板式冷凝器选型计算程序设计方法探讨_魏文建

现代设计技术

文章编号:1006-3269(2001)02-0012-04

板式冷凝器选型计算程序设计方法探讨

魏文建,王 军,郑慧凡

(中原工学院纺织工程系,河南郑州 450007)

*

摘要: 介绍了一种实用的板式冷凝器选型计算程序设计方法,该程序采用可视化程序开发环境Delphi完成,据此设计的程序可用来指导用户进行板式冷凝器的选型设计、校核计算、选择和比较分析及运行敏感性分析等.

关 键 词: 板式冷凝器;选型;程序设计中图分类号: TU831 文献标识码: A

人员自己决定,以便更有效地利用已有的设计经验;对于多个可供选择的经验数据则存入列表框供用户下拉选择.该程序可满足用户进行板式冷凝器的选型设计与校核计算,能直接预览或打印计算结果数据图表及

部分中间运算结果;指导工程设计人员进行板式冷凝器的选择和比较分析;另外通过改变部分已知条件可以实现板式冷凝器的运行敏感性分析等功能,可直接给操作人员和设备维修保养人员提供动态数据,以做参考.

板式冷凝器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器.与壳管式冷凝器比较,有传热系数高、对数平均温差大、末端温差小、占地面积小、容易改变换热面积或流程组合、重量轻、价格低、制作及清洗方便、热损失小、容量小、用途广泛等特点.在适用范围内有取代壳管式冷凝器的趋势.但板式冷凝器的设计选型方法很不一致,造成有的选型过大,工程投资增加,效果也未充分发挥;有的选型偏小,造成使用效果不好,不能满足运行工况要求,甚至造成损失.而进口板式冷凝器的选型又多由国外公司驻华办事处用电脑选型,但他们往往不肯提供软件,特别是有关的应用程序,这样对设计选择以及多家产品进行分析比较带来了很大困难.另外在板式冷凝器选型时,往往要涉及到板型、流程等的改变,需重复计算多次.鉴于此,本文介绍的板式冷凝器选型计算应用程序设计方法,对工程设计选型具有一定的参考价值.

2 算法设计

板式换热器的设计计算方法可归结为两大类:(1)已知表示板式换热器热工特性和水力特性的

准则方程式.先选择板型和假定板间流速,然后计算出在设计条件下的热流体和冷流体的对流换热系数及传热系数K.通过几次试算得到所需的板片数、流程组合及阻力损失.

(2)已知表示板式换热器板间流速与传热系数关系的图表.先查出设计条件下的传热系数,然后计算出所需板片数、流程组合及阻力损失[1].

两种方法没有原则性差别,但在目前的条件下以第一种方法为好.在第二种方法中由于目前所建大多数板式换热器性能实验台,实验时流体温度变化幅度很小,在此实验条件下所给传热系数与流速的关系没有反映流体温度的影响.考虑到工质温度的变化,其物性参数并非定值

[2]

1 程序功能

该程序采用可视化程序开发环境Delphi完成,具有界面美观、功能实用的特点.对一些经验参数不在程序中先行赋值,而是采用人机对话的方式由选型设计

.而板式换热器的对流换热系数和

阻力损失是流体流速和流体的物性参数(普朗特数、运

动粘度、导热系数、密度)的函数,因而,据此计算会与

现代设计技术

实际情况产生偏差.2.1 已知条件

(1)板式冷凝器热负荷Qk(kW)

根据系统冷负荷及制冷机性能系数或压缩机耗功率可求;

(2)确定流经板式换热器的流体介质参数(见表1)

表1 流体介质参数表

序号热介质[1**********]11

进口设计温度thi/e出口设计温度tho/e质量流速Mh/(kg#s-1)进口压力phi/Pa允许的压力损失$ph/Pa

-1

导热系数Kh/(W#m#e)

v)))冷热流体的运动粘度系数(m2/s);

$p)))冷热流体流经板式交换器时的流动阻力损失(Pa);

Eu)))欧拉(Euler)准则数.

