换热器入口段结构优化设计探析

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板翅式换热器的结构优化

板翅式换热器的结构优化

板翅式换热器的结构优化发布时间:2022-05-23T06:19:33.456Z 来源:《中国科技信息》2022年第2月第3期作者:倪艮丹[导读] 板翅式换热器是一种高效、传热效率高的换热设备。

由于结构紧凑倪艮丹杭州中泰深冷技术股份有限公司 311400摘要:板翅式换热器是一种高效、传热效率高的换热设备。

由于结构紧凑,重量轻,成本低。

它还具有提高传热表面利用率,减少整个换热器与周围环境之间的交换的优点。

板翅式换热器因其诸多优点而得到广泛应用。

目前,我国板翅式换热器的设计方法工作量大,可靠性低。

下面本文讨论了如何优化板翅式换热器的结构。

关键词:板翅式换热器;流量分配;理论模型;数值计算;结构优化1板翅式换热器结构概述自1930年Marston Excel Sior公司首次开发板式翅片换热器以来,经过80多年的发展,已得到广泛应用。

由于其传热效率高、适应性强、制造工艺复杂,国内外对其进行了理论分析、实验研究、优化设计、工艺改进和新材料应用等方面的研究。

板翅式换热器是最先进的换热设备之一,在我国,体积小,重量轻,高热效率,耐用性、适应性强的优点,设计成在传热管壳式换热器传热面积10倍以上的条件下,每单位体积的流体和传热面积相同,仅管壳式换热器的重量为15-20%,可用于各种介质(气体和气体,气体和液体,液体和液体)、传热和相变凝结和蒸发,因为它的许多优点,已广泛应用于空气分离、石油化工、航空航天、电子等领域,原子能,导弹、车辆、船只(燃气轮机)、动力机械、机床、冶金、油冷却器制冷,而热能的利用,余热的回收利用,在较低的原材料成本和一些特殊用途下取得了显著的经济效益,传统设计方法的板翅式换热器是首选,冷却介质的流动和换热面,然后假设几何尺寸进行多次试验,直到满足换热器的所有约束条件,称为试验误差。

换热器由该方法设计的质量通常依赖于设计者的经验,工作量很大,和解决方案只有一个可行的解决方案,而非最优解随着科学和技术的发展。

浅析管壳式换热器结构优化设计

浅析管壳式换热器结构优化设计

浅析管壳式换热器结构优化设计摘要作为一种应用宽广、普及面大的压力容器,以及作为工业换热设备里面的一个最为基础的构建,管壳式换热器在工业中极为常见。

谈及管壳式换热器结构优化,其涉及问题较多,而其最基本的问题是多参数的耦合。

本文在以上认识基础上,对管壳式换热器的传热和压降模型进行分析,进一步分析出管壳式换热器设计的最优化结果,以此找到管壳式换热器的结构设计上最优化的方案,这个方案对管壳式换热器的体积、换热过程、降压损失等都进行了全面的考虑。

关键词管壳式换热器;优化;换热;设计;模型1管壳式换热器结构及原理管壳式换热器,其英文为shell and tube heat exchanger,也称为列管式换热器。

其工作原理是在一个封闭的、管壳形状的空间里面传热,其设计结构较为简洁,并且操作简单方便,一般使用金属材料进行制造,能够在高温、高压的环境下使用,并且应用面广泛,普及面较大。

管壳式换热器的组成主要是壳体、传热管束、管板、挡板、管箱等部件。

一般而言,壳体即外形主要是圆筒形,在圆筒形内部设计有固定在管板上面的管束,而冷热两种流体就分别在管束内和管束外流动,在管内流动的按照惯例称为管程流体,在管束外流动的按照惯例称为壳外流体,其意思是在管壳一面流动。

一般而言,管壳式换热器的壳外流体传热分系数要想提高,就会增加管壳里面的挡板数量,数量家多的挡板能够有效加速壳层流体的速度,相应增加了流体的湍流程度。

在管壳式换热器内部,管束每经过一次流体惯例称为一个管程,外壳每经过一次流体惯例称为一个壳程,而在管箱内增加隔板,会让流体在管束里面进行多次往返,惯例成为称为多管程;在壳体内设计增加挡板,也会让流体在壳体空间中进行多次往返,惯例称为多壳程。

根据需要,可以对多管程和多壳程搭配使用,提高使用效率,达到需要的效果。

2管壳式换热器结构优化设计原理与方法研究2.1Colburn Donohue 法管壳式换热器较为复杂的部分主要集中在其壳侧部分,在壳侧部分的传热、流动,其原理、过程都相对复杂,因此对管壳式换热器的壳侧的传热、降压计算尤其需要投入更大的关注。

面向封头流动不均匀性的板翅式换热器通道布局优化设计

面向封头流动不均匀性的板翅式换热器通道布局优化设计

268化工机械2021年面向封头流动不均匀性的板翅式换热器通道布局优化设计彭翔“高启龙1(1.浙江工业大学机械工程学院;2.浙江大学机械工程学院)摘要通道布局优化是改善入口流动不均匀性对板翅式换热器传热性能恶化效果的有效手段。

建立了基于积分平均温差法的换热器热力学计算模型,提出了基于粒子群算法的考虑封头流动不均匀性的通道布局优化设计方法。

结果显示,进入翅片区域的流体质量流量的平均值越低、标准差越高,通道布局优化设计对换热器的热补偿效果越明显。

关键词板翅式换热器流动不均匀性通道布局优化设计中图分类号TQ051.5文献标识码A 板翅式换热器由封头、导流片及多层翅片等组成。

换热器设计是一个进行封头入口段流动分析和多层翅片组成的换热区域热力学设计的综合过程[I]O通过入口段结构与流动的关联分析确定的圭寸头出口流动不均匀性,会导致进入换热区域的冷热流体的流动分布不均匀,对换热区域的通道布局优化和翅片结构优化设计产生严重的恶化影响。

