（机械工程专业论文）热管式空气预热器整体优化及cad研究.pdf

摘要 热管是一种新型的传热元件，由于是以内部工质相变和连续工质循环实现热量传递 的，因此具有较高的传热效率。目前对热管的应用已有很大的进展，如在空间技术发展 中以成功的实现传热和监控问题：在地面各方面应用中则更多。以热管为传热元件的热 管换热器具有下列特点：传热效率高，压力损失小，工作可靠，结构紧凑，有利于控制 露点腐蚀等，这些独特的优点是它在解决能源问题，如：利用热能、节约原料、降低成 本等方面，特别是在工业余热利用中发挥了越来越多重要的作用。 由于热管换热器形式多样，结构复杂，因而如何选择其形式是工程应用中的一个重 要环节。本课题就是要针对这一问题，对热管元件及热管换热器整体优化设计进行研究， 以气一气热管换热器中典型代表热管空气预热器为例，利用最优化理论，提出了对 其进行整体优化设计的方法。文中详细阐述了如何分析实际的物理过程，如何确定优化 对象的设计变量，建立了年净收益最大为目标的目标函数，确定了由实际过程及技术参 数所构成的约束条件，从而建立了优化设计的最优化数学模型，并采用穷举法和复形调 优法对热管换热器的热管直径d 。、热冷流体侧翅片间距s 。s 。翅片厚度6 。、6 。、 管束横向管间距s t 及冷热流体的迎风流速u 。u 。( 其中，热管基管直径、冷热侧翅片间 距、翅片厚度、管束横向管间距这六个变量为离散型变量；冷热流体迎风流速为连续型 变量) 进行优化，就是通过对优化变量d 。、s 。s 。、s 。6 。6 。u 。u 。：的调整，在 满足给定的设计依据与条件下，使年净收益最大，即使目标函数值最大。 通过理论研究和相关问题研制，以及对具体事例进行计算和分析，并与常规设计计 算结果进行比较，最后得出结论：本文所编制的计算程序可进行热管预热器的优化设计， 能确定热管预热器的最优化结构参数及运行参数。在考虑热管预热器技术经济指标基础 上，导出的年净收益方程，对于预热器优化选型有很好的指导作用。热管元件、预热器 整体结构参数的优化组合既节省了初始化投资，又可降低运行成本，保证了设计质量， 从而获得可靠的经济效益，为工程设计提供了设计思路。 关键词：热管；预热器： 优化；计算机辅助设计 a b s t r a c t w i t hh i g he f f i c i e n c yi nh e a tt r a n s f e r r i n g ，h e a t - p i p ei san e w k i n go fc o m p o n e n to r d e v i c e t h eh e a tt r a n s f e ro fh e a tp i p ei sc a r r i e do u tb yp h a s ec h a n g eo ft h em e d i u ma n dc o n t i n u o u s l o o po ft h em e d i u m t h eh e a tp i p et e c h n o l o g yo nh e a tt r a n s f e ra n ds u p e r v i s i n gi ns p a c e s c i e n c eh a sb e e ns o l v e d t h eh e a tp i p ei sn o wu s e dw i d e l yi ni n d u s t r i a le n g i n e e r i n g 1 1 1 eh e a t p i p ee x c h a n g e rh a st h ea d v a n t a g e so fc o m p a c t ，c o n t r o l l i n ge r o d eo fa c i dd e wp o i n t ，h i g h e f f i c i e n c y , l o wp r e s s u r ed r o pl o s sa n dr e l i a b i l i t y , s ot h e ya r cu s e dw i d e l yi nh e a te n e r g y u t i l i z a t i o na n dw a s t eh e a tr e c o v e r y i ti sa l s oh e l p f u lt or e c o v e rt h ew a s t eh e a t , s a v et h er a w m a t e r i a l sa n dr e d u c et h ep r o d u c t i o nc o s t s e c o n o m i cb e n e f i tf r o ma p p l i c a t i o ni so b v i o u s h e a tp i p ee x c h a n g e rh a sm a n yt y p e s ，s oi ti si m p o r t a n tt ok n o wh o wc h o o s es u i t a b l eo n e i ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n