2.2 计算方法

(1)根据冷凝器负荷计算制冷剂和冷却水流量Gh、Gcw(kg/s):

冷介质

进口设计温度tcwi/e出口设计温度tcwo/e质量流速Mcw/(kg#s-1)进口压力pcwi/Pa允许的压力损失$pcw/Pa

-1

导热系数Kcw/(W#m#e)

Gh=

QkQk

;Gcw=(kg/s)(2)

Ch(thi-tho)Ccw(tcwi-tcwo)

(2)板型选择.

板片形式或波纹形式应根据换热场合的实际需要而定.对流量大允许压降小的情况,应选用阻力小的板型,反之选用阻力大的板型.根据流体压力和温度的情况,确定选择可拆卸式,还是钎焊式.确定板型时不宜选择单板面积太小的板片,以免板片数量过多,板间流

速偏小,传热系数过低.对板式冷凝器存在一个允许压降问题,冷凝器内压降大,会造成蒸汽的冷凝温度降低,造成对数平均温差减小,从而对换热不利.

(3)假定流速.

从理论上讲,板式换热器应存在一个最佳流速,在此流速下其初投资和运行费用最小.当板片两侧对流换热系数相差不大时,传热系数K较大.经实践证明,一般冷却流速控制在0.2~0.6m/s,制冷剂蒸汽侧流速控制在20~30m/s为宜.可用计算机完成试算过程.具体步骤如下:

¹根据制冷剂、冷却水的温度,假定冷却水侧流速及其相应壁温twl;

º由准则关系式求该侧换热系数A1;

»由公式q1=A1(t1-tw1)计算冷却水侧单位面积上的换热量q1;

¼根据板片的热阻Rp,用公式tw2=tw1-q1Rq计算制冷剂侧壁温tw2;

½由准则关系式求出制冷剂侧换热系数A2;比较A1和A2,使其相差不大,否则重新试算;

¾公式q2=A2(tw2-t2)计算制冷剂侧单位面积换热量q2,如果假定的流速合理且壁温正确,则应有q1=q2;若q1Xq2,则重新假定壁温再进行计算,直至q1与q2基本相当为止Reh、Recw.

(5)计算制冷剂和冷却水的努谢尔特(Nusselt)准

[3]

运动粘性系数vh/(m2#s-1)导温系数ah/(m2#s-1)

-3

密度Q)h/(kg#m

运动粘性系数vcw/(m2#s-1)导温系数acw/(m2#s-1)

-3

密度Q)cw/(kg#m

或比容vh/(m3#kg-1)比热Ch/(J#kg-1#e)普朗特准则Prh

或比容vcw/(m3#kg-1)比热Ccw/(J#kg-1#e)普朗特准则Prcw

注:h)))表示热介质;

cw)))表示冷介质;i)))表示介质进口状态;o)))表示介质出口状态.

(3)板式换热器几何尺寸

板片类型;单片换热面积f(m2);流体通道截面积S(m);流道当量直径de(m).以上参数均可在厂家样本上获得.

(4)板式换热器的准则方程式

Vde

;Nu=aRebPrn;Re=;Eu=a1Reb1(1)A=vde以上诸式中:

a)))冷热流体的对流换热系数(W/m#e);

Nu)))冷热流体努谢尔特(Nusselt)准则数;K)))冷热流体的导热系数(W/m#e);de)))冷热流体通道的当量直径(m);Re)))冷热流体雷诺(Reynolds)准则数;a、b、n、a1b1)))经验常数,从厂家样本可得;Pr)))冷热流体的普朗特(Prndtl)准则数;V)))冷热流体流速(m/s);

2

2

.

(4)计算制冷剂和冷却水的雷诺(Reynolds)准则数

现代设计技术

则数,Nuh、Nucw.

(6)计算制冷剂和冷却水的对流换热系数,Ah、Acw.

(7)计算传热系数K公式为:

-K=(1/Ah+1/Acw+Rp+Rde)

1

(9)计算板式冷凝器板片数及一个流程的流道数n.

(10)计算板式冷凝器的流程数N.一般冷凝过程均可在一个流程中完成,因此,制冷剂一侧经常布置为

(3)

单流程,冷却水侧可根据需要布置成单程或多程,但一

般单流程居多.

(11)计算实际换热面积Fr及实际板片数.(12)计算制冷剂和冷却水流经板式冷凝器的阻力损失$ph、$pcw.

