Оптимізація параметрів елементів системи теплопостачання

Курсова робота

з дисципліни: «Основи інформатики та обчислювальної техніки»

на тему «Оптимізація параметрів елементів системи теплопостачання»

Одеса 2010

Вступ

Дана курсова робота – це поєднання усіх навиків які були отримані студентом на протязі навчального курсу програми.

Курсова робота передбачає в собі розрахунок оптимального діаметру енергосистеми для найменших затрат.

В роботі використовується поєднання як текстових так і графічних редакторів, а також однієї з вивчених алгоритмічних мов програмування.

Для перевірки правильності виконаних розрахунків уся робота виконується двома способами, збіжність котрих і буде свідченням правильності виконання. Серед таких методів в курсовій роботі використаний пакет Microsoft Excel та для перевірки мова програмування Basic, алгоритм програми якої був написаний за допомогою програми QBasic.

      Основна мета курсової роботи

Основною метою курсової роботи є визначення оптимального діаметра теплової dопт теплової мережі системи теплопостачання від джерела до споживача при змінені швидкості теплоносія у внутрішньому контурі (у діапазоні w>1>=0.4÷5.0 м/с) та діаметра теплообмінника зовнішнього контуру d2 (у діапазоні 0,25÷0,4м).

При зростанні швидкості теплоносія w>1> у трубопроводі відповідно зменшується його діаметр d>1> та товщина стінки δ>1>, що зменшує витрати на матеріал трубопроводу. Однак відповідно зростає гідравлічний опір у системі та, отже, витрати електроенергії на привод мережного насоса. Тому завданням КР є визначення оптимального значення швидкості теплоносія w>1>, при якій щорічні витрати на енергосистему будуть мінімальні.

      Текст завдання курсової роботи з розрахунковими формулами

Визначають діаметр внутрішнього контуру енергосистеми:

де G1 - витрати теплоносія у внутрішньому контуру, кг/с;

π- коефіцієнт, що дорівнює 3,14;

ρ>1>- густина теплоносія внутрішнього контору, кг/м3;

с - питома теплоємність теплоносія, Дж/(кг*К).

Визначають товщину стінки трубопроводів внутрішнього та зовнішнього контурів енергосистеми:

,

де p>1>>, >p>2 >– відповідно тиск всередині трубопроводу внутрішнього та зовнішнього контурів, МПа;

[σ>м>] - припустима міцність матеріалу трубопроводу, МПа.

d2 – діаметр зовнішнього контору, що змінюється в діапазоні 0,25÷0,4м.

Число Рейнольда для внутрішнього та зовнішнього контурів:

;

де w>2>,w>2> – відповідно середня кінематична в’язкість теплоносіїв внутрішнього та зовнішнього контурів при заданій температурі, м2/с;

d>2екв>=d>2>-d>1>->1> - еквівалентний діаметр кільцевого каналу теплообмінника, м;

швидкість теплоносія у кільцевому каналі теплообмінника, м/с;

p>2> – густина теплоносія в зовнішнього контурі, кг/м3;

G>2>- витрата теплоносія в зовнішньому контурі, кг/с;

Число Нусальта для внутрішнього та зовнішнього контурів:

; ,

Де Pr>1>, Pr>2 >– відповідно числа Прандтля теплоносіїв внутрішнього та зовнішнього контурів при заданій температурі.

Коефіцієнти тепловіддачі теплоносіїв внутрішнього та зовнішнього контурів, Вт/(м2 К):

;

Де , - відповідно коефіцієнти теплопровідності носіїв внутрішнього та зовнішнього контурів при заданій температурі, Вт/(м К).

Коефіцієнти теплопередачі від внутрішнього до зовнішнього контурів:

,

Де - коефіцієнт теплопровідності матеріалу трубопроводів, Вт/(м К).

Розрахункова площа теплообмінника:

,

Де Q-теплова продуктивність енергосистеми, кВт;

- температурний напір, К.

Довжина теплообмінника типу «труба в трубі»:

.

Маса матеріалу енергосистеми:

Де - відповідно довжина ділянок енергосистеми, м;

- густина матеріалу трубопроводів, кг/м3

Витрата коштів на енергосистему за рік:

,

Де Е>н - >нормативний коефіцієнт, що дорівнює 0,15:

S>м>- вартість металу трубопроводу, грн/кг;

S>ел>- вартість 1 кВт∙год електроенергії;

λ- коефіцієнт тертя трубопроводу;

∑- підсумковий коефіцієнт місцевого опору трубопроводу;

- ККД мережного насоса;

