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發(fā)布時間：2021-04-16 02:26
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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。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。同時，該裝置具有結構緊湊，運輸方便，占地面積小，安裝場地靈活的特點。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。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。管子受熱時，管束連同浮頭可以沿軸向自由伸縮，完全消除了溫差應力。
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。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。這樣，流體一次只能通過一部分管子，因此在管束中多次來回傳播，這被稱為多管。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
流體每通過管束一次稱為一個管程；每通過殼體一次稱為一個殼程。圖示為的單殼程單管程換熱器,簡稱為1-1型換熱器。為提高管內(nèi)流體速度,可在兩端管箱內(nèi)設置隔板，將全部管子均分成若干組。
這樣流體每次只通過部分管子，因而在管束中往返多次，這稱為多管程。同樣，為提高管外流速，也可在殼體內(nèi)安裝縱向擋板，迫使流體多次通過殼體空間，稱為多殼程。多管程與多殼程可配合應用。
管殼式換熱器由于管內(nèi)外流體的溫度不同，因之換熱器的殼體與管束的溫度也不同。如果兩溫度相差很大，換熱器內(nèi)將產(chǎn)生很大熱應力，導致管子彎曲、斷裂，或從管板上拉脫。
因此，當管束與殼體溫度差超過50℃時，需采取適當補償措施，以消除或減少熱應力。
殼程結構
折流板
折流板的作用
a）增加殼程管間的介質(zhì)流速，提高傳熱效果。
b）對換熱管起支承作用。
c）調(diào)整折流板間距，對避免管束誘發(fā)振動有一定的作用。
折流板的形狀
常用的折流板和支持板的形狀有弓形和圓盤-圓環(huán)形兩種。此外根據(jù)需要還有其它形式的折流板和支持板，如矩形孔圓板和矩形擋板等，見圖所示：
a） 單弓形折流板（圖 a）：是常采用的一種形式，其形式簡單，但壓降較大。
1) 上下排列（水平切口）即指物料進口與弓形缺口是成垂直設置的，以造成介質(zhì)的劇烈擾動來增大傳熱系數(shù)。
2) 左右排列（豎直缺口）是指物料進口與弓形缺口是成平行設置的。多用于臥式冷凝器或蒸發(fā)器，便于冷凝液和氣體的流動。
3) 轉(zhuǎn)角排列，一般用于換熱管正方形排列，可使流體形成湍流，以提高傳熱效率。
b） 雙弓形（圖b）和三弓形折流板（圖c）：適用于殼程流量較大的物流，或殼程流體為密度低的低壓時，此時壓降會有大的下降，而傳熱系數(shù)的下降要小得多；同時這種形式還有利于防止介質(zhì)流動過程中誘發(fā)的振動。
c）圓盤—圓環(huán)形折流板（圖d）：由圓盤和圓環(huán)交錯排列，介質(zhì)流動特征是與軸心對稱。
d）矩形折流板（圖e）：矩形折流板可橫放，也可豎放，而橫放一般用于殼程介質(zhì)為氣相時，豎放用于殼程介質(zhì)為液相或有冷凝液的場合。這兩種形式通常在大直徑和大流量情況下采用。
