王 凱 凌 祥 彭 浩

(南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院)

組合型板翅式換熱器熱力設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)①

王 凱 凌 祥 彭 浩

(南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院)

串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)組合型板翅式換熱器正廣泛應(yīng)用于螺桿壓縮機(jī)的空氣和油冷卻系統(tǒng)中，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱力計(jì)算時(shí)，因涉及大量的理論計(jì)算和圖表查詢，傳統(tǒng)的手工算法計(jì)算工作量大、效率低，且易出現(xiàn)人為誤差。為了降低板翅式換熱器的設(shè)計(jì)難度，提高計(jì)算精度，以Visual Basic6.0為系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)，結(jié)合Access建立不同條件下多種流體的物性數(shù)據(jù)庫，利用對(duì)數(shù)平均溫差法設(shè)計(jì)開發(fā)出一套具有可視化操作界面的板翅式換熱器熱力設(shè)計(jì)軟件，可實(shí)現(xiàn)單體或多個(gè)板翅式換熱器串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱力計(jì)算，并通過具體實(shí)例的計(jì)算，驗(yàn)證了該軟件算法的可靠性和高效性。

板翅式換熱器 熱力設(shè)計(jì) 軟件開發(fā) 串聯(lián) 并聯(lián) 混聯(lián)

近年來，隨著強(qiáng)化傳熱技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)緊湊式換熱器的研究也不斷深入，已有許多新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)應(yīng)用于工程實(shí)際[1]。板翅式換熱器具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧牢固、適應(yīng)性強(qiáng)及經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)[2,3]，已被廣泛應(yīng)用于螺桿壓縮機(jī)的空氣和油冷卻系統(tǒng)中。同時(shí)，由于壓縮機(jī)不斷朝高效緊湊的方向發(fā)展，傳統(tǒng)單一結(jié)構(gòu)的板翅式換熱器已不能滿足壓縮機(jī)對(duì)空間尺寸、換熱性能等方面的要求，串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)組合型板翅式換熱器因具有良好的適應(yīng)能力和傳熱特性正逐步得到發(fā)展與應(yīng)用。

板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱力計(jì)算涵蓋大量的數(shù)學(xué)公式和圖表查詢，計(jì)算過程冗長(zhǎng)繁瑣，操作環(huán)境復(fù)雜多變[4]。為了降低換熱器的設(shè)計(jì)難度，提高設(shè)計(jì)計(jì)算效率，開發(fā)相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算軟件早已成為適應(yīng)科技發(fā)展的新趨勢(shì)[5]。當(dāng)前，國內(nèi)外對(duì)板翅式換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算軟件的開發(fā)研究方興未艾[6,7]，已有許多成熟的軟件應(yīng)用到日常的設(shè)計(jì)計(jì)算中。但大多數(shù)軟件只涉及到單體換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱力計(jì)算，對(duì)于將多個(gè)換熱器組合起來進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算的，目前還鮮有類似的文獻(xiàn)和成果出現(xiàn)。

基于此，筆者以Visual Basic6.0為系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)，利用其開發(fā)效率高、設(shè)計(jì)靈活、界面友好及交互性強(qiáng)等特點(diǎn)[8]，開發(fā)出一套具有可視化操作界面的板翅式換熱器熱力設(shè)計(jì)軟件，可實(shí)現(xiàn)單體及多個(gè)板翅式換熱器串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱力計(jì)算。該設(shè)計(jì)軟件不僅可以顯著提高設(shè)計(jì)過程中的工作效率，縮短設(shè)計(jì)周期，也為其他類似軟件的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。

1 軟件設(shè)計(jì)原理

1.1 計(jì)算模型

筆者研究的板翅式換熱器單元體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由翅片、隔板、封條和導(dǎo)流片4部分構(gòu)成。翅片是單元體中的核心元件，包括平直型、鋸齒型、波紋型和多孔型4種常用翅片類型。在單元體中進(jìn)行換熱的冷熱流體可呈錯(cuò)流、順流或逆流3種不同的流動(dòng)形態(tài)，圖2所示為錯(cuò)流形態(tài)下的芯體結(jié)構(gòu)示意圖。

在實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算過程中，由于空間尺寸的限制或結(jié)構(gòu)形態(tài)的差異，需將若干個(gè)換熱器以串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)的形式連接起來，以滿足設(shè)計(jì)計(jì)算的不同要求。板翅式換熱器的串聯(lián)模型、并聯(lián)模型和混聯(lián)模型如圖3所示。圖中，W代表流體流量，L/h；T代表流體溫度，℃；Δp代表流體壓降，kPa；i代表進(jìn)口，o代表出口，c代表冷流體，h代表熱流體。

圖1 單元體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 芯體結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 換熱器連接形式

