年产17万吨工艺生产中换热器毕业设计正文

第 1 页 共 73 页前 言换 热 器 是 实 现 热 量 传 递 的 一 种 设 备 ， 在 工 业 生 产 中 起 着 重 要 的 作 用 ， 在各 个 化 工 相 关 领 域 得 到 了 广 泛 的 应 用 。在 工 业 生 产 中 ， 人 们 通 过 换 热 器 来 将 热 量 从 一 温 度 较 高 的 物 料 传 递 到 另一 温 度 较 低 的 物 料 。 例 如 ， 在 合 成 丙 烯 的 生 产 中 ， 通 过 废 热 锅 炉 来 降 温 以 实现 控 制 温 度 的 目 的 ； 在 精 馏 塔 结 构 中 设 置 冷 凝 器 ； 用 换 热 器 来 实 现 飞 机 发 动机 的 散 热 等 等 。 这 都 是 换 热 器 在 工 业 生 产 中 的 应 用 。本 次 设 计 的 是 年 产 17 万 吨 工 艺 生 产 中 换 热 器 ， 和 其 他 管 壳 式 换 热 器 一样 ， 能 适 应 高 温 、 高 压 的 工 作 环 境 ， 同 时 ， 还 容 易 清 洁 ， 但 造 价 比 较 贵 。 在设 计 的 过 程 中 ， 我 根 据 设 计 说 明 书 ， 翻 阅 了 相 关 资 料 ， 查 了 相 关 的 国 家 标 准 ，从 工 艺 计 算 、 结 构 设 计 以 及 强 度 校 核 等 方 面 设 计 出 了 符 合 条 件 的 换 热 器 ， 并绘 制 了 图 纸 。本 次 设 计 是 对 我 大 学 四 年 学 习 成 果 的 检 验 ， 但 因 为 本 人 水 平 有 限 、 知 识比 较 匮 乏 ， 设 计 中 难 免 有 错 误 以 及 不 当 之 处 ， 希 望 各 位 老 师 、 同 学 能 给 予 指正 。1. 概 述第 2 页 共 73 页1.1 研 究 的 目 的 和 意 义在 化 工 、 炼 油 、 制 药 等 工 业 生 产 中 ， 绝 大 部 分 的 工 艺 过 程 都 有 加 热 、 冷 却和 冷 凝 的 过 程 ， 这 些 被 总 称 为 换 热 过 程 ， 而 使 这 些 换 热 过 程 得 以 实 现 的 设 备称 为 换 热 设 备 ,作 为 通 用 工 艺 设 备 被 广 泛 应 用 于 化 工 、 炼 油 、 动 力 、 原 子 能 和其 他 许 多 工 业 部 门 。据 统 计 ， 在 化 工 厂 ， 换 热 设 备 的 投 资 约 占 总 投 资 的 10% 20%；在 石 油 炼 厂 中 ， 约 占 全 部 工 艺 设 备 投 资 的 35% 40%。 可 以 看 出 在 提 高 传 热 效率 的 同 时 ， 促 进 换 热 设 备 的 结 构 紧 凑 性 以 及 产 品 的 系 列 化 、 标 准 化 与 专 业 化不 仅 可 以 对 现 有 生 产 技 术 进 行 提 高 ， 还 能 节 约 企 业 生 产 成 本 。1.2 国 内 外 的 研 究 现 状 以 及 发 展 趋 势上 个 世 纪 70年 代 初 发 生 世 界 性 能 源 危 机 ， 有 力 地 促 进 了 传 热 强 化 技 术 的发 展 。 当 今 换 热 器 技 术 的 发 展 以 CFD（ 计 算 流 体 力 学 技 术 ） 、 模 型 化 技 术 、 强化 传 热 技 术 等 形 成 一 个 高 技 术 体 系 。 最 近 十 几 年 ， 强 化 传 热 技 术 受 到 了 工 业界 的 广 泛 重 视 ， 得 到 了 十 分 迅 速 的 发 展 ， 国 内 外 先 后 推 出 了 板 式 、 螺 旋 板 式 、板 翅 式 等 高 效 的 传 热 设 备 。早 期 ， 我 国 换 热 器 的 制 造 技 术 远 远 落 后 于 国 外 ， 由 于 工 艺 以 及 技 术 的 限 制 ，当 时 的 换 热 器 只 能 采 用 简 单 的 结 构 ， 不 但 传 热 面 积 小 ， 而 且 体 积 大 、 笨 重 。近 年 来 ， 借 着 国 内 经 济 迅 猛 发 展 良 好 机 遇 ， 的 国 内 的 换 热 器 制 造 技 术 已 经 有了 长 足 的 发 展 ， 各 种 类 型 和 种 类 的 换 热 器 发 展 猛 烈 ， 使 用 新 结 构 、 新 材 料 的换 热 器 不 断 涌 现 ， 但 与 国 外 有 不 小 的 差 距 ， 特 别 是 在 新 型 高 效 换 热 器 领 域 。未 来 ， 国 内 市 场 需 求 将 会 有 以 下 特 点 ： 产 品 质 量 水 平 应 有 更 高 的 要 求 ， 特别 是 在 环 保 与 节 能 方 面 ， 更 是 发 展 的 重 点 方 向 ； 产 品 的 性 价 比 应 该 更 高 ； 产品 的 多 样 化 与 系 列 化 ； 产 品 品 牌 的 需 求 ； 生 产 厂 家 的 大 型 化 与 集 团 化 。在 国 外 二 十 世 纪 20 年 代 出 现 了 板 式 换 热 器 ， 一 出 现 就 应 用 在 了 食 品 行业 。 板 式 换 热 器 的 结 构 紧 凑 、 传 热 效 果 好 ， 后 来 被 发 展 出 了 多 种 结 构 形 式 。 