哈雷釬焊板式換熱器
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連續螺旋折流板管殼式換熱器動態特性研究及預測

點擊:1272 日期:[ 2014-04-26 22:13:42 ]
                        連續螺旋折流板管殼式換熱器動態特性研究及預測                                吳峰  王秋旺  陳秋煬  謝公南           (西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室  陜西 西安710049)     摘要:建立了可進行殼管式換熱器動態特性試驗研究系統,通過試驗研究的方法對水-油為換熱工質的連續螺旋折流板管殼式換熱器動態特性進行了試驗研究,進口流量擾動為等百分比流量特性,研究了4種流量擾動方式下水和油出口溫度的動態響應。同時研究了在一定Re數下,不同的流體擾動量對換熱器進出口溫升的影響,得到了換熱器進出口溫升與流體擾動量之間的關聯式。實驗表明,液液換熱系統溫度的動態響應時間比較長,研究發現在正負的流量擾動下,換熱器進出口溫度變化呈現線性變化,進出口溫升在正負流量擾動下其變化曲線具有對稱特征。分別建立了有限差分數值預測模型及人工神經網絡模型對換熱器油側的出口溫度進行了動態預測,預測結果與試驗值符合良好,人工神經網絡的預測結果要好于數值模擬預測,其偏差絕對值在1 3%以內,表明人工神經網絡在進行復雜的系統辨識時具有一定的參考及應用價值。     關鍵詞:殼管式換熱器;連續螺旋折流板;動態特性;數值預測;人工神經網絡;動態預測     中圖分類號:TK172   文獻標識碼:A引 言     在管殼式換熱器中,螺旋折流板換熱器由于其能夠改善殼側流動換熱性能,在相同的壓降下較弓形折流板換熱器而言其殼側換熱系數較高而得到研究及應用[1~4];對于高粘度流體而言,其換熱效果更加突出[5]。目前所使用的螺旋折流板管殼式換熱器的折流板一般是由兩塊或四塊扇形平板搭接而成,每兩塊扇形折流板之間一般存在三角區,存在嚴重的漏流問題,使得換熱器殼側的流動偏離真正的螺旋流動[6],本文所使用的連續螺旋折流板換熱器能夠使得換熱器殼側的流動實現真正的螺旋流動,提高了換熱效率[7]。而所有這些研究主要集中在換熱器的穩態傳熱特性上,換熱器穩態設計過程揭示了流體在換熱過程中能量平衡關系和穩定的溫度分布。但是這些都沒有提供換熱器動態行為方面的信息,對于一般的工業生產應用中,換熱器總是與其它熱力設備相互關聯,這必然會影響到換熱器運行過程中的一些熱力參數,諸如換熱工質的進口溫度及流量的變化,換熱器動態特性的研究對于換熱器熱過程的實時控制、狀態計算、優化及合理利用是十分必要的。以水和油為換熱工質的換熱設備廣泛地應用于化工、石油、冶煉及大型發電機的冷卻技術中。本文通過實驗研究的方法對連續螺旋折流板換熱器在水油為換熱工質系統中的動態特性進行了試驗研究,應用人工神經網絡技術進行了相應的預測,為相關換熱設備的分析、設計及改進其控制系統提供依據。     1 試驗系統     所研究的系統以水油為換熱工質,其中油走殼側,為熱流體;水走管側,為冷流體。油的溫升通過油箱中的電加熱器通電加熱完成,油箱中布置了8個電加熱器,通過改變電加熱器的通電個數能夠實現導熱油維持在不同的溫度上。具體試驗系統回路如圖1所示。試驗系統采用LWZ-32型渦輪流量計測量,其測量精度為±2.5%以內,量程為0~20m3/h,時間常數為0.25s。采用銅-康銅熱電偶進行溫度采集,其量程為0~200℃,時間常數在0 5s以內。油側壓差測量采用3501差壓變送器,量程為0~62.2kPa,信號為4~20mA(DC),精度為0.25%。     試驗中實現小流量擾動是通過控制回路智能閥門的開度來實現的,其產品型號為HYDT-2-40系列電子一體化電動調節閥,其介質工作壓力為1.6MPa,工作介質溫度為0~180℃,輸入信號為4~20mA,流量特性為等百分比,其具體的變化規律用下式表示:                        其中:Q—當前流量,m3/h;L—閥門最大行程,其值為25mm;K—比例常數。閥門的最大調節時間為120s。等百分比流量其特點為在小開度時調節閥的放大系數小,調節平穩緩和,在大開度時放大系數大,調節靈敏。