冶成龍

甘肅省金昌市鎳鈷研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 甘肅金昌 737100

從工業(yè)發(fā)展整體的角度來(lái)說，換熱器發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。其產(chǎn)品的質(zhì)量和能源利用率對(duì)一些工業(yè)項(xiàng)目的開展具有一定影響。隨著石油、燃?xì)赓Y源的不斷開發(fā)和使用，世界上面臨著較大的能源利用問題，因此致力于開發(fā)新能源，并從節(jié)能的角度考慮，進(jìn)行預(yù)熱回收。可以說，應(yīng)用換熱器和能源節(jié)約、利用有著很大的關(guān)系，在核能、太陽(yáng)能等資源的轉(zhuǎn)換利用上發(fā)揮一定作用。換熱器的綜合利用率最高，使用時(shí)間長(zhǎng)，且費(fèi)用成本低，各個(gè)國(guó)家也都十分重視這項(xiàng)設(shè)備和技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，努力研發(fā)最優(yōu)選型和設(shè)計(jì)，達(dá)到節(jié)能增效的目的。

1 換熱器綜合性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

換熱器的整體設(shè)計(jì)是一項(xiàng)比較復(fù)雜的工作，運(yùn)行狀態(tài)、投資成本和性能等都是設(shè)計(jì)中的一部分。性能良好的換熱器耗能低、資本運(yùn)作低，工作效率高。為了達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)，人們?cè)趦?yōu)化設(shè)計(jì)的過程中付出了很多努力，在設(shè)計(jì)中取得了一定進(jìn)步，但換熱效果和運(yùn)行費(fèi)用等方面仍然不能做到統(tǒng)籌兼顧。一些專家和學(xué)者在優(yōu)化設(shè)計(jì)方面也做了很多嘗試，但受到換熱器種類復(fù)雜和設(shè)計(jì)目標(biāo)不確定的影響，還未確定最佳的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案[1]。多方面因素的影響，換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作一直被耽擱。在未來(lái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)階段，可以嘗試從流動(dòng)傳熱特性和結(jié)構(gòu)的角度入手，可能會(huì)迎來(lái)一個(gè)新的發(fā)展局面。

2 熱換器綜合性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)中的問題

2.1 表面特性及選擇

對(duì)于換熱器的表面特性選擇，可以從定量和定性兩個(gè)方面進(jìn)行考慮。定量分析法分為篩法和性能比較法，板翅式和管翅式換熱器分別適用于兩種方法。篩法應(yīng)用時(shí)只考慮流體一側(cè)，選擇表面特性的過程中依據(jù)的是最小換熱面積和迎風(fēng)面?；贑FD 技術(shù)的流動(dòng)、傳熱研究涉及到以下幾個(gè)方面：由于壓降系數(shù)、傳熱以及相關(guān)的關(guān)聯(lián)式尚不齊全，導(dǎo)致工業(yè)的傳熱表面數(shù)據(jù)存在一定的缺陷。當(dāng)涉及到的傳熱數(shù)值較大的情況下，試驗(yàn)數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)一定的誤差。除此之外，目前尚不清楚翅片與隔板的熱阻和對(duì)傳熱過程產(chǎn)生的影響[2]。傳熱表面的數(shù)值和相關(guān)應(yīng)用原理只是一些基本的工作經(jīng)驗(yàn)，并不能幫助人員解決開發(fā)過程中存在的設(shè)計(jì)、參數(shù)等問題，因此出現(xiàn)較多的研發(fā)工作者將精力投入到了應(yīng)用CFD 技術(shù)求流動(dòng)與傳熱的數(shù)值解方面，期望通過這種形式建立模擬流動(dòng)和傳熱的數(shù)值模型，計(jì)算并預(yù)測(cè)出新型換熱器設(shè)計(jì)表面阻力和傳熱系數(shù)關(guān)系。從單相流的流動(dòng)與傳熱角度來(lái)說，相關(guān)研究的力度不夠，也是未來(lái)?yè)Q熱器設(shè)計(jì)發(fā)展的重要研究領(lǐng)域。同時(shí)，需要明確的是在設(shè)計(jì)的過程中，怎么從結(jié)構(gòu)上保證流體均勻、縱向?qū)嵊绊懞秃侠聿贾昧鞯酪恢笔怯写鉀Q的重點(diǎn)問題。

