4 - 90 Теплообменное оборудование

4.5.1 Теория

Теплопередача

Операция LNG рассчитывает тепловые балансы между горячими и холодными потоками.

Общее уравнение теплового баланса приведено ниже.

M (Hвх − Hвых ) +Qвн +Qнар = ρ	d(VH	вых )
			(4.37)
	dt

где M - массовый расход среды в слое ρ – плотность

H - энтальпия

Qвн – тепло, полученное от окружающих слоев Qнар – тепло, полученное снаружи

V - объем содержимого корпуса или трубок

Гидравлическое сопротивление

Гидравлическое сопротивление операции LNG можно определить одним из способов:

•Задать значение непосредственно

•Определить соотношение давление-расход для каждого слоя, задав значение k.

Если выбран последний вариант, то значение k используется для определения потерь на трение и расход потока через аппарат. Соотношение выглядит следующим образом:

flow = плотность×k P1 − P2

(4.38)

Это выражение, использует гидравлическое сопротивление аппарата без учета статического напора. Величина Р1-Р2, определяющая потери на трение, используется для определения величины k.

Конвективный (К) и общий (K*F) коэффициенты теплоотдачи

Важно понимать различие между стационарной и динамической моделью LNG. В стационарном режиме модель основывается на тепловом балансе, и несколько спецификаций связаны с температурой и энтальпией. В этой модели значения K*F рассчитываются из тепловых кривых. Поскольку динамическая модель LNG – оценочная,

В стационарном режиме порядок следования потоков не имеет значения, в то время как в динамической модели важно расположение потоков в каждой зоне слоя. Значение К на странице динамики относится к коэффициенту теплоотдачи конвекцией для потока, находящегося в контакте с металлом.

Для удобства можно также задать значение K*F в динамической модели для каждого слоя. При этом важно заметить, что это значение не то же самое, что K*F в стационарной модели и учитывает только вклад конвективного теплообмена рассматриваемого потока к его непосредственным соседям. Величина K*F рассчитывается иначе, чем в стационарном режиме.

Теплообменное оборудование 4- 91

Вдинамическом режиме общая нагрузка каждого потока зависит от наличия металлических пластин, их эффективности, прямой теплопередачи между металлическими перегородками и других факторов, обусловленных конструкцией пластинчато-реберных теплообменников.

Видеале конвективный коэффициент теплоотдачи К задается для каждого потока отдельно. Начальное значение может быть оценено из имеющейся литературы или из расчета стационарной модели. При необходимости заданные значения можно изменять с помощью электронной таблицы. При моделировании пуска и останова многопоточного теплообменника на странице Теплопередача закладки Расчет нужно выбрать вариант U flow scaled (масштабируется по расходу).

Если потоки в оценочной модели расположены соответствующим образом, чтобы соптимизировать теплообмен, и теплопроводность металлов незначительна, а фазовые изменения потоков не учитываются, то значения K*F, полученные в стационарной модели можно использовать в качестве оценок в динамической модели.

Динамические спецификации

В следующей таблице приведен список спецификаций, необходимых для расчета операции LNG.

Спецификация	Описание
Размеры зоны	Должны быть заданы размеры каждой зоны операции LNG
	на странице Размеры закладки Расчет. Число зон можно
	изменить на странице Модель закладки Динамика.
Параметры слоя	Должны быть заданы расчетные параметры слоев для
	каждой зоны операции. Информация задается на странице
	Слои закладки Расчет.
Теплоотдача	Задайте значение К или K*F. Это можно сделать на
	странице Теплопередача закладки Расчет.
Гидравлическое	Либо задайте общее гидравлическое сопротивление, либо
сопротивление	значение общего К.
	Задайте метод расчета гидравлического сопротивления на
	странице Спецификации закладки Динамика.
Соединения слоя	Для каждого слоя в каждой зоне должны быть заданы вход
	и выход. Заполните группу Соединения на странице
	Модель закладки Динамика.

4 - 92 Теплообменное оборудование

4.5.2 Специализированное окно операции LNG

Добавить операцию в расчет можно следующим образом:

1В меню Схема выполните команду Добавить операцию (F12). Откроется окно выбора операции.

2Среди Групп операций выберите Теплообменное оборудование.

3Из списка имеющихся операций выберите LNG (Многопоточный теплообменник).

4Нажмите кнопку Добавить. Откроется специализированное окно операции.

ИЛИ

1В меню Схема выполните команду Касса объектов (F4).

2Дважды щелкните по иконке Многопоточный теплообменник.

Откроется специализированное окно операции

Чтобы сделать операцию неактивной, отметьте флажок Отключить. ХАЙСИС не будет рассчитывать эту операцию пока Вы снова не активизируете ее, убрав флажок.

