CN109614746B - 一种蒸发式冷凝器结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蒸发式冷凝器结构设计方法，满足冷水机组用蒸发式冷凝器的结构快速设计，本发明通过自主迭代计