哈雷钎焊板式换热器
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紧凑式换热器的设计与优选系统研究

点击:2121 日期:[ 2014-04-26 22:21:12 ]
                          紧凑式换热器的设计与优选系统研究                          吴恩   周帼彦 涂善东                     (南京工业大学)  (华东理工大学)     摘要:紧凑式换热器设计与优选系统包括对板式、板翅式、螺旋板式、热管式、翅片管式和管壳式换热器6种换热设备的热力、结构设计和强度校核计算,并综合考虑原材料购置、设备磨损以及电力消耗等相关因素进行了经济分析,直观给出了对应设备的性能参数和结构尺寸示意图,便于设计人员进行比较优选。该系统在编程上采用模块结构。     关键词:紧凑式换热器 结构设计 性能比较 经济分析 模块结构     中图分类号:TQ0515   文献标识码 A   文章编号 02546094(2006)06036506     根据不同的工艺条件和操作工况,近年来开发设计了多种不同结构形式的紧凑式换热器,已在石油、化工和制药等行业得到了广泛的应用[1~3],并取得了较大的经济效益。其中,板式、板翅式、螺旋板式、翅片管式以及热管换热器尤为突出,且在目前及未来的工程应用中具有较为广阔的发展前景。因此,选择一种更加高效、经济,更适合于原定操作工况的紧凑式换热器,成为市场追逐的主要目标。目前所使用的换热器设计系统[4,5]都是在预选结构基础上进行的热力设计和结构设计,而通过对不同结构形式换热器性能指标的比较,优选更加适合于操作工况的换热器,这样的综合评价设计系统还鲜见报道。     本文在对各种紧凑式换热器进行热力、结构设计、强度核算、经济性分析和参数化绘图的基础上,综合应用VB、SQLServer、SolidWorks等软件,开发了基于MicrosoftWindows2000操作平台的紧凑式换热器设计优选系统。     1 系统的开发     VB(VisualBasic)是一个集应用程序开发、设计、编辑和调试为一体的集成式开发环境,用其编写应用软件时,既可在开发阶段实现可视化编程,又可实现友好的人机对话界面。而作为一个大型关系型数据库管理系统,SQLServer2000具有易用性、适合分布式组织的可伸缩性、与其他服务器软件的系统集成性以及适于决策支持的数据仓库等优越性,非常适于做换热器物性的数据库管理。另外,由于使用了WindowsOLE技术、直观式设计技术、先进的parasolid内核以及良好的第三方软件的集成技术,SolidWorks已逐步成为3D普及型主流软件及CAD的行业标准。因此,本系统主要采用VB高级语言编程,综合应用SQLServer2000数据库管理系统和SolidWorks三维参数化绘图软件,实现紧凑式换热器的计算机辅助设计和优选。     1.1 总体结构     本系统包括工艺参数、换热器、选型计算、数据库、经济分析和三维绘图6个模块,其总体结构如图1所示。其中,“工艺参数”模块主要用来输入换热器操作工况参数,包括流体介质进出口的温度、流量、操作压力和允许压力降等;“换热器”模块的主要功能是对各种结构形式的换热器进行设计计算,针对不同形式的换热器采用了不同的设计计算方法,计算过程也包括有不同的子模块,如板翅式换热器的子模块包括翅片尺寸定义模块、选型计算模块和结果输出模块;通过“选型计算”模块,得到设计计算结构,并输出所需换热器的体积、重量、换热面积和比表面积等与换热器有关的性能参数,便于选型比较;“经济分析”模块综合考虑了原材料购置、设备磨损以及电力消耗等相关因素,采用4种经济分析方法(总投资费用法,运行成本费用法,年计算费用法,费用现值与费用年值法)进行分析评价;“三维绘图”模块的功能是根据“选型计算”模块的结果进行三维参数化绘图;“数据库”模块主要用来存储物性数据、选型时所需要的型号数据、设计时所需要的尺寸数据及绘图时所需要的公用图形等。     