管壳式换热器的优化设计

　　[关键词]换热器;管壳式换热器;优化;优化设计

　　热交换器是进行热交换操作的通用工艺设备,被广泛应用于各个工业部门,尤其在石油、化工生产中应用更为广泛。换热器分类方式多样,按照其工作原理可分为:直接接触式换热器、蓄能式换热器和间壁式换热器三大类,其中间壁式换热器用量最大,据统计,这类换热器占总用量的99%。间壁式换热器又可分为管壳式和板壳式换热器两类,其中管壳式换热器以其高度的可靠性和广泛的适应性,在长期的操作过程中积累了丰富的经验,其设计资料比较齐全,在许多国家都有了系列化标准。近年来尽管管壳式换热器也受到了新型换热器的挑战,但由于管壳式热交换器具有结构简单、牢固、操作弹性大、应用材料广等优点,管壳式换热器目前仍是化工、石油和石化行业中使用的主要类型换热器,尤其在高温、高压和大型换热设备中仍占有绝对优势。

　　对于完成某一任务的换热器,往往有多个选择,如何确定最佳的换热器,是换热器优化的问题,即采用优化方法使设计的换热器满足最优的目标函数和约束条件。在换热器设计中,最优目标函数是指包括设备费用和操作费用在内的总费用最小。本文主要针对管壳式水冷却器冷却水出口温度的优化问题,利用一般优化设计的原理和方法,以操作费用最小为优化目标,给出相应的目标函数,并用MATLAB语言编写了计算程序,最后给出了一个计算实例。1目标函数

　　对于以水为冷却介质的管壳式冷却器,进口水温一定时,由传热学的基本原理分析可知,冷却水的出口费用将影响传热温差,从而影响换热器的传热面积和投资费用。若冷却水出口温度较低,所需的传热面积可以较小,即换热器的投资费用减少;但此时的冷却水的用量则较大,所需的操作费用增加,所以存在使设备费用和操作费用之和为最小的最优冷却水出口温度。

　　设换热器的年固定费用FA = KF.CA.A (1)式中FA———换热器的年固定费用,元;KF———换热器的年折旧率, 1 /y;CA———换热器单位传热面积的投资费用,元/m2 ;A———换热器的传热面积,m2。换热器的年操作费用FB =Cu•WuHy/1000 (2)式中FB———换热器的年操作费用,元;Cu———单位质量冷却水费用,元/吨;Wu———换热器冷却水用量, kg/h;Hy———换热器每年运行时间, h。因此换热器的年总费用即目标函数F = FA + FB = KFCAA +Cu•WuHy/1000 (3)2A与Wu的数学模型———热平衡方程换热器的热负荷为Q =GcPi ( T1 - T2 ) (4)式中Q———换热器的热负荷, kJ /h;G———换热器热介质处理量, kg/h;cpi———热流体介质比热容, kJ / ( kg•℃) ;T1、T2———热流体的进出口温度,℃。

　　当换热器操作采用逆流换热时,则热平衡方程为Q =Wu cpw ( t2 - t1 ) =GcPi ( T1 - T2 ) = KA& tm (5)式中cpw———冷却水比热容, kJ / ( kg•℃) ;

　　　t1、t2———冷却水的进出口温度,℃;

　　　& tm———对数平均温度差,℃。

　　　& tm =( T1 - t2 ) - ( T2 - t1 )/In(T1 - t2/T2 - t1) (6)

　　由此可得Wu =Q/cpw ( t2 - t1 ) (7)A = Q/K& tm (8)K———总传热系数, (m2•h•℃)。将(4)和(6)代入(7)和(8) ,然后再代入(3) ,得F = KFCAGcpi ( T1 - T2 )/cpw ( t2 - t1 )+Cu•HyGcpi ( T1 - T2 )/K{ ln(( T1 - t2 ) / ( T2 - t1 ))}1000 (9)