30年 代 初 ， 瑞 典 制 成 了 螺 旋 板 换 热 器 ， 接 着 英 国 用 钎 焊 法 制 成 了 由 铜 及 其 合 金 材 料制 造 的 板 翅 式 换 热 器 ， 并 应 用 于 飞 机 发 动 机 散 热 。 30 年 代 末 ， 瑞 典 又 首 次 制 成了 板 壳 式 换 热 器 ， 并 应 用 于 纸 浆 工 厂 。 同 时 ， 腐 蚀 问 题 渐 渐 被 人 们 重 视 ， 越 来 越多 的 人 注 意 到 了 新 材 料 的 应 用 。 到 了 60年 代 ， 随 着 制 造 工 艺 的 进 一 步 完 善 ， 紧第 3 页 共 73 页凑 型 板 面 式 换 热 器 得 到 了 蓬 勃 的 发 展 和 广 泛 的 应 用 ， 同 时 为 了 满 足 在 高 温 、 高 压条 件 下 的 工 艺 要 求 ， 典 型 管 壳 式 换 热 器 也 得 到 了 进 一 步 发 展 ， 增 加 了 强 化 传 热 。70年 代 ， 逐 渐 向 体 积 减 小 、 重 量 减 小 、 消 耗 减 少 、 适 应 性 增 强 方 面 发 展 。20世 纪 60年 代 以 来 ， 我 国 不 断 开 发 了 丙 烯 氨 氧 化 技 术 ， 并 建 成 多 套 千 吨 级规 模 装 置 。 目 前 ， 中 国 石 化 已 开 发 出 了 具 有 自 主 知 识 产 权 的 丙 烯 腈 成 套 技 术 ， 其中 包 括 MB系 列 丙 烯 腈 催 化 剂 、 空 气 分 布 板 和 丙 烯 -氨 分 布 器 、 旋 风 分 离 器 、 复合 萃 取 分 离 技 术 、 负 压 脱 氰 塔 、 导 向 浮 阀 和 气 液 分 离 器 等 专 利 或 专 有 技 术 。 并 且利 用 该 成 套 技 术 分 别 将 中 国 石 油 化 工 股 份 有 限 公 司 齐 鲁 分 公 司 的 原 产 能 2.5万 吨/年 丙 烯 腈 生 产 装 置 改 造 成 了 具 有 自 主 知 识 产 权 的 4万 吨 /年 国 产 化 示 范 装 置 ； 将中 国 石 化 上 海 石 油 化 工 股 份 有 限 公 司 (简 称 上 海 石 化 )的 原 产 能 6.0万 吨 /年 丙 烯 装置 改 造 至 13万 吨 /年 ， 打 破 了 国 外 的 技 术 垄 断 ， 为 国 内 现 有 装 置 改 扩 建 提 供 了 技术 依 据 。 这 些 装 置 中 少 不 了 存 在 换 热 器 的 关 键 设 计 。1.3 本 次 设 计 研 究 的 主 要 内 容本 次 设 计 的 是 年 产 17 万 吨 丙 烯 工 艺 生 产 中 的 换 热 器 ， 具 有 高 度 的 可 靠性 和 广 泛 的 适 应 性 ， 在 现 如 今 的 各 种 换 热 器 中 占 住 着 主 导 地 位 。该 换 热 器 设 计 参 考 的 前 提 是 常 减 压 装 置 中 的 工 艺 条 件 ， 根 据 装 置 工 艺 条 件选 择 具 体 的 流 量 、 温 度 、 压 力 等 参 数 。 根 据 这 些 参 数 我 们 选 择 了 浮 头 式 换 热器 作 为 此 次 设 计 的 重 点 ， 主 要 优 点 是 管 束 可 以 抽 出 ， 以 方 便 清 洗 管 、 壳 程 ；介 质 间 温 差 不 受 限 制 ； 可 在 高 温 、 高 压 下 工 作 ， 一 般 温 度 小 于 等 于 450 ， 压力 小 于 等 于 6.4MPa； 可 用 于 结 垢 比 较 严 重 的 场 合 ； 可 用 于 管 程 易 腐 蚀 场 合 。但 结 构 复 杂 ， 成 本 高 ， 制 造 安 装 要 求 高 。浮 头 式 换 热 器 是 由 管 箱 、 筒 体 、 管 板 、 封 头 、 折 流 板 、 换 热 管 等 零 部 件组 成 ， 根 据 换 热 管 材 料 、 密 度 、 液 体 的 粘 度 、 比 热 容 、 导 热 系 数 、 管 程 数 以及 壳 体 材 料 、 蒸 汽 冷 凝 潜 热 、 温 度 等 条 件 下 确 定 管 板 的 厚 度 、 折 流 板 的 形 状 、尺 寸 与 数 量 、 折 流 板 的 布 置 情 况 和 确 定 换 热 器 的 结 构 尺 寸 。 根 据 已 知 的 工 作状 况 ， 选 定 换 热 器 所 在 的 化 工 工 艺 过 程 ， 从 而 根 据 工 艺 条 件 ， 以 确 定 换 热 器内 介 质 的 物 性 参 数 ； 根 据 工 艺 结 构 尺 寸 结 合 已 知 条 件 ， 进 一 步 计 算 换 热 器 结构 参 数 ； 最 后 进 行 换 热 器 核 算 。第 4 页 共 73 页2. 换 热 器 工 艺 设 计2.1 设 计 参 数名 称 数 值密 度 ， 600粘 度 ， 1.9比 热 容 2.39导 热 系 数 ， 0.133蒸 汽 冷 凝 潜 热 ， 3.5水 的 比 热 容 4.172.2 设 计 方 案如 下 图 所 示 ， 循 环 冷 却 水 容 易 结 垢 ， 而 且 ， 当 流 速 慢 的 时 候 ， 结 垢 的 速 度还 会 增 长 ， 从 而 导 致 换 热 器 的 流 量 下 降 。 