CN117433339A - 多热源换热器的换热除垢系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多热源换热器的换热除垢系统及方法，方法包括：实时监测冷介质进口及出口数据信息、热介质进口及出口数据信息；在限定条件下，求取冷热介质在管壳式换热器内热交换量最大时的冷介质进出口最优水流速率以及热介质进出口最优水流速率；构建清洗效果检测模型，求取冷热介质的进出口最优速率情况下，达到最优清洗效果的冷热介质进口浓度。本发明能够计算得到在最优流速调控进而使热交换量最大情况下的最优冷热介质进口的浓度，进而调控最优的冷热清洁剂的输入浓度，进而从冷热介质清洁剂的输入速度、输出速度以及输入浓度三方面来调控换热除垢系统的运行，进而使系统对管壳式换热器的清洁效果达到最优。
Description
技术领域
本发明属于换热器技术领域，具体涉及多热源换热器的换热除垢系统及方法。
背景技术
管壳式换热器作为石油化工行业以及热水供暖系统中广泛应用的换热设备，其结垢问题越来越受到人们的关注。随着油田的深度开采及聚合物驱油技术的广泛应用，原油品质逐渐发生变化，导致管壳式原油换热器结垢现象严重；用于热水供暖系统的管壳式换热器则容易在换热过程中累积水中的碳酸钙等矿物质成分，形成水垢，对石油管壳式换热器以及热水供暖系统中的影响了设备的正常运行和经济效益。
换热过程中的热源，一般是蒸汽或者燃气，在这里热源所释放的热量传给工艺介质并与冷介质进行热交换，对热介质进行降温或对冷介质进行升温。按工质状态，可以将污垢分为液侧污垢和气侧污垢。在管壳式换热器换热过程中的通常为液侧污垢，液侧污垢通常是液态工质与换热面接触所形成的污垢。一般来说，液侧污垢可粗略的分为两大类：水垢和污泥。常见的水垢，在蒸发设备中主要有碳酸钙、硫酸钙、硅酸钙、镁垢、氧化铁和磷酸盐等。
污垢不仅恶化换热器的传热性能，增加了能量消耗，而且随着污垢层厚度增加，流通面积减小，在流量恒定的情况下，导致平均流速的减小。此外，污垢使流道的粗糙度增加，增加了摩擦阻力损失和局部阻力损失，这必然引起整个换热器的流动阻力的增大。污垢的积聚常常会引起局部过热或超温，导致设备机械性能下降，局部腐蚀乃至穿孔，容易引发事故，严重威胁换热设备的安全运行。
发明内容
本发明针对上述缺陷，提供一种多热源换热器的换热除垢系统及方法。本发明能够计算得到在最优流速调控进而使热交换量最大情况下的最优冷热介质进口的浓度和，进而调控最优的冷热清洁剂的输入浓度，进而从冷热介质清洁剂的输入速度、输出速度以及输入浓度三方面来调控换热除垢系统的运行，进而使系统对管壳式换热器的清洁效果达到最优。
本发明提供如下技术方案：多热源换热器的换热除垢方法，所述方法用于管壳式换热器内的换热管和换热壳的清洗，冷介质清洗剂从左至右流经管程，热介质清洗剂从右下侧至左上侧流经壳程，所述热介质清洗剂途径多个折流板折流，冷介质清洗剂和热介质清洗剂均采用现有技术中的清洗剂，所述方法包括以下步骤：
S1、实时监测冷介质进口及出口数据信息、热介质进口及出口数据信息；
所述冷介质进口及出口数据信息包括：冷介质进口水流速率vc,i和冷介质出口水流速率vc,o，冷介质进口清洗剂目标离子浓度Bc,i，冷介质进口水温Tc,i和冷介质出口水温Tc,o；
所述热介质进口及出口数据信息包括：热介质进口水流速率vh,i、热介质出口水流速率vh,o，热介质进口清洗剂目标离子浓度Bh,i，热介质进口水温Th,i和热介质出口水温Th,o；
S2、在热介质壳程湍流稳定、冷介质管程稳流以及热介质压降和冷介质压降的限定条件下，求取冷热介质在管壳式换热器内热交换量最大时的冷介质进出口最优水流速率以及热介质进出口最优水流速率；
S3、在所述S2步骤求解得到的结果基础上，构建清洗效果检测模型，求取冷热介质的进出口最优速率情况下，达到最优清洗效果的冷热介质进口浓度。
进一步地，所述S2步骤包括以下步骤：
S21、构建热介质壳程湍流模型；
S22、构建冷介质管程稳流模型；
S23、计算热介质流经整个管壳式换热器后的第一压降ΔP1和冷介质流经整个管壳式换热器后的第二压降ΔP2：
其中，θ1为热介质在管壳式换热器壳体内的有效粘度，λ为热介质在管壳式换热器内流通时与壳体、折流板和换热管外壁的摩擦系数，λ＝0.23，L为管壳式换热器换热管的长度；θ2为冷介质在管壳式换热器换热管内的有效粘度；ρ为管壳式换热器内作为冷介质和热介质的清洗剂的密度，N为换热管数量，D为管壳式换热器壳体内直径，d为单根换热管直径；
S24、构建冷热介质热交换平衡方程：
其中，为单位时间内热介质流通质量，/>为单位时间内冷介质流通质量，Cs,h为热介质比热容，Cs,c为冷介质比热容，Th,i为所述S1步骤实时监测得到的热介质进口水温，Th,o为所述S1步骤实时监测得到的热介质出口水温，Tc,i为所述S1步骤实时监测得到的冷介质进口水温，Tc,o为所述S1步骤实时监测得到的冷介质出口水温；
