基于U形管式换热器的优化设计研究

点击：2126 日期：[ 2014-04-26 22:06:30 ]

基于U形管式换热器的优化设计研究李云花．骆晓玲 (青岛科技大学山东青岛266061) 摘要：文章简要介绍了u形管式换热器及其换热管的排列形式和原则；运用MATLAB做出了直径在4OOmm一2000mm范围内的布管数、管板厚度以及换热面积的变化趋势图，拟合出各自的变化曲线，并得出最优值。文章的设计与研究对于u形管式换热器的工程设计具有一定的参考价值。关键词：U形管式换热器；换热管；优化设计中图分类号：TH137．8 文献标识码：B 文章编号：1000-4858(2006}06．0069 02 管壳式换热器是石油、化工装置中应用最广泛的换热设备，由于管壳式换热器结构坚固，且能选用多种材料制造，故适应性极强，尤其在高温、高压和大型装置中得到普遍应用。 U形管式换热器是管壳式换热器的一种，它由管板、壳体、管束等零部件组成。在同样直径情况下，u形管换热器的换热面积最大；它结构简单、紧凑、密封性能高，在高温、高压下金属耗量最小、造价最低；而且，由于U形管换热器只有一块管板，所以在换热过程中热补偿性能好、承压能力较强，适用于高温、高压工况下操作。 1 U形管排列原则换热管是换热器中进行换热的元件。换热管排列可采用正三角形排列，通过正三角形排列，在同一直径管板面积上可排列最多的管数。正三角形排列时，流体在垂直流向折流板缺口时正对换热管，冲刷换热管的外表面，提高换热效果。此外，正三角形排列的流体流道截面小，有利于提高流速和换热效率。为了优化设计U形管式换热器，U形管按以下原则排列： ① 换热管的排列应使整个管束完全对称； ② 应在规定的范围内全部布满换热管； ③ 拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘。在靠近折流板缺边位置处应布置拉杆，其间距应小于或等于700 mm，拉杆中心至折流板缺边的距离应尽量控制在换热管中心距的(0．5 1．5)√3 mm范围内。 2 U形管式换热器变化趋势图表1为U形管式换热器在设计温度为20℃，设计压力为4．0 MPa下，直径在400 nlln一2000 nlln范围内变化时的布管数、管板厚度以及换热面积。根据以上数据，做出U形管式换热器在不同直径下的布管数、管板厚度以及换热面积的变化趋势图，如图1所示。由图la可知，U形管式换热器直径在400mm～1200mm范围内变化时，排管数的变化曲线为平滑的抛物线；直径在1200mm 2000mm范围内变化时为4段斜直线，且斜率依次增大，可以看出排管数的变化程度随直径的增大而增大。直径在400mm—1200mm范围内变化时。换热面积的增大曲线也为平滑的上升曲线；直径在1200mm～2000mm范围内变化时为四段上升的斜线段，且斜率依次增大。由图lb得知：直径在400mm一 1200mm范围内变化时，管板厚度的变化曲线为抛物线；在1200mm一2000mm范围内变化时为四段上升的斜线段，且斜率依次增大。根据图1的曲线还可以看出，随着U形管式换热器直径的不断增大，换热器的排管数、换热面积和管板厚度的最优值的取值范围也随着曲线的变化而各不相同。 3 u形管式换热器的优化对于管壳式换热器的优化设计，既要考虑其换热面积，又要考虑其经济性的影响。由图1可以看出，U形管式换热器直径在400mm—2000mm范围内变化时，排管数和换热面积两条曲线的变化趋势基本上一致。所以，从经济性和换热效率两方面考虑，优化设计U形管式换热器的目标就可以确定为：当U形管式换热器直径在400mm一2000mm范围内变化时，求换热面积(或布管数)的极大值和管板厚度的极小值。从图1和图2还可以看出，换热面积和管板厚度的变化趋势图均可被分为5个区间：400mm—1200mm；1200mm—1400mm；1400mm— 1600mm；1600mm—1800 mm；1800mm—2000mm。但是直径在400mm— 1200mm范围内的上升趋势最大。随着能源的日益紧张和强化传热技术的进展，换热器将向紧凑型和重量轻方向发展。因此，本优化设计即是求U形管式换热器直径在400mm—1200mm区间内的最优值。由图1和图2可知，换热面积和管板厚度的趋势图都是抛物线，故拟定其表达式为： 4 结论综上所述，本文以U形管式换热器为研究对象，探讨了其换热管的排列型式和原则。运用MATIAB编程语言。绘制出了直径在400mm～2000mm范围内的布管数、管板厚度以及换热面积的变化趋势图，拟合出它们各自的变化曲线；并综合考虑经济性和换热效率两方面的影响，对U形管式换热器进行了优化设计。参考文献： [1] 余俊．现代设计方法及应用[M]．北京：中国标准出版社，2002． [2] 潘继红，田茂诚．管壳式换热器分析与计算[M]．北京：科学出版社，1996． [3] 尾花英朗．热交换器设计手册[M]．北京：石油工业出版社．1992． [4] 崔海亭，汪云．强化型管壳式热交换器研究进展[J]．化工装备技术，1999。20(4)：8 _91 [5] 罗建军，杨琦．精讲多练MArI1．AB[M]．西安：西安交通大学出版社．2002． [6] 张威．MATLAB基础与编程入门[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2004． [7] 郑宏兴，姚纪欢，张成．MATLAB 5．x工具箱使用技巧与实例[M]．武汉：华中科技大学出版社，2000．

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