基于換熱器設(shè)計(jì)軟件的臥式冷凝器優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉 海

(北方民族大學(xué) 化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

換熱器作為一種基本的換熱設(shè)備，在化工、動(dòng)力、制藥、冶金等工程領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。按照熱交換過(guò)程的不同，換熱器一般可以分為混合式、蓄熱式和間壁式三種類(lèi)型。管殼式換熱器是最為常見(jiàn)的間壁式換熱器，其造價(jià)較低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，使得管殼式換熱器占據(jù)了全球換熱器市場(chǎng)37%左右的份額[1]，而在石化行業(yè)中它更是占據(jù)了超過(guò)65%的市場(chǎng)份額[2]。由此可見(jiàn)，管殼式換熱器的設(shè)計(jì)優(yōu)劣對(duì)于我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益有著重要的影響。

根據(jù)理論研究和實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可知，滿(mǎn)足某一換熱要求的換熱器往往有多種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，如何從多種設(shè)計(jì)方案中找出最優(yōu)方案，是工程技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)思考的問(wèn)題。本文將以HTRI換熱器設(shè)計(jì)軟件得出的設(shè)計(jì)方案作為研究對(duì)象，以工程實(shí)踐中總結(jié)出的換熱器經(jīng)濟(jì)性計(jì)算方法作為評(píng)價(jià)依據(jù)，驗(yàn)證經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)方法在換熱器設(shè)計(jì)方案優(yōu)選中的應(yīng)用，為以后的換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)和參考。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)及初步選型設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的換熱器實(shí)例選擇《換熱器工藝設(shè)計(jì)》[3]書(shū)中例4.1的臥式冷凝器，熱流體為含有不凝氣氣體N2的烴類(lèi)蒸汽混合物(摩爾分率：氮?dú)?5%、對(duì)二甲苯13%、正戊烷62%)，冷流體為冷卻水，其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

根據(jù)所給的已知條件可知，熱蒸汽較為清潔，不宜結(jié)垢，而冷卻水比較容易結(jié)垢，因此設(shè)計(jì)熱流體走殼程，冷卻水走管程，且殼程溫差較大，管程溫差較小，選擇使用浮頭式換熱器，既能充分釋放溫差應(yīng)力，也便于管程污垢的清洗。

由于需要定期清洗冷卻水所在的管程，且管程壓力較小，因此選用A型平板前封頭，E型殼體以及S型后封頭。換熱管選用普通碳鋼光滑管，管子排列方式選擇正三角形排布，這樣在相同的體內(nèi)徑下可排布更多的管子，能夠得到比較大的換熱面積。

表1 臥式冷凝器主要設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)

2 換熱器設(shè)計(jì)與校核

在HTRI的中選擇管殼式換熱器設(shè)計(jì)模塊，并點(diǎn)選“設(shè)計(jì)”計(jì)算模式。如圖1所示，在Input Summary頁(yè)面輸入主要的工藝數(shù)據(jù)和換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)，例如：選擇換熱器類(lèi)型為AES型，布置方式選擇臥式，確定殼程內(nèi)工質(zhì)為熱流體，折流板選擇單弓形折流板，換熱管型式選擇光滑管，輸入長(zhǎng)度為6 m，外徑19 mm，壁厚為2 mm，換熱管排列角度為30°，管間距為25 mm，由于是浮頭式換熱器，因此選擇管程數(shù)為2，其他參數(shù)可以缺省，軟件會(huì)根據(jù)已知條件計(jì)算得出。

圖1 輸入工藝數(shù)據(jù)和換熱器結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

接下來(lái)，分別在Hot Fluid Properties和Cold Fluid Properties標(biāo)簽中，根據(jù)所給的已知條件，輸入熱流體和冷流體的物性參數(shù)，這里不再一一累述，詳細(xì)步驟可以參見(jiàn)《換熱器工藝設(shè)計(jì)》中的相應(yīng)章節(jié)。

輸入完所有已知條件之后，可以點(diǎn)擊界面中的運(yùn)行按鈕，軟件會(huì)根據(jù)已知條件，計(jì)算出若干個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)果，如圖2所示。

圖2 Design模式運(yùn)行結(jié)果

選擇其中某一設(shè)計(jì)方案進(jìn)行校核，將所有計(jì)算出的結(jié)果按照《GB/T 151-2014》標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定進(jìn)行圓整，經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得出最終符合要求的設(shè)計(jì)方案。最終換熱器型號(hào)為AES500-2.5-50.3-4.5/19-2，即：殼體的內(nèi)徑是 500 mm，單弓形的折流板的圓缺率是25%，折流板的間距是200 mm，換熱管為φ19×2 mm的碳鋼管，長(zhǎng)度是4.5m，換熱管數(shù)量為189根，管子排列的角度30°,管程數(shù)是2，換熱面積為50.26m2，總傳熱系數(shù)為341.72W/(m2·K)，換熱面積裕度10.36%，殼程壓降為16.22 kPa，管程壓降為17.456 kPa，符合設(shè)計(jì)要求。

