容器非稳态加热过程的严格计算--2012年要共同解决的问题

本帖最后由 wiseboy 于 2012-1-6 11:47 编辑 容器非稳态加热过程的严格计算，典型的工程问题，直到到现在，没有现成的比较准确的算法。各种书籍的解决办法五花八门，相互间结果也相差很远，不知道究竟哪个对。一些标准、规范的算法，更不想多说了：粗糙！保守！！浪费！！！ 但是经过分析，并不是不能解决，而且数学上存在理论解。现在把问题列出来，希望有能力的算算，各展才华，对比一下结果。 一、基本条件： 1。质量为1000 kg的水，置于被保温的容器（比如球罐）中，要用蒸汽把水在1800 秒内从12C 加热到 40C； 2。用蒸汽盘管加热，加热用饱和蒸汽100 C，出口为饱和凝结水。并且蒸汽含有质量0.5%的不凝气体N2会影响蒸汽冷凝传热膜系数； 3。蒸汽在管内冷凝，管子为25X2.5 的碳钢管。盘管直径：1 m，螺距：37.5 mm(即：1.5倍管径)； 4。管子内、外壁的污垢均取：0.0001 m2K/W； 5。容器：暴露在空气中，材质为碳钢，壁厚20mm，容器向环境散热壁面面积：5.3m2； 6。保温材料：容器外用石棉瓦/板保温，保温层厚度20 mm； 7。空气（环境）温度：-10 C； 二、计算： 1。要求比较准确地求出管子的面积(长度)，和蒸汽用量； 2。热平衡考虑环境热损失，热损失要计算，不能人为地指定一个热损失比例，传热计算保温层的作用要计入； 3。加热到40 C后，为了长期在环境温度为-10C下保证容器中的流体40 C恒温，需要持续加热的蒸汽用量； 4。可以用软件计算。

不解出题者何意？这是一个简单的动态模拟问题。用EXCEL精确到10秒不知是否可称作“严格计算”，另，加热温控方案如何？100C饱和蒸气如何确保有冷凝水排出？（盘管总有些压力降吧？）。不知这种纯学院派的题目有何意义？研究生入学试题？

不解出题者何意？这是一个简单的动态模拟问题。用EXCEL精确到10秒不知是否可称作“严格计算”，另，加热温控 ...
zjmche 发表于 2012-1-25 22:01

    高手，我们愿闻其详，请给出盘管长度，并把环境热损失的具体情况给出来，我们大家学习一下。精确到10秒足够了，关键是模型是否严格。
至于·压力，压降，当然有，100 C的蒸汽也不是绝对的，你可以给一点压力，比如：P=102 kPa,因为蒸汽冷凝不需要多大的推动力。
   至于作为研究生入学试题，我想99.9%的学生在1天内是做不出来的，甚至几天也没有戏，除非热平衡不考虑环境热损失，这样才能大幅度简化。

恕在下一时失察大言。

如果需“严格控”计算水侧传热系数，在自然对流传热情形下，不用ANSYS或FLUENT是无法计算的。在下曾专门请美国同事校验过冷却结晶釜的工况（从70C冷却到5C的时间，包括环境热损），将自然对流传热的水侧当温度均一体计算误差极大。还需要定义罐，盘管几何尺寸。--但还是可以计算的，但非FLUENT不可。

如果只时要解决环境热损失态计算的问题，简单差分是可以解决的。这是一个带“源项”的计算传热问题。不算太难。

恕在下一时失察大言。

如果需“严格控”计算水侧传热系数，在自然对流传热情形下，不用ANSYS或FLUENT是无 ...
zjmche 发表于 2012-1-26 20:47

1。那你就用FLUENT给大家展示一下。盘管的几何结构我已经给出来了，就剩下了长度需要你高手计算，这是工程上需要的。至于FLUENT给出的其他诸如温度场分布等等对于我们没有任何用处，作为加热目的，我们只要加热管长度（面积）。由于不需要温度场分布的详细情况，容器几何结构和边界条件比较宽松，你自行定义。
2。你不是说我是·学院派？“但非FLUENT不可”，正好说明你是学院派，而事实上我不归属任何派别。？“但非FLUENT不可”有点言过其实了；
3。“将自然对流传热的水侧当温度均一体计算误差极大”，这正是你只知道使用FLUENT的缺陷所在，别的专门针对容器换热的计算软软件，却非常接近实际；
4。据我所知，FLUENT功能很全面，但正是因为全面了，就不够具体。就像应力计算软件Ansys,他很强大，但是在计算管道应力方面，却不如CAESARII具体、准确、方便。

难为在下了，在下不会FLUENT。哪是在下同事百万年薪的工作（结晶过程设计）。在下已为一时失察大言道谦。大高手饶恕。
如阁下在上海，在下愿请客赔罪，交个朋友如何？