$p=EuQV式中:p)))冷热流体密度(kg/m3);

V)))冷热流体流速(m/s);

Eu)))欧拉(Euler)准则数.

据此计算出的阻力乘以安全系数,同系统允许的阻力损失相比较,若过大则需降低板间流速重新计算,如满足要求至此选型设计计算结束.

(4)

2.3 计算流程图

依据上述算法,图1为所设计程序的流程图

.

2

2

式中:Ah)))制冷剂侧对流换热系数(W/m#e);

2

Acw)))冷却水侧对流换热系数(W/m#e);

Rp)))板片导热热阻,Rp=D/K;

Rde)))结垢系数.目前国内很多专家都认为应

该考虑污垢层热阻,但都未能给出具体数值.对冷却水侧的污垢热阻建议参考采用数值(25.8~60.2)@10

W).

则应提高假定流速重新设计计算.

(8)计算板式冷凝器理论换热面积Fth

tmFth=Qk#$

式中:$tm为对数平均传热温差(e).

(thi-tcwo)-(tho-tcwi)$tm=thi-tcwo

lnt-thocwi

[4]-6

(5)

(m#e/

2

据此计算的传热系数不应小于3000W/m2#e,否

:

图1 板式冷凝器选型计算程序设计流程图

(下转第32页)

技术创新与生产实践

参考文献

[1] 裘聿皇.成组技术与相似性系数[J].自动化学报,1999,25(2):275

-278.[2] 许香穗,蔡建国.成组技术[M].北京:机械工业出版社,1993.

TheProblemandItsImprovementaboutMethodoftheDividingintoBranches-gatheringtheClasses

LIUZh-icun

(HebeiInstituteofTechnology,Tangshan063009,China)Abstract:Thispaperprobestheclassification-dividingintobranches-gatheringtheclasses,andtheexistingproblemisanalysed.Thecyclemethodofdividingintobranches-gatheringtheclassesisadvanced,andisapplieinproductionmorereasonably.

Keywords:gatheringtheclasses;cyclemethodofdividingintobranches-gatheringtheclasses;grouptechnology

图1 中亲并枝-聚类分析循环流程图

不足之处,并提出了切实可行的改进方法:中亲并枝)聚类分析循环,使以后各机械加工企业在进行生产流程分析、划分车间生产单元时分组更合理.

收稿日期:2001-03-16

作者简介:刘志存(1965-),男,硕士,河北唐山人,河北理工学院讲师,

主要从事CAD及CAPP方面的教学和科研工作.

(上接第14页)

[4] 陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,

1993.196-202.

3 结 语

基于板式冷凝器在实际选型过程中遇到的困难,本文介绍了一种较为实用的板式冷凝器设计选型计算方法和程序编制流程.据此设计的程序计算结果正确,并在实际工程中得到应用.另需说明的是,本文指出的板式冷凝器选型计算程序算法及程序设计思路对于其它板式换热器的选择设计也是适用的,故具有一定的借鉴意义.

ProgrammingDiscussionofTypeSelection&CalculationofPlateCondensor

WEIWen-jian,WANGJun,ZHENGHu-ifan

(ZhongyuanInstituteofTechnology,Zhengzhou450007,China)Abstract:Apracticableprogrammingmethodofselectingplatecondensoradoptedavisualprogrammingexploringenvironmentisintro-duced,whichcandirectusertomakeanalysisofselectingtype,check,comparisonofplatecondensorandofsensibilityduringplatecondensorrunning.

Keywords:platecondensor;typeselection;programming

参考文献

[1] 杨雷.板式换热器在供热系统中的应用[J].低温建筑技术,1999,

18(1):37-38.

[2] 吴继臣,陈晓杰.板式换热器热力简化计算的精度分析[J].哈尔滨

建筑大学学报,1999,32(2):50-53.

[3] 邹同华,杜建通,刘晓东.板式换热器设计选型及使用中应注意的

问题[J].建筑热能通风空调,1999,18(4):54-56.

收稿日期:2001-04-23

基金项目:河南省科技攻关项目(0124150415)

作者简介:魏文建(1972-),男,河南夏邑人,中原工学院讲师.

