氨气换热器设计【说明书+CAD】
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基于构建理论的管壳式换热器的经济优化文章历史:2010年6月30日收到初稿,2010年11月24日收到修改后的文章,2010年11月28日接受通过,2011年1月3日可以在网上下载(看到)。关键词:管壳式换热器,优化,构形理论,遗传算法摘要该论文中,建构理论的新方法被用于设计管壳式换热器。在工程应用中建构理论是一种新的优化设计方法。该论文的目的是利用建构理论来降低总成本以达到管壳式换热器的优化。换热器的总成本包括操作成本和基本成本。通过建构理论的应用,管壳式换热器的总传热系数得到了提高。因此,用于制作换热器表面的基本成本降低了。此外,为了克服摩擦压力的损失,包括泵运输在内的操作成本也是是用这种方法最小化。用遗传算法优化目标函数(用于管壳式换热器成本计算的数学模型)是基于构形理论。研究结果表明换热器成本可降低%50以上。1.简介换热器是用于流体(气体或液体)之间进行有效热交换的装置,其在诸多领域(如空调,食品,动力,轻工)等,得到广泛的应用。由于这些设备的广泛使用,人们已从不同的角度对其进行高效的设计 ,例如由吴先生做的能源分析。【1】专注于研究一个基于能量转移效率方法的设备,并定义了一个孤立的热交换器作为一个组件。【2】用于热交换器在余热回收的过程,利用第二法优化。【3】评估在横流的配置中能源损失的分析模型,,他们在试验中已经对操作参数和交叉流换热器上的非均匀流进行了大量的研究,萨特佩西已经进行了螺旋管换热器的热力学第二定律不可逆性的分析。【4】在层流和湍流条件下,再生换热器的第二法优化显示了最大第二定律效率和热容量等级的比值关系。【5】管壳式换热器是在工业中应用最广泛的的一种换热器。尽管大量的换热器有可用性,但管壳式仍然最最受欢迎的类型。由于其在行业的重要贡献,大量论文和研究了都致力于管壳式换热器的设计,采用不同的优化技术,如非线性目标函数的角度数值方法的优化设计【6,7】,图解法【8,,9】,进化优化方法如模拟退火和遗传算法【11-13】。这些技术已经从目标函数的角度得到应用,包括表面传热,年总成本,优化设计的约束,压力损失,速度的限制,热传导方程,流体的缺陷,决策变量,管道直径,管道数量,挡板数量,壳层厚度等等方面。2. 建构理论该理论中,建构理论已被用来提高总传热系数和减少管壳式换热器的压力损失。该理论是由葛兰妮教授提出的。“建构”一词也是由他创造的。“构造”一词,来自拉丁语的动词construere,构造是从构形理论的角度来指定自然优化的形式,如河流,树木和树枝,绿地,也从设计形式的角度,设计形式源于在时间流上最大化的构造演化过程。A 区域传热面积 Q 热负荷(W) a1 常数Qc 建构的热负荷基础设计a2 常数R 分支点的直径比a3 常数 Re 雷诺数 B 挡板间距(m) T 管侧温度CE 能量消耗 (V/kW h) T 壳侧温度 Ci 基本投资 (V) Tci 冷流输入温度Cl 空隙 (m) Tco 冷流输出温度Co 年运行费用 (V/yr) Thi 热流输入温度Co 总折扣运营成本 (V) Tho 热流输出温度Cp 热容量 (kJ/kg K) ti 管厚 (m)Cte 定值 U 传热系数(W/m K)Ctot 总成本 (V) Ut 总传热系数 (W/m K)D 管内径 (m) Uct 建构换热器的总传热系数 dh 水力直径 (m) V 流速Ds 壳内径(m) Z 分支点出的长度De 等效壳直径(m) T 温差F 校正因子 粘度 Fct 基于设计构形校正因子 密度 H 对偶热系数 常数H 年度营业时间(h/yr) 常数I 年度折扣率 (%) P 压力损失K 导热系数 (W/m K) 常数k1 常数 Tlmtd 平均对数温差 L 管长 (m) 泵浦效率 m 质量流率 Pt 总压力损失n1 常数 Ptb 管侧压力损失 Nt 管程数 Pb 轴颈压力损失 Nu 努塞尔特数 Ny 设备寿命 (y)P 泵功率 (W)Pit 管心距(m) PT 普朗特数 构形理论认为,如果一个系统有自由改变它的演变发展的时间流程架构,那么就能提供更容易的途径来获得流经它的电流,在流动系统中,提高该系统的元素的访问流量水平,可提高其稳定性,耐久性和系统的保护性。