1.2 系统功能本系统具有如下功能:     a.换热器热力和强度计算[6~8]。根据用户提供的工艺参数,通过调用物性数据库,进行换热器的热力衡算和强度校核。     b.换热器经济分析。根据前面模块所提供的设计计算结果,用经济分析法进行方案比较,其中板式、螺旋板式和管壳式换热器的价格采用Hall根据Purohit方法提出的新公式(即Hall方法[9])计算,其余换热器的价格根据板材、管材、型材的市场价格及厂家提供的信息进行估算。       c.换热器三维参数化绘图。根据热力和强度设计所提供的换热器主要参数,进行换热器三维参数化绘图。     d.数据库管理。数据库系统包括材料、物性、工艺和换热器型号等数据部分,可根据市场、国家和企业相关政策的变化,对数据库进行维护。     2 换热器模块     换热器模块是系统的核心部分,对系统的准确性、高效性和实用性具有决定性作用,具体包括板式换热器、板翅式换热器、螺旋板式换热器、热管换热器、翅片管式换热器和管壳式换热器6个子模块。     2.1 板式换热器     板式换热器模块可用于进行单相或有相变的气体和液体之间的热交换设计。设计时,可从7家国内大型换热器厂的35种换热板片类型中选择可采用的规格,可一次性列出单片有效换热面积、板片间距、单通道截面积、板片厚度、对流传热关联式以及压降关联式等,还可以对设计所选用的板型做进一步的改进。设计计算结果可直接输出所需板片数、换热量、压降、重量、体积、换热面积以及比表面积等指标。     热力计算所依据的主要关联式有对流传热关联式Nu=CRenPenPrm(Pr/Prw)p,用于计算压降的关联式有欧拉关系式Eu=bRed。两式中C,n,p,b和d的取值随不同型号的板片而定;被冷却时,m=0.3,被加热时,m=0.4。在本模块的板片尺寸定义子模块中,根据不同厂家生产的不同板片类型从数据库中调用输出相关公式显示在推荐经验公式栏内,用户可以据此来确定C,n,p,b及d的值,也可以自己定义。     2.2 板翅式换热器       板翅式换热器模块可用于进行两股流体介质的并流、逆流和错流形式热交换设计,流体介质为单相或有相变的气体、液体。设计时,可在翅片尺寸定义子模块中选择所需要的翅片类型,通过计算可一次性输出通道数、压降、换热面积、体积以及重量等数据。     主要计算公式为流体无相变时的给热系数α=3600StCpG,式中斯塔顿准数St通过传热因子j求得,传热因子j=f(Re),它是基于手册上大量试验结果数据的拟合公式[10],不同的翅片形式(平直、多孔、锯齿),j因子有不同的计算公式。     2.3 螺旋板式换热器     螺旋板式换热器模块可进行液体、气体和有相变流体的换热计算,也可用于液液换热的Ⅰ型、气液换热的Ⅱ型(可拆式)和用于蒸汽冷凝的Ⅲ型(可拆式)螺旋板换热器设计。调用数据库中的不可拆式螺旋板式换热器形式与基本参数来设计可拆式结构时,只需通过改变通道间距或换热器长度来获得合适的结构形式。       其中气体对流传热系数采用管槽内强度对流换热计算式Nu=0.023Re0.8Pr0.4计算,这对工程应用已足够;液体对流传热系数按文献[6]计算。     对于翅片管换热系数的求解,主要应用Nu=c1Rec2Pr1/3准则方程,其中c1和c2的大小和肋片的几何形状有关。管外翅片形式包括螺旋翅片和圆片形翅片,不同的翅片形式对应于不同的压降计算公式,具体公式可参考文献[8]。     2.5 翅片管式换热器     翅片管式换热器模块用于气体、液体和有相变流体,进行两股流的并流、逆流、错流换热计算。管束的排列方式分为等腰三角形和等边三角形两种形式。