【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及化工行业的换热器设计领域，提出一种螺旋板式换热器详细设计方法。
技术介绍
1、螺旋板式换热器可以看作是板式换热器的一种，其中板片形成螺旋。流体流经板之间形成流体通道。螺旋板式换热器有多种布置方式：(1)两种流体都是螺旋流动；(2)一种流体为螺旋流动，另一种流体为沿螺旋轴向流动；(3)一种流体为螺旋流，另一种流体为轴流和螺旋流的混合流。螺旋板式换热器由于其特殊的几何形状，与其他换热器相比具有独特的优势。其紧凑的结构使其具有较大的表面积和体积比、占地面积小和传热效率高。螺旋的单一流道使得流体具有较高的剪切速率，当沉积物堆积时将其冲走。这种自清洁效果能够有效减少结垢，使其适用于处理高粘度和脏污流体。如今，螺旋板式换热器已广泛应用于炼油、石化、食品、造纸等行业。
2、换热器详细设计可以看作是目标函数为年度总成本或最小化换热面积的优化问题。处理优化问题的技术可以分为三类，包括启发式方法、确定性优化方法、随机优化方法。
3、目前螺旋板式换热器的设计方法主要采用随机优化方法，工业生产制造换热器时的板长、板宽等设计参数都是一系列具有特定规格的离散值。然而，传统设计方法将板长、板宽等离散变量视为连续变量，得到一个非线性规划(nlp)模型，然后使用随机算法进行优化求解，得到优化结果后再进行圆整处理。这种传统设计方法具有两个明显的缺陷：
4、(1)传统的随机优化方法在求解过程中容易陷入局部最优解，不能保证换热器设计的全局最优性，导致换热器设计的结构尺寸过大从而增加设备投资成本。
5、(2)
技术实现思路
1、针对现有设计技术存在的上述难题，本专利技术要解决的技术问题是：如何解决随机算法优化得到螺旋板式换热器面积尺寸过大问题，获取满足传热需求且传热面积最小的换热器与对应的设计变量值。
2、为解决上述技术难题，本专利技术采用如下技术方案：一种螺旋板式换热器详细设计方法，将螺旋板式换热器的非线性规划模型nlp转化为与之等价的混合整数非线性规划minlp模型和混合整数线性规划milp模型，具体包括以下五个步骤：
3、s1：提取冷热流股的工艺参数和物性数据，流股的工艺参数和物性数据包括冷热流体的进出口温度、质量流率、比热容、粘度、导热系数、密度及污垢系数。
4、s2：建立螺旋板式换热器的nlp模型，nlp模型包含以下方程式：
5、
6、其中，a为换热器面积，areq为所需的传热面积，为面积裕量。
7、
8、其中，为传热量，u为总传热系数，ft为对数传热温差的校正因子，是平均对数传热温差：
9、
10、其中，分别是热侧流体进出口温度，分别是冷侧流体进出口温度。
11、a＝2 h l (4)
12、其中，h为板宽，l为板长；
13、
14、其中，hh和hc分别为热侧和冷侧的薄膜传热系数，τ是板厚度，是板壁面的导热系数，是热侧和冷侧流体的结垢系数；
15、
16、
17、
18、其中，ds是螺旋外径，dc、dh分别是冷侧和热侧的通道间距，ds是螺旋内径，dh、dc分别是热侧和冷侧的水力学直径。
19、ah＝h dh (9)
20、ac＝h dc (10)
21、其中，ah是热侧的自由流动面积，ac是冷侧的自由流动面积；
22、
23、
24、其中，分别是热侧和冷侧流体的质量流量，gh、gc分别是热侧和冷侧流体的质量通量，即单位横截面积上的质量流量。
25、
26、
27、其中，vh、vc分别是热侧和冷侧流体的平均流体速度，分别是热侧和冷侧流体的密度。
28、
29、
30、其中，分别是热侧和冷侧流体的粘度，reh、rec分别是热侧和冷侧流体的雷诺数。
31、
32、
33、reh≥rehcri (19)
34、rec≥reccri (20)
35、其中，rehcri、reccri分别是热侧和冷侧流体的临界雷诺数。
36、
37、
38、其中，分别是热侧和冷侧流体的普朗克系数，分别是热侧和冷侧流体的比热容，分别是热侧和冷侧流体的热传导系数。
39、
40、
41、其中，hh、hc分别是热侧和冷侧流体的对流传热膜系数。
42、
43、
44、其中，δph、δpc分别是热侧和冷侧流体的压降；
45、
46、其中，ft是对数传热温差的校正因子，cn是标准数；
47、
48、其中，ntuh、ntuc分别是热侧和冷侧的传热单元数；
49、
50、
51、
52、
53、其中，分别是热侧和冷侧流体允许的最大压降。
54、
55、
56、其中，分别是热侧流体允许的最大流速和最小流速，分别为冷侧流体允许的最大流速和最小流速。
57、
58、
59、其中，分别是热侧流体允许的最大雷诺数和最小雷诺数，分别是冷侧流体允许的最大雷诺数和最小雷诺数。
60、l≥20 h (37)
61、l≤40 h (38)
62、
63、其中tac为年度总成本，costcap是换热器面积所对应的投资成本，是资本投资的年度系数，costope为泵送成本。
64、
65、其中，和分别是计算投资成本的参数。
66、
67、其中i是利率，是项目的年数。
68、
69、其中是一年的运行时长，是能源价格，是泵效率。
70、上述方程式(1)-(42)中的优化设计变量dh、dc、l、h、ds视为连续变量，方程式(1)-(42)构成了螺旋板式换热器的nlp模型。
71、s3：用一组二进制整型变量和公式对优化设计变量进行离散化处理，将s2中的nlp模型转化为与之等价的minlp模型。离散处理的优化设计变量包括dh、dc、l、h、ds，具体的离散处理如下所示：
72、
73、
74、
75、
76、
77、
78、
79、
80、
81、
82、如上述方程式(43)-(52)所示，将每个离散值关联到一个二进制整型变量。每个设计变量在处理后都本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种螺旋板式换热器详细设计方法，其特征在于，将螺旋板式换热器的非线性规划模型NLP转化为与之等价的混合整数非线性规划MINLP模型和混合整数线性规划MILP模型，具体包括以下五个步骤：
【技术特征摘要】
1.一种螺旋板式换热器详细设计方法，其特征在于，将螺旋板式换热器的非线性规划模型nlp转化为与...
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。