为了改善封头入口段流动不均匀性,国内外研究学者在传统瓜皮式封头结构的基础上,提出了一系列改进封头结构。

Ismail L S等构建了带隔板的多种封头结构,进行了理想和实际工况下的压降分析计算[2]o王少华等提出了一种新型导流翼封头结构,通过仿真优化确定流动均匀性最好的结构参数为导流翼角70。

、翼片顶端安装距离6mm[3]o李焱等提出了一种“先分配,后混合”的气液两相分配封头,数值模拟结果显示新封头结构使流动不均匀度下降了一个数量级⑷。

虽然这些改进封头结构减少了封头出口流动不均匀性,但无法彻底消除封头流动不均匀性,在换热区域的设计中仍需考虑封头流动不均匀性的影响。

换热区域的冷热流体换热效果是衡量板翅式换热器性能的关键。

国内外学者提出了一系列文章编号0254-6094(2021)02-0268-07通道布局优化方法改善换热均匀性,减少换热损失。

Zhou Y Y等提出了一种基于熵产最小化原理的板翅式换热器优化设计方法,优化分配冷热通道间传热面积,确定翅片高度和翅片间距的最优值[5]。

基于大直径固定管板式换热器结构优化设计分析

基于大直径固定管板式换热器结构优化设计分析

基于大直径固定管板式换热器结构优化设计分析摘要:大直径下的固定管板式换热器广泛应用于电力、轻工业、石油业等行业。

换热器的应用是工业中最重要的设备,通过固定管板式换热器的应用发现可以利用换热器的高低温度带来良好的经济效益。

但是固定管板式换热器在进行检修和清洗的过程中比较麻烦,本文通过换热器的分类结构进行了相应的分析,只有固定管板式换热器换热器的内部结构不断得到优化实施,内部的结构得到优化实施后,才可以有效的提高在企业的应用,给企业带来良好收益的同时,也稳定了企业内部的发展。

关键词:换热器;固定管板式换热器;结构1换热器的分类1.1固定管板式换热器Gardner于1948年提出等效实心管板理论,等效实心管板理论的提出极大程度上提升了换热器的应用。

固定管板式换热器的工作原理是运用了材料之间互相传递热量的结构进行传递的,换热器是由外表的壳体与两端的管板组合而成,换热器的构造结构比较简单,制造材料的应用易获取,其成产制造成本低,在进行清洗的过程中,由于结构简单,清洗能力也是比较方便的。

广泛应用于电力、轻工业、石油业等行业的应用,通过固定管板式换热器的应用发现可以利用换热器的高低温度带来良好的经济效益。

但是固定管板式换热器在进行检修和清洗的过程中比较麻烦,其温差之间也受到极大的限制。

固定管板式换热器换热器的内部结构不断得到优化实施,只有内部的结构得到优化实施后,才可以有效的提高在企业的应用,给企业带来良好收益的同时,也稳定了企业内部的发展。

1.2U型管换热器U型管换热器的结构特点相对于来说还是比较简单的,它的结构只有一块管板,管板在生产的过程中,形状呈现U型的形状,在管板的两端制定同一块短板上,它的管束是可以自由伸缩的,这种结构的设计极大程度上减少了材料的使用,U型管换热器的表面密封度少,在后期运行的过程中有极其稳定的性能。

它的缺点就是在它的外形的形状上,在清洗U型管换热器的过程中,由于它形状呈现U型的形状,在进行清洗的过程中,造成不易清洗的困难,因此,使用率造成不断的降低。

供热系统中的换热器设计与优化研究

供热系统中的换热器设计与优化研究

供热系统中的换热器设计与优化研究随着城市发展和人们对生活质量要求的提高,供热系统在冬季供暖中起着至关重要的作用。

作为供热系统中的核心部件,换热器的设计和优化对整个供热系统的能源效率和运行稳定性具有重要影响。

本文将讨论供热系统中的换热器设计与优化的研究。

首先,我们将讨论换热器的设计。

换热器的设计主要包括换热区域的尺寸和结构、流体路径和传热性能等方面。

在换热区域的尺寸和结构方面,设计师需要考虑供热系统的需求和运行条件,确定换热器的尺寸和形状。

此外,还需要考虑材料的选择,以确保换热器能够承受高温和压力。

在流体路径方面,设计师需要尽可能减少流体的阻力和压降,以提高换热效率。

在传热性能方面,设计师需要考虑换热器的传热面积、传热系数和温度差,以确保换热器能够有效地传热。

其次,我们将讨论换热器的优化。

换热器的优化旨在提高换热器的效率和性能。

在供热系统中,换热器的效率直接影响到系统的能源消耗和运行成本。

因此,提高换热器的效率是供热系统优化的关键。

为了提高换热器的效率,可以采取以下几种方法。

首先,通过改变换热器的设计参数,例如增加传热面积、改变流体路径等,来提高换热器的传热性能。

其次,可以使用先进的材料和技术来提高换热器的传热效率。

例如,使用高导热材料和表面改性技术来增加传热面积和传热系数。

此外,还可以使用先进的控制策略和设备来优化换热器的运行。

例如,使用智能控制系统来监测和调节换热器的运行状态,以最大限度地提高换热器的效率和性能。

此外,换热器的清洁和维护也是非常重要的。

由于供热系统中的水含有大量的杂质和水垢,换热器很容易受到污染和堵塞,从而导致换热效率下降。

为了保证换热器的正常运行和长期稳定性,必须定期进行换热器的清洁和维护。

清洁和维护换热器可以采取以下几种方法。

首先,可以使用化学药剂来清除换热器内的水垢和污染物。

其次,可以定期对换热器进行检查和维修,以确保其正常运行。

此外,还应定期更换换热器的密封件和防腐蚀涂层,以延长换热器的使用寿命。

探析电厂热网加热器的优化设计

探析电厂热网加热器的优化设计

探析电厂热网加热器的优化设计文章提出了一种新型的热网加热器设计,将新型热网加热器与传统结构的热网加热器进行对比,阐述了新型热网加热器的特点,保证新型换热器的性能和使用安全。