求解在所述S21步骤构建的热介质壳程湍流模型限定的热介质壳程湍流稳定条件，在所述S22步骤构建的冷介质管程稳流模型限定的冷介质稳流条件以及所述S23步骤计算得到的热介质流经整个管壳式换热器后的第一压降ΔP1和冷介质流经整个管壳式换热器后的第二压降ΔP2满足ΔP1>ΔP2>0条件下的最优热介质进口水流速率最优热介质出口水流速率/>和最优冷介质进口水流速率/>和冷介质出口水流速率/>
进一步地，所述S24步骤中单位时间内热介质流通质量的计算公式和单位时间内冷介质流通质量/>分别如下：
进一步地，所述S21步骤中构建热介质壳程湍流模型包括以下步骤：
S211、计算热介质在管壳式换热器壳体内的湍流动能k1、热介质在管壳式换热器壳体内的湍流动能耗散率ε1：
其中，S1为热介质的湍流强度；；
其中，和/>分别为t时刻笛卡尔坐标系下热介质进口x轴速率、y轴速率和z轴速率，/>和/>分别为t时刻笛卡尔坐标系下热介质出口x轴速率、y轴速率和z轴速率；
S212、根据所述S211步骤的计算结果，计算热介质在管壳式换热器壳体内的有效粘度θ1：
S213、计算热介质湍流动能普朗特数σk1、热介质湍流耗散普朗特数σε1以及平均速度梯度产生的湍流动能Gk1：
其中，Re1为热介质雷诺数，Re1＝ρ(vh,i-vh,o)D/θ1；
为梯度算子；
S214、根据所述S211-S213的计算结果，构建热介质壳程湍流模型：
进一步地，所述S211步骤中热介质的湍流强度的计算公式如下
进一步地，所述S22步骤中构建冷介质管程稳流模型包括以下步骤：
S221、计算冷介质在管壳式换热器内的稳流动能k2、冷介质在管壳式换热器换热管内的稳流动能耗散率ε2：
其中，和/>分别为t时刻笛卡尔坐标系下冷介质进口x轴水流速率、y轴水流速率和z轴水流速率，/>和/>分别为t时刻笛卡尔坐标系下冷介质出口x轴水流速率、y轴水流速率和z轴水流速率；
S222、根据所述S221步骤的计算结果，计算冷介质在管壳式换热器多个换热管内的有效粘度θ2：
S223、计算冷介质稳流动能普朗特数σk2：
其中，Re2为冷介质雷诺数，Re2＝ρ(vc,i-vc,o)Nd/θ2；
S224、构建冷介质管程温流模型：
其中，为t时刻笛卡尔坐标系下冷介质出口x轴水流速率的离均差， 为被监测时间范围T内的笛卡尔坐标系下冷介质出口x轴水流速率的平均值，
进一步地，所述S3步骤包括以下步骤：
S31、计算t时刻冷介质出口清洗剂目标离子浓度Bc,o和t时刻热介质出口清洗剂目标离子浓度Bh,o：
其中，f(vc,i,vc,o,t)为冷介质清洗剂目标离子衰减函数， 即单个换热管的横截面积，ΔP2为所述S2步骤中的冷介质压降；f(vh,i,vh,o,t)为热介质清洗剂目标离子衰减函数，/> 即管壳式换热器壳体的横截面积，ΔP2为所述S2步骤中的热介质压降；
S32、将所述S2步骤计算得到的最优热介质进口水流速率最优热介质出口水流速率/>和最优冷介质进口水流速率/>和冷介质出口水流速率/>代入至所述S31步骤中，求得在冷介质进口及出口水流速率、热介质进口及出口水流速率均最优情况下的最优冷介质出口清洗剂目标离子浓度/>和最优热介质出口清洗剂目标离子浓度/>
S33、采用启发式算法优化所述S32步骤得到的最优冷介质出口清洗剂目标离子浓度和最优热介质出口清洗剂目标离子浓度/>
S34、根据所述S33步骤优化后得到的最优冷介质出口清洗剂目标离子浓度的准确值是否在冷介质出口清洗剂目标离子阈值范围内，且最优热介质出口清洗剂目标离子浓度的准确值/>是否在热介质出口清洗剂目标离子阈值范围内，若均是，则停止冷介质清洗剂和热介质清洗剂的输入，完成换热除垢；否则重复所述步骤S31-S34。
进一步地，所述S33步骤采用启发式算法优化，包括以下步骤：
S331、构建启发式优化迭代模型：
其中，i代表启发式优化种群中的第i个个体，i＝1,2,…,I；j代表启发式优化种群中的第j个维度，j＝1,2,…,J；m代表启发式优化迭代的第m代，m＝1,2…,M；和分别为最优冷介质出口清洗剂目标离子浓度第m代的第i个个体在第j维上经过启发式迭代更新优化前、更新优化后的结果，/>和/>分别为最优冷介质出口清洗剂目标离子浓度第m代在第j维上的准确度最优个体、准确度最差个体，为/>的绝对值；rc,1为冷介质出口第一迭代系数，rc,2为冷介质出口第二迭代系数；
和/>分别为最优热介质出口清洗剂目标离子浓度第m代的第i个个体在第j维上经过启发式迭代更新优化前、更新优化后的结果，/>和分别为最优热介质出口清洗剂目标离子浓度第m代在第j维上的准确度最优个体、准确度最差个体，/>为/>的绝对值；rh,1为热介质出口第一迭代系数，rh,2为热介质出口第二迭代系数；rc,1、rc,2、rh,1和rh,2均为属于[0,1]范围内的随机数；
S332、构建目标离子浓度优化终止值计算函数；
其中，qc,o为最优冷介质出口清洗剂目标离子浓度优化终止值，qh,o为最优热介质出口清洗剂目标离子浓度优化终止值；
S333、判断最优冷介质出口清洗剂目标离子浓度优化终止值qc,o和最优热介质出口清洗剂目标离子浓度优化终止值qh,o是否均大于0.9，若是，则终止迭代优化，将第m代迭代优化结果和/>分别作为最优冷介质出口清洗剂目标离子浓度的准确值/>和最优热介质出口清洗剂目标离子浓度的准确值/>输出，否则重复所述S331-S332步骤。