t h i st h e s i sf o c t l s e so nt h eo v e r a l lo p t i m a ld e s i g no fp i p ep a r t sa n d 1 1 e a dp i p ee x c h a n g e r a ne x a m p l ei sa l s op r e s e n t e dt os t a n df o rt h et y p i c a lh e a tp i p eh e a t e x c h a n g e r ( t h a ti s ，h e a d - p i p ea i rp r e - h e a t e r ) t h es p e c i f i cd e t a i l sa n dm e t h o d sa r ei n t r o d u c e d i nt h ei n t e g r a t e do p t i m a ld e s i g na n dt h eo p t i m a ls e l e c t i o nf o rh e a dp i p eh e a te x c h a n g e r s t h e m e t h o dh o wt oa n a l y s i sp r a c t i c a lp r o b l e m sa n dd e t e r m i n ed e s i g np a r a m e t e r sa n dc o n s t r a i n t s a r eg i v e nt os o l v ep r a c t i c a lp r o c e s sa n dt e c h n i c a lc o n d i t i o n s i no r d e rt oo p t i m i z et h eh e a t p i p ed i a m e t e r , s p a c eo f f i n ，p i p e l i n es p a c e ，t h i c k n e s so f f i na n dw i n d w a r dv e l o c i t yo f f l o wa r c s e l e c t e da so p t i m a lp a r a m e t e r s s o m eo ft h e ms u c ha sh e a dp i p ed i a m e t e r , s p a c eo ff i ni nc o l d l i q u i ds i d e ，p i p e l i n es p a c i n g ，t h i c k n e s so ff i ni nc o l dl i q u i ds i d ea n dt h i c k n e s so ff i ni nh o t l i q u i d s i d ea r e d i s p e r s i n gv a r i a b l e w i n d w a r dv e l o c i t y o f f l o wi so p t i m i z e d w eu s e c o m b i n a t o r i a lm e t h o df u rd i s p e r s i n gv a r i a b l ea n du s ep l u r a la d j u s t i n go p t i m u mm e t h o df o r s u c c e s s i v ev a r i a b l e 1 1 1 em a x i m a ln e ti n v e s t m e n ti n c o m ei sc o n s i d e r e da so b j e c tf u n c t i o na n d am a t h e m a t i c a lm o d e la b o u tt h eo p t i m u md e s i g nw a se s t a b l i s h e da n do p t i m a la n s w e ri s o b t a i n e db ya d o p t i n gl i m i ti l l u s t r a t i o nm e t h o da n dp l u r a la d j u s t i n go p t i m u mm e t h o d t h ec o m p u t e rp r o g r a mo ft h eo p t i m a ls e l e c t i o nf o rh e a t - p i p ep r e h e a t e ri sd e v e l o p e d a c c o r d i n g t oc o m p a r i s o nt h eo p t i m i z a t i o nr e s u l tw i t ht h ec o n v e n t i o n a ld e s i g nr e s u l t ，i ts h o w s t