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儲蓄罐是進(jìn)行熱交換操作的通用工藝設(shè)備 |
| 發(fā)布時間：2014/4/7 發(fā)布人：管理員 |
儲蓄罐是進(jìn)行熱交換操作的通用工藝設(shè)備,被廣泛運用于各個工業(yè)部門,尤其在石油、化工生產(chǎn)中運用更為廣泛。換熱器分類辦法多樣,依照其作業(yè)原理可分為:直接觸摸式換熱器、蓄能式換熱器和間壁式換熱器三大類,其間間壁式換熱器用量最大,據(jù)統(tǒng)計,這類換熱器占總用量的99%。間壁式換熱器又可分為管殼式和板殼式換熱器兩類,其間管殼式換熱器以其高度的可靠性和廣泛的適應(yīng)性,在長時刻的操作過程中積累了豐厚的經(jīng)歷,其描繪材料比擬完全,在許多國家都有了系列化規(guī)范。近年來雖然管殼式換熱器也受到了新式換熱器的應(yīng)戰(zhàn),但因為管殼式儲蓄罐具有布局簡略、結(jié)實、操作彈性大、運用材料廣等長處,管殼式換熱器當(dāng)前仍是化工、石油和石化職業(yè)中運用的首要類型換熱器,尤其在高溫、高壓和大型換熱設(shè)備中仍占有絕對優(yōu)勢。
關(guān)于完結(jié)某一使命的換熱器,往往有多個挑選,怎么斷定最佳的換熱器,是換熱器優(yōu)化的問題,即選用優(yōu)化辦法使描繪的換熱器滿意最優(yōu)的方針函數(shù)和約束條件。在換熱器描繪中,最優(yōu)方針函數(shù)是指包羅設(shè)備費用和操作費用在內(nèi)的總費用最小。本文首要對準(zhǔn)管殼式水冷卻器冷卻水出口溫度的優(yōu)化問題,使用一般優(yōu)化描繪的原理和辦法,以操作費用最小為優(yōu)化方針,給出相應(yīng)的方針函數(shù),并用MATLAB言語編寫了核算順序,最終給出了一個核算實例。1方針函數(shù)
關(guān)于以水為冷卻介質(zhì)的管殼式冷卻器,進(jìn)口水溫一守時,由傳熱學(xué)的基本原理剖析可知,冷卻水的出口費用將影響傳熱溫差,然后影響換熱器的傳熱面積和出資費用。若冷卻水出口溫度較低,所需的傳熱面積可以較小,即換熱器的出資費用削減;但此刻的冷卻水的用量則較大,所需的操作費用添加,所以存在使設(shè)備費用和操作費用之和為最小的最優(yōu)冷卻水出口溫度。
設(shè)換熱器的年固定費用FA = KF.CA.A (1)式中FA———換熱器的年固定費用,元;KF———換熱器的年折舊率, 1 /y;CA———換熱器單位傳熱面積的出資費用,元/m2 ;A———換熱器的傳熱面積,m2。換熱器的年操作費用FB =Cu•WuHy/1000 (2)式中FB———換熱器的年操作費用,元;Cu———單位質(zhì)量冷卻水費用,元/噸;Wu———換熱器冷卻水用量, kg/h;Hy———換熱器每年運轉(zhuǎn)時刻, h。因而換熱器的年總費用即方針函數(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)處置量, 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,℃。
當(dāng)換熱器操作選用逆流換熱時,則熱平衡方程為Q =Wu cpw ( t2 - t1 ) =GcPi ( T1 - T2 ) = KA& tm (5)式中cpw———冷卻水比熱容, kJ / ( kg•℃) ;
t1、t2———冷卻水的進(jìn)出口溫度,℃;
& tm———對數(shù)平均溫度差,℃。
& tm =( T1 - t2 ) - ( T2 - t1 )/In(T1 - t2/T2 - t1) (6)
