文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123419
小型天然气液化中换热器设计及优化
鹿院卫,张广耀,吴玉庭,李小丽,马重芳
(北京工业大学环境与能源工程学院,传热强化与过程节能教育部重点实验室,北京,100124)
(Tel:010-67391612-8043 E-mail: ******@bjut.)
摘要:本文对小型撬装式天然气液化流程中的预冷换热器进行了设计和优化。首先,采用Aspen MUSE进行了换热器的初步设计,确定了换热器流动形式、翅片参数和结构参数。在此基础上,应用粒子群优化(PSO)算法,进行了优化设计。以换热器体积最小、质量最小为优化目标,以芯体的外形尺寸和翅片参数为优化变量,最终得到了符合设计要求的换热器优化结构参数。结果表明:有必要针对低温系统中板翅式换热器进行优化设计,获得更优化的结构参数和翅片参数,使系统更加紧凑和灵活。
关键词:板翅式换热器; 优化设计; 错列翅片; PSO算法
0 引言
板翅式换热器是一种高效、紧凑的换热设备,在低温、制冷、石油、化工、航空航天及动力工程等领域已得到广泛应用[1],尤其在小型撬装式天然气液化中,板翅式换热器是关键部件,其体积和重量在一定程度上限制了系统的小型化和撬装化。传统的换热器设计方法往往是在经验选择和多次验算的基础上,或者是根据前人所得的研究结果基础上进行的,一般只要满足设定的换热性能和阻力要求,即可采用所借鉴参考的换热器形式和翅片类型[2]。
本文针对小型膨胀式天然气液化流程中的预冷换热器进行设计和优化。首先采用MUSE软件进行初步的设计,确定换热器的流动形式、结构参数和翅片参数。然后应用MATLAB中的PSO算法,分别以体积最小、质量最小为优化目标,对换热器的结构参数和翅片参数进行优化。
1流程简介
本文采用王通旭[3]提出的小型膨胀式天然气液化流程,此流程以空气作为制冷剂,通过两级压缩两级膨胀制得冷量,然后通过两级换热器,对天然气进行冷却。如图1所示。
在此流程中,天然气首先经预冷换热器进行冷却,经天然气膨胀机进行膨胀降压降温,之后经冷却器进一步冷却,最后再经过节流阀降压降温后进入储罐。按照此液化流程,天然气液化率为84%,。
本文针对其中的预冷器进行设计及优化。
2 板翅式换热器设计
Aspen MUSE是目前国际上通用的板翅式换热器设计软件[4],本文首先采用MUSE对上述流程中预冷器进行设计和校核计算。
预冷换热器的初始参数如表1所示。
经MUSE设计得到板翅式换热器流动方式为逆流布置,其中翅片尺寸、结构尺寸如表2、表3所示。对应的翅片结构图如图2所示。
表1 换热器设计参数
Design parameters of heat exchanger
参数
天然气
低温空气
进口温度 Ti, K
出口温度 To, K
质量流量 min, kg/h
1500
8325
压力 P, kPa
3600
100
允许压降ΔP, kPa
5
5
换热有效度ε
表2 换热器翅片参数
Fin parameters of heat exchanger
表3 换热器几