综 合 考 虑 ， 水 走 管 程 ， 滑 油 走 壳 程 ， 选择 逆 流 。图 2.1 并 、 逆 流 示 意 图2.3 物 性 参 数 的 确 定第 5 页 共 73 页通 过 给 出 的 物 物 性 参 数 有 ：密 度 1 600 kg/ 3m定 压 比 热 容 1pc =2.39 kJ/(kg K)热 导 率 1 =0.133 W/(m K)粘 度 =0.19 pa s查 表 得 水 的 进 口 温 度 为 45度 ， 则 热 流 量 为 ：1Q = 1pc qv 1 1t =2.39 50 876 (45-40)=428145kJ/h即 1Q = 3600428145 =119 kw其 中 ， qv 体 积 流 量 3m /h则 水 的 定 性 温 度 为 ：T=34查 物 性 表 可 得 水 在 34 下 的 物 性 参 数 为 ：密 度 2 994.3 kg/ 3m定 压 比 热 容 2pc =4.174 kJ/(kg K)热 导 率 2 =0.624 W/(m K)粘 度 2 =0.742 310 Pa s由 热 流 量 得 冷 却 水 的 温 差 ： 2t = 1Q /（ 2pc qv 2 ） =428145/(4.174 54 994.3)=1.9故 假 设 比 较 合 理 。则 总 传 热 系 数 K取 经 验 值 为 ：K=510 W/( K)2.4 估 算 传 热 面 积按 纯 流 体 计 算 ， 由 于小大 tt / =(45-35)/(40-33)=1.4DPmax isverified,anyconfigurationwithalargernumberofpassesalsoresultsinaninfeasiblesolution,A4)foraneven-numberedNC,sidesIandIIhavethesamenumberofchannelsandthereforethesameallowablenumbersofpasses.Inthiscase,(DP,v)willhavethesamevalueforYh =1andYh =0.OncesetRSisobtained,theeffectivenessConstraint(2f)isusedtoselecttheoptimalsetofconfigurations,OS.However,itisnotnecessarytothermallysimulateallelementsinRSbecauseofthefollowing:第 62 页 共 73 页B1)thereareequivalentconfigurationswiththesameeffectiveness;thusonlyoneneedstobesimulated,B2)ifasearchisconductedinincreasingorderofNC,whentheoptimalsetisfound,allremainingconfigurationswithhighervaluesofNC canbeneglected.SincetheinfluenceofparameterYf ontheconvectivecoefficientsandfrictionfactorisusuallyunknown,thisparametermaybefixedpriortooptimization,thusreducingthenumberofpossibleconfigurationsby50%.Moreover,itisnotpossibletochangethetypeofflowinanexistingexchanger.Basedontheseprinciples,ascreeningalgorithmisdevelopedforthesolutionofthePHEconfigurationproblem.Thestepsofthescreeningalgorithmareasfollows.Forthisalgorithm,Yf musthaveagivenvalue(Yf =0or1).IfthereisavailabledataontheinfluenceofYf ontheheatexchangeandfrictioncorrelations,thisalgorithmcanbeusedonceforeachcaseandtheresultscompared.1.Therequireddataforplate(corrugationpattern,dimensions,areaenlargementfactorandthermalconductivity),hotandcoldfluids(flowrate,inlettemperature,foulingfactorandcorrelationsforfrictionfactor,convectiveheattransfercoefficientsandphysicalproperties)andconstraints(lowerandupperboundsforConstraints(2a)to(2f)areread.2.Initialization:RS=,NC(k) =NCmin ,k=1.3.AllallowablenumbersofpassesforsidesIandII(PIi,PIIj)areobtainedforNCk.4.Verificationofconstraintsonpressuredropandchannelflowvelocities:4.1The(DP,v)pairiscalculatedforthecoldfluidlocatedonsideIforeachoneofthenumbersofpassesPIi (inincreasingorder).Iftheconstraintsof(DP,v)aresatisfied,thecold-fluid/sideI-passpairisselected.IfDPmax isexceeded,thereisnoneedtoevaluatelargernumbersofpasses.ThisprocedureisappliedtothecoldfluidlocatedonsideIIforallthenumbersofpasses,PIIj,therebyselectingthecold-fluid/sideII-passpairs.4.2Thesameprocedureasthatinstep4.1isappliedtothehotfluid,obtainingthe第 63 页 共 73 页hot-fluid/sideI-passandhot-fluid/sideII-passpairs.5.Theselectedpairsofcold-fluid/sideI-passandhot-fluid/sideII-passarecombinedtogenerateallpossibleconfigurationswithYh =0.Eachcombinationresultsinfourconfigurationssincefhasfourvaluesequivalentto(DP,v).Thesameprocedureisappliedtotheselectedhot-fluid/sideI-passandcold-fluid/sideII-passpairs,yieldingconfigurationswithYh =1.AllgeneratedconfigurationsarestoredinRS.6.IfNC(k) =NCmax,thenproceedtostep7.Otherwise,NC(k+1) =NC(k) +1,k=k+1andreturntostep3.7.SetRSisnowcomplete.Itcontainsalltheconfigurationsthatsatisfytheconstraintsonpressuredropandchannelvelocityforbothsides.Nowtheoptimalset,OS,mustbeobtained.8.TheconfigurationsinRSwiththeminimumvalueofNC areselected.9.TheequivalentconfigurationsaredetectedandgroupedusingthemethodologyshowninTab.(1).10.Thesimplifiedthermalmodel(theoverallheattransfercoefficientisconstant)isusedtosimulateoneoftheconfigurationsineachgroup,obtainingthecorrespondingthermaleffectiveness.11.Ifoneormoregroupsofequivalentconfigurationssatisfytheeffectivenessconstraint,theyarestoredinsetOSandthereisnoneedtosimulateotherelementsofRS.Otherwise,proceedtothenextvalueofNC insetRSandreturntostep9.12.TherigorousthermalmodelisusedtosimulatethenonequivalentelementsinOStoverifytheeffectivenessresults.Incaseofdiscrepancy(|Esimplified Erigorous|/Erigorouse),therigorousmodelshouldbeusedintheprevioussimulationsafterstep8.Otherwise,theoptimalsolutionisachieved.OPTIMIZATION