换热器优化设计
管翅式换热器优化设计方案方法(较为详细表述)
管翅式换热器性能及结构综合优化的热设计方法陈维汉周飚华中科技大学能源与动力工程学院摘要：本文给出一种由翅片<或肋片）管组成的管翅式换热器的优化设计新方法。
该方法的理论依据是给定换热器结构材料而使的换热量最大的两侧换热表面的最佳匹配准则和两侧流体流动换热过程最佳的结构尺寸准则，以及使可用能损失率最小的最佳运行参数准则。
利用三个准则间的关系，采用迭代方式完最终成换热器的优化设计。
这样的设计方法能使换热器的设计达到材料省、换热效果好与运行费用低的目的，且能在设计阶段实现。
关键词：管翅式换热器、换热表面间的最佳匹配准则、换热过程最佳结构参数准则、换热过程可用能损失率分析、考虑综合性能的优化设计法图书分类号：TK1241 引言管翅式换热器是广泛应用的热交换设备之一。
它常常应用在两侧流体的换热性能相差甚大的情况下，通常是以管外侧安装翅化表面来减小换热性能较差流体的换热热阻，而换热性能较好的流体在管内流动仍然保持较小的换热热阻，从而达到整体增强换热器传热效果的目的。
对于这样的换热器，如何去设计和运行是摆在工程技术人员面前的首要问题。
对于换热表面的设计，传统的做法是力求使两侧的换热热阻相同以获得最大的传热效果，这是等热阻匹配原则[1]。
这种认识如果从投资成本上来考虑，就是十分不可取的办法。
本文作者曾针对这一问题进行过专门的分析，导出了在给定投资费用<或换热面材料）的前提下两侧换热表面的最佳匹配关系式，即换热面积之比与其换热性能比和投资费用比之间的平方根关系式，这是平方根原则[2]。
按这种原则设计换热面就能达到单位传热量的投资成本最低，从而实现结构设计的优化。
同时，换热器设计的另一个问题是流动参数的设计。
传统的做法是以不超过允许的阻力损失为最后标准来选取流动参数。
这种做法人为因素的影响很大。
正确的办法是以单位传热量可用能损失率最小为目标来寻求流动参数的最佳值[3]。
这样就能实现单位传热量的运行费用最低，从而使流动参数的设计得以优化。
翅片式换热器优化设计的探讨
翅片式换热器优化设计的探讨翅片式换热器是一种常用的换热设备，广泛应用于石化、制药、化工等行业中。
它具有结构紧凑、传热效率高的特点，但在实际运行中，常常存在一些问题，如阻力大、热交换面积利用率低等。
因此，对翅片式换热器进行优化设计，可以提高其性能，并满足实际工况的要求。
首先，翅片式换热器的流道结构对其传热性能有着重要影响。
传统的翅片式换热器流向通常是平行或交叉流。
然而，这种结构简单，热交换效果有限。
研究表明，采用交叉错位流道结构，可以增加传热面积，改善传热效果。
因此，在翅片式换热器的设计中，可以考虑采用交叉错位流道结构，以提高传热效率。
另外，优化翅片的几何形状也是一种提高翅片式换热器性能的途径。
翅片的形状对换热器的传热性能有着重要的影响。
传统的翅片通常是直翅片，但这种结构容易造成流动阻力和压力损失。
因此，可以考虑采用曲翅片或波纹翅片等非常规形状的翅片，以降低流动阻力和提高传热效率。
此外，还可以在翅片式换热器中引入增强换热技术，进一步提高传热效果。
增强换热技术包括流体的纵向和横向换热增强技术，如加入纵向或横向插差元件、增加流体的喷撞、涡旋流动等。
这些技术可以增加流体的湍流程度，提高传热效率。
此外，在翅片式换热器的设计中，还需考虑材料的选择和防腐蚀措施。
翅片式换热器通常工作在恶劣的工况下，如高温、高压、腐蚀介质等。
因此，在设计中应选择合适的材料，如不锈钢、钛合金等，以提高翅片式换热器的耐腐蚀性能。
综上所述，翅片式换热器优化设计应从流道结构、翅片形状、增强换热技术以及材料选择等多个方面进行考虑。
通过合理的设计和选型，可以提高翅片式换热器的传热效率，降低能耗，满足实际工况的要求。
管式换热器的优化设计
30613 305618 49613 1161912 1739317 17210
26717 202919 39712 347213 779312 16210
35516 272217 57111 489719 3284416 11910
Ds (m) 面积余量 ( %)
0160
0146
39
0151
0138
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pipe space and the pipe outer diameter , as optimization criterion. By taking the early investment and annual running charge as objective function for optimum seeking , and by means of computers , complicated calculation is avoided. The values obtained from the optimum calculation are compared with that from the conventional calculation , and the result shows that , by means of the optimum design , under the given restrains , the pipe heat exchanger can operate well with a reduction of over 25 % heat transfer area.