本发明还提供采用如上所述方法的多热源换热器的换热除垢系统，包括数据采集模块、冷热介质流速优化模块和清洗效果检测模块；
所述数据采集模块，用于实时监测冷介质进口及出口数据信息、热介质进口及出口数据信息；
所述冷介质进口及出口数据信息包括：冷介质进口水流速率vc,i和冷介质出口水流速率vc,o，冷介质进口清洗剂目标离子浓度Bc,i，冷介质进口水温Tc,i和冷介质出口水温Tc,o；
所述热介质进口及出口数据信息包括：热介质进口水流速率vh,i、热介质出口水流速率vh,o，热介质进口清洗剂目标离子浓度Bh,i，热介质进口水温Th,i和热介质出口水温Th,o；
所述冷热介质流速优化模块，用于在热介质壳程湍流稳定、冷介质管程稳流以及热介质压降和冷介质压降的限定条件下，求取冷热介质在管壳式换热器内热交换量最大时的冷介质进出口最优水流速率以及热介质进出口最优水流速率；
所述清洗效果检测模块，用于在冷热介质流速优化模块求解得到的结果基础上，构建清洗效果检测模型，求取冷热介质的进出口最优速率情况下，达到最优清洗效果的冷热介质进口浓度。
本发明的有益效果为：
1、本发明通过实时监测冷介质进口和出口、热介质进口和出口的实时流速以及浓度，先构建热介质壳程湍流模型和冷介质管程稳流模型，在热介质压降大于冷介质压降且二者均大于零以及上述热介质壳程湍流模型和冷介质管程稳流模型的限定条件下，求取清洗剂在冷、热两种温度状态下，分别通过冷介质进口和热介质进口通入后，分别进行管程和壳程在管壳式换热器内一边换热一边对管壳式换热器内进行清洗，热介质流通壳程过程中，对位于壳体内的管壳式换热器壳内壁、折流板以及多个换热管外壁进行清洗，同时冷介质流通管程，对多个换热管内壁进行清洗，然后热介质和冷介质再分别通过热介质出口和冷介质出口流出，通过求取使冷热清洁剂作为冷热介质在管壳式换热器内热交换量最大时的冷热介质进口和出口的最优流速速率，可以优化调控冷热清洁剂的最优输入和输出速度，在获得了最优的冷热介质进口和出口的流速后，再次代入清洗效果检测模型中，优化在最优流速调控进而使热交换量最大情况下的最优冷热介质进口的浓度Bh,i和Bc,i，进而调控最优的冷热清洁剂的输入浓度，进而从冷热介质清洁剂的输入速度、输出速度以及输入浓度三方面来调控换热除垢系统的运行，进而使系统对管壳式换热器的清洁效果达到最优。
2、本发明在S2步骤中，通过考虑冷介质进口和出口的水流速率差(vc,o-vc,i)造成的单位时间内冷介质流通质量和冷介质流经整个管壳式换热器后的第二压降ΔP2，以及热介质进口和出口水流速率差(vh,o-vh,i)造成的单位时间内热介质流通质量/>和热介质流经整个管壳式换热器后的第一压降ΔP1，进而有效地考虑到冷介质和热介质分别在其进口和出口的水流速率差的作用下在管壳式换热器内对换热管以及壳体内的壳内壁、折流板以及换热管外壁清洗效果的不同，由于速率差不仅起到了冷热介质被推动而冲刷所清洗表面的快慢，也影响了在管壳式换热器内的热交换量，热交换量大的情况下，在管壳式换热器内，有利于冷介质被加热同时热介质被冷却，进而二者同时达到清洗剂与被清洗表面污垢或污泥发生化学反应的最优温度，此温度也正是二者热交换所达到的恒温，因此，通过S2步骤求解在构建的热介质壳程湍流模型限定的热介质壳程湍流稳定条件，在构建的冷介质管程稳流模型限定的冷介质稳流条件以及计算得到的热介质流经整个管壳式换热器后的第一压降ΔP1和冷介质流经整个管壳式换热器后的第二压降ΔP2满足ΔP1>ΔP2>0条件下的最优热介质进口水流速率/>最优热介质出口水流速率/>和最优冷介质进口水流速率/>和冷介质出口水流速率/>有利于充分发挥管壳式换热器换热达到恒温，进而使冷热介质清洗剂达到最优化学反应的清洗温度的同时也有利于发挥冷热介质的液体流动性质，进而充分发挥其物理冲刷性能。
3、在构建冷介质管程稳流模型以及热介质壳程湍流模型过程中，充分考虑了冷介质形成的稳流动能k2、稳流动能耗散率ε2以及热介质形成的湍流动能k1和湍流动能耗散率ε1，进而分别计算出冷介质的有效粘度θ2和热介质的有效粘度θ1，进而分别根据自身的液体流动情况以及在各自的进口和出口速度数据构建稳流模型和湍流模型，有效地根据不同的情况构建相应有针对性的动态模型，提高了最优热介质进口水流速率最优热介质出口水流速率/>和最优冷介质进口水流速率/>和冷介质出口水流速率/>的计算精确性。
4、本发明通过在计算得到的最优热介质进口水流速率最优热介质出口水流速率/>和最优冷介质进口水流速率/>和冷介质出口水流速率/>基础上构建清洗效果检测模型，求取冷热介质的进出口最优速率情况下，达到最优清洗效果的冷热介质进口浓度，并进一步采用启发式优化迭代算法优化计算得到的结果，相对于现有技术的ANN算法(人工神经网络算法)、CNN算法(卷积神经网络算法)、GA(遗传算法)和BP算法(误差后向传播算法)提高了计算的准确度。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1为本发明提供的多热源换热器的换热除垢方法的流程示意图；
图2为采用本发明提供的方法清洗的管壳式换热器结构正视图；
图3为采用本发明提供的方法进行管壳式换热器清洗过程中不同的冷热介质进出口水流速率差情况下的容器内热交换量差值变化情况图；