　　一般来说,对于设计的换热器, G、T1、T2、t1及Hy均为定值;水的比热容cpw和热介质的比热容cpi变化不大,可取为常数; Cu、CA、FA可由有关资料查得;总传热系数K通常也可由经验确定,所以换热器的年总费用F仅是冷却水出口温度t2的函数。当F取最小值时,相应的t2既为最优冷却水出口温度,进而可由式(7)、(8)得到所需的冷却水量和最优的传热面积。3程序设计

　　由上面分析可知,以上问题属于单变量最优化问题。对于此类问题求解方法比较成熟,可以用解析法和黄金分割法或函数逼近法等数值方法求解。这里,采借用MATLAB语言计算,采用其工具箱中Nelder - Mead单纯形法函数fmin2search ( )优化,定义TF ( )为目标函数(9) ,函数Water ( )、Ar2ea ( )则根据式(7)、(8)分别用以求传热面积A和冷却水用量Wu。以上分析尽管是针对管壳式水冷却器而得出的结果,由于分析方法和传热机理相似,对于其它介质的管壳式换热器只要在公式上稍作变形即可得出类似的结论。因此,对管壳式换热器问题的优化具有一定的普遍性,其求解结果可以作为设计管壳式换热器重要依据,从而为节约生产成本,推动设计的科学性方面作出相应的贡献。程序清单如下:clear all; clcglobal T1 T2 G t1 JA beta K theta JW CW Cc QT1 = 135; T2 = 40; G = 4e4; t1 = 30;JA = 400; beta = 0. 15; K = 840;Theta = 7900; Jw = 0. 1; Cw = 4. 184;Cc = 2. 092;Q = G3 (T1 - T2) ;T0 = 50;T2 = fiminsearch (@Totalfee, t0) ;Fp rintf (‘优化结果: /n /n’)Fp rintf (‘换热器最优出口温度: %. 2% s/n’, t2,’℃’)Allfee = totalfee ( t2 ) ; fp rintf (‘最小年费用为: %. 3f元/n’, allfee)[AW ] =Area_water ( t2) ; frintf (‘换热器传热面积为: %.3fm^2 /n’,A)fp rintf (‘每小时用水量为: %. 1fkg/h /n’,W)fee1 = JA3 A3 beta; fee2 = JW3 theta3 W /1000; %function J = totalfee ( t2)global T1 T2 G t1 JA beta K theta JW CW Cc Q[AW ] =Area_water( t2) ; J = JA3 A3 beta +JW3 theta3 W /1000%function [A,W ] =Area_water ( t2)global T1 T2 G t1 JA beta K theta JW CW Cc Qvar1 = T1 - t2; var2 = T2 - t1; dtm = ( var1 - var2 ) / log( var1 /var2) ;A =Q / (K3 dtm) ;W =Q /Cw/ ( t2 - t1) ;4设计实例

　　例:某石化公司需将处理量为G = 4×104 kg/h的煤油产品从T1 = 135℃冷却到T2 = 40℃,冷却介质是水,初始温度t1= 30℃。要求设计一台管壳式水冷却器(采用逆流操作) ,使该冷却器的年度总费用最小。以知数据如下:冷却器单位面积的总投资费用CA = 400元/m2 ;冷却器年折旧率KF = 15%;冷却器总传热系数K = 840 kJ / (m2•h•℃) ;冷却器每年运行时间7900h;冷却水单价Cu = 0. 1元/吨;冷却水比热容cpw =4. 184 kJ / ( kg•℃) ;煤油比热容cp i = 2. 092kJ / ( kg•℃)。按以知条件编制数据,启动以上优化设计程序,计算结果如表1所示。表1计算结果

　　5结束语

　　本文通过对管壳式换热器传热机理的分析,导出了管壳式换热器以年度总费用为目标函数的优化设计公式,利用MATLAB语言编制了相应的计算程序并给出了一个计算实例。可以看出,优化设计作为一种现代设计方法,理论上科学、严格,将其合理地应用于管壳式换热器的设计必将推动传统设计观念的进步,其计算结果可作为管壳式换热器机械设计的重要参数。（完）