Рассмотрены пути повышения эффективности работы пластинчатых теплообменников; определены независимые переменные при оптимизации. Проанализированы преимущества структурно-модульного подхода при разработке алгоритмов и программ оптимизации. Рассмотрена программа ОПТО-2010 для оптимизации пластинчатых теплообменников.In our work methods of improvement of the effectiveness plate heat exchangers were analyzed, the parameters optimization were defined. The advantages of structural and modular approach in the process of algorithms and software optimization were researched. The program OPTO-2010 for optimization of plate heat exchangers were analyzed

Алтухова, Ольга Васильевна

Каневец, Георгий Евдокимович

Кошельник, Александр Вадимович

Суима, С. Д.

eNTUKhPIIR Electronic National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"; Institutional Repository

СТАЛИЙ РОЗВИТОК ЕНЕРГЕТИКИ  131  УДК 621.565.94, 66.045  Г. Е. Каневец, А. В. Кошельник, С. Д. Суима, О. В. Алтухова Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», г. Харьков, Украина  ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ПЛАСТИНЧАТЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ КОНСТРУКТИВНЫХ И РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ   Розглянуто шляхи підвищення ефективності роботи пластинчастих теплообмінників; визначено незалежні змінні при оптимізації. Проаналізовано переваги структурно-модульного підходу при розробці алгоритмів та програм оптимізації. Розглянуто програму ОПТО-2010 для оптимізації пластинчастих теплообмінників.   Рассмотрены пути повышения эффективности работы пластинчатых теплообменников; определены независимые переменные при оптимизации. Проанализированы преимущества структурно-модульного подхода при разработке алгоритмов и программ оптимизации. Рассмотрена программа ОПТО-2010 для оптимизации пластинчатых теплообменников.   In our work methods of improvement of the effectiveness plate heat exchangers were analyzed, the parameters optimization were defined. The advantages of structural and modular approach in the process of algorithms and software optimization were researched. The program OPTO-2010 for optimization of plate heat exchangers were analyzed.   Пластинчатые теплообменники являются важным элементом множества энергетических, энерготехнологических, технологических и транспортных установок и систем и отличаются разнообразием конструкций в зависимости от области применения, мощности, вида теплоносителя и других параметров [1 – 3].  В связи с этим актуален вопрос повышения их эффективности путем оптимизации конструктивных параметров (тип пластины, ее материал, количество ходов в аппарате по теплоносителю, воспринимающему тепло (далее теплоноситель В), и теплоносителю, отдающему тепло (теплоноситель О), количество рядов аппаратов в теплообменнике, схем компоновки рядов в комплексах и др.), а также режимных параметров (температуры и расходы теплоносителей). Такое многообразие параметров ставит перед оптимизацией сложную задачу – перебор множества вариантов и подбор наиболее оптимального для данного набора начальных переменных, а также учет множества специфических ограничений. Также необходима сортировка полученных вариантов по возрастанию либо убыванию определенного критерия оптимальности, а возможно и некоторой комбинации этих критериев. В данной ситуации разработка программ для расчета и оптимизации теплообменников становиться не только необходимым условием подбора наиболее оптимального варианта теплообменника, но и подготавливает универсальный инструмент для проведения вычислительного эксперимента, позволяющего оценить влияние каждой независимой переменной на эффективность теплообменника в целом.  Рассмотрим программу для расчета и оптимизации пластинчатых теплообменников, разработанную на основе системного структурно-модульного подхода, предложенного в [4].  Применение структурно-модульного подхода при разработке алгоритмов и программ имеет следующие преимущества: – возможность доработки и расширения алгоритма и программы, добавления новых компонентов в уже существующие блок-схемы, и наоборот, возможность использования отдельных блок-схем как самостоятельных компонентов; СТАЛИЙ РОЗВИТОК ЕНЕРГЕТИКИ  132  – возможность замены отдельных блок-схем без изменения общей структуры алгоритма (например, при введении новых видов теплообменников, изменении методики их расчета и т.