管殼式換熱器的優(yōu)化設計

賴家鳳（北京華福工程有限公司天津分公司，天津 300000）

換熱器結構的優(yōu)化與多參數(shù)耦合有著密切的關系，其有別于傳統(tǒng)的優(yōu)化方式，是將換熱器單個性能所涉及的相關因素呈現(xiàn)為目標函數(shù)，并將對應換熱器性能所涉及到的因素中換熱面積與換熱過程壓降損失選為主要的優(yōu)化對象，基于濕空氣和水熱交換為具體條件，獲得管殼式換熱器的最優(yōu)化設計方法。

1 管殼式換熱器概論以及設計流程

換熱器是一種實現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設備，是在石油、化工、石油化工、冶金、電力、輕工、食品行業(yè)普遍應用的一種工藝設備，在煉油、化工裝置中換熱器占總設備的40%左右，占總投資的30%-45%。目前，在換熱器設備中，使用量最大的是管殼式換熱器。

本文是基于管殼式換熱器，其殼程流體為水，管程流體為濕空氣。由于管程出口濕空氣特殊性需求——達到換熱溫度的要求，且把對應壓降控制在其允許的范圍之內。同時，換熱器的相關試驗環(huán)境需要充分的滿足相關的換熱條件之后才能提升其換熱效率的，合理的減少換熱面積。該情況是需要充分考慮換熱器的換熱面積和其壓降損失狀況，而換熱器傳統(tǒng)的優(yōu)化方式對某單項的對應指標不能滿足高效的需求。因此，對換熱器提出一種新型的優(yōu)化及評估方法顯得尤為迫切，使換熱效率以及壓降損失等因素更好的得以統(tǒng)籌，以便實現(xiàn)換熱器的合理優(yōu)化。

1.1 管殼式換熱器概論

管殼式換熱器具備結構簡單且牢固、操作彈性較大以及應用材料廣泛等特性，現(xiàn)階段仍是化工、石油以及石化行業(yè)中所運用的一種重要的熱交換器，特別適用于高溫、高壓工況，甚至在較大型的換熱設備中它也具有很大的應用優(yōu)勢。涉及換熱器的性能因素很多，比如傳熱系數(shù)、換熱面積、壓力降、泵送功率等等。一般換熱器的優(yōu)化方式僅是針對經(jīng)濟成本、換熱面積以及壓降耗損其中的某一項展開優(yōu)化。在對換熱器性能所涉及的多個因素進行優(yōu)化時，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的優(yōu)化方式不可避免地存在的其局限性。

1.2 目標函數(shù)

本文中，管殼式換熱器殼程是以水為介質，在其進口的水溫一定時，由傳熱學原理可得出，冷卻水出口的溫度會影響換熱器傳熱面積以及該換熱設備的投資費用。冷卻水的出口溫度低時，其需要的傳熱面積就會相對較小，也就是換熱器投資費用會相對減小。不過這時冷卻水用量就會提高，其需要的相關操作費用也會提升，因此，為保證設備費用與操作費用之和是為最小值時，需對換熱器優(yōu)化設計，使其冷卻水出口溫度合理。

1.3 設計流程

管殼式換熱器的設計是由諸多因素相互關聯(lián)的、多參數(shù)相互影響的，因此設計過程復雜。本文中殼程流體放熱將管程內的濕空氣加熱至指定的溫度。由于其工況的特殊性，分析了相應優(yōu)化過程，發(fā)現(xiàn)其忽視了殼程的流體傳熱膜系數(shù)和殼程壓降對換熱器的影響，因此，換熱器優(yōu)化的前提是要求設備的實際傳熱面積大于其理論計算值。而且，相應管程壓降損失應小于壓降的最大允許值。

2 換熱器經(jīng)濟性分析與優(yōu)化計算

通常情況下，利用換熱器回收運用熱能或者是實行工藝過程加熱，其所帶來的年經(jīng)濟收益和換熱器的相關換熱量及年運行時間成正比例關系。

換熱器的年總費用主要是固定的投資費用以及運作費用、熱損失費用，為了有效的簡化計算，把換熱器最初的投資費用、折舊費用、維修費用、配套工程費用等固定的相關費用均用單位的傳熱面積費用來表示。

3 換熱器壓降分析

雖然濕空氣和水換熱的過程對殼程壓降要求較低，但仍要考慮管程流體所存在的壓力損失。低壓工況下，管程壓降與直管的摩擦阻力壓降為主，此時濕空氣壓降最大，所以壓降損失小于其最大允許值就顯得尤為關鍵。當然，在高壓時也應符合此要求。

4 程序設計

上面所分析的相關問題均是屬于單個變量最優(yōu)化，該類問題的求解方式也算是較為成熟，可以運用解析法以及黃金分割法和函數(shù)逼近法等數(shù)值方式對其進行求解。在這里我們是運用MATLAB語言計算，應用工具箱中的Nelder-Mead單純形法函數(shù)進行優(yōu)化。上述分析是針對管殼式水冷卻器而得出的結論，而由于分析方法及傳熱機理的相似，對其他不同換熱介質的管殼式換熱器的優(yōu)化也具有一定普遍的，其對應的求解結果可以是設計管殼式換熱器的關鍵依據(jù)，進而能夠合理的節(jié)約生產(chǎn)生本，以便于促進設計科學化進程。

5 實際算例

本文以管程為濕空氣，殼程為水的管殼式換熱器為例，對換熱水器結構的進行參數(shù)優(yōu)化設計。其對應的熱負荷為863W，進出口處的對數(shù)平均溫差是3.17K，濕空氣體積的流量是66.7L/s，設計要求最小壓強為300Pa，所涉及換熱器的的最大壓降不超過15Pa。

6 結語

本文是以濕空氣和水為換熱介質，對管殼式換熱器進行優(yōu)化設計。在限定管程的壓降狀態(tài)下，該換熱器能夠呈現(xiàn)換熱器的體積最小，并且，還能綜合考慮換熱器的傳熱面積以及壓降損失，并合理地統(tǒng)籌兼顧兩者，極大地提高了傳熱效率，壓降控制的成效顯著。

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[2]楊明,孟曉風,張衛(wèi)軍.管殼式換熱器的一種優(yōu)化設計[J].北京航空航天大學學報,2013（5）.