氨氣換熱器設計【說明書+CAD】

氨氣換熱器設計【說明書+CAD】,說明書+CAD,氨氣換熱器設計【說明書+CAD】,氨氣,換熱器,設計,說明書,仿單,cad 基于構建理論的管殼式換熱器的經(jīng)濟優(yōu)化 文章歷史： 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日接受通過，2011年1月3日可以在網(wǎng)上下載（看到）。 關鍵詞：管殼式換熱器，優(yōu)化，構形理論，遺傳算法 摘要 該論文中，建構理論的新方法被用于設計管殼式換熱器。在工程應用中建構理論是一種新的優(yōu)化設計方法。該論文的目的是利用建構理論來降低總成本以達到管殼式換熱器的優(yōu)化。換熱器的總成本包括操作成本和基本成本。通過建構理論的應用，管殼式換熱器的總傳熱系數(shù)得到了提高。因此，用于制作換熱器表面的基本成本降低了。此外，為了克服摩擦壓力的損失，包括泵運輸在內的操作成本也是是用這種方法最小化。用遺傳算法優(yōu)化目標函數(shù)（用于管殼式換熱器成本計算的數(shù)學模型）是基于構形理論。研究結果表明換熱器成本可降低%50以上。 1.簡介 換熱器是用于流體（氣體或液體）之間進行有效熱交換的裝置，其在諸多領域（如空調，食品，動力，輕工）等，得到廣泛的應用。由于這些設備的廣泛使用,人們已從不同的角度對其進行高效的設計 ,例如由吳先生做的能源分析?！?】專注于研究一個基于能量轉移效率方法的設備，并定義了一個孤立的熱交換器作為一個組件?！?】用于熱交換器在余熱回收的過程，利用第二法優(yōu)化?！?】評估在橫流的配置中能源損失的分析模型,，他們在試驗中已經(jīng)對操作參數(shù)和交叉流換熱器上的非均勻流進行了大量的研究，薩特佩西已經(jīng)進行了螺旋管換熱器的熱力學第二定律不可逆性的分析?！?】在層流和湍流條件下，再生換熱器的第二法優(yōu)化顯示了最大第二定律效率和熱容量等級的比值關系?！?】管殼式換熱器是在工業(yè)中應用最廣泛的的一種換熱器。盡管大量的換熱器有可用性，但管殼式仍然最最受歡迎的類型。由于其在行業(yè)的重要貢獻，大量論文和研究了都致力于管殼式換熱器的設計，采用不同的優(yōu)化技術，如非線性目標函數(shù)的角度數(shù)值方法的優(yōu)化設計【6，7】，圖解法【8,，9】，進化優(yōu)化方法如模擬退火和遺傳算法【11-13】。這些技術已經(jīng)從目標函數(shù)的角度得到應用，包括表面?zhèn)鳠?，年總成本，?yōu)化設計的約束，壓力損失，速度的限制，熱傳導方程，流體的缺陷，決策變量，管道直徑，管道數(shù)量，擋板數(shù)量，殼層厚度等等方面。 2. 建構理論 該理論中，建構理論已被用來提高總傳熱系數(shù)和減少管殼式換熱器的壓力損失。該理論是由葛蘭妮教授提出的?！敖嫛币辉~也是由他創(chuàng)造的?！皹嬙臁币辉~，來自拉丁語的動詞construere，構造是從構形理論的角度來指定自然優(yōu)化的形式，如河流，樹木和樹枝，綠地，也從設計形式的角度，設計形式源于在時間流上最大化的構造演化過程。 A 區(qū)域傳熱面積 Q 熱負荷(W) a1 常數(shù) Qc 建構的熱負荷基礎設計 a2 常數(shù) R 分支點的直徑比 a3 常數(shù) Re 雷諾數(shù) B 擋板間距(m) T 管側溫度 CE 能量消耗 (V/kW h) T 殼側溫度 Ci 基本投資 (V) Tci 冷流輸入溫度 Cl 空隙 (m) Tco 冷流輸出溫度 Co 年運行費用 (V/yr) Thi 熱流輸入溫度 Co 總折扣運營成本 (V) Tho 熱流輸出溫度 Cp 熱容量 (kJ/kg K) ti 管厚 (m） Cte 定值 U 傳熱系數(shù)(W/m K) Ctot 總成本 (V) Ut 總傳熱系數(shù) (W/m K) D 管內徑 (m) Uct 建構換熱器的總傳熱系數(shù) dh 水力直徑 (m) V 流速 Ds 殼內徑(m) Z 分支點出的長度 De 等效殼直徑（m） ΔT 溫差 F 校正因子 μ 粘度 Fct 基于設計構形校正因子 ρ 密度 H 對偶熱系數(shù) ν 常數(shù) H 年度營業(yè)時間(h/yr) λ 常數(shù) I 年度折扣率 (%) ΔP 壓力損失 K 導熱系數(shù) (W/m K) ξ 常數(shù) k1 