管壳式换热器的优化设计

赖家凤（北京华福工程有限公司天津分公司，天津 300000）

换热器结构的优化与多参数耦合有着密切的关系，其有别于传统的优化方式，是将换热器单个性能所涉及的相关因素呈现为目标函数，并将对应换热器性能所涉及到的因素中换热面积与换热过程压降损失选为主要的优化对象，基于湿空气和水热交换为具体条件，获得管壳式换热器的最优化设计方法。

1 管壳式换热器概论以及设计流程

换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备，是在石油、化工、石油化工、冶金、电力、轻工、食品行业普遍应用的一种工艺设备，在炼油、化工装置中换热器占总设备的40%左右，占总投资的30%-45%。目前，在换热器设备中，使用量最大的是管壳式换热器。

本文是基于管壳式换热器，其壳程流体为水，管程流体为湿空气。由于管程出口湿空气特殊性需求——达到换热温度的要求，且把对应压降控制在其允许的范围之内。同时，换热器的相关试验环境需要充分的满足相关的换热条件之后才能提升其换热效率的，合理的减少换热面积。该情况是需要充分考虑换热器的换热面积和其压降损失状况，而换热器传统的优化方式对某单项的对应指标不能满足高效的需求。因此，对换热器提出一种新型的优化及评估方法显得尤为迫切，使换热效率以及压降损失等因素更好的得以统筹，以便实现换热器的合理优化。

1.1 管壳式换热器概论

管壳式换热器具备结构简单且牢固、操作弹性较大以及应用材料广泛等特性，现阶段仍是化工、石油以及石化行业中所运用的一种重要的热交换器，特别适用于高温、高压工况，甚至在较大型的换热设备中它也具有很大的应用优势。涉及换热器的性能因素很多，比如传热系数、换热面积、压力降、泵送功率等等。一般换热器的优化方式仅是针对经济成本、换热面积以及压降耗损其中的某一项展开优化。在对换热器性能所涉及的多个因素进行优化时，发现传统的优化方式不可避免地存在的其局限性。

1.2 目标函数

本文中，管壳式换热器壳程是以水为介质，在其进口的水温一定时，由传热学原理可得出，冷却水出口的温度会影响换热器传热面积以及该换热设备的投资费用。冷却水的出口温度低时，其需要的传热面积就会相对较小，也就是换热器投资费用会相对减小。不过这时冷却水用量就会提高，其需要的相关操作费用也会提升，因此，为保证设备费用与操作费用之和是为最小值时，需对换热器优化设计，使其冷却水出口温度合理。

1.3 设计流程

管壳式换热器的设计是由诸多因素相互关联的、多参数相互影响的，因此设计过程复杂。本文中壳程流体放热将管程内的湿空气加热至指定的温度。由于其工况的特殊性，分析了相应优化过程，发现其忽视了壳程的流体传热膜系数和壳程压降对换热器的影响，因此，换热器优化的前提是要求设备的实际传热面积大于其理论计算值。而且，相应管程压降损失应小于压降的最大允许值。

2 换热器经济性分析与优化计算

通常情况下，利用换热器回收运用热能或者是实行工艺过程加热，其所带来的年经济收益和换热器的相关换热量及年运行时间成正比例关系。

换热器的年总费用主要是固定的投资费用以及运作费用、热损失费用，为了有效的简化计算，把换热器最初的投资费用、折旧费用、维修费用、配套工程费用等固定的相关费用均用单位的传热面积费用来表示。

3 换热器压降分析

虽然湿空气和水换热的过程对壳程压降要求较低，但仍要考虑管程流体所存在的压力损失。低压工况下，管程压降与直管的摩擦阻力压降为主，此时湿空气压降最大，所以压降损失小于其最大允许值就显得尤为关键。当然，在高压时也应符合此要求。

4 程序设计

上面所分析的相关问题均是属于单个变量最优化，该类问题的求解方式也算是较为成熟，可以运用解析法以及黄金分割法和函数逼近法等数值方式对其进行求解。在这里我们是运用MATLAB语言计算，应用工具箱中的Nelder-Mead单纯形法函数进行优化。上述分析是针对管壳式水冷却器而得出的结论，而由于分析方法及传热机理的相似，对其他不同换热介质的管壳式换热器的优化也具有一定普遍的，其对应的求解结果可以是设计管壳式换热器的关键依据，进而能够合理的节约生产生本，以便于促进设计科学化进程。

5 实际算例

本文以管程为湿空气，壳程为水的管壳式换热器为例，对换热水器结构的进行参数优化设计。其对应的热负荷为863W，进出口处的对数平均温差是3.17K，湿空气体积的流量是66.7L/s，设计要求最小压强为300Pa，所涉及换热器的的最大压降不超过15Pa。

6 结语

本文是以湿空气和水为换热介质，对管壳式换热器进行优化设计。在限定管程的压降状态下，该换热器能够呈现换热器的体积最小，并且，还能综合考虑换热器的传热面积以及压降损失，并合理地统筹兼顾两者，极大地提高了传热效率，压降控制的成效显著。

[1]刘宏,魏新利.管壳式换热器的优化设计[J].机械强度,2012（10）.

[2]杨明,孟晓风,张卫军.管壳式换热器的一种优化设计[J].北京航空航天大学学报,2013（5）.