图4为采用本发明提供的方法在S3步骤采用启发式算法以及现有技术优化算法优化冷热介质出口清洗剂目标离子浓度的准确率比较图；
图5为采用本发明提供的方法的多热源换热器的换热除垢系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，为本发明提供的一种多热源换热器的换热除垢方法的流程示意图，本发明提供的方法用于如图2所示的管壳式换热器内的换热管和换热壳的清洗，图中向左倾斜的剖面线代表管壳式换热器正视图的壳体截面，黑色箭头代表的冷介质清洗剂从左至右流经冷介质入口、多个换热管和冷介质出口组成的管程，灰色箭头代表的热介质清洗剂从右下侧至左上侧流经热介质进口、向右斜剖面线代表的壳体内换热管外空间以及热介质出口组成的壳程，在壳程内热介质清洗剂途径多个折流板折流，冷介质清洗剂和热介质清洗剂均采用现有技术中的清洗剂，如申请号为202110806879.9公开的一种能够清洗垢质的换热器清洗剂、申请号为202111170268.6公开的一种换热器结垢清洗剂、制备方法及使用方法中的清洗剂以及申请号为201710282906.0公开的一种换热器用快速除油清洗剂及其使用方法中公开的除油清洗剂；
热介质预加热至预设温度Th,i从右下侧的热介质进口进入，方法包括以下步骤：
S1、实时监测冷介质进口及出口数据信息、热介质进口及出口数据信息；
冷介质进口及出口数据信息包括：冷介质进口水流速率vc,i和冷介质出口水流速率vc,o，冷介质进口清洗剂目标离子浓度Bc,i，冷介质进口水温Tc,i和冷介质出口水温Tc,o；
热介质进口及出口数据信息包括：热介质进口水流速率vh,i、热介质出口水流速率vh,o，热介质进口清洗剂目标离子浓度Bh,i，热介质进口水温Th,i和热介质出口水温Th,o；
S2、在热介质壳程湍流稳定、冷介质管程稳流以及热介质压降和冷介质压降的限定条件下，求取冷热介质在管壳式换热器内热交换量最大时的冷介质进出口最优水流速率以及热介质进出口最优水流速率；
S3、在S2步骤求解得到的结果基础上，构建清洗效果检测模型，求取冷热介质的进出口最优速率情况下，达到最优清洗效果的冷热介质进口浓度。
为了保证求得冷热介质字管壳式换热器内热交换量最大时冷介质进出口最优水流速率以及热介质进出口最优水流速率的准确性，需要对冷热介质热交换量最大值求取时的条件进行限定，由于热介质清洁剂如图2所示在壳程内需要不断翻折上下流经多个折流板，进而会形成湍流，而冷介质清洁剂则是从冷介质进口至冷介质出口进需要经过多个换热管的分流即可，在多个换热管内从左至右是稳定流通的状态，且无论冷介质清洁剂还是热介质清洁剂均需要在进口处的压强大于出口处的压强，才会保证冷热介质从进口进入后能从出口处流出，因此需要保证冷介质清洁剂的第一压降大于0，热介质清洁剂的第二压降也大于0，且热介质清洁剂由于进口在下、出口在上，冷介质清洁剂的进口和出口处于同一水平面上，因此需要第二压降大于第一压降，因此，作为本发明的一个优选实施例，S2步骤包括以下步骤：
S21、构建热介质壳程湍流模型；
S22、构建冷介质管程稳流模型；
S23、计算热介质流经整个管壳式换热器后的第一压降ΔP1和冷介质流经整个管壳式换热器后的第二压降ΔP2：
其中，θ1为热介质在管壳式换热器壳体内的有效粘度，λ为热介质在管壳式换热器内流通时与壳体、折流板和换热管外壁的摩擦系数，λ＝0.23，L为管壳式换热器换热管的长度；θ2为冷介质在管壳式换热器换热管内的有效粘度；ρ为管壳式换热器内作为冷介质和热介质的清洗剂的密度，在通入管壳式换热器前采用密度测量仪进行测量，N为换热管数量，D为管壳式换热器壳体内直径，d为单根换热管直径；
S24、构建冷热介质热交换平衡方程：
其中，为单位时间内热介质流通质量，/>为单位时间内冷介质流通质量，Cs,h为热介质比热容，Cs,c为冷介质比热容，Th,i为S1步骤实时监测得到的热介质进口水温，Th,o为S1步骤实时监测得到的热介质出口水温，Tc,i为S1步骤实时监测得到的冷介质进口水温，Tc,o为S1步骤实时监测得到的冷介质出口水温；
求解在S21步骤构建的热介质壳程湍流模型限定的热介质壳程湍流稳定条件，在S22步骤构建的冷介质管程稳流模型限定的冷介质稳流条件以及S23步骤计算得到的热介质流经整个管壳式换热器后的第一压降ΔP1和冷介质流经整个管壳式换热器后的第二压降ΔP2满足ΔP1>ΔP2>0条件下的最优热介质进口水流速率最优热介质出口水流速率/>和最优冷介质进口水流速率/>和冷介质出口水流速率/>
如图3所示，为采用本发明提供的多热源换热器的换热除垢方法根据S1步骤实时采集到的冷介质进口水流速率vc,i、冷介质出口水流速率vc,o，热介质进口水流速率vh,i和热介质出口水流速率vh,o计算得到的冷介质流通速率差Δvc＝(vc,i-vc,o)热介质流通速率差Δvh＝(vh,i-vh,o)的不同情况下，在管壳式换热器内形成的交换热量ΔQ变化情况图，随着冷热介质速率差的变化，会导致冷热介质热交换平衡时的热交换量不同。
进一步地，S24步骤中单位时间内热介质流通质量的计算公式和单位时间内冷介质流通质量/>分别如下：