现代设计技术

文章编号:1006-3269(2001)02-0012-04

板式冷凝器选型计算程序设计方法探讨

魏文建,王 军,郑慧凡

(中原工学院纺织工程系,河南郑州 450007)

*

摘要: 介绍了一种实用的板式冷凝器选型计算程序设计方法,该程序采用可视化程序开发环境Delphi完成,据此设计的程序可用来指导用户进行板式冷凝器的选型设计、校核计算、选择和比较分析及运行敏感性分析等.

关 键 词: 板式冷凝器;选型;程序设计中图分类号: TU831 文献标识码: A

人员自己决定,以便更有效地利用已有的设计经验;对于多个可供选择的经验数据则存入列表框供用户下拉选择.该程序可满足用户进行板式冷凝器的选型设计与校核计算,能直接预览或打印计算结果数据图表及

部分中间运算结果;指导工程设计人员进行板式冷凝器的选择和比较分析;另外通过改变部分已知条件可以实现板式冷凝器的运行敏感性分析等功能,可直接给操作人员和设备维修保养人员提供动态数据,以做参考.

板式冷凝器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器.与壳管式冷凝器比较,有传热系数高、对数平均温差大、末端温差小、占地面积小、容易改变换热面积或流程组合、重量轻、价格低、制作及清洗方便、热损失小、容量小、用途广泛等特点.在适用范围内有取代壳管式冷凝器的趋势.但板式冷凝器的设计选型方法很不一致,造成有的选型过大,工程投资增加,效果也未充分发挥;有的选型偏小,造成使用效果不好,不能满足运行工况要求,甚至造成损失.而进口板式冷凝器的选型又多由国外公司驻华办事处用电脑选型,但他们往往不肯提供软件,特别是有关的应用程序,这样对设计选择以及多家产品进行分析比较带来了很大困难.另外在板式冷凝器选型时,往往要涉及到板型、流程等的改变,需重复计算多次.鉴于此,本文介绍的板式冷凝器选型计算应用程序设计方法,对工程设计选型具有一定的参考价值.

2 算法设计

板式换热器的设计计算方法可归结为两大类:(1)已知表示板式换热器热工特性和水力特性的

准则方程式.先选择板型和假定板间流速,然后计算出在设计条件下的热流体和冷流体的对流换热系数及传热系数K.通过几次试算得到所需的板片数、流程组合及阻力损失.

(2)已知表示板式换热器板间流速与传热系数关系的图表.先查出设计条件下的传热系数,然后计算出所需板片数、流程组合及阻力损失[1].

两种方法没有原则性差别,但在目前的条件下以第一种方法为好.在第二种方法中由于目前所建大多数板式换热器性能实验台,实验时流体温度变化幅度很小,在此实验条件下所给传热系数与流速的关系没有反映流体温度的影响.考虑到工质温度的变化,其物性参数并非定值

[2]

1 程序功能

该程序采用可视化程序开发环境Delphi完成,具有界面美观、功能实用的特点.对一些经验参数不在程序中先行赋值,而是采用人机对话的方式由选型设计

.而板式换热器的对流换热系数和

阻力损失是流体流速和流体的物性参数(普朗特数、运

动粘度、导热系数、密度)的函数,因而,据此计算会与

现代设计技术

实际情况产生偏差.2.1 已知条件

(1)板式冷凝器热负荷Qk(kW)

根据系统冷负荷及制冷机性能系数或压缩机耗功率可求;

(2)确定流经板式换热器的流体介质参数(见表1)

表1 流体介质参数表

序号热介质[1**********]11

进口设计温度thi/e出口设计温度tho/e质量流速Mh/(kg#s-1)进口压力phi/Pa允许的压力损失$ph/Pa

-1

导热系数Kh/(W#m#e)

v)))冷热流体的运动粘度系数(m2/s);

$p)))冷热流体流经板式交换器时的流动阻力损失(Pa);

Eu)))欧拉(Euler)准则数.