RESULTSItwasverifiedthatthenumberofchannelsperpasshasastrongeffectonthepressuredrop,andconsequently,about98%oftheelementsinISareeliminatedinthefirst第 64 页 共 73 页partofthescreening(steps1through8).Comparedtoanexhaustiveenumerationprocedure,thescreeningmethoddemandsapproximately5%oftherequiredevaluationsof(DP,v).Further,toobtainsetOSonlyafewelementsarethermallysimulated(approximately1%oftheelementsinISor20%oftheelementsinRS).Asanexampletoshowtheefficiencyofthescreeningmethod,considertheselectionofaconfigurationforaprocess-water(26.0kg/s,67C)/cooling-water(62.5kg/s,22C)PHEwith1.4mchevronplateswithcrossedchannelflow(Yf =1).TheconstraintboundsareshowninConstraints(4a)to(4f).Inthisproblem,IShas26,240elementsandonly1.8%ofthe(DP,v)calculationsand0.06%ofthesimulationswerenecessaryforthesolutionoftheproblembythescreeningmethod.ThecomparativeperformanceofthescreeningandenumerationmethodsisshowninFig.(4).ThesetRSobtainedcontains84configurations,rangingfromNC =43toNC =144,withpassarrangementsof1/2,2/3and2/4forhotfluid/coldfluid.Theproblemsolutionconsistsoftwopairsofequivalentconfigurations,allwith120channels,twopassesforthehotfluidandthreepassesforthecoldfluid,asshowninTab.(2).TherequiredCPUtimeinaDEC-Unixworkstationforthesimulationsofthesimplifiedmodelwasunder1min,and5minwerenecessarytovalidatetheresultsusingtherigorousmodel(thedeviationsinEwereunder1%).第 65 页 共 73 页CONCLUSIONSTheconfigurationofagasketedplateheatexchanger(PHE)wasrepresentedbyasetofsixdistinctparametersandamethodologytodetectequivalentconfigurationswaspresented.TheproblemofoptimizingthePHEconfigurationwasformulatedastheminimizationoftheheattransferarea,subjecttoconstraintsonthenumberofchannels,thepressuredropandchannelflowvelocitiesforhotandcoldfluidsandtheexchangerthermaleffectivenessaswellasthePHEsimulationmodel.SinceitisnotpossibletoderiveamathematicalmodelofthePHEthatisexplicitlyafunctionoftheconfigurationparameters,amixed-integernonlinearprogramming(MINLP)approachcouldnotbeused.Ascreeningprocedurewasthenproposedtosolvetheoptimizationproblem.Inthisprocedure,subsetsoftheconstraintsweresuccessivelyusedtoeliminateinfeasibleandnonoptimalelementsfromthesetdefinedbytheboundsonthenumberofchannels.Analgorithmwasdevelopedtoperformthescreeningwithminimumcomputationaleffort.Examplesshowthatthisalgorithmcansuccessfullyselectagroupofoptimalconfigurations(ratherthanasinglesolution)foragivenapplicationusingaveryreducednumberofthermalsimulations.