换热器综合性能的优化设计方法研究
换热器综合性能的优化设计方法研究一、本文概述换热器，作为一种重要的热能传递设备，广泛应用于化工、石油、能源、环保等各个领域。
其性能优劣直接关系到工业生产过程的效率和经济效益。
研究和优化换热器的综合性能具有重要的理论价值和实践意义。
本文旨在探讨换热器综合性能的优化设计方法，为提升换热器的性能提供科学指导。
本文将首先回顾和总结换热器设计的发展历程和现状，分析现有设计方法存在的不足和挑战。
在此基础上，本文将提出一种综合性能优化设计方法，该方法将综合考虑换热器的热效率、流阻、材料成本等多个因素，通过数学建模和数值优化技术，实现换热器的性能优化。
本文还将对提出的优化设计方法进行详细的理论分析和实验研究。
通过对比分析不同设计方法的性能，验证本文所提优化设计方法的有效性和优越性。
本文还将探讨优化设计方法在实际工程中的应用前景和潜在价值。
本文将对全文进行总结，并提出未来研究的展望和方向。
本文期望通过对换热器综合性能的优化设计方法研究，为提升换热器的性能和推动相关领域的科技进步做出贡献。
二、换热器综合性能评价指标在换热器设计优化中，对综合性能的评价是至关重要的一环。
综合性能评价指标不仅涉及到换热器的热效率，还涵盖了其经济性、安全性、耐用性等多个方面。
构建全面、科学的综合性能评价体系，对于提升换热器的整体性能具有重要意义。
热效率是评价换热器性能的核心指标。
它直接反映了换热器在热量传递过程中的效率，通常以换热器的传热系数来衡量。
传热系数越大，说明热量在换热器内的传递效率越高，换热器的热性能越好。
经济性是评价换热器综合性能不可忽视的因素。
在设计优化过程中，我们需要综合考虑换热器的制造成本、运行成本以及维护成本等因素。
例如，通过优化材料选择、结构设计等方式降低制造成本；通过提高换热效率、降低能耗等方式降低运行成本；通过增强换热器的耐用性、减少故障率等方式降低维护成本。
这些措施都有助于提高换热器的经济性。
安全性也是评价换热器综合性能的重要指标之一。
蓄热式换热器的优化设计
符 号 说 明
ｃ —— 由制造 与运 行条 件确定 的系数 ，： ， ， ， ； ｉ １２ … ５
关联 ， 设 计 过程 中一 直 为热 学 界所 关 注 。加之 在
Ｇ—— 换 热器 的总 质 量 ，ｇ ｋ；
换热 器 的使 用条 件 和 环境 不 同 ， 因此其 寻 优 方法
△ — — 烟 气 侧 流 阻 降 ， ／ 。 ｐ Ｎｍ； △ — — 空 气 侧 流 阻 降 ， ／ ｐ Ｎｍ；
遗 传 算 法 求 解 。优 化 结果 表 明 ， 热 器的 年 成 本 有 了明 显 的 降低 。 换
关 键词 蓄 热 式换 热 器 改 进 遗传 算 法 优 化 设 计 中 图分 类号 Ｔ ０ １５ Ｑ ５． 文 献 标 识 码 Ａ 文章 编 号 ０ ５ ￣ ９ （ ０ ０ ０ ４ ２ ２ ４ ０ ４ ２ １ ） ４ ｌ ３
ｔ ｔ 、ｋ — 分 别 为 空气 进 口温度 及 出 口平 均 温 度 ， ； — ℃
Ｄ—— 蓄 热式 换 热 器 的直 径 ， ｍ；
— —
蓄 热部 分 的长 度 ， ｍ；
和结 构约束 ， 换 热设 备 的 年运 行 费 用作 为 寻优 将
目标 函数 ， 运用 改进遗传 算法 进行求 解 。
—
—
、
在 蓄热式 换热器 中， 、 冷 热流 体交替地 流过 同
一
固体 传热面及 其 所 形 成 的通 道 ， 依靠 构 成 传 热
面的物体 的 热容 作 用 （ 热 或放 热 ） 实 现 冷 、 吸 ， 热 流体 之 问的 热交 换 … 。蓄 热 式 换 热 器 有 受 热 面
选择 的参 数称为设计变量 ， 对设计 变量 的取 值加 以
１ 蓄 热 式 换 热 器 优 化 模 型 的 建 立
板式换热器的特点与优化设计浅析
板式换热器的特点与优化设计浅析板式换热器是将来换热器进步的一个主要趋势。
文章针对板式换热器的特征及改良设计展开了简明的描述。
