СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение                                                                                                   4 стр.  

1.1.         Теория по теплообменникам                                                      4 стр. 

1.2.         Описание работы объекта                                                     5 стр. 

2. Теоретическая часть                                                                             7 стр.    

          2.1. Общая характеристика объекта                                      7 стр.

3. Расчетная часть                                                                                12 стр.

3.1. Регрессионный и корреляционный анализ                    14 стр.

3.2. Тепловой расчет теплообменника  типа ПМ–10–60               23 стр.

3.3. Уравнение динамики процесса теплопередачи             25 стр.

3.4. Оптимизация технологического процесса                     29 стр.

4. Выводы                                                                                                         33 стр.

5. Графическая часть                                                                               34  стр.

6. Список литературы                                                                       35 стр.

1. 1.                ВВЕДЕНИЕ.

1.1. Теория по теплообменникам.       

В химической промышленности широко распространены  тепловые процессы–нагревание и охлаждение жидкостей и газов и конденсация паров, которые проводятся  в  теплообменных  аппаратах  (теплообменниках).

Теплообменными аппаратами называются устройства, предназначенные для передачи тепла от одного теплоносителя к другому для осуществления различных тепловых процессов, например, нагревания, охлаждения, кипения, конденсации или более сложных физико-химических процессов – выпарки, ректификации, абсорбции.

Из-за разнообразия предъявляемых к теплообменным аппаратам требований, связанных с условиями их эксплуатации, применяют аппараты самых различных конструкций и типов, причем для аппарата каждого типа разработан широкий  размерный ряд поверхности теплообмена.

Широкая номенклатура теплообменников по типам, размерам, параметрам и материалам позволяет выбрать для конкретных условий теплообмена аппарат, оптимальный по размерам и материалам.

Все теплообменные аппараты по способу передачи тепла разделяются на две группы: поверхностные теплообменные аппараты и аппараты смешения. В поверхностных аппаратах передача тепла от одного теплоносителя к другому осуществляется с участием твердой стенки. Процесс теплопередачи в смесительных теплообменных аппаратах осуществляется путем непосредственного контакта и смешения жидких и газообразных теплоносителей.

Поверхностные теплообменные аппараты в свою очередь подразделяют на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных аппаратах тепло от одного теплоносителя к другому передается через разделяющую их стенку из теплопроводного материала.  В регенеративных теплообменных аппаратах теплоносители попеременно соприкасаются с одной и той же поверхностью нагрева, которая в один период нагревается, аккумулируя тепло «горячего» теплоносителя, а во второй период охлаждается, отдавая тепло «холодному»  теплоносителю.

Рекуперативные теплообменные аппараты классифицируются по следующим признакам:

• По роду теплоносителей в зависимости от их агрегатного состояния:

паро-жидкостные; жидкостно-жидкостные; газо-жидкостные; газо-газовые; паро-газовые.

• По конфигурации поверхности теплообмена:

трубчатые аппараты с прямыми трубками; спиральные; пластинчатые; змеевиковые.

• По компоновке поверхности нагрева:

типа «труба в трубе»; кожухотрубчатые; и др.

Теплообменные аппараты поверхностного типа, кроме того классифицируются по назначению (подогреватели, холодильники и т.д.); по взаимному направлению теплоносителей (прямоток, противоток, смешанный ток и т.д.); по материалу поверхности теплообмена; по числу ходов и т.д.

1.2. Описание работы объекта.

При истечении жидкостей в теплообменнике температура их изменяется: горячая жидкость охлаждается, а холодная нагревается. Характер изменения температуры жидкости, движущейся вдоль поверхности нагрева, зависит от схемы ее движения. В теплообменных аппаратах применяются в основном три схемы движения жидкостей:

• прямоточная, когда горячая и холодная жидкости протекают параллельно;
• противоточная, когда горячая и холодная жидкости протекают в противоположном друг другу направлении;
• перекрестная, когда жидкости протекают в перекрестном направлении.

А.

Б.

Рис. 1. Схема движения жидкостей в теплообменнике при прямотоке (А) и противотоке (Б).      

2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

2.1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА

         Наименование объекта–мазутная станция Бугульминского Механического завода ОАО "Татнефть".