标签:新型热网加热器;,优化设计;设计计算1 热网加热器的设计参数2 新型换热器结构设计2.1 热网加热器结构选型热网加热器主要利用汽轮机或锅炉引来的蒸汽(加热介质)来加热热水供应系统里的循环水,作为热网系统的关键设备,传统结构上一般采用管壳式换热器。

而列管式换热器中,以U形管换热器和固定管板式换热器较为普遍。

对比U形管换热器,U形换热管的布管相比并不均匀,抗震性能不好,坏管率相比直管要高。

而固定管板式换热器,管程清洗方便,换热管损坏时更方便堵管或更换。

所以新型热网加热器的结构选择在固定管板式换热器结构的基础上进行优化设计。

2.2 水室设计考虑热网加热器的实际运行环境,选用椭圆形封头水室,封头顶部设置HG/T521521标准人孔,同时在水室内设置分程隔板,分程隔板上设有把手,以便于设备的清洗与维护[1],为了保证水室的使用寿命,在分程隔板均设有加强筋,避免在循环水长期的冲蚀下,分程隔板发生变形,影响设备的正常运行。

分程隔板的位置取决于换热器的实际布管情况。

2.3 管束的设计2.3.1 换热管的选择换热管通常选取不锈钢材质和碳钢材质,对比在相同的换热面积下进行设计,满足设计要求的碳钢管为:19x2.0,不锈钢焊接换热管为19x0.9,选用不锈钢换热管的管束重量将比碳钢管换热管重量减少51%左右。

