Оптимизация параметров теплообменных аппаратов
Теплообменные аппараты принадлежат к числу основного оборудования АЭС. Поверхности теплообменников достаточно большие, требующие на их изготовление значительного количества дефицитной нержавеющей стали. Поэтому оптимизация параметров теплообменных аппаратов является важным звеном в улучшении технико-экономических характеристик атомных электростанций и энергетических установок.
Основные принципы оптимизации параметров теплообменных аппаратов
При постановке задач оптимизации необходимо выбрать критерии качества (функцию цели), параметры оптимизации, ограничения на эти параметры и методику расчета критериев качества и функций ограничений (математическую модель объекта исследования). В зависимости от этого выбора определяется и наиболее эффективный метод поиска оптимальных параметров.
Общая же задача оптимизации состоит в отыскивании минимума целевой функции в выбранной области ограничений типа равенств и неравенств.
Критерии качества. Наиболее общим критерием качества при создании любого оборудования являются экономические критерии: приведенные затраты или стоимость.
Расчет стоимости теплообменных аппаратов производится по методике укрупненного калькулирования, рекомендованной ЦКТИ
,
где Mj и Sj – масса и стоимость материалов отдельных элементов аппарата (труб, корпуса и т.д.); Kuj – коэффициент использования металла; W – удельная величина зарплаты, приходящая на 1 кг металлоконструкций; Сi – коэффициент, учитывающий внепроизводственные расходы и др.
Однако на практике приходится нередко оптимизировать и по другим критериям качества, например, минимизировать массу, и объем аппарата. В некоторых случаях масса, объем и стоимость теплообменника прямо пропорциональны (сладкотрубный теплообменник). В других – аппарат минимальной массы не является самым дешевым (конденсатор). В случае применения оребренных поверхностей уменьшение массы и стоимости приводит к увеличению объема.
Следует особо отметить, что на стадии технических предложений для выбора оптимальных параметров аппаратов с интенсификацией теплообмена эффективность интенсификации теплообмена и теплообменников в целом проводится по трем критериям:
Сравниваются поверхности теплообмена или объемы двух теплообменных аппаратов (одного с гладкими трубами, другого с интенсификаторами теплообмена). При этом оба теплообменника имеют одинаковую тепловую мощность, расходы тепл-ле и потери давления на его прокачку.
Сравниваются тепловые мощности теплообменников при одинаковых объемах, расходах и потерях давления (одинаковых мощностях на прокачку).
Сравнение потерь давления на прокачку (или мощностей) на прокачку) при одинаковых объемах, тепловой мощности и расходах.
Параметры оптимизации
Оптимизация параметров производится в несколько этапов.
На первой стадии (разработки технических предложений) оптимизируются параметры, связанные с характеристиками термодинамического цикла (давления, t, G и т.д.). Изменения этих величин оказывают большое влияние на экономические и весогабаритные характеристики, чем «внутренние» параметры (диаметры труб, скорости и т.д.). Поэтому последние на этом этапе принимают одинаковыми для всех вариантов.
На стадии эскизного проектирования оптимизируют «внутренние» параметры теплообменника при заданных основных параметрах термодинамического цикла. При выборе параметров необходимо иметь в виду следующее:
Параметры должны быть независимы друг от друга.
Должны оказывать существенное влияние на целевую функцию.
Должны мало изменяться на дальнейших стадиях проектирования.
К таким параметрам относятся диаметры труб, характеристики оребрения и другие.