串聯(lián)模型中的流量關(guān)系式為W1hi=W1ho=W2hi=W2ho=W3hi=W3ho，溫度關(guān)系式為T1ho=T2hi、T2ho=T3hi；并聯(lián)模型中的流量關(guān)系式為Wo=W1hi+W2hi+W3hi，溫度關(guān)系式為To=T1hi=T2hi=T3hi，壓降關(guān)系式為ΔpAc=ΔpBc=ΔpCc；混聯(lián)模型中的流量關(guān)系式為W1hi=W1ho=W2hi=W2ho=W3hi=W3ho、W3ho=W4hi+W5hi+W6hi，溫度關(guān)系式為T1ho=T2hi、T2ho=T3hi、T3ho=T4hi=T5hi=T6hi，壓降關(guān)系式為ΔpAc=ΔpBc=ΔpCc。

1.2 計(jì)算方法

筆者結(jié)合傳熱過程的基本方程，采用工程上廣泛使用的對(duì)數(shù)平均溫差法對(duì)板翅式換熱器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱力計(jì)算。

Q=KFΔtm

(1)

Q=mcpΔt

(2)

式中cp——定壓比熱，J/(kg·K)；

F——換熱面積，m2；

m——質(zhì)量流量，kg/s；

Q——換熱量，kPa；

Δtm——對(duì)數(shù)平均溫差，℃；

Δt——進(jìn)出口溫差，℃。

該軟件設(shè)計(jì)計(jì)算流程主要包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱力設(shè)計(jì)和阻力設(shè)計(jì)三大階段，圖4為單體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算流程圖。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括翅片類型選取、翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定、芯體物理結(jié)構(gòu)計(jì)算；熱力設(shè)計(jì)包括流體工況參數(shù)設(shè)定、流體物性參數(shù)調(diào)用、流體換熱面積試算、計(jì)算結(jié)果(出口溫度和散熱量)輸出；阻力設(shè)計(jì)包括流體經(jīng)驗(yàn)公式確定、流體阻力因子插值計(jì)算、流體壓降計(jì)算。

2 軟件開發(fā)

2.1 數(shù)據(jù)庫的建立

筆者選用Access建立物性數(shù)據(jù)庫，將防凍液(如乙二醇和水50∶ 50)等多種流體的物性參數(shù)(密度、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)及比熱容等)輸入其中，結(jié)合VB6.0內(nèi)置的Microsoft Jet Database Engine控件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫的訪問[9]，最后利用插值法的基本原理將符合要求的物性參數(shù)自動(dòng)傳輸?shù)絍B主程序中進(jìn)行迭代計(jì)算，確保結(jié)果準(zhǔn)確高效地輸出到窗體界面中。

2.2 軟件功能的實(shí)現(xiàn)

本軟件以熱力學(xué)法則為理論基礎(chǔ)，在繪制程序開發(fā)框圖和操作界面的同時(shí)，以計(jì)算模型為參照編寫了主程序代碼，利用程序代碼的邏輯意義實(shí)現(xiàn)了軟件主體的設(shè)計(jì)計(jì)算功能。本軟件主要包括四大模塊，分別是：原始參數(shù)輸入模塊、熱力計(jì)算模塊、結(jié)果輸出模塊和數(shù)據(jù)保存模塊。

2.2.1 原始參數(shù)輸入模塊

工況參數(shù)輸入包括：流體類型、進(jìn)口溫度、工作流量及工作壓力等；結(jié)構(gòu)參數(shù)輸入包括：芯體長(zhǎng)度、芯體寬度、通道數(shù)量及流動(dòng)形式等；翅片參數(shù)輸入包括：污垢熱阻、導(dǎo)熱系數(shù)及定性尺寸等。

圖4 單體設(shè)計(jì)計(jì)算流程

2.2.2 熱力計(jì)算模塊

熱力計(jì)算模塊包括：對(duì)數(shù)平均溫差計(jì)算、芯體結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算、給熱系數(shù)計(jì)算、翅片表面效率計(jì)算、總傳熱系數(shù)計(jì)算、換熱面積校核、散熱量計(jì)算及壓降計(jì)算等。

2.2.3 結(jié)果輸出模塊

結(jié)果輸出模塊包括：冷/熱流體出口溫度輸出、冷/熱流體散熱量輸出、冷/熱流體壓降輸出。

2.2.4 數(shù)據(jù)保存模塊

筆者通過創(chuàng)建OLE Automation對(duì)象，在VB和Excel之間搭設(shè)了一條虛擬的數(shù)據(jù)傳輸通道，可將程序每一步的計(jì)算結(jié)果快速導(dǎo)入到Excel中，實(shí)現(xiàn)VB和Excel的無縫連接[10]，方便用戶借助Excel對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析比較。

2.3 附加功能

軟件具備獨(dú)立的物性參數(shù)查詢界面，用戶只須根據(jù)實(shí)際需要選定流體類型，設(shè)定其工作壓力和溫度，就可將數(shù)據(jù)庫中的物性參數(shù)調(diào)用并顯示在窗體界面中。圖5為物性參數(shù)查詢界面示意圖。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 軟件驗(yàn)證