h a tp r o g r a mc a no p t i m i z et od e t e r m i n et h es i z e so f p a r t so f h e a t - p i p ep r o h a t ea n dg i v et h e m o s to p t i m a lp a r a m e t e r t h ee q u a t i o no ft h em a x i m a ln e ti n v e s t m e n ti n c o m ec a na s s i s tt h e o p t i m a ls e l e c t i o nf o rp r e h e a t e r s ot h em e t h o d c a l ls a v ei n i t i a li n v e s t m e n ta n dc u t o p e r a t i n gc o s to b v i o u s l y t h es o f t w a r ec a na l s oo p t i m i z ep r e h a t ew i t hd i f f e r e n tm e d i u m a n dc a nb e u s e da sc o u n s e lo fe n g i n e e r i n gd e s i g na n dp r o v i d ed e s i g n p h i l o s o p h yf o r e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：h e a tp i p e ：p r o h e a t e r ：o p t i m i z a t i o n ；c o m p u t e ra i d e dd e s i g n 2 热管武空4l 懊热；： 控体优化搜c a d 研究 热管式空气预热器整体优化及c a d 研究 - j - - - 一 刖吾 热管是一种传热效率极高的换热元件，其内部是靠工质相变和连续工质循环 实现热量传递的，它的当量导热系数可达金属的1 0 3 1 0 4 倍。人们利用这一高效 传热的特点在空间技术的开发中，已卓有成效地解决了各种传热和监控问题：在 地面应用中，热管的应用亦取得很大进展。以热管为传热元件的热管换热器较其 它形式换热器具有以下的优点：传热效率高，压力损失小，工作可靠，结构紧凑， 冷热流体不混合，有利于控制露点腐蚀等等，这些独特的优点使它在解决能源问 题，如：利用热能、回收废热、节约原料、降低成本等方面，在工业余热利用中 发挥了越来越重要的作用m ，并取得了显著的经济效益。 我国能源消耗居世界第三位，但燃料利用率不到3 0 。没有高速发展的能源 工业，就不可能实现农业、工业、国防和科学技术的现代化，能源是关键问题之 一。根据我国“能源要以开发和节约并重，近期内把节能放在优先地位”的方针， 在“在如何把能耗降下来，如何节约能源、提高能源利用率的”问题中，低品位 ( 中低温) 余热的回收是一个不可忽视的方面。这样，余热的回收及利用，成为 一个重大而迫切的课题，成了节能工作的中心环节之一。在这个领域中，热管换 热器由于具有独特的优点，得到了较大的发展，热管换热器将在节能项目中发挥 越来越重大的作用。 最优化设计方法始于二十世纪五十年代，六十年代以后，最优化理论和计算 机技术的迅速发展，才使得最优化方法大量地应用在比较复杂的产品设计中。设 计最优化就是采用最优化理论和方法，对于一个限定的系统，借助电子计算机， 确定一组设计参数( 包括热工参数及结构参数) ，使得某一预定的目标，或某项 性能要求达到最佳值。最优化设计不仅能使许多复杂的设计问题得到理想的设计 方案，还能提高设计精度及设计速度，改进产品的性能。经济效益是十分明显。 如何在计算机上实现换热设备的优化选型，对于深入节能、节资、提高设计 水平和设计效率都有重要的实际意义。 热管换热器作为换热器的一种重要类型，其优化设计研究亦有着十分重要的 意义。它的优化设计就是研究热管换热器整体设计的寻优技术，即：数学模型的 建立以及对该模型进行寻优的技术。 在工程实际中，随着节约原材料和能源的紧迫性，换热器的优化选型设计显 得越来越重要。近几年来，许多研究者就其他形式的换热器( 如管壳式换热器、 板式换热器1 的设计、选型、应用等方面作了一定的工作。而热管在我国是7 0 年 热管式空气预热器整体优化及c a d 研究 代末才开始应用于工业领域的，目前主要以热管换热器的形式用于废热回收中， 由于应用领域，设计参数不尽相同，大部分热管作为非标产品，进行小批量( 单 件) 设计生产，生产工艺、技术水平均不一致，质量波动也较大。就热管产品的 开发设计而言，每完成一个产品，其设计工作量是很大的，只有在热管生产形成 系列化、标准化以后，各种产品有确定的特性可查。才能尽可能多地消除热管设 计中的某些误差：所以，及早地进行热管节能装置优化选型设计是十分必要的。 本课题就是要针对这一问题，对热管元件及热管换热器整体优化设计进行研究， 从而进一步推动热管技术在工业领域中的应用。 热自a 尘。