第 66 页 共 73 页中 文 翻 译 ： 板 式 换 热 器 构 型 的 最 佳 选 择 的 筛 选 方 法J.M.Pinto和 J.A.W.GutUSP圣 保 罗 大 学 化 学 工 程 系摘 要 ： 一 种 确 定 垫 片 式 板 式 换 热 器 的 最 佳 配 置 的 优 化 方 法 。 目 标 是 选 择 仍 然 满足 约 束 条 件 的 信 道 数 目 的 最 小 传 热 面 积 的 配 置 ， 两 种 流 体 的 压 力 降 ， 该 通 道 的 流速 和 换 热 器 的 热 效 率 。 热 交 换 器 的 结 构 由 6个 参 数 ， 如 下 定 义 的 信 道 数 目 ， 通 行证 的 每 一 侧 的 流 体 的 位 置 ， 进 给 位 置 和 不 同 的 流 中 的 信 道 的 数 目 。 生 成 的 配 置 优化 问 题 转 化 为 尽 量 减 少 换 热 面 积 ， 并 提 出 了 其 解 决 方 案 的 筛 选 程 序 。 在 此 过 程 中 ，依 次 施 加 约 束 的 子 集 ， 以 消 除 不 可 行 的 和 非 最 佳 的 解 决 方 案 。 实 施 例 表 明 ， 该 优化 方 法 能 够 成 功 地 确 定 一 组 最 优 的 配 置 与 最 小 数 量 的 热 交 换 器 评 估 。 约 5 的 压力 降 和 信 道 的 速 度 计 算 和 1 的 热 模 拟 所 需 的 解 决 方 案 。关 键 词 ： 板 式 热 交 换 器 ， 热 交 换 器 的 配 置 ， 优 化 ， 筛 选 方 法 。简 介板 式 换 热 器 （ PHE） 由 一 包 垫 圈 的 金 属 波 纹 板 ， 在 一 个 框 架 中 压 合 在 一 起 。 通过 一 系 列 的 平 行 流 动 通 道 进 行 热 交 换 ， 通 过 薄 金 属 波 纹 板 构 成 的 流 体 。 板 的 垫 圈设 计 和 关 闭 的 端 口 确 定 的 流 体 流 动 装 置 ， 它 可 以 是 平 行 的 ， 串 联 或 几 种 可 能 的 组合 的 两 个 。 流 板 ， 分 布 ， 数 量 型 垫 片 和 进 料 位 置 交 换 配 置 的 特 点 。构 型 表 征为 了 表 征 的 PHE配 置 ， 六 个 不 同 的 参 数 用 于 NC， PI， PII， F， YH， YF， 描 述如 下 ：NC： 通 道 数第 67 页 共 73 页PI和 PII： 两 侧 的 传 球 数 I和 IIF： 进 给 连 接 的 相 对 位 置YH： 热 流 体 地 点YF： 通 道 中 的 流 量 类 型 。这 个 二 进 制 参 数 定 义 了 不 同 的 内 部 流 动 通 道 ， 它 可 以 是 直 链 或 划 线 根 据 对 垫片 的 类 型 （ 图 1） 。 交 叉 流 可 避 免 形 成 的 停 滞 区 ， 但 直 路 的 流 类 型 是 更 容 易 组 装 。一 起 使 用 这 两 种 类 型 ， 这 是 不 可 能 的 。 如 果 Yf的 =1， 则 流 程 的 所 有 通 道 中 的 交叉 。 如 果 Yf的 =0时 ， 流 程 是 直 链 的 所 有 通 道 中 。6 个 参 数 可 以 表 示 任 何 常 规 配 置 和 九 板 的 板 式 换 热 器 的 配 置 的 一 个 例 子 示 于图 。 （ 2） 。 对 于 任 何 给 定 的 信 道 数 ， NC， 五 个 其 它 参 数 允 许 值 的 有 限 集 合 ， 这限 制 了 可 能 的 配 置 数 ， 在 图 所 示 。 （ 3） 。 分 散 模 式 是 由 于 NCI和 NCII数 量 的整 数 因 子 的 变 化 。 如 果 在 2和 500之 间 的 信 道 数 的 范 围 内 ， 有 284976 个 不 同 的组 态 。图 3： 通 道 数 可 能 出 现 的 常 规 组 态 的 函 数等 效 配 置对 于 一 个 给 定 的 信 道 和 一 个 固 定 的 不 同 的 流 数 的 值 ， 等 效 的 构 型 （ 即 具 有 相第 68 页 共 73 页同 的 热 效 率 和 压 力 下 降 ） 的 存 在 是 可 能 的 。 相 当 于 配 置 的 识 别 是 很 重 要 的 ， 以 避免 不 必 要 的 热 交 换 器 评 价 。 两 个 或 两 个 以 上 的 配 置 等 价 的 发 生 是 由 于 流 量 可 逆 性的 财 产 （ Pignotti Tamborenea， 1988） ， 单 通 的 存 在 或 几 何 相 似 （ 构 型 可 以 自由 旋 转 或 镜 像 ） 。一 种 方 法 来 检 测 同 等 构 型 标 签 。 （ 1） 。 