双金属翅片管蒸汽加热器优化设计软件的开发与应用.doc

双金属翅片管蒸汽加热器优化设计软件的开发与应用沈迅伟 曾学锋（南京化工大学机械工程学院南京210009）摘要 提出了以风侧流阻最小为目标函散，传热负荷与迎风面尺寸为约束条件的双盘属翅片管换热器优化设计模型，并开发出了相应的设计软件，成功地进行了在尿素大颗粒工程中五台蒸汽加热器的优化设计。关键词 双金属翅片管 蒸汽加热器 约束最优化设计 枚举比较法 软件双金属铝轧片式翅片管是一种高效的传热元件，见图1所示。基管可根据管内介质的要求选用不锈钢、碳钢、耐蚀钢、镍钢、钛管等，铝管经过粗、精两次轧制，形成紧套在基管上的铝翅片管。由于铝的导热系数远高于钢，铝翅片管翅片很高，片厚很薄，翅化比高达20以上，远远超出高额焊及绕片式翅片管，具有很高的传热效率。另外，铝翅片管翅片抗“倒伏”性能好，能长期可靠地运行。双金属翅片管目前主要应用在空冷器上，特别是一些与电厂设备配套的大型空冷器上。在蒸汽加热器上的应用还不多见。在蒸汽加热器中，原料气（空气）往往要从常温被加热到150以上，如此高的温差将导致很大的传热负荷，在有限的迎风面上往往要布置很多排管子，这样使得系统阻力降很大，它不仅增加了能耗，而且还会影响到风机的正常运行。因此，如何进行优化设计，即在给定的传热负荷与迎风面尺寸等约束条件下，寻求风侧流阻最低将是我们设计工作的重点。本文提供了以风侧流阻最低为目标函数，传热负荷与迎风面尺寸为约束条件的双金属翅片管换热器优化设计模型，通过对设计变量离散化，采用枚举比较法进行约束最优化处理。同时，开发出了相应的优化设计软件应用该软件，成功地设计了五台尿素大颗粒工程中的蒸汽加热器。1 优化设计1.1传热及流阻计算公式双金属翅片管蒸汽加热器的工艺设计主要包括传热计算和流阻计算。管内介质为饱和蒸汽，传热系数K主要取决于管外风侧的给势系数。流体（空气）横掠翅片管束，正三角形叉排环翅时，采用Briggs-Young公式。以基管外表面为基准的传热系数Kot其中=除了用Briggs-Young经验公式外，根据翅片管换热试验装置的实验结果，回归出试验公式如下：新官试验时总传热系数：其中考虑管外污垢及接触热阻的修正值，考虑空气温度修正值，而以基管外表面为基准的传热系数Kot管外空气测流阻计算，流体横掠翅片管束阻力，当三角形叉排环翅时，Robinson-Briggs公式1.2数学模型双金属翅片管蒸汽加热器的优化设计，一般是在给定传热负荷，迎风面尺寸及其它技术条件和要求下，找出一组使换热器的技术和经济指标达到最优的设计参数。根据传热和流阻计算公式，优化设计变量为：翅片管标准系列（每个系列包括基管外经，翅片片距，翅片外经，翅片根径，翅片片厚和翅化比），排间距和管间距，将设计变量离散化后，其数学模型可表达为：目标函数:p=F(do,b,df,do, f，ST，SL)求 X=X1, X2, X3, X4, X5, X6= do,b,df,do, f，Y= ST， Z=SL使得min P约束条件：1Row（Xj）27，j=1,2,3,4,5,6,1.05df Y1.5 df，=0.5mm0.87 df Z1.5 df，=0.5mm由于p表达式复杂，而X,Y,Z的取值范围不大，将其离散化后，用枚举比较法寻求minP，其可靠性和准确性可用离散密集程度来保证。1.3离散变量优化设计方法表1 翅片管标准系列序号基管外径（mm）翅片片距（mm）翅片外径（mm）翅片根茎（mm）翅片片厚（mm）翅化比1165.13517.20.646.62163.23517.20.3310.13162.33517.20.3113.54161.83517.20.3016.85162.34417.40.4523.56162.33017.40.309.37162.73817.50.4214.48162.753517.30.5211.89192.84420.40.3815.510192.34420.40.4318.711201.83521.30.3011.812222.34423.50.4314.813222.84423.50.3812.414255.15026.40.568.315252.85026.40.4314.216252.35026.40.3816.917253.25026.40.4212.418253.25726.40.4217.119252.85726.40.4219.320252.55726.40.4021.221252.35726.40.3823.422322.36433.40.3820.823322.86433.40.3817.324322.35733.50.4015.225322.55733.50.4013.426382.37039.50.4320.227382.57039.50.4318.7根据翅片管标准系列（见表1），共有27种规格的翅片管。