2.2 计算方法

(1)根据冷凝器负荷计算制冷剂和冷却水流量Gh、Gcw(kg/s):

冷介质

进口设计温度tcwi/e出口设计温度tcwo/e质量流速Mcw/(kg#s-1)进口压力pcwi/Pa允许的压力损失$pcw/Pa

-1

导热系数Kcw/(W#m#e)

Gh=

QkQk

;Gcw=(kg/s)(2)

Ch(thi-tho)Ccw(tcwi-tcwo)

(2)板型选择.

板片形式或波纹形式应根据换热场合的实际需要而定.对流量大允许压降小的情况,应选用阻力小的板型,反之选用阻力大的板型.根据流体压力和温度的情况,确定选择可拆卸式,还是钎焊式.确定板型时不宜选择单板面积太小的板片,以免板片数量过多,板间流

速偏小,传热系数过低.对板式冷凝器存在一个允许压降问题,冷凝器内压降大,会造成蒸汽的冷凝温度降低,造成对数平均温差减小,从而对换热不利.

(3)假定流速.

从理论上讲,板式换热器应存在一个最佳流速,在此流速下其初投资和运行费用最小.当板片两侧对流换热系数相差不大时,传热系数K较大.经实践证明,一般冷却流速控制在0.2~0.6m/s,制冷剂蒸汽侧流速控制在20~30m/s为宜.可用计算机完成试算过程.具体步骤如下:

¹根据制冷剂、冷却水的温度,假定冷却水侧流速及其相应壁温twl;

º由准则关系式求该侧换热系数A1;

»由公式q1=A1(t1-tw1)计算冷却水侧单位面积上的换热量q1;

¼根据板片的热阻Rp,用公式tw2=tw1-q1Rq计算制冷剂侧壁温tw2;

½由准则关系式求出制冷剂侧换热系数A2;比较A1和A2,使其相差不大,否则重新试算;

¾公式q2=A2(tw2-t2)计算制冷剂侧单位面积换热量q2,如果假定的流速合理且壁温正确,则应有q1=q2;若q1Xq2,则重新假定壁温再进行计算,直至q1与q2基本相当为止Reh、Recw.

(5)计算制冷剂和冷却水的努谢尔特(Nusselt)准

[3]

运动粘性系数vh/(m2#s-1)导温系数ah/(m2#s-1)

-3

密度Q)h/(kg#m

运动粘性系数vcw/(m2#s-1)导温系数acw/(m2#s-1)

-3

密度Q)cw/(kg#m

或比容vh/(m3#kg-1)比热Ch/(J#kg-1#e)普朗特准则Prh

或比容vcw/(m3#kg-1)比热Ccw/(J#kg-1#e)普朗特准则Prcw

注:h)))表示热介质;

cw)))表示冷介质;i)))表示介质进口状态;o)))表示介质出口状态.

(3)板式换热器几何尺寸

板片类型;单片换热面积f(m2);流体通道截面积S(m);流道当量直径de(m).以上参数均可在厂家样本上获得.

(4)板式换热器的准则方程式

Vde

;Nu=aRebPrn;Re=;Eu=a1Reb1(1)A=vde以上诸式中:

a)))冷热流体的对流换热系数(W/m#e);

Nu)))冷热流体努谢尔特(Nusselt)准则数;K)))冷热流体的导热系数(W/m#e);de)))冷热流体通道的当量直径(m);Re)))冷热流体雷诺(Reynolds)准则数;a、b、n、a1b1)))经验常数,从厂家样本可得;Pr)))冷热流体的普朗特(Prndtl)准则数;V)))冷热流体流速(m/s);

2

2

.

(4)计算制冷剂和冷却水的雷诺(Reynolds)准则数

现代设计技术

则数,Nuh、Nucw.

(6)计算制冷剂和冷却水的对流换热系数,Ah、Acw.

(7)计算传热系数K公式为:

-K=(1/Ah+1/Acw+Rp+Rde)

1

(9)计算板式冷凝器板片数及一个流程的流道数n.

(10)计算板式冷凝器的流程数N.一般冷凝过程均可在一个流程中完成,因此,制冷剂一侧经常布置为

(3)

单流程,冷却水侧可根据需要布置成单程或多程,但一

般单流程居多.

(11)计算实际换热面积Fr及实际板片数.(12)计算制冷剂和冷却水流经板式冷凝器的阻力损失$ph、$pcw.

