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热管式空气预热器整体优化及CAD研究

金永慧  
【摘要】: 热管是一种新型的传热元件,由于是以内部工质相变和连续工质循环实现热量传递的,因此具有较高的传热效率。目前对热管的应用已有很大的进展,如在空间技术发展中以成功的实现传热和监控问题;在地面各方面应用中则更多。以热管为传热元件的热管换热器具有下列特点:传热效率高,压力损失小,工作可靠,结构紧凑,有利于控制露点腐蚀等,这些独特的优点是它在解决能源问题,如:利用热能、节约原料、降低成本等方面,特别是在工业余热利用中发挥了越来越多重要的作用。 由于热管换热器形式多样,结构复杂,因而如何选择其形式是工程应用中的一个重要环节。本课题就是要针对这一问题,对热管元件及热管换热器整体优化设计进行研究,以气---气热管换热器中典型代表---热管空气预热器为例,利用最优化理论,提出了对其进行整体优化设计的方法。文中详细阐述了如何分析实际的物理过程,如何确定优化对象的设计变量,建立了年净收益最大为目标的目标函数,确定了由实际过程及技术参数所构成的约束条件,从而建立了优化设计的最优化数学模型,并采用穷举法和复形调优法对热管换热器的热管直径d_0、热冷流体侧翅片间距S_(fh)、S_(fc)、翅片厚度δ_(fh)、δ_(fc)、管束横向管间距S_τ及冷热流体的迎风流速u_(01)、u_(02)(其中,热管基管直径、冷热侧翅片间距、翅片厚度、管束横向管间距这六个变量为离散型变量;冷热流体迎风流速为连续型变量)进行优化,就是通过对优化变量d_0、S_τ、S_(fh)、S_(fc)、δ_(fh)、δ_(fc)、u_(01)、u_(02)的调整,在满足给定的设计依据与条件下,使年净收益最大,即使目标函数值最大。 通过理论研究和相关问题研制,以及对具体事例进行计算和分析,并与常规设计计算结果进行比较,最后得出结论:本文所编制的计算程序可进行热管预热器的优化设计,能确定热管预热器的最优化结构参数及运行参数。在考虑热管预热器技术经济指标基础上,导出的年净收益方程,对于预热器优化选型有很好的指导作用。热管元件、预热器整体结构参数的优化组合既节省了初始化投资,又可降低运行成本,保证了设计质量,从而获得可靠的经济效益,为工程设计提供了设计思路。


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