板式换热器的优化设计

点击：2089 日期：[ 2014-04-26 21:53:51 ]

板式换热器的优化设计孙振巍山东省冶金设计院有限责任公司 [摘要]板式换热器的广泛应用,加速了我国板式换热器行业的迅速发展,但我国板式换热器设计与发达国家之间仍存在着不小的差距。鉴于我国板式换热器在设计方面存在的不足,本文研究了板式换热器的优化设计方法,分析了在各种情况下怎样才能使板式换热器达到最佳。 [关键词]板式换热器 1·前言我国板式换热器的研究、生产、制造,开始于60年代。板式换热器的广泛应用,加速了我国板式换热器行业的迅速发展,但我国板式换热器设计与发达国家之间仍存在着不小的差距。鉴于我国板式换热器在设计发面存在的不足,本文研究了板式换热器的优化设计方法,分析了在各种情况下怎样才能使板式换热器达到最佳。 2·板式换热器的构造原理和工作原理板式热交换器由三个主要部件——传热板片、密封垫圈、压紧装置及其他一些部件,如轴、接管等组成。 2.1传热板片传热板片是板式换热器的关键元件。其中比较常用的有以下几种:人字形板,水平平直波纹板,锯齿形板。 2.2密封垫圈为了防止流体的外漏和两流体之间内漏,必须要有密封垫圈。它安装于密封槽中,运行中承受压力和温度,而且受着工作流体的侵蚀。板式换热器的密封垫圈是一个关键的零件。 2.3压紧装置它包括固定与活动的压紧板、压紧螺栓。它用于将垫圈压紧,产生足够的密封力,使得热交换器在工作时不发生泄漏,通过旋紧螺栓来产生压紧力。 3·板式换热器的特点 3.1优点 (1)结构紧凑板式换熟器所占的空间是目前各种换热器较小的一种。 (2)传热系统高由于板片组中流动的介质在较低雷诺数(Re)时,就能形成涡流,而且光滑的板片上不易生成污垢,因此有非常高的传热效率。 (3)热回收率高由于传热系数高,流量比特性优异,加上完全逆向流动,传热温差可以选用得很低,因此非常适合于低位能热量的回收。 (4)适应性大可拆式和半焊式板式换热器具有无与伦比的适应性。 (5)介质不混合不泄漏板式换热器垫片系统设计优良,是保证在正常运转条件下不漏入大气,亦不相互混合的重要因素。 (6)节省投资板式换热器由于结构紧凑、重量轻,传热效率高,单位占用面及耗费金属低,减少了维修费用,建筑费用等。 3.2缺点 (1)工件压力在2.5Mpa以下板式换热器是靠垫片密封的,密封周边很长,而且角孔的两道密封处的支承情况较差,垫片得不到足够的压紧力。 (2)工作温度在250℃以下板式换热器的工作温度决定于密封垫片能承受的温度。用橡胶弹性垫片时,最高工作温度在200℃以下;用压缩心棉绒垫片(Csf)时,最高工作温度为250~260℃。由于压缩心棉绒垫片的弹性差,所以工作压力较用橡胶垫片低。 (3)不易于进行易堵塞通道的介质的换热板式换热器的板间通道很窄,一般为3~5mm,当换热介质中含有较大的固体颗粒或纤维物质时,就容易堵塞板间通道。对这种换热场合,应考虑在入口装设过滤器,或采用再生冷却系统。 4·板式换热器的优化设计 4.1板式换热器的常规设计方法设计计算是板式换热器工程设计的核心,主要包括两部分内容,即传热计算与压力降计算。板式换热器工程设计计算的内容不同于传统的管壳式换热器。它不需要作任何元件或结构方面的设计,一般只要不超出最高使用压力,设计时也不再作强度方面的校核。所需要的只是恰当地组合板片并进行传热计算与压降计算,得出所需要的总换热面积与板片数。由于板片的传热与压降性能紧密相关,因此,这两方面的计算常常需交叉或交替进行。一般情况下,两侧流体的流量及四个进、出口温度中的任意三个已给定,板式换热器的设计应包括确定板型、板片尺寸、流程与通道数的组合、传热面积等。在作设计计算时,设计者应具备以下资料: ①选范围以内的各种板片的主要几何参数,如单板有效换热面积、当量直径或板间距、通道横截面积及通道长度等。 ②适用介质种类与适用温度,压力范围。 ③传热及压降关联式或以图线形式提供的板片性能资料。 ④所用流体在平均工作温度下的有关物性数据,主要包括:密度、比热容、导热系数及粘度。在进行设计计算时,首先可选定一种板型和板片尺寸,然后假定冷热流体的流程数、通道数,接下来进行对数平均温度、雷诺数及各个物性参数的计算,然后计算换热系数,由计算出的换热系数确定出实际所需的换热面积并校核,最后进行压力降的校核。