為驗(yàn)證該軟件算法的準(zhǔn)確性與可靠性，筆者以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為參照，選取相同工況下、同一結(jié)構(gòu)尺寸的換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證比較見表1。實(shí)測(cè)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果的誤差率均保持在5%以內(nèi)，說明該軟件的計(jì)算精度滿足設(shè)計(jì)要求，可用于串、并、混組合型板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱力計(jì)算。

圖5 物性參數(shù)查詢界面示意圖

表1 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證比較

3.2 實(shí)例計(jì)算

以防凍液(乙二醇和水50∶ 50)與冷空氣進(jìn)行換熱為例，對(duì)一壓縮機(jī)換熱器串聯(lián)模型進(jìn)行傳熱計(jì)算。該串聯(lián)模型由4個(gè)結(jié)構(gòu)不同的板翅式換熱器單體組合而成，其初始結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況參數(shù)見表2、3。操作界面選型示意圖如圖6所示。

表2 板翅式換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)

表3 板翅式換熱器工況參數(shù)

圖6 操作界面選型示意圖

輸入結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況參數(shù)并計(jì)算結(jié)果，界面如圖7、8所示。

圖7 結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

圖8 工況參數(shù)示意圖

數(shù)據(jù)導(dǎo)出結(jié)果見表4，計(jì)算得到的出口溫度、散熱量、壓降3個(gè)參量滿足工作要求。

4 結(jié)束語

筆者討論了板翅式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，并以Visual Basic 6.0作為軟件開發(fā)平臺(tái)，通過Access建立多種條件下不同流體的物性參數(shù)數(shù)據(jù)庫，利用Excel強(qiáng)大的數(shù)據(jù)后處理功能構(gòu)建出完整的數(shù)據(jù)傳輸通道，結(jié)合簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)計(jì)算模型設(shè)計(jì)開發(fā)出了一套具有可視化操作界面的軟件，相較于常見的只計(jì)算單體結(jié)構(gòu)的換熱器熱力設(shè)計(jì)計(jì)算軟件，本軟件可實(shí)現(xiàn)串、并、混組合型板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱力計(jì)算。與此同時(shí)，以實(shí)測(cè) 數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)對(duì)該軟件進(jìn)行了可靠性分析，發(fā)現(xiàn)二者之間的誤差范圍不超過5%，證明該軟件具有良好的求解精度和便捷的操作體驗(yàn)，可有效提高設(shè)計(jì)人員的工作效率，滿足用戶的設(shè)計(jì)需求。

表4 板翅式換熱器數(shù)據(jù)輸出

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2016-03-03，

2016-11-15)

《化工機(jī)械》合訂本消息

2015年《化工機(jī)械》合訂本每?jī)?cè)定價(jià)170元，2014～2011年每?jī)?cè)定價(jià)110元。如需郵購，可直接匯款至蘭州西固合水北路3號(hào)《化工機(jī)械》編輯部(收款人：張志遠(yuǎn))，郵編：730060。請(qǐng)?jiān)诟窖詸趦?nèi)說明書名及所需冊(cè)數(shù)。另外，尚有少量1995年(50元)、1996年(50元)、1997年(50元)、1998年(60元)、1999年(60元)、2000年(60元)、2001年(70元)、2002年(70元)、2003年(70元)、2004年(70元)、2005年(70元)、2006年(70元)、2007年(70元)、2008年(70元)、2009年(70元)及2010年(90元)合訂本，如需購買，請(qǐng)按上述地址和匯款方法郵購。

地址：蘭州西固合水北路3號(hào)郵編：730060電話(傳真)：0931-7311073

SoftwareDevelopmentforHeatPowerDesignofCombinedPlate-FinHeatExchangers

WANG Kai, LING Xiang, PENG Hao

(SchoolofMechanicalandPowerEngineering,NanjingUniversityofTechnology)

The plate-fin heat exchangers of series connection, parallel connection and mix connection are widely applied in air cooler and oil cooler in the screw compressor. Having Visual Basic 6.0 adopted as the development platform, and the Access combined to build a property database for various fluids in different conditions as well as the logarithmic mean temperature difference employed to develop the software with visual operating interface for calculation of the heat power of the plate-fin heat exchangers was implemented to realize the structure design and thermal calculation of single or multiple plate-fin heat exchangers of series connection, parallel connection and mix connection. The practical calculation proves this software’s reliability and high efficiency.

plate-fin heat exchanger, heat power design, software development, series connection, parallel connection, mix connection

王凱(1989-)，碩士研究生，從事新型高效傳熱傳質(zhì)設(shè)備的研究。

聯(lián)系人凌祥(1967-)，教授，從事新能源技術(shù)與裝備、過程強(qiáng)化與節(jié)能環(huán)保裝備技術(shù)、緊湊式熱交換器、微通道熱交換器、特種表面處理技術(shù)、特種連接技術(shù)(釬焊、擴(kuò)散焊)及高溫蠕變損傷與斷裂等方面的研究，xling@njtech.edu.cn。

TQ051.5

A

0254-6094(2017)01-0033-06