$p=EuQV式中:p)))冷热流体密度(kg/m3);

V)))冷热流体流速(m/s);

Eu)))欧拉(Euler)准则数.

据此计算出的阻力乘以安全系数,同系统允许的阻力损失相比较,若过大则需降低板间流速重新计算,如满足要求至此选型设计计算结束.

(4)

2.3 计算流程图

依据上述算法,图1为所设计程序的流程图

.

2

2

式中:Ah)))制冷剂侧对流换热系数(W/m#e);

2

Acw)))冷却水侧对流换热系数(W/m#e);

Rp)))板片导热热阻,Rp=D/K;

Rde)))结垢系数.目前国内很多专家都认为应

该考虑污垢层热阻,但都未能给出具体数值.对冷却水侧的污垢热阻建议参考采用数值(25.8~60.2)@10

W).

则应提高假定流速重新设计计算.

(8)计算板式冷凝器理论换热面积Fth

tmFth=Qk#$

式中:$tm为对数平均传热温差(e).

(thi-tcwo)-(tho-tcwi)$tm=thi-tcwo

lnt-thocwi

[4]-6

(5)

(m#e/

2

据此计算的传热系数不应小于3000W/m2#e,否

:

图1 板式冷凝器选型计算程序设计流程图

(下转第32页)

技术创新与生产实践

参考文献

[1] 裘聿皇.成组技术与相似性系数[J].自动化学报,1999,25(2):275

-278.[2] 许香穗,蔡建国.成组技术[M].北京:机械工业出版社,1993.

TheProblemandItsImprovementaboutMethodoftheDividingintoBranches-gatheringtheClasses

LIUZh-icun

(HebeiInstituteofTechnology,Tangshan063009,China)Abstract:Thispaperprobestheclassification-dividingintobranches-gatheringtheclasses,andtheexistingproblemisanalysed.Thecyclemethodofdividingintobranches-gatheringtheclassesisadvanced,andisapplieinproductionmorereasonably.

Keywords:gatheringtheclasses;cyclemethodofdividingintobranches-gatheringtheclasses;grouptechnology

图1 中亲并枝-聚类分析循环流程图

不足之处,并提出了切实可行的改进方法:中亲并枝)聚类分析循环,使以后各机械加工企业在进行生产流程分析、划分车间生产单元时分组更合理.

收稿日期:2001-03-16

作者简介:刘志存(1965-),男,硕士,河北唐山人,河北理工学院讲师,

主要从事CAD及CAPP方面的教学和科研工作.

(上接第14页)

[4] 陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,

1993.196-202.

3 结 语

基于板式冷凝器在实际选型过程中遇到的困难,本文介绍了一种较为实用的板式冷凝器设计选型计算方法和程序编制流程.据此设计的程序计算结果正确,并在实际工程中得到应用.另需说明的是,本文指出的板式冷凝器选型计算程序算法及程序设计思路对于其它板式换热器的选择设计也是适用的,故具有一定的借鉴意义.

ProgrammingDiscussionofTypeSelection&CalculationofPlateCondensor

WEIWen-jian,WANGJun,ZHENGHu-ifan

(ZhongyuanInstituteofTechnology,Zhengzhou450007,China)Abstract:Apracticableprogrammingmethodofselectingplatecondensoradoptedavisualprogrammingexploringenvironmentisintro-duced,whichcandirectusertomakeanalysisofselectingtype,check,comparisonofplatecondensorandofsensibilityduringplatecondensorrunning.

Keywords:platecondensor;typeselection;programming

参考文献

[1] 杨雷.板式换热器在供热系统中的应用[J].低温建筑技术,1999,

18(1):37-38.

[2] 吴继臣,陈晓杰.板式换热器热力简化计算的精度分析[J].哈尔滨

建筑大学学报,1999,32(2):50-53.

[3] 邹同华,杜建通,刘晓东.板式换热器设计选型及使用中应注意的

问题[J].建筑热能通风空调,1999,18(4):54-56.

收稿日期:2001-04-23

基金项目:河南省科技攻关项目(0124150415)

作者简介:魏文建(1972-),男,河南夏邑人,中原工学院讲师.