为了明确热介质清洁剂在壳程内由于湍流对热介质湍流模型的影响，有必要对热介质在管壳式换热器内的湍流动能k1、热介质在管壳式换热器壳体内的湍流动能耗散率ε1以及二者影响的热介质有效粘度对热介质壳程湍流方程的影响，作为本发明的另一个优选实施例，S21步骤中构建热介质壳程湍流模型包括以下步骤：
S211、计算热介质在管壳式换热器壳体内的湍流动能k1、热介质在管壳式换热器壳体内的湍流动能耗散率ε1：
其中，为监测时间范围T内的热介质壳程流动平均速度，S1为热介质的湍流强度；；
其中，和/>分别为t时刻笛卡尔坐标系下热介质进口x轴水流速率、y轴水流速率和z轴水流速率，/>和/>分别为t时刻笛卡尔坐标系下热介质出口x轴水流速率、y轴水流速率和z轴水流速率；/>因此，t时刻笛卡尔坐标系下热介质进口x轴水流速率/>y轴水流速率/>和z轴水流速率/>可以根据vh,i在笛卡尔坐标系内分别相对于笛卡尔坐标系x轴微分/>y轴微分/>和z轴微分/>得到；上述计算方法同样适用于t时刻笛卡尔坐标系下热介质出口x轴水流速率/>y轴水流速率/>和z轴水流速率/>
S212、根据S211步骤的计算结果，计算热介质在管壳式换热器壳体内的有效粘度θ1：
S213、计算热介质湍流动能普朗特数σk1、热介质湍流耗散普朗特数σε1以及平均速度梯度产生的湍流动能Gk1：
/>
其中，Re1为热介质雷诺数，Re1＝ρ(vh,i-vh,o)D/θ1；/>为热介质雷诺数Re1的0.9次幂；
为梯度算子，/>为在监测时间范围T内的热介质进口水流速率与热介质出口水流速率差值(vh,i-vh,o)的均值，/>
S214、根据S211-S213的计算结果，构建热介质壳程湍流模型：
其中，为t时刻笛卡尔坐标系下冷介质出口x轴水流速率，/>为/>的简写，为t时刻笛卡尔坐标系下冷介质出口y轴水流速率，/>为t时刻笛卡尔坐标系下冷介质出口z轴水流速率。
进一步地，S211步骤中热介质的湍流强度的计算公式如下
为了明确冷介质清洁剂在壳程内由于稳流对冷介质湍流模型的影响，有必要对冷介质在管壳式换热器内的稳流动能k2、冷介质在管壳式换热器壳体内的湍流动能耗散率ε2以及二者影响的冷介质有效粘度对冷介质管程稳流方程的影响，，S22步骤中构建冷介质管程稳流模型包括以下步骤：
S221、计算冷介质在管壳式换热器内的稳流动能k2、冷介质在管壳式换热器换热管内的稳流动能耗散率ε2：
其中，为监测时间范围T内的冷介质管程流动平均速度，由于冷介质在管程内是稳流状态，因此，冷介质的稳流强度为1；
其中，和/>分别为t时刻笛卡尔坐标系下冷介质进口x轴水流速率、y轴水流速率和z轴水流速率，/>和/>分别为t时刻笛卡尔坐标系下冷介质出口x轴水流速率、y轴速率和z轴水流速率；
S222、根据S221步骤的计算结果，计算冷介质在管壳式换热器多个换热管内的有效粘度θ2：
S223、计算冷介质稳流动能普朗特数σk2：
其中，Re2为冷介质雷诺数，Re2＝ρ(vc,i-vc,o)Nd/θ2；/>为冷介质雷诺数Re2的1.1次幂；
S224、构建冷介质管程温流模型：
其中，为t时刻笛卡尔坐标系下冷介质出口x轴水流速率的离均差，/>为的简写，/> 为被监测时间范围T内的笛卡尔坐标系下冷介质出口x轴水流速率的平均值，/>即因此，可以通过S1步骤实时监测得到的/>和计算得到的/>进一步计算得到t时刻笛卡尔坐标系下冷介质出口x轴水流速率的离均差
为/>的简写；对于t时刻笛卡尔坐标系下冷介质出口y轴水流速率/>z轴水流速率/>以及t时刻笛卡尔坐标系下冷介质进口x轴水流速率/>y轴水流速率/>和z轴水流速率/>也符合上述离均差计算公式。
为了在冷介质进口和出口水流速率达到最优，且热介质进口和出口水流速度达到最优的情况下(保证了冷热介质在管壳式换热器热交换量最大情况下)使热介质清洗剂对壳体内的壳内壁、换热管外壁以及折流板表面清洗效率最大且冷介质清洗剂流经的多个换热管的换热管内壁清洗效率达到最大，有必要对冷热介质清洗剂目标离子在各自出口的浓度进行计算优化进而限制，使清洗剂中的目标离子浓度达到低浓度，进而保证在管壳式换热器内被有效地消耗，与需要清洗的目标污垢进行化学反应而瓦解污垢，达到最优的清洗效果，S3步骤包括以下步骤：
S31、计算t时刻冷介质出口清洗剂目标离子浓度Bc,o和t时刻热介质出口清洗剂目标离子浓度Bh,o：
其中，Bc,i(t)为S1步骤实时监测得到的冷介质进口清洗剂目标离子浓度Bc,i的t时刻表达式，即Bc,i为Bc,i(t)的简写；Bh,i(t)为S1步骤实时监测得到的热介质进口清洗剂目标离子浓度Bh,i的t时刻表达式，即Bh,i为Bh,i(t)的简写；
其中，f(vc,i,vc,o,t)为冷介质清洗剂目标离子衰减函数， 即单个换热管的横截面积，ΔP2为S2步骤中的冷介质压降；f(vh,i,vh,o,t)为热介质清洗剂目标离子衰减函数，/> 即管壳式换热器壳体的横截面积，ΔP2为S2步骤中的热介质压降；
S32、将S2步骤计算得到的最优热介质进口水流速率最优热介质出口水流速率/>和最优冷介质进口水流速率/>和冷介质出口水流速率/>代入至S31步骤中，求得在冷介质进口及出口水流速率、热介质进口及出口水流速率均最优情况下的最优冷介质出口清洗剂目标离子浓度/>和最优热介质出口清洗剂目标离子浓度/>