4.5.3 Закладка Данные

На закладке имеется пять страниц:

•Соединения

•Параметры

•Спецификации

•Переменные пользователя

•Примечания

Теплообменное оборудование 4- 93

Страница Соединения

Страница приведена на следующем рисунке:

Для каждого хода теплообменника:

•Необходимо задать входной и выходной потоки

•Гидравлическое сопротивление

•В столбце Гор/Хол можно задать направление передачи тепла. Это используется для оценок, а также в графическом экране. Если указанный горячий поток на самом деле будет принимать тепло (или наоборот), операция, тем не менее, будет рассчитана правильно.

Спомощью кнопки Добавить можно добавить любое количество ходов. Для того чтобы убрать ход, используйте кнопку Удалить, установив курсор на необходимую строку.

•По умолчанию предполагается, что потоки аппарата LNG находятся в главной схеме.

Внизу окна появляется статусная строка вне зависимости от того, какая страница открыта. В ней выводится информация о состоянии операции.

Страница Параметры

На этой странице задаются параметры аппарата, потери тепла/холода, подробные детали и состояние расчета.

4 - 94 Теплообменное оборудование

Группа становится доступной, когда выбран метод расчета

Weighted.

Группа Расчетные параметры

Параметр Описание

Метод расчета При использовании этого метода тепловые кривые разбиваются на интервалы, и теплообмен рассчитывается в пределах этих интервалов. Среднелогарифмический температурный напор LMTD и произведение K*F рассчитываются для каждого интервала тепловой кривой, а затем величины K*F суммируются.

Ходы по корпусу Имеется возможность рассчитать противоточный аппарат (Ft=1), либо аппарат с заданным числом ходов по корпусу

(от 1 до 7).

В стационарном режиме можно выбрать либо метод расчета End Point,

либо Weighted.

Если в аппарате более двух потоков, используется только метод Weighted.

Группа Потери тепла/холода

По умолчанию отмечена кнопка Нет.

Кнопка	Описание
Экстремальные	Считается, что потери тепла происходят только в
	конечных точках температурных кривых (на входе и
	выходе) и относятся к Горячим и Холодным
	равновесным потокам.
Пропорциональные	Потери тепла происходят на каждом интервале.

Группа подробности

Для каждого потока должны быть заданы следующие параметры:

Параметр	Описание
Участков	Считается, что потери тепла происходят только в
	конечных точках температурных кривых (на входе и
	выходе) и относятся к Горячим и Холодным
	равновесным потокам.
Кипение/роса	Установите флажок в поле Кипение/роса, чтобы
	добавить точку фазового перехода к тепловой кривой.
Выровнять	Установите флажок в поле Выровнять для потоков,
	которые следует привести в состояние термическое
	равновесие до начала расчета K*F и LMTD. Если
	отмечен лишь один горячий или лишь один холодный
	поток, то данный поток по определению находится в
	равновесии с самим собой и это не отразится на
	результатах. Если же отмечены два или более горячих
	или холодных потока, их входные/выходные
	температуры будут усреднены и эффективная движущая
	сила процесса теплопередачи снизится. Все
	неотмеченные потоки входят в композитную кривую
	согласно своим первоначальным температурам.

		Теплообменное оборудование 4- 95
	Тип шага	Equal Enthalpy (Равная энтальпия) - все интервалы
		имеют одинаковое изменение энтальпии.
		Equal Temperature (Равная температура) – все
		интервалы имеют равное изменение температуры.
		Auto Interval - HYSYS определит, в каком месте
		необходимо добавить точки к тепловой кривой. Это
		делается для того, чтобы минимизировать ошибку,
		используя наименьшее количество интервалов.
	Профиль Р	Для каждого хода теплообменника выберите метод
		обновления профиля давления во внешнем
		итерационном цикле:
		Constant dPdH - Величина dPdH предполагается
		постоянной.
		Constant dPdUA - Величина dPdUA предполагается
		постоянной.
		Constant dPdA - Величина dPdA предполагается
		постоянной. Вариант не реализован, т.к. расчет
		поверхности не производится.
		Inlet Pressure - Давление предполагается
		постоянным и равным входному давлению.
		Outlet Pressure - Давление предполагается
		постоянным и равным выходному давлению.

Страница Спецификации

На странице спецификаций имеется три группы:

Группа Параметры расчета

Параметр	Описание
Точность	Задайте значение допустимой невязки расчета
Невязка	Когда значение текущей невязки становится меньше, чем
	допустимая точность вычислений, считается, что
	решение достигнуто.
Макс. число	задайте максимальное число итераций, которые
итераций	ХАЙСИС выполнит, пытаясь найти решение.
Итерации	Выводится текущая итерация внешнего цикла. Тепловая
	кривая обновляется и осуществляется расчет свойств.

4 - 96 Теплообменное оборудование

	Во внутреннем цикле расчет свойств проводится по
	приближенным моделям. Любые ограничения также
	рассматриваются во внутреннем цикле.
Неизвестные	Выводится число неизвестных переменных.
Ограничения	Выводится число спецификаций.
Степени свободы	выводится число степеней свободы. Каждый заданный
	параметр снижает на единицу число степеней свободы.
	Количество ограничений (спецификаций ) должно быть
	равно количеству неизвестных переменных. В этом
	случае количество степеней свободы будет равно нулю,
	и решение будет найдено.