考虑到制造要求和传热要求，管间距的下限和上限分别为1. 05df和1. 5df，排间距的下、上限分别为0. 87 df和1.5df。由于df最小为35 mm，离戢时，将步长设定为0. 5mm能保证其可靠性和准确性。采用枚举比较法，整个寻优过程包括三重嵌套循环，最内层为排间距循环，中层是管间距循环，最外层是管子规格循环，逐一比较得出的P最小作为最优化结果。运用传热试验公式优化设计程序框图略。2 软件开发运用FORIRAN Power StatWion可视化工作平台，在Win95操作系统下，编制了优化设计程序。具有Windows界面风格的FORIRAN可视化工作台是一个功能强大的多选项程序设计编辑器，界面图略。利用该编辑器可以很方便地进行程序调试。2.1软件开发思路首选建立数据库，内容包括翅片管规格（基管外经，翅片片距，翅片外经，翅片根径，翅片片厚和翅化比等），冷、热流体的物性参数等，并将已知条件以数据文件的方式输入其次，分别采用Briggs- Young公式和试验公式进行传热计算，采用Robin son - Briggs公式进行风侧流阻计算；再次，优化设计程序中建立三重循环，即翅片管规格，管间距和排间距嵌套循环枚举比较的寻优过程。另外，也可根据实际情况，直接输入管子规格，管间距的排间距数据，得到指定输入数据的计算结果。最后，各个输出结果以标准化格式列表输出。2.2软件的主要特点(l) 数据输入方式方便灵活，通过提示，用户可很方便地输入数据。(2) 本软件既可自动寻优，又可根据实际需要输入翅片管规格，管、排间距直接得出计算结果，满足了用户不同的设计要求。(3) 在翅片效率计算中，将翅片效率曲线离散化后，形成数据文件存人数据库中，供传热计算时调用。 (4)程序下半部分主要是输出语句，按照指定的标准格式输出各种计算结果，包括按Briggs - Young公式及试验公式的优化计算结果和直接计算结果。3 应用实例针对金睦石化尿素大颗粒工程的蒸汽加热器，运用所编软件进行了设计计算，考题结果证明软件计算正确可靠4 结语.双金属铝轧片式翅片管由于其传热效率高，使用寿命长而得到越来越广泛的使用。本文开发的双金属翅片管蒸汽加热器优化设计软件，以风倒流阻最小为目标函数，传热负荷与迎风面尺寸为约束条件，经考题验证，程序计算正确可靠，并成功地为尿素大颗粒项目中五台蒸汽加热器进行了优化设计。符号说明t 基管壁厚 do基管外径b翅片片距 di翅片外径do翅片根径 f翅片片厚翅片比 y翅片间隙h翅片高 翅片效率管外给热系数以基管外表面为基准的管外给热系数定性温度下空气导热系数w基管管壁导热系数Nuf Nusselt数 Ref Reynolds数Prf Prandtl数 Kot 以基管外表面为基准的传热系数ro 管外污垢系数K新管实验时总传热系数Kn考虑管外污垢及接触热阻的总传热系数Ki考虑空气温度修正后的实际总传热系数Kot以基管外表面为基准实验时的总传热系数Vmen空气最大质量流速V空气质量流速 SL排间距阻断系数 R双金属接触热阻30（实验室）空气导热系数Ri管内污垢系数P管外空气侧流阻 f摩擦系数N流动方向管排数 空气密度Vmen最窄截面处流速ST管间距SC三角形排列的斜边长参考文献1范明舫，换热器多目标约束下的统计选型，化工设备设计Vol 36（1）1999pp9-122黄问盈，热管与热管换热器设计基础，北京中国铁道出版社19953马义伟，刘经福钱辉广空气挣却器，北京化学工业出橛杜19824 Briggs，D.E.and Young.E.HConvection Heat Tranmfer And Pressune Drop of Air flowing Across Triangular Pitch Banks 0f Fin