感觉就是一个设计问题，不一定用fluent

感觉就是一个设计问题，不一定用fluent
tingyu_001 发表于 2012-1-28 10:25

你说得对。加热过程中，由于温度的上升，就是用自然对流计算，自然对流的GrXPr在变化，公式也是分段的。加上容器壁温在不断上升，热损失的传热系数Ke也是变化的。一般地，热损失的:Ke=a+b(Tw-Ta);所以热损失：Qe=ke(Tw-ta)=[a+b(Tw-Ta)](Tw-ta);其中：Tw——容器保温层外表面壁温，它是未知的，Ta——环境（大气）温度。仅仅Qe引入到热平衡，系统就高度非线性化了。你用fluent，建模也是很复杂的，复杂的地方在传热模型而不是几何模型，并非简单的动态模拟。所以这个方面，目前能够比较准确、方便使用、更具有针对性的软件，不是学院派的，也不是工业派的，而是作为学院派和工业派中间的桥梁——设计院和一些专业传热软件公司，只是这些软件不一定向市场大力推广，鲜为人知。

如此，且容小僧伸伸脚

如果不考虑水侧传热的动态，这个问题是一个带“源项”的差分问题，经典的SIMPLEX方法可解这个问题。几年前我在一德资企业闲得D疼时试图将SIMPLEX源码移到EXCEL中，完成了大部分。SIMPLEX方法见：《流体流动与传热的数值计算》帕坦卡著，张政译，这是俺上学时的课本。但是我认为这个问题计算最大误差会在水侧的简化，而非环境侧的热损--这是认为最好FULENT的出发点（基于在下以前设计结晶釜的经验）。

至于学院pie与工业pie，在下有不同意见，但多说无益于讨论。

“水侧传热的动态”应该是“水侧传热的非均一体状态”

其实我就是自己建立的模型，方程组中微分、积分方程都有。基本原理清晰了，自己建立模型更好，更知道如何去求解。工程师建立模型的首要条件是必须有解，工程师是不会去做半成品、夹生饭的。如果没有解，把模型摆在那里，对于这里的·绝大多数人没有意义。
至于学院派、工业派，我要么都是，要么都不是。因为我80年代当过多晶硅厂的操作工、技术员5年，大学读书、研究7年，设计院工作21年，这21年期间和化工厂、高校、化工设备厂搅合在一起，我算什么派别？要说实话的话，不管什么派，真理都是一致的：1+1=2，对谁都一样。

呵呵，2000年初初步接触了一下流体力学，学了Fluent，最大一个感觉就是“算不准”，因为k-ep本身就是带有经验数值的方程，甚至一个学弟用他来算搅拌桨后的流场（当然fluent4后来也加入mixer了），原因是当时很好发文章。
每个设备都有自己的特征，不是用一个或几个普遍适用的方程就能代表的，所以我个人的意见就是，一定规模的大流场流体计算可以解决，而微观机理方面fluent可能就爱莫能助了。毕竟它只是一个收敛曲线和界面很好的软件。
个人感觉还是要以传热方程为主，考虑到不同侧面外界环境的变化进行设计（包括保温等），如果要很精确，那么就多加一个温度探头，多加几组盘管，多加几路控制了。但我疑问，这个是不是很值得。

楼上是工业pie, (开个玩笑）在下自认也是，

如果在下设计这个项目，只需要：计算蒸汽与40C水的传热，计算40C水的散热，计算所需传热量的传热面程。算管长，再加上一个TIC回路。

只是，主题在讨论如何严格计算。与一个朋友聊起此话题，此人指出，如果题型简化至此，是可以有分析解的，并指出，可在泛函分析中找到答案，是所谓的第几类边界条件，同时此人又贬了在下又因放假几日而D疼了。

楼上是工业pie, (开个玩笑）在下自认也是，

如果在下设计这个项目，只需要：计算蒸汽与40C水的传热，计算 ...
zjmche 发表于 2012-1-29 08:41

模型不要这么简化，按照动态加热，进过巧妙地变换、推导，也有分析解表达式，形如：A=积分方程。其中：A——面积。不过这个积分表达式非常繁琐，无法积分出来，只有用数值积分。积分表达式包含了动态的温度T和设备参数、保温参数、物性参数、环境温度等等，其中自然对流的传热系数也随着T有所变化、热损失的传热系数也随着T有所变化。总之，根据目前的计算结果，和实际非常接近、非常理想。作为专门的计算方案，当然、肯定比Fluent好多了。

恕在下迟钝，莫非这位高人是在推销什么软件之类的？ 请问如何确认计算结果与“实际非常接近、非常理想”，有人搭过专门的试验台？