S33、采用启发式算法优化S32步骤得到的最优冷介质出口清洗剂目标离子浓度和最优热介质出口清洗剂目标离子浓度/>
S34、根据S33步骤优化后得到的最优冷介质出口清洗剂目标离子浓度的准确值是否在冷介质出口清洗剂目标离子阈值范围内，且最优热介质出口清洗剂目标离子浓度的准确值/>是否在热介质出口清洗剂目标离子阈值范围内，若均是，则停止冷介质清洗剂和热介质清洗剂的输入，完成换热除垢；否则重复步骤S31-S34。
为了提高最优冷热介质出口清洗剂目标离子浓度计算的准确度，有必要对S32步骤计算得到的最优情况下的最优冷介质出口清洗剂目标离子浓度和最优热介质出口清洗剂目标离子浓度/>进一步进行迭代优化，因此，作为本发明的另一个优选实施例，S33步骤采用启发式算法优化，包括以下步骤：
S331、构建启发式优化迭代模型：
/>
其中，i代表启发式优化种群中的第i个个体，i＝1,2,…,I；j代表启发式优化种群中的第j个维度，j＝1,2,…,J；m代表启发式优化迭代的第m代，m＝1,2…,M；和分别为最优冷介质出口清洗剂目标离子浓度第m代的第i个个体在第j维上经过启发式迭代更新优化前、更新优化后的结果，/>和/>分别为最优冷介质出口清洗剂目标离子浓度第m代在第j维上的准确度最优个体、准确度最差个体，为/>的绝对值；rc,1为冷介质出口第一迭代系数，rc,2为冷介质出口第二迭代系数；/>为将最优冷介质出口清洗剂目标离子浓度的当前个体朝着靠近当代准确度最优个体调整的计算部分，为将最优冷介质出口清洗剂目标离子浓度的当前个体朝着远离当代准确度最差个体调整的计算部分；
和/>分别为最优热介质出口清洗剂目标离子浓度第m代的第i个个体在第j维上经过启发式迭代更新优化前、更新优化后的结果，/>和分别为最优热介质出口清洗剂目标离子浓度第m代在第j维上的准确度最优个体、准确度最差个体，/>为/>的绝对值；rh,1为热介质出口第一迭代系数，rh,2为热介质出口第二迭代系数；/>为将最优热介质出口清洗剂目标离子浓度的当前个体朝着靠近当代准确度最优个体调整的计算部分，为将最优热介质出口清洗剂目标离子浓度的当前个体朝着远离当代准确度最差个体调整的计算部分；rc,1、rc,2、rh,1和rh,2均为属于[0,1]范围内的随机数，可以相等也可以不相等；通过调整rc,1和rc,2的大小，调整逼近最优冷介质出口清洗剂目标离子浓度的准确值/>的能力；通过调整rh,1和rh,2的大小，调整逼近最优热介质出口清洗剂目标离子浓度的准确值/>的能力；
S332、构建目标离子浓度优化终止值计算函数；
其中，qc,o为最优冷介质出口清洗剂目标离子浓度优化终止值，qh,o为最优热介质出口清洗剂目标离子浓度优化终止值；
S333、判断最优冷介质出口清洗剂目标离子浓度优化终止值qc,o和最优热介质出口清洗剂目标离子浓度优化终止值qh,o是否均大于0.9，若是，则终止迭代优化，将第m代迭代优化结果和/>分别作为最优冷介质出口清洗剂目标离子浓度的准确值/>和最优热介质出口清洗剂目标离子浓度的准确值/>输出，否则重复S331-S332步骤。
如图5所示，本发明还提供采用如上所述方法的多热源换热器的换热除垢系统，包括数据采集模块、冷热介质流速优化模块和清洗效果检测模块；
数据采集模块，用于实时监测冷介质进口及出口数据信息、热介质进口及出口数据信息；
冷介质进口及出口数据信息包括：冷介质进口水流速率vc,i和冷介质出口水流速率vc,o，冷介质进口清洗剂目标离子浓度Bc,i，冷介质进口水温Tc,i和冷介质出口水温Tc,o；
热介质进口及出口数据信息包括：热介质进口水流速率vh,i、热介质出口水流速率vh,o，热介质进口清洗剂目标离子浓度Bh,i，热介质进口水温Th,i和热介质出口水温Th,o；
冷热介质流速优化模块，用于在热介质壳程湍流稳定、冷介质管程稳流以及热介质压降和冷介质压降的限定条件下，求取冷热介质在管壳式换热器内热交换量最大时的冷介质进出口最优水流速率以及热介质进出口最优水流速率；
清洗效果检测模块，用于在冷热介质流速优化模块求解得到的结果基础上，构建清洗效果检测模型，求取冷热介质的进出口最优速率情况下，达到最优清洗效果的冷热介质进口浓度。
进一步优选地，所述激光器的额定功率为600W，TIG焊枪工作时的焊接电流为75A。
本申请提供的换热器管板焊接方法可采用在一个或多个其中包含有程序代码的存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。机器可读存储介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体，可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。机器可读存储介质的例子包括但不限于：相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。