         В котельных установках достаточно широко применяется жидкое органическое топливо, основным видом которого является нефтяной мазут. Важнейшей характеристикой жидких органических топлив является вязкость. Именно высокая вязкость мазута и является основной причиной, по которой мазутные станции котельных обязательно включают в себя подогреватели мазута. Подготовка мазута к сжиганию заключается в его подогреве в целях получения необходимой вязкости, очистке от механических примесей. Назначение подогревателей мазута в технологических схемах котельных установок–подогрев мазута для обеспечения необходимого температурного режима и вязкости по всему топливному тракту, начиная от резервуаров–хранилищ мазута до форсунок топки котла. Высокая теплота сгорания мазута делает его очень ценным топливом.

Мазутная станция размещается на территории Бугульминского Механического завода ОАО "Татнефть". Мазутная станция предназначена для хранения мазута в резервуарах. Мазут доставляется по железной дороге цистернами. Из поступающих на разгрузочную железнодорожную эстакаду цистерн мазут самотеком попадает в приемный резервуар, откуда перекачивается погружными насосами в наземный резервуар. Из резервуара через механические фильтры мазут насосами подается в подогреватели и далее–к горелочным устройствам котлов.

         Состав сооружений объекта.

Площадка резервуаров: 2–по 7000 м³, 1–3000м³.

Площадка фильтров грубой очистки.

Площадка фильтров тонкой очистки.

Площадка мазутоподогревателей.

         В качестве греющего теплоносителя в мазутном хозяйстве используется пар, подаваемый по паропроводу диаметром 133×4 мм с давлением 1,3 МПа и температурой 250 ^оС. Пар подаются от котла ДЕ–25, в качестве топлива для котла принимается попутный газ с теплотой сгорания, при 20 ^оС и 101,325 кПа, Q=11794 ккал/м³. Обогрев мазутопроводов осуществляется с помощью паровых труб–спутников, прокладываемых и изолируемых совместно с ними. Паропровод врезан в паровой коллектор, из которого пар направляется  на сливную эстакаду, подогреватели мазута, мазутные резервуары, спутники мазутопроводов. Конденсат из мазутопроводов собирается в два конденсатных бака. Чтобы предотвратить пролет пара, установлены конденсатоотводчики. Мазут после основных подогревателей подается по двум мазутопроводам с диаметром и толщиной стенки 108×4 мм в котлы. Мазутопроводы имеют заземление для отвода статического электричества, образующегося при движении мазута в трубопроводах.

       Компоновка   оборудования.

При компоновке мазутной станции исходили из минимальных  разрывов между аппаратами и сооружениями согласно действующим противопожарным нормам.

         Компоновкой преследовались задачи, обеспечивающие:

-         минимальную протяженность трубопроводов;

-         удобство обслуживания, его монтаж и демонтаж;

-         прокладку трубопроводов максимально на опорах и стойках.

Оборудование установки располагается на открытых площадках в целях противопожарной безопасности, удобства монтажа и демонтажа, к площадке предусмотрен подъезд.

ХАРАКТЕРИСТИКА СЫРЬЯ, ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ГОТОВОЙ ПРОДУКЦИИ.

        Характеристика газа и мазута производится по материалам лабораторных исследований ЭПУ "Бугульмагаз" и АО "НУНПЗ".

Характеристика газа:

Плотность при 20 ^оС и 101,325 кПа………………0,6851 кг/м³

Компонентный состав:

метан………………………………………………..97,595 %

этан………………………………………………….0,914 %

пропан………………………………………………0,373 %

изобутан…………………………………………….0,008 %

н.бутан………………………………………………0,011 %

изопентан……………………………………………0,024 %

кислород…………………………………………….0,011 %

азот………………………………………………….0,984 %

диоксид углерода…………………………………..0,063 %

Характеристика топочного мазута:

вязкость при 80°С………………………………….15,06 1^оУВ

                при 100°С…………………………………5,65  1^оУВ

зольность……………………………………………0,06 %

массовая доля механических примесей…………..0,059 %

массовая доля воды………………………………...0,08 %

массовая доля серы…………………………………2,98 %

температура застывания……………………………+5^оС

теплота сгорания……………………………………40151 кДж/кг

плотность при 20^оС…………………………………998 кг/м³

Готовой продукцией является топочный мазут 100, VI вида, зольной группы качества ГОСТ 10585–99.

В составе данного объекта используются существующие здания насосной, операторной, и лаборатория. Используются существующие сети водопровода противопожарной системы, канализации промливневых стоков и пажаротушения.

Краткое описание процесса подготовки мазута.

