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于 颖 史益强 王志祥 李永生 (中国药科大学化工原理教研室,江苏南京210009; 南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京210009)
板翅式换热器是一种紧凑式的高效换热器,它具有结构紧凑、轻巧、传热效率高等特点,广泛地用于石油化工、空气分离、低温工程、船舶、车辆及原子能等行业。随着钎焊及真空钳焊技术的发展,工艺的完善,材料质量的提高及材料种类的拓展，其制造成本不断下降,甚至可以应用于一些家用电器,如空调、家用取暖设施等。
目前国内板翅式换热器的制造水平已达到了国际领先水平,部分产品已出口国外。而且有关板翅式换热器的试验研究,软件开发也取得了一些成果;为了更好地与先进的制造水平相当,提高设计的效率、质量及设备的可用性,将计算机模拟与板翅式换热器的计算机辅助优化系统相结合,有较高的实用价值。计算机模拟是计算机技术工程应用的重要方面,它可以模拟实际工作情况,获得一系列的工作参数,从而为具体操作过程提供指导和帮助。它可以代替常用的试验过程,从而可以节约大量的经费。另外它还可以作为设计质量的检验过程,对设计的结果进行评判,从而避免设计过程中的失误。国际上对于实物产品的质量要求有一定的规定,如对生产出的压力容器的质量有一定的检验方法和评判,从而在制造和生产检验过程中都有一定的要求;但涉及到设计过程和设计质量还没有具体的规定,新版ＩＳＯ9000中对设计过程做了一些规定,但主要是设计程序上的规定。实际上,设计过程中的质量控制也非常重要,设计结果的好坏直接影响到最终产品的质量,对设计质量的检验除控制设计过程外,对设计结果的计算机模拟是一种切实可行的方法和手段。
1板翅式换热器的设计过程
根据板翅式换热器的结构特点,其主要设计过程可分为两部分:(1)热力设计部分:这部分是板翅式换热器设计的主要部分,根据设计任务书提供的设计要求,按照热力学原理计算出芯体的有效长度、有效宽度及层数设计。这里有许多计算方法,如使用对数平均温差法,传热单元数法。(2)换热器的结构强度设计部分:这部分主要是确定各部件的强度尺寸和强度校核,以确保设备的安全性。常规的设计常采用试算法,即假设某一参数已经确定,即可求出相应的其它参数,这种方法有许多局限性,因而产生了各种优化方法,从而找到效率或质量或其它指标相对较优的设计方法。然而设计的结果还要考虑设备的柔性和健壮性。因为设备在实际运行中,各参数不可能固定不变,因而在所谓的最优设计过程中,当参数改变时它的某些性能可能变得最差。如设计时流体处于层流和湍流的临界状态,如果实际工作中状态发生改变,设计结果就会出现较大的波动。因而对于好的设计应该考虑工作参数波动时的情况,通过计算机的模拟则可以实现此功能。
2板翅式换热器的计算机模拟
计算机模拟的一般过程是:问题的描述,模型的建立,求解过程和有效性验证以及应用。
2 1 模型建立
对于板翅式换热器的热力计算来说,其数学模型已有许多。这里选文献作为依据,使用传热单元数法。
2.2 实现方法
整个板翅式换热器的模拟系统由基本数据库、数据管理模块、输入输出模块、工艺参数计算模块和相应的辅助设计接口模块组成。其相互关系见图1。
此系统的核心部分是工艺参数计算模块,它主要是根据板翅式换热器设计方法建立模型,这个计算模块也可用于板翅式换热器的设计之中。基本数据库是板翅式换热器设计计算过程中需要用到的有关数据,如翅片的形式,尺寸和性能参数,介质的类型和性能参数(现主要包括水、油和水蒸气);另外还有计算过程中经常用到一些系数,如传热因子ｊ、摩擦因子ｆ及阻力缩放系数Ｋｅ、Ｋｃ等,这些数据本身是根据经验和试验得出的图表系数,本文按照文献的方法处理。数据管理模块主要提供工艺计算模块和基本数据库的接口,同时完成基本数据库的管理工作,包括:查询、修改、添加等。设计接口模块提供模拟系统和设计系统的接口,它们共用基本数据库和工艺计算模块。基本输入输出模块则为模拟系统的基本部分,提供人机接口,可根据不同的用途输入不同的查询参数从而得出对应的输出结果。强度校核模块主要是对设备的强度进行校核,即设备的尺寸能否承受实际的工作压力并且满足安全系数的要求。整个系统由一系列的模块组成,它们相互独立,体现了可扩充性和可修改性。如模型改进后只要修改参数计算模块即可。
