КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА В ПРОГРАММЕ ANSYS НА ПРИМЕРЕ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА УСТАНОВКИ АВТ-2 ОАО «НАФТАН»

ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

УДК 66-5 DOI 10.52928/2070-1616-2024-49-1-95-100

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА В ПРОГРАММЕ ANSYS НА ПРИМЕРЕ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА УСТАНОВКИ АВТ-2 ОАО «НАФТАН»

канд. техн. наук, доц. Е.В. САФРОНОВА, канд. техн. наук, доц. А.В. СПИРИДОНОВ, канд. хим. наук, доц. Е.В. МОЛОТОК, ВА. ТРУС

Приводится описание современных систем автоматизированного проектирования теплообменного оборудования, объедененных общими задачами и математическими методами. Их главные отличия: адаптивность к восприятию 3D-моделей из других программ, удобство использования для проектировщика и способ предоставления отчетных данных. Рассмотрен способ проектирования теплообменного оборудования с применением программы Ansys Workbrench с моделированием потоков течения жидкости методом конечных элементов.

Ключевые слова: моделирование, теплообмен, проектирование, течение жидкости, коэффициент теплопередачи, эффективность, химические процессы.

Введение. Ни одно нефтехимическое и энергетическое производство не обходится без теплообменного оборудования - его доля составляет порядка 40%. И от правильности подобранного вида данных аппаратов напрямую зависит экономическая целесообразность и эффективность производств. В прошлом проектирование и конструирование осуществлялись вручную. Процесс был трудоемким и отнимал много времени, что косвенно увеличивало конечную стоимость проекта. Коэффициенты запаса, введеные для нивелирования дополнительных рисков, погрешностей и допущений в расчетах, увеличивали массу аппарата, его металлоемкость, что в итоге удорожало сами аппараты. Однако с появлением систем автоматизированного проектирования процесс разработки представилось возможным ускорить, а компьютерные мощности позволили моделировать теплооб-менные процессы и процессы течения жидкостей для нахождения оптимальной конструкции в соотношении цена и эффективность.

При проектировании и конструировании теплообменных аппаратов необходимо в максимально возможной степени удовлетворить многосторонние и часто противоречивые требования, предъявляемые к теплообменникам. Основные из них: соблюдение условий протекания технологического процесса; возможно более высокий коэффициент теплопередачи; низкое гидравлическое сопротивление аппарата; устойчивость теплооб-менных поверхностей против коррозии; доступность поверхности теплопередачи для чистки; технологичность конструкции с точки зрения ее изготовления; экономное. использование материалов [1].

Основная часть. Различают проектный и поверочный расчеты теплообменников. Целью проектного расчета является определение необходимой поверхности теплообмена и режима работы теплообменника для обеспечения заданного переноса теплоты от одного теплоносителя к другому. Задача поверочного - определение количества передаваемой теплоты и конечных температур теплоносителей в данном теплообменнике с известной поверхностью теплообмена при заданных условиях его работы. Эти расчеты основываются на использовании уравнений теплопередачи и тепловых балансов [1].

При расчете теплообменника, как и любого другого аппарата для проведения химико-технологического процесса, не представляется возможным только на основе величин, имеющихся в задании на проектирование, однозначно определить все необходимые размеры и характеристики аппарата. Так, для расчета коэффициентов теплоотдачи необходимо задаться скоростью движения теплоносителя, диаметром труб и т.д. Значит, проектировщик при расчетах теплообменников к заданным (в проектном задании) величинам вынужден добавлять ряд других величин, которые часто выбираются произвольно. Поэтому приходится делать ряд вариантов расчета, для того чтобы выбрать наиболее рациональный. При таком методе расчета теплообменников объем расчетных вариантов, да и сам выбор аппарата, во многом зависит от субъективных факторов. Поэтому наиболее рационально расчет и выбор аппарата для проведения химико-технологического процесса, в т.ч. и теплообменного, рассматривать как задачу оптимизации. При этом все достоинства теплообменника выражаются только одной величиной - критерием оптимальности [1].