Мазут хранится в наземных резервуарах, которые оборудованы устройствами для приема, подогрева и выдачи мазута. Мазут из хранилища по мазутопроводу подается мазутными насосами в подогреватели мазута. Температура мазута в резервуарах поддерживается 65–75 ^оС. Для обеспечения нормальной работы насосов, подогревателей и КИПов необходима очистка мазута от механических примесей. Для этой цели перед насосами на всасывающей линии установлены фильтры грубой очистки.  После мазутоподогревателей на нагнетательной линии насоса мазут проходит очистку в фильтрах тонкой очистки. В подогревателе мазут нагревается  от 70 до 100 ^оС и направляется к форсункам котла. Мазутопровод, подводящий мазут к форсункам, делает кольцо вокруг топочной камеры и соединяется с рециркуляционным мазутопроводом. Это делается для предотвращения застывания мазута в мазутопроводах и образования пробок.

Для удаления механических примесей и недобракачественного мазута в системе мазутного хозяйства предусматривается дренажный приямок. Для откачки мазута из дренажного приямка в резервуары хранения  установлены  дренажные насосы.

Оборудование мазутонасосной предназначено для надежной бесперебойной подачи к котлам мазута в необходимом количестве с необходимыми рабочими параметрами.

Система снабжения данного объекта электроэнергией, теплом, противопожарного и хозяйственного водоснабжения, воздухоснабжения приборов в КИПиА, и телефонной связью осуществляется от существующих источников и сетей. Потребители данного объекта подключены к существующим сетям.

Технологическое оборудование, трубопроводы, приборы контроля, регулирования и измерения для данной установки укомплектованы продукциями, серийно выпускаемыми отечественными заводами.

Компоновка всего проектируемого оборудования на площадке выполнена с учетом нормативных противопожарных и санитарных норм.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТА

 Рис. 1. Подогреватель мазута марки ПМ-10-60:

1,4 — мазутная камера; 2 — трубный пучок; 3 — корпус; 5 — опора; 6 — водомерное стекло; А, Б — вход и выход мазута; В,Г — вход пара;  Д — дренаж мазута; Е — отсос воздуха.

Горизонтальные гладкотрубные подогреватели мазута типа ПМ используются в одноступенчатых и двухступенчатых схемах мазутоподготовки. Конструкция подогревателя марки ПМ–10–60 представлена на рис.1.

Теплообменная поверхность состоит из прямых гладких труб диаметром 38×2,5 мм. Мазут подается в трубное пространство, а греющий пар–в межтрубное пространство. Обе трубные доски в аппаратах закреплены жестко. 

3. Расчетная часть.

Входные параметры:

G_м — расход мазута, кг/ч;

Т_м1 —входная температура холодного мазута, ⁰С;

Т_п1—температура пара на входе, ⁰С.

Выходные параметры:

Т_м2 — выходная температура нагретого мазута, ⁰С ;

Основные параметры аппарата:

α₁, α₂,–коэффициенты теплопередачи от горячего теплоносителя к стенке и от стенки к холодному теплоносителю, Вт/м²·⁰С;

λ–коэффициент теплопроводности стенки, Вт/м·⁰С;

δ–толщина стенки, м;

Q_пот–потери тепла в аппарате, кВт.

3.1. Регрессионный и корреляционный анализ.

Линейная регрессия от одного параметра

 (температура мазута на выходе  от расхода мазута).

Требуется определить по методу наименьших квадратов коэффициенты линейного уравнения регрессии

по выборке объемом N.

Система нормальных уравнений для этого случая имеет вид:

или

Коэффициенты  a₀ и a₁ легко найти с помощью определителей

Между коэффициентами  и  существует корреляционная зависимость.

Для оценки линейной связи  вычисляется выборочный коэффициент корреляции r:

Линейная регрессия от одного параметра

 (температура мазута на выходе от температуры пара на входе).

Линейная регрессия от одного параметра

(температура мазута на  выходе от температуры мазута на входе).

Множественная корреляция

Если необходимо исследовать корреляционную связь между многими величинами, то пользуются уравнением множественной регрессии:

Здесь мы имеем дело уже не с линией регрессии, а с поверхностью регрессии при к=2 и с гиперповерхностью при к>2. Эту поверхность называют поверхностью отклика. При построении поверхности отклика на координатных осях факторного пространства откладывают численные значения параметров (факторов). Исходный статистический материал представляют в виде таблицы.