一个流系统的最佳状态是它的元素有流量最高的访问。 在关系到流系统方面,这一理论定义了访问一个系统的流程和最佳状态的概念。当有流体在管道和通道中流过时,压力损失路径会减小,系统的元素将有更多的访问流量。在一个系统中,流是热、冷流之间的热通量,冷流的热气流的热能量流的访问越多,系统的热效率就越高。因此,一旦减少热能的损失和热电阻,该系统将更接近最优状态。到目前为止,建构理论已被用于自然现象,科技和工程应用中的流系统最优化。例如,在自然的流系统中应用建构理论,首先我们假设流系统是不存在的。利用构形理论和自由访问流量优化设计过程后,发现所设计的最优状态与自然中已存在的相对应。【16-18】这证明了理论的有效性。在自然的流系统中,我们还能想到呼吸系统的气流,血管中的血流【19】,经济系统中的信息流,河流中的水流,乌云中的电子流,韧皮部的树液流,在静脉和动脉以及动物的皮肤中的热流【19】,等等。在工程和设计应用中,一些例子是对设备冷却部分的散热片的设计【20】,例如板式换热器【21】,盘换热器【22】,燃料电池【23】等等。建构理论的其他应用【24】也许更突出,这表明建构理论可以通过更高的设计。作者应该对此做出郑重声明以及在工作和城市交通中它们是如何被反映出来的。优化设计的目的是增加一个系统中的元素对流动的流体的访问量,这就常常会导致在流途经中形成树突【25】和树状【26】。该论文中,构形理论是用来获得设计管壳式换热器的模型。总成本包括资金成本和热交换器构成该模型的目标函数的运营成本。遗传算法用于优化(最小化)模型的目标函数。最后,就得到了基于构形理论的管壳式换热器最优经济设计。3.构形的管壳式换热器 在本文中,一个由构形理论设计的热交换器被称为构形换热器。根据构造理论的定义, 在一个管壳式换热器中,为了最大化访问的冷流热通量的热流、热电阻必须最小化。换句话说,冷热流体间的传热系数越高,我们就越接近建构理论的目标。同时在热交换器中,由于元素对液体流访问的最大化,压力损失降至最小 。Fig1首先,在简单的双层管热交换器中,热交换已经被建模并且优化。并且其结果被用于管壳式热交换器。在图1中,考虑两个同心管,冷热流体在管层和管内按相反的方向流动。冷热流体间的传热速率可以由公式(1)得到。 (1)A是传热面积(具有管直径di和管长L的管内面积),T是冷热流之间的温差,参数是换热器的传热系数,通过公式(2)得到,其中hi和ho分别是管内和管之间的对流换热系数。 (2) hi通过下式得到 (3)Nui,ki,di分别是努塞尔特数,热传导率和管内径。 (4)Rei,Pri分别代表雷诺数和普朗特数,通过将这些数字代入到公式(3)的物理参数中,我们可以得到(5) b是常数. (6) mi,i,i分别代表管道中流体的质量流率,粘度以及密度。 因此,我们可以得出结论,通过增加内直径(di)可以降低对偶热系数(hi)。管道之间间隙的努塞尔特数和对偶热系数可以通过(7),(8)式得到。 (7) (8) dh,ko,Nuo,Pro,Reo分别代表管道间流体的水力直径,传导传热系数,努塞尔特数,普朗特数以及雷诺数。水力直径的值可依据【26】得, (9)同前,将参数代入(8)式中可得 (10) q是常数, (11)将(10)和(5)代入公式(2)可以得到: (12)通过(12)我们可以得出结论,通过减小直径,双层管换热器的总传热系数会增加,反之亦然。