壓縮機(jī)冷卻器工藝計(jì)算軟件研制

聶德平

劉夕鳳 程廣慶 王學(xué)生 倪志宇

* J: z' n$ v5 s) s8 ?8 i. s; ?9 F               ( 上海電氣壓縮機(jī)泵業(yè)有限公司  華東理工大學(xué)化工機(jī)械研究所 )
' |2 d4 p8 ?* L9 f    摘要：編寫(xiě)了壓縮機(jī)冷卻器工藝計(jì)算軟件,包含40多種常用壓縮機(jī)氣體介質(zhì)的物性參數(shù)數(shù)據(jù),可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)換熱器和多種新型高效換熱器工藝計(jì)算,。介紹了軟件的設(shè)計(jì)思路和特點(diǎn)并采用軟件手段與人工手算方法對(duì)橫紋波紋管冷卻器工藝計(jì)算進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果吻合良好。
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, Y& C4 {8 ]! Q     壓縮機(jī)要實(shí)現(xiàn)等溫壓縮,效率優(yōu)化,保證出口壓力和出口溫度等指標(biāo),各段間要配置冷卻器,。由于壓縮機(jī)對(duì)各段間允許的壓力損失和進(jìn)出口溫度的嚴(yán)格要求,決定了冷卻器設(shè)計(jì)與選型的重要性以及特殊性,。
    目前,國(guó)內(nèi)許多生產(chǎn)廠家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)的冷卻器不但對(duì)機(jī)組的節(jié)能降耗有著十分重要的意義而且對(duì)壓縮機(jī)的安全生產(chǎn)運(yùn)行有著更為重要的意義。近幾年來(lái),國(guó)內(nèi)學(xué)者圍繞壓縮機(jī)的冷卻器高效節(jié)能這一中心,也展開(kāi)了一些研究及應(yīng)用工作,。
0 b1 [8 H, X/ E  H6 h$ k    壓縮機(jī)冷卻器的工藝設(shè)計(jì)大都采用是手工計(jì)算完成,。傳統(tǒng)的人工計(jì)算需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)查詢(xún),設(shè)計(jì)計(jì)算的周期較長(zhǎng),且容易出現(xiàn)設(shè)計(jì)計(jì)算誤差甚至錯(cuò)誤,造成工作量大,效率低,周期長(zhǎng),設(shè)計(jì)質(zhì)量不理想。為了提高設(shè)計(jì)過(guò)程的工作效率,現(xiàn)在將這些重復(fù)性強(qiáng),、繁瑣且枯燥的公式計(jì)算工作交給計(jì)算機(jī)完成,對(duì)壓縮機(jī)冷卻器工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行電算化編程研究,。開(kāi)發(fā)冷卻器設(shè)計(jì)軟件,可使設(shè)計(jì)過(guò)程更加簡(jiǎn)化,縮短設(shè)計(jì)周期,提高設(shè)計(jì)質(zhì)量,達(dá)到事半功倍的目的。
    為此,本文研發(fā)了一套壓縮機(jī)冷卻器工藝計(jì)算軟件,。該軟件具有獨(dú)立的物性數(shù)據(jù)庫(kù),采用科學(xué)的 物性參數(shù)處理方法,并且支持新型結(jié)構(gòu)的換熱器設(shè) 計(jì)計(jì)算,。使用編寫(xiě)的工藝計(jì)算軟件,對(duì)一套年產(chǎn)15萬(wàn)噸尿素裝置4M32K壓縮機(jī)系統(tǒng)中的冷卻器進(jìn)行了傳熱與流體流動(dòng)工藝計(jì)算,計(jì)算結(jié)果與解析法計(jì)算吻合較好,驗(yàn)證了工藝計(jì)算軟件的可靠性。
    1　壓縮機(jī)冷卻器工藝設(shè)計(jì)軟件的設(shè)計(jì)思路和特點(diǎn)
. @% @7 D3 O; H. l+ f0 U    壓縮機(jī)冷卻器傳熱計(jì)算的目的是為了根據(jù)所處理的氣量和溫度要求確定所需的換熱面積,其任務(wù)包括確定冷卻器的熱負(fù)荷,、冷卻介質(zhì)的耗量,、換熱器兩側(cè)的傳熱膜系數(shù)和傳熱面積、冷凝水的質(zhì)量等,。 計(jì)算時(shí),首先應(yīng)根據(jù)參考結(jié)構(gòu)或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),大致選擇一種結(jié)構(gòu),初步估計(jì)傳熱系數(shù)K進(jìn)行具體計(jì)算,最后校核換熱面積并保證有一定的安全裕度,。
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" a* k+ x5 U' `( T    壓縮機(jī)冷卻器工藝設(shè)計(jì)軟件使用Visual Basic 6·0編寫(xiě),采用步驟引導(dǎo)式的界面,用戶可以很容易的完成數(shù)據(jù)填寫(xiě)和計(jì)算,。除具備實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)弓形折流板換熱器工藝計(jì)算外,還包括波紋管換熱器、翅片管換熱器,、折流桿換熱器等新型高效換熱器的工藝計(jì) 算方法[1-3],實(shí)現(xiàn)了將新型高效換熱器的工藝計(jì)算方法及技術(shù)的公式變成程序語(yǔ)言,嵌入程序設(shè)計(jì)中, 從而使得高效換熱器的工藝計(jì)算方法及技術(shù)在換熱器的設(shè)計(jì)中得到體現(xiàn),。