需要说明的是，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。并且本文中的术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、装置、物品或者方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、装置、物品或者方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、装置、物品或者方法中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.多热源换热器的换热除垢方法，所述方法用于管壳式换热器内的换热管和换热壳的清洗，冷介质清洗剂从左至右流经管程，热介质清洗剂从右下侧至左上侧流经壳程，所述热介质清洗剂途径多个折流板折流，冷介质清洗剂和热介质清洗剂均采用现有技术中的清洗剂，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、实时监测冷介质进口及出口数据信息、热介质进口及出口数据信息；
所述冷介质进口及出口数据信息包括：冷介质进口水流速率vc,i和冷介质出口水流速率vc,o，冷介质进口清洗剂目标离子浓度Bc,i，冷介质进口水温Tc,i和冷介质出口水温Tc,o；
所述热介质进口及出口数据信息包括：热介质进口水流速率vh,i、热介质出口水流速率vh,o，热介质进口清洗剂目标离子浓度Bh,i，热介质进口水温Th,i和热介质出口水温Th,o；
S2、在热介质壳程湍流稳定、冷介质管程稳流以及热介质压降和冷介质压降的限定条件下，求取冷热介质在管壳式换热器内热交换量最大时的冷介质进出口最优水流速率以及热介质进出口最优水流速率；
S3、在所述S2步骤求解得到的结果基础上，构建清洗效果检测模型，求取冷热介质的进出口最优速率情况下，达到最优清洗效果的冷热介质进口浓度。
2.根据权利要求1所述的多热源换热器的换热除垢方法，其特征在于，所述S2步骤包括以下步骤：
S21、构建热介质壳程湍流模型；
S22、构建冷介质管程稳流模型；
S23、计算热介质流经整个管壳式换热器后的第一压降ΔP1和冷介质流经整个管壳式换热器后的第二压降ΔP2：
其中，θ1为热介质在管壳式换热器壳体内的有效粘度，λ为热介质在管壳式换热器内流通时与壳体、折流板和换热管外壁的摩擦系数，λ＝0.23，L为管壳式换热器换热管的长度；θ2为冷介质在管壳式换热器换热管内的有效粘度；ρ为管壳式换热器内作为冷介质和热介质的清洗剂的密度，N为换热管数量，D为管壳式换热器壳体内直径，d为单根换热管直径；
S24、构建冷热介质热交换平衡方程：
其中，为单位时间内热介质流通质量，/>为单位时间内冷介质流通质量，Cs,h为热介质比热容，Cs,c为冷介质比热容，Th,i为所述S1步骤实时监测得到的热介质进口水温，Th,o为所述S1步骤实时监测得到的热介质出口水温，Tc,i为所述S1步骤实时监测得到的冷介质进口水温，Tc,o为所述S1步骤实时监测得到的冷介质出口水温；
求解在所述S21步骤构建的热介质壳程湍流模型限定的热介质壳程湍流稳定条件，在所述S22步骤构建的冷介质管程稳流模型限定的冷介质稳流条件以及所述S23步骤计算得到的热介质流经整个管壳式换热器后的第一压降ΔP1和冷介质流经整个管壳式换热器后的第二压降ΔP2满足ΔP1>ΔP2>0条件下的最优热介质进口水流速率最优热介质出口水流速率/>和最优冷介质进口水流速率/>和冷介质出口水流速率/>
3.根据权利要求2所述的多热源换热器的换热除垢方法，其特征在于，所述S24步骤中单位时间内热介质流通质量的计算公式和单位时间内冷介质流通质量/>分别如下：
4.根据权利要求2所述的多热源换热器的换热除垢方法，其特征在于，所述S21步骤中构建热介质壳程湍流模型包括以下步骤：
S211、计算热介质在管壳式换热器壳体内的湍流动能k1、热介质在管壳式换热器壳体内的湍流动能耗散率ε1：
其中，S1为热介质的湍流强度；；
其中，和/>分别为t时刻笛卡尔坐标系下热介质进口x轴速率、y轴速率和z轴速率，/>和/>分别为t时刻笛卡尔坐标系下热介质出口x轴速率、y轴速率和z轴速率；
S212、根据所述S211步骤的计算结果，计算热介质在管壳式换热器壳体内的有效粘度θ1：
S213、计算热介质湍流动能普朗特数σk1、热介质湍流耗散普朗特数σε1以及平均速度梯度产生的湍流动能Gk1：
其中，Re1为热介质雷诺数，Re1＝ρ(vh,i-vh,o)D/θ1；
为梯度算子；
S214、根据所述S211-S213的计算结果，构建热介质壳程湍流模型：
5.根据权利要求4所述的多热源换热器的换热除垢方法，其特征在于，所述S211步骤中热介质的湍流强度的计算公式如下
6.根据权利要求2所述的多热源换热器的换热除垢方法，其特征在于，所述S22步骤中构建冷介质管程稳流模型包括以下步骤：
S221、计算冷介质在管壳式换热器内的稳流动能k2、冷介质在管壳式换热器换热管内的稳流动能耗散率ε2：
其中，和/>分别为t时刻笛卡尔坐标系下冷介质进口x轴水流速率、y轴水流速率和z轴水流速率，/>和/>分别为t时刻笛卡尔坐标系下冷介质出口x轴水流速率、y轴水流速率和z轴水流速率；