因此,本设计是基于构形理论进行的,其基础是提高传热系数,减小热阻,我们需要减少内部管直径。换句话说,当我们降低内管的直径,由于增加了传热系数和增加的冷流访问的热流的热流量,我们也就实现了构造理论概念的含义。然而,减小直径对双管换热器有另一个影响。根据darcyeweisbach方程,内部流和管间流的压力损失与管流与内管的直径有如下关系: (13) (14) (15)(16) (17) Ptotal, Pi ,Po分别表示总压力差,管道间压力差以及管内压力差。通过比较前面两部分的结果,我们可以得出结论,减小内管直径对增加总传热系数有理想的结果。此外,增加的总传热系数可减小传热面积,从而降低了换热器长度。如果我们降低热交换器的长度,压力损失就会减小。因此,要选择一个合适的标准来计算最佳状态。在该论文中,目标函数是换热器的总成本。总成本包括传热面积的成本和包括抽水成本在内的运营成本,抽水成本的加入是为了克服换热器内的压力损失。可分别通过减少和增加直径来减少上述的资本和运营成本。热交换器的长度减少,也能降低运营成本(抽)和资本成本(对传热所需要的面积成本)。图2说明了最优状态,运行(泵)成本,资本成本(热转移成本)和直径变化之间的关系。在本文中,我们建议管道直径沿换热器变化,使传热系数增大,压力损失有一个较低的增强。用于此目的的换热器长度分为几段,以便每段管的直径有一个比其他段管的不同的值。管道内径随热交换器从较低值到最大值。对于每一段管长的适当选择可通过增加传热系数和降低换热器压力损失来达到减少投资成本(传热面)和运营成本(泵送液体)的目的。在优化方法和建构理论的案例研究中,树形结构被认为是最佳流量结构,如优化高效的传导渠道分布【20】优化传导位在提示【27】模型如盘状区域模式【28】点圆模型树,点线模型和平面模型【29】,三维模型【30】以及热电阻【31-33 】和【34】降温时间的最小化。我们提出了一种基于构形理论的“树枝状网络”的构形方法,优化设计了一个双套管换热器,管直径沿换热器减少(图3)在第一部分中(图4),内管直径为d1,第二部分中,直径d2,d2小于di。第一部分的长度为L 1,第二部分为L 2。在这种情况下,通过选择合适的d1,d2,L1,L2的值,可在运营和资本成本之间得到一个折中,它被用于决定总成本的最优值。Fig2Fig3Fig4Fig5 使用这种方法,我们可以达到图2所示的最佳点。在液体流被分成两股的地方称为分支点。这个图形有一个分支点。不过,通过增加分支点的数量,可以提高优化过程中的自由度。每个分歧都有助于树型结构。正如上面提到的,树型结构在构形理论是一种常见的形式。该方法也适用于管壳式换热器的优化。管壳式换热器类似于一个双重管热交换器管。外壳是类似的双重管热交换器的外管。为了推广这种针对管壳式换热器方法,增加换热器第一部分的管道数量就足够了。在这种情况下,如果第一部分有n支管,第二部分将有2n支管,因为每个管流是在分支点分成两条支流。在该论文中,使用上面的方法得到的管壳式换热器称为构形的管壳式换热器。因此,在构形的管壳式换热器,热交换器由若干后续部分(与树型分支的数量相同)构成,并且各部分管数量在每个分支点翻了一番。然而,建立这样一个换热器,还要对其进行维修和清理污垢,这将是一个挑战。为了解决这个问题,该论文建议我们用串联换热器的方法对管壳式换热器的不同部分进行设计进。在这种方法中,一个双分支结构的管壳式换热器是一种具有两个串联段的换热器,第二部分的管数是第一部分管数的两倍(图5)。图5是一个构形换热器的示意图,在本次调查的审议中这种热交换器可节省50%成本。一个普通的管壳式换热器和构形的管壳式换热器的相关方程,会在下一部分中给出。
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