标签：板式换热器；优化设计；特点0 前言我国经济正处于快速发展的阶段，各行业的发展都取得了显著的提升，但是在板式换热器制造业而言，其发展并未取得相应的速度和进展，仍然以常规性的经验式生产为主流模式，并未能赶上国际先进的水平与模式，极大的约束了板式换热器制造领域的进一步发展壮大。
1 板式换热器概述1.1 主要优点分析第一，板式换热器在换热器领域属于体积最小的种类，因此其内部的结构极为细小和精密，对生产水平要求很高。
第二，为了提高换热器的工作效率，在工作过程中此类型的换热器利用垫片体系实现工作内空间与大气空间的阻隔。
第三，半焊式与可拆式板式换热器拥有比较强的适应功能。
第四，因为它具备较高的导热参数、优越的流量比特点，不但是反向流动的，还可筛选较低的导热温差，所以热回收率较高。
第五，如果有比较低的雷诺数，在板片间流动的介质很容易构成涡流，由于板片的摩擦系数较少，污垢极少在其上面形成，所以导热效率较高。
第六，精密的结构保证了其高效的使用效果，更小的体积提高了其在建筑领域的使用范围，并且能够有效的控制施工与后期维护成本。
1.2 当前存在的缺陷分析首先，板式换热器本身的性能很优越，但是工作性能本身受到外界环境的影响很大，以垫片为例，不同垫片对温度的敏感性不同，就导致板式换热器对温度的敏感性差异，耐热性高的垫片能够更好的适应高温环境需要，但是耐热性高的垫片本身弹性性能不高，使得板式換热器能够承受的工作压力较低。
其次，板式换热器依赖于垫片体系来实现封闭性环境，因此垫片压力很难实现绝对性的密封，换热器本身工作压力上限值较低。
第三，因为板式换热器板间通路不太宽，一般是3mm-5mm，当换热介质中有一些较大的纤维物质或固体颗粒时，就会将板间通路堵住，所以，极易堵住通路的介质换热不适用于板式换热器，在此种状况下，需要运用再生冷凝体系，或者将过滤器安置于入口处。
浅谈某燃气电厂板式换热器运行方式改进优化
浅谈某燃气电厂板式换热器运行方式改进优化一、现状分析某燃气电厂采用的板式换热器在运行过程中存在一些问题，主要体现在以下几个方面：1. 传热效率低下：板式换热器传热效率低，导致换热过程中能量损失较大，影响了电厂的热力系统效率。
2. 清洁困难：由于板式换热器结构的特殊性，清洁工作十分困难，灰尘和污垢容易堵塞换热器，导致传热效果进一步下降。
3. 运行稳定性差：板式换热器在长时间运行过程中容易出现渗漏、泄漏等问题，影响了系统的运行稳定性。
以上问题严重影响了某燃气电厂的运行效率和经济性，需要引起重视，并加以改进优化。
二、改进优化方案为了解决某燃气电厂板式换热器存在的问题，可以采取以下改进优化方案：1. 加强维护保养：对板式换热器进行定期的维护保养，包括清洗除垢、检修密封装置等，以确保换热器的正常运行和传热效率。
2. 优化管束结构：通过对板式换热器管束结构的优化设计，提高传热效率，减少能量损失，同时提高换热器的稳定性和可靠性。
3. 完善清洁系统：改进板式换热器的清洁系统，提高清洁效率，降低清洁成本，并采用智能化清洁设备，简化操作流程，提高清洁工作的便利性。
4. 优化操作管理：完善板式换热器的操作管理制度，加强对运行参数的监测和调节，提高换热器的运行稳定性和工作效率。
通过上述改进优化方案，可以有效提高某燃气电厂板式换热器的运行效率和经济性，实现更加稳定、可靠和高效的热力系统运行。
通过这些改进优化，某燃气电厂板式换热器的运行方式得到了明显改善，进一步提升了电厂的运行效率和经济性，为可持续发展打下了良好的基础。
四、总结通过对某燃气电厂板式换热器运行方式的改进优化，不仅解决了换热器在长期运行中存在的一些问题，提高了其传热效率和运行稳定性，而且有效提高了电厂的运行效率和经济性，具有一定的推广应用价值。
未来，还可以在改进优化的基础上不断探索创新，进一步提高板式换热器的运行效率和经济性，为燃气电厂的可持续发展贡献更大的力量。
翅片式换热器优化设计的探讨
翅片式换热器优化设计的探讨翅片式换热器（Finned heat exchanger）是一种常见的热交换设备，被广泛应用于各个领域，如汽车发动机、空调系统等。
它通过增加翅片的表面积，提高了传热效率。
本文将探讨翅片式换热器的优化设计，包括翅片结构的优化、流体流动的优化以及材料的选择优化等方面。
首先，翅片结构的优化是提高热交换效率的关键。
