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U形管式换热器管板的优化设计校选课
U形管式换热器管板的优化设计
院 系:化学工程学院
专 业:热能与动力工程
指导老师:周俊杰老师
姓 名:白彩鹏
学 号:20050390101
日 期:2008-11-13
U形管式换热器管板的优化设计
白彩鹏
(郑州大学热能与动力工程系,河南 郑州 450001)
摘 要:本文以管壳式换热器中的U形管式换热器为研究对象,采用面向对象的程序语言
MATLAB进行编程,得到不同设计条件下的管板厚度值和一系列的厚度变化曲线图。分析管板厚度变化趋势图,得出了U形管式换热器的管板厚度与压差成比例关系,实现了对U形管式换热器管板的优化设计。
关键词:U形管;换热器;管板;优化;MATLAB
Optimization design for U-tube heat exchanger tube-sheet
BAI Caipeng
(Department of Thermal Energy and Power Engineering;Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,Henan,china)
Abtact:With the U-tube heat exchanger of shell-and-tube heat exchanger for research subject,using MATLAB to program,then get the thickness value diagrams and a series of thickness curves of different conditions.Analyzing the curves and get the optimized conclusion that U-tube heat exchanger tube-sheet thickness has certain proportional relationship with the pressure head,realize the optimization design for U-tube heat exchanger tube-sheet.
Key words:U-tube;heat exchanger;tube-sheet;optimization;MATLAB
序 言
管壳式换热器是石油、化工装置中应用最广泛的换热设备 ,由于管壳式换热器结构坚固 ,且能选用多种材料制造 ,故适应性极强 ,尤其在高温、高压和大型装置中得到普遍应用。在管壳式换热器的各种型式中,U形管式换热器具有结构简单紧凑、密封性能好、金属耗量小、造价低、热补偿性能好、承压能力强等优点,适用于高温、高压等工况。U形管式换热器的结构设计必须考虑材料、压力、温度、壁温差、结垢情况、流体性质以及检修与清理等因素,综合考虑来设计其结构形式。管板是U形管式换热器的重要部件,管板处于管程和壳程之间,承受管程和壳程之间的压力差。特别是在大直径和高压力的场合下,管板的材料供应、加工工艺、生产周期往往成为整台设备生产的决定因素。因此正确合理地确定管板的厚度对保证换热器的安全运转、节约材料、降低成本起着重要的作用。文中采用Matlab对U形管式换热器进行了优化设计 ,不仅大大地缩短了设计周期 ,而且可以保证设计的可靠性和合理性。
1 模型建立与优化计算
1.1建立管板力学模型
本文采用文献[1]中 U形管式换热器管板设计规范,即将管板当作弹性基础上的圆平板,由此建立的力学模型如图1所示
图1 力学分析模型
按文献[1]的a型连接方式对管板进行设计研究,根据力学分析推导,a型连接方式的管板厚度为:
(1) 式中:δ—管板厚度 ,mm ;
DG—垫片压紧力作用中心圆直径 ,mm ;
Cc—U 形管式换热器管板计算因数;
pd—管板设计压力,pd =|pt-ps|,MPa ;
μ—管板强度削弱因数 ,取0.4;
—设计温度下管板材料的许用应力 ,当16 mm≤δ36mm时 ,=157 MPa ,当 36mm≤δ60mm 时,=150MPa,当 60 mm≤σ≤100mm时, = 147 MPa。
优化计算
管板的主要研究目标是分析在不同压力条件下 U形管式换热器管板的厚度问题。设计条件如下:
U形管式换热器的公称直径为DN8000
壳程压力 ps=1.0~6.0 MPa,步长为 0.5MPa ,温度t =50℃;
管程压力 pt=1.0~6.0MPa ,步长为 0.5 MPa,温度t=100℃。
通过编制Matlab程序就可迅速得到上述设计条件下的不同管、壳程压力下的
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