氨氣換熱器設(shè)計(jì)【說明書+CAD】

氨氣換熱器設(shè)計(jì)【說明書+CAD】,說明書+CAD,氨氣換熱器設(shè)計(jì)【說明書+CAD】,氨氣,換熱器,設(shè)計(jì),說明書,仿單,cad 基于構(gòu)建理論的管殼式換熱器的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化 文章歷史： 2010年6月30日收到初稿，2010年11月24日收到修改后的文章，2010年11月28日接受通過，2011年1月3日可以在網(wǎng)上下載（看到）。 關(guān)鍵詞：管殼式換熱器，優(yōu)化，構(gòu)形理論，遺傳算法 摘要 該論文中，建構(gòu)理論的新方法被用于設(shè)計(jì)管殼式換熱器。在工程應(yīng)用中建構(gòu)理論是一種新的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。該論文的目的是利用建構(gòu)理論來降低總成本以達(dá)到管殼式換熱器的優(yōu)化。換熱器的總成本包括操作成本和基本成本。通過建構(gòu)理論的應(yīng)用，管殼式換熱器的總傳熱系數(shù)得到了提高。因此，用于制作換熱器表面的基本成本降低了。此外，為了克服摩擦壓力的損失，包括泵運(yùn)輸在內(nèi)的操作成本也是是用這種方法最小化。用遺傳算法優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)（用于管殼式換熱器成本計(jì)算的數(shù)學(xué)模型）是基于構(gòu)形理論。研究結(jié)果表明換熱器成本可降低%50以上。 1.簡介 換熱器是用于流體（氣體或液體）之間進(jìn)行有效熱交換的裝置，其在諸多領(lǐng)域（如空調(diào)，食品，動(dòng)力，輕工）等，得到廣泛的應(yīng)用。由于這些設(shè)備的廣泛使用,人們已從不同的角度對(duì)其進(jìn)行高效的設(shè)計(jì) ,例如由吳先生做的能源分析?！?】專注于研究一個(gè)基于能量轉(zhuǎn)移效率方法的設(shè)備，并定義了一個(gè)孤立的熱交換器作為一個(gè)組件?！?】用于熱交換器在余熱回收的過程，利用第二法優(yōu)化。【3】評(píng)估在橫流的配置中能源損失的分析模型,，他們?cè)谠囼?yàn)中已經(jīng)對(duì)操作參數(shù)和交叉流換熱器上的非均勻流進(jìn)行了大量的研究，薩特佩西已經(jīng)進(jìn)行了螺旋管換熱器的熱力學(xué)第二定律不可逆性的分析。【4】在層流和湍流條件下，再生換熱器的第二法優(yōu)化顯示了最大第二定律效率和熱容量等級(jí)的比值關(guān)系?！?】管殼式換熱器是在工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的的一種換熱器。盡管大量的換熱器有可用性，但管殼式仍然最最受歡迎的類型。由于其在行業(yè)的重要貢獻(xiàn)，大量論文和研究了都致力于管殼式換熱器的設(shè)計(jì)，采用不同的優(yōu)化技術(shù)，如非線性目標(biāo)函數(shù)的角度數(shù)值方法的優(yōu)化設(shè)計(jì)【6，7】，圖解法【8,，9】，進(jìn)化優(yōu)化方法如模擬退火和遺傳算法【11-13】。這些技術(shù)已經(jīng)從目標(biāo)函數(shù)的角度得到應(yīng)用，包括表面?zhèn)鳠幔昕偝杀?，?yōu)化設(shè)計(jì)的約束，壓力損失，速度的限制，熱傳導(dǎo)方程，流體的缺陷，決策變量，管道直徑，管道數(shù)量，擋板數(shù)量，殼層厚度等等方面。 2. 建構(gòu)理論 該理論中，建構(gòu)理論已被用來提高總傳熱系數(shù)和減少管殼式換熱器的壓力損失。該理論是由葛蘭妮教授提出的。“建構(gòu)”一詞也是由他創(chuàng)造的。“構(gòu)造”一詞，來自拉丁語的動(dòng)詞construere，構(gòu)造是從構(gòu)形理論的角度來指定自然優(yōu)化的形式，如河流，樹木和樹枝，綠地，也從設(shè)計(jì)形式的角度，設(shè)計(jì)形式源于在時(shí)間流上最大化的構(gòu)造演化過程。 