传统的翅片结构是直翅片，但随着科技的进步，新型的翅片结构被提出，如波纹翅片、凹凸翅片等。
这些新型翅片结构可以增加翅片与流体之间的传热面积，提高传热效率。
因此，在设计翅片式换热器时，可以根据具体的传热需求选择合适的翅片结构，以实现更高的传热效率。
其次，流体流动的优化也是提高热交换效率的重要因素。
流体在翅片间的流动方式对传热效率有着直接的影响。
通过优化流体流动的路径、速度和分布等参数，可以改善流体在翅片间的流动状态，减小流体的阻力，提高传热效率。
例如，可以在翅片之间设置适当的腔体，引导流体流动，并通过数值模拟和实验验证确定最优设计方案。
另外，材料的选择优化也是翅片式换热器设计的关键。
传统的翅片材料多为铝合金，它具有良好的热导性和轻质化特点。
但在一些特殊工况下，铝合金可能不能满足要求，此时可以选择合适的材料替代。
例如，对于高温、高压的工况，可以选择耐高温合金或陶瓷材料作为翅片材料，以提高耐温性能和耐腐蚀性能。
此外，辅助设备的优化也是翅片式换热器设计中需要考虑的因素。
例如，在冷却系统中，增加风扇的数量和风速可以提高换热器的冷却效果；对于一些特殊工况，还可以考虑使用辅助冷却设备如水喷淋装置或降低冷却剂的温度等。
这些技术措施可以在满足热交换要求的前提下，进一步提高热交换效率。
总之，翅片式换热器的优化设计从翅片结构、流体流动、材料选择以及辅助设备等多个方面入手，以实现更高的传热效率和更好的工作性能。
优化设计的研究不仅需要理论模拟和实验验证，还需要综合考虑具体的应用场景和经济效益。
随着科技的不断进步，翅片式换热器的优化设计将会得到进一步的完善和发展。
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0.756(1 Ax / Ad )0.81 (1 Ax / Ad ) 2
va——空气流速 va=4qva/（π d2N） m/s Rea——空气管内流动的雷诺数 Ax——空气通道内实际管内总流道面积（小截面） N——空气单通道内的管子根数
Ad——空气通道内入口处风道的流通截面积（大截面）
由于实际问题的要求不同，如有的设计要在满足一定热
负荷下阻力最小；有的要求传热面最小等等，因而就有 不同的目标函数。
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上海理工大学
—热工设备和系统的设计优化—
任何一个优化设计方案都要用一些相关的物理和几 何量来表示。由于设计问题的类别或者要求不同，这些 量可能不同，但不论那种优化设计，都可将这些量分成 给定的和未给定的两种。 如，以热交换器的传热系数为目标函数的优化设计， 流体的流速、温度等就是设计变量。这样，对于有n个 设计变量x1,x2,x3,„„xn的最优化问题，目标函数F（X） 可写作 F（X）=F（x1,x2,x3,„„xn）
a6 2.5 105 a (4qv / d 2 ) 2 a7 50d 2 / bh0 a8 1.25 105 a t (4qv / d 2 ) 2
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上海理工大学 1.3≤s1/D≤2.5 1.1≤s2/m/s 1≤va/vg≤3 h≤h0
式中：αa——管内工质（空气）表面传热系数 a 0.023a / d (va d / va )0.8 pra0.4C
αg——管外工质（烟气）的表面传热系数 g g / D (vg D / vg ) n pr Rb——管壁热阻 Rb=ln(D/d)/(2πλbL)
λa、λg、λb分别为空气、烟气和管壁的导热系数 Pra、Prb分别为管内空气及管外烟气的普朗特数
t‘’g
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—热工设备和系统的设计优化—
2.特性方程
由于管间距s1、s2直接影响传热和阻力特性，而烟道高度h
和总管数N直接影响总交换热量，他们直接影响了管子内、外
两侧的空气和烟气风速，也就是说，直接影响了空气预热器运 行时的传热和阻力特性。另一方面，他们也直接影响了换热器