对 于 每 一 组 的 NC， PI， PII 和 Yf各 组的 值 ， 结 果 在 相 当 于 构 型 参 数 f。 在 偶 数 NC的 情 况 下 ， 有 可 能 是 YH= 0和 YH=1之 间 的 适 合 的 ， 因 为 I和 II 两 侧 具 有 相 同 的 信 道 数 ， 因 此 可 以 有 相 同 的 遍 数 。考 虑 例 如 图 中 所 示 的 热 交 换 器 。 （ 2） ， 它 被 设 置 为 f=1， YH=1;为 制 表 。 （ 1） ，改 变 流 体 的 两 侧 （ YH= 1（ R） YH= 0） 将 产 生 不 同 虽 然 等 效 的 构 型 。构 型 优 化配 制 成 的 信 道 的 数 目 ， NC， 这 相 当 于 最 小 化 的 换 热 面 积 或 者 其 固 定 费 用 （ 式1） 的 最 小 化 的 构 型 的 最 优 化 问 题 。 通 道 （ NC） ， 流 体 压 力 的 的 下 降 （ DPhotDPcold） ，通 道 的 流 速 （ vhot， vcold） 和 换 热 效 率 （ E） 的 数 量 上 有 限 制 ， 如 图 以 约 束 （ 2A）（ 2F） 。 优 化 模 型 也 受 到 PHE模 型 ， 计 算 上 述 变 量 （ 约 束 3） 所 必 需 的 。得 到（ 2a） 中 的 信 道 数 目 的 约 束 有 关 的 可 利 用 的 数 字 板 和 交 换 容 量 。 流 体 压 力 降第 69 页 共 73 页的 最 低 值 ， 避 免 了 大 的 变 化 ， 可 以 弯 曲 板 之 间 的 平 均 流 体 压 力 。 下 界 通 道 的 流 速避 免 的 优 先 路 径 或 通 道 内 的 停 滞 区 的 形 成 。筛 选 方 法建 议 优 化 程 序 是 基 于 的 筛 选 方 法 ， Daichendt 之 外 ， 格 罗 斯 曼 （ 1994） 也 采用 换 热 网 络 优 化 。 在 此 过 程 中 ， 依 次 使 用 约 束 除 去 不 可 行 的 和 非 最 佳 的 MINLP问 题 的 解 决 方 案 ， 从 而 降 低 了 它 的 大 小 和 复 杂 性 。在 板 式 换 热 器 的 构 型 的 最 优 化 ， 约 束 的 数 量 的 信 道 （ 2a） 中 定 义 的 初 始 设 置 ， IS，可 能 的 构 型 ， 形 成 的 5个 其 它 参 数 组 合 。 穷 举 程 序 ， 可 以 被 用 来 获 得 该 组 合 内 的最 佳 构 型 ， 但 是 ， 此 过 程 需 要 一 个 大 的 计 算 工 作 量 ， 由 于 需 要 大 量 的 热 模 拟 。因 为 它 是 可 以 计 算 （ DP， v） 的 前 热 模 拟 使 用 的 流 体 温 度 的 平 均 值 ， 压 力 下 降 ，信 道 速 度 （ 2b中 的 约 束 到 2e） 上 的 约 束 可 以 被 用 来 消 除 所 有 不 可 行 元 素 在 套 IS。因 此 ， 一 组 简 化 的 构 型 ， RS， 生 成 的 。 重 要 的 是 要 注 意 ， 要 获 得 设 置 的 RS（ DP，v） 的 计 算 中 的 所 有 构 型 为 由 于 下 述 原 因 ， 这 是 没 有 必 要 的 ：A1） 参 数 f有 没 有 影 响 （ DP， V） ，A2） （ DP， v） 的 独 立 的 I 和 II 两 侧 。 因 此 ， 对 于 一 个 给 定 的 NC， 是 由 计 算 只有 一 次 ， 每 个 允 许 的 遍 数 ，A3） 对 于 一 个 给 定 NC， DP 是 遍 数 成 比 例 ， 因 此 ， ， 如 果 DP DPMAX验 证 ， 也 通过 与 更 大 数 量 的 任 何 构 型 的 查 询 结 果 在 一 个 不 可 行 的 解 决 方 案 ，A4） 的 偶 数 NC， 侧 面 I和 II具 有 相 同 数 量 的 信 道 ， 因 此 ， 相 同 的 允 许 的 遍 数 。在 这 种 情 况 下 ， （ DP， v） 的 YH = 1和 YH = 0具 有 相 同 的 值 。一 旦 设 置 RS获 得 的 有 效 性 约 束 （ 2f） 的 用 于 选 择 最 佳 的 一 组 构 型 ， 操 作 系 统 。然 而 ， 这 是 没 有 必 要 的 热 模 拟 RS因 为 下 列 因 素 中 的 所 有 元 素 ：B1） 是 等 价 的 配 置 具 有 相 同 的 有 效 性 ， 因 此 只 有 一 个 需 要 被 模 拟B2） ， 如 果 搜 索 进 行 数 值 越 高 ， 数 控 数 控 递 增 的 顺 序 ， 找 到 最 优 集 时 ， 所 有 剩 余的 构 型 可 以 忽 略 不 计 。由 于 参 数 Yf的 对 流 系 数 和 摩 擦 系 数 的 影 响 通 常 是 未 知 的 ， 是 固 定 的 ， 这 个 参 数可 能 在 优 化 之 前 ， 从 而 减 少 了 50 ， 可 能 的 构 型 。 此 外 ， 它 是 不 可 能 改 变 现 有的 热 交 换 器 中 的 流 动 不 同 的 。基 于 这 些 原 则 ， 筛 选 算 法 开 发 的 解 决 方 案 ， 的 PHE构 型 问 题 。 