При оптимизации расчет направлен на поиск варианта, для которого критерий оптимальности будет иметь экстремальное значение (наибольшее или наименьшее в зависимости от содержания критерия). Проектирование теплообменников для этих установок должно быть подчинено основной задаче - обеспечению их высокой экономической эффективности [1].

С активным развитием технологий математического моделирования, в основе которых лежат фундаментальные уравнения гидрогазодинамики, стало возможно расчетным путем определять параметры потока различных сред (давления, скорости) с определением характеристик конвективного теплообмена между твердой поверхностью теплопередающего элемента и текущего теплоносителя [2].

Для решения задач гидродинамики тепловых потоков в теплообменном и любом другом оборудовании сущесвует ряд программ и систем, а именно Ansys CFD, програмные модули в Kompas Flow, SolidWorks Flow Simulation, Autodesk Simulation CFD, FlowVision и др. Среда ANSYS Workbench является основным инструментом, на котором базируется концепция «Проектирование изделий на основании результатов инженерных расчетов» [3]. Ansys включает в себя множество модулей, которые разбиты на разделы.

Для выполнения расчета необходимы следующие исходные данные1:

1) тип теплообменного аппарата (кожухотрубчатый, пластинчатый, ребристый, оросительный, погружной или др.);

2) теплоносители (газ, пар или жидкость);

3) теплопроизводительность аппарата: расход одного из теплоносителей, его начальная и конечная температуры.

По ходу выполнения расчета определяют1:

1) физические параметры и скорости движения теплоносителей;

2) расход другого теплоносителя из уравнения теплового баланса;

3) среднюю разность температур;

4) коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи;

5) поверхность теплообмена;

6) конструктивные размеры аппарата;

7) диаметр патрубка для входа и выхода теплоносителей.

Любой расчет теплообмена стоит начинать с задания теплофизических свойств теплоносителей горячей и холодной сторон. Для этого создаем новый New Case. С помочью команды в поле программы выбираем +  Hat Fluid Properties: и l+-|A CokJ Fluid Prsperties соответственно и в открывшемся окне нажимаем Property Generator. В появившемся меню выбираем вкладку Condition, где указываем диапазон работы аппарата, а именно давление и температуры, при которых потенциально может работать наш будущий теплообменник и для которых будут автоматически сгенерированы свойства теплоносителей при различных условиях (рисунок 1).

После задания границ по температуре и давлению задаем ориентировочный фракционный состав компонентов теплоносителей с помощью команды Composition. Исходя из этого состава, программа будет дробить компоненты на более мелкие фракции и вычислять для них плотность, вязкости, теплопроводность и т.д. (рисунок 2).

Pra-perty Grid Conditions Pressure kP=

Ending

Generate Propertie-r

ThtrmiI Condition

300 Тепп perjure

т

ни TemperitLire 200

Percent Distilled Temperature С

1 1.80 28.00

2 3.7G 48.00

3 5.80 70.00

4 7.14 84.00

5 17.53 188.00

е 28.00 240.00

7 38.24 312.00

8 51.88 408.00

8 82.88 480.00

Рисунок 1. - Границы генерации свойств

Рисунок 2. - Фракционный состав

После задания всех условий нажимаем на вкладку Results. В ней будут находиться все сгенерированные свойства при различных температурах и давлениях, которые будут использованы для расчета теплообмена (рисунок 3).

Аналогично горячему теплоносителю такой же набор действий необходимо сделать и для холодного теплоносителя с генерацией его свойств.

1 Расчет теплообменных аппаратов. Методические указания к курсовому и дипломному проектированию [Электронный ресурс] / сост. Н.Ю. Карапузова, В.М. Фокин. - Волгоград: Волгогр. гос. архит.-строит. ун-т, 2013. URL: http://www.vgasu.ru/publishing/on-line/

Pressure: 300,000 kPa Vapor Properties Liquid Properties

Weight Heat Thermal Mole. Heat Thermal Surface Critical Critical Mole.