的造价和投资。因此，可以把他们作为目标函数的独立设计变
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—热工设备和系统的设计优化—
显然，目标函数是设计变量的函数。最优化过程就是 设计变量的优选过程，最终使目标函数达到最优值。最优 化问题中设计变量的数目称为该问题的维数。设计者应尽
量地减少设计变量的数目，把对设计所追求目标影响比较
大的少数变量选为设计变量，以便使最优化问题较容易求 解。 在优化设计过程中，常常对设计变量的选取加以某些 限制或者设置一些附加条件，这些设计条件称为约束条件。
热交换器优化问题一般都是约束（非线性）最优化问题（也
可称为约束规划问题）。约束最优化问题的求解方法有消元 法、拉格朗日乘子法、惩罚函数法、复合形法等多种。
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—热工设备和系统的设计优化—
经济性 能耗费用 投资费用 几何量和物理 量
核心变量
以经济性为目标的优化设计思想
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0.608 0.620 0.602 0.584 叉排
0.100 0.101 0.229 0.374
1.704 0.702 0.632 0.581
0.063 0.068 0.198 0.286
0.752 0.744 0.648 0.608
1.125 1.25 1.5 2.0 3.0 0.518 0.451 0.404 0.310 0.556 0.568 0.572 0.592 0.505 0.460 0.416 0.356 0.554 0.562 0.568 0.580
' ' a15 pa c pa qV (t a' t a )
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上海理工大学 根据：b / s1 )(h / s2 ) ( 有不等式约束
—热工设备和系统的设计优化—
N
h2 ( x) x1 x2 x3 x4 a16 0
a16 bh0 / 200D2 其中：
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1 a11 g Prg / 3 C[qv /( BLvg )]n D n1 式中： a12 400L[d ( D d ) / 2]t m
a13 ln(D / d ) /(2b L) va 0.8 1 d 1.3 a14 248.09 ( ) 0.4 a Pra qv C
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—热工设备和系统的设计优化—
3.优化设计的方法和实现
（1）建立超目标函数
U ( x) Z i (ks) i f i ( x)
i 1 3
其中：Zi——各目标函数的权函数；（ks）i——统一各目标 函数量纲的校正系数，其中（ks）1=a-1（即1/折旧年限）； （ks）2=Ce7000β1β2qvg；（ks）3= Ce7000β1β2qva。其中Ce为 电费，元/（kW·h）；β1、β2分别为风机的流量和压力的储备 系数，β1=1.1、β2=1.2，因子7000为年运行时数。
0.478 0.519 0.452 0.482 0.440
0.565 0.556 0.568 0.556 0.562
0.518 0.522 0.488 0.449 0.421
0.560 0.562 0.568 0.570 0.574
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—热工设备和系统的设计优化—
3.优化设计的数学模型
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—热工设备和系统的设计优化—
（2）烟气流在管外冲刷时的阻力损失
