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连续螺旋折流板管壳式换热器动态特性研究及预测点击：1833 日期：[ 2014-04-26 22:13:42 ] |
| 连续螺旋折流板管壳式换热器动态特性研究及预测 吴峰 王秋旺 陈秋炀 谢公南 (西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室 陕西 西安710049) 摘要:建立了可进行壳管式换热器动态特性试验研究系统,通过试验研究的方法对水-油为换热工质的连续螺旋折流板管壳式换热器动态特性进行了试验研究,进口流量扰动为等百分比流量特性,研究了4种流量扰动方式下水和油出口温度的动态响应。同时研究了在一定Ｒｅ数下,不同的流体扰动量对换热器进出口温升的影响,得到了换热器进出口温升与流体扰动量之间的关联式。实验表明,液液换热系统温度的动态响应时间比较长,研究发现在正负的流量扰动下,换热器进出口温度变化呈现线性变化,进出口温升在正负流量扰动下其变化曲线具有对称特征。分别建立了有限差分数值预测模型及人工神经网络模型对换热器油侧的出口温度进行了动态预测,预测结果与试验值符合良好,人工神经网络的预测结果要好于数值模拟预测,其偏差绝对值在1 3%以内,表明人工神经网络在进行复杂的系统辨识时具有一定的参考及应用价值。 关键词:壳管式换热器;连续螺旋折流板;动态特性;数值预测;人工神经网络;动态预测 中图分类号:ＴＫ172 文献标识码:Ａ引 言 在管壳式换热器中,螺旋折流板换热器由于其能够改善壳侧流动换热性能,在相同的压降下较弓形折流板换热器而言其壳侧换热系数较高而得到研究及应用[1～4];对于高粘度流体而言,其换热效果更加突出[5]。目前所使用的螺旋折流板管壳式换热器的折流板一般是由两块或四块扇形平板搭接而成,每两块扇形折流板之间一般存在三角区,存在严重的漏流问题,使得换热器壳侧的流动偏离真正的螺旋流动[6],本文所使用的连续螺旋折流板换热器能够使得换热器壳侧的流动实现真正的螺旋流动,提高了换热效率[7]。而所有这些研究主要集中在换热器的稳态传热特性上,换热器稳态设计过程揭示了流体在换热过程中能量平衡关系和稳定的温度分布。但是这些都没有提供换热器动态行为方面的信息,对于一般的工业生产应用中,换热器总是与其它热力设备相互关联,这必然会影响到换热器运行过程中的一些热力参数,诸如换热工质的进口温度及流量的变化,换热器动态特性的研究对于换热器热过程的实时控制、状态计算、优化及合理利用是十分必要的。以水和油为换热工质的换热设备广泛地应用于化工、石油、冶炼及大型发电机的冷却技术中。本文通过实验研究的方法对连续螺旋折流板换热器在水油为换热工质系统中的动态特性进行了试验研究,应用人工神经网络技术进行了相应的预测,为相关换热设备的分析、设计及改进其控制系统提供依据。 1 试验系统 所研究的系统以水油为换热工质,其中油走壳侧,为热流体;水走管侧,为冷流体。油的温升通过油箱中的电加热器通电加热完成,油箱中布置了8个电加热器,通过改变电加热器的通电个数能够实现导热油维持在不同的温度上。具体试验系统回路如图1所示。试验系统采用ＬＷＺ-32型涡轮流量计测量,其测量精度为±2.5%以内,量程为0～20ｍ3/ｈ,时间常数为0.25ｓ。采用铜-康铜热电偶进行温度采集,其量程为0～200℃,时间常数在0 5ｓ以内。油侧压差测量采用3501差压变送器,量程为0～62.2ｋＰａ,信号为4～20ｍＡ(ＤＣ),精度为0.25%。 试验中实现小流量扰动是通过控制回路智能阀门的开度来实现的,其产品型号为ＨＹＤＴ-2-40系列电子一体化电动调节阀,其介质工作压力为1.6ＭＰａ,工作介质温度为0～180℃,输入信号为4～20ｍＡ,流量特性为等百分比,其具体的变化规律用下式表示: 其中:Ｑ—当前流量,ｍ3/ｈ;Ｌ—阀门最大行程,其值为25ｍｍ;Ｋ—比例常数。阀门的最大调节时间为120ｓ。等百分比流量其特点为在小开度时调节阀的放大系数小,调节平稳缓和,在大开度时放大系数大,调节灵敏。