其次,根据国内大型热网加热器的运行使用情况来看,不锈钢换热管的运行情况最好[2]。

综合考虑设备的运输,运行维护成本,以及使用寿命等因素,不锈钢焊接管为优先选择。

2.3.2 换热器布管在蒸汽入口侧,考虑蒸汽入口侧流量较大,同时按照GB/150.3-2011不另行补强的最大开孔直径要求,选择在壳程筒体上开有两个蒸汽抽气孔。

这样做的优点在于简化了筒体的结构,增加了蒸汽的流通面积,而且便于设备的清洗与维护。

换热器设计与优化研究

换热器设计与优化研究

换热器设计与优化研究随着现代工业的发展,许多生产活动需要进行能量转换,而换热器便成为了其中极其重要的一环。

换热器可用于各种领域,例如化学工业、石油炼制、航空航天、发电、核技术等。

换热器的主要功能就是将热能从一个介质传递到另一个介质,以满足不同介质的不同需求。

因此,换热器的设计和优化至关重要。

换热器的设计是一个以热量传递为基础的工程学问题,其设计目的是在满足一定传热面积和传热系数的条件下,使得传热介质在换热器内得到最佳的物质和能量利用。

换热器的设计涉及到许多参数,例如:介质的温度、流量、粘度等,换热器的传热系数、传热面积、传热方式、材料特性、流体状态等。

这些参数之间的相互关系非常复杂。

因此,在设计换热器时需要考虑许多因素,并且对于不同的领域,更是需要根据具体的需求来设计换热器。

在设计换热器时,首先需要确定传热方式。

常见的传热方式有自然对流传热、强迫对流传热和辐射传热。

不同的传热方式对换热器的设计有着不同的影响。

例如,在流动性差的介质中,自然对流传热通常比较有效。

而在流动性较好的介质中,强迫对流传热则更加适用。

另外,热交换器的传热面积也是设计的关键之一。

传热面积的大小直接影响到传热效率。

在设计过程中,需要根据传热流体的流量和温度等参数来计算所需的传热面积。

此外,在确定传热面积时还需要考虑工程成本等因素,以便在设计过程中实现经济优化。

换热器的传热系数也是设计过程中需要考虑的关键因素之一。

传热系数取决于介质的物理属性、流动方式、流量等因素。

为了提高换热器的传热效率,需要通过设计合理的流动状态、增加传热表面积、提高介质的流速、修改传热器结构等措施来提高传热系数。

除了这些参数之外,换热器的材料选择也非常重要。

通常,换热器需要在各种不同的工况下进行运行,因此需要根据具体的应用场景来选择材料以确保其稳定性和耐腐蚀性。

不同的材料会对传热效率产生不同的影响,因此需要在设计过程中权衡各种因素以选择最适合的材料。

在设计换热器的过程中,经常需要进行优化,以确保该换热器在不同的工作条件下都能够达到预期的效果。

板式热交换器的优化设计与分析

板式热交换器的优化设计与分析

板式热交换器的优化设计与分析板式热交换器是一种高效、节能的传热装置,广泛应用于化工、电力、冶金、食品、制药等领域。

其工作原理是将热源流经一个板式热交换器内部的多个通道,并与传导介质进行热交换,将热量传递至冷源,从而达到传热的目的。

板式热交换器的优化设计与分析,可以实现其更好的效率和可靠性。

一、流体动力学模拟板式热交换器内部的流动状态对于热交换效率具有重要影响。

对于板式热交换器的设计和分析,需要进行流体动力学模拟,以掌握热流、压降等参数的分布情况。

这需要借助计算流体力学(CFD)软件进行模拟,以模拟流体在热交换器内部的流动情况。

在进行流体动力学模拟时,需要考虑流体所处的状态、流速、流量等因素,并进行相应的计算。

通过热交换器内部的流动模拟,可以分析流体的流动路径、速度、压降等参数的分布情况。

同时,还可以对流体内部的传热效率进行分析,以实现板式热交换器的优化设计。

二、热传递特性分析热传递特性是板式热交换器的核心指标之一,其决定了热交换效率的高低。

要充分利用板式热交换器的热传递特性,需要从几个方面进行优化设计:1. 流量优化流量是决定热交换器传热效率的关键因素之一。

在板式热交换器中,生产流量和管束流量之间的差异会影响其热传递特性。

因此,在板式热交换器仪表的帮助下,应对其流量进行监测,以实现热交换器的流量优化。

2. 换向器位置优化换向器的位置对于热传递特性也有一定影响。

在板式热交换器的设计中,应根据实际工艺要求,确定换向器的位置,以保证其效率和稳定性。

3. 径向流形态优化板式热交换器中的径向流形态也会影响其热传递特性。

在优化设计过程中,应关注细节,对热交换器内部的径向流进行合理的限制和调整,提高其传热效率。

三、板式热交换器内部灰积堵塞问题在使用过程中,板式热交换器内部会出现灰积堵塞问题,这会大大影响其传热效率和使用寿命。

灰积堵塞主要是指在内部壁面和管束内部积聚的污垢,它们会影响热交换器内部的流动状态和热传递效率。

高性能换热器设计与优化

高性能换热器设计与优化

高性能换热器设计与优化换热器是一种用于加热或冷却流体的设备,广泛应用于工业生产、能源系统和空调等领域。

高性能换热器的设计与优化是提高设备性能和效率的关键。

本文将探讨高性能换热器的设计原则、常见问题及其优化方法。

高性能换热器的设计考虑因素较多,其中包括换热效率、紧凑性、流动阻力、材料选择等。

首先,换热效率是衡量换热器性能的重要指标。

通过增加传热表面积和改善流体流动方式,可以提高换热效率。

例如,增加热交换管的数量和长度,采用增强换热片或管子的内部结构,都可以增加传热表面积,从而提高换热效率。

其次,紧凑性是换热器设计的另一个重要考虑因素。

在有限的空间内实现高效的换热是挑战性的。

为了实现紧凑性,可以采用一些设计手段,如采用多流通道、采用波纹管或薄膜技术、增加管子的内部通道,以增加流体流动的路径,从而提高换热效果。

流动阻力是流体在换热器内部运动过程中所遇到的阻力,也是影响换热器性能的重要因素之一。

在设计过程中需要平衡换热效率与流动阻力之间的关系。

如果流动阻力过大,会导致能源的浪费和系统压力的增加,从而影响设备性能。

为了降低流动阻力,可以采用一些优化措施,例如增加流道的宽度、设计合理的角度和弯曲半径,减小局部流动的阻力。

此外,材料的选择对于换热器的性能和耐久性也起着重要的作用。

常见的材料包括金属和非金属材料。

金属材料具有良好的导热性和机械强度,但在一些特殊工况下可能受到腐蚀和腐蚀疲劳的影响。

非金属材料具有耐腐蚀性和良好的绝缘性能,但其导热性和机械强度较差。

因此,在选择材料时需要综合考虑使用环境、工作压力和温度等因素。

在实际应用中,有一些常见的问题需要特别关注和优化。

首先,换热器内部的污垢和结垢可能会降低换热效率,增加流动阻力。

因此,定期清洗和维护换热器是必要的。

其次,换热器内部的冷凝水和冷却液可能会导致腐蚀和腐蚀疲劳。

因此,适当的防腐措施和材料选择是必要的。

为了进一步优化高性能换热器的设计,可以采用一些先进的技术和工具辅助设计。

高效换热器设备的设计与优化方法探析

高效换热器设备的设计与优化方法探析

高效换热器设备的设计与优化方法探析摘要:换热器作为热力设备中的重要组成部分,在工业生产和生活中发挥着关键的作用。

为了提高换热器的热效率和传热效果,设计与优化方法的研究成为了热工学领域的热点和难点问题。

本文将详细探析高效换热器设备的设计与优化方法,包括换热器的结构设计、传热面积的优化、流体流动形式的优化等方面的内容,并对当前面临的挑战和未来的发展方向进行了展望。

