緊湊式換熱器的設(shè)計(jì)

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1、第二章緊湊式換熱器的設(shè)計(jì)、校核、性能分析板翅式和主表面型換熱器由于具有體積小、重量輕、效率高等突出優(yōu)點(diǎn)[24]，在工業(yè)上應(yīng)用很廣泛，它們的設(shè)計(jì)、校核、性能分析對工業(yè)的發(fā)展起著很重要的作用。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的迅速發(fā)展，對產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量和速度提出越來越高的要求，傳統(tǒng)手工設(shè)計(jì)已無法適應(yīng)發(fā)展的需要，運(yùn)用面向?qū)ο蟮挠?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)可以提高設(shè)計(jì)效率、縮短設(shè)計(jì)周期，可對產(chǎn)品進(jìn)行精確的計(jì)算分析，采用先進(jìn)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，獲得最佳設(shè)計(jì)方案，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，并有助于促進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、加速產(chǎn)品的開發(fā)，提高市場競爭力?！?.1軟件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，換熱器的設(shè)計(jì)軟

2、件層出不窮，但傳統(tǒng)的換熱器設(shè)計(jì)軟件一般只涉及換熱器的某一兩方面，或僅僅只能實(shí)現(xiàn)常規(guī)工況下的換熱器設(shè)計(jì)，或包括設(shè)計(jì)和校核，或包含換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算和繪圖輸出，或是換熱器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，這些軟件雖說能實(shí)現(xiàn)換熱器的某些功能，但內(nèi)容都比較單一，不能滿足人們對換熱器的需求。一個(gè)功能完善的換熱器軟件應(yīng)包括換熱器的設(shè)計(jì)、校核、性能分析、優(yōu)化及參數(shù)化繪圖。換熱器要應(yīng)用于生產(chǎn)中，首先要對換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此換熱器的設(shè)計(jì)是換熱器軟件最主要也是最基本的功能。其中，不僅要對設(shè)計(jì)常規(guī)工況下的換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)，也要對多工況下的換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)，因?yàn)樵趯?shí)際生產(chǎn)中，換熱器的運(yùn)行工況是變化的。而且對于可選擇

3、的換熱型面，不僅可以對標(biāo)準(zhǔn)型面進(jìn)行設(shè)計(jì)，還應(yīng)可以對通過實(shí)驗(yàn)獲得性能的新型面進(jìn)行設(shè)計(jì)，即將新型面能擴(kuò)展到該軟件中，擴(kuò)展性是軟件很重要的一個(gè)功能。在實(shí)際生活中，有時(shí)人們不能通過實(shí)驗(yàn)獲得某一新型面的換熱及阻力性能，但人們又希望能夠了解該型面的性能，因此通過軟件對新型面進(jìn)行性能預(yù)測是很必需的。換熱器設(shè)計(jì)好之后，能不能確實(shí)滿足生產(chǎn)需求，需對換熱器進(jìn)行校核設(shè)計(jì)。換熱器的優(yōu)化是換熱器設(shè)計(jì)的一個(gè)很重要的方面，運(yùn)用優(yōu)化方法對某一目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，使所設(shè)計(jì)的換熱器各參數(shù)達(dá)到最優(yōu)，使之最適合該場合的應(yīng)用。換熱器的性能曲線是換熱器經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行的保證，分析換熱器的性能曲線（包括穩(wěn)態(tài)性能曲線和動(dòng)