其相对流量随时间的变化式为: 2 试验结果与讨论 试验通过智能控制阀门的等百分比流量变化特性进行试验工况的流量扰动。首先通过改变换热器单侧流量来研究换热器两侧出口的温度响应变化规律,具体的试验工况如下: (1)水回路流量降低扰动时换热器的动态响应; (2)水回路流量升高扰动时换热器的动态响应; (3)油回路流量降低扰动时换热器的动态响应; (4)油回路流量升高扰动时换热器的动态响应。 以上4种工况流量的变化量,油回路为0.37ｋｇ/ｓ,水回路为0.755ｋｇ/ｓ。试验雷诺数的变化范围为Ｒｅ=3.9×103～3.7×104,传热单元数范围为ＮＴＵ=9.2～14.6,油的Ｐｒ=119.9～146.38,水的Ｐｒ=14～17.6。一般而言对于换热器动态特性的研究是建立在换热器稳态基础上的,因此对于换热器的动态特性试验而言,应当在换热器达到热平衡后施加各种扰动信号,以此测量换热器各个参数的动态响应特性。 换热器的热平衡偏差计算方法如下:壳侧油放出的热量(热侧): 试验系统能够实现实时数据采集及相应各指标参数的实时计算显示,当热平衡偏差在小于7%范围内变动时,即可认为换热器系统达到了热平衡状态,施加流量扰动并保存试验数据。 各种工况下换热器的动态响应情况如图2所示。由图2可知,对于以水-油为换热工质的换热系统有着较大的热惯性,在流量扰动下达到新的热平衡需要700ｓ以上,且在流量扰动结束后,换热器出口温度变化有一定程度的滞后现象,最后达到新的平衡状态。此外流量扰动下水回路出口温度的稳定速度快于油出口温度,这主要是由于油的物性而决定的,一般而言,油的Ｐｒ数较液体金属及空气都高(Ｐｒ在102～103的量级),本文工质油的Ｐｒ范围在119.9～146.38。根据Ｐｒ的定义: 它表征热边界层与流动边界层的相对厚度。反映了流体中动量扩散与热量扩散能力的对比,Ｐｒ数越大,粘性的影响传递得越远,导热油的Ｐｒ数高于水一个数量级,因而油速度边界层的厚度要远大于热边界层,工质油的动量传递能力很弱,动量传递的能力低会进一步减弱流体的热量传递,在油的导热系数偏小于水导热系数的情况下,油的总体热量传递能力要远小于水,故油的温度响应稳定时间比水长。 研究一侧流体流量不变,另一侧流体不同流体扰动量下换热器两股流体进出口温升的变化规律。保持油侧流量1.63ｋｇ/ｓ不变,研究水侧流体在正负流体扰动量下换热器进出口温升的动态特性,定义流量增加为正扰动,流量降低为负扰动。 水流量的正负扰动对于换热器进出口温升的影响近似表现为线性变化,且随着流量扰动量的增加,其温升也迅速增加,流量扰动影响最大的为油出口温升,影响最小的为水进口温升,分别对两股流体进出口温升变化规律进行线性拟合,得出各温升随流量扰动量的变化关联式: 保持水侧流量不变,改变油侧流量扰动量,同样,流量降低扰动为负值,流量上升扰动为正值,换热器两股流体进出口温升变化曲线如图4所示。图4中各温升变化规律的曲线拟合关联式: 水进出口温升、油出口温升随着油流量扰动量的增加而增加,呈线性变化,而油进口温升变化趋势则相反。 3 换热器动态特性的数值预测通过数值预测的方法预测连续螺旋折流板换热器的动态特性,本文试验所研究的连续螺旋折流板换热器的流程布置为两管程结构,其结构示意如图5所示。将连续螺旋折流板换热器的流动与换热等效为两个壳管式换热器的串联,即一个逆流式换热器及一个顺流式换热器的串联组合,换热器管侧流程前半部分可视为一个逆流式换热器,管侧流程后半部分视为一个顺流式换热器,这样就可以将逆流式换热器及顺流式换热器动态预测的数值计算程序结合起来,用于连续螺旋折流板换热器的两侧出口温度的动态预测。 壳管式换热器的静态模型为对空间的常微分方程组,而其动态模型则为对时间和空间的偏微分方程组。为简化数值计算,现作如下假设: (1)通道内流体为不可压缩流体,通道内的流动与换热视为一维问题,进出口流体温度均一。 (2)流体的所有热物性均为常数,考虑壁面蓄热作用。 (3)考虑壳侧流体的纵向扩散及管壁的轴向导热。 (4)通道外壁与外界绝热。 |
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