組合型板翅式換熱器熱力設計軟件的開發①

王 凱 凌 祥 彭 浩

(南京工業大學機械與動力工程學院)

組合型板翅式換熱器熱力設計軟件的開發①

王 凱 凌 祥 彭 浩

(南京工業大學機械與動力工程學院)

串聯、并聯、混聯組合型板翅式換熱器正廣泛應用于螺桿壓縮機的空氣和油冷卻系統中，在進行結構設計和熱力計算時，因涉及大量的理論計算和圖表查詢，傳統的手工算法計算工作量大、效率低，且易出現人為誤差。為了降低板翅式換熱器的設計難度，提高計算精度，以Visual Basic6.0為系統開發平臺，結合Access建立不同條件下多種流體的物性數據庫，利用對數平均溫差法設計開發出一套具有可視化操作界面的板翅式換熱器熱力設計軟件，可實現單體或多個板翅式換熱器串聯、并聯和混聯模型的結構設計和熱力計算，并通過具體實例的計算，驗證了該軟件算法的可靠性和高效性。

板翅式換熱器 熱力設計 軟件開發 串聯 并聯 混聯

近年來，隨著強化傳熱技術的迅速發展，對緊湊式換熱器的研究也不斷深入，已有許多新技術、新結構應用于工程實際[1]。板翅式換熱器具有傳熱效率高、結構緊湊、輕巧牢固、適應性強及經濟性好等優點[2,3]，已被廣泛應用于螺桿壓縮機的空氣和油冷卻系統中。同時，由于壓縮機不斷朝高效緊湊的方向發展，傳統單一結構的板翅式換熱器已不能滿足壓縮機對空間尺寸、換熱性能等方面的要求，串聯、并聯、混聯組合型板翅式換熱器因具有良好的適應能力和傳熱特性正逐步得到發展與應用。

板翅式換熱器的結構設計和熱力計算涵蓋大量的數學公式和圖表查詢，計算過程冗長繁瑣，操作環境復雜多變[4]。為了降低換熱器的設計難度，提高設計計算效率，開發相應的設計計算軟件早已成為適應科技發展的新趨勢[5]。當前，國內外對板翅式換熱器設計計算軟件的開發研究方興未艾[6,7]，已有許多成熟的軟件應用到日常的設計計算中。但大多數軟件只涉及到單體換熱器的結構設計和熱力計算，對于將多個換熱器組合起來進行設計計算的，目前還鮮有類似的文獻和成果出現。

基于此，筆者以Visual Basic6.0為系統開發平臺，利用其開發效率高、設計靈活、界面友好及交互性強等特點[8]，開發出一套具有可視化操作界面的板翅式換熱器熱力設計軟件，可實現單體及多個板翅式換熱器串聯、并聯、混聯模型的結構設計和熱力計算。該設計軟件不僅可以顯著提高設計過程中的工作效率，縮短設計周期，也為其他類似軟件的設計開發提供了參考價值和指導意義。

1 軟件設計原理

1.1 計算模型

筆者研究的板翅式換熱器單元體結構如圖1所示，主要由翅片、隔板、封條和導流片4部分構成。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。在單元體中進行換熱的冷熱流體可呈錯流、順流或逆流3種不同的流動形態，圖2所示為錯流形態下的芯體結構示意圖。

在實際設計計算過程中，由于空間尺寸的限制或結構形態的差異，需將若干個換熱器以串聯、并聯、混聯的形式連接起來，以滿足設計計算的不同要求。板翅式換熱器的串聯模型、并聯模型和混聯模型如圖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代表進口，o代表出口，c代表冷流體，h代表熱流體。

圖1 單元體結構示意圖

圖2 芯體結構示意圖

圖3 換熱器連接形式

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

1.2 計算方法

筆者結合傳熱過程的基本方程，采用工程上廣泛使用的對數平均溫差法對板翅式換熱器進行結構設計和熱力計算。

Q=KFΔtm

(1)

Q=mcpΔt

(2)

式中cp——定壓比熱，J/(kg·K)；

F——換熱面積，m2；

m——質量流量，kg/s；

Q——換熱量，kPa；

Δtm——對數平均溫差，℃；

Δt——進出口溫差，℃。

該軟件設計計算流程主要包括結構設計、熱力設計和阻力設計三大階段，圖4為單體結構的設計計算流程圖。結構設計包括翅片類型選取、翅片結構參數設定、芯體物理結構計算；熱力設計包括流體工況參數設定、流體物性參數調用、流體換熱面積試算、計算結果(出口溫度和散熱量)輸出；阻力設計包括流體經驗公式確定、流體阻力因子插值計算、流體壓降計算。

2 軟件開發

2.1 數據庫的建立

筆者選用Access建立物性數據庫，將防凍液(如乙二醇和水50∶ 50)等多種流體的物性參數(密度、粘度、導熱系數及比熱容等)輸入其中，結合VB6.0內置的Microsoft Jet Database Engine控件實現對數據庫的訪問[9]，最后利用插值法的基本原理將符合要求的物性參數自動傳輸到VB主程序中進行迭代計算，確保結果準確高效地輸出到窗體界面中。

2.2 軟件功能的實現

本軟件以熱力學法則為理論基礎，在繪制程序開發框圖和操作界面的同時，以計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現了軟件主體的設計計算功能。本軟件主要包括四大模塊，分別是：原始參數輸入模塊、熱力計算模塊、結果輸出模塊和數據保存模塊。