Tern peratu re Enthalpy Fraction Density Viscosity Capacity Cond. Weight Density Viscosity Capacity Cond. Tension Pres. Temp. Weight

ra CkJ/kQ) Vapor

01 300,000 692,840 0,21466 10,4768 0,0107 2,4079 0,0358 153,78 735,663 0,5347 272S7 0,0690 11,7417 2030,40 517,31 268,78

02 298,812 687,906 0,20699 10,4668 0,0107 2,4046 0,0357 153,30 735,389 0,5332 27257 0,0692 11,7519 2037,00 515,81 267,23

03 297,633 682,992 0,19933 10,4567 0,0107 2,4013 0,0356 152,83 735,121 0,5318 27227 0,0693 11,7622 2043,57 514,33 265,70

04 296,462 678,096 0,19166 10,4462 0,0107 2,3980 0,0355 152.35 734,858 0,5305 27198 0,0695 11,7726 2050,09 51287 26+,19

05 295,298 673,216 0,18400 10,4356 0,0107 2,3947 0,0354 151,87 734,601 0,5292 27168 0,0697 11,7831 2056,58 511,+1 262,70

06 294,140 668,350 0,17633 10,4246 0,0107 2,3915 0,0353 151,39 734,349 0,5264 27139 0,0698 11,7938 2063,04 509,97 261,23

Я7 292,988 663,497 0,16866 10,4133 0,0107 2,3883 0,0352 150,91 734,104 0,5225 27110 0,0699 11,8047 2069,46 508,54 259,78

08 291,841 658,654 0,16100 10,4017 0,0106 2,3851 0,0351 150,43 733,864 0,5212 2,7081 0,0701 11,8159 2075,85 507,13 258,35

09 290,507 653,013 0,15205 10,3878 0,0106 2,381+ 0,0350 149,87 733,594 0,5197 27047 0,0702 11,8292 2083,26 505,49 256,71

010 289,178 647,379 0,14311 10,3733 0,0106 2.3777 0,0349 149,30 733,333 0,5184 27014 0,0703 11,8429 2090,64 503,87 255,09

011 287,852 641,749 0,13416 10,3584 0,0106 2.3740 0,0348 148,73 733,082 0,5172 2,6980 0,0705 11,8570 2097,97 50226 253.+9

^12 286,527 636,119 0,12522 10,3430 0,0106 2,3703 0,0347 1+8,15 732,842 0,5162 2,6946 0,0706 11,8715 2105,28 500,66 251,91

а и 285,202 630,485 0,11627 10,3270 0,0106 2,3667 0,0346 1+7,57 732,613 0,5152 26912 0,0708 11,8866 211256 499,07 250,36

283,875 624,843 0,10733 10,3105 0,0106 2,3630 0,0345 146,98 732,395 0,5143 2,6878 0,0709 11,9022 2119,82 497,50 2+8,83

ais 282,735 619,997 0,09966 10,2958 0,0106 2,3599 0,0344 1+6,47 732,218 0,5137 2,6849 0,0710 11,9161 2126,02 496,15 2+7,53

а и 281,592 615,1+0 0,09200 10,2807 0,0106 2,3568 0,0343 1+5,95 732,049 0,5131 2,6819 0,0711 11,9304 213221 494,81 2+6,2+

017 280,445 610,269 0,08433 10,2651 0,0105 2,3536 0,0343 1+5,+3 731,890 0,5112 2,6790 0,0712 11,9452 2138,40 493,48 2++,97

018 279,293 605,382 0,07666 10,2+91 0,0105 2,3505 0,0342 1+4,91 731,741 0,5107 2,6760 0,0713 11,9606 21+4,58 +9215 2+3,71

019 278,134 600,475 0,06900 10,2326 0,0105 2,3+73 0,0341 1+4,37 731,601 0,5103 26730 0,0715 11,9764 2150,76 490,83 242,46