A 區(qū)域傳熱面積 Q 熱負(fù)荷(W) a1 常數(shù) Qc 建構(gòu)的熱負(fù)荷基礎(chǔ)設(shè)計(jì) a2 常數(shù) R 分支點(diǎn)的直徑比 a3 常數(shù) Re 雷諾數(shù) B 擋板間距(m) T 管側(cè)溫度 CE 能量消耗 (V/kW h) T 殼側(cè)溫度 Ci 基本投資 (V) Tci 冷流輸入溫度 Cl 空隙 (m) Tco 冷流輸出溫度 Co 年運(yùn)行費(fèi)用 (V/yr) Thi 熱流輸入溫度 Co 總折扣運(yùn)營成本 (V) Tho 熱流輸出溫度 Cp 熱容量 (kJ/kg K) ti 管厚 (m） Cte 定值 U 傳熱系數(shù)(W/m K) Ctot 總成本 (V) Ut 總傳熱系數(shù) (W/m K) D 管內(nèi)徑 (m) Uct 建構(gòu)換熱器的總傳熱系數(shù) dh 水力直徑 (m) V 流速 Ds 殼內(nèi)徑(m) Z 分支點(diǎn)出的長度 De 等效殼直徑（m） ΔT 溫差 F 校正因子 μ 粘度 Fct 基于設(shè)計(jì)構(gòu)形校正因子 ρ 密度 H 對(duì)偶熱系數(shù) ν 常數(shù) H 年度營業(yè)時(shí)間(h/yr) λ 常數(shù) I 年度折扣率 (%) ΔP 壓力損失 K 導(dǎo)熱系數(shù) (W/m K) ξ 常數(shù) k1 常數(shù) ΔTlmtd 平均對(duì)數(shù)溫差 L 管長 (m) η 泵浦效率 m 質(zhì)量流率 ΔPt 總壓力損失 n1 常數(shù) ΔPtb 管側(cè)壓力損失 Nt 管程數(shù) ΔPｅb 軸頸壓力損失 Nu 努塞爾特?cái)?shù) Ny 設(shè)備壽命 (y) P 泵功率 (W) Pit 管心距(m) PT 普朗特?cái)?shù) 構(gòu)形理論認(rèn)為，如果一個(gè)系統(tǒng)有自由改變它的演變發(fā)展的時(shí)間流程架構(gòu)，那么就能提供更容易的途徑來獲得流經(jīng)它的電流，在流動(dòng)系統(tǒng)中，提高該系統(tǒng)的元素的訪問流量水平，可提高其穩(wěn)定性，耐久性和系統(tǒng)的保護(hù)性。一個(gè)流系統(tǒng)的最佳狀態(tài)是它的元素有流量最高的訪問。 在關(guān)系到流系統(tǒng)方面，這一理論定義了訪問一個(gè)系統(tǒng)的流程和最佳狀態(tài)的概念。當(dāng)有流體在管道和通道中流過時(shí)，壓力損失路徑會(huì)減小，系統(tǒng)的元素將有更多的訪問流量。在一個(gè)系統(tǒng)中，流是熱、冷流之間的熱通量，冷流的熱氣流的熱能量流的訪問越多，系統(tǒng)的熱效率就越高。因此，一旦減少熱能的損失和熱電阻，該系統(tǒng)將更接近最優(yōu)狀態(tài)。到目前為止，建構(gòu)理論已被用于自然現(xiàn)象，科技和工程應(yīng)用中的流系統(tǒng)最優(yōu)化。例如，在自然的流系統(tǒng)中應(yīng)用建構(gòu)理論，首先我們假設(shè)流系統(tǒng)是不存在的。利用構(gòu)形理論和自由訪問流量優(yōu)化設(shè)計(jì)過程后，發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的最優(yōu)狀態(tài)與自然中已存在的相對(duì)應(yīng)?！?6-18】這證明了理論的有效性。在自然的流系統(tǒng)中，我們還能想到呼吸系統(tǒng)的氣流，血管中的血流【19】，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中的信息流，河流中的水流，烏云中的電子流，韌皮部的樹液流，在靜脈和動(dòng)脈以及動(dòng)物的皮膚中的熱流【19】，等等。在工程和設(shè)計(jì)應(yīng)用中，一些例子是對(duì)設(shè)備冷卻部分的散熱片的設(shè)計(jì)【20】，例如板式換熱器【21】，盤換熱器【22】，燃料電池【23】等等。建構(gòu)理論的其他應(yīng)用【24】也許更突出，這表明建構(gòu)理論可以通過更高的設(shè)計(jì)。