由此可得Wu =Q/cpw ( t2 - t1 ) (7)A = Q/K& tm (8)K———總傳熱系數(shù), (m2•h•℃)。將(4)和(6)代入(7)和(8) ,然后再代入(3) ,得F = KFCAGcpi ( T1 - T2 )/cpw ( t2 - t1 )+Cu•HyGcpi ( T1 - T2 )/K{ ln(( T1 - t2 ) / ( T2 - t1 ))}1000 (9)
一般來說,關(guān)于描繪的換熱器, G、T1、T2、t1及Hy均為定值;水的比熱容cpw和熱介質(zhì)的比熱容cpi改變不大,可取為常數(shù); Cu、CA、FA可由有關(guān)材料查得;總傳熱系數(shù)K一般也可由經(jīng)歷斷定,所以換熱器的年總費用F僅是冷卻水出口溫度t2的函數(shù)。當(dāng)F取最小值時,相應(yīng)的t2既為最優(yōu)冷卻水出口溫度,進(jìn)而可由式(7)、(8)得到所需的冷卻水量和最優(yōu)的傳熱面積。3順序描繪
由上面剖析可知,以上問題歸于單變量最優(yōu)化問題。關(guān)于此類問題求解辦法比擬老練,可以用解析法和黃金分割法或函數(shù)迫臨法等數(shù)值辦法求解。這里,采借用MATLAB言語核算,選用其工具箱中Nelder - Mead單純形法函數(shù)fmin2search ( )優(yōu)化,界說TF ( )為方針函數(shù)(9) ,函數(shù)Water ( )、Ar2ea ( )則依據(jù)式(7)、(8)別離用以求傳熱面積A和冷卻水用量Wu。以上剖析雖然是對準(zhǔn)管殼式水冷卻器而得出的成果,因為剖析辦法和傳熱機理類似,關(guān)于其它介質(zhì)的管殼式換熱器只要在公式上稍作變形即可得出類似的定論。因而,對管殼式換熱器問題的優(yōu)化具有必定的普遍性,其求解成果可以作為描繪管殼式換熱器重要依據(jù),然后為節(jié)省生產(chǎn)成本,推進(jìn)描繪的科學(xué)性方面作出相應(yīng)的奉獻(xiàn)。順序清單如 例:某石化公司需將處置量為G = 4×104 kg/h的火油產(chǎn)物從T1 = 135℃冷卻到T2 = 40℃,冷卻介質(zhì)是水,初始溫度t1= 30℃。需求描繪一臺管殼式水冷卻器(選用逆流操作) ,使該冷卻器的年度總費用最小。以知數(shù)據(jù)如下:冷卻器單位面積的總出資費用CA = 400元/m2 ;冷卻器年折舊率KF = 15%;冷卻器總傳熱系數(shù)K = 840 kJ / (m2•h•℃) ;冷卻器每年運轉(zhuǎn)時刻7900h;冷卻水單價Cu = 0. 1元/噸;冷卻水比熱容cpw =4. 184 kJ / ( kg•℃) ;火油比熱容cp i = 2. 092kJ / ( kg•℃)。按以知條件編制數(shù)據(jù),發(fā)動以上優(yōu)化描繪順序,核算成果如表1所示。表1核算成果
5結(jié)束語
本文經(jīng)過對管殼式換熱器傳熱機理的剖析,導(dǎo)出了管殼式換熱器以年度總費用為方針函數(shù)的優(yōu)化描繪公式,使用MATLAB言語編制了相應(yīng)的核算順序并給出了一個核算實例。可以看出,優(yōu)化描繪作為一種現(xiàn)代描繪辦法,理論上科學(xué)、嚴(yán)厲,將其合理地運用于管殼式換熱器的描繪必將推進(jìn)傳統(tǒng)描繪觀念的前進(jìn),其核算成果可作為管殼式換熱器機械描繪的重要參數(shù)。 |
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