, y; r* p, j, l8 `    軟件有獨(dú)立的一套物性參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù),涵蓋了合成氨、乙烯,、天然氣工業(yè)中43種常用壓縮機(jī)氣體介質(zhì)[4]在0~32MPa不同壓力,、0~200℃不同溫度下的比熱容、粘度,、導(dǎo)熱系數(shù),、密度等物性值。用戶只需選擇壓縮氣中包括的物質(zhì)名稱(chēng)并指定其所占的比值,軟件即可計(jì)算得出混合氣在定性溫度和工作壓力下的各項(xiàng)物性參數(shù),節(jié)省了設(shè)計(jì)人員查詢(xún)圖表的大量時(shí)間,。
    在制作數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí),本文將每種介質(zhì)的物性按照不同的壓力(0~32 MPa)做成很多數(shù)據(jù)表,每一個(gè)數(shù)據(jù)表中包含了0~200℃的對(duì)應(yīng)物性,。使用ADO(數(shù)據(jù)訪問(wèn)組件:Active Data Object)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù),在VB程序中結(jié)合SQL語(yǔ)句,按照指定的工作壓力和定性溫度查詢(xún)相應(yīng)數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù),并用數(shù)組將它們儲(chǔ)存起來(lái),然后進(jìn)行混合計(jì)算。與光滑的物性曲線不同,數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)都是以表格的形式儲(chǔ)存的,對(duì)于表中兩個(gè)溫度點(diǎn)間的物性,我們分別取出兩個(gè)溫度下的物性,進(jìn)行線形插值,以保證從數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢(xún)得到的結(jié)果與線形圖表足夠一致,。
    2　計(jì)算實(shí)例
    本文參考某化工公司的一套年產(chǎn)15萬(wàn)噸尿素裝置4M32K壓縮機(jī)一級(jí)冷卻器作為實(shí)例,驗(yàn)證軟件計(jì)算是否準(zhǔn)確可靠,。該冷卻器工藝條件如表1所示。
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    該冷卻器使用的換熱元件為圖2所示的橫紋波 紋管,。根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)初選表2中的結(jié)構(gòu)參數(shù), 換熱器結(jié)構(gòu)如圖3所示,。
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    初始條件確定完畢后,就可以將它們輸入程序中。包括了4項(xiàng)主要步驟:
1 i6 _1 |0 c/ E, i- x5 t    (1)輸入操作條件———原始工藝數(shù)據(jù)的輸入和設(shè)置,。主要為流體的流量,、壓力、溫度,、相對(duì)濕度,、污垢熱阻等。此外還要指定一種換熱器類(lèi)型,包括的 換熱器類(lèi)型主要有管殼式換熱器,、套管式換熱器,、噴淋式換熱器、板式換熱器,、風(fēng)冷式換熱器等,。這個(gè)實(shí) 例中選擇為管殼式換熱器。
# T7 {: j( B. {. b+ D2 b; G" Q    (2)計(jì)算物性參數(shù)———混合氣體物性參數(shù)計(jì)算部分,。依靠數(shù)據(jù)庫(kù)該部分能計(jì)算出冷卻器定性溫度,、工作壓力下的混合氣體的定壓比熱、導(dǎo)熱系數(shù),、動(dòng)力粘度,混合氣體的平均分子量等冷卻器計(jì)算中相關(guān)物理量,。這里選取壓縮氣體成分為CO2。
$ t; x/ t) K8 E2 r+ @* U    (3)傳熱和壓降計(jì)算———根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)際情況 進(jìn)行冷卻器的初步選型,如封頭形式,、換熱管的形 式,、換熱管排列方式、換熱管支撐形式,、管程分程等 情況,若為設(shè)計(jì)計(jì)算,應(yīng)為冷卻器估計(jì)總傳熱系數(shù),。 本例中為了驗(yàn)證,指定了殼徑大小和排管數(shù)。將表 2中參數(shù)數(shù)據(jù)在此輸入,。根據(jù)圖1的框圖思路,程 序?qū)⑼瓿衫鋮s器的傳熱計(jì)算和壓降計(jì)算,。
( s$ ?8 x6 h4 F* Y9 P    (4)輸出結(jié)果———包括所關(guān)心的換熱面積、設(shè) 計(jì)熱負(fù)荷,、管內(nèi)流動(dòng)壓力降,、管外流動(dòng)壓力降、根據(jù) 不同結(jié)構(gòu)形式計(jì)算得出的管側(cè)和殼側(cè)對(duì)流傳熱系 數(shù),、傳熱溫差,、冷凝水量等各項(xiàng)詳細(xì)結(jié)果,如圖4所 示。如果對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果滿意,可以將其生成EXCEL表 格打印輸出[5],。
    將以上結(jié)果和以往資料中使用傳統(tǒng)手工計(jì)算的 結(jié)果一并整理于表3中,。通過(guò)對(duì)比可見(jiàn),軟件計(jì)算 結(jié)果與手工計(jì)算結(jié)果基本吻合,證明此軟件是準(zhǔn)確 可靠的。
            