2.2 傳熱和流動(dòng)分析

分析換熱器的主要方式是通過較為理想化的假設(shè)，為了方便手工計(jì)算采用了傳熱單元數(shù)法。在分析計(jì)算的過程中，應(yīng)該充分了解到假設(shè)的條件具有不確定性，同時(shí)換熱器的效果也具有不穩(wěn)定性，因此要依據(jù)能量平衡的原則將換熱器分為等定的幾部分，各部分的物性為一常數(shù)，同時(shí)溫度對(duì)其產(chǎn)生的細(xì)微影響也應(yīng)該充分考慮在內(nèi)[3]。傳熱計(jì)算的過程中如果要確定流體物性的單一溫度值，可以用平均溫度計(jì)算物性。

2.3 計(jì)算機(jī)輔助工程

由于手工計(jì)算比較繁瑣，一些專家針對(duì)這種情況設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)輔助程序。盡管計(jì)算機(jī)輔助程序得到了應(yīng)用，但換熱器設(shè)計(jì)仍然面臨著各種各樣的問題。在計(jì)算機(jī)輔助的過程中，出現(xiàn)了需要應(yīng)對(duì)一些變量的敏感性或不能滿足約束條件時(shí)，相關(guān)設(shè)計(jì)人員要靈活變通根據(jù)自身工作經(jīng)驗(yàn)做出良好決策。

3 換熱器選型及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法選擇

設(shè)計(jì)人員經(jīng)常面臨的問題是換熱器的型號(hào)和工藝多樣化，應(yīng)該如何挑選最符合要求的換熱器。科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展為人們的生活提供了方面，同時(shí)人們也開始利用現(xiàn)代化手段，研究和開發(fā)良好的換熱器選型，促進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)其工程技術(shù)領(lǐng)域的廣泛性應(yīng)用[4]。在滿足換熱器約束條件的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)定換熱量，保證其穩(wěn)定的工作效率。除此之外，從化工過程開發(fā)和設(shè)計(jì)的角度來(lái)說，加快設(shè)計(jì)，提高換熱器工作的準(zhǔn)確性具有十分重要的意義。當(dāng)前采用的換熱器具有不同的換熱器樣式，包括板式、板殼式、板翅式、管殼式、螺旋板式換熱器等等，而每種換熱器的工作形式和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)都是截然不同的。正確選擇換熱器的類型對(duì)于之后的生產(chǎn)和運(yùn)作工作會(huì)產(chǎn)生一定的影響，因此在選擇類型之前一定要充分考慮其影響因素，進(jìn)行效能分析。換熱器設(shè)計(jì)最優(yōu)化指的是在眾多設(shè)計(jì)方案中選擇經(jīng)濟(jì)效益高、耗能低、運(yùn)作成本最低的方案。由于涉及到換熱器性能方面的問題有較為繁瑣的程序，部分簡(jiǎn)單問題可以手工計(jì)算之外，剩下的問題要依靠計(jì)算機(jī)輔助程序[5]。從另一個(gè)角度來(lái)說，換熱器設(shè)計(jì)最優(yōu)化本身只需要對(duì)相關(guān)數(shù)學(xué)的內(nèi)容進(jìn)行計(jì)算，但一定要通過計(jì)算機(jī)編程的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。除此之外，對(duì)換熱器進(jìn)行成本核算的過程中一般只借助常規(guī)的經(jīng)濟(jì)學(xué)方式，采取運(yùn)行費(fèi)用和投資成本結(jié)合的綜合評(píng)價(jià)方式。

4 結(jié)語(yǔ)

由上文可知，良好的約束條件下，換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)指的是選定類型，對(duì)涉及到的具有制約關(guān)系和有關(guān)綜合性能方面的參數(shù)進(jìn)行一定程度的調(diào)節(jié)，從而達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)，使換熱器的應(yīng)用保持最佳的工作狀態(tài)。優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)形式的換熱器在應(yīng)用過程中存在的缺點(diǎn)，保證其工作的效率和質(zhì)量。因此在實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，要統(tǒng)籌考慮性能、參數(shù)和結(jié)構(gòu)等，縮短設(shè)計(jì)周期，穩(wěn)步提升工作效率和經(jīng)濟(jì)效益。