2.3 具体应用
板翅式换热器设计过程中主要涉及以下基本参数:冷热流体的流量、进出口温度,翅片的类型及尺寸,换热的方式(逆流、并流、错流)。当设计完成后,在换热器的翅片型式,流道的分布以及层数都已确定的条件下,本模拟系统的主要功能包括:(1)设计结果的校核可以校核常规设计或优化设计的热力计算结果的正确性以及是否满足强度的要求;(2)与设计软件的配合可以验证设计结果的柔性和健壮性。为用户提供不同操作条件下,各个参数之间的关系。避免普通设计的盲目性以及优化设计中得到不稳定性。如若优化设计的结果使设备工作在不稳定的状态时,可以通过改变设计工作点,达到较佳状态。其功能包括实际工况下的波分析,承受波动的能力,最佳工作参数范围(如温差变化范围,阻力变化范围)的确定等。(3)工作参数的调整(设备调优)设备在实际服役中,工作参数的改变及流体的参数的改变等会起其它参数的改变;通过模拟评估,给设备的再使用和决策提供基础。(4)改变工作状态后强度的校核当我们需要改变用途以及介质的压力改变时我们必须保证设备的强度够用,通过此模拟系统可以确定设备的安全系数以及强度余量,从而为我们正确使用设备提供安全保障。
3算 例
这时引用文献[6]的算例,给出本模拟软件的部分计算结果。
3.1 设计要求
用板翅式换热器对某油系统进行冷却。冷却用水入口温度为7℃,压力为0 3ＭＰａ,设油入口温度为50～55℃,流量为80ｍ/ｈ,要求油的出口温度为35～45℃之间。分别以板束的长度Ｌ、有效宽度ＬＷ、油道层数Ｎ和水的流量Ｑ为设计变量进行优化设计,并确定优选设计方案。
3.2 设计结果
表1给出了板翅式换热器计算机辅助设计的两种优化方案的结果。
3.3 模拟系统的分析
表2给出了两种设计方案下,冷、热流体入、出口温度及流量的模拟计算结果。但在实际工程中,由于过程操作的复杂性及工艺过程的不稳定性,油的流量可由1.33ｋｇ/ｓ波动1.5ｋｇ/ｓ,油入口温度最高可达到60℃。这时冷却水的参数要如何改变,才能达到原来的设计要求?且两种设计方案,哪一种更优?
为了解决此问题,可对各工况加以模拟,确定冷却水的参数并进行方案优选。各模拟工况如下。工况1:油入口温度不变,油的流量由1.33ｋｇ/ｓ波动1.5ｋｇ/ｓ。工况2:油的流量不变,入口温度出现波动由55℃波动到60℃,流量由1.33ｋｇ/ｓ波动到1.5ｋｇ/ｓ。设水的入口温度仍为7℃。经模拟,在满足原设计要求的条件下,所需冷却水的流量及其出口温度见表3。且从其数值可以判断出:设计1的方案的柔性要优于设计2。由此可以优先选用设计1的方案。
4结 论
计算机辅助设计过程是一个黑箱操作,按照一定的设计条件,给出一个合理的设计结果,而其中的一些细节甚至是参数改变时换热器的表现很难表达出来。而计算机模拟则可以描述出各种情况下的结果,与计算机辅助设计配合使用可以达到最佳效果。本文将计算机技术应用于换热器的设计与模拟中,可以大大节省设计时间和费用,并且可以给出不同的设计方案进行比较和选择。对于已有或设计好的板翅式换热器可以进行各种工况的模拟,可以为设备最佳状态提供依据。本文的系统具有可修改性和可扩充性。可以适应试验数据的更新以及新的模型的使用。只要修改相应的计算模块即可。
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