常數(shù) ΔTlmtd 平均對數(shù)溫差 L 管長 (m) η 泵浦效率 m 質量流率 ΔPt 總壓力損失 n1 常數(shù) ΔPtb 管側壓力損失 Nt 管程數(shù) ΔPｅb 軸頸壓力損失 Nu 努塞爾特數(shù) Ny 設備壽命 (y) P 泵功率 (W) Pit 管心距(m) PT 普朗特數(shù) 構形理論認為，如果一個系統(tǒng)有自由改變它的演變發(fā)展的時間流程架構，那么就能提供更容易的途徑來獲得流經(jīng)它的電流，在流動系統(tǒng)中，提高該系統(tǒng)的元素的訪問流量水平，可提高其穩(wěn)定性，耐久性和系統(tǒng)的保護性。一個流系統(tǒng)的最佳狀態(tài)是它的元素有流量最高的訪問。 在關系到流系統(tǒng)方面，這一理論定義了訪問一個系統(tǒng)的流程和最佳狀態(tài)的概念。當有流體在管道和通道中流過時，壓力損失路徑會減小，系統(tǒng)的元素將有更多的訪問流量。在一個系統(tǒng)中，流是熱、冷流之間的熱通量，冷流的熱氣流的熱能量流的訪問越多，系統(tǒng)的熱效率就越高。因此，一旦減少熱能的損失和熱電阻，該系統(tǒng)將更接近最優(yōu)狀態(tài)。到目前為止，建構理論已被用于自然現(xiàn)象，科技和工程應用中的流系統(tǒng)最優(yōu)化。例如，在自然的流系統(tǒng)中應用建構理論，首先我們假設流系統(tǒng)是不存在的。利用構形理論和自由訪問流量優(yōu)化設計過程后，發(fā)現(xiàn)所設計的最優(yōu)狀態(tài)與自然中已存在的相對應。【16-18】這證明了理論的有效性。在自然的流系統(tǒng)中，我們還能想到呼吸系統(tǒng)的氣流，血管中的血流【19】，經(jīng)濟系統(tǒng)中的信息流，河流中的水流，烏云中的電子流，韌皮部的樹液流，在靜脈和動脈以及動物的皮膚中的熱流【19】，等等。在工程和設計應用中，一些例子是對設備冷卻部分的散熱片的設計【20】，例如板式換熱器【21】，盤換熱器【22】，燃料電池【23】等等。建構理論的其他應用【24】也許更突出，這表明建構理論可以通過更高的設計。作者應該對此做出鄭重聲明以及在工作和城市交通中它們是如何被反映出來的。優(yōu)化設計的目的是增加一個系統(tǒng)中的元素對流動的流體的訪問量，這就常常會導致在流途經(jīng)中形成樹突【25】和樹狀【26】。 該論文中，構形理論是用來獲得設計管殼式換熱器的模型。總成本包括資金成本和熱交換器構成該模型的目標函數(shù)的運營成本。遺傳算法用于優(yōu)化（最小化）模型的目標函數(shù)。最后，就得到了基于構形理論的管殼式換熱器最優(yōu)經(jīng)濟設計。 3.構形的管殼式換熱器 在本文中，一個由構形理論設計的熱交換器被稱為構形換熱器。根據(jù)構造理論的定義， 在一個管殼式換熱器中，為了最大化訪問的冷流熱通量的熱流、熱電阻必須最小化。換句話說，冷熱流體間的傳熱系數(shù)越高，我們就越接近建構理論的目標。同時在熱交換器中，由于元素對液體流訪問的最大化，壓力損失降至最小 。 Fig1 首先，在簡單的雙層管熱交換器中，熱交換已經(jīng)被建模并且優(yōu)化。并且其結果被用于管殼式熱交換器。在圖1中，考慮兩個同心管，冷熱流體在管層和管內按相反的方向流動。冷熱流體間的傳熱速率可以由公式（1）得到。 （1） A是傳熱面積（具有管直徑di和管長L的管內面積），ΔT是冷熱流之間的溫差，參數(shù)μ是換熱器的傳熱系數(shù)，通過公式（2）得到，其中hi和ho分別是管內和管之間的對流換熱系數(shù)。 (2) hi通過下式得到 (3) Nui,ki,di分別是努塞爾特數(shù)，熱傳導率和管內徑。 (4） Rei，Pri分別代表雷諾數(shù)和普朗特數(shù)，通過將這些數(shù)字代入到公式（3）的物理參數(shù)中，我們可以得到 (5) b是常數(shù). (6) mi，μi，ρi分別代表管道中流體的質量流率，粘度以及密度。 因此，我們可以得出結論，通過增加內直徑（di）可以降低對偶熱系數(shù)(hi)。管道之間間隙的努塞爾特數(shù)和對偶熱系數(shù)可以通過（7），（8）式得到。 (7) (8) dh,ko,Nuo,Pro,Reo分別代表管道間流體的水力直徑，傳導傳熱系數(shù)，努塞爾特數(shù)，普朗特數(shù)以及雷諾數(shù)。