Рисунок 3. - Результаты генерации свойств

Далее на вкладке " необходимо задать расходы теплоносителей G, вписав их (в кг/с) в гра-

фу Flow rate 32,6364; начальное и конечное значения температуры (если нет конечной, то программа посчитает, но для этого необходимо для первого приближения дать ей геометрические размеры теплообменника) в соответствующие графы Temperature 231 oC и 209 oC; допустимый перепад давления в аппарате Allowable pressure drop 50 кПа; рабочее давление теплоносителя на входе в аппарат Operating pressure 190 кПа. В графе Phase необходимо выбрать из выдвигающегося списка фазовое состояние теплоносителя: All liquid будет означать, что входит и выходит из аппарата только жидкость без фазового перехода; Condensing - в теплообменнике происходит конденсация данного теплоносителя, и если на входе поток был газообразным, то на выходе либо жидкость либо газожидкостная смесь; All vapor назначается в случае, если в теплообменник входит и выходит газ; Two phase\ No phase change - в аппарат входит и выходит двухфазный поток, меняться могут только соотношения газа и жидкости (рисунок 4).

Рисунок 4. - Условия процесса

После задания всех вышеперечисленных исходных данных появляется возможность задать геометрию аппарата. При первом приближении этим можно пренебречь и запустить расчет в режиме Design. Для этого

необходимо нажать на кнопку ^ и подождать, пока программа подберет оптимальное решение поставленной задачи. После завершения расчета на вкладке Reports будет выдан отчет расчета, проанализировав который можно, меняя геометрию аппарата, повысить эффективность теплообменника (рисунок 5).

Данная техническая спецификация демонстрирует основные параметры работы аппарата и может служить в качестве опросного листа для поставщика оборудования. Исходя из результатов расчета, видим крайне низкую скорость движения теплоносителя в межтрубном пространстве теплообменника 0,14 м/с, что не соответствует рекомендованной скорости 1,5-2 м/с [5]. В нижней части теплообменника наблюдается застойная зона с малыми скоростями потока и плохой теплопередачей, в верхней части поток не доходит до теплообмен-ных трубок и, минуя их, устремляется к выходу. Низкая скорость потока обусловливается тем, что жидкости нужно большее время контакта с трубами для достижения необходимой температуры на выходе. Нормальный теплообмен протекает только в центральной части, где трубки омываются полностью.

Find Allocs ban Snei Siie lube Side

Flud Name

Flud Quantity. Total kpt» 117491 46275

Vapor (IrvOul) 1063.2

Liquid 117491 117491 46275 45211

Stum

Water

tonoondenubltis

Temperatu re (W Oul) C 231.00 209 00 132.00 166.00

SiwtAe Gravity 0.7Mb 0.7823 ШЕЮ 0.8191

Jocosity mN-stoi2 0 8456 1 1981 50.420 Vil 15.592

Molecular YVogttt Vapor

Mdecutar A no"I Moocondensnbles

Spectfc Hut Ulkg-C 2,51*6 2 4368 2.2445 VA. 2.3585

Thetmal Condudivity Wm-C 0.0790 0.0624 0.0Э44 VI 0.0693

.a tort I tea: kJ Vq

nlet Prei jure №a 190 00 234 00

^tlcoty m'5 0.14 1.31

^rcsiure Drco. Alow1 Cab fcPj o.ow | 2,m 0.000 I 20.909

Fouling Re it stance I rni n> m2 K,%V o.cooooo 0.000000

Heal Lucnangea 146ЬСе4 W МГО tCcriecteai 6b,6 С

Tfamler Rate, Sonrice S3.21 W/m2-K Овал 57 51 W,'m2-K Actual 57.51 WmJ-K

Рисунок 5. - Результаты расчета в режиме Design

Для наглядности выведем полученную геометрию из модуля Workbrench в модуль Fluent и проанализируем пространственное распределение тепловых потоков в полученном теплообменнике. Для этого перейдем на

вкладку Drawings и 0ТКр0ем 0ПцИЮ ' ^ J Bundle Layout Получим анимацию движения теплоносителей и распределение тепловых потоков по объему теплообменника (рисунок 6).

