| 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(yè)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換熱器,它具有結(jié)構(gòu)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(yè)。隨著釬焊及真空鉗焊技術(shù)的發(fā)展,工藝的完善,材料質(zhì)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(diào)、家用取暖設(shè)施等。 目前國內(nèi)板翅式換熱器的制造水平已達到了水平,部分產(chǎn)品已出口國外。而且有關(guān)板翅式換熱器的試驗研究,軟件開發(fā)也取得了一些成果;為了更好地與*的制造水平相當,提高設(shè)計的效率、質(zhì)量及設(shè)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(yōu)化系統(tǒng)相結(jié)合,有較高的實用價值。計算機模擬是計算機技術(shù)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(shù),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(jié)約大量的經(jīng)費。另外它還可以作為設(shè)計質(zhì)量的檢驗過程,對設(shè)計的結(jié)果進行評判,從而避免設(shè)計過程中的失誤。上對于實物產(chǎn)品的質(zhì)量要求有一定的規(guī)定,如對生產(chǎn)出的壓力容器的質(zhì)量有一定的檢驗方法和評判,從而在制造和生產(chǎn)檢驗過程中都有一定的要求;但涉及到設(shè)計過程和設(shè)計質(zhì)量還沒有具體的規(guī)定,新版ＩＳＯ9000中對設(shè)計過程做了一些規(guī)定,但主要是設(shè)計程序上的規(guī)定。實際上,設(shè)計過程中的質(zhì)量控制也非常重要,設(shè)計結(jié)果的好壞直接影響到zui終產(chǎn)品的質(zhì)量,對設(shè)計質(zhì)量的檢驗除控制設(shè)計過程外,對設(shè)計結(jié)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(shè)計過程 根據(jù)板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)特點,其主要設(shè)計過程可分為兩部分:（1）熱力設(shè)計部分:這部分是板翅式換熱器設(shè)計的主要部分,根據(jù)設(shè)計任務書提供的設(shè)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(shù)設(shè)計。這里有許多計算方法,如使用對數(shù)平均溫差法,傳熱單元數(shù)法。（2）換熱器的結(jié)構(gòu)強度設(shè)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(shè)備的安全性。常規(guī)的設(shè)計常采用試算法,即假設(shè)某一參數(shù)已經(jīng)確定,即可求出相應的其它參數(shù),這種方法有許多局限性,因而產(chǎn)生了各種優(yōu)化方法,從而找到效率或質(zhì)量或其它指標相對較優(yōu)的設(shè)計方法。然而設(shè)計的結(jié)果還要考慮設(shè)備的柔性和健壯性。因為設(shè)備在實際運行中,各參數(shù)不可能固定不變,因而在所謂的*設(shè)計過程中,當參數(shù)改變時它的某些性能可能變得zui差。如設(shè)計時流體處于層流和湍流的臨界狀態(tài),如果實際工作中狀態(tài)發(fā)生改變,設(shè)計結(jié)果就會出現(xiàn)較大的波動。因而對于好的設(shè)計應該考慮工作參數(shù)波動時的情況,通過計算機的模擬則可以實現(xiàn)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(shù)學模型已有許多。這里選文獻作為依據(jù),使用傳熱單元數(shù)法。 2.2 實現(xiàn)方法 整個板翅式換熱器的模擬系統(tǒng)由基本數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)管理模塊、輸入輸出模塊、工藝參數(shù)計算模塊和相應的輔助設(shè)計接口模塊組成。其相互關(guān)系見圖1。  此系統(tǒng)的核心部分是工藝參數(shù)計算模塊,它主要是根據(jù)板翅式換熱器設(shè)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(shè)計之中?；緮?shù)據(jù)庫是板翅式換熱器設(shè)計計算過程中需要用到的有關(guān)數(shù)據(jù),如翅片的形式,尺寸和性能參數(shù),介質(zhì)的類型和性能參數(shù)（現(xiàn)主要包括水、油和水蒸氣）;另外還有計算過程中經(jīng)常用到一些系數(shù),如傳熱因子ｊ、摩擦因子ｆ及阻力縮放系數(shù)Ｋｅ、Ｋｃ等,這些數(shù)據(jù)本身是根據(jù)經(jīng)驗和試驗得出的圖表系數(shù),本文按照文獻的方法處理。