2 pg ng f g g vg / 2
式中：ng——纵向管排的数目
fg——沿程阻力系数 f g [0.25 0.1175/(s1 / D 1) vg——工质流过管间时的流速 vg=qvg/(BL)
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—热工设备和系统的设计优化—
热交换器优化设计简介
热交换器的优化设计，就是要求所设计的热交换器
在满足一定的要求下，一个或者多个指标达到最好。经 验证明，一个好的设计，往往能使热交换器的投资节省
10%---20%。在优化设计方法上，把所要研究的目标，如
“经济性”，称之为目标函数，其目的就是要通过优化 设计，使这个目标函数达到最佳值，也即达到最经济。
—热工设备和系统的设计优化—
材料成本目标函数为
f1 ( x) a1 x1 a2 / x4
a1 100 st C st ( D 2 d 2 ) L 式中： a 2 st C st (0.024 L 0.056 b)h0
其中：ρst为钢材的密度，kg/m3 Cst、Ccs分别为钢管和钢材的材料价格和换热设备制造时的附
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—热工设备和系统的设计优化—
热交换器优化设计具体步骤
对设计变 量进行分 析
根据设计 变量选用 特性方程
建立优化 设计的数 学模型
优化设计 的方法和 实现
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—热工设备和系统的设计优化—
1.设计变量分析
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1.08
] Re0.16 max
式中：s1——管排的横向节距
Remax——管间流动工质的雷诺数，Remax=vgD/vg h——空气预热器的实际高度；
s2——管排的纵向节距。 上页 下页
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（3）空气预热器的传热系数 k g /[1 ( Rb 1/ a ) g ]
本问题可建立一个多目标的非线性规划数学模型：
min f i ( x) i=1，2，3 g s．t． u ( x) 0 u=1，2，…，10 hv ( x) 0 v=1，2
式中：标度后的独立变量为
x [ N / 200, s1 / D, s2 / D, H 0 / H ]T
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—热工设备和系统的设计优化—
' a c paVa (t 'a - t 'a ) g c pgVg (t'g - t'' g)
qva V0 qm, f ( t am 273)/273 qvg Vg 0 qm, f ( t gm 273)/273
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量，而风速Va、Vg则是最重要的相关设计变量。
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—热工设备和系统的设计优化—
（1）空气预热器的特性方程（传热和阻力方程）
2 pa ( f a L / d )a va / 2
fa——管内沿程阻力系数
f a 0.013Re 0.276 a
ξ——管进、出口的局部阻力系数
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—热工设备和系统的设计优化—
上式中，tam、tgm——分别为空气和烟气的平均温度。 另外，还有一些几何参数受到锅炉结构的限制，其中一些 结构参数也取为给定参数，比如管长L、预热器宽度b、管 子外径D、管子壁厚、预热器的最大允许高度h0。
t‘g
叉流式空气预热器示 意图：
t‘’a
t‘a
—热工设备和系统的设计优化—
不 等 式 约 束 为
标 准 规 范 化 格 式