筛 选 算 法 的 步 骤 如第 70 页 共 73 页下 所 示 。 对 于 此 算 法 ， Yf的 必 须 有 一 个 给 定 的 值 （ Yf的 = 0或 1） 。 Yf的 热 交换 和 摩 擦 的 相 关 性 的 影 响 ， 如 果 有 可 用 的 数 据 ， 这 种 算 法 可 以 使 用 一 次 ， 每 一 种情 况 下 的 结 果 进 行 了 比 较 。1。 所 需 的 数 据 ， 板 （ 波 纹 图 案 ， 尺 寸 ， 面 积 的 扩 大 系 数 和 热 导 率 ） ， 热 流 体 和冷 流 体 （ 流 量 ， 进 口 温 度 ， 污 垢 系 数 和 摩 擦 系 数 的 相 关 性 ， 对 流 传 热 系 数 和 物 理性 质 ） ， 和 约 束 （ 低 级 和 上 界 约 束 （ 2A） 到 （ 2F） ） 被 读 取 。2。 初 始 化 ： RS = AE， NC（ K） = NCmin， K = 1。3。 所 有 允 许 的 遍 数 ， 得 到 了 双 方 I和 II（ PII， PIIj） NCK。4。 验 证 约 束 压 降 和 渠 道 流 速 ：4.1（ DP， V） 对 坐 落 在 身 边 ， 我 的 每 一 个 传 球 的 数 字 PII（ 顺 序 递 增 ） 冷 流 体 计算 。 如 果 约 束 的 （ DP， v） 的 得 到 满 足 ， cold-fluid/sideI-pass的 一 对 被 选 中 。如 果 超 过 DPMAX， 不 需 要 计 算 大 量 的 通 行 证 。 此 过 程 中 被 施 加 到 位 于 第 二 侧 的 冷流 体 ， 可 用 于 所 有 的 数 字 通 行 证 ， PIIj， 从 而 选 择 cold-fluid/sideII-pass对 。4.2相 同 的 步 骤 ， 在 步 骤 4.1中 被 施 加 到 热 流 体 ， ， 获 得 hot-fluid/sideI-pass和 hot-fluid/sideII-pass对 。5。 对 cold-fluid/sideI-pass和 hot-fluid/sideII-pass的 选 择 相 结 合 ， 产 生YH = 0 的 所 有 可 能 的 构 型 。 由 于 f（ DP， v） 的 有 四 个 值 的 每 一 种 组 合 的 结 果 在四 个 构 型 。 被 施 加 到 所 选 择 的 hot-fluid/sideI-pass 和cold-fluid/sideII-pass对 相 同 的 程 序 ， 得 到 YH = 1的 构 型 。 所 有 生 成 的 构 型存 储 在 RS。6。 如 果 NC（ K） = NCmax中 ， 然 后 进 行 第 7步 。 否 则 ， NC（ K +1） = NC（ K） + 1，K = K + 1， 返 回 到 步 骤 3。7。 集 RS现 已 完 成 。 它 包 含 的 所 有 组 合 满 足 压 降 和 通 道 速 度 为 双 方 的 约 束 。 载 入的 最 佳 设 置 ， 操 作 系 统 ， 必 须 获 得 。8。 构 型 在 RS与 NC的 最 小 值 都 被 选 中 。9。 被 检 测 到 的 等 效 构 型 ， 并 使 用 选 项 卡 中 所 示 的 方 法 进 行 分 组 。 （ 1） 。10。 的 简 化 热 模 型 （ 总 传 热 系 数 是 恒 定 的 ） 是 用 来 模 拟 一 个 在 各 组 的 配 置 ， 获 得相 应 的 热 效 力 。11。 如 果 一 个 或 多 个 组 的 等 效 构 型 满 足 有 效 性 约 束 ， 它 们 被 存 储 在 套 OS， 就 没第 71 页 共 73 页有 必 要 模 拟 的 RS的 其 他 元 素 。 否 则 ， 进 行 NC集 RS的 下 一 个 值 并 返 回 到 第 9步 。12。 的 严 格 的 热 模 型 是 用 来 模 拟 在 操 作 系 统 的 非 对 等 元 素 的 有 效 性 验 证 的 结 果 。严 格 的 模 型 差 异 （ | EsimplifiedErigorous | / ErigorousE） 的 情 况 下 ， 应使 用 第 8步 后 ， 在 以 前 的 模 拟 。 否 则 ， 最 佳 的 解 决 方 案 来 实 现 。优 化 结 果据 证 实 ， 每 道 次 的 信 道 的 数 目 上 的 压 力 降 ， 具 有 很 强 的 影 响 ， 因 此 ， 约 98的 中 的 元 素 IS 筛 选 的 第 一 部 分 （ 步 骤 1 到 8） 在 消 除 。 的 筛 选 方 法 相 比 穷 举 程序 ， 要 求 所 需 的 评 价 （ DP， v） 的 约 5 。 此 外 ， 为 了 获 得 一 套 OS仅 有 几 个 元 素的 热 模 拟 （ IS中 的 元 素 ， 或 约 1 ， 在 RS中 的 元 素 的 20 ） 。作 为 一 个 例 子 ， 说 明 效 率 的 筛 选 方 法 ， 可 考 虑 选 择 的 构 型 过 程 （ 26.0公 斤 /秒 ，67 ） 水 /冷 却 水 （ 62.5公 斤 /秒 ， 22