管殼式換熱器的優(yōu)化設計

 管殼式換熱器是廣泛應用于各個領(lǐng)域的工業(yè)設備,在國民經(jīng)濟中具有非常重要的作用,管殼式換熱器的效率問題是設計工作的核心。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合。本文利用優(yōu)化設計原理,建立了以管殼式換熱器優(yōu)化設計模型。分析了影響年總費用的因素,編制了管殼式換熱器優(yōu)化設計計算機程序。后給出了一個計算實例說明優(yōu)化設計程序的使用。

　　　　熱交換器是進行熱交換操作的通用工藝設備,被廣泛應用于各個工業(yè)部門,尤其在石油、化工生產(chǎn)中應用更為廣泛。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,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性,在長期的操作過程中積累了豐富的經(jīng)驗,其設計資料比較齊全,在許多國家都有了系列化標準。近年來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)簡單、牢固、操作彈性大、應用材料廣等優(yōu)點,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、高壓和大型換熱設備中仍占有優(yōu)勢。

對于完成某一任務的換熱器,往往有多個選擇,如何確定的換熱器,是換熱器優(yōu)化的問題,即采用優(yōu)化方法使設計的換熱器滿足的目標函數(shù)和約束條件。工業(yè)計算機顯示，存儲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，室外溫度標準溫度質(zhì)量，供水溫度，冷凝水溫度供氣壓力等。在換熱器設計中,目標函數(shù)是指包括設備費用和操作費用在內(nèi)的總費用。本文主要針對管殼式水冷卻器冷卻水出口溫度的優(yōu)化問題,利用一般優(yōu)化設計的原理和方法,以操作費用為優(yōu)化目標,給出相應的目標函數(shù),并用MATLAB語言編寫了計算程序,后給出了一個計算實例。

1目標函數(shù)

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

　　設換熱器的年固定費用FA = KF.CA.A (1)式中FA———換熱器的年固定費用,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)定的距離多次通過管束，提高流體的湍流程度。換熱器的年操作費用FB =Cu?WuHy/1000 (2)式中FB———換熱器的年操作費用,元;Cu———單位質(zhì)量冷卻水費用,元/噸;Wu———換熱器冷卻水用量, kg/h;Hy———換熱器每年運行時間, h。因此換熱器的年總費用即目標函數(shù)F = FA FB = KFCAA Cu?WuHy/1000 (3)2A與Wu的數(shù)學模型———熱平衡方程換熱器的熱負荷為Q =GcPi ( T1 - T2 ) (4)式中Q———換熱器的熱負荷, 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。管殼式換熱器的應用型換熱器廣泛應用于石油、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浮動盤管殼換熱器的流體每次通過管束時稱為單管側(cè)，每次通過管束時稱為單管側(cè)。為了提高管內(nèi)流體的流動速度，可以在管箱兩端設置擋板，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管束，從而增加了流體的湍流。這樣，流體一次只通過部分管道，因此在管束中來回流動多次，這被稱為多管過程。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，迫使流體多次通過殼體空間，稱為多殼側(cè)。多管多殼可結(jié)合使用。

1、安裝時，設備與設備之間的凈距離為700mm，設備與墻體的凈距離為1000mm.

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

換熱器本體的設計壓力。

3、安全閥的安裝與使用應符合規(guī)定。

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

5、電動溫控閥靈敏度直控制在設定溫度 5°C以內(nèi)。