п.); – возможность объединения алгоритмов и включения их в алгоритмы расчета комплексов и систем; – наглядность, возможность сопровождения и доработки алгоритмов и программ без участия авторов.  Также данная программа позволяет не только рассчитать отдельный теплообменный аппарат, но и просчитать различные компоновки аппаратов в теплообменнике – любое количество рядов аппаратов по теплоносителю В и теплоносителю О, схемы соединений рядов типа «волна» и «пила». Примеры таких компоновок представлены на рис. 1.   Рисунок 1 – Схемы соединения теплообменных аппаратов в теплообменники   В аппарате теплоносители В и О также могут разбиваться на разное число параллельных каналов. Примеры схем движения теплоносителей в аппаратах представлены на рис. 2.   Рисунок 2 – Схемы тока сред в аппаратах  В программе предусмотрено использование ряда ограничений: вид пластин, материал пластин, допустимое гидравлическое сопротивление (в случае, если теплообменник выбирается под существующий нагнетатель). Также в программу легко можно добавить и другие лимитирующие параметры, такие как ограничения по габаритам и массе теплообменника, необходимому КПД, стоимости и др.  Кроме конструктивных параметров теплообменника оптимизация также может СТАЛИЙ РОЗВИТОК ЕНЕРГЕТИКИ  133  проводиться и по режимным параметрам. В случае нагревателя при заданных параметрах теплоносителя В (начальная и конечная температуры, расход или тепловая мощность) можно варьировать конечной температурой и расходом теплоносителя О. При увеличении расхода теплоносителя его конечная температура увеличиватся, при уменьшении расхода – снижается. Для охладителя или конденсатора при заданных параметрах теплоносителя О оптимальный вариант можно подобрать, изменяя конечную температуру и расход теплоносителя В.  Используемый в программе алгоритм перебора вариантов позволяет просчитать все возможные варианты теплообменников, что позволяет проследить влияние нескольких независимых переменных на экономическую и техническую эффективность работы теплообменника, его стоимость и др. Также возможна сортировка полученных результатов по возрастанию либо убыванию одного из показателей эффективности теплообменника. Отсортировав теплообменники и выделив некоторое количество наилучших вариантов исходя из определенного критерия оптимальности, можно повторить сортировку и выбрать наилучший вариант исходя из другого критерия. Так, к примеру, проведя сортировку по стоимости теплообменника и выбрав наиболее дешевый вариант, можно из некоторого количества наилучших вариантов выбрать тот, при котором годовые затраты на эксплуатацию будут наименьшими.  Для написания программы ОПТО-2010 был выбран язык php, а в качестве базы данных использовалась БД mysql. Основанием для выбора связки php-mysql послужили следующие преимущества:   исходный код программы располагается на сервере, что позволяет проводить все вычисления на высокопроизводительном оборудовании за секунды и избежать загрузки вычислительных машин с малой производительностью, которые обычно используются на предприятиях и в институтах;  язык php – скриптовый, то есть исходный код, написанный на нем, не нужно компилировать, это делает сервер "налету", что избавляет от дополнительных затрат времени на перекомпиляцию кода при внесении любых изменений в программу;  стоит упомянуть удобный отчет об ошибках, благодаря которому отладка программы значительно ускоряется;  немаловажен и тот факт, что программа централизирована, доступ к ней можно получить из любой точки (в которой доступен интернет), при этом получая самую последнюю версию продукта без необходимости скачивания программы;  в условиях жесткой конкуренции на рынке необходима быстрая реакция на новинки (новые типы пластин, применение особых теплоносителей), внедрение их в вычислительный комплекс и как следствие в процесс производства; любые изменения в программу вносятся в кратчайшие сроки;  в связи со случаями нечестной конкуренции очень важным является защита исходных кодов и данных, которые компании считают секретной информацией; так как код расположен удаленно, то декомпилировать и анализировать просто нечего, а защита серверов (linux, FreeBSD), на которых будет выполняться программа, имеет высокий приоритет, что исключает попытку взлома со стороны серверной части. На рис. 3 представлен общий вид стартовой страницы программы ОПТО-2010. Здесь выбирается тип применяемой пластины (возможен перебор всех типов пластин), тип аппарата (нагреватель-охладитель или конденсатор), вид теплоносителя О и теплоносителя В, в зависимости от типа аппарата производится ввод начальных данных.  