l 麒魁揣盅圭讣仇1 七救0 a u 训) 1 热管换热器的发展状况 1 1 热管与热管换热器的发展状况 1 1 1 概述 世界上最早的一项热管专利是1 9 4 4 年由美国俄亥俄通用发动机公司的 g a u g l e r 以“传热器件”的名称提出的。1 9 6 3 年g r o v e r 在他的专利中正式提出 “热管”的命名，并于1 9 6 4 年首次公开的他们的实验结果。1 。1 9 6 5 年c o t t e r 首 次较完整地阐述了热管理论。捷克的斯可达工厂从1 9 6 5 年开始制造重力热管换 热器，用作锅炉的空气预热器。除此以外，英国、日本、德国等国也开始了热管 的研制工作。1 9 6 7 年，美国首次应用热管进行卫星的温度控制。7 0 的年代以后， 在空问应用热管成功的基础上，热管在地面上的应用也开展起来。地面应用最多 的是用于工业余热回收及空调低温余热回收的热管换热器，这类换热器已部分系 列化、商品化生产。1 9 7 0 年在美国出现了供应商品热管的部门，热管的应用从 宇航扩大到了地面。1 9 7 4 年以后，热管在节能和新能源开发方面的研究得到了 充分的重视，用热管制成各种形式的换热器来回收废热。1 9 8 0 年美国q - d o t 公 司生产了气一液换热的热管余热锅炉。此外，美国f o s t e r w h e e l e r 公司、h u g h e s 公司等亦已大批量生产热管换热器，并向世界各国销售此类换热器。日本也用热 管做成锅炉给水预热器( 省煤器) ，日本东芝公司、昭和铝业公司、古河电器工 业公司、日立公司等都已批量生产这种换热器。另外，还出现了可变热导热管、 微型热管、超长热管、回转型、分离型等新的热管形式嘲。 七十的代后期，我国开始研制热管换热器，在1 9 7 2 年，第一根钠热管运行 成功，以后相继研制成功氨、水、汞、联苯等各种介质的热管，并在应用上取得 了一定的进展。自1 9 8 0 年我国第一台槽道式吸液芯热管换热器投入运行以后， 各地相继出现各种不同类型、不同温度范围的气气、气一液热管换热器，在工 业余热回收方面发挥了良好的作用。热管换热器是回收热能( 尤其是中、低温热 能的) 高效设备，国内工程设计和制造技术已趋于成熟，部分已能系列化生产。 在炼油、化工行业拥有大量使用经验，并成功应用于锅炉、加热炉、干燥器等排 气余热回收场合。研究热管的科研单位和大专院校都先后与制造热管的厂家组成 了科研生产联合体，在扩大热管换热器应用范围和有效、合理地使用热管换热器 等方面起了很大的作用。 目前，我国已有生产热管换热器的工厂数十家，推广使用的各类热管换热器 达数千台。这类典型厂家( 单位) 有：南京化工大学、兰州石油机械研究所、 热管式空气预热器整体优化及c a d 研究 抚顺石油二厂、中科院广州能源研究所、上海7 l l 研究所等。【4 】 迄今为止，在世界范围内，从空间到地面，从军工到民用，在航天、航空、 电子、电机、核工业、热工、建筑、医疗、温度调节、余热回收以及太阳能与地 热利用等方面已有数以百万计的热管正在运行中。1 5 】 1 1 2 热管型式( 按工质回流的动力分) 标准热管“1 标准热管又称吸液芯热管，它是一种典型热管，依靠毛细抽吸力回流工作液， 而借助吸液芯毛细抽吸力回流工作液又是最有效的一种方式。吸液芯热管结构原 理见图1 1 ，它由管壳、端盖、吸液芯、管外肋片、管端排气管及管内工质组成。 当热源对其一端供热时( 蒸发端) ，工作液自热源吸热而汽化，蒸汽在压差作用下。 高速流向另一端( 冷凝端) ，各冷源放出潜热而凝结，凝结液在吸液芯毛细抽吸 力作用下，从冷源端返回热源端完成连续循环，通过这种“蒸发一传输一冷凝” 过程，如此往复，便把热量不断地从热源端传至冷源。工作液是热管工作时的载 热、输热介质，依靠相变完成了热管的工作循环，工作液量的多少是影响热管性 能的重要因素之一。对于标准热管，限制热管热负荷的有：毛细限、干涸限、声 速限、携带限及沸腾限等极限。 图1 1 热管的结构 1 一热管壳体，2 一毛细吸液芯，3 一工质蒸汽，4 一工质液体 1 一h o a tp i p es h e l l ，2 一t h ew i c ka b s o r b i n g1 i q u i d ，3 一 热管式空。c 颇热器整体优化发c a df i j f 究 重力热管 重力热管又称两相热虹吸管，它依靠重力回流工作液。这是工业应用中最常 用的一种热管( 图1 2 ) ，该种热管内没有毛细吸液芯，液体依靠重力回流，这 就决定了重力热管的工作条件必须使放热段位于加热段之上。 重力热管的特性突出表现在优异的导热性，理想的等温性，传热方向的不可 逆性及两侧热阻可调节性等几方面。由于不需要吸液芯，重力热管制造工艺简单， 生产成本低廉，工作可靠，传热效率高，有较高的临界热流密度。基于上述经济 和技术上的优点，重力热管作为高效传热元件，己成功应用于电子设备冷却、余 热回收、太阳能开发、永久冻土层的稳定以及地热利用等方面，在各种地面应用， 特别是在能源的开发及合理利用方面，重力热管具有广阔前景。考虑成本的因素 工业余热回收利用中，所使用的热管绝大多数属于碳钢一水重力热管。 图1 2 重力热管工作原理 f i g 1 2w o r k i n gp r i n c i p l eo fg r a y i t yh e a tp i p e 重力热管的工质选择主要是以热管工作温度为依据的。