管殼式換熱器的優化設計

賴家鳳（北京華福工程有限公司天津分公司，天津 300000）

換熱器結構的優化與多參數耦合有著密切的關系，其有別于傳統的優化方式，是將換熱器單個性能所涉及的相關因素呈現為目標函數，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

換熱器是一種實現物料之間熱量傳遞的節能設備，是在石油、化工、石油化工、冶金、電力、輕工、食品行業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，而換熱器傳統的優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籌，以便實現換熱器的合理優化。

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，現階段仍是化工、石油以及石化行業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勢。涉及換熱器的性能因素很多，比如傳熱系數、換熱面積、壓力降、泵送功率等等。一般換熱器的優化方式僅是針對經濟成本、換熱面積以及壓降耗損其中的某一項展開優化。在對換熱器性能所涉及的多個因素進行優化時，發現傳統的優化方式不可避免地存在的其局限性。

1.2 目標函數

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的、多參數相互影響的，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，分析了相應優化過程，發現其忽視了殼程的流體傳熱膜系數和殼程壓降對換熱器的影響，因此，換熱器優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 換熱器經濟性分析與優化計算

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逼近法等數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單純形法函數進行優化。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，進而能夠合理的節約生產生本，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優化設計。其對應的熱負荷為863W，進出口處的對數平均溫差是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化設計。在限定管程的壓降狀態下，該換熱器能夠呈現換熱器的體積最小，并且，還能綜合考慮換熱器的傳熱面積以及壓降損失，并合理地統籌兼顧兩者，極大地提高了傳熱效率，壓降控制的成效顯著。

[1]劉宏,魏新利.管殼式換熱器的優化設計[J].機械強度,2012（10）.

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