水力直徑的值可依據(jù)【26】得， (9) 同前，將參數(shù)代入（8）式中可得 (10) q是常數(shù), (11) 將（10）和（5）代入公式（2）可以得到： （12） 通過（12）我們可以得出結論，通過減小直徑，雙層管換熱器的總傳熱系數(shù)會增加，反之亦然。因此，本設計是基于構形理論進行的，其基礎是提高傳熱系數(shù)，減小熱阻，我們需要減少內部管直徑。換句話說，當我們降低內管的直徑，由于增加了傳熱系數(shù)和增加的冷流訪問的熱流的熱流量，我們也就實現(xiàn)了構造理論概念的含義。然而，減小直徑對雙管換熱器有另一個影響。根據(jù)darcyeweisbach方程，內部流和管間流的壓力損失與管流與內管的直徑有如下關系： (13) (14) (15) (16) （17） ΔPtotal, ΔPi ,ΔPo分別表示總壓力差，管道間壓力差以及管內壓力差。 通過比較前面兩部分的結果，我們可以得出結論，減小內管直徑對增加總傳熱系數(shù)有理想的結果。此外，增加的總傳熱系數(shù)可減小傳熱面積，從而降低了換熱器長度。如果我們降低熱交換器的長度，壓力損失就會減小。因此，要選擇一個合適的標準來計算最佳狀態(tài)。在該論文中，目標函數(shù)是換熱器的總成本?？偝杀景▊鳠崦娣e的成本和包括抽水成本在內的運營成本，抽水成本的加入是為了克服換熱器內的壓力損失?？煞謩e通過減少和增加直徑來減少上述的資本和運營成本。熱交換器的長度減少，也能降低運營成本（抽）和資本成本（對傳熱所需要的面積成本）。圖2說明了最優(yōu)狀態(tài)，運行（泵）成本，資本成本（熱轉移成本）和直徑變化之間的關系。 在本文中，我們建議管道直徑沿換熱器變化，使傳熱系數(shù)增大，壓力損失有一個較低的增強。用于此目的的換熱器長度分為幾段，以便每段管的直徑有一個比其他段管的不同的值。管道內徑隨熱交換器從較低值到最大值。對于每一段管長的適當選擇可通過增加傳熱系數(shù)和降低換熱器壓力損失來達到減少投資成本（傳熱面）和運營成本（泵送液體）的目的。在優(yōu)化方法和建構理論的案例研究中，樹形結構被認為是最佳流量結構，如優(yōu)化高效的傳導渠道分布【20】優(yōu)化傳導位在提示【27】模型如盤狀區(qū)域模式【28】點圓模型樹，點線模型和平面模型【29】，三維模型【30】以及熱電阻【31-33 】和[【34】降溫時間的最小化。 我們提出了一種基于構形理論的“樹枝狀網(wǎng)絡”的構形方法，優(yōu)化設計了一個雙套管換熱器，管直徑沿換熱器減少（圖3） 在第一部分中（圖4），內管直徑為d1,第二部分中，直徑d2，d2小于di。第一部分的長度為L 1，第二部分為L 2。在這種情況下，通過選擇合適的d1,d2,L1,L2的值，可在運營和資本成本之間得到一個折中，它被用于決定總成本的最優(yōu)值。 Fig2 Fig3 Fig4 Fig5 使用這種方法，我們可以達到圖2所示的最佳點。在液體流被分成兩股的地方稱為分支點。這個圖形有一個分支點。不過，通過增加分支點的數(shù)量，可以提高優(yōu)化過程中的自由度。每個分歧都有助于樹型結構。正如上面提到的，樹型結構在構形理論是一種常見的形式。 該方法也適用于管殼式換熱器的優(yōu)化。管殼式換熱器類似于一個雙重管熱交換器管。外殼是類似的雙重管熱交換器的外管。為了推廣這種針對管殼式換熱器方法，增加換熱器第一部分的管道數(shù)量就足夠了。在這種情況下，如果第一部分有n支管，第二部分將有2n支管，因為每個管流是在分支點分成兩條支流。在該論文中，使用上面的方法得到的管殼式換熱器稱為構形的管殼式換熱器。因此，在構形的管殼式換熱器，熱交換器由若干后續(xù)部分（與樹型分支的數(shù)量相同）構成，并且各部分管數(shù)量在每個分支點翻了一番。 然而，建立這樣一個換熱器，還要對其進行維修和清理污垢，這將是一個挑戰(zhàn)。為了解決這個問題，該論文建議我們用串聯(lián)換熱器的方法對管殼式換熱器的不同部分進行設計進。在這種方法中，一個雙分支結構的管殼式換熱器是一種具有兩個串聯(lián)段的換熱器，第二部分的管數(shù)是第一部分管數(shù)的兩倍（圖5）。圖5是一個構形換熱器的示意圖，在本次調查的審議中這種熱交換器可節(jié)省50%成本。一個普通的管殼式換熱器和構形的管殼式換熱器的相關方程，會在下一部分中給出。