1. 引言高效换热器设备的设计与优化是为了提高热能利用效率和降低能源消耗,在工业生产和生活中具有重要的意义。

换热器通过两种或多种介质之间的热传递来实现能量的转移和利用,广泛应用于电力、石化、制药、冶金等领域。

因此,研究高效换热器设备的设计与优化方法对于提高工艺效率、降低能源消耗具有重要意义。

2. 高效换热器的结构设计换热器的结构设计是提高换热效率和传热效果的关键。

在结构设计中,应该考虑到以下几个因素:(1)传热面积的设计:传热面积是影响换热器传热率的重要因素。

在设计中要合理确定传热面积,既要保证传热效果,又要考虑到成本和占地面积的限制。

(2)流体流动的方式:流体流动的方式是影响换热器传热效果的关键因素。

合理选择流体流动方式可以有效地提高传热效率,降低压降和能耗。

(3)管子的布局和尺寸:管子的布局和尺寸对于换热器的传热效果有极大的影响。

在设计中应该考虑到管子的数量、直径和长度等因素,以充分利用流体的传热能力。

(4)换热介质的选择:不同的换热介质具有不同的传热性能,正确选择换热介质可以提高传热效率和传热效果。

3. 传热面积的优化方法传热面积是影响换热器传热效果的重要因素。

为了提高传热面积的利用率,可以采取以下几种优化方法:(1)增加传热面积:通过增加传热面积,可以提高换热器的传热效率。

常用的方法包括增加管道长度、增加管道数量等。

(2)优化换热器结构:通过优化换热器的结构,可以提高传热面积的利用率。

例如,采用多级传热器或增加传热介质流动的分支管道等方法。

高温烟气余热换热器结构设计的优化

高温烟气余热换热器结构设计的优化

高温烟气余热换热器结构设计的优化
随着工业化进程的推进和节能、减排的要求,高温烟气余热利用已经
成为了一项重要的工程技术。

而在烟气余热利用设备中,高温烟气余
热换热器的优化设计对于提升能量利用效率具有重要作用。

在高温烟气余热换热器的结构设计中,需要考虑以下几点:
1. 换热器的材料选择。

由于高温烟气中腐蚀性物质含量较高,因此,
在选择换热器材料时,需要考虑其对于腐蚀的抵抗能力。

通常选用耐酸、耐高温的钢材或合金材料。

2. 换热器的结构形式。

现阶段,常见的换热器结构形式有管式换热器、板式换热器、螺旋式换热器等。

不同的结构形式对于流体的流动、换
热效率和清洗维护都有不同的影响,因此需要根据具体使用场景选择
合适的结构形式。

3. 换热器的换热管布置方式。

在管式换热器中,换热管的布置方式直
接影响了换热效率。

常见的布置方式有对流式、层流式和螺旋式等,
对于不同的烟气流动状态,需要选择合适的换热管布置方式。

4. 换热器的清洗维护方式。

由于高温烟气中含有大量灰尘和颗粒物,
因此换热器的清洗维护非常重要。

通常采用水洗和压缩空气清洗两种
方式,需要在结构设计中考虑清洗维护的便捷性。

总之,高温烟气余热换热器结构设计的优化需要从材料选择、结构形式、换热管布置方式和清洗维护方式等多个方面综合考虑,并根据具
体的使用场景进行合理的选择。

这样才能最大程度地提升烟气余热的
利用效率,实现节能减排的目标。

板壳式热交换器入口管箱流体分布数值模拟及结构优化

板壳式热交换器入口管箱流体分布数值模拟及结构优化

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板壳式热交换器入口管箱流体分布数值 模拟及结构优化
姚 立 影1,2,侯 霄 艳1,2,郝 开 开1,2,张 涛1,2,王 立 奎1,2,姬 玉 波1,2
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板式换热器结构拓扑优化

板式换热器结构拓扑优化

板式换热器结构拓扑优化板式换热器是一种常见的热传递设备,广泛应用于化工、石油、制药、食品等工业领域。

其主要由板堆、进、出口管箱、导流板、传热板、固定件等组成。

为了提高板式换热器的传热效率和减少设备的压降,结构拓扑优化成为关键的技术挑战之一、在结构拓扑优化中,可以通过优化板和导流板的形状、布局和尺寸,以及优化进、出口管箱的布局和形状等方面来改善换热器的性能。

