紧凑式换热器的设计

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1、第二章紧凑式换热器的设计、校核、性能分析板翅式和主表面型换热器由于具有体积小、重量轻、效率高等突出优点[24]，在工业上应用很广泛，它们的设计、校核、性能分析对工业的发展起着很重要的作用。随着现代科学技术和生产的迅速发展，对产品设计质量和速度提出越来越高的要求，传统手工设计已无法适应发展的需要，运用面向对象的计算机辅助设计技术可以提高设计效率、缩短设计周期，可对产品进行精确的计算分析，采用先进的现代设计方法，获得最佳设计方案，提高设计质量，并有助于促进产品设计的标准化、系列化、加速产品的开发，提高市场竞争力。§2.1软件的系统结构随着计算机技术的发展，换热器的设计软

2、件层出不穷，但传统的换热器设计软件一般只涉及换热器的某一两方面，或仅仅只能实现常规工况下的换热器设计，或包括设计和校核，或包含换热器的设计计算和绘图输出，或是换热器的设计和优化，这些软件虽说能实现换热器的某些功能，但内容都比较单一，不能满足人们对换热器的需求。一个功能完善的换热器软件应包括换热器的设计、校核、性能分析、优化及参数化绘图。换热器要应用于生产中，首先要对换热器进行设计，因此换热器的设计是换热器软件最主要也是最基本的功能。其中，不仅要对设计常规工况下的换热器进行设计，也要对多工况下的换热器进行设计，因为在实际生产中，换热器的运行工况是变化的。而且对于可选择

3、的换热型面，不仅可以对标准型面进行设计，还应可以对通过实验获得性能的新型面进行设计，即将新型面能扩展到该软件中，扩展性是软件很重要的一个功能。在实际生活中，有时人们不能通过实验获得某一新型面的换热及阻力性能，但人们又希望能够了解该型面的性能，因此通过软件对新型面进行性能预测是很必需的。换热器设计好之后，能不能确实满足生产需求，需对换热器进行校核设计。换热器的优化是换热器设计的一个很重要的方面，运用优化方法对某一目标进行优化，使所设计的换热器各参数达到最优，使之最适合该场合的应用。换热器的性能曲线是换热器经济、安全运行的保证，分析换热器的性能曲线（包括稳态性能曲线和动

4、态性能曲线），对换热器的运行起着指导性的作用。稳态性能曲线是换热器在运行中由一个工况变化到另一个工况时各参数的变化规律，动态性能曲线是换热器启动时，各参数如两侧的出口温度是如何随时间进行变化的。掌握了这些规律，就可对换热器的各参数进行调节，使换热器始终处于安全、最佳运行状态。换热器设计完之后，人们希望能输出图纸进行加工，因此参数化绘图也是换热器软件最基本的功能。一个功能完善的换热器设计软件应包含如图2-1所示的功能。紧凑式换热器软件包换热器设计换热器校核换热器性能分析换热器优化常规设计虚拟工况设计标准换热器型面用户自定义型面用户预测型面基于稳态的变工况分析基于动态的

5、变工况分析单目标优化多目标优化外形尺寸优化       翅片结构优化两侧进口流量变化时性能分析两侧进口温度变化时性能分析参数化绘图图2-1软件系统结构示意图本文围绕上述内容编制了集换热器的设计、校核、性能分析和优化于一体的综合设计软件，其具体内容如下所述（虚线所示内容本文未开发）。§2.2紧凑式换热器的设计换热器的设计[25]是指已知工质的进出口温度、流量，用户根据换热量和压降要求选择合适的换热器型面，并设计出它的尺寸。换热器的设计模块包括初参数输入模块、换热面选型模块、流动方式模块和设计结果模块。其中，初参数输入模块包括常规设计和虚拟工况设计；换热面选型模块包括数

6、据库中已有的标准换热器型面、用户通过实验获得无量纲传热因子j、摩擦因子f的自定义换热器型面以及还没有获得j、f因子的换热器型面。§2.2.1数学模型1、传热计算[26]（1）、板翅式换热器的翅片效率板翅式换热器属于间壁式换热器，从传热机理来说，它的主要特点是具有扩展的二次传热面，所以传热过程不仅在一次传热面而且也同时在二次传热面进行，取一个翅片间距的微小单元如图2-2所示。图2-2翅片结构图一次传热面的换热量为：（2—1）式中：——隔板表面与流体间对流换热系数(j/kg·k)，——一次传热面积，指隔板表面的传热面积(m2)，——隔板表面温度(℃)，——流体温度(℃)

7、。二次传热面的换热量为：（2—2）式中：——翅片表面与流体间对流换热系数(J/kg·k)，与式（2—1）的相同，——二次传热面积，指翅片表面的传热面积(m2)，——翅片表面平均温度(℃)。翅片表面的平均温度低于翅片根部，也就是低于隔板表面温度。在传热计算上为便于处理，可以把二次表面的传热量作如下变换：（2—3）式中：——翅片效率。（2—4）由上式可以看出，翅片效率是二次传热面的实际平均传热温差和一次传热面传热温差的比值，根据热传导定理，经数学方法处理，翅片效率转化为：（2—5）（2—6）式中：——翅片的导热系数(j/kg·k)，——翅片厚度(m)，——定型尺寸(