穩(wěn)態(tài)傳熱過程的計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)

穩(wěn)態(tài)傳熱過程的計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?） 了解計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)的方法、內(nèi)容和過程；（2） 了解計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)在化工領(lǐng)域中的應(yīng)用及意義；（3） 熟悉穩(wěn)態(tài)傳熱過程數(shù)學(xué)模型的建立與求解方法，并掌握利用計(jì)算機(jī)程序（如EXCEL）實(shí)現(xiàn)過程模擬的步驟和方法；（4） 通過對模擬結(jié)果與實(shí)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，適當(dāng)修正舊的數(shù)學(xué)模型，或?qū)δM結(jié)果的好壞進(jìn)行合理的評價(jià)。二、 實(shí)驗(yàn)原理1、 計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)在化工領(lǐng)域中的應(yīng)用隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及市場競爭的日益激烈，計(jì)算機(jī)模擬（SIMULATION）技術(shù)在化工系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來越廣泛，無論是在其科研、設(shè)計(jì)還是在生產(chǎn)操作階段，均發(fā)揮著重要作用。在科研工作中，實(shí)驗(yàn)工作量很大，而且有時(shí)實(shí)驗(yàn)工作條件十分困難甚至無法達(dá)到，例如創(chuàng)造高溫、高壓等極端條件，制造核電站或化工廠泄露等事故。而利用過程模擬軟件可對各種實(shí)驗(yàn)條件下的過程進(jìn)行深入、快速地分析，幾乎不受此類條件的限制?；ぱb置設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)方法主要依靠試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)，化工過程模擬軟件的應(yīng)用則完全顛覆了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，在化工過程的系統(tǒng)合成、化工過程的系統(tǒng)優(yōu)化等方面獲得越來越廣泛地應(yīng)用，使化工設(shè)計(jì)的周期大大縮短，設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度大大提高。在生產(chǎn)操作中，通過對現(xiàn)有的化工過程進(jìn)行模擬、分析和控制，可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化操作，提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，降低原材料和能源消耗，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的市場競爭力。2、 穩(wěn)態(tài)傳熱過程的數(shù)學(xué)模型穩(wěn)態(tài)傳熱是化工過程中常見的單元操作之一，其中又?jǐn)?shù)間壁式換熱器應(yīng)用較普遍，即熱流體通過間壁將熱量傳給冷流體。描述穩(wěn)態(tài)間壁式傳熱過程的數(shù)學(xué)模型有兩種，即平均推動(dòng)力模型和傳熱效率與傳熱單元數(shù)（8—NTU）模型。（1）平均推動(dòng)力模型熱量衡算式Q=q-c（T—T）=q-c（t-1）mlpl12 m2p221傳熱速率方程式Q=KSAtmA At一At逆流、并流%=理TA。折流、錯(cuò)流等Atm二中（P,R）?Atm逆

式中P=L；R=皇2T—tt—t熱量衡算式Q=q-c熱量衡算式Q=q-c (T-T)=q-c(t-1)=Lc)T-1)ml pl1 2 m2 p2 2 1 mpmin1 1￡-NTU關(guān)系^=^(NTU,Cr)逆流￡ii=1,21-expNTUG-C)LCr—expNTUG_Cr)]'逆流￡ii=1,2、、左_1-expLNTUG+C)]并流￡.- 1+ciR'iT，2Ri式中￡=T1-T2,NTU=-^七，C=qm1Cp1；T-1 1qc R1qc11 m1p1 m2p2￡=^2^,NTU=KS,C=qm2cp2T-1 2qc R2qc11 m2p2 m1p1當(dāng)Cr1<1時(shí)，傳熱效率為"；當(dāng)Cr2V1時(shí)，傳熱效率為￡2。不論采用何種數(shù)學(xué)模型，穩(wěn)態(tài)間壁式傳熱過程共有 9個(gè)基本變量：Q,S,K,q,q,T,T,t,t，由于獨(dú)立的方程式只有3個(gè)，所以系統(tǒng)的自由度數(shù)為6,即需要m1m2 12 21給出其中6個(gè)獨(dú)立變量，才能確定另外3個(gè)因變量。3、穩(wěn)態(tài)傳熱過程模擬的基本類型穩(wěn)態(tài)傳熱過程模擬的基本類型與其他單元操作過程相同，包括操作型和設(shè)計(jì)型兩種。操作型問題即給定設(shè)備流程與參數(shù)，對指定的目標(biāo)，校核現(xiàn)有的換熱器能否勝任或者考察改變某一操作條件對其他變量的影響等。而設(shè)計(jì)型問題則是要完成某一指定傳熱任務(wù)而設(shè)計(jì)一臺(tái)新的換熱器，如給定Q,K,q,q,T,t，求總換熱面積S。m1m2 2 1三、穩(wěn)態(tài)傳熱過程模擬的實(shí)例現(xiàn)有一套管換熱器(可參考實(shí)驗(yàn)室傳熱設(shè)備)，冷、熱流體分別流經(jīng)管內(nèi)和環(huán)隙，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱交換，冷流體介質(zhì)為空氣，熱流體介質(zhì)為飽和水蒸汽，忽略冷、熱流體進(jìn)、出口壓力差和熱損失，模擬空氣出口溫度隨其流量變化的關(guān)系。設(shè)備參數(shù)如下：實(shí)驗(yàn)內(nèi)管內(nèi)徑d.(mm)20.00實(shí)驗(yàn)內(nèi)管外徑d(mm)22.0實(shí)驗(yàn)外管內(nèi)徑D.(mm)50實(shí)驗(yàn)外管外徑D(mm)57.0 o 測量段(紫銅內(nèi)管)長度l(m)1.000指定的獨(dú)立變量有：S,qm2,T，t1因變量有：12空氣物性參數(shù)由定性溫度來確定：t=1 2m2熱量衡算式Q=qw=q-c(t-1)ml1 m2p221傳熱速率方程式Q=K-S-At=a?S-At式中a為對流傳熱系數(shù)，由圓形直管內(nèi)強(qiáng)制湍流對流傳熱模型給出。Nu=ARemPro.4，a=0.023，m=0.8,_a?de式中N