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        哈雷釬焊板式換熱器
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        高溫熱管換熱器穩定性設計及結構參數優化

        點擊:2149 日期:[ 2014-04-26 22:06:13 ]
                              高溫熱管換熱器穩定性設計及結構參數優化                                   1.孫世梅 2.張 紅 (1.吉林建筑工程學院,吉林長春 130021;2.南京工業大學,江蘇南京 210009)      摘要:利用三次設計的優化方法對高溫熱管換熱器冷熱流體側翅片間距、翅片厚度、管束橫向管間距、冷熱流體迎風流速、迎風面寬度及加熱段長度進行了最優參數組合,找出了高溫熱管換熱器投資回收年限最小的最優解,最大限度地降低了投資成本,減小了運行費用。同時對各溫度區域熱管換熱器進行了可靠性和穩定性設計研究,指出了過渡段采用強化管可以大幅度提高高溫熱管換熱器在變工況下運行的穩定性和可靠性。隨后借助神經網絡的方法對優化結果進行了模擬仿真,從而確定出最佳方案,其結果可為完善高溫熱管換熱器結構優化設計提供一個新的方法。   關鍵詞:熱管換熱器;高溫;結構優化;神經網絡;三次設計   中圖分類號:TK172.4;TK124  文獻標志碼:A   三次設計是日本著名學者田口玄一博士于20世紀70年代創立的一種優化設計方法,其基本思想是用正交表安排試驗,用誤差因素模擬各種干擾,以統計的方法定量地分析各種參數組合與質量特性之間的關系,從而求出最佳參數組合,同時將設計參數與計算效益結合起來,尋求成本較低廉、性能穩定可靠且質量特性又合理的一種設計新方法[1~3]。高溫熱管換熱器是由管內充有不同工作介質的熱管群組成的,管外流體的溫度場是連續的,而管內蒸汽溫度場是不連續的。當管外流體的進口流量、各溫度段換熱器進口溫度以及污垢熱阻偏離設計工況時,必然導致管內蒸汽溫度偏離允許值,嚴重導致過渡區域部分熱管處于不工作或非工作狀態。如何在高溫熱管換熱器實際運行工況不可能與設計工況完全一致的條件下,提高運行穩定性,使其實際性能指標盡可能穩定在設計目標值附近,這對高溫熱管換熱器穩定性設計及結構參數優化研究是非常重要的。   文中利用三次設計的設計方法對各溫度區域熱管換熱器進行了可靠性和穩定性設計研究,同時借助神經網絡的方法對優化結果進行了模擬,從而可以為確定最佳方案、完善高溫熱管換熱器結構優化設計提供科學、簡便可靠的計算依據,克服了單憑經驗或有限試驗結果來確定設計參數的弊端。   1 穩定性與可靠性計算模型   在常規設計中,常用面積余量系數來作為工況不確定時或工藝參數浮動時的補償措施[4,5]。但此方法不能確保當工藝參數變化及(如當流量、溫度、污垢熱阻)在有限的溫度范圍浮動時,所選換熱面積余量仍在允許的范圍內,更無法對有一定面積余量的換熱器估算出工藝操作參數在允許的浮動范圍內。由此引入了參數設計法,對高溫熱管換熱器用穩健性目標函數進行優化設計,在工藝參數,如冷熱流體的進口流量、進口溫度獨立變化以及污垢熱阻相應浮動的情況下,使能夠完成任務所需的換熱面積、初投資回收期達到最小,并使面積裕量值以及過渡區與熱管管內蒸汽溫度在允許的范圍之內[6]。   按三次設計的觀點,要求望目特性Y∈(1,1 25),同時要求傳熱面積A最小,傳熱系數K最大以保證投資回收期Np最小,即表明A屬望小特性,K為望大特性,兩者可用信噪比ηA、ηK、ηY來描述A、K與Y特性的穩健性能,用復合信噪比ηYA、ηYK來描述高溫熱管換熱器的穩健性能,希望ηYA越小越好,ηYK越大越好。                                                                                   狀態下的體積流量為5000m3/h;熱側介質為煙氣,進口溫度850℃,出口溫度200℃,標準狀態下的體積流量為7120m3/h,同時選取表1中位級為2的一組數據作為初始設計條件。                      (2)確定誤差因素及水平表 誤差因素是指換熱器在運行過程中,由于工藝參數的變化引起換熱器性能波動的外干擾,如冷、熱流體的進口流量和進口溫度出現波動,導致管內蒸汽溫度波動并偏離設計工況,使過渡區與熱管處于不工作或非正常工作狀態以及隨運行時間的推移使污垢熱阻增大,這些因素都將給高溫熱管換熱器性能設計帶來誤差。設計中考慮誤差因素是為了提高抗干擾能力,尋找性能穩定的換熱器最佳結構。   高溫熱管換熱器高溫段熱管一般選用鈉、鉀作為管內介質,其工作溫度上限很高,大約1200℃[7]。對于通常的設計要求而言,熱管管內蒸汽溫度不會超出鈉熱管工作溫度的上限,但受管材的限制,最佳工作溫度限制在600~800℃。因此,要求煙氣入口溫度上限不超過950℃,下限不低于850℃??諝馊肟跍囟入S季節變化,在15~25℃波動,通過上述分析得誤差因素位級,見表2。                          (3)內、外表設計 用正交表安排可控因素水平組合,計算輸出特性信噪比的設計稱內設計,由于高溫熱管換熱器結構優化影響參數有11個,每個因素有3個位級的選優問題,因此選用正交表L27(313),將表1代入L27(313)得出27組不同的搭配。由內設計可知,高溫熱管換熱器結構優化設計有27種方案,每一種方案都存在誤差因素的干擾,則有27張L18(37×21)正交設計表作外表,安排5個誤差因素。因此,操作工況的水平波動就由誤差表模擬。   3 優化計算結果分析   系統設計中涉及到大量的數據運算分析,需要套用幾十個公式,查閱大量的物性表格,若用手工進行三次設計不僅工作量大、設計周期長及數據可靠性差,而且計算精度也十分有限。如不把設計轉化為可計算項目,尋找優化設計方案將花費大量的時間和試驗經費。而采用計算機先進技術手段實現將傳統設計轉化為可計算性項目的三次設計,不僅速度快、精確度高,而且在大幅度減少設計工作量的同時,還可以提高設計水平。因此,采用VB6.0編制高溫熱管換熱器結構優化的三次設計程序。通過設計程序將內表與外表直積得到27組選優方案,然后以最小投資回收期最下為目標采用直接看的方法選定一組最佳方案。但是無法使面積裕量穩定在Y∈(1,1 25),因此需要根據級差的大小進行多輪方案選優,而每一次選優都要重新進行正交實驗,導致計算周期長。文中在第一輪調優的基礎上采用神經網絡方法快速調優,從而選擇最佳方案。   3.1 直接選優法   通過內表與外表直積法得到第一輪選優方案,從優選結果看,滿足初投資回收年限最短,Np=0 61a,同時滿足高溫熱管換熱器穩健性指標,即面積復合信噪比ηYA=-11 22dB最小,傳熱系數復合信噪比ηYK=63 26dB最大,此時高溫熱管換熱器較好條件參數組合是:do=25mm,lf=12mm,δhf=1 6mm,δcf=1 6mm,shf=1 6mm,scf=4mm,le=1150mm,lc=1400mm,St=70mm,uh=2 5m/s,uc=2 5m/s。優化設計法冷流體側阻力降341Pa,熱流體側阻力降553Pa。   常規設計得到的結構參數值:do=38mm,lf=12mm,δhf=1 6mm,δcf=1 2mm,shf=16mm,scf=6mm,le=1150mm,lc=1300mm,St=70mm,uh=2 5m/s,uc=2 5m/s。常規設計法冷流體側阻力降8064Pa,熱流體側阻力降5588Pa。   優選法與常規設計法相比表明,直接選優法不僅減少了管排數,降低了換熱器生產制造成本,同時也節省了換熱器運行時的動力消耗,兩種方法的比較結果見表3。                        對高溫熱管換熱器,由于管內蒸汽溫度的不連續性,滿足初投資回收年限最短的最佳參數組合方案,能否滿足工藝參數波動條件下過渡段熱管傳熱元件安全銜接是非常重要的考核指標。因此,將上述參數組合方案代入主程序,計算過渡段熱管管內蒸汽溫度,以確定高溫熱管換熱器在正常操作條件下,過渡段熱管元件是否處于非正常操作狀態。計算結果見圖1和圖2,圖中符號見表4。                 