Группа Неизвестные

Здесь выводится список всех неизвестных операции LNG в соответствии с заданными спецификациями. По окончании расчета операции в соответствующих полях появятся значения переменных.

Группа Спецификации

При расчете реального аппарата должно выполняться уравнение теплового баланса, то есть значение невязки теплового баланса должно быть равно нулю, и эта спецификация должна быть активной. С другой стороны пользователь имеет возможность задать информацию обо всех потоках аппарата, сделать спецификацию невязки неактивной, рассчитать аппарат и увидеть значение реальной невязки в столбце Текущее.

Значение спецификации Тепловой Баланс (Heat Balance) по умолчанию принимается равным 0 и эта спецификация должна быть активной.

Просматривать и удалять спецификации можно с помощью кнопок справа от группы Спецификации. При создании новой спецификации с помощью кнопки Добавить автоматически появляется окно спецификации.

Вданном примере необходимо задать имена двух потоков и значение спецификации.

Вокне спецификации имеется две закладки:

•Параметры

•Сводка

На странице Сводка указывается, является ли спецификация активной или используется только как оценка. На этой странице также выводится и значение спецификации.

Теплообменное оборудование 4- 97

Информация, представленная на странице Сводка, также доступна в группе Спецификации.

Спецификации относятся к одному из следующих трех типов:

Тип спецификации	Действие
Активная (Active)	Активная спецификация – та, которая непременно должна
	быть выполнена при расчете. Заметьте, что активная
	спецификация всегда используется в качестве начальной
	оценки (когда отмечен флажок Активная (Active), HYSYS
	автоматически отмечает и флажок Оценка (Estimate)).
	Активная спецификация понижает на единицу число степеней
	свободы.
Оценка (Estimate)	Оценочная спецификация считается неактивной
	характеристикой, так как алгоритм сходимости не пытается
	выполнить ее. Для того, чтобы использовать эту
	спецификацию только в качестве оценки, уберите флажок из
	поля Активная (Active). При этом заданное значение будет
	служить только в качестве первоначальной оценки для
	алгоритма расчета. Оценочная спецификация не влияет на
	количество степеней свободы.
Полностью	Для того, чтобы совсем не принимать во внимание значение
неактивная	спецификации при расчете, отключите флажки в полях
	Активный и Оценка. Если вы полностью деактивировали
	спецификацию, не удаляя ее, то можно воспользоваться ею в
	дальнейшем, или же просмотреть ее текущее значение.

Активная спецификация должна быть выполнена в результате расчета. Чтобы спецификация была Активной,

отметьте оба флажка.

Оценочная (Estimate)

спецификация используется в качестве первоначальной оценки и не будет выполнена в результате расчета.

Полностью

неактивная

спецификация - та, которая полностью игнорируется в процессе сходимости. Ее можно преобразовать в Активную или Оценочную.

Наличие списка спецификаций позволяет попробовать различные комбинации вышеприведенных трех типов. Предположим, что у вас есть определенное количество спецификаций, и Вы хотите определить, какая из них должна быть активной, какая - оценочной, а какая не должна приниматься во внимание. Включая и выключая флажки в соответствующих полях, вы можете пробовать различные комбинации этих трех типов, чтобы определить, как это повлияет на результат.

Доступны следующие спецификации:

	Спецификация	Описание
	Температура	Задается температура любого потока, связанного с LNG.
	(Temperature)	Также может быть указана горячая или холодная
		равновесная температура входа.
	Разность Т	Задается разность температур на входе или выходе
	(Delta Temp)	между любыми двумя потоками, связанными с LNG.
		Также могут быть использованы горячая или холодная
		равновесная температура входа.
	Минимальное	Задается минимальная разность температур между
	сближение	температурными (композитными) кривыми.
	(Min Approach)
	K*F (UA)	Произведение общего коэффициента теплопередачи K
		на поверхность теплообмена F.
	Среднелогарифмичес-	Задается общая среднелогарифмическая разность
	кая разность	температур. Она рассчитывается исходя из разностей
		температур на горячем и холодном конце
	температур
		теплообменника. Смотри уравнение (4.39).
	(LMTD)
	Нагрузка	Общая нагрузка, невязка теплового баланса, потери
		тепла или холода. Обычно значение невязки должно
	(Duty)
		быть равно нулю. Потери тепла или холода можно
		использовать в качестве спецификации лишь в том

Горячая равновесия температура входа -

это равновесная температура смешения всех входных горячих потоков минус падение температуры за счет потери тепла.

Холодная

равновесная температура входа -

это равновесная температура входных холодных потоков плюс повышение температуры за счет потерь холода.