- ККД електродвигуна для приводу насоса;

g – прискорення вільного падіння, м/с2

      Електронна таблиця з оптимізаційними розрахунками енергосистеми

Таблиця 1

Початкові дані для розрахунків

Витрата теплоносія у внутр. контурі, G1 кг/с

29

Витрата теплоносія у зовн. контурі, G2 кг/с

44

Густина теплоносія внутр. контуру, ρ1, кг/м3

1000

Густина теплоносія зовн. контуру, ρ2, кг/м3

1000

Густина матеріалу трубопроводів, ρм, кг/м3

8000

Нормативний коефіцієнт, Ен

0,15

Тиск теплоносія внутрішнього контуру, Р1, Мпа

2,4

Тиск теплоносія зовнішнього контуру, Р2. Мпа

1,9

Міцність матер. трубопроводів, σ, Мпа

34

Довжина ділянки трубопроводу, L1, м

34

Довжина ділянки трубопроводу, L2, м

44

Довжина ділянки трубопроводу, L3, м

54

Число годин роботи системи за рік, h, год

6800

ККД мережного насоса, ηн

0,65

ККД електродвигуна, ηэл

0,9

Вартість електроенергії, Sел, грн/(кВт)

0,4

Вартість металу трубопроводу, Sм, грн/кг

2,8

Підсумковий коеф. місц. опору трубопроводу, Σξм

30

Коеф. Тертя трубопроводу, λ

0,02

Теплова продуктивність системи, Q, кВт

240

Питома теплоємність теплоносіїв, с, Дж/(кг∙К)

4180

Температура на вих. теплообмінника, Т2вих, гр. С

60

Температурний напір, ∆t, гр. С

29

Коеф. Теплопровідності матер. трубопроводу, λм, Вт/(м∙К)

40

Число Прандтля для внутр.. контуру, Pr1

2,2

Число Прандтля для зовн. Контуру,Pr2

3

Коеф. Теплопровідності теплонос. Внутр.. контуру, λ1, Вт/(м∙К)

0,67

Коеф. Теплопровідності теплонос.зовн.. контуру, λ2, Вт/(м∙К)

0,66

Кінемат. В’язкість теплонос. Внутр.. контуру, v1, м.кв/с

3,60Е-07

Кінемат. В’язкість теплонос.зовн.. контуру, v2, м.кв/с

4,80Е-07

4. Текст програми на мові програмування QBASIK

Розрахунки виконуються за допомогою програми QBASIK

Програма оптимізації діаметра системи теплопостачання

Склав студент групи ТЕ –0901 Незгодюк Л.И.

Вхідні дані для розрахунку

rom = 8000: ro1 = 1000: ro2 = 1000: en = .15: dzeta = 30: lyamda = .02

kpd2 = .9: sel = .4: c = 4180: lyamdam = 40: pr1 = 2.2: pr2 = 3: lyamda1 = .67

lyamda2 = .66: mu1 = 3.6E-07: mu2 = 4.8E-07: g1 = 17: g2 = 32: p1 = 1.2: p2 = .7

sigma = 22: l1 = 22: l2 = 32: l3 = 42: q = 120: sm = 1.7: dt = 17: h = 5700:

kpd1 = .7

Тіло програми

DIM d1, delta1, l, z, w1, delta2

FOR d2 = .25 TO .4 STEP .05

PRINT USING "#.##"; d2

delta2 = .1 * (d2 * p2 / (2 * sigma / 2.5 - p2)) ^ .5

FOR w1 = .4 TO 1 STEP .2

d1 = (4 * g1 / 3.14 / ro1 / w1) ^ .5

delta1 = .1 * (d1 * p1 / (2 * sigma / 2.5 - p1)) ^ .5

re1 = w1 * d1 / mu1

nu1 = .021 * re1 ^ .8 * pr1 ^ .43

alfa1 = nu1 * lyamda1 / d1

d2ekv = d2 - d1 - delta1

w2 = 4 * g2 / (3.14 * ro2 * (d2 ^ 2 - (d1 + delta1) ^ 2))

re2 = w2 * d2ekv / mu2

nu2 = .021 * re2 ^ .8 * pr2 ^ .43

alfa2 = nu2 * lyamda2 / d2ekv

k = 1 / (1 / alfa1 + delta1 / lyamdam + 1 / alfa2)

fr = q * 1000 / k / dt

l = fr / 3.14 / (d1 + delta1)

m = 3.14 / 4 * (((d1 + delta1) ^ 2 - d1 ^ 2) * (l + l1 + l2 + l3) + ((d2 + delta2) ^ 2 - d2 ^ 2) * l) * rom

z = m * en * sm + g1 * (1 + lyamda * (l + l1 + l2 + l3) / d1 + dzeta) * kpd1 * kpd2 * h * sel * .001 * w1 ^ 2 / 2 / 9.81

