换热器综合性能的优化设计方法研究

冶成龙

甘肃省金昌市镍钴研究设计院有限责任公司 甘肃金昌 737100

从工业发展整体的角度来说，换热器发挥着至关重要的作用。其产品的质量和能源利用率对一些工业项目的开展具有一定影响。随着石油、燃气资源的不断开发和使用，世界上面临着较大的能源利用问题，因此致力于开发新能源，并从节能的角度考虑，进行预热回收。可以说，应用换热器和能源节约、利用有着很大的关系，在核能、太阳能等资源的转换利用上发挥一定作用。换热器的综合利用率最高，使用时间长，且费用成本低，各个国家也都十分重视这项设备和技术的开发应用，努力研发最优选型和设计，达到节能增效的目的。

1 换热器综合性能的优化设计现状

换热器的整体设计是一项比较复杂的工作，运行状态、投资成本和性能等都是设计中的一部分。性能良好的换热器耗能低、资本运作低，工作效率高。为了达到这一标准，人们在优化设计的过程中付出了很多努力，在设计中取得了一定进步，但换热效果和运行费用等方面仍然不能做到统筹兼顾。一些专家和学者在优化设计方面也做了很多尝试，但受到换热器种类复杂和设计目标不确定的影响，还未确定最佳的优化设计方案[1]。多方面因素的影响，换热器的优化设计工作一直被耽搁。在未来的优化设计阶段，可以尝试从流动传热特性和结构的角度入手，可能会迎来一个新的发展局面。

2 热换器综合性能的优化设计中的问题

2.1 表面特性及选择

对于换热器的表面特性选择，可以从定量和定性两个方面进行考虑。定量分析法分为筛法和性能比较法，板翅式和管翅式换热器分别适用于两种方法。筛法应用时只考虑流体一侧，选择表面特性的过程中依据的是最小换热面积和迎风面。基于CFD 技术的流动、传热研究涉及到以下几个方面：由于压降系数、传热以及相关的关联式尚不齐全，导致工业的传热表面数据存在一定的缺陷。当涉及到的传热数值较大的情况下，试验数据会出现一定的误差。除此之外，目前尚不清楚翅片与隔板的热阻和对传热过程产生的影响[2]。传热表面的数值和相关应用原理只是一些基本的工作经验，并不能帮助人员解决开发过程中存在的设计、参数等问题，因此出现较多的研发工作者将精力投入到了应用CFD 技术求流动与传热的数值解方面，期望通过这种形式建立模拟流动和传热的数值模型，计算并预测出新型换热器设计表面阻力和传热系数关系。从单相流的流动与传热角度来说，相关研究的力度不够，也是未来换热器设计发展的重要研究领域。同时，需要明确的是在设计的过程中，怎么从结构上保证流体均匀、纵向导热影响和合理布置流道一直是有待解决的重点问题。

2.2 传热和流动分析

分析换热器的主要方式是通过较为理想化的假设，为了方便手工计算采用了传热单元数法。在分析计算的过程中，应该充分了解到假设的条件具有不确定性，同时换热器的效果也具有不稳定性，因此要依据能量平衡的原则将换热器分为等定的几部分，各部分的物性为一常数，同时温度对其产生的细微影响也应该充分考虑在内[3]。传热计算的过程中如果要确定流体物性的单一温度值，可以用平均温度计算物性。

2.3 计算机辅助工程

由于手工计算比较繁琐，一些专家针对这种情况设计了计算机辅助程序。尽管计算机辅助程序得到了应用，但换热器设计仍然面临着各种各样的问题。在计算机辅助的过程中，出现了需要应对一些变量的敏感性或不能满足约束条件时，相关设计人员要灵活变通根据自身工作经验做出良好决策。

3 换热器选型及优化设计方法选择

设计人员经常面临的问题是换热器的型号和工艺多样化，应该如何挑选最符合要求的换热器。科学技术的进步和发展为人们的生活提供了方面，同时人们也开始利用现代化手段，研究和开发良好的换热器选型，促进计算机技术的应用和优化，实现其工程技术领域的广泛性应用[4]。在满足换热器约束条件的基础上，实现定换热量，保证其稳定的工作效率。除此之外，从化工过程开发和设计的角度来说，加快设计，提高换热器工作的准确性具有十分重要的意义。当前采用的换热器具有不同的换热器样式，包括板式、板壳式、板翅式、管壳式、螺旋板式换热器等等，而每种换热器的工作形式和结构特点都是截然不同的。正确选择换热器的类型对于之后的生产和运作工作会产生一定的影响，因此在选择类型之前一定要充分考虑其影响因素，进行效能分析。换热器设计最优化指的是在众多设计方案中选择经济效益高、耗能低、运作成本最低的方案。由于涉及到换热器性能方面的问题有较为繁琐的程序，部分简单问题可以手工计算之外，剩下的问题要依靠计算机辅助程序[5]。从另一个角度来说，换热器设计最优化本身只需要对相关数学的内容进行计算，但一定要通过计算机编程的方式来实现。除此之外，对换热器进行成本核算的过程中一般只借助常规的经济学方式，采取运行费用和投资成本结合的综合评价方式。

4 结语

由上文可知，良好的约束条件下，换热器的优化设计指的是选定类型，对涉及到的具有制约关系和有关综合性能方面的参数进行一定程度的调节，从而达到最优设计，使换热器的应用保持最佳的工作状态。优化设计能够弥补传统形式的换热器在应用过程中存在的缺点，保证其工作的效率和质量。因此在实现优化设计的过程中，要统筹考虑性能、参数和结构等，缩短设计周期，稳步提升工作效率和经济效益。