结构拓扑优化中的目标是在给定的约束条件下,通过调整结构的形状和尺寸,使得结构的性能达到最优。

在板式换热器中,我们可以将优化的目标确定为最小化流体的压降和最大化传热系数。

通过减小流体的压降,可以降低设备的运行成本,提高设备的效率;而通过增大传热系数,则可以提高传热效率,降低设备的体积和重量。

在进行结构拓扑优化时,可以采用传统的经验方法,也可以利用计算流体力学(CFD)和有限元分析等先进的数值模拟方法来指导优化过程。

经验方法主要基于工程师的经验和直觉,通过对已有换热器的实验结果进行总结和分析,提炼出一些通用的设计原则和经验规则。

这种方法的优点是简单易用,但其设计结果可能仅局限于已有的实验数据,并不能进行全面的优化。

而数值模拟方法可以以更准确的方式模拟和预测换热器的性能。

通过将热传递和流体力学的方程进行离散化和求解,可以得到换热器内部的速度场、温度场和压力场等详细信息,从而提供更准确的优化指导。

在进行结构拓扑优化时,可以采用单目标优化方法,即在优化过程中只考虑单一的性能指标,如最小化压降或最大化传热系数。

也可以采用多目标优化方法,即在优化过程中同时考虑多个性能指标,如最小化压降和最大化传热系数之间的矛盾。

多目标优化可以通过建立一个多目标优化模型,并利用多目标优化算法(如遗传算法、粒子群优化算法等)来最优解的帕累托前沿。

在实际的结构拓扑优化中,还需要考虑一些实际的制造和使用要求,如换热器的材料、成本、维护方便性、可靠性等因素。

这些因素可能会对结构的优化结果产生一定的影响。

板式换热器结构拓扑优化

板式换热器结构拓扑优化

板式换热器结构拓扑优化
板式换热器结构拓扑优化涉及到对换热器内部结构的设计和布局进行优化,以提高换热效率和性能。

下面是一个详细的步骤:确定目标和限制条件:首先,明确优化的目标,例如提高换热效率、减小压降或成本等。

同时,需要考虑到现有的限制条件,例如可用空间、材料成本、制造难度等。

定义设计变量:根据换热器的特性和设计要求,定义合适的设计变量。

这些变量可以包括板片的几何参数(例如长度、宽度、厚度)、板间距、流道形状等。

建立数学模型:使用合适的数学模型描述换热器的换热性能。

这可以包括传热方程、流体力学方程以及与换热器相关的其他方程。

选择优化方法:根据问题的复杂性和计算资源的可用性,选择合适的优化方法。

常见的方法包括遗传算法、粒子群算法、模拟退火等。

设计空间的离散化:将设计空间离散化为一组离散的设计点。

这些设计点可以通过网格划分或随机采样等方法获得。

运行优化算法:使用选择的优化方法,在离散化的设计空间上运行优化算法,寻找最佳的设计。

算法会根据预定义的目标函数和限制条件进行迭代搜索和更新。

分析和评估结果:对于优化算法找到的最佳设计,进行结果分析和评估。

可以使用数值模拟或实验验证等方法,验证优化结果是否达到预期的效果。

进一步优化:根据分析结果,可以进一步优化设计。

这可能涉及
调整优化算法的参数、重新定义设计变量范围,或者采用多目标优化等策略。

验证和实施:最后,对最终的优化设计进行验证和实施。

简析换热器的优化设计

简析换热器的优化设计

简析换热器的优化设计天然气调压站因工艺要求对天然气进行调压,降压和增压都会使天然气温度变化,这两个过程都需要换热器来对变化的温度进行调节。

降压时温度下降,为了保证供气温度满足蒸汽轮机运行以及不腐蚀管道和设备的要求,需要对天然气进行加热,使其达到燃气轮机的使用温度。

天然气场站一般配置增压机对天然气实施增压,增压机压缩做功会产生大量的热,过高的温度不利于管道输送,也不能满足天然气燃机设备的运行要求。

为了降低天然气温度,在增压机后加装冷却器,将天然气的温度控制在一定范围内。

从国内已建燃气调压站来看,加热单元和增压机后冷却器一般采用列管式换热器,冷却水一般取自电厂的闭式冷却水,压力一般为0.7~0.8MPa,加热蒸汽压力一般为1.0~1.3MPa,远远低于增压后的天然气压力,一旦运行中冷却器管束发生天然气泄漏至闭式冷却水系统(闭式冷却水系统为给水泵、空压机等遍布全厂辅机的冷却系统),天然气会随冷却水回水流出,并在冷却水漏水点漏出并聚集,在达到天然气爆炸极限时遇明火发生爆炸事故,给电厂带来巨大的安全隐患。

为避免天然气经换热器发生泄漏,目前最常用的是采用双管式换热器。

双管式换热器一般从国外进口,如德国的GEA换热器和FUNKE换热器,其原理为换热器管束为双层套管,并在双层套管中灌注导热性能好的导热油或其他物质,结构见图1。

如果运行中换热器冷却管束发生泄漏,天然气首先泄漏至双层套管的中间夹层,随着天然气泄漏量的增大,中间夹层压力升高,在达到设定的压力值时开关动作并报警,提醒维护人员对冷却器进行检查,因此双管式换热器即使在一层管束泄漏后也不会对系统安全性造成影响。

双管式换热器主要依赖于国外进口,目前燃气电厂多采用德国GEA和德国FUNKE双管式换热器,性能安全稳定,但双管式换热器价格非常昂贵,单台换热器一般在100万元以上,普通用户较难承受。

如果采用单管双管板换热器,在满足用户使用要求的前提下,不仅可以大幅度提高换热效率,节约50%的成本,而且還能实现国产化。

焊接板式换热器的结构与优化设计

焊接板式换热器的结构与优化设计

焊接板式换热器的结构与优化设计摘要:焊接板式换热器用焊缝替代可拆式板式换热器的密封垫圈,使其在耐高温高压能力方面进一步优化,从而使板式换热器朝大型设备发展。

换热板作为板式换热器的核心元素,其波纹样式、波纹高度、板间距、板片结构都是影响换热效果的重要因素。

这里主要讨论单个板片以及不同结构的板片对换热性能的影响。

关键词:板式换热器;结构;优化设计前言:焊接板式换热器是一种应用在不同温度的两种或两种以上流体之间,采用不同板片间距以及不同的组合方式,实现物料之间热量传递的节能换热设备,在对流体的回收以及循环使用方面扮演着重要角色。

换热器已被普遍应用在石油化工、电力冶金、食品轻工业等众多领域,随着近年来环境保护意识的增强,节能技术不断取得突破发展,板式换热器凭借自身传热效率高、占地面积小、投资成本较低、压力阻力损失小的优势特点,焕发出强劲发展势头在工业领域逐渐替代管壳式换热器。

但是板式换热器存在着流动阻力大、耐高温高压能力不足、出口温度较低不能达到指定温度等不足之处,这些不足之处限制了板式换热器的发展,这就需要对板式换热器结构进行优化改进,最终找到最优的结构设计参数,在成本和性能方面都达到理想状态。

1.焊接板式换热器的结构概述焊接板式换热器的由三部分组成:一部分是框架结构,主要起支撑、固定板片的作用,还能方便起吊和搬运,在框架与板片之间垫隔热棉能有效阻断热量传播使设备外表面温度达到理想状态。

第二部分是由薄板压制成的波纹板,现阶段运用较多的有人字波纹板、水平平直波纹板、凸点板。

焊接板式换热器中将板片折边后压焊使板片之间形成流道,相应通道内流体按预定方向流动,冷热两侧物质相邻按反方向移动,最终实现换热效果。

第三部分是连接每组板片的通道,由于不同设备流量温度不同板片组合方式也不一样,相同或者不同类型的板片通过风道连接起来形成一个整体,达到更高换热要求。

1.焊接板式换热器的优化方向2.1焊接板式换热器的研究现状当前通过人工神经网络的多目标优化方法进行板式换热器优化设计,设计变量有板片波纹高度、板片厚度、板片曲率长度、线温流长、非流长。