Прежде всего, переходят от натурального масштаба к новому, проводя нормировку всех значений случайных величин по формулам:

где  y_i , x_1i , x_2i - нормированные значения соответствующих факторов;

y, x_1i,  x_2i - средние значения факторов;

s _у, s _х1, s _х2 - среднеквадратичные отклонения.

s _у, s _х1, s _х2 - среднеквадратичные отклонения.

Исходный статистический материал представляется в новом масштабе.

Выборочный коэффициент корреляции при этом равен:

Вычисленный по формуле коэффициент корреляции равен коэффициенту корреляции между переменными, выраженными в натуральном масштабе r_xy^*. Уравнение регрессии между нормированными переменными не имеет свободного члена и принимает вид:

         Коэффициенты этого уравнения находятся из условия:

Условия минимума функции S определяются так же, как и в случае зависимости от одной переменной:

Система нормальных уравнений имеет вид:

         Умножим левую и правую части уравнений на  1/(N-1). В результате при каждом коэффициенте а_j получается выборочный коэффициент корреляции r^*. Принимая во внимание

получаем систему нормальных уравнений

Решив эту систему, рассчитывают коэффициент множественной корреляции R:

Коэффициент множественной корреляции служит показателем силы связи и в случае множественной регрессии 0<R<1.

         Для практического использования уравнения (1) необходимо перейти к натуральному масштабу по формулам:

Выведем уравнение множественной корреляции, используя статистический материал, представленный в таблицах 1,3,4.

Найдем средние значения параметров:

Найдем среднеквадратичные отклонения:

Выборочный коэффициент корреляции равен:

Необходимо решить систему уравнений регрессии и найти неизвестные коэффициенты уравнения множественной корреляции::

Решив систему, рассчитывается коэффициент множественной корреляции

Коэффициент множественной корреляции служит показателем силы связи в случае множественной регрессии: 0<R<1

Вычисляем коэффициенты уравнения множественной корреляции

Искомое уравнение множественной корреляции

Tм2(Gм,Тп1,Тм1) = –1246+0,303·Gм + 0,208·Тп1–0,046· Тм1–уравнение статики

3.2 Тепловой расчет теплообменника типа ПМ–10–60.

Тепловой баланс теплообменников представляет собой сопоставление при­ходных и расходных составляющих общего количества теплоты в рассматриваемом процессе. В общем виде тепловой баланс может быть записан в форме равенства:

Исходные данные:

Для пара:

;d₂= 0,0405м;           d₁= 0,038м;        t₁₁= 154,5 ºC;       G₁=1.58 ;

C_p154,5= 1,9           δ_c= 0,0025м

Для мазута:

ρ₂= 885 ;  t₂₁= 74,2 ºC;   t₂₂= 104,2 ºC;  G₂=1.21   D=1,224м

С_р74,2= 2,61 ;        С_р104,2= 3,73

Решение:

Количество переданного тепла:

Температура пара на выходе: ⁰С

Находим средние арифметические значение температур теплоносителей и значения физических свойств при этих температурах:

При этой температуре основные параметры пара:

При этой температуре основные параметры мазута:

Скорость движения теплоносителей:    

Критерий Рейнольдса для потока пара:

Температура стенки:

Коэффициент теплоотдачи от пара к стенке трубы:

Критерий Рейнольдса для потока мазута:

Коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к мазуту:

Коэффициент теплопередачи:

Тепловой баланс:

3.3. Уравнение динамики процесса

теплопередачи. 

Теплообменник является сложным объектом с распределенными параметрами. При выводе уравнений динамики необходимо принять ряд допущений.

1) Количество тепла, которое проходит в направлении потока, как в жидкости, так и в стенке трубы не учитывается.

2) Используются средние значения температур по сечению трубопровода, и рассматривается изменение температуры только по направлению потока.

3) Такие параметры как теплоемкость, плотность и коэффициенты теплоотдачи считаются постоянными.

4) Механической энергией, по сравнению с тепловой, и потерями тепла в окружающую среду пренебрегаем. 

Рассмотрим теплообменник типа "Мазутоподогреватель ПМ–10–60" .

В данном случае рассматривается процесс теплообмена между двумя жидкостями, протекающие в концентрически расположенных трубках, когда нагреваемой является жидкость во внешней трубке.