PRINT "w1="; w1; TAB(15); "d1="; d1; TAB(30); "delta1="; delta1; TAB(45); "l="; l; TAB(60); "z="; z

NEXT: NEXT

END

5. Результати розрахунків у QBASIC

б2

d2

0.0073

0.25

w1, м/с

d1 , м

б1 , м

L , м

Z,грн/год

.4

.23268031

.01305

8.14001

1097.26

.6

.18998268

.01179

9.00539

848.947

.8

.16452983

.01097

9.76593

724.761

1

.14715995

.01038

10.4481

657.525

1.2

.13433804

.00991

11.0702

623.369

1.4

.12437286

.00954

11.6447

611.645

1.6

.11634016

.00923

12.1802

616.918

1.8

.10968655

.00896

12.6834

636.157

2

.1040578

.00873

13.1591

667.572

2.2

.09921522

.00852

13.611

710.07

2.4

.09499134

.00834

14.0422

762.967

2.6

.09126473

.00817

14.455

825.841

2.8

.08794489

.00802

14.8516

898.436

3

.08496284

.00788

15.2335

980.609

3.2

.08226491

.00776

15.6021

1072.29

3.4

.07980869

.00764

15.9587

1173.48

3.6

.0775601

.00753

16.3042

1284.19

3.8

.07549146

.00743

16.6397

1404.49

4

.07357998

.00734

16.9657

1534.46

4.2

.0718067

.00725

17.2831

1674.18

4.4

.07015575

.00716

17.5924

1823.76

4.6

.06861368

.00709

17.8942

1983.32

4.8

.06716902

.00701

18.189

2152.98

5

.06581193

.00694

18.4771

2332.86

б2

d2

0.008

0.3

w1, м/с

d1 , м

б1 , м

L , м

Z,грн/год

0.4

.32680312

.013048

9.593718

1138.274

0.6

.189982679

.01179

10.77816

892.6906

0.8

.164529826

.010972

11.80706

771.2051

1

.14715995

.010377

12.72505

706.5952

1.2

.134338041

.009914

13.55975

675.0131

1.4

.124372858

0.00954

14.3292

665.8462

1.6

.16340156

.009226

15.04585

673.6911

1.8

.09686551

.008959

15.71869

695,5492

2

.104057799

.008726

16.35445

729.6609

2.2

.099215218

.00852

16.95832

774.9588

2.4

.094991339

.008337

17.53438

830.7873

2.6

.091264727

.008172

18.08594

896.7474

2.8

.087944891

.008022

18.6157

972.6068

3

.084962837

.007885

19.12589

1058.245

3.2

.082264913

.007758

19.6184

1153.619

3.4

.079808688

.007642

20.09485

1258.738

3.6

.077560104

.007533

20.5566

1373.652

3.8

.075491462

.007432

21.00486

1498.439

4

.073579975

.007338

21.44066

1633.195

4.2

.071806703

.007249

21.86493

1778.035

4.4

.070155754

.007165

22.27846

1933.082

4.6

.068613681

.007086

22.682

2098.471

4.8

.06716902

.007011

23.07617

2274.341

5

.06581193

.006939

23.46155

2460.836

б2

d2

0.0086

0.35

w1, м/с

d1 , м

б1 , м

L , м

Z,грн/год

.4

.232680312

.013048

11.25716

1190.611

.6

.189982679

.01179

12.80816

948.84146

.8

.164529826

.010972

14.14511

831.47296

1

.14715995

.010377

15.33363

777.6505

1.2

.134338041

.009914

16.41215

742.9351

1.4

.124372858

.00954

17.40517

737.43137

1.6

.116340156

.009226

18.32934

748.90376

1.8

.109686551

.008959

19.19659

774.39992

2

.104057799

.008726

2.01578

812.20129

2.2

.099215218

.00852

2.79372

861.27755

2.4

.094991339

.008337

21.53574

921.0069

2.6

.091264727

.008172

22.24615

991.02195

2.8

.087944891

.008022

22.92845

1071.1202

3

.084962837

.007885

23.58555

1161.2094

3.2

.082264913

.007758

24.21991

1261.2731

3.4

.079808688

.007642

24.83358

1371.3476

3.6

.077560104

.007533

25.42836

1491.5074

3.8

.075491462

.007432

26.00579

1621.8544

4

.073579975

.007338

26.56722

1762.5105

4.2

.071806703

.007249

27.11382

1913.6125

4.4

.070155754

.007165

27.64663

2075.3082

4.6

.068613681

.007086

28.1666

2247.7536

4.8

.06716902

.007011

28.67455

2431.111

5

.06581193

.006939

29.17121

2625.547

б2

d2

0.0092

0.4

w1, м/с

d1 , м

б1 , м

L , м

Z,грн/год

.4

.23268031

.01305

13.1251

1255.3841

.6

.18998268

.01179