Рисунок 6. - Динамическая модель ЭБ вида теплообменника

На данном рисунке продемонстрированы тепловые потоки, движущиеся в аппарате; в левом верхнем углу расположена шкала температур с цветовым распределением, им соответствует цвет стрелок потока в аппарате.

Для турбулизации потока изменим конструкцию теплообменника, расставив сегментные перегородки2.

ЙП Беогп лгу х Ж ВаШи

Для этого следует заити во вкладку ив открывшемся списке выбрать —_ . Открывает-

ся меню настройки перегородок межтрубного пространства (рисунок 7).

Рисунок 7. - Меню настройки перегородок межтрубного пространства

2 Тимонин А.С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования: справ. В 3 т. - Калуга: изд-во Н. Бочкаревой, 2002. - Т. 2. - С. 646-770.

На рисунке видны настройки выреза сегмента - 30%. Расстояние между перегородками назначаем исходя из рекомендаций - 400 мм. Программа дает возможность выбрать и другие варианты перегородок, таких как: Double segmental (двойной сегмент), Rods (стрежневая), Single helical (одинарная спираль). Однако в наших условиях достаточно простой в изготовлении односегментной перегородки.

В выбранном режиме расчета программа сразу предоставляет оптимальную скорость по трубному пространству.

Но рассмотрим случай, когда появляется необходимость решать аналогичную проблему для труб. Для

ТыЬЕ-;

изменения геометрии трубного пространства воспользуемся функцией 1 . В ней есть возможность

задать внутренний диаметр труб Tube OD, толщину стенки труб Average wall thickness, шаг труб Pitch, а также угол их расположения Tube layout angle. Варьируя эти параметры, можно достичь необходимых показателей скоростей и увеличить общий коэффициент теплопередачи. Повторяем расчет и просматриваем отчет расчета измененной конструкции (рисунок 8).

Лп HEAT kANGEft SPECIFICATION SHEET У Jab tea.

Uusloniar ^tltTCriLC-

Audrass Proposal Nv

F'lurj LoLi-jar ilalt "17 С<3.2й£3 4ey

Service- аГ fJn-1 'Itm

977,T7 л 6D56 nim Tvpir НоврсПЫ Coiircrlod In 1 Pantile 1 Зспс;

3LTf.\JnFI ГСюыы,332,63 : 41ifi3 rr-2 ShcK'UmL I ЙНтфп* ^Gmm^fFl J32.69 > ¿19.62 in£

РЕКРЗЩШСЕ ЪТ tfhc UNI"

Fluid Allocation Ti_it= Si:le

Run Name

Fiud C-uanlily. Talal kg.'hr 117Я91 JS275

Vapor ibnJ'Ouij 1Mi7

Liquid 1174&1 1174S1 4S27Z 45212

Sic am

Water

Norcsnd ел в зЬ les

Temp era (л- Нш'ОиИ С 231ДО 239,1» 13?,'ao lta.ijj

Specific Gra'Bity а,7агэ 0.D3A3 il.Si^l

v'isccsity п|М-яа'т.2 U 6456 1.196 1 90.4,20 >J!t. 1? 591

Mciecular VYeighV Vapor

Molecular Wejghrt, Ncnccriiiensuliles.