每一种工质都有自已 的工作温度范围，下限为其凝固点，上限为其热力学临界点。 工质工作温度低于1 0 0 c 的热管称为低温热管，其工质主要有甲醇、乙醇、 氨、丙酮、氟里昂1 1 等；工质工作温度在5 0 2 5 0 c 之间的热管称为常温热 热管式空气预热器整体优化及c a d 研究 管，其工质主要有水；工质工作温度在2 5 0 6 0 0 之间的热管称为中温热管， 其工质主要有萘、硫、导热姆、联苯等；工质工作温度高于6 0 0 c 的热管称为高 温热管，其工质主要采用银、锂等液态金属，用于一些有特殊要求的场合。哺1 重力热管壳体的作用是将工质与外界隔离，壳体材料的选择，取决于热管内 充装的工质和工作环境的情况。对壳体材料的具体要求为：与工质的相容性和侵 润性好，化学稳定性好，强度足够，耐温、耐压并有良好的导热性能，成本低、 易于加工( 具有较好的可焊性，机械加工及延展性) 等。常见的壳体与工质的组 合有：碳钢与水、萘、联苯、导热姆等：不锈钢与钠、萘、氨等；铝与氨、丙酮、 氟里昂等；铜与水、丙酮、甲醇等的组合。阳】 由于重力热管传热和流动过程与标准热管存在差异，所以重力热管除了受传 热温差、热流密度、流动阻力、蒸汽流动的马赫数、毛细压差等的限制外，还存 在的工作极限主要有声速极限、干枯极限( 烧干极限) 、沸腾极限( 烧毁极限) 及携带极限( 液阻极限) 。阳3 重力热管可分为三种型式： a 闭式重力热管，此热管的管壳为单管型且密闭，常用的为两相闭式重力热 管。 b 开式重力热管，由于重力场的特殊性，出现了与外界相通、客体不封闭的 开式重力热管。 c 回路型热管，蒸发段与凝结段被分开，专门的汽液导管连通两个工作段， 形成工质的闭合循环回路，凝结液仍借助于重力回流。 重力辅助热管 依靠毛细抽吸力和重力回流工作液。 旋转热管 依靠离心力回流工作液。 此外，还有靠极化电流体动力学回流工作液的电流体动力学热管及靠电渗透 压力回流的电渗透热管等。 1 1 3 热管换热器型式5 州1 5 1 利用热管能方便地在热源与冷源实现热传递，把若干支热管组装成一体，中 间用隔板把热管的蒸发段和凝结段隔开，就形成了冷、热介质的流道，从而把热 源中热量源源不断地传给冷源，这种热管元件的组装便称为热管换热器。 热管换热器与常规换热器相比，有很多优点：输热能力大、均温性能优良、 传热方向可逆、热流密度可变、对环境的适应能力极强、抗低温腐蚀性能较好、 热管式颦2 【琐热器整体优化发c a d 研究 阻力损失较小等等，所以热管换热器能最大限度的回收低品位余热。工业上大量 余热未得到充分利用，排烟温度较高，因此，余热回收是节约能源、提高能源利 用率方面不可忽视的问题，熟管换热器在这方面上发挥了重要的作用，这是因为 多数工业余热低品位性及存在的普遍性，要求换热器能在小传热温压下传输大热 流量，热回收率高，流阻小，还要求结构简单、紧凑、经济，并能妥善处理低温 腐蚀问题。若使用常规换热器常存在许多弊端，它们或是由于传热温差小而体积 庞大，投资昂贵；或是由于换热流程长，阻力大，驱动功耗剧增，运行费用高： 或是由于腐蚀、结垢、磨损、危及设备寿命。 热管换热器就其结构形式可大体分为：静止型、回转型、移动层型三种类型。 其中静止型热管换热器是最常见的一种，其整个热管换热器装嚣中无运动部件， 是一种典型的紧凑式换热器，目前具有实用价值的热管换热器均属此类型。 热管换热器应用较多的场合是：工业锅炉及工业窑炉中用来加热空气的热管 式空气预热器及用来加热给水的热管省煤器，又称热管热水器；电站锅炉中用来 代替蒸汽暖风器的前置式热管空气预热器及空调制冷中用来回收余热、余冷的热 管式换热器；热管锅炉；热管蒸发器等。 下面着重谈一下热管空气预热器。 热管空气预热器是气一气换热器的一个典型代表，它利用锅炉、加热炉等排 烟余热，预热进入炉内的助燃空气，不仅可提高炉子的热效率，还可以减轻对环 境的污染，因此，热管空气预热器在余热回收利用中得到非常广泛的应用。 热管空气预热器的技术特点主要表现在以下几个方面： a 明显的提高了金属壁温，减轻了低温腐蚀； b 有效的防止了漏风，降低了引风机的耗电量； c 增强了换热能力，余热回收率高，提高了热效率： d 明显的减轻了受热面积灰，不会发生堵灰现象而影响正常运行； e 日常维修量小，维修费用低。 采用热管时，烟气侧和空气侧都可采用翅片强化传热，增大了二次传热面积。 管空气预热器外形一般为长方形，主要部件为热管管束、壳体和隔板。热管 的蒸发段和凝结段被隔板隔开，隔板、壳体内壁和热管束外壁间的空间即为热、 冷流体流道。隔板对热管束起部分支撑作用，其主要功能是密封流道，以阻止两 种流体相互掺混。热管元件的蒸发段和凝结段外壁均加装翅片，其目的是强化整 个气一气传热过程：两侧气体均为垂直横掠流动，提高了传热系数。 热管式预热器与管壳式预热器相比，有很多优点，主要体现在：传热性能好、 7 热管式空气预热器整体优化及c a d 研究 结构简单、紧凑、投资少、运行费用低、流阻小等方面。其原因是：气一气式热 管换热器的两体侧均加装了翅片，增大了传热面积，很大程度上减少了两气体侧 的对流热阻，强化了整个换热器的传热过程；气体的逆流流动增大了传热过程中 的换热平均温压；气体的管外垂直横掠流动，提高了管柬的平均换热系数；这三 方面的原因使得热管式预热器比管壳式预热器的传热性能好得多。