對(duì)于完成某一任務(wù)的換熱器,往往有多個(gè)選擇,如何確定的換熱器,是換熱器優(yōu)化的問(wèn)題,即采用優(yōu)化方法使設(shè)計(jì)的換熱器滿(mǎn)足的目標(biāo)函數(shù)和約束條件。在換熱器設(shè)計(jì)中,目標(biāo)函數(shù)是指包括設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用在內(nèi)的總費(fèi)用。同時(shí)，該裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)輸方便，占地面積小，安裝場(chǎng)地靈活的特點(diǎn)。本文主要針對(duì)管殼式水冷卻器冷卻水出口溫度的優(yōu)化問(wèn)題,利用一般優(yōu)化設(shè)計(jì)的原理和方法,以操作費(fèi)用為優(yōu)化目標(biāo),給出相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù),并用MATLAB語(yǔ)言編寫(xiě)了計(jì)算程序,后給出了一個(gè)計(jì)算實(shí)例。

1目標(biāo)函數(shù)

　　對(duì)于以水為冷卻介質(zhì)的管殼式冷卻器,進(jìn)口水溫一定時(shí),由傳熱學(xué)的基本原理分析可知,冷卻水的出口費(fèi)用將影響傳熱溫差,從而影響換熱器的傳熱面積和投資費(fèi)用。若冷卻水出口溫度較低,所需的傳熱面積可以較小,即換熱器的投資費(fèi)用減少;但此時(shí)的冷卻水的用量則較大,所需的操作費(fèi)用增加,所以存在使設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用之和為的冷卻水出口溫度。管子受熱時(shí)，管束連同浮頭可以沿軸向自由伸縮，完全消除了溫差應(yīng)力。

　　設(shè)換熱器的年固定費(fèi)用FA = KF.CA.A (1)式中FA———換熱器的年固定費(fèi)用,元;KF———換熱器的年折舊率, 1 /y;CA———換熱器單位傳熱面積的投資費(fèi)用,元/m2 ;A———換熱器的傳熱面積,m2。換熱器的年操作費(fèi)用FB =Cu?WuHy/1000 (2)式中FB———換熱器的年操作費(fèi)用,元;Cu———單位質(zhì)量冷卻水費(fèi)用,元/噸;Wu———換熱器冷卻水用量, kg/h;Hy———換熱器每年運(yùn)行時(shí)間, h。這樣，流體一次只能通過(guò)一部分管子，因此在管束中多次來(lái)回傳播，這被稱(chēng)為多管。因此換熱器的年總費(fèi)用即目標(biāo)函數(shù)F = FA FB = KFCAA Cu?WuHy/1000 (3)2A與Wu的數(shù)學(xué)模型———熱平衡方程換熱器的熱負(fù)荷為Q =GcPi ( T1 - T2 ) (4)式中Q———換熱器的熱負(fù)荷, kJ /h;G———換熱器熱介質(zhì)處理量, kg/h;cpi———熱流體介質(zhì)比熱容, kJ / ( kg?℃) ;T1、T2———熱流體的進(jìn)出口溫度,℃。

管殼式換熱器

流體每通過(guò)管束一次稱(chēng)為一個(gè)管程；每通過(guò)殼體一次稱(chēng)為一個(gè)殼程。圖示為的單殼程單管程換熱器,簡(jiǎn)稱(chēng)為1-1型換熱器。為提高管內(nèi)流體速度,可在兩端管箱內(nèi)設(shè)置隔板，將全部管子均分成若干組。

這樣流體每次只通過(guò)部分管子，因而在管束中往返多次，這稱(chēng)為多管程。同樣，為提高管外流速，也可在殼體內(nèi)安裝縱向擋板，迫使流體多次通過(guò)殼體空間，稱(chēng)為多殼程。多管程與多殼程可配合應(yīng)用。

管殼式換熱器由于管內(nèi)外流體的溫度不同，因之換熱器的殼體與管束的溫度也不同。如果兩溫度相差很大，換熱器內(nèi)將產(chǎn)生很大熱應(yīng)力，導(dǎo)致管子彎曲、斷裂，或從管板上拉脫。

因此，當(dāng)管束與殼體溫度差超過(guò)50℃時(shí)，需采取適當(dāng)補(bǔ)償措施，以消除或減少熱應(yīng)力。

殼程結(jié)構(gòu)

折流板

折流板的作用

a）增加殼程管間的介質(zhì)流速，提高傳熱效果。

b）對(duì)換熱管起支承作用。

c）調(diào)整折流板間距，對(duì)避免管束誘發(fā)振動(dòng)有一定的作用。

折流板的形狀

常用的折流板和支持板的形狀有弓形和圓盤(pán)-圓環(huán)形兩種。此外根據(jù)需要還有其它形式的折流板和支持板，如矩形孔圓板和矩形擋板等，見(jiàn)圖所示：

a） 單弓形折流板（圖 a）：是常采用的一種形式，其形式簡(jiǎn)單，但壓降較大。

1) 上下排列（水平切口）即指物料進(jìn)口與弓形缺口是成垂直設(shè)置的，以造成介質(zhì)的劇烈擾動(dòng)來(lái)增大傳熱系數(shù)。

2) 左右排列（豎直缺口）是指物料進(jìn)口與弓形缺口是成平行設(shè)置的。多用于臥式冷凝器或蒸發(fā)器，便于冷凝液和氣體的流動(dòng)。

3) 轉(zhuǎn)角排列，一般用于換熱管正方形排列，可使流體形成湍流，以提高傳熱效率。

b） 雙弓形（圖b）和三弓形折流板（圖c）：適用于殼程流量較大的物流，或殼程流體為密度低的低壓時(shí)，此時(shí)壓降會(huì)有大的下降，而傳熱系數(shù)的下降要小得多；同時(shí)這種形式還有利于防止介質(zhì)流動(dòng)過(guò)程中誘發(fā)的振動(dòng)。

c）圓盤(pán)—圓環(huán)形折流板（圖d）：由圓盤(pán)和圓環(huán)交錯(cuò)排列，介質(zhì)流動(dòng)特征是與軸心對(duì)稱(chēng)。

d）矩形折流板（圖e）：矩形折流板可橫放，也可豎放，而橫放一般用于殼程介質(zhì)為氣相時(shí)，豎放用于殼程介質(zhì)為液相或有冷凝液的場(chǎng)合。這兩種形式通常在大直徑和大流量情況下采用。