей известно довольно давно как в России, так и за рубежом [41-45]. По-видимому, первой монографией, освещавшей ее применение в этой отрасли, была книга А. Тамира [42], внесшая значительную систематизацию в эту сферу прикладного знания.
В работах В.Е. Мизонова и Н. Berthiaux предложена стратегия применения цепей Маркова к моделированию технологий переработки дисперсных материалов [45]. Разработанная стратегия базируется на следующих положениях. Переход от непрерывного описания эволюции во времени некоторого исследуемого свойства базируется на разбиении всей области возможных значений