數(shù)據(jù)管理模塊主要提供工藝計算模塊和基本數(shù)據(jù)庫的接口,同時完成基本數(shù)據(jù)庫的管理工作,包括:查詢、修改、添加等。設(shè)計接口模塊提供模擬系統(tǒng)和設(shè)計系統(tǒng)的接口,它們共用基本數(shù)據(jù)庫和工藝計算模塊。基本輸入輸出模塊則為模擬系統(tǒng)的基本部分,提供人機接口,可根據(jù)不同的用途輸入不同的查詢參數(shù)從而得出對應的輸出結(jié)果。強度校核模塊主要是對設(shè)備的強度進行校核,即設(shè)備的尺寸能否承受實際的工作壓力并且滿足安全系數(shù)的要求。整個系統(tǒng)由一系列的模塊組成,它們相互獨立,體現(xiàn)了可擴充性和可修改性。如模型改進后只要修改參數(shù)計算模塊即可。 2.3 具體應用 板翅式換熱器設(shè)計過程中主要涉及以下基本參數(shù):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(shè)計完成后,在換熱器的翅片型式,流道的分布以及層數(shù)都已確定的條件下,本模擬系統(tǒng)的主要功能包括:（1）設(shè)計結(jié)果的校核可以校核常規(guī)設(shè)計或優(yōu)化設(shè)計的熱力計算結(jié)果的正確性以及是否滿足強度的要求;（2）與設(shè)計軟件的配合可以驗證設(shè)計結(jié)果的柔性和健壯性。為用戶提供不同操作條件下,各個參數(shù)之間的關(guān)系。避免普通設(shè)計的盲目性以及優(yōu)化設(shè)計中得到不穩(wěn)定性。如若優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果使設(shè)備工作在不穩(wěn)定的狀態(tài)時,可以通過改變設(shè)計工作點,達到較佳狀態(tài)。其功能包括實際工況下的波分析,承受波動的能力,*工作參數(shù)范圍（如溫差變化范圍,阻力變化范圍）的確定等。（3）工作參數(shù)的調(diào)整（設(shè)備調(diào)優(yōu)）設(shè)備在實際服役中,工作參數(shù)的改變及流體的參數(shù)的改變等會起其它參數(shù)的改變;通過模擬評估,給設(shè)備的再使用和決策提供基礎(chǔ)。（4）改變工作狀態(tài)后強度的校核當我們需要改變用途以及介質(zhì)的壓力改變時我們必須保證設(shè)備的強度夠用,通過此模擬系統(tǒng)可以確定設(shè)備的安全系數(shù)以及強度余量,從而為我們正確使用設(shè)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(jié)果。 3.1 設(shè)計要求 用板翅式換熱器對某油系統(tǒng)進行冷卻。冷卻用水入口溫度為7℃,壓力為0 3ＭＰａ,設(shè)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(shù)Ｎ和水的流量Ｑ為設(shè)計變量進行優(yōu)化設(shè)計,并確定優(yōu)選設(shè)計方案。  3.2 設(shè)計結(jié)果 表1給出了板翅式換熱器計算機輔助設(shè)計的兩種優(yōu)化方案的結(jié)果。 3.3 模擬系統(tǒng)的分析 表2給出了兩種設(shè)計方案下,冷、熱流體入、出口溫度及流量的模擬計算結(jié)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(wěn)定性,油的流量可由1.33ｋｇ/ｓ波動1.5ｋｇ/ｓ,油入口溫度zui高可達到60℃。這時冷卻水的參數(shù)要如何改變,才能達到原來的設(shè)計要求?且兩種設(shè)計方案,哪一種更優(yōu)?  為了解決此問題,可對各工況加以模擬,確定冷卻水的參數(shù)并進行方案優(yōu)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(xiàn)波動由55℃波動到60℃,流量由1.33ｋｇ/ｓ波動到1.5ｋｇ/ｓ。設(shè)水的入口溫度仍為7℃。經(jīng)模擬,在滿足原設(shè)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(shù)值可以判斷出:設(shè)計1的方案的柔性要優(yōu)于設(shè)計2。由此可以優(yōu)先選用設(shè)計1的方案。 4結(jié) 論 計算機輔助設(shè)計過程是一個黑箱操作,按照一定的設(shè)計條件,給出一個合理的設(shè)計結(jié)果,而其中的一些細節(jié)甚至是參數(shù)改變時換熱器的表現(xiàn)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(jié)果,與計算機輔助設(shè)計配合使用可以達到*效果。本文將計算機技術(shù)應用于換熱器的設(shè)計與模擬中,可以大大節(jié)省設(shè)計時間和費用,并且可以給出不同的設(shè)計方案進行比較和選擇。對于已有或設(shè)計好的板翅式換熱器可以進行各種工況的模擬,可以為設(shè)備*狀態(tài)提供依據(jù)。本文的系統(tǒng)具有可修改性和可擴充性。可以適應試驗數(shù)據(jù)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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