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    板翅式換熱器的計算機模擬

    點擊:1929 日期:[ 2014-04-26 22:44:45 ]
     于 穎 史益強 王志祥 李永生 (中國藥科大學化工原理教研室,江蘇南京210009; 南京工業大學機械與動力工程學院,江蘇南京210009)   板翅式換熱器是一種緊湊式的高效換熱器,它具有結構緊湊、輕巧、傳熱效率高等特點,廣泛地用于石油化工、空氣分離、低溫工程、船舶、車輛及原子能等行業。隨著釬焊及真空鉗焊技術的發展,工藝的完善,材料質量的提高及材料種類的拓展,其制造成本不斷下降,甚至可以應用于一些家用電器,如空調、家用取暖設施等。 目前國內板翅式換熱器的制造水平已達到了國際領先水平,部分產品已出口國外。而且有關板翅式換熱器的試驗研究,軟件開發也取得了一些成果;為了更好地與先進的制造水平相當,提高設計的效率、質量及設備的可用性,將計算機模擬與板翅式換熱器的計算機輔助優化系統相結合,有較高的實用價值。計算機模擬是計算機技術工程應用的重要方面,它可以模擬實際工作情況,獲得一系列的工作參數,從而為具體操作過程提供指導和幫助。它可以代替常用的試驗過程,從而可以節約大量的經費。另外它還可以作為設計質量的檢驗過程,對設計的結果進行評判,從而避免設計過程中的失誤。國際上對于實物產品的質量要求有一定的規定,如對生產出的壓力容器的質量有一定的檢驗方法和評判,從而在制造和生產檢驗過程中都有一定的要求;但涉及到設計過程和設計質量還沒有具體的規定,新版ISO9000中對設計過程做了一些規定,但主要是設計程序上的規定。實際上,設計過程中的質量控制也非常重要,設計結果的好壞直接影響到最終產品的質量,對設計質量的檢驗除控制設計過程外,對設計結果的計算機模擬是一種切實可行的方法和手段。 1板翅式換熱器的設計過程   根據板翅式換熱器的結構特點,其主要設計過程可分為兩部分:(1)熱力設計部分:這部分是板翅式換熱器設計的主要部分,根據設計任務書提供的設計要求,按照熱力學原理計算出芯體的有效長度、有效寬度及層數設計。這里有許多計算方法,如使用對數平均溫差法,傳熱單元數法。(2)換熱器的結構強度設計部分:這部分主要是確定各部件的強度尺寸和強度校核,以確保設備的安全性。常規的設計常采用試算法,即假設某一參數已經確定,即可求出相應的其它參數,這種方法有許多局限性,因而產生了各種優化方法,從而找到效率或質量或其它指標相對較優的設計方法。然而設計的結果還要考慮設備的柔性和健壯性。因為設備在實際運行中,各參數不可能固定不變,因而在所謂的最優設計過程中,當參數改變時它的某些性能可能變得最差。如設計時流體處于層流和湍流的臨界狀態,如果實際工作中狀態發生改變,設計結果就會出現較大的波動。因而對于好的設計應該考慮工作參數波動時的情況,通過計算機的模擬則可以實現此功能。 2板翅式換熱器的計算機模擬   計算機模擬的一般過程是:問題的描述,模型的建立,求解過程和有效性驗證以及應用。 2 1 模型建立 對于板翅式換熱器的熱力計算來說,其數學模型已有許多。這里選文獻作為依據,使用傳熱單元數法。 2.2 實現方法 整個板翅式換熱器的模擬系統由基本數據庫、數據管理模塊、輸入輸出模塊、工藝參數計算模塊和相應的輔助設計接口模塊組成。其相互關系見圖1。 此系統的核心部分是工藝參數計算模塊,它主要是根據板翅式換熱器設計方法建立模型,這個計算模塊也可用于板翅式換熱器的設計之中?;緮祿焓前宄崾綋Q熱器設計計算過程中需要用到的有關數據,如翅片的形式,尺寸和性能參數,介質的類型和性能參數(現主要包括水、油和水蒸氣);另外還有計算過程中經常用到一些系數,如傳熱因子j、摩擦因子f及阻力縮放系數Ke、Kc等,這些數據本身是根據經驗和試驗得出的圖表系數,本文按照文獻的方法處理。