4、態(tài)性能曲線），對換熱器的運(yùn)行起著指導(dǎo)性的作用。穩(wěn)態(tài)性能曲線是換熱器在運(yùn)行中由一個(gè)工況變化到另一個(gè)工況時(shí)各參數(shù)的變化規(guī)律，動(dòng)態(tài)性能曲線是換熱器啟動(dòng)時(shí)，各參數(shù)如兩側(cè)的出口溫度是如何隨時(shí)間進(jìn)行變化的。掌握了這些規(guī)律，就可對換熱器的各參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使換熱器始終處于安全、最佳運(yùn)行狀態(tài)。換熱器設(shè)計(jì)完之后，人們希望能輸出圖紙進(jìn)行加工，因此參數(shù)化繪圖也是換熱器軟件最基本的功能。一個(gè)功能完善的換熱器設(shè)計(jì)軟件應(yīng)包含如圖2-1所示的功能。緊湊式換熱器軟件包換熱器設(shè)計(jì)換熱器校核換熱器性能分析換熱器優(yōu)化常規(guī)設(shè)計(jì)虛擬工況設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)換熱器型面用戶自定義型面用戶預(yù)測型面基于穩(wěn)態(tài)的變工況分析基于動(dòng)態(tài)的

5、變工況分析單目標(biāo)優(yōu)化多目標(biāo)優(yōu)化外形尺寸優(yōu)化???????翅片結(jié)構(gòu)優(yōu)化兩側(cè)進(jìn)口流量變化時(shí)性能分析兩側(cè)進(jìn)口溫度變化時(shí)性能分析參數(shù)化繪圖圖2-1軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖本文圍繞上述內(nèi)容編制了集換熱器的設(shè)計(jì)、校核、性能分析和優(yōu)化于一體的綜合設(shè)計(jì)軟件，其具體內(nèi)容如下所述（虛線所示內(nèi)容本文未開發(fā)）?！?.2緊湊式換熱器的設(shè)計(jì)換熱器的設(shè)計(jì)[25]是指已知工質(zhì)的進(jìn)出口溫度、流量，用戶根據(jù)換熱量和壓降要求選擇合適的換熱器型面，并設(shè)計(jì)出它的尺寸。換熱器的設(shè)計(jì)模塊包括初參數(shù)輸入模塊、換熱面選型模塊、流動(dòng)方式模塊和設(shè)計(jì)結(jié)果模塊。其中，初參數(shù)輸入模塊包括常規(guī)設(shè)計(jì)和虛擬工況設(shè)計(jì)；換熱面選型模塊包括數(shù)

6、據(jù)庫中已有的標(biāo)準(zhǔn)換熱器型面、用戶通過實(shí)驗(yàn)獲得無量綱傳熱因子j、摩擦因子f的自定義換熱器型面以及還沒有獲得j、f因子的換熱器型面。§2.2.1數(shù)學(xué)模型1、傳熱計(jì)算[26]（1）、板翅式換熱器的翅片效率板翅式換熱器屬于間壁式換熱器，從傳熱機(jī)理來說，它的主要特點(diǎn)是具有擴(kuò)展的二次傳熱面，所以傳熱過程不僅在一次傳熱面而且也同時(shí)在二次傳熱面進(jìn)行，取一個(gè)翅片間距的微小單元如圖2-2所示。圖2-2翅片結(jié)構(gòu)圖一次傳熱面的換熱量為：（2—1）式中：——隔板表面與流體間對流換熱系數(shù)(j/kg·k)，——一次傳熱面積，指隔板表面的傳熱面積(m2)，——隔板表面溫度(℃)，——流體溫度(℃)

7、。二次傳熱面的換熱量為：（2—2）式中：——翅片表面與流體間對流換熱系數(shù)(J/kg·k)，與式（2—1）的相同，——二次傳熱面積，指翅片表面的傳熱面積(m2)，——翅片表面平均溫度(℃)。翅片表面的平均溫度低于翅片根部，也就是低于隔板表面溫度。在傳熱計(jì)算上為便于處理，可以把二次表面的傳熱量作如下變換：（2—3）式中：——翅片效率。（2—4）由上式可以看出，翅片效率是二次傳熱面的實(shí)際平均傳熱溫差和一次傳熱面?zhèn)鳠釡夭畹谋戎?，根?jù)熱傳導(dǎo)定理，經(jīng)數(shù)學(xué)方法處理，翅片效率轉(zhuǎn)化為：（2—5）（2—6）式中：——翅片的導(dǎo)熱系數(shù)(j/kg·k)，——翅片厚度(m)，——定型尺寸(