Sp^-ciliz Heal kJi'kg-C 2.61 qS 2.43Ё4 2 a-us Yt 2.15G3

Thermal CwitSj-rLivriy Wfrn-C 0.С-7Э0 о.мг* 0^9*4 Yfc. 0.bi&3

LaAeni Heal k Ji'kg f

inlty. Ргёмиге kPa г^О 03 230.90

Velocity mi's 1.23 1.-3D

-'res¡¡urc- Drop MkiwCalc kPa 0.LJ0 | 3.52i о.ми ¿c.isa

ГаUii-hu Resistance imnj" mZKVf аВДИ» fl ОСОЗМ

HonE ExClw-gcd I^BSDSiW ______ MTD iCone-cAed! Jiti^ С

Transfer Rale. Ser.ice С 5Э.21 Cleanf 75.30 Л №iti2 К ( JO ) A,irn2 К

Shiil Side TuLr- 5нэе

Jessgr.TesS: Pressure kPaG 617.П ! 617,11 i • 1

Des»gn Temperalue £ 2fiD 30 198,69

No Passer per She I 1 1 Гиг 1 it

Corrosion AHawartce nun 3,176 3,176 Ц11 1 1.,.

Connections- In mrn 1 137,35 1 ф 11:7.30

Sue £ Ra'ifiii Ol! nun t @ 3^7,32 1  167.30

11"::! Г ГГ С L - .111? « a

Рисунок 8. - Результаты расчета измененной конструкции

В динамической модели данное изменение представлено на рисунке 9.

Рисунок 9. - Динамическая модель 3D вида измененного теплообменника

Заключение. Анализ данных показал увеличение коэффициента теплопередачи с 57 до 75 Вт/м2*К, к рекомендованным значениям приведена скорость потока с 0,14 до 1,28 м/с. Из негативных моментов изменения конструкции наблюдается увеличения перепада давлений вследствие увеличения гидравлического сопротивления, однако перепад не превышает заложенных допустимых значений в 50 кПа. Таким образом, программа Ansys позволяет проводить моделирование и оптимизацию работы теплообменных аппаратов, что необходимо при проектировании, изготовлении и эксплуатации.

Показано преимущество программы Ansys и рекомендовано ее использование при проектировании и оптимизации теплообменного оборудования. Может быть использована проектными организациями, проектно-конструкторскими отделами нефтехимических производств, а также студентами вузов в ходе курсового и дипломного проектирования.

ЛИТЕРАТУРА

1. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: учеб. для вузов. В 2 кн. - М.: Химия, 1995. - Кн. 1: Теоретические основы процессов химической технологии. Гидромеханические и тепловые процессы и аппараты. -400 с.

2. Сравнительный анализ параметров противоточного теплообменника, полученных по методике компьютерной гидрогазодинамики и практической методике проектирования теплообменных аппаратов / А.В. Жаров, А.А. Павлов, В .В. Власов и др. // Фундам. исслед. - 2013. - № 11-3. - С. 423-429.

3. Шиляев С.А., Екатериничева Е.И. Расчет конструкции матрицы пресс-формы с запрессованными знаками в программном комплексе Ansys Workbench / Вестн ИжГТУ. - 2018. - № 12-2. - С. 123-125.

4. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - 10-е изд., перераб. и доп. - Ленинград: Химия, 1987. - 576 с.

REFERENCES

1. Dytnerskii, Yu.I.

2. Zharov, A.V., Pavlov, A.A., Vlasov, V.V., Favstov, V.S. & Gorshkov, R.V.

3. Shilyaev, S.A. & Ekaterinicheva, E.I.

4. Pavlov, K.F., Romankov, P.G. & Noskov, A.A.

Поступила 21.11.2023

COMPUTER SIMULATION AND OPTIMIZATION OF HEAT TRANSFER PROCESSES IN ANSYS SOFTWARE USING THE EXAMPLE OF HEAT EXCHANGER INSTALLATION AVT-2 JSC "NAFTAN"

Е. SAFRONOVA, A. SPIRIDONOV, Е. MOLOTOK, V. TRUS

The article provides a description of modern computer-aided design systems for heat exchange equipment, which are united by common tasks and mathematical methods; their most important differences will be adaptability to the perception of 3D models from other programs, ease of use for the designer and the method of providing reporting data. This article discusses a method for designing heat exchange equipment using the Ansys Workbrench program with fluid flow modeling using the finite element method.

Keywords: modeling, heat transfer, design, fluid flow, heat transfer coefficient, efficiency, chemical processes.