如果出现压力降超出设定范围,则重新假定冷热流体的通道数、流程数,重新进行热力计算。 4.2板式换热器的优化设计换热器的优化设计,就是要求所设计的热交换器在满足一定要求的前提下,一个或几个指标达到最好。优化设计是在最优化数学理论和近代计算机广泛应用的基础上发展起来的新技术,运用计算机寻求设计的优化方案.是计算机辅助设计的重要组成部分和核心技术之一。经验证明,一个好的设计,往往能使换热器的投资节省10%-20%。因此进行优化设计是一个好的设计不可少的组成部分。要表示出优化问题,首先要确定一个多变量函数作为评价装置设计的判断基准,然后在变量的某一给定约束条件下,使目标函数取得最大值或最小值。一般设计步骤为: (1)确定目标:目标会随着实际问题的要求不同而不同,但一般“经济性”常常成为热交换器优化设计中的目标。 (2)决定使目标函数取最大或最小的决策变量,确定约束条件;约束条件可分为等式约束条件和不等式约束条件。在某些特殊情况下,还会有无约束的最优化问题。如,求解热交换器传热性能最好的问题,常常有阻力损失不能超过某个数值的约束条件。 (3)建立描述装置内部过程的关系式,以满足给定的输入和输出;任何一个优化设计方案都要用一些相关的物理和几何量来表示。由于设计问题的类别或要求不同,这些量可能不同,但无论哪种优化设计,都可将这些量分成给定和未给定的两种。未给定的那些量就需要在设计中优选,通过对它们的优选,最终使目标函数达到最优值。如,以热交换器的传热系数为目标函数的优化设计,流体的流速、温度等就是设计变量。这样,对于有n个设计变量x1,x2,…xn的优化问题,目标函数F(X)可写作F(X=F(x1,x2,…xn)显然,目标函数就是设计变量的函数。 (4)简化上述关系式,并把多变量系统分成若干少变量系统;热交换器设计问题一般都是约束(非线性)最优化问题(也可称为约束规划问题)。约束最优化问题的求解方法有消元法、拉格朗日乘子法、惩罚函数法、复合形法等多种。 (5)用最优化的数学方法,在计算机上实现自动设计求最优解。在换热器的优化设计过程中,目标函数有很多种,即所要求的优化设计的目的各不相同,大致可以分为以下几类: (1)对完成同一目的的新换热器得到投资、折旧、操作、维修费等最经济的换热器型式及结构,材料。计算中要满足约束条件,如对流速或压降的限制、结构尺寸的限制等。 (2)对已有换热器或正在操作的换热器,计算最经济的操作条件或最经济的余热回收条件。 (3)除单台换热器的最优化设计及核算外,在某些条件下,可以对换热器系统进行经济性评价和优化计算。举例说明,以经济性作为目标函数: 以换热器的耗资为目标函数,每个板片可以根据经验公式,大体可以得出下图: 上图表明,随着雷诺数的增加,压力将增加,流体流动阻力增大,克服阻力需要耗电,这就使得在雷诺数较大时电耗突然增大;制造费用在雷诺数较小时,换热系数较小,相同的换热量下,需要更多的换热面积,所以在雷诺数较小时,制造费用会很大,随着雷诺数的增大,换热系数变大,所需换热面积变小,制造费用降低。总体分析,每一个板片的耗资都随着雷诺数的变化而不同,但总会有一个最优的雷诺数,使工作流体在此雷诺数下运行时,耗资最小,经济性最好。 4.3优化设计现状长期以来,设计者早已按照建立目标函数的思路进行换热器的优化设计,只是一直处于经验设计的阶段。但随着最优化方法的发展和电子计算机的高速发展,不少人曾对此作过进一步的研究,相继提出了一些优化设计方法,但由于影响换热过程的因素复杂,一般都是有多个约束的多变量优化问题,求解比较困难;加上换热器的种类繁多,结构各异,这些研究者大多针对某一具体类型的换热器进行分析和研究,因此,应当说换热器的优化设计目前仍不够完善。参考文献 [1]杨崇麟等编.板式换热器工程设计手册.北京:机械工业出版社,1998 [2]许文编.新编换热器选型设计与制造工艺实用全书.北方工业出版社,2006 [3]余建祖.换热器原理与设计.北京:北京航空航天大学出版社,2006 [4]秦叔经,叶文邦.化工设备设计全书-换热器.化学工业出版社,2003

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