缠绕管式换热器热力计算方法研究

针对缠绕式换热器的热力计算目前尚无统一标准的问题,研究了缠绕管式换热器设计计算时设计参数的选择与确定,得出:对于物性随温度变化显著的流体,需对换热器的传热面积进行分段计算得出,对于物性随温度变化不大的场合,无需分段处理,采用常见的平均温差法来确定计算即可;壳侧流道间隙和流通面积的计算方法有多种,选择时需与待用的流动、换热关联式相匹配,进而才能精准地进行热力计算,对于缠绕管式换热器的设计计算具有实际的指导意义。     

LNG接收站蒸发计算状态方程选择

LNG物性参数是LNG接收站模型建立、工艺流程模拟计算及研究必不可少的基础数据。以国外实验数据为基础,采用Aspen HYSYS软件分析评价PR、SRK、LKP、BWRS状态方程对气液相组成、焓、密度等物性参数的预测结果,比选汽液相平衡和热力学参数的计算状态方程,建立了LNG接收站储罐蒸发模型,并比较了四种状态方程的准确度。结果表明：PR方程在汽液相平衡计算方面计算精度最高,相对误差为4.70%;LKP方程计算热力学参数最准确,预测误差为2.59%。综合考虑相平衡参数和热力学参数计算精度,PR方程精度最高,预测误差为3.77%。此外,PR方程对LNG储罐蒸发和储罐压力的模拟计算值与现场数据吻合度最好,因此LNG接收站蒸发计算推荐选用PR方程。研究结果对物性参数和LNG接收站蒸发计算状态方程的选择具有借鉴意义。     

LNG热物性计算

天然气在其液化或液态状态下输送过程中,其物性参数随着温度和压力的变化而不断改变,因此液化天然气物性计算中不能按理想状态处理。根据实际工程需要,使用LKP方程及其关联式对密度、焓和熵值进行计算;通过对比态原理和Lohrenz等关联式计算了比热容和粘度。计算结果和实验数据对比,表明其计算精度满足工程实际需求。     

模型有界失配下基于MAP准则的扩展集员粒子滤波方法

在非线性非高斯系统中,当状态转移模型存在有界失配时,采用粒子滤波往往无法获得理想的状态估计值。考虑有界失配对粒子的约束条件,提出一种基于MAP准则的扩展集员粒子滤波算法（MAP-ESMPF）。该算法采用扩展集员求取真实状态的可信域,并基于MAP密度函数的准则,定义优化方程,从而将可信域外的粒子映射到可信域内,保证了状态估计的精度。在数值仿真和连续搅拌反应釜（CSTR）过程中的仿真应用,验证了该算法的有效性。     

模型有界失配下基于MAP准则的扩展集员粒子滤波方法

在非线性非高斯系统中,当状态转移模型存在有界失配时,采用粒子滤波往往无法获得理想的状态估计值。考虑有界失配对粒子的约束条件,提出一种基于MAP准则的扩展集员粒子滤波算法(MAP-ESMPF)。该算法采用扩展集员求取真实状态的可信域,并基于MAP密度函数的准则,定义优化方程,从而将可信域外的粒子映射到可信域内,保证了状态估计的精度。在数值仿真和连续搅拌反应釜(CSTR)过程中的仿真应用,验证了该算法的有效性。     

基于分布参数的管内传热和热力学

针对流体热物性参数随温度变化大或存在相变传热的管内流动问题,提出了分布参数研究方法,特点在于边界条件、物性参数、传热和阻力计算准则式等参数都实现了局部化,能够得到管内流动更加真实准确的传热和热力学特性,并以焓方程代替温度方程,统一了相变与非相变情况下的计算。以充分发展的空气圆管层流流动为例,与解析解的结果进行了对比,验证了分布参数模型的正确性。着重分析了热物性随温度变化较大的丙三醇以及湿空气中有相变发生时的管内流动的传热特性和熵产特性。本文模型不仅对研究管内流动的基本科学问题很有意义,也是研究换热器分布参数模型的基础。     

兼顾求解速度和精度的换热网络动态模拟方法

以换热器集总参数动态模型为基础,首次建立了基于Grossmann分级超结构的换热网络动态模型和求解方法,可自动识别换热网络结构并建立相应的求解策略,实现了换热网络的动态模拟。模型中考虑了流体温度变化对物性和换热性能的影响,有效地提高了换热网络动态解的求解精度;采用内外双层解法,提高了换热网络动态解的求解速度。实例应用表明,基于Grossmann分级超结构的换热网络动态模型及求解策略可靠、准确,能够获得扰动后换热网络中流体参数的真实变化过程,为换热网络的动态优化和控制奠定了基础。     