2.2.1 原始參數輸入模塊

工況參數輸入包括：流體類型、進口溫度、工作流量及工作壓力等；結構參數輸入包括：芯體長度、芯體寬度、通道數量及流動形式等；翅片參數輸入包括：污垢熱阻、導熱系數及定性尺寸等。

圖4 單體設計計算流程

2.2.2 熱力計算模塊

熱力計算模塊包括：對數平均溫差計算、芯體結構參數計算、給熱系數計算、翅片表面效率計算、總傳熱系數計算、換熱面積校核、散熱量計算及壓降計算等。

2.2.3 結果輸出模塊

結果輸出模塊包括：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 數據保存模塊

筆者通過創建OLE Automation對象，在VB和Excel之間搭設了一條虛擬的數據傳輸通道，可將程序每一步的計算結果快速導入到Excel中，實現VB和Excel的無縫連接[10]，方便用戶借助Excel對結果進行分析比較。

2.3 附加功能

軟件具備獨立的物性參數查詢界面，用戶只須根據實際需要選定流體類型，設定其工作壓力和溫度，就可將數據庫中的物性參數調用并顯示在窗體界面中。圖5為物性參數查詢界面示意圖。

3 應用實例

3.1 軟件驗證

為驗證該軟件算法的準確性與可靠性，筆者以實測數據為參照，選取相同工況下、同一結構尺寸的換熱器進行設計計算，計算結果驗證比較見表1。實測結果和計算結果的誤差率均保持在5%以內，說明該軟件的計算精度滿足設計要求，可用于串、并、混組合型板翅式換熱器的結構設計和熱力計算。

圖5 物性參數查詢界面示意圖

表1 計算結果驗證比較

3.2 實例計算

以防凍液(乙二醇和水50∶ 50)與冷空氣進行換熱為例，對一壓縮機換熱器串聯模型進行傳熱計算。該串聯模型由4個結構不同的板翅式換熱器單體組合而成，其初始結構參數和工況參數見表2、3。操作界面選型示意圖如圖6所示。

表2 板翅式換熱器結構參數

表3 板翅式換熱器工況參數

圖6 操作界面選型示意圖

輸入結構參數和工況參數并計算結果，界面如圖7、8所示。

圖7 結構參數示意圖

圖8 工況參數示意圖

數據導出結果見表4，計算得到的出口溫度、散熱量、壓降3個參量滿足工作要求。

4 結束語

筆者討論了板翅式換熱器的設計計算方法，并以Visual Basic 6.0作為軟件開發平臺，通過Access建立多種條件下不同流體的物性參數數據庫，利用Excel強大的數據后處理功能構建出完整的數據傳輸通道，結合簡化的數學計算模型設計開發出了一套具有可視化操作界面的軟件，相較于常見的只計算單體結構的換熱器熱力設計計算軟件，本軟件可實現串、并、混組合型板翅式換熱器的結構設計和熱力計算。與此同時，以實測 數據為基準對該軟件進行了可靠性分析，發現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，可有效提高設計人員的工作效率，滿足用戶的設計需求。

表4 板翅式換熱器數據輸出

[1] 朱玉峰.活塞式壓縮機中冷器應用研究[J].礦山機械，2005，33(11)：90～91.

[2] 凌祥，涂善東，陸衛權.板翅式換熱器的研究與應用進展[J].石油機械，2000，28(5)：54～58.

[3] 王漢松.板翅式換熱器[M].北京：化學工業出版社，1984.

[4] 孫琪，李貝貝.管殼式換熱器設計軟件的開發[J].科學技術與工程，2012，12(24)：6229～6231，6240.

[5] 沈妍，傅瑞麗，安震，等.高溫熱管換熱器設計參數的模擬計算[J].硫磷設計與粉體工程，2012，(6)：6～10.

[6] 許光第，周幗彥，朱冬生，等.管殼式換熱器設計及軟件開發[J].流體機械，2012，41(4)：38～42.

[7] Kays W M，London A L .Compact Heat Exchangers[M].New York：McGraw Hill，1984.

[8] 李亞非，鄭玉，張軍強，等.Visual Basic程序設計教程[M].南京：南京大學出版社，2009.

[9] 李光輝，孟遂民，陳清江.利用VB6.0與Access97數據庫實現鏈接——開發架空輸電線路計算軟件平臺[J].三峽大學學報，2002，24(5)：429～432.

[10] 張杜，李秀峰.利用VB+Excel實現農業數據的圖表分析[J].安徽農業科學，2009，37(3)：1372～1374.

2016-03-03，

2016-11-15)

《化工機械》合訂本消息

2015年《化工機械》合訂本每冊定價170元，2014～2011年每冊定價110元。如需郵購，可直接匯款至蘭州西固合水北路3號《化工機械》編輯部(收款人：張志遠)，郵編：730060。請在附言欄內說明書名及所需冊數。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，請按上述地址和匯款方法郵購。

地址：蘭州西固合水北路3號郵編：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設備的研究。

聯系人凌祥(1967-)，教授，從事新能源技術與裝備、過程強化與節能環保裝備技術、緊湊式熱交換器、微通道熱交換器、特種表面處理技術、特種連接技術(釬焊、擴散焊)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