管翅式换热器优化设计方法较为详细的表述.docx

管翅式换热器性能及结构综合优化的热设计方法
陈维汉周飚
华中科技大学能源与动力工程学院
摘要：本文给出一种由翅片（或肋片）管组成的管翅式换热器的优化设计新方法。该方法的理论依据是给定换热器结构材料而使的换热量最大的两侧换热表面的最佳匹配准则和两侧流体流动换热过程最佳的结构尺寸准则，以及使可用能损失率最小的最佳运行参数准则。利用三个准则间的关系，采用迭代方式完最终成换热器的优化设计。这样的设计方法能使换热器的设计达到材料省、换热效果好与运行费用低的目的，且能在设计阶段实现。
关键词：管翅式换热器、换热表面间的最佳匹配准则、换热过程最佳结构参数准则、换热过程可用能损失率分析、考虑综合性能的优化设计法
图书分类号：TK124
1引言
管翅式换热器是广泛应用的热交换设备之一。它常常应用在两侧流体的换热性能相差甚大的情况下，通常是以管外侧安装翅化表面来减小换热性能较差流体的换热热阻，而换热性能较好的流体在管内流动仍然保持较小的换热热阻，从而达到整体增强换热器传热效果的目的。对于这样的换热器，如何去设计和运行是摆在工程技术人员面前的首要问题。对于换热表面的设计，传统的做法是力求使两侧的换热热阻相同以获得最大的传热效果，这是等热阻匹配原则[1]。这种认识如果从投资成本上来考虑，就是十分不可取的办法。本文作者曾针对这一问题进行过专门的分析，导出了在给定投资费用（或换热面材料）的前提下两侧换热表面的最佳匹配关系式，即换热面积之比与其换热性能比和投资费用比之间的平方根关系式，这是平方根原则[2]。按这种原则设计换热面就能达到单位传热量的投资成本最低，从而实现结构设计的优化。同时，换热器设计的另一个问题是流动参数的设计。传统的做法是以不超过允许的阻力损失为最后标准来选取流动参数。这种做法人为因素的影响很大。正确的办法是以单位传热量可用能损失率最小为目标来寻求流动参数的最佳值[3]。这样就能实现单位传热量的运行费用最低，从而使流动参数的设计得以优化。最后，当要确定换热器尺寸时，翅片管管长和管排数目可以分别针对各自换热过程以给定材料换热量最大导出最佳结构参数来确定[4，5]。综合结构参数与流动参数的优化设计，就可以完成管翅式换热器的综合性能优化设计的工作。
综合性能优化设计的具体做法是，选定换热器的结构形式、翅片管的结构参数、及流动类型，以可用能损失率最小为目标首先确定管内流体的最佳流动参数，且以此计算出最佳的换热性能参数，同时可以计算出最佳的管长管径比这也就定下了管内流体流动方向上的尺寸；再设定安装翅片的管外侧（即肋化侧）换热性能参数以换热表面最佳匹配关系确定换热器两侧换热表面积的比值，以此计算出安装翅片一侧的结构尺寸，进而可对其进行可用能分析而得出最佳流动参数并由此计算出换热性能参数；以新得到的换热性能参数取代设定值重复以上的计算，直至前后两次相差甚小而得出收敛的结果；在翅化表面一侧的结构参数以收敛结果确定之后，以最佳的流动参数计算出最佳的管排数，以此就能定下管外流体流动方向上换热器的结构尺寸；还有一个方向上的尺寸由传热量及传热温差来确定。经过这样的设计计算步骤就能达到管翅式换热器的结构参数与流动参数的同时优化，从而做到设计的管翅式换热器具有结构（成本）省、运行费用低而换热性能佳的良好性能。下面将具体对优化方法进行讨论。
2换热器传热过程综合性能分析评价准则
为了介绍管翅式换热器优化设计方法，对其涉及到的传热过程的优化分析理论基础有一个基本了解是必要的。这里将作者导出的传热过程两侧换热表面积的最佳匹配关系式、换热过程的可用能损失率关系式和结构参数优化的关系式作一个简单的介绍。
2.1传热过程的换热表面最佳匹配准则[2]
A
A1
A2
α1
α2
ρ1u1
ρ2u2
图1换热器传热过程示意图

对于如图1所示的充分简化的换热器的传热过程而言，投资费用与换热面的结构特征相关，而结构特征又与传热性能密不可分。因此，我们就能够从换热器传热过程的传热方程和投资费用方程出发导出换热器换热表面与换热性能之间的最佳匹配关系式。
对于如图所示的换热器传热过程，其传热方程可用热阻形式表达如下：
， (1)
而换热表面的投资费用方程，则可表示为：
。 (2)
在以上两式中：R为传热过程的总热阻；Pt为传热表面的投资费用；分别为换热器两侧的换热系数、单位表面的费用和换热表面积。将（2）式代入（1）式可得：
。 （3）
对（3）式求A1的导数并令其为零，有
,
再用（2）式消取上式中的Pt，经整理得出：
。 （4）
上式即为换热器两侧换热性能和投资单价不随换热表面而改变情况下的换热表面随换热性能和投资单价变化的关系式，可称之为传热过程的换热表面最佳匹配准则或最佳结构匹配准则。这里令，它们分别表示换热器两侧的换热