賴家鳳（北京華福工程有限公司天津分公司，天津 300000）

換熱器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與多參數(shù)耦合有著密切的關(guān)系，其有別于傳統(tǒng)的優(yōu)化方式，是將換熱器單個(gè)性能所涉及的相關(guān)因素呈現(xiàn)為目標(biāo)函數(shù)，并將對(duì)應(yīng)換熱器性能所涉及到的因素中換熱面積與換熱過程壓降損失選為主要的優(yōu)化對(duì)象，基于濕空氣和水熱交換為具體條件，獲得管殼式換熱器的最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

1 管殼式換熱器概論以及設(shè)計(jì)流程

換熱器是一種實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備，是在石油、化工、石油化工、冶金、電力、輕工、食品行業(yè)普遍應(yīng)用的一種工藝設(shè)備，在煉油、化工裝置中換熱器占總設(shè)備的40%左右，占總投資的30%-45%。目前，在換熱器設(shè)備中，使用量最大的是管殼式換熱器。

本文是基于管殼式換熱器，其殼程流體為水，管程流體為濕空氣。由于管程出口濕空氣特殊性需求——達(dá)到換熱溫度的要求，且把對(duì)應(yīng)壓降控制在其允許的范圍之內(nèi)。同時(shí)，換熱器的相關(guān)試驗(yàn)環(huán)境需要充分的滿足相關(guān)的換熱條件之后才能提升其換熱效率的，合理的減少換熱面積。該情況是需要充分考慮換熱器的換熱面積和其壓降損失狀況，而換熱器傳統(tǒng)的優(yōu)化方式對(duì)某單項(xiàng)的對(duì)應(yīng)指標(biāo)不能滿足高效的需求。因此，對(duì)換熱器提出一種新型的優(yōu)化及評(píng)估方法顯得尤為迫切，使換熱效率以及壓降損失等因素更好的得以統(tǒng)籌，以便實(shí)現(xiàn)換熱器的合理優(yōu)化。

1.1 管殼式換熱器概論

管殼式換熱器具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且牢固、操作彈性較大以及應(yīng)用材料廣泛等特性，現(xiàn)階段仍是化工、石油以及石化行業(yè)中所運(yùn)用的一種重要的熱交換器，特別適用于高溫、高壓工況，甚至在較大型的換熱設(shè)備中它也具有很大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。涉及換熱器的性能因素很多，比如傳熱系數(shù)、換熱面積、壓力降、泵送功率等等。一般換熱器的優(yōu)化方式僅是針對(duì)經(jīng)濟(jì)成本、換熱面積以及壓降耗損其中的某一項(xiàng)展開優(yōu)化。在對(duì)換熱器性能所涉及的多個(gè)因素進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的優(yōu)化方式不可避免地存在的其局限性。

1.2 目標(biāo)函數(shù)

本文中，管殼式換熱器殼程是以水為介質(zhì)，在其進(jìn)口的水溫一定時(shí)，由傳熱學(xué)原理可得出，冷卻水出口的溫度會(huì)影響換熱器傳熱面積以及該換熱設(shè)備的投資費(fèi)用。冷卻水的出口溫度低時(shí)，其需要的傳熱面積就會(huì)相對(duì)較小，也就是換熱器投資費(fèi)用會(huì)相對(duì)減小。不過這時(shí)冷卻水用量就會(huì)提高，其需要的相關(guān)操作費(fèi)用也會(huì)提升，因此，為保證設(shè)備費(fèi)用與操作費(fèi)用之和是為最小值時(shí)，需對(duì)換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其冷卻水出口溫度合理。

1.3 設(shè)計(jì)流程

管殼式換熱器的設(shè)計(jì)是由諸多因素相互關(guān)聯(lián)的、多參數(shù)相互影響的，因此設(shè)計(jì)過程復(fù)雜。本文中殼程流體放熱將管程內(nèi)的濕空氣加熱至指定的溫度。由于其工況的特殊性，分析了相應(yīng)優(yōu)化過程，發(fā)現(xiàn)其忽視了殼程的流體傳熱膜系數(shù)和殼程壓降對(duì)換熱器的影響，因此，換熱器優(yōu)化的前提是要求設(shè)備的實(shí)際傳熱面積大于其理論計(jì)算值。而且，相應(yīng)管程壓降損失應(yīng)小于壓降的最大允許值。

2 換熱器經(jīng)濟(jì)性分析與優(yōu)化計(jì)算

通常情況下，利用換熱器回收運(yùn)用熱能或者是實(shí)行工藝過程加熱，其所帶來的年經(jīng)濟(jì)收益和換熱器的相關(guān)換熱量及年運(yùn)行時(shí)間成正比例關(guān)系。

換熱器的年總費(fèi)用主要是固定的投資費(fèi)用以及運(yùn)作費(fèi)用、熱損失費(fèi)用，為了有效的簡(jiǎn)化計(jì)算，把換熱器最初的投資費(fèi)用、折舊費(fèi)用、維修費(fèi)用、配套工程費(fèi)用等固定的相關(guān)費(fèi)用均用單位的傳熱面積費(fèi)用來表示。

3 換熱器壓降分析

雖然濕空氣和水換熱的過程對(duì)殼程壓降要求較低，但仍要考慮管程流體所存在的壓力損失。低壓工況下，管程壓降與直管的摩擦阻力壓降為主，此時(shí)濕空氣壓降最大，所以壓降損失小于其最大允許值就顯得尤為關(guān)鍵。當(dāng)然，在高壓時(shí)也應(yīng)符合此要求。

4 程序設(shè)計(jì)

上面所分析的相關(guān)問題均是屬于單個(gè)變量最優(yōu)化，該類問題的求解方式也算是較為成熟，可以運(yùn)用解析法以及黃金分割法和函數(shù)逼近法等數(shù)值方式對(duì)其進(jìn)行求解。在這里我們是運(yùn)用MATLAB語(yǔ)言計(jì)算，應(yīng)用工具箱中的Nelder-Mead單純形法函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。上述分析是針對(duì)管殼式水冷卻器而得出的結(jié)論，而由于分析方法及傳熱機(jī)理的相似，對(duì)其他不同換熱介質(zhì)的管殼式換熱器的優(yōu)化也具有一定普遍的，其對(duì)應(yīng)的求解結(jié)果可以是設(shè)計(jì)管殼式換熱器的關(guān)鍵依據(jù)，進(jìn)而能夠合理的節(jié)約生產(chǎn)生本，以便于促進(jìn)設(shè)計(jì)科學(xué)化進(jìn)程。

5 實(shí)際算例

本文以管程為濕空氣，殼程為水的管殼式換熱器為例，對(duì)換熱水器結(jié)構(gòu)的進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。其對(duì)應(yīng)的熱負(fù)荷為863W，進(jìn)出口處的對(duì)數(shù)平均溫差是3.17K，濕空氣體積的流量是66.7L/s，設(shè)計(jì)要求最小壓強(qiáng)為300Pa，所涉及換熱器的的最大壓降不超過15Pa。

6 結(jié)語(yǔ)

本文是以濕空氣和水為換熱介質(zhì)，對(duì)管殼式換熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在限定管程的壓降狀態(tài)下，該換熱器能夠呈現(xiàn)換熱器的體積最小，并且，還能綜合考慮換熱器的傳熱面積以及壓降損失，并合理地統(tǒng)籌兼顧兩者，極大地提高了傳熱效率，壓降控制的成效顯著。

[1]劉宏,魏新利.管殼式換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械強(qiáng)度,2012（10）.

[2]楊明,孟曉風(fēng),張衛(wèi)軍.管殼式換熱器的一種優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2013（5）.