由圖1可以看出,在各種工況下,中、低溫過渡段銜接都很好,只有少數熱管元件管內蒸汽溫度超熱管元件處于非正常操作狀態,這主要因為在熱管換熱器中采用小管徑熱管,雖提高了鈉、鉀熱管的啟動溫度,但削弱了換熱器內熱管的傳熱能力,使得熱流體從高溫段進入到中溫段時偏高,導致中溫段熱流進口處大部分熱管管內蒸汽溫度超過許用值而不能正常工作。因此,需在上述調優方案的基礎上進一步調優,以保證過渡段熱管元件安全運行。                         3.2 神經網絡參數設計選優方法   從上述分析看出,每進行一次調優,都需重新制定正交試驗方案,甚至還需要開展多輪試驗,即在第1輪最佳方案的基礎上,再細化可控因素水平數做第2輪、第3輪乃至更多輪的試驗。這樣無疑增加了試驗成本,延長了產品設計周期,此外參數設計的數據處理要運用大量的統計知識,試驗結果的分析處理對設計人員也非易事。采用人工神經網絡(ANN)與試驗技術相結合的辦法,可以很好地解決上述問題[8,9]。將第1輪直積表試驗方案的試驗(計算)結果作為ANN的訓練樣本,以可控因素的具體可取值為輸入,以信噪比SN為期望輸出對BP網絡進行訓練與學習。ANN參數設計的計算過程框圖見圖3,圖中包括輸入層、隱層和輸出層。各層神經元之間聯結強度用聯結權重Wij表示,“訓練”就是按照實際輸出最接近期望輸出原則來修改Wij,即給定輸入試驗方案向量X及期望輸出信噪比SN,然后對BP網絡進行訓練,而后用各可控因素的可取參數值給予模擬仿真,從中確定最佳設計方案。   根據上述方法,將第1輪直積表試驗方案的計算結果作為ANN的訓練樣本。以可控因素的具體%N                       可取值作為輸入層,以最小投資回收期、面積復合信噪比及傳熱系數復合信噪比為期望輸出對網絡進行訓練學習,得到最優參數組合:do=38mm,lf=12mm,δhf=2mm,δcf=1 2mm,shf=16mm,scf=6mm,le=1120mm,lc=1300mm,St=70mm,uh=2 5m/s,uc=2 5m/s。得到最小投資回收期為Np=0 609a,ηYA=-13 44dB,ηYK=61 2dB。將其代入主程序計算過渡段熱管管內蒸汽溫度,計算結果見圖4和圖5。                              過渡區域管內蒸汽溫度分布   由圖4和圖5中可看出,高溫熱管換熱器在變工況條件下,各過渡段只有少數熱管元件管內蒸汽溫度超過其許用值;高溫段后幾排熱管內蒸汽溫度趨于平緩,說明此處熱管傳熱性能較差,主要因為管內蒸汽溫度低于啟動值。依據文獻[10],熱管內部強化傳熱有利于提高換熱器內熱管的傳熱能力、穩定其傳熱性能,同時可以降低高溫條件下管內蒸汽溫度。因此,在過渡段采用強化管,可以合理優化過渡段管內外溫度場,保證熱管換熱器長周期安全運行。一方面,在高溫段熱流體出口處降低了起動溫度,使高溫熱管在低于起動溫度的條件下提高其傳熱能力。另一方面,在中溫段與低溫段熱流體入口,由于強化管管內蒸汽溫度降低,可使其適應管外流體溫度場在允許值以上工作,從而大大提高了高溫熱管換熱器在變工況條件下安全可靠的穩定運行。   4 結語以初投資回收年限最短為目標函數建立了高溫熱管換熱器優化設計模型,采用參數設計法,對高溫熱管換熱器冷熱流體側翅片間距、翅片厚度、管束橫向管間距、冷熱流體迎風流速、迎風面寬度、加熱段與冷凝段長度進行最優參數組合研究,結果表明:     (1)在參數設計中運用正交試驗設計是有效的,它能直接快速得到最優解,獲得目標函數最佳時的優化設計參數,實現初投資回收年限最短的熱管換熱器結構參數的最佳組合。   (2)借助神經網絡的方法對優化結果進行了模擬仿真,從而確定最佳方案。為完善高溫熱管換熱器結構優化設計提供了新的方法,不僅為今后高溫熱管換熱器的設計帶來了極大的方便,同時也提高了高溫熱管換熱器設計制造的經濟性。   (3)對各溫度區域熱管換熱器進行了可靠性和穩定性設計研究,指出在過渡段采用強化管可大幅度提高高溫熱管換熱器在變工況條件下的穩定性與可靠性。   (4)三次設計為優化組合提供了科學的、簡便可靠的計算依據,克服了傳統的單憑經驗或有限的試驗結果來確定設計參數的盲目性。   參考文獻:    [1] 韓之俊.三次設計[M].北京:機械工業出版社,1991.   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