基于状态空间超级结构的多流股换热网络最优设计

多流股换热器以其结构紧凑、高效低耗等特点,成为过程强化研究的热门领域,但对于多流股换热的过程与设备优势所在仍然值得商榷。基于多流股换热匹配改进状态空间超级结构,将多流股换热网络综合转化为超级换热器设计。首先,构造级联多流股换热器匹配过程操作算子,通过相邻换热流股匹配,传递温位效应,实现多流股间传热严格计算;借助热容流率混合分配机制,实现各流股间任意分混操作。然后,考虑散热因素,改进目标函数,引入冷热损失和保温材料费用项,清晰体现多流股换热器因换热面互相覆盖而带来的外表面封包优势。进而,建立相应非线性数学规划模型,实现公用工程、设备投资、冷热损耗同步优化。最终,通过文献示例对所提方法可行性与优越性进行验证。     

基于状态空间超级结构的多流股换热网络最优设计

多流股换热器以其结构紧凑、高效低耗等特点,成为过程强化研究的热门领域,但对于多流股换热的过程与设备优势所在仍然值得商榷。基于多流股换热匹配改进状态空间超级结构,将多流股换热网络综合转化为超级换热器设计。首先,构造级联多流股换热器匹配过程操作算子,通过相邻换热流股匹配,传递温位效应,实现多流股间传热严格计算;借助热容流率混合分配机制,实现各流股间任意分混操作。然后,考虑散热因素,改进目标函数,引入冷热损失和保温材料费用项,清晰体现多流股换热器因换热面互相覆盖而带来的外表面封包优势。进而,建立相应非线性数学规划模型,实现公用工程、设备投资、冷热损耗同步优化。最终,通过文献示例对所提方法可行性与优越性进行验证。     

间歇结晶器中地塞米松磷酸钠溶析结晶动力学的研究

在间歇结晶器中,利用矩量变换法对地塞米松磷酸钠溶析结晶过程动力学进行了理论研究。由实验得到的地塞米松磷酸钠晶体的粒数密度分布数据,采用非线性最小二乘法分别对与粒度相关和与粒度无关线性生长速率模型进行了参数估值,通过由各种模型得到的晶体生长速率的计算与实验值的比较,发现与粒度无关生长速率模型不仅计算过程简单且计算的精度也更好。最后,以与粒度无关生长速率模型为基础,由不同实验条件下晶体的粒数密度分布数据非线性回归出其成核速率方程和生长速率方程。对方程的理论分析表明,低过饱和度、低悬浮密度和较高的结晶温度有利于得到平均粒径更大的地塞米松磷酸钠晶体。     

勃劳特换热器的性能

勃劳特换热器的性能周绪美，陈建铭，张鹏远，冯元鼎，丁华（北京化工大学化学工程系）关键词勃劳特换热器；压降１引言在生产过程中，气体与气体之间进行热量交换的换热器，在性能评比时，应该用两项指标来衡量。其一是单位产品所需传热面积要小，其二是单位压降的传热膜...     

转化过程气体换热器的副线调节性能——温度的影响

对转化过程采用圆缺形折流板和双圆缺形管束排列的气体换热器 ,推导出操作气量负荷率、管壳程副线率以及换热面积富裕系数与换热器管壳程进出口温度变化值之间的定量解析关系式 ,它们仅是换热器管壳程进出口温度设计值的函数。管壳程进出口温度变化共有 58种组合形式。最小换热面积富裕系数为温度变化引起换热量变化及换热器平均温差变化两部分的乘积。     

Simultaneous MINLP synthesis of heat exchanger networks comprising different exchanger types

This paper describes the simultaneous MINLP synthesis of heat integrated heat exchanger networks comprising different heat exchanger types. The stage-wise superstructure of heat exchanger networks (HEN) by Yee and Grossmann (Comput. Chem. Eng. 14 (1990) p. 1165) is extended to alternative exchanger types. The selection of the types is modeled by disjunctions based on operating limitations and the required heat transfer area. Since different types of heat exchangers involve different design geometries, which influences the inlet and outlet temperatures of heat exchangers, additional constraints are specified to provide a feasible temperature distribution in HEN. The consideration of different exchanger types drastically increases the combinatorics, size and computation effort needed to solve the problem. The integer-infeasible path MINLP approach has been applied to perform an efficient initialization scheme and to halve CPU times for solving MILP master problem of the modified OA/ER algorithm. A special multilevel MINLP procedure in reduced integer space has been proposed to solve medium size HEN problems (20 streams) comprising 10³ and more binary variables.     

细小槽道换热器内相变微胶囊悬浮液对流传热DPM模拟

基于离散相模型,采用颗粒比热容随温度变化分段函数描述颗粒的相变过程,模拟了相变微胶囊悬浮液在细小槽道换热器内的对流传热特性,考察了不同入口流量时换热器进出口压差及温差的变化规律,并与纯水进行比较,分析了换热器内部及加热面温度分布,研究了换热器典型通道修正的局部努赛尔数Nux*沿流动方向的变化规律. 结果表明,相变微胶囊悬浮液在换热器内的压损随流量变化规律与纯水一致,较纯水有所增大;引入相变微胶囊颗粒减缓了加热面和流体温度升高的速率,使换热器出口及加热面的温度比纯水低;受进出口位置影响,换热器内温度呈现中间通道低、向两侧逐渐升高的分布规律. 不同通道的Nux*沿流动方向的变化规律存在一定差异,部分通道内相变材料完全融化,而部分通道内相变材料尚未完全融化就流出换热器. 需改进换热器进出口位置或对换热器内部结构进行优化设计以获得较好的流量分配特性,从而改善换热效果.     