S222、根据所述S221步骤的计算结果，计算冷介质在管壳式换热器多个换热管内的有效粘度θ2：
S223、计算冷介质稳流动能普朗特数σk2：
其中，Re2为冷介质雷诺数，Re2＝ρ(vc,i-vc,o)Nd/θ2；
S224、构建冷介质管程温流模型：
其中，为t时刻笛卡尔坐标系下冷介质出口x轴水流速率的离均差，/> 为被监测时间范围T内的笛卡尔坐标系下冷介质出口x轴水流速率的平均值，
7.根据权利要求1所述的多热源换热器的换热除垢方法，其特征在于，所述S3步骤包括以下步骤：
S31、计算t时刻冷介质出口清洗剂目标离子浓度Bc,o和t时刻热介质出口清洗剂目标离子浓度Bh,o：
其中，f(vc,i,vc,o,t)为冷介质清洗剂目标离子衰减函数， 即单个换热管的横截面积，ΔP2为所述S2步骤中的冷介质压降；f(vh,i,vh,o,t)为热介质清洗剂目标离子衰减函数，/>即管壳式换热器壳体的横截面积，ΔP2为所述S2步骤中的热介质压降；
S32、将所述S2步骤计算得到的最优热介质进口水流速率最优热介质出口水流速率/>和最优冷介质进口水流速率/>和冷介质出口水流速率/>代入至所述S31步骤中，求得在冷介质进口及出口水流速率、热介质进口及出口水流速率均最优情况下的最优冷介质出口清洗剂目标离子浓度/>和最优热介质出口清洗剂目标离子浓度/>
S33、采用启发式算法优化所述S32步骤得到的最优冷介质出口清洗剂目标离子浓度和最优热介质出口清洗剂目标离子浓度/>
S34、根据所述S33步骤优化后得到的最优冷介质出口清洗剂目标离子浓度的准确值是否在冷介质出口清洗剂目标离子阈值范围内，且最优热介质出口清洗剂目标离子浓度的准确值/>是否在热介质出口清洗剂目标离子阈值范围内，若均是，则停止冷介质清洗剂和热介质清洗剂的输入，完成换热除垢；否则重复所述步骤S31-S34。
8.根据权利要求7所述的多热源换热器的换热除垢方法，其特征在于，所述S33步骤采用启发式算法优化，包括以下步骤：
S331、构建启发式优化迭代模型：
其中，i代表启发式优化种群中的第i个个体，i＝1,2,…,I；j代表启发式优化种群中的第j个维度，j＝1,2,…,J；m代表启发式优化迭代的第m代，m＝1,2…,M；和分别为最优冷介质出口清洗剂目标离子浓度第m代的第i个个体在第j维上经过启发式迭代更新优化前、更新优化后的结果，/>和/>分别为最优冷介质出口清洗剂目标离子浓度第m代在第j维上的准确度最优个体、准确度最差个体，为/>的绝对值；rc,1为冷介质出口第一迭代系数，rc,2为冷介质出口第二迭代系数；
和/>分别为最优热介质出口清洗剂目标离子浓度第m代的第i个个体在第j维上经过启发式迭代更新优化前、更新优化后的结果，/>和/>分别为最优热介质出口清洗剂目标离子浓度第m代在第j维上的准确度最优个体、准确度最差个体，/>为/>的绝对值；rh,1为热介质出口第一迭代系数，rh,2为热介质出口第二迭代系数；rc,1、rc,2、rh,1和rh,2均为属于[0,1]范围内的随机数；
S332、构建目标离子浓度优化终止值计算函数；
其中，qc,o为最优冷介质出口清洗剂目标离子浓度优化终止值，qh,o为最优热介质出口清洗剂目标离子浓度优化终止值；
S333、判断最优冷介质出口清洗剂目标离子浓度优化终止值qc,o和最优热介质出口清洗剂目标离子浓度优化终止值qh,o是否均大于0.9，若是，则终止迭代优化，将第m代迭代优化结果和/>分别作为最优冷介质出口清洗剂目标离子浓度的准确值和最优热介质出口清洗剂目标离子浓度的准确值/>输出，否则重复所述S331-S332步骤。
9.采用如权利要求1-8任一所述方法的多热源换热器的换热除垢系统，其特征在于，包括数据采集模块、冷热介质流速优化模块和清洗效果检测模块；
所述数据采集模块，用于实时监测冷介质进口及出口数据信息、热介质进口及出口数据信息；
所述冷介质进口及出口数据信息包括：冷介质进口水流速率vc,i和冷介质出口水流速率vc,o，冷介质进口清洗剂目标离子浓度Bc,i，冷介质进口水温Tc,i和冷介质出口水温Tc,o；
所述热介质进口及出口数据信息包括：热介质进口水流速率vh,i、热介质出口水流速率vh,o，热介质进口清洗剂目标离子浓度Bh,i，热介质进口水温Th,i和热介质出口水温Th,o；
所述冷热介质流速优化模块，用于在热介质壳程湍流稳定、冷介质管程稳流以及热介质压降和冷介质压降的限定条件下，求取冷热介质在管壳式换热器内热交换量最大时的冷介质进出口最优水流速率以及热介质进出口最优水流速率；
所述清洗效果检测模块，用于在冷热介质流速优化模块求解得到的结果基础上，构建清洗效果检测模型，求取冷热介质的进出口最优速率情况下，达到最优清洗效果的冷热介质进口浓度。
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2023
- 2023-11-27 CN CN202311587865.8A patent/CN117433339A/zh active Pending
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