15.0886

1020.7086

.8

.16452983

.01097

16.7721

909.3363

1

.14715995

.01038

18.2647

854.21246

1.2

.13433804

.00991

19.6173

831.67772

1.4

.12437286

.00954

20.8615

831.27846

1.6

.11634016

.00923

22.0188

847.74343

1.8

.10968655

.00896

23.1045

878.18555

2

.1040578

.00873

24.1297

920.94196

2.2

.09921522

.00852

25.1031

975.03117

2.4

.09499134

.00834

26.0315

1039.8751

2.6

.09126473

.00817

26.9203

1115.1463

2.8

.08794489

.00802

27.7738

1200.6792

3

.08496284

.00788

28.5959

1296.4163

3.2

.08226491

.00776

29.3894

1402.3737

3.4

.07980869

.00764

30.1572

1518.6195

3.6

.0775601

.00753

30.9013

1645.2582

3.8

.07549146

.00743

31.6237

1782.4207

4

.07357998

.00734

32.3261

1930.2573

4.2

.0718067

.00725

33.01

2088.9325

4.4

.07015575

.00716

33.6767

2258.6211

4.6

.06861368

.00709

34.3273

2439.5056

4.8

.06716902

.00701

34.963

2631.7743

5

.06581193

.00694

35.5845

2835.6195

Висновки

1. Під час виконання даної курсової роботи був розрахований оптимальний діаметр теплової мережі системи теплопостачання від джерела до споживача при змінній швидкості теплоносію та витратах на електроенергію.

2. Розрахунки були виконані двома способами: у середовищі Microsoft Excel та за допомогою алгоритмічної мови програмування Quick Basic. При виконанні завдання були отримані навички роботи з електронними таблицями та з графічним відображенням інформації. При написанні програми до курсової роботи згадали прийоми та методи алгоритмічного програмування.

3. До курсової роботи було зроблено креслення теплової мережі.

4. Розрахунки параметрів системи теплопостачання, виконані двома способами збігаються.

5. Основною метою курсової роботи було визначення оптимального діаметра d>опт >теплової мережі теплопостачання від джерела до споживача при зміні швидкості теплоносія у внутрішньому контурі (у діапазоні = 0,4÷0,5 м/с) та діаметра теплообмінника зовнішнього контуру d>2> (у діапазоні = 0,25÷0,4 м) при даних вхідних параметрах.

При зростанні швидкості теплоносія w>1> у трубопроводі. Відповідно зменшується його діаметр d>1> та товщина стінки δ>1> , що зменшує витрати на матеріал трубопроводу. Однак відповідно зростає гідравлічний опір , отже , витрати енергії на привод мережного насоса

У Курсовій роботі отримані оптимальні значення швидкості теплоносія w>1 >, при якій щорічні витрати на енергосистему будуть мінімальні .

Для d>1 >= 0.25 мінімальне значення швидкості витрат на енергосистему

Z= 611,6454 грн. при w>1 >= 1,4 м/с , де d>1> = 0,124372858 м , δ>1 >=> >0,00954 м

Для d>2 >= 0.3 мінімальне значення швидкості витрат на енергосистему

Z= 665,8462 грн. при w>1 >= 1,4 м/с , де d>1> = 0,124372858 м , δ>1 >=> >0,00954 м

Для d>3 >= 0.35 мінімальне значення швидкості витрат на енергосистему

Z= 737,4314 грн. при w>1 >= 1,4 м/с , де d>1> = 0,124372858 м , δ>1 >=> >0,0954 м

Для d>4 >= 0.4 мінімальне значення швидкості витрат на енергосистему

Z= 831,278 грн. при w>1 >= 1,4 м/с , де d>1> = 0,12437286 м , δ>1 >=> >0,0095 м

Перелік використаної літератури

    Довженко В.А., Колєсніков Ю.В. MS Excel 2003. СПБ., БВХ-Петербург , 2004.

    Ананьев А.В., Федоров А.М. Самоучитель Visual Basic 6.0.

    А.В. Кузін, С.В. Левонисова Бази даних: підр. посібник для студ. вищ. навч. закладів, 2008.

    Клима И. Оптимизация энергетических систем. - М.: Высш. шк., 1991.-302 с.

    Гринчишин Я.Т., Алгоритмы и программы на Бейсике. - М.; “Просвещение” 1988.

    Бундюк А.М. Програмування в середовищі QBASIC: Конспект лекцій. - Одеса: ОДПУ, 1996. – 124 с.

    Фаронов В.В., Delphi. Програмування на мові високого рівня, 2005 г.