又由于气气 式热管换热器在两气体侧都实现了翅化，充分利用了空间布置传热面。增大了单 位面积的传热强度，因而设备紧凑、重量轻。另一方面，由于气一气式热管换热 器传热性能优良，传热强度大，对于给定的热负荷，使其传热面减少，气体流程 缩短，流动的沿程阻力减小，热管空气预热器的结构简单也避免了管壳式预热器 为数过多的局部阻力，因而使流阻大大减小。 热管空气预热器的热管元件的蒸发段和凝结段的翅化比一般是5 30 ，蒸 发段宜采用较小的翅化比，以使蒸发段外壁有较大的翅片问距，便于清除烟气的 积尘；在空气侧，气流清洁，翅片间距可取得较小值，便可得到较大的翅化比。 热管管束一般呈错排布置，在工业液体常见的雷诺数范围内，错排布置可 使管束平均换热系数较高，有利于提高传热效果：但要减少阻力损失，有时也采 用顺排布置。气流的来流迎风速度一般在2 3 m s 范围内，其目的是把热管 管束的压降控制在一个可以接受的程度上。热管管束安装位置有水平、倾斜和垂 直三种。经常使用的热管元件的长度为1 5 3 米。 1 2 热管换热器热力设计的常用方法“”3 1 热管换热器设计的主要任务是根据给定的两股气流参数和热管元件进行换 热面布置、传热计算和流动阻力计算，满足给定的约束条件，如换热器的整体尺 寸、热管最高温度、烟气露点、流体流动阻力、流体流速限制、允许压降等，从 而选择一个合理的换热面布置方案。而所谓换热器的优化选型就是在给定的工艺 约束条件下，通过计算比较，得到能满足传热要求韵最经济最理想的几种换热器 选用方案，供设计人员选择。 用户对其所需的换热器都有特定的要求，这些要求主要包括以下几个方面： 流体性质，包括各侧流体种类、流体的热物理性能、物理化学性质( 结垢、 杂质、腐蚀性、危险性等) ； 工作条件，包括工作压力、环境条件、运行情况、运行经验等： 技术经济要求，如所用材料、价格、尺寸、重量、流阻及泵送功率的限制， 运行寿命、检修周期、维修及清洗要求等。 热臂武空2l j 贝热器搬仲优化披c a d 斜冗 热管换热器设计除了要满足上述要求以外，和其它形式换热器设计一样，还 要给定一些最基本的原始设计数据，包括冷热流体的质量或体积流量、进口温度， 热流体和冷流体出1 3 温度中的一个。若对换热能力有预期要求，则给出总换热面 积，此时出口温度不先行限定。 热管及热管换热器主要参数的选取对换热器性能的影响很大，主要有以下几 个方面： 热管管径 管径的大小对单管传热量，热管传热热阻，热管承压强度，换热器抗震性能， 流动阻力及装置的紧凑性均有影响，而这些因素直接涉及到热管换热器的造价、 投资及运行费用。 热管的长度 它的选择恰当与否常影响换热器的合理性。决定热管长度的主要因素是冷热 流体的体积流量、选定的流速或迎风面尺寸换热器宽高比，在实际场合还要受使 用条件的限制。热管单管的传热量随热管蒸发段长度的增加而增加，换热量一定 的情况下，使得热管根数减少。 迎风面流速 来流迎风流速是一个很重要的参数，它不但决定流道的迎风面积，而且直接确 定了流体流过换热器的当地流速，这直接影响到换热系数、流动阻力、积灰速度、 磨损速度、管束震动、噪声等因素。根据经验，迎面流速常限制在2 3m s 内， 流体的当地流速范围限制在4 10m s 内。其原因是：介质迎风流速过高将导 致压力降过大和动力消耗增加；风速过低导致管外膜传热系数的降低，管子的传 热能力得不到充分的发挥。 热管管束的布置可分为错排与顺排两种。 在工业上常用的流速范围内，管束顺排的换热效果比错排差，所以，为了增 强换热能力和提高换热器结构的紧凑性。一般常采用错排布置。 冷热流体的流动方向常见的有逆流、顺流和一次交叉流三种。 从传热角度考虑一般选用逆流型，为减小阻力，有时也选用顺流型。 肋片管的参数，如翅片节距、翅片长度、厚度的选取，均对换热性能有较大影 响。 由于气一气热管换热器具有独特优点，国内外不少研究者已对气一气换热器的 设计提出了各类不同的方法，如文献“帅” 热管换热器常用的设计计算方式有图算法及计算法两种：计算法又可分为常规 9 热管式空气预热器整体优化及c a d 研究 计算法、离散型计算法和定壁温计算法三种。 下面分别介绍如下： ( 1 ) 图算法是在系列化生产基础上的一种选型法，生产单位将不同类型热管换 热器的长、高、迎风面积三个参数列在系列表中供用户选用，用时给出计算公式和 根据实际实验所得的数据绘成的图线；用户可根据已知的冷热气体流量和推荐的风 速，在系列表中初选一接近设计值的设备，再根据具体情况确定管排数和单位长度 肋片数，通过查图和计算便可以得出介质出口温度，从而算出回收的热量，再根据 迎面风速，在压降图中查出压降。 这种图算法是以实验为基础的，而且是在系列化生产的基础上形成的。目前国 内可供使用的实验图表数量较少。 ( 2 ) 常规算法就是把热管式换热器设想成在连续的折算传热面上串联热管传热 阻的间壁式换热器，把热管外部介质的流动看作一维流动，不计换热面的离散分布 和传热系数沿换热面的变化，因而可借助常规的间壁式换热器的工程计算方法来计 算。