Программа оценивает набор введенных пользователем начальных переменных и проводит расчет по одному из 11 вариантов для нагревателя-охладителя и по одному из 6 вариантов для конденсатора. Оптимизация по режимным параметрам проводится, если не указаны температура и расход (тепловая нагрузка) одного из теплоносителей. СТАЛИЙ РОЗВИТОК ЕНЕРГЕТИКИ  134     Рисунок 3 – Стартовая страница   Наряду с возможностью выбора пластины, возможно задание определенного набора перебираемых материалов пластин. Меню выбора материалов пластин показано на рис. 4.   Рисунок 4 – Меню выбора материалов пластин   В меню «Экспертные настройки» (рис. 5) возможно установление следующих параметров: учитывать загрязнения, ввод запаса, установка фиксированного значения теплоотдачи для теплоносителей О и (или) В, установка КПД аппарата и нагнетателей. В меню «Экономика» (рис. 6) возможна установка стоимостей энергоносителей, расчетного периода, а также некоторых коэффициентов, таких как:  коэффициент удельной стоимости монтажных работ как доли цены теплообменного аппарата;  коэффициент увеличения цены аппарата за счет транспортных и заготовительно-складских работ;  коэффициент удельной стоимости обвязки аппаратов как доли цены теплообменника и др., а также указаны предельные значения этих величин. СТАЛИЙ РОЗВИТОК ЕНЕРГЕТИКИ  135    Рисунок 5 – Меню «Экспертные настройки»      Рисунок 6 – Меню «Экономика»  Выводы   Рассмотренная программа оптимизации пластинчатых теплообменников позволяет решить ряд задач, а именно:  подобрать оптимальный вариант теплообменника, просчитав все возможные варианты;  отсортировать полученные результаты в порядке возрастания или убывания одного из критериев эффективности, оценить влияние того или иного параметра на эффективность работы теплообменника в целом; СТАЛИЙ РОЗВИТОК ЕНЕРГЕТИКИ  136   рассчитать не только наиболее оптимальный теплообменный аппарат, но и оптимальную схему расположения аппаратов в теплообменнике;  проводить оптимизацию не только конструкционных, но и режимных параметров;  вводить ограничения по определенным величинам.  Преимуществами программы также являются:  расположение программы на сервере, что обеспечивает доступ к ней с любого компьютера, подключенного к интернету, а также исключает проведение ресурсоемких расчетов на клиентском компьютере;  примененный при разработке алгоритма и программы структурно-модульный подход позволяет легко дорабатывать и изменять их, использовать структурные элементы как самостоятельные расчетные программы.     Список литературы  1. Пластинчатые теплообменные аппараты: Каталог УкрНИИхиммаш // Сост.  Л.М. Коваленко. – М.: Цинтихимнефтемаш, 1983. – 51 с.  2. Товажнянский Л.Л., Капустенко П.А., Хавин Г.Л. Пластинчатые теплообменники в промышленности: учеб. пособие. – Х.: НТУ «ХПИ», 2004. – 232 с. 3. Каневец Г. Е. Теплообменники и теплообменные системы. – Киев: Наук. думка, 1981. – 272 с. 4. Каневец Г. Е. Обобщенные методы расчета теплообменников. – Киев: Наук. думка, 1979. – 352 с.   

Повышение эффективности работы пластинчатых теплообменников путем оптимизации конструктивных и режимных параметров

Library of National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"

http://repository.kpi.kharkov.ua/bitstream/KhPI-Press/22181/1/Kanevets_Povyshenie_2011.pdf

Повышение эффективности работы пластинчатых теплообменников путем оптимизации конструктивных и режимных параметров

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

eNTUKhPIIR Electronic National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"; Institutional Repository

Library of National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"