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基于U形管式換熱器的優化設計研究

點擊:1723 日期:[ 2014-04-26 22:06:30 ]
                                  基于U形管式換熱器的優化設計研究                                            李云花.駱曉玲                                   (青島科技大學  山東青島266061)     摘要:文章簡要介紹了u形管式換熱器及其換熱管的排列形式和原則;運用MATLAB做出了直徑在4OOmm一2000mm范圍內的布管數、管板厚度以及換熱面積的變化趨勢圖,擬合出各自的變化曲線,并得出最優值。文章的設計與研究對于u形管式換熱器的工程設計具有一定的參考價值。     關鍵詞:U形管式換熱器;換熱管;優化設計     中圖分類號:TH137.8 文獻標識碼:B 文章編號:1000-4858(2006}06.0069 02     管殼式換熱器是石油、化工裝置中應用最廣泛的換熱設備,由于管殼式換熱器結構堅固,且能選用多種材料制造,故適應性極強,尤其在高溫、高壓和大型裝置中得到普遍應用。     U形管式換熱器是管殼式換熱器的一種,它由管板、殼體、管束等零部件組成。在同樣直徑情況下,u形管換熱器的換熱面積最大;它結構簡單、緊湊、密封性能高,在高溫、高壓下金屬耗量最小、造價最低;而且,由于U形管換熱器只有一塊管板,所以在換熱過程中熱補償性能好、承壓能力較強,適用于高溫、高壓工況下操作。     1 U形管排列原則     換熱管是換熱器中進行換熱的元件。換熱管排列可采用正三角形排列,通過正三角形排列,在同一直徑管板面積上可排列最多的管數。正三角形排列時,流體在垂直流向折流板缺口時正對換熱管,沖刷換熱管的外表面,提高換熱效果。此外,正三角形排列的流體流道截面小,有利于提高流速和換熱效率。為了優化設計U形管式換熱器,U形管按以下原則排列:     ① 換熱管的排列應使整個管束完全對稱;     ② 應在規定的范圍內全部布滿換熱管;     ③ 拉桿應盡量均勻布置在管束的外邊緣。     在靠近折流板缺邊位置處應布置拉桿,其間距應小于或等于700 mm,拉桿中心至折流板缺邊的距離應盡量控制在換熱管中心距的(0.5 1.5)√3 mm范圍 內。     2 U形管式換熱器變化趨勢圖     表1為U形管式換熱器在設計溫度為20℃,設計壓力為4.0 MPa下,直徑在400 nlln一2000 nlln范圍內變化時的布管數、管板厚度以及換熱面積。                    根據以上數據,做出U形管式換熱器在不同直徑下的布管數、管板厚度以及換熱面積的變化趨勢圖,如圖1所示。     由圖la可知,U形管式換熱器直徑在400mm~1200mm范圍內變化時,排管數的變化曲線為平滑的拋物線;直徑在1200mm 2000mm范圍內變化時為4段斜直線,且斜率依次增大,可以看出排管數的變化程度隨直徑的增大而增大。直徑在400mm—1200mm范圍內變化時。換熱面積的增大曲線也為平滑的上升曲線;直徑在1200mm~2000mm范圍內變化時為四段上升的斜線段,且斜率依次增大。                              由圖lb得知:直徑在400mm一 1200mm范圍內變化時,管板厚度的變化曲線為拋物線;在1200mm一2000mm范圍內變化時為四段上升的斜線段,且斜率依次增大。     根據圖1的曲線還可以看出,隨著U形管式換熱器直徑的不斷增大,換熱器的排管數、換熱面積和管板厚度的最優值的取值范圍也隨著曲線的變化而各不相同。     3 u形管式換熱器的優化     對于管殼式換熱器的優化設計,既要考慮其換熱面積,又要考慮其經濟性的影響。由圖1可以看出,U形管式換熱器直徑在400mm—2000mm范圍內變化時,排管數和換熱面積兩條曲線的變化趨勢基本上一致。所以,從經濟性和換熱效率兩方面考慮,優化設計U形管式換熱器的目標就可以確定為:當U形管式換熱器直徑在400mm一2000mm范圍內變化時,求換熱面積(或布管數)的極大值和管板厚度的極小值。     從圖1和圖2還可以看出,換熱面積和管板厚度的變化趨勢圖均可被分為5個區間:400mm—1200mm;1200mm—1400mm;1400mm— 1600mm;1600mm—1800 mm;1800mm—2000mm。但是直徑在400mm— 1200mm范圍內的上升趨勢最大。     隨著能源的日益緊張和強化傳熱技術的進展,換熱器將向緊湊型和重量輕方向發展。因此,本優化設計即是求U形管式換熱器直徑在400mm—1200mm區間內的最優值。由圖1和圖2可知,換熱面積和管板厚度的趨勢圖都是拋物線,故擬定其表達式為:                4 結論     綜上所述,本文以U形管式換熱器為研究對象,探討了其換熱管的排列型式和原則。運用MATIAB編程語言。繪制出了直徑在400mm~2000mm范圍內的布管數、管板厚度以及換熱面積的變化趨勢圖,擬合出它們各自的變化曲線;并綜合考慮經濟性和換熱效率兩方面的影響,對U形管式換熱器進行了優化設計。     參考文獻:     [1] 余俊.現代設計方法及應用[M].北京:中國標準出版社,2002.     [2] 潘繼紅,田茂誠.管殼式換熱器分析與計算[M].北京:科學出版社,1996.     [3] 尾花英朗.熱交換器設計手冊[M].北京:石油工業出版社.1992.     [4] 崔海亭,汪云.強化型管殼式熱交換器研究進展[J].化工裝備技術,1999。20(4):8 _91     [5] 羅建軍,楊琦.精講多練MArI1.AB[M].西安:西安交通大學出版社.2002.     [6] 張威.MATLAB基礎與編程入門[M].西安:西安電子科技大學出版社,2004.     [7] 鄭宏興,姚紀歡,張成.MATLAB 5.x工具箱使用技巧與實例[M].武漢:華中科技大學出版社,2000.
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