这个计算方法成立的依据是：在气流横掠带肋热管外表面的换热条件下，热管 的内部热阻极小，实际计算表明，在这种情况下，热管内部热阻只约占总热阻的1 0 左右，以至对其外部对流换热特性几乎没有什么影响。 常规算法是目前在热管换热器设计中使用最为普遍的一种方法。 ( 3 ) 离散型计算法认为热量从热流体到冷流体的传递不是通过壁面连续进行 的，而是通过一排排热管离散的传热面传递的；把每排热管看作一个离散块，则热 流体从进口温度降到出口温度是呈阶梯形变化的，冷流体温度从进口温度升到出口 温度也是呈阶梯形变化的。 离散型计算法是以常规计算法为基础的，它的计算思路是：不计热损失时，热 端放热量与冷端吸热量相等，假定热管换热器是由尺寸和性能相同的热管组成的， 则每排热管的换热量可由经过该排热管的冷热流体的平均温度之差与热管总热阻 相除来表示，该热量也等于进入此排热管的热流体放出的热量和冷流体吸入的热 量。依据此三个方程可得出冷热流体流入和流出该排热管的温度，每排热管的换热 量。这样从第一排热管开始，依据已知条件便可求出第一排热管的换热量以及冷热 流体进出第一排热管的四个温度，依次可求出第一排热管的工作温度及壁温。按照 同样的思路可对第二排管直至最后一排热管进行计算，把各排热管的换热量加起来 便是整台换热器的换热量，所得出的各排管子的工作温度是选择和校核热管的重要 参数。 离散型设计法的优点在于物理概念清晰，计算程序不复杂，是一种较好的设计 l o 热管武空。l 腴热器整体优化披c a d i j | 氕 方法。但与实际情况相比较，误差还较大，所以，应努力促进热管与热管换热器生 产的规格化，系列化，标准化，以便使常规设计大大简化。 ( 4 ) 定壁温法是指将热管换热器的每排热管的壁温都控制在烟气露点之上。这 种设计方法是建立在管内蒸汽温度可调节的基础上的，通过调整热管冷热侧热阻 比，可使热管的蒸汽温度接近热流体温度或远离热流体温度，由于热管的管壁温度 基本上与管内的蒸汽温度相近，故可用调整冷热两端外侧热阻的方法来控制热管管 壁温度。 定壁温计算法首先应采用常规计算法大致算出热管换热器的概略尺寸及管排 数，然后再用离散型的计算方法逐排计算每排的壁温、传热量、冷流体的温升，热 流体的温降，并调整到满意值。由于对每排来说。进行上述所用公式是相同的，而 通过每一排时流体的物理性质是变化的，因此利用电子计算机进行计算会带来很大 的方便。利用定壁温计算法可以解决热管换热器在低温流体进口处的低温腐蚀的问 题和因结露引起的堵灰现象。 1 3 热管换热器最优化设计方法的发展 所谓优化方法就是“在满足约束条件的解中确定使目标函数值达到最大或最小 的解”。 1 3 1 现状 最优化方法，可以用来大幅度改善产品质量、节省原材料、降低产品成本、提 高经济效益，是进行现代化建设的关键技术。设计出具有最好的使用性能和最低的 材料消耗与制造成本、能获得最佳的经济效益和社会效益的产品是每一个设计人员 的追求目标。而设计质量、设计效率是评价一种设计方法优劣的标准。 热管换热器的设计者们在这方面也做了大量的工作。但他们的工作主要集中在 对热管元件结构和换热器结构的单一参数的研究与优化上。大体有这样几个方面： ( 1 ) 对热管基管直径的选取 热管元件的管径是一个重要的设计参数，管径的大小对单管传输功率、承压强 度、换热面大小，流阻高低等均有影响，并涉及造价、投资、运行费用。因此，管 径的选取应综合考虑上述因素。 k i f e l d m a n 主张优选大直径管，原因为：在相同的情况下，管径越大，传热 面积就越大，单管的传热量就越大，当总的热负荷一定时所需管子根数就越少， 可能会使换热器的初投资减少。也有人提出，在满足刚度、防震条件、避开极限的 前提下，采用小管径将使热阻减少，总重量减小，成本降低，装置紧凑。热管直径 热管式空气预热 | | 整体优化及c a d 研究 的选取还要考虑到各种传热工做限制，特别是音速限和携带限。 目前在空调及工业锅炉中，小型换热器常的热管管径为2 0 2 5 m m ，大型热管换 热器常用的热管管径为2 5 5 1 m m 。 ( 2 ) 对热管换热器蒸发段与凝结段长度比的研究 刘纪福提出了“流通长度比”、“经济长度比”、“许用安全长度比”三个概念。”。 长度比( 蒸发段与冷凝段长度比) 的选择不但能寓接影响热管换热器的传热和 阻力性能，而且还影响热管的经济性能。此外还对热管的管内蒸汽热管的工作安 全性有显著的影响。这三种长度比分别表述了三个方面的要求： 流通长度比： 流通长度比的选择应满足冷热流体在一定质量流速下通过换热器的流动阻力要 求。此长度比是基于考虑强化热管管外换热系数和降低热管束阻力的对立因素综合 选择的迎风质量流速的保证条件而得。 经济长度比： 在经济长度比下，热管的总传热热阻应为最小值，即单位热管外表面积相应的 传热量最大，所设计的热管最经济。 许用安全长度比： 在某一选定的管内蒸汽温度下许用安全长度比给出了热管安全工作的上限。许 用的管内工作压力应小于最高工作压力，根据经验，安全系数取2 3 比较合适。 长度比的选择原则是： 在满足冷热流体阻力降及许用安全长度比的条件下，应尽量接近其经济长度 比。 ( 3 ) 用最优化方法对热管换热器进行优化设计 根据所选用的目标函数的不同可分为下列几类： 以最少的投资回收年限为目标函数进行的优化设计。