表2 三種不同設(shè)計(jì)方案主要參數(shù)對(duì)比

改變管程數(shù)和換熱管管徑等設(shè)計(jì)參數(shù)，應(yīng)用上述同樣的方法，將更改后的設(shè)計(jì)參數(shù)輸入計(jì)算軟件當(dāng)中，經(jīng)過(guò)“設(shè)計(jì)”和“校核”計(jì)算過(guò)程，可以得出其他兩種設(shè)計(jì)方案，三種設(shè)計(jì)方案主要參數(shù)如表2所示。

以上三種換熱器設(shè)計(jì)方案均能滿(mǎn)足換熱要求，但各參數(shù)不盡相同，也證明了滿(mǎn)足同一換熱要求的換熱器可以有多種設(shè)計(jì)方案。

3 換熱器經(jīng)濟(jì)性計(jì)算與分析

換熱器的經(jīng)濟(jì)性主要從換熱器投資成本和運(yùn)行成本的總和進(jìn)行衡量，即換熱器總費(fèi)用：

Ctot=Ci+CoD

Ci為投資費(fèi)用，主要與換熱器的換熱面積有關(guān)，經(jīng)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)為霍爾關(guān)聯(lián)式[4]：

Ci=a1+a2Aa3

其中：a1,a2,a3均為常數(shù)，當(dāng)換熱管材料為碳鋼時(shí)，a1=7000,a2=360,a3=0.80。

CoD為運(yùn)行費(fèi)用，它與抽水泵克服摩擦阻力而產(chǎn)生的能量損失有關(guān)，具體計(jì)算方法[5]：

式中：i為折舊率；n為運(yùn)行總年數(shù)；Co為年運(yùn)行費(fèi)用， Co=P·Ce·H

其中：H為換熱器的運(yùn)行時(shí)間，h；

Ce為水泵的能耗費(fèi)用，元/kWh；

這里根據(jù)一般換熱器使用情況，取每年折舊率為10%，每年工作時(shí)間為7000 h，水泵的能耗費(fèi)用為0.52元/kW時(shí)，泵效率為70%，使用年限為10 a，其他參數(shù)根據(jù)換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)選取。將三種不同換熱器的設(shè)計(jì)參數(shù)代入上述經(jīng)濟(jì)性模型進(jìn)行計(jì)算，并換算以元作為成本單位，可以得出三種不同設(shè)計(jì)方案的投資成本，運(yùn)行成本和總成本，如表3所示。

表3 三種不同換熱器設(shè)計(jì)方案經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)匯總表

從表中可以看出，對(duì)于換熱器投資成本而言，方案二最為經(jīng)濟(jì)、而方案一成本最高，各方案相差不大；對(duì)于運(yùn)行成本而言，方案一最為經(jīng)濟(jì)、方案三運(yùn)行成本最高，且各方案相差較大。綜合投資成本和運(yùn)行成本，方案一總成本最少，是最經(jīng)濟(jì)的方案，較總投資最多的方案三，可以將總成本降低11.2%，經(jīng)濟(jì)性顯著提高。

4 結(jié)論

在使用先進(jìn)換熱器計(jì)算軟件設(shè)計(jì)換熱器的過(guò)程中，不能簡(jiǎn)單根據(jù)換熱面積對(duì)應(yīng)的投資金額來(lái)評(píng)判換熱器設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，應(yīng)該綜合投資成本和運(yùn)行成本對(duì)換熱器整體經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行全面計(jì)算和評(píng)估，從而確定能夠滿(mǎn)足換熱要求的最優(yōu)方案。本文研究的換熱器實(shí)例，最終最優(yōu)方案相比其他方案可以節(jié)省總成本11.2%，可見(jiàn)，換熱器經(jīng)濟(jì)性分析在換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)中發(fā)揮著重要的作用。未來(lái)，我們應(yīng)結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，不斷優(yōu)化換熱器投資成本和運(yùn)行成本的經(jīng)濟(jì)性模型，將經(jīng)濟(jì)性模型直接納入換熱器設(shè)計(jì)過(guò)程中，進(jìn)一步提高換熱器設(shè)計(jì)水平。

參考文獻(xiàn)

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