Рассмотрим динамику процесса теплообмена между жидкость в трубе и жидкостью омывающая трубу. Уравнение описывающее процесс теплообмена между элементом жидкости в трубе и окружающей средой будет не линейным, так как коэффициент теплоотдачи является функцией температуры и скорости. В свою очередь скорость представляет собой функцию вязкости, которая служит функцией температуры. Однако уравнение теплового баланса может быть приближенно, считать линейным, если скорость потока и температура жидкости в трубе изменяется в таких небольших пределах, что коэффициент теплоотдачи практически от них не зависит.

Для данного теплообменника можно записать следующие уравнения, которые характеризуют процесс теплообмена. В этих уравнениях индекс ‘1’ относится к внешнему потоку, а индекс ‘2’ к внутреннему потоку.

Уравнение для потока в трубке:

Введем обозначения

–уравнение процесса изменения температуры жидкости от теплоотдачи греющей среды.

Уравнение для стенки трубки:

–уравнение процесса изменения температуры стенки трубы к нагреваемой жидкости

Уравнение для потока в межтрубном пространстве:

Уравнение динамики: зависимость выходной температуры мазута θ₂ от температуры пара θ₁ и температуры стенок трубки θ_ст.

Уравнение статики: зависимость выходной температуры мазута Tм2 от расхода мазута Gм, температуры пара на входе Тп1 и температуры мазута на входе Тм1.

Tм2 (Gм, Тп1, Тм1) = –1246+0,303·Gм + 0,208·Тп1–0,046· Тм1

3.4. Метод оптимизации.

Метод сканирования.

Метод сканирования заключается в последовательном просмотре значений критерия оптимальности в ряде точек, принадлежащих области изменения независимых переменных, и нахождении среди этих точек такой, в которой критерий оптимальности имеет мини­мальное (максимальное) значение. Точность метода, естественно, определяется тем, насколько «густо» располагаются выбранные точки в допустимой области изменения независимых переменных.

         Основным достоинством метода сканирования является то, что при его использовании с достаточно «густым» расположением иссле­дуемых точек всегда гарантируется отыскание глобального оптимума, так как анализи-руется вся область изменения независимых перемен­ных. Другое достоинство — независимость поиска от вида оптими­зируемой функции.

          К недостаткам метода относится, в первую очередь, необходи­мость вычисления значений целевой функции для большого числа точек. Это должно гарантировать, что оптимум не будет пропущен при применении данного метода поиска.

         Наиболее простой алгоритм поиска оптимума методом сканиро­вания, называемый еще иногда поиском на сетке переменных, заклю­чается в том, что по каждой из независимых переменных даются приращения в соответ-ствующем порядке, обеспечивающем заполне­ние всей области изменения этих переменных равномерной и доста­точно густой сеткой. B простейшем случае двух переменных х₁ и х₂ сканирование сводится к просмотру значений критерия оптимально­сти при заданном значении одной переменной х₂ для ряда значений другой х₁ которые определяются как отстоящие друг от друга на величину шага ∆х₁ по переменной х₁. После того как весь диапазон изме-нения переменной х₁ при заданном значении х₂ исследован и для него найде-но минимальное значение критерия оптимальности, изме­няется значение переменной x₂ также па величину некоторого шага ∆х₂ по этой переменной и т. д.

         Для произвольного числа независимых переменных шаг по каж­дой следующей переменной производится после того, как полностью завершен цикл по предыдущей.

Рис. 2. Характер по­иска в методе сканирова­ния

Оптимизация технологического процесса методом сканирования 

Для данного технологического процесса (теплообмен между жидкостями) применим метод оптимизации – метод сканирования.

Целевая функция для теплообменника имеет вид:

Для определения максимальной температуры мазута на выходе из теплообменника необходимо определить оптимальные значения параметров, наиболее влияющих на процесс. В данном случае это: расход мазута, температура пара, температура мазута на входе. Исходя из статистических данных определяем интервалы возможного варьирования этих параметров:

      Критерий оптимальности–максимальная температура мазута на выходе из теплообменника.

Составим программу оптимизации: 

Program skanirovanie;                                                        

Uses crt;                                                                    

const                                                                        

Tp1min=149;                                                                   

Tm1min=68;                                                                    

Gmmin=4351;                                                                  

Tm2min=100;                                                                   

var                                                                          

Tp1,Tm1,Gm,Tm2,n,Tp1o,Tm1o,Gmo,Tm2o:real;                                        

begin