1 重庆大学有关研究人员推荐在热管元件结构确定的情况下，以最少的回收年 限为目标，以最佳排烟温度及最佳迎面流速为设计变量的优化准则。 以换热器的重量与净收益y o n g 的比值最大为目标函数时行的优化设计“观 目标函数为： e l - e 2 e = e k g = g 式中，e l 【为热管空气预热器所获得的净收益，j k g ； e 为每公斤空气所获得，j k g ； 热管武空气预热器整休优化及c a d i i | _ 究 b 为每公斤空气流动所损耗，j k g ； g 为热管换热器的重量，k g 。 以设备总投资最小和设备电耗量最低为目标函数进行的优化设计。0 1 ： 目标函数为： f = c i n + c 2p v + 7 0 0 0 c s ( p j + p2 ) 式中，c 。为每根热管价格，元根； n 为热管根数： c ：为壳体每公斤的价格，元k g ； v 为壳体体积，一； p 。为壳体所用钢材的比重，k g m 3 , p 。、p 2 分别为进气和排气阻力引起的电能消耗，k w ； c s 为经验系数。 这三种目标函数的取法都有各自的缺点。方法一和方法二中。充分考虑了现 场的实际运行情况，但目标函数对投资收益的计算过于简单，设计变量选取不全 面。方法二中，即考虑了换热器内部能的“数量”，又考虑了能的“质量”，这点 是可取的，但在目标函数中，只考虑了收益问题，未考虑投资及运行费用等问题。 此外，还有其他一些形式的评价准则。诸如，把传热量与流动阻力相比较的热能 评价法。“，利用热力学第二定律的熵产分析法和y o n g 损失率分析法：w e b b 提出 的传热表面纵向经较法“”等等。这些评价方法都只侧重传热与流动两种特性，即 主要考虑其运行状况及收益，也不是换热器单位收益的运行费用最省，人为因素 较多。只有从换热器的传热、流动过程与结构特征三方面入手，找出最佳结构参 数与运行状态参数，才能使得优化结果更完善。 1 3 2 最优化设计方法的发展 最优化设计始于5 0 年代末，而普及应用于7 0 年代。它是以数学规划理论为 基础，以电子计算机为辅助工具的一种设计方法。即应用某种最适宜的方法来处 理所给定的问题，以使相应所得的实际效果为最好，研究的主要内容包括实际模 型化，寻求最好决策的方法以及建立这些方法所依据的理论。 最优化是应用数学中一个实用性很强的分支，它将数学规划理论、计算机技 术和工程设计三者结合在一起，它能在一系列受诸多因素影响和制约的设计方案 中，按照这一事实上的逻辑格式，高效率的优选出一个方案，这就是最佳设计方 案。 热管式空气预热器整体优化及c a d 研究 工程优化设计，包括两方面的内容：一是将工程实际问题抽象成为优化设计 的数学模型；二是应用最优化数值方法求解这个数学模型。工程优化设计的数学 模型，是设计问题的数学表现形式，反映了设计问题中各主要因素间内在的联系 的数学关系。因此，从工程实际问题中抽象出正确的数学模型，是工程优化设计 的关键，也是工程设计人员进行优化设计的主要任务。 在设计换热器时，如果只取经验数据作简单估算，或盲目加大传热面积和安 全系数，都会造成很大浪费。倘若传热系数、壁温、压降等校核不合理。则又要 重新计算，因此手工计算特别麻烦而且不够准确。利用计算机作为辅助手段，进 行编程设计，则会使换热器设计不仅速度快，准确，还避免了反复校核计算的麻 烦。因此，电子计算机的高速发展，计算技术的进展。以及最优化设计理论的引 入，促进了换热器设计的优化工作，也给换热器设计优化的研究提出了更多更新 的内容。 通常所说的最优化包括最优设计、最优控制及最优管理三个方面。热力系数 及设备的最优化实际上仅局限于最优化设计问题，它是一种静态最优化问题，即 对于所处理的问题可以通过一组称之为数学代数方程或超越方程来加以描述。求 解静态最优化问题的基础理论是运筹学。小”1 。也就是根据设计模型及初始设计参 数，选定一种优化方法编出程序，上机计算，求出估算参数及优化性能指标。 下面就对静态最优化问题简单描述。 应用运筹学方法求解静态最优化问题通常包括的主要步骤是： 确定系统 即确定所研究问题的范围。 构造反映这一系统实际过程的数学模型 即把问题中可控变量、参数和目标与约束之闯的关系用一定的模型表示出 来。数学模型概括地表达了有关设计问题的全部要求，它是选择优化方法及择优 计算的主要根据。 求解 即应用相应的运筹学方法通过计算机来实现对整个系统综合最优。 在上述步骤中，正确构造反映系统实际物理状态的数学模型，具有决定性意 义。 建立数学模型包括三方面内容： 确定一组设计变量( 又称决策变量) 。 设计变量是指独立变量组，用于构造目标函数和约束方程式或约束函数。 热省武空4l 坝热器妊件优化投c a df i j 孔 设计变量是设计模型的基本成分，是设计过程中需要优选的参数，可分为连 续型、整数型和离散型三种。最优化问题中设计变量的数目称为该问题的维数。 确定最优化目标函数。 以所设计变量为自变量，以所要求的性能指标为因变量，并按一事实上关系 所建立的函数式，称为目标函数。它表征了设计性能要求与设计参数之间的关系， 即规定的一个评定换热器性能优劣的目标( 或指标) ：如初始建造费用最小、质 量最轻、体积最小、投资回收年限最少等等，它是设计变量的函数，并组成一个 向量目标函数