作者應(yīng)該對(duì)此做出鄭重聲明以及在工作和城市交通中它們是如何被反映出來的。優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的是增加一個(gè)系統(tǒng)中的元素對(duì)流動(dòng)的流體的訪問量，這就常常會(huì)導(dǎo)致在流途經(jīng)中形成樹突【25】和樹狀【26】。 該論文中，構(gòu)形理論是用來獲得設(shè)計(jì)管殼式換熱器的模型?？偝杀景ㄙY金成本和熱交換器構(gòu)成該模型的目標(biāo)函數(shù)的運(yùn)營成本。遺傳算法用于優(yōu)化（最小化）模型的目標(biāo)函數(shù)。最后，就得到了基于構(gòu)形理論的管殼式換熱器最優(yōu)經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)。 3.構(gòu)形的管殼式換熱器 在本文中，一個(gè)由構(gòu)形理論設(shè)計(jì)的熱交換器被稱為構(gòu)形換熱器。根據(jù)構(gòu)造理論的定義， 在一個(gè)管殼式換熱器中，為了最大化訪問的冷流熱通量的熱流、熱電阻必須最小化。換句話說，冷熱流體間的傳熱系數(shù)越高，我們就越接近建構(gòu)理論的目標(biāo)。同時(shí)在熱交換器中，由于元素對(duì)液體流訪問的最大化，壓力損失降至最小 。 Fig1 首先，在簡單的雙層管熱交換器中，熱交換已經(jīng)被建模并且優(yōu)化。并且其結(jié)果被用于管殼式熱交換器。在圖1中，考慮兩個(gè)同心管，冷熱流體在管層和管內(nèi)按相反的方向流動(dòng)。冷熱流體間的傳熱速率可以由公式（1）得到。 （1） A是傳熱面積（具有管直徑di和管長L的管內(nèi)面積），ΔT是冷熱流之間的溫差，參數(shù)μ是換熱器的傳熱系數(shù)，通過公式（2）得到，其中hi和ho分別是管內(nèi)和管之間的對(duì)流換熱系數(shù)。 (2) hi通過下式得到 (3) Nui,ki,di分別是努塞爾特?cái)?shù)，熱傳導(dǎo)率和管內(nèi)徑。 (4） Rei，Pri分別代表雷諾數(shù)和普朗特?cái)?shù)，通過將這些數(shù)字代入到公式（3）的物理參數(shù)中，我們可以得到 (5) b是常數(shù). (6) mi，μi，ρi分別代表管道中流體的質(zhì)量流率，粘度以及密度。 因此，我們可以得出結(jié)論，通過增加內(nèi)直徑（di）可以降低對(duì)偶熱系數(shù)(hi)。管道之間間隙的努塞爾特?cái)?shù)和對(duì)偶熱系數(shù)可以通過（7），（8）式得到。 (7) (8) dh,ko,Nuo,Pro,Reo分別代表管道間流體的水力直徑，傳導(dǎo)傳熱系數(shù)，努塞爾特?cái)?shù)，普朗特?cái)?shù)以及雷諾數(shù)。水力直徑的值可依據(jù)【26】得， (9) 同前，將參數(shù)代入（8）式中可得 (10) q是常數(shù), (11) 將（10）和（5）代入公式（2）可以得到： （12） 通過（12）我們可以得出結(jié)論，通過減小直徑，雙層管換熱器的總傳熱系數(shù)會(huì)增加，反之亦然。因此，本設(shè)計(jì)是基于構(gòu)形理論進(jìn)行的，其基礎(chǔ)是提高傳熱系數(shù)，減小熱阻，我們需要減少內(nèi)部管直徑。換句話說，當(dāng)我們降低內(nèi)管的直徑，由于增加了傳熱系數(shù)和增加的冷流訪問的熱流的熱流量，我們也就實(shí)現(xiàn)了構(gòu)造理論概念的含義。然而，減小直徑對(duì)雙管換熱器有另一個(gè)影響。根據(jù)darcyeweisbach方程，內(nèi)部流和管間流的壓力損失與管流與內(nèi)管的直徑有如下關(guān)系： (13) (14) (15) (16) （17） ΔPtotal, ΔPi ,ΔPo分別表示總壓力差，管道間壓力差以及管內(nèi)壓力差。 通過比較前面兩部分的結(jié)果，我們可以得出結(jié)論，減小內(nèi)管直徑對(duì)增加總傳熱系數(shù)有理想的結(jié)果。此外，增加的總傳熱系數(shù)可減小傳熱面積，從而降低了換熱器長度。如果我們降低熱交換器的長度，壓力損失就會(huì)減小。