换热器详细设计与换热网络综合同步优化方法研究

回顾了多管程换热器构成的换热网络的最优综合方法与换热器详细设计的研究进展。研究者们采用多种不同算法对换热器进行详细设计,这些算法解决了对于单台换热器在给定热负荷的情况下,以总费用最小为目标的优化设计问题。但这些方法都是对单个换热器进行优化计算,并未考虑到换热器详细设计结果对换热网络节能降耗的影响。换热器详细设计结果将影响换热网络的能量交换与经济性。有研究者基于换热网络最优综合对换热器进行详细设计,同步优化换热网络和单台换热器的设计,但这些方法不涉及换热网络中各个换热器的详细设计与传热系数、换热压降等因素的相互影响,难以保证换热网络总费用最小。在此基础上,提出一种多程换热网络综合与换热器详细设计的同步优化设计方法。本文以换热面积、传热系数为优化变量,压降为约束条件,兼顾每台换热器详细设计,总费用最小为目标进行最优综合。示例分析证明了本文方法的有效性。     

换热网络综合中管壳式换热器设计研究进展

管壳式换热器应用广泛尤其是对其设计的研究,回顾了近年来单台管壳式换热器的工艺设计方法,并指出这些方法难以兼顾换热网络的节能降耗。许多研究者,在换热网络最优综合的同时提出了多种面积裕量优化设计方法,虽然考虑了换热网络中各换热器换热面积的优化,但并未考虑换热器的选型与详细设计。近年来,也有研究者基于换热网络综合进行管壳式换热器的详细设计研究,同步优化换热网络和单台换热器的设计,但这些方法均是在给定的工况条件下进行设计,考虑到实际生产中工况条件经常发生变化,单台换热器的设计均采用超余设计难以保证总费用最小。最后,在此基础上,提出一种从灵敏度分析的角度出发以总费用最小为目标基于换热网络综合的管壳式换热器详细设计思路。     

基于VC编程的换热网络综合软件设计

针对利用夹点技术设计换热网络时,计算时间长、强度大、过程复杂等特点,本文研究换热网络夹点技术,基于VC而设计夹点技术的换热网络综合软件.该软件可以根据冷、热物流相关数据,计算出系统所需要的冷、热公用工程的数值;绘制出换热系统的组合曲线、全局温焓曲线以及热级联图.同时,该软件还可根据换热网络设计规则设计换热网络;找出热负荷回路以及热负荷路径,合并换热器,满足不同最优换热网络目标的要求.该软件可大量节省计算时间,减小计算强度,简化计算过程.     

换热网络综合方法的研究进展

随着对合理、经济利用能源、资源要求的不断提高,换热网络综合引起了人们的高度重视。本文对过程工业非常重要的过程集成问题——换热网络综合,总结了过程热集成常见的3种方法:夹点设计法、数学规划法以及人工智能法。并分别对这3种方法在发展过程中的研究内容和设计方法及其取得的研究成果进行了讨论。最后从工业应用角度对不同的方法做了比较及评价。     

基于Visio的化工换热网络优化系统开发

换热网络的改造是很多化工企业提高能源回收利用率,降低生产成本的重要手段.夹点技术在对换热网络的优化改造方面,应用最为广泛.在利用夹点技术对换热网络进行改造的过程中,伴随着大量的数学计算.为了简化换热网络改造过程,以Visio作为平台开发了一套用于换热网络改造的化工换热网络优化系统.     

基于时间Petri网优化设计单杂质间歇过程用水网络

近20年来,间歇过程用水网络的研究得到了人们的广泛关注,并取得了一定的发展。以往对间歇过程的水网络集成研究多采用图解法和数学规划法,图解法无法解决与水质、水量无关的目标或约束,数学规划法计算复杂且较难确定最优解。Petri网具有直观的图形表现能力和严密的数学基础,并且具有强有力的分析技术与手段,非常适合于系统的描述和分析。同时时间Petri网是在Petri网的基础上加入时间因素,可用来建立间歇系统的动态模型。故针对半连续间歇化工过程的单杂质用水网络,本文提出了基于时间Petri网建模的方法,分别对有中间储罐和无中间储罐间歇用水网络进行了研究,首先采用水级联分析法构建了夹点分析通用模型,能够快速准确地确定用水过程的水夹点位置和最小新鲜水需求量。然后根据Petri网的逻辑表述能力、动态传播特性、自主学习机制以及水网络设计原则、水网络综合基本原则和水源匹配规则建立了水网络综合Petri网通用模型,对有中间储罐的情况还确定了中间储罐的位置、数量与容量,实现了单杂质间歇过程用水网络的优化设计。最后对文献中实例进行了研究,得到的夹点位置、新鲜水用量以及用水网络与文献中一致,表明提出的方法是可行和有效的。该方法模型简单、直观,避免了水级联表格的繁复计算,拓展了Petri网在过程领域的应用。     