其相對流量隨時間的變化式為:                       2 試驗結果與討論     試驗通過智能控制閥門的等百分比流量變化特性進行試驗工況的流量擾動。首先通過改變換熱器單側流量來研究換熱器兩側出口的溫度響應變化規律,具體的試驗工況如下:     (1)水回路流量降低擾動時換熱器的動態響應;     (2)水回路流量升高擾動時換熱器的動態響應;     (3)油回路流量降低擾動時換熱器的動態響應;     (4)油回路流量升高擾動時換熱器的動態響應。     以上4種工況流量的變化量,油回路為0.37kg/s,水回路為0.755kg/s。試驗雷諾數的變化范圍為Re=3.9×103~3.7×104,傳熱單元數范圍為NTU=9.2~14.6,油的Pr=119.9~146.38,水的Pr=14~17.6。一般而言對于換熱器動態特性的研究是建立在換熱器穩態基礎上的,因此對于換熱器的動態特性試驗而言,應當在換熱器達到熱平衡后施加各種擾動信號,以此測量換熱器各個參數的動態響應特性。     換熱器的熱平衡偏差計算方法如下:殼側油放出的熱量(熱側):                  試驗系統能夠實現實時數據采集及相應各指標參數的實時計算顯示,當熱平衡偏差在小于7%范圍內變動時,即可認為換熱器系統達到了熱平衡狀態,施加流量擾動并保存試驗數據。       各種工況下換熱器的動態響應情況如圖2所示。由圖2可知,對于以水-油為換熱工質的換熱系統有著較大的熱慣性,在流量擾動下達到新的熱平衡需要700s以上,且在流量擾動結束后,換熱器出口溫度變化有一定程度的滯后現象,最后達到新的平衡狀態。此外流量擾動下水回路出口溫度的穩定速度快于油出口溫度,這主要是由于油的物性而決定的,一般而言,油的Pr數較液體金屬及空氣都高(Pr在102~103的量級),本文工質油的Pr范圍在119.9~146.38。根據Pr的定義:                        它表征熱邊界層與流動邊界層的相對厚度。反映了流體中動量擴散與熱量擴散能力的對比,Pr數越大,粘性的影響傳遞得越遠,導熱油的Pr數高于水一個數量級,因而油速度邊界層的厚度要遠大于熱邊界層,工質油的動量傳遞能力很弱,動量傳遞的能力低會進一步減弱流體的熱量傳遞,在油的導熱系數偏小于水導熱系數的情況下,油的總體熱量傳遞能力要遠小于水,故油的溫度響應穩定時間比水長。     研究一側流體流量不變,另一側流體不同流體擾動量下換熱器兩股流體進出口溫升的變化規律。保持油側流量1.63kg/s不變,研究水側流體在正負流體擾動量下換熱器進出口溫升的動態特性,定義流量增加為正擾動,流量降低為負擾動。     水流量的正負擾動對于換熱器進出口溫升的影響近似表現為線性變化,且隨著流量擾動量的增加,其溫升也迅速增加,流量擾動影響最大的為油出口溫升,影響最小的為水進口溫升,分別對兩股流體進出口溫升變化規律進行線性擬合,得出各溫升隨流量擾動量的變化關聯式:                     保持水側流量不變,改變油側流量擾動量,同樣,流量降低擾動為負值,流量上升擾動為正值,換熱器兩股流體進出口溫升變化曲線如圖4所示。圖4中各溫升變化規律的曲線擬合關聯式:                      水進出口溫升、油出口溫升隨著油流量擾動量的增加而增加,呈線性變化,而油進口溫升變化趨勢則相反。     3 換熱器動態特性的數值預測通過數值預測的方法預測連續螺旋折流板換熱器的動態特性,本文試驗所研究的連續螺旋折流板換熱器的流程布置為兩管程結構,其結構示意如圖5所示。將連續螺旋折流板換熱器的流動與換熱等效為兩個殼管式換熱器的串聯,即一個逆流式換熱器及一個順流式換熱器的串聯組合,換熱器管側流程前半部分可視為一個逆流式換熱器,管側流程后半部分視為一個順流式換熱器,這樣就可以將逆流式換熱器及順流式換熱器動態預測的數值計算程序結合起來,用于連續螺旋折流板換熱器的兩側出口溫度的動態預測。     殼管式換熱器的靜態模型為對空間的常微分方程組,而其動態模型則為對時間和空間的偏微分方程組。為簡化數值計算,現作如下假設:     (1)通道內流體為不可壓縮流體,通道內的流動與換熱視為一維問題,進出口流體溫度均一。     (2)流體的所有熱物性均為常數,考慮壁面蓄熱作用。     (3)考慮殼側流體的縱向擴散及管壁的軸向導熱。     (4)通道外壁與外界絕熱。
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