通过设计计算可输出翅化比、对于流动阻力,由于气侧流动属纵向冲刷管槽内的流动,采用ΔP=f·L/de·pu2/2计算[11],式中f=0.335(h/de)0.17Re-0.14,h为流道内壁绝对粗糙度;而液侧流动则属于非圆管内单相流体流动,其流动阻力的计算可参考文献[6]。另外,根据计算得到的流动阻力进行压降校核完之后,还需对螺旋板式换热器进行强度、挠度及稳定性的校核。     2.4 热管换热器     热管换热器模块可进行气体、液体无相变流体的换热计算。热管尺寸既可以用户自己定义,也可从数据库中调用常用的尺寸。热力计算方法分为常规的整体计算和逐排计算,整体计算法较为简单、快速,但不能了解各排热管的气体参数;而逐排计算法可了解各排热管之间的气体参数以及各排热管的壁面温度,可以相应地通过调整热管冷热两侧翅片的面积比来达到调整热管壁面温度的目的。管排数、每排管子数、迎风面长度和宽度、翅片换热器体积和重量等。     管内侧的传热情况类似于管壳式换热器的管程,其传热及压降计算参考管壳式换热器管程的计算;管外侧的传热情况类似于热管换热器内流体通过圆片形翅片管,其传热及压降计算参考此种情况。     2.6 管壳式换热器     管程给热系数和壳程给热系数的计算可以参考文献[6]。本模块先初定换热系数K0值,从而求得换热面积A,在数据库中查找换热面积在A值附近的换热器形式,将尺寸数据记录在数组中,据此逐步求得管程和壳程给热系数,从而得到新的换热系数K值,比较K和K0的大小,循环控制使之在一定范围之内,并使结果满足压降要求和强度要求。     3 应用举列     为进一步说明紧凑式换热器设计优选系统,本文以变压器油的冷却(制冷剂为冷却水)为例,应用所开发的系统进行各种形式换热器的设计及最后的优选,具体的操作过程如下:     a.进入工艺要求窗体,输入原始工艺数据(表1)。此界面带有超限警示,以免用户输入参数有误。                b.进入物性参数表,调用数据库,如数据库中不存在用户指定的介质,系统会提示用户自行定义物性参数。     c.进入换热器类型选择菜单,选择某种形式的换热器(以下以板翅式换热器为例进行说明)。     d.进入换热器的设计选型菜单,确定换热器类型、翅片材料、隔板材料及流动形式等,根据翅片形式通过调用数据库“定义翅片尺寸”,确定翅片高度、厚度和间距,封条宽度,隔板厚度,盖板厚度等,并预设通道数。     e.因流体温度较低,介质在传热过程中不发生相变,所以直接进行“单相计算”,并输出计算结果。如所选择的翅片类型不能满足此工艺条件,系统将给予提示。     f.根据输出的面积富裕度和压降值等关键性技术指标校核计算的有效性。若指标超值,则说明计算不合理,可根据结果来调整翅片型号或通道数,重新计算;若指标在允许范围内,则说明计算有效,可进一步进行技术经济分析。     g.进入“技术经济分析”,根据计算得到总投资费用和运行成本,利用年计算费用法和费用现值费用年值法进行经济评价,以对投资可行性做进一步的分析。     h.综合比较各种类型换热器的常规指标、性能指标及经济指标,根据实际工程要求,选择最优设计方案,输出换热器的三维结构简图。    4 结束语笔者开发的紧凑式换热器性能比较系统,界面友好、直观,实用性强,工艺参数输入后,其他工作完全由计算机完成,可对6种常用的紧凑式换热器进行设计、优化及比较选择,大大提高了设计优选的效率。该系统具有良好的交互性、可开发性,可以进一步丰富数据库,如添加新介质的物性和新产品型号等相关参数。而且带有超限警示及错误提示,提高了设计过程的准确性。另外,该系统采用Solidworks来进行三维参数化绘图,可以直接输入到相应的系统中进行有限元分析、可制造性分析以及加工模拟等工作,从而可以大大地缩短产品的开发周期。
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