管殼式換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

 管殼式換熱器是廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的工業(yè)設(shè)備,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有非常重要的作用,管殼式換熱器的效率問(wèn)題是設(shè)計(jì)工作的核心。填料函式換熱器適用于管、殼壁溫差較大或介質(zhì)易結(jié)垢，需經(jīng)常清理且壓力不高的場(chǎng)合。本文利用優(yōu)化設(shè)計(jì)原理,建立了以管殼式換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。分析了影響年總費(fèi)用的因素,編制了管殼式換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)程序。后給出了一個(gè)計(jì)算實(shí)例說(shuō)明優(yōu)化設(shè)計(jì)程序的使用。

　　　　熱交換器是進(jìn)行熱交換操作的通用工藝設(shè)備,被廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)部門(mén),尤其在石油、化工生產(chǎn)中應(yīng)用更為廣泛。為提高殼程流體流速，往往在殼體內(nèi)安裝一定數(shù)目與管束相互垂直的折流擋板。換熱器分類方式多樣,按照其工作原理可分為:直接接觸式換熱器、蓄能式換熱器和間壁式換熱器三大類,其中間壁式換熱器用量,據(jù)統(tǒng)計(jì),這類換熱器占總用量的99%。間壁式換熱器又可分為管殼式和板殼式換熱器兩類,其中管殼式換熱器以其高度的可靠性和廣泛的適應(yīng)性,在長(zhǎng)期的操作過(guò)程中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn),其設(shè)計(jì)資料比較齊全,在許多國(guó)家都有了系列化標(biāo)準(zhǔn)。近年來(lái)盡管管殼式換熱器也受到了新型換熱器的挑戰(zhàn),但由于管殼式熱交換器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固、操作彈性大、應(yīng)用材料廣等優(yōu)點(diǎn),管殼式換熱器目前仍是化工、石油和石化行業(yè)中使用的主要類型換熱器,尤其在高溫、高壓和大型換熱設(shè)備中仍占有優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于完成某一任務(wù)的換熱器,往往有多個(gè)選擇,如何確定的換熱器,是換熱器優(yōu)化的問(wèn)題,即采用優(yōu)化方法使設(shè)計(jì)的換熱器滿足的目標(biāo)函數(shù)和約束條件。工業(yè)計(jì)算機(jī)顯示，存儲(chǔ)和打印的各種操作參數(shù)，包括：熱煤流量，熱介質(zhì)溫度，熱介質(zhì)壓力，供熱，室外溫度標(biāo)準(zhǔn)溫度質(zhì)量，供水溫度，冷凝水溫度供氣壓力等。在換熱器設(shè)計(jì)中,目標(biāo)函數(shù)是指包括設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用在內(nèi)的總費(fèi)用。本文主要針對(duì)管殼式水冷卻器冷卻水出口溫度的優(yōu)化問(wèn)題,利用一般優(yōu)化設(shè)計(jì)的原理和方法,以操作費(fèi)用為優(yōu)化目標(biāo),給出相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù),并用MATLAB語(yǔ)言編寫(xiě)了計(jì)算程序,后給出了一個(gè)計(jì)算實(shí)例。

1目標(biāo)函數(shù)

　　對(duì)于以水為冷卻介質(zhì)的管殼式冷卻器,進(jìn)口水溫一定時(shí),由傳熱學(xué)的基本原理分析可知,冷卻水的出口費(fèi)用將影響傳熱溫差,從而影響換熱器的傳熱面積和投資費(fèi)用。對(duì)于管道末端的泄漏，如果它屬于膨脹管的連接形式，則應(yīng)再次進(jìn)行管道膨脹。若冷卻水出口溫度較低,所需的傳熱面積可以較小,即換熱器的投資費(fèi)用減少;但此時(shí)的冷卻水的用量則較大,所需的操作費(fèi)用增加,所以存在使設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用之和為的冷卻水出口溫度。