數據管理模塊主要提供工藝計算模塊和基本數據庫的接口,同時完成基本數據庫的管理工作,包括:查詢、修改、添加等。設計接口模塊提供模擬系統和設計系統的接口,它們共用基本數據庫和工藝計算模塊?;据斎胼敵瞿K則為模擬系統的基本部分,提供人機接口,可根據不同的用途輸入不同的查詢參數從而得出對應的輸出結果。強度校核模塊主要是對設備的強度進行校核,即設備的尺寸能否承受實際的工作壓力并且滿足安全系數的要求。整個系統由一系列的模塊組成,它們相互獨立,體現了可擴充性和可修改性。如模型改進后只要修改參數計算模塊即可。 2.3 具體應用 板翅式換熱器設計過程中主要涉及以下基本參數:冷熱流體的流量、進出口溫度,翅片的類型及尺寸,換熱的方式(逆流、并流、錯流)。當設計完成后,在換熱器的翅片型式,流道的分布以及層數都已確定的條件下,本模擬系統的主要功能包括:(1)設計結果的校核可以校核常規設計或優化設計的熱力計算結果的正確性以及是否滿足強度的要求;(2)與設計軟件的配合可以驗證設計結果的柔性和健壯性。為用戶提供不同操作條件下,各個參數之間的關系。避免普通設計的盲目性以及優化設計中得到不穩定性。如若優化設計的結果使設備工作在不穩定的狀態時,可以通過改變設計工作點,達到較佳狀態。其功能包括實際工況下的波分析,承受波動的能力,最佳工作參數范圍(如溫差變化范圍,阻力變化范圍)的確定等。(3)工作參數的調整(設備調優)設備在實際服役中,工作參數的改變及流體的參數的改變等會起其它參數的改變;通過模擬評估,給設備的再使用和決策提供基礎。(4)改變工作狀態后強度的校核當我們需要改變用途以及介質的壓力改變時我們必須保證設備的強度夠用,通過此模擬系統可以確定設備的安全系數以及強度余量,從而為我們正確使用設備提供安全保障。 3算 例   這時引用文獻[6]的算例,給出本模擬軟件的部分計算結果。 3.1 設計要求 用板翅式換熱器對某油系統進行冷卻。冷卻用水入口溫度為7℃,壓力為0 3MPa,設油入口溫度為50~55℃,流量為80m/h,要求油的出口溫度為35~45℃之間。分別以板束的長度L、有效寬度LW、油道層數N和水的流量Q為設計變量進行優化設計,并確定優選設計方案。   3.2 設計結果 表1給出了板翅式換熱器計算機輔助設計的兩種優化方案的結果。 3.3 模擬系統的分析 表2給出了兩種設計方案下,冷、熱流體入、出口溫度及流量的模擬計算結果。但在實際工程中,由于過程操作的復雜性及工藝過程的不穩定性,油的流量可由1.33kg/s波動1.5kg/s,油入口溫度最高可達到60℃。這時冷卻水的參數要如何改變,才能達到原來的設計要求?且兩種設計方案,哪一種更優?     為了解決此問題,可對各工況加以模擬,確定冷卻水的參數并進行方案優選。各模擬工況如下。工況1:油入口溫度不變,油的流量由1.33kg/s波動1.5kg/s。工況2:油的流量不變,入口溫度出現波動由55℃波動到60℃,流量由1.33kg/s波動到1.5kg/s。設水的入口溫度仍為7℃。經模擬,在滿足原設計要求的條件下,所需冷卻水的流量及其出口溫度見表3。且從其數值可以判斷出:設計1的方案的柔性要優于設計2。由此可以優先選用設計1的方案。 4結 論   計算機輔助設計過程是一個黑箱操作,按照一定的設計條件,給出一個合理的設計結果,而其中的一些細節甚至是參數改變時換熱器的表現很難表達出來。而計算機模擬則可以描述出各種情況下的結果,與計算機輔助設計配合使用可以達到最佳效果。本文將計算機技術應用于換熱器的設計與模擬中,可以大大節省設計時間和費用,并且可以給出不同的設計方案進行比較和選擇。對于已有或設計好的板翅式換熱器可以進行各種工況的模擬,可以為設備最佳狀態提供依據。本文的系統具有可修改性和可擴充性??梢赃m應試驗數據的更新以及新的模型的使用。只要修改相應的計算模塊即可。  
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