因此，要選擇一個(gè)合適的標(biāo)準(zhǔn)來計(jì)算最佳狀態(tài)。在該論文中，目標(biāo)函數(shù)是換熱器的總成本?？偝杀景▊鳠崦娣e的成本和包括抽水成本在內(nèi)的運(yùn)營成本，抽水成本的加入是為了克服換熱器內(nèi)的壓力損失?？煞謩e通過減少和增加直徑來減少上述的資本和運(yùn)營成本。熱交換器的長度減少，也能降低運(yùn)營成本（抽）和資本成本（對(duì)傳熱所需要的面積成本）。圖2說明了最優(yōu)狀態(tài)，運(yùn)行（泵）成本，資本成本（熱轉(zhuǎn)移成本）和直徑變化之間的關(guān)系。 在本文中，我們建議管道直徑沿?fù)Q熱器變化，使傳熱系數(shù)增大，壓力損失有一個(gè)較低的增強(qiáng)。用于此目的的換熱器長度分為幾段，以便每段管的直徑有一個(gè)比其他段管的不同的值。管道內(nèi)徑隨熱交換器從較低值到最大值。對(duì)于每一段管長的適當(dāng)選擇可通過增加傳熱系數(shù)和降低換熱器壓力損失來達(dá)到減少投資成本（傳熱面）和運(yùn)營成本（泵送液體）的目的。在優(yōu)化方法和建構(gòu)理論的案例研究中，樹形結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是最佳流量結(jié)構(gòu)，如優(yōu)化高效的傳導(dǎo)渠道分布【20】優(yōu)化傳導(dǎo)位在提示【27】模型如盤狀區(qū)域模式【28】點(diǎn)圓模型樹，點(diǎn)線模型和平面模型【29】，三維模型【30】以及熱電阻【31-33 】和[【34】降溫時(shí)間的最小化。 我們提出了一種基于構(gòu)形理論的“樹枝狀網(wǎng)絡(luò)”的構(gòu)形方法，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一個(gè)雙套管換熱器，管直徑沿?fù)Q熱器減少（圖3） 在第一部分中（圖4），內(nèi)管直徑為d1,第二部分中，直徑d2，d2小于di。第一部分的長度為L 1，第二部分為L 2。在這種情況下，通過選擇合適的d1,d2,L1,L2的值，可在運(yùn)營和資本成本之間得到一個(gè)折中，它被用于決定總成本的最優(yōu)值。 Fig2 Fig3 Fig4 Fig5 使用這種方法，我們可以達(dá)到圖2所示的最佳點(diǎn)。在液體流被分成兩股的地方稱為分支點(diǎn)。這個(gè)圖形有一個(gè)分支點(diǎn)。不過，通過增加分支點(diǎn)的數(shù)量，可以提高優(yōu)化過程中的自由度。每個(gè)分歧都有助于樹型結(jié)構(gòu)。正如上面提到的，樹型結(jié)構(gòu)在構(gòu)形理論是一種常見的形式。 該方法也適用于管殼式換熱器的優(yōu)化。管殼式換熱器類似于一個(gè)雙重管熱交換器管。外殼是類似的雙重管熱交換器的外管。為了推廣這種針對(duì)管殼式換熱器方法，增加換熱器第一部分的管道數(shù)量就足夠了。在這種情況下，如果第一部分有n支管，第二部分將有2n支管，因?yàn)槊總€(gè)管流是在分支點(diǎn)分成兩條支流。在該論文中，使用上面的方法得到的管殼式換熱器稱為構(gòu)形的管殼式換熱器。因此，在構(gòu)形的管殼式換熱器，熱交換器由若干后續(xù)部分（與樹型分支的數(shù)量相同）構(gòu)成，并且各部分管數(shù)量在每個(gè)分支點(diǎn)翻了一番。 然而，建立這樣一個(gè)換熱器，還要對(duì)其進(jìn)行維修和清理污垢，這將是一個(gè)挑戰(zhàn)。為了解決這個(gè)問題，該論文建議我們用串聯(lián)換熱器的方法對(duì)管殼式換熱器的不同部分進(jìn)行設(shè)計(jì)進(jìn)。在這種方法中，一個(gè)雙分支結(jié)構(gòu)的管殼式換熱器是一種具有兩個(gè)串聯(lián)段的換熱器，第二部分的管數(shù)是第一部分管數(shù)的兩倍（圖5）。圖5是一個(gè)構(gòu)形換熱器的示意圖，在本次調(diào)查的審議中這種熱交換器可節(jié)省50%成本。一個(gè)普通的管殼式換熱器和構(gòu)形的管殼式換熱器的相關(guān)方程，會(huì)在下一部分中給出。