　　設(shè)換熱器的年固定費(fèi)用FA = KF.CA.A (1)式中FA———換熱器的年固定費(fèi)用,元;KF———換熱器的年折舊率, 1 /y;CA———換熱器單位傳熱面積的投資費(fèi)用,元/m2 ;A———換熱器的傳熱面積,m2。擋板可以提高殼體側(cè)流體的速度，迫使流體按規(guī)定的距離多次通過(guò)管束，提高流體的湍流程度。換熱器的年操作費(fèi)用FB =Cu?WuHy/1000 (2)式中FB———換熱器的年操作費(fèi)用,元;Cu———單位質(zhì)量冷卻水費(fèi)用,元/噸;Wu———換熱器冷卻水用量, kg/h;Hy———換熱器每年運(yùn)行時(shí)間, h。因此換熱器的年總費(fèi)用即目標(biāo)函數(shù)F = FA FB = KFCAA Cu?WuHy/1000 (3)2A與Wu的數(shù)學(xué)模型———熱平衡方程換熱器的熱負(fù)荷為Q =GcPi ( T1 - T2 ) (4)式中Q———換熱器的熱負(fù)荷, kJ /h;G———換熱器熱介質(zhì)處理量, kg/h;cpi———熱流體介質(zhì)比熱容, kJ / ( kg?℃) ;T1、T2———熱流體的進(jìn)出口溫度,℃。

管殼式換熱器是由什么結(jié)構(gòu)組成的？

管殼式換熱器由殼體、傳熱管束、管板、折流板(折流板)和管箱組成.管殼換熱器的殼體大多為圓柱形，裝有管束，管束兩端固定在管板上。有兩種傳熱流體，一種是管內(nèi)流體，另一種是管側(cè)流體，另一種是管外流體，稱為殼側(cè)流體。管殼式換熱器的應(yīng)用型換熱器廣泛應(yīng)用于石油、化工、鋼鐵等工業(yè)領(lǐng)域。為了提高管外流體的傳熱系數(shù)，通常在殼體內(nèi)安裝幾個(gè)擋板。擋板可以提高殼體側(cè)流體的速度，迫使流體按規(guī)定的距離多次通過(guò)管束，提高流體的湍流程度。換熱管可按等邊三角形或正方形布置在管板上。等邊三角形布置緊湊，管外流體湍流，傳熱系數(shù)大，方形布置便于管外清洗，適用于結(jié)垢流體。

FPR浮動(dòng)盤(pán)管殼換熱器的流體每次通過(guò)管束時(shí)稱為單管側(cè)，每次通過(guò)管束時(shí)稱為單管側(cè)。為了提高管內(nèi)流體的流動(dòng)速度，可以在管箱兩端設(shè)置擋板，并將所有管分為幾組。擋板增加了殼側(cè)流體的速度，迫使流體在規(guī)定的路徑上多次橫向通過(guò)管束，從而增加了流體的湍流。這樣，流體一次只通過(guò)部分管道，因此在管束中來(lái)回流動(dòng)多次，這被稱為多管過(guò)程。同樣，為了提高管的外部速度，還可以在殼體內(nèi)安裝縱向擋板，迫使流體多次通過(guò)殼體空間，稱為多殼側(cè)。多管多殼可結(jié)合使用。

1、安裝時(shí)，設(shè)備與設(shè)備之間的凈距離為700mm，設(shè)備與墻體的凈距離為1000mm.

2、為保證設(shè)備運(yùn)行安全,換熱器的頂部須裝安全閥,其開(kāi)啟壓力宜為熱水系統(tǒng)工作壓力的1.05倍，且不得大于

換熱器本體的設(shè)計(jì)壓力。

3、安全閥的安裝與使用應(yīng)符合規(guī)定。

4、為防止安全閥工作失效,系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)設(shè)膨脹水箱或壓力膨脹罐與換熱器相連。

5、電動(dòng)溫控閥靈敏度直控制在設(shè)定溫度 5°C以內(nèi)。