高效多级换热器的优化设计

高效多级换热器的优化设计

高效多级换热器的优化设计第一章介绍高效多级换热器是一种能够有效降低能源消耗和提高热效率的设备。

其优化设计是提高热能利用效率、减少能量损耗和提高工作效率的关键。

本文将基于多级换热器的结构特点和工作原理,探讨其优化设计的方法和策略。

第二章多级换热器的结构特点多级换热器由多个单元组成,其结构特点包括热媒流路的多样性、分级换热单元的相互作用和换热器整体的协同工作。

其主要组成部分包括加热段、冷却段、中间管束和壳体。

中间管束内部通过换热板的交错排列形成了多个流体通道,在不同的流体通道之间进行不同程度的传热。

第三章多级换热器的工作原理多级换热器的工作原理是通过多级流动加热和冷却,使得流体通过多级流动和换热,达到一定的换热效果。

在多级换热器中,流体由高温到低温逐级流动,从而实现了多级流动加热和冷却的目的。

多级换热器具有可扩展性、可控性和稳定性等优点,可以适应不同的加热和冷却需求。

第四章高效多级换热器的优化设计高效多级换热器的优化设计是在保证热量传递和换热效率的基础上,减少能源消耗和提高工作效率。

具体的优化设计包括以下几个方面:1. 加强流体的混合和分散,增加流体之间的传热面积,提高传热效率。

2. 优化换热单元的结构和材料,提高换热器的传热和热传递性能。

3. 采用聚能减阻技术,减小流体的阻力和能量损耗,提高工作效率。

4. 增加透明壁障的数量和分布,减少流体的流动阻力和小流线的存在,提高传热效能。

5. 选择合适的冷却介质和加热介质,优化换热流体的传热性能。

第五章案例分析以某二级换热器为例,通过采用优化设计策略,实现了换热器的性能提升和能源消耗的降低。

具体的改进措施包括:设计新的流体分流和分散结构,增加换热单元的传热面积和数量,采用高温和高压的加热介质和低温和低压的冷却介质,采用聚能减阻技术和透明壁障技术。

实验结果显示,改进后的换热器热效率提高50%以上,能源消耗减少40%以上,具有显著的优化效果和技术经济价值。

第六章总结高效多级换热器的优化设计是提高能源利用效率和减少能源消耗的重要手段之一。

板式热交换器框架结构优化方法的探索

板式热交换器框架结构优化方法的探索

板式热交换器框架结构优化方法的探索摘要:板式热交换器结构简单,零件类型少,标准化程度高,通用性强,具有广泛的应用前景。

本文重点阐述了板式热交换器的使用性能和使用环境以及其应用的水平。

对于板式热交换器而言,唯有不断增加其应用范围,改进其应用技术,才能更加高效有效的使其应用于工业生产生活领域,从而有效节约生产使用成本。

关键词:板式热交换器;框架结构引言板式热交换器框架结构由可移动的压缩板,固定的压缩板和夹紧螺栓组成,其机械性能对设备的密封性能有重要影响。

在预制步骤中,折射力通过夹紧螺栓施加到密封橡胶垫圈。

在操作中,压板检查密封橡胶垫圈的弹性变形,以确保在垫圈表面上有足够的残余应力,以使设备不会发生泄漏问题。

1、板式热交换器简介板式热交换器本身的结构主要为具有较好散热能力的薄金属板,板上有大量的波纹状凹槽,波纹凹槽由垫圈密封处理,从而达到较好的密封性和隔热性。

板式热交换器传热快,不易结垢,并且质量小,散热效果强。

具有很强的环境适应性和应用前景。

不但如此,其易于清洗维护等特点也使它能够广泛应用于社会生产各领域的关键性因素。

是用于加热和冷却介质以满足生产过程,加热和冷却系统等要求的设备。

它的加热和冷却原理,是用于热回收,快速灭菌和其他用途的优秀设备。

除板和垫圈以外的压缩板,导杆,压缩装置(拉杆)和支柱统称为板式热交换器板。

其四个板分别和垫片角的作用为液体的分配和收集,避免冷热液之间汇合,通过液体的不间断流动从而达到更好的热交换。

板式热交换器作为当前一种极为高效的便捷的散热设备,其中波纹状的金属版是其发挥作用的关键因素。

和传统的管式热交换器相比,其散热性能更好,散热耗能也更小。

本文之中主要介绍的是双支撑框架结构的板式热交换器。

由于当前国际国内市场竞争日益激烈,板式热交换器正朝着更加高效,更加专业,更加多样和更加易于安装的方向发展。

2、板式热交换器的特点2.1、自洁能力强在螺旋板式热交换器中,沉积物和其他颗粒难以沉降,因为在液体形成湍流状态后,介质会通过单个螺旋通道。

换热器入口段结构优化设计

换热器入口段结构优化设计

换热器入口段结构优化设计周思杭;彭翔【摘要】针对换热器内部流动不均匀性、换热性能恶化的问题,对换热器的封头和导流片等入口段结构设计进行了研究,提出了换热器入口段结构与流动不均匀性的关联分析方法.通过对封头内部流动进行了CFD仿真分析,确定了导流片倾斜角、高度比等结构参数对流动不均匀性、换热损失的影响,建立了封头结构参数、导流片结构参数与换热效率间的关联模型.最后以换热损失最小为设计目标,进行了传统封头、二次型封头、改进二次型封头这3种形式入口段结构的参数优化设计.研究结果表明:改进二次型封头的内部流动不均匀性最小、换热效率最高,是换热器最佳入口段结构.%Aiming at the flow nonuniform and deteriorative performance in the heat exchanger, study on the unreasonable structure design of inlet header and deflector was carried out. An optimization design method of entrance structure was proposed to decrease the flow nonunifor-mity. Firstly, the flow of the internal header was analyzed using CFD simulation method, and the flow uniformity under different structure pa-rameters of deflector were calculated. Then the correlation model among structure parameters of inlet header and deflector, thermal efficiency of heat exchanger was constructed. Finally, three types of entrance structure were optimized to decrease the heat loss of heat exchanger as tra-ditional inlet header, modified inlet header, and second modified inlet header. The results indicate that second modified inlet header is the best head type.【期刊名称】《机电工程》【年(卷),期】2017(034)012【总页数】5页(P1427-1431)【关键词】换热器;封头;流动不均匀性;导流片;CFD【作者】周思杭;彭翔【作者单位】杭州中车车辆有限公司,浙江杭州310019;浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室,浙江杭州310014【正文语种】中文【中图分类】TH122;TF066.2+1由封头与导流片组成的入口段是超大型板翅式换热器中重要的分流装置。

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换热器入口段结构优化设计探析
摘要:近些年,我国换热器生产工艺实现了创新制造,入口段结构的优化设计也成为我国换热器保持稳定功能的核心部件,因此其十分重要。