基于非线性规划法的多杂质体系水和能量同时最小化研究

为实现同步综合多杂质体系用水网络和换热网络,降低求解难度,本文提出基于超结构的非线性数学规划法对问题进行研究.对于多杂质体系用水网络,采用确定关键组分方法合理给定操作单元最小新鲜水用量,利片j改进的换热网络超结构即冷(热)流股分流换热后非等温混合的方法对其进行能量集成.首先,以年度总费用最小为目标函数,建立多杂质体系用水网络NLP数学模型和换热网络NLP数学模型;然后,依据过程流股的进出门温度判断冷(热)流股,根据相关变量的传递连接2个子网络;最后,应用自适应模拟退火遗传算法,通过C++语言编程对模型求解.通过分别采用分步综合方法和本文提出的同步综合方法对1个石油炼制工业的应用实例进行研究,求解得到不同的最优网络结构并对其进行数据分析,结果表明同步综合方法获得最优网络结构更为简单,其年度总费用较分步综合方法节省了3.9%.所以本文提出的NLP数学模型及同步求解策略是可行有效地,能够在简化计算的同时合理寻求到网络的全局最优解,在实际生产中有一定的应用价值.     

用水与换热网络同步优化综合

通常采用分步策略进行用水与换热网络综合集成,难以实现新鲜水与公用工程的同时权衡。因此本文提出首先序贯求解用水网络综合子问题的非线性规划和换热网络综合子问题的混合整数非线性规划,以获取可行初值;然后,进行流程完备结构拓扑,并构造连接方程实现相关变量的传递;最后,联立用水与换热网络优化综合问题,基于GAMS平台采用DICOPT求解器,通过MATLAB接口控制求解程序流程,采用随机初值策略强化获得全局最优解的机会,以获取高置信度的全局最优解。最后通过对单杂质和多杂质系统实例计算,结果表明本文提出的方法能实现用水和用能网络的权衡,不但获得了比文献结果更好的优化网络方案,而且找出了包括文献结果的若干近优方案,为过程设计提供了多种备用选择。     

夹点技术在润滑油加氢装置节能中的应用研究

基于某润滑油加氢装置现行的换热网络,利用夹点技术对其进行分析改造,得到了较好的节能效果。以系统总费用最小为目标,求得最优夹点温差为20℃;以夹点温差为20℃,计算得出该装置换热网络的夹点平均温度为186.9℃,最小热公用工程量为2995 kW,最小冷公用工程量为7755 kW;针对换热网络不合理的情况提出了优化改造方案,该方案可实现节约热公用工程2881 kW,占现行热共用工程的43.0%,节约冷公用工程2881 kW,占现行冷公用工程的25.1%,节能效果显著。     

乙烯装置分离系统换热网络优化

针对某石化公司乙烯装置分离系统的用能现状,采用夹点技术对装置分离系统现有换热网络进行了节能研究。分别计算出换热系统的夹点温度及最小公用工程负荷,找出了现有换热网络中存在的问题,确立了装置换热网络节能优化的方向和潜力。通过对换热网络的优化改造,可实现装置的节能降耗,优化后的换热网络系统蒸汽消耗量节约26.45%,冷却水消耗量节约2.6%,乙烯压缩机功率可下降10.28%,丙烯压缩机功率可下降1.32%。     

换热网络的分析

通过对换热网络的研究发现，当物流有分流时，换热网络分析的数学模型为非线性规划问题。本文给出换热网络分析的非线性规划模型，同时优化各路分流的流量及换热单元进出口温度。经模型转化，用复合形法与线性规划法的双层组合求解，成功地解决了换热网络分析中非线性规划的求解问题。经实例考核计算证明，本文所建立的数学模型是正确可靠的，使用的双层组合法与其它方法相比，方法简单实用，结果准确，可在工程研究、设计中应用，分析后所得的最佳参数可大大提高换热网络的热回收量，节能效益十分显著。     

基于格子Boltzmann方法的换热器优化模拟

为优化换热器的结构设计,用格子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)结合多孔介质模型模拟换热器内的换热,研究雷诺数、普朗特数和热扩散率比的变化对温度场和换热性能的影响.模拟结果表明:在小雷诺数范围内,随着雷诺数的增加,努塞尔数先增加后减小,即存在一个使换热性能达到最好的雷诺数;随着普朗特数的增加,努塞尔数减小,换热性能降低;随着热扩散率比的增加,换热性能提高.分析不同管柱排列方式对换热性能的影响,结果表明:叉排的换热效果明显优于顺排,当横向节距等于2时,对于均匀顺排或叉排,努塞尔数均随纵向节距的增加而减小,这与实验结果相符;对于非均匀叉排,采用"前密"或"中间密"的排布方式有利于换热.     

多流股换热器网络的识别与构造

多流股换热器网络是一种新型的换热器网络。本文用改进的遗传／模拟退火算法优化综合双流股换热器网络，在此基础上进行多流股换热器网络识别和构造的研究。使网络中单个多流股换热器的换热面积最大，总的多流股换热器的换热面积也最大作为将以双流股换热器为换热设备的换热网络综合成多流股换热器网络的一个标准。通过流股匹配矩阵的使用，说明程序自动实现多流股换热器网络的识别和构造过程。文献实例证明本文提出的多流股换热器网络识别和构造方法对降低网络年度化费用是有效的。     

汽油吸附脱硫装置换热网络节能研究

针对某催化汽油吸附脱硫装置换热网络,分析装置流程,并且从整个流程中提取了6股冷物流和4股热物流的初始温度、目标温度、热负荷等数据,选择最小传热温差为15℃,利用夹点技术得到夹点温度为81.5℃,确定了装置的节能目标为节约公用工程量78.5%。然后利用夹点三原则对现有装置的换热网络进行分析,发现该装置夹点之上存在2个冷却器、夹点之下存在1个加热器并且存在1个换热器跨越夹点传热,这造成了能量的不合理利用从而造成能量浪费。针对这几个不合理的传热器,以现有网络为基础提出了增加2台换热器从而消除部分违背夹点原则的环节的换热网络优化方案,最终实现节约冷公用工程量52.8%,节约热公用工程量65.7%的效果。     

基于ANN的空气处理单元换热器的动态性能预测

应用人工神经网络技术对安装在空气处理单元（Air Handler Unit,AHU）中的换热器建立了动态神经网络模型。该模型的所有预测值基本都在实际测量值的95%~105%之间。实际测量值和神经网络模型预测值之间的平均相对误差（Mean Relative Error,MRE）小于2.5%,充分说明模型逼近实际对象的精确性。实验结果显示,神经网络,尤其是BP神经网络,可以作为一个很容易的建模工具来获得空气处理单元中换热器的神经网络模型,同时也很容易应用在类似的热系统中。     

Numerical characterization of heat transfer in closed-loop vertical ground heat exchanger

A series of numerical analyses has been performed on the characteristics of heat transfer in a closed-loop vertical ground heat exchanger(U-loop).A 2-D finite element analysis was conducted to evaluate the temperature distribution over the cross section of the U-loop system involving high-density polyethylene(HDPE) pipe/grout/soil to compare the sectional efficiency between the conventional U-loop and a new latticed HDPE pipe system,which is equipped with a thermally insulating lattice in order to reduce th...     

变工况下微通道两相换热器器性能模拟

利用均相模型对微通道两相换热器(蒸发器、冷凝器)进行模拟,通过制冷工质R134a热力状态及参数的计算模拟换热器设计工况下的稳态情况.首先建立换热器仿真模型,得出设计工况下的换热器设计结果,然后此基础上,着重分析当外界温度、进出口状态以及质量流量发生变化时,相应的换热器性能参数变化情况,以及相关影响因素.     

基于C++和智能图表合成最优换热网络的程序设计

在合成最优换热网络时,存在着调优迭代计算时间长、过程复杂等问题,本文围绕这一课题,以智能图表法为理论基础,结合C++的编程思想,以Microsoft Visual Studio 2008为开发平台,利用换热网络优化节能技术编写了换热网络合成软件。该软件具有以下功能:根据冷、热物流相关数据,计算换热网络夹点、生成温—焓组合曲线图并标出夹点温度,计算出最大热回收量和最小能量体用量,根据物流匹配换热规则和智能图表对相关冷热物流进行匹配,计算出冷热物流热交换的热负荷、换热面积、操作费用等,自动合成最优换热网络并将计算结果存于文本文件result.txt中。经实例核算后与其它文献数据对比结果可靠合理,表明该程序应用方便,计算速度快,可大大简化合成换热网络的计算过程。     

Analysis of laminar convective heat transfer in micro heat exchanger for stacked multi-chip module

This article presents a numerical and experimental investigation for the single-phase forced laminar convective heat transfer through arrays of microchannels in micro heat exchangers to be used for cooling power-intensive semiconductor packages, especially the stacked multi-chip modules (MCMs). In the numerical analysis, a parametric study was carried out for the factors affecting the efficiency of heat transfer in the flow of coolants through parallel rectangular microchannels. In the experimental study, the cooling performance of the micro heat exchanger was tested on the prototypes of stacked MCMs with different channel dimensions. The simulation result and the experiment data were acceptably accordant within a wide range of design variations, suggesting the numerical procedure as a useful method for designing the cooling mechanism in stacked multi-chip packages and similar electronic applications.