平行流多流体板翅式换热器的动态数学模型

板翅式换热器动态特性的复杂性在于其通道间有翅片导热存在．本文从分析翅片的定态和非定态导热过程入手,建立了包括考虑隔板热容的通用平行流多流体板翅式换热器的动态数学模型．该数学模型能以热阻网络图形式加以描述,通过对热阻网络的变换,获得了可快速求解的三对角阵代数方程组．用此模型计算了两股流板翅式换热器和四股流板翅式换热器的动态响应过程,对流体流量（或进口温度）扰动,理论的预测结果与实验数据相当一致．     

Frequency response of different size concentric tube heat exchangers

The frequency response of a concentric tube heat exchanger was investigated theoretically, and experimentally, on four different size heat exchangers. Transfer functions, for the response of both shell and tube fluid outlet temperatures to disturbances in either flow rate were derived. Experimental results for water-glycol systems show that the mathematical model accurately predicts the frequency response of large heat exchangers operated at high Reynolds numbers. However, the attenuation and phase shift of the fluid outlet temperatures become significantly greater than predicted by the model when heat exchanger size is decreased or experimental conditions are changed to increase axial mixing.     

用于超结构换热器网络热计算和网络综合的显式解

For the optimal design of a heat exchanger network, the inlet and outlet stream temperatures of each heat exchanger in the network should be known. An explicit analytical solution of stream temperatures of an arbitrary connected heat exchanger network was introduced, which is suitable for the thermal calculation of heat exchanger networks. For the heat exchanger network synthesis, this solution was further developed and coupled with the stage-wise superstructure heat exchanger networks. The new calculation procedure reduced the computer memory requirement dramatically. On the basis of this solution, a mathematical model for synthesis of heat exchanger networks with genetic algorithm was formulated, which is always feasible and no iteration is needed. Two examples were calculated with the proposed approach and better results were obtained.     

闭式热源下混合工质与纯工质的ORC性能比较

为了全面比较有机朗肯循环(ORC)中混合工质与纯工质的性能优劣,在给定供热量及进出口温度的闭式热源条件下,建立了基本ORC和回热ORC的数值仿真模型,所用工质为R600a/R601a,所用冷源为一定流量范围的冷却水。在模拟中,以最大净输出功为目标,同步优化循环的蒸发及冷凝温度,得到了不同组分工质的性能参数。比较结果表明,混合工质的热力性能不一定优于纯工质。在闭式热源下,相变换热器中具有更好温度匹配的混合工质一般也具有更小的换热损失。针对回热ORC,回热器将影响工质在相变换热器中的温度分布,但对相变换热器中的损失影响较小。     

Design of multiple shell and tube heat exchangers in series: E shell and F shell

Multiple shell and tube heat exchangers in the series are employed to handle the temperature cross in the chemical process industries. Depending on the degree of temperature cross, certain number of heat exchangers (either E or F shell type) need to be connected in series such that the temperature cross in each exchanger is within allowable limit. Determination of the number of exchangers for the given terminal temperatures is essential during heat exchanger design phase. In this paper, using finite difference calculus, modeling has been done to calculate the number of shells required for both E and F shell cases. In addition, equations are developed to determine hot and cold fluid temperature profiles across all heat exchangers. Design procedure is illustrated with the help of a case study and the capital cost of both cases is compared. Issues related to E shell and F shells are also discussed.     

板翅换热器导流结构非线性映射与性能多目标优化

板翅式换热器入口位置纵向方向上的流体分布不均匀问题影响不同层之间流体传热。目前已有的导流结构采用试验方式确定部分参数,缺乏对导流结构参数优化。本文提出板翅换热器导流结构多目标优化分析方法,分别考虑导流结构中孔径、孔数、流体流速、板翅式换热器入口直径、导流结构在换热器入口处的位置、孔的间距等影响换热器入口处流体均匀分布的因素,构建导流结构压强与单位时间换热量的多目标优化数学模型。采用正交试验方法选择不同参数组合建立仿真试验模型,根据试验结果推导导流结构非线性映射方程,以BP神经网络与遗传算法相结合的方式对导流结构尺寸进行优化分析,得到导流结构多目标优化结果。采用Fluent数值模拟板翅式换热器导流结构参数优化前后流体均匀分布情况,通过对比无导流结构板翅换热器可以看出,对导流结构进行优化可以明显改善流体在换热器各层流道中的流动均匀性,提高换热量,强化换热器的传热性能。