7 h9 S+ D7 _$ O+ i: I    3　結(jié)論
                     
3 _+ i+ J1 j" B    本文研制編寫(xiě)了一套壓縮機(jī)冷卻器工藝計(jì)算軟 件,用于壓縮機(jī)冷卻器的設(shè)計(jì)和改造中,可以大大減 輕工作量,。該軟件包含物性數(shù)據(jù)庫(kù),并且同時(shí)支持 傳統(tǒng)和新型結(jié)構(gòu)的換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算,。軟件涉及傳熱 元件主要有光滑管、螺旋波紋管,、橫紋波紋管,、低翅 片螺紋管等,包括換熱器結(jié)構(gòu)主要有管殼式換熱器、 套管式換熱器,、噴淋式換熱器,、板式換熱器、風(fēng)冷式 換熱器等,。其中管殼式換熱器主要包括弓形擋板式 換熱器,、環(huán)盤(pán)式換熱器、折流桿式換熱器,。
' K5 m) ~4 L* v0 Q% J) ~7 @! n    使用該軟件,對(duì)一套年產(chǎn)15萬(wàn)噸尿素裝置 4M32K壓縮機(jī)系統(tǒng)中的一臺(tái)冷卻器進(jìn)行了傳熱與 流體流動(dòng)工藝計(jì)算,計(jì)算結(jié)果與解析法計(jì)算吻合較 好,驗(yàn)證了工藝計(jì)算軟件的準(zhǔn)確性與可靠性,。 另外,通過(guò)軟件還可以預(yù)估一些新型高效換熱 器的效率,提供有效的設(shè)計(jì)依據(jù)。