通过研究发现,入口段结构的科学合理设计对于解决换热器流动问题具有重要作用。

因此,本文对换热器入口段结构展开研究,首先阐述了换热器,其次对其优化设计进行具体分析,希望能够对其优化设计起到参考作用。

关键词:换热器;入口段结构;优化设计
工业生产过程中,换热器的应用十分广泛,是工业设备重要组成结构。

对于换热器功能及其稳定性而言,换热器入口段结构是当前主要问题,具有重要意义。

但是,当前有些换热器入口段结构的设计研究较少,需要采取有效措施对其展开研究,进而为换热器的入口段结构优化设计提供理论支持。

一、换热器概述
当前,各领域中对于换热器的应用都比较常见,十分广泛。

换热器指的是将内部热流体热量实现有效传输,将热量传递至冷流体设备中。

换热器即为热交换器,通过分析相关资料发现,换热器的应用范围交管,其中主要应用在能源动力、石油化工、工业生产等领域中[1]。

此外,换热器的流程并不单一,其具有系统科学布局。

因此,需要深入研究换热器功能发挥及其安全稳定性。

在实际应用中,换热器经常会出现改革中问题,其中最明显的问题在于内部流动不够稳定、均匀,使内部热流体不均匀。

此外,由于换热器性能恶化也会导致很多问题,换热器性能恶化指的是其在实际应用时由于内外因素影响导致整体性能下降。

在此情况下,优化设计换热器入口段主体结构十分重要。

而经过分析发现,换热器入口段主体结构与导致流动不均匀的要素连接十分重要,其也是高校分析处理方式。

通过相关设备分析封头内部流动,例如利用CFD仿真技术分析,可以掌握该导流片倾斜角、高度正确比、结构等,进而明确流动不均匀性导致的换热运行问题。

通过相关数据,拟建封头主体、导流片结构、换热效率间等参数
关联模型。

与此同时,设计目标需要以换热损失最小为主体。

优化处理传统封头、二次封头等形式入口段主体结构参数。

经过试验得到,改进二次型封头会减少内部流动不均匀现象,且换热率较高,能够作为最佳的换热器入口段结构选择。

二、换热器入口段结构优化设计
(一)仿真分析
如图1,其为换热器入口段结构。

该结构中,封头是由水平半圆柱流道与竖直圆柱流道连接形成的,本文主要对封头结构与流动不均匀性关系进行研究。

咋不考虑温度场的情况下,对封头内流动分布情况进行分析,以20℃水位介质,水密度、年度、比热容等参数设定为常熟,流体匀速进入封头内,之后进入到导流片内,其流动区域呈现稳态湍流流动状态。

在Catia中监理封头几何模型,再将其导入到Gambit中实行自由网格划分,每个网格大小为8,共有25346个网格,之后将其导入到Fluent中进行仿真求解。

封头入口速度设置为2.5m/s,出口为outflow流量出口,壁面为绝热墙体,并未出现速度滑移现象。

紊流方式为intensity(1%)、hydraulic diameter (0.5m)。

收敛条件为残差绝对值<10-5。

换热器封头内流体流动为三维稳态常物性不可压缩湍流流动,不考虑体积力,计算模型为标准模型,并根据有限体积法离散控制方程式和SIMPLEC算法、残差绝对值<10-5等条件,利用交错网格技术计算各变量。

通过仿真分析得到传统封头内速度幅值分布和压力分布。

对比标准封头计算和叫安俊实验两个结果是相同的,也就是说明该模型有效。

图1 入口段结构
(二)构建模型
1.表征。

用来表示入口段流动不均匀性指标的种类较多,本研究利用导流片出口速度标准差对入口流动性表征进行表示。

导流片出口流体在进入到翅片通道后,每个通道横向上都均匀进行了划分,按照CFD仿真分析可以确定出口速度,对该区域导流片出口速度进行划分,同时定量表征为:
2.敏感性。

如图4所示,其为导流片结构型式,为了对不同导流片倾斜角、结构参数与流动不均匀性之间关系进行研究,在Catia中构建30°、45°、60°三种倾斜角与不同结构参数几何模型。

采用同一方法仿真分析不同封头直径、道路片高度比、质量流量等基础上的入口段流动不均匀性。

首先,对封头与导流片结构参数、流动不均匀度单因素敏感度曲线进行确定,之后按照入口段参数和不均匀度单因素敏感性分析结果,在最小不均匀度要求下简历雷诺数、质量流量、入口风头水力直径关系图,具体表现为图5。

在此基础上,本文又构建了不均匀度、封头水力直径、导流片高度比、入口质量流量关系图,具体表现为图2-3。

图2 关系图
图3 关系图
(三)结果分析
通过上述分析发现,入口段流动若是不够均匀会使换热器效能降低,导致换热效率受损。

基于此,本文对不同封头结构换热损失进行研究,为了实现最小损失目标需要优化设计入口段结构参数。

1.构建关联模型。

流动不均匀会导致内部温度场分布不够均匀,并出现纵向导热,使换热器效能降低,因此,需要建立二者关系模型。

在冷热流体呈现均匀分布情况下,理想的换热效率是:
其中,传热单元数和热容量之比计算公式分别为:
若是入口段无流动不均匀性,则每层翅片换热率计算为:
换热器换热效率实际为:
因为不均匀产生的热效率损失量计算公式为:
2.本文针对入口结构涉及了三种封头,如图4所示。

对比三种封头入口流动不均匀情况,计算器不均匀度,选择最小不均匀度作为最佳型式。

之后,利用CFD分析法对三种分头进行流动仿真分析,确定流速分布以及压力分布,在雷诺数为1000时,三种封头流速分布情况见图5[2]。

之后,根据导流片出口不均匀性计算热损失,分别为9.5%、8.8%、6.3%,从中可以看出第三种封头结构也就是改进型二次封头的不均匀性和换热损失明显减少,此为最佳封头型式。

图4 三种封头
型式
图5 流速分布
结束语:
通过本研究得到为了降低换热器热损失对入口段结构进行优化设计,对比三种不同封头选择改进型二次封头型式。

阐述了换热器,对其优化设计进行具体分析,希望能够对其优化设计起到参考作用。

参考文献:
[1]谢洪涛,李星辰,绳春晨,等.微通道换热器结构及优化设计研究进展[J].真空与低温,2020(4):310-316.
[2]张承虎,魏继宏,范丽佳.管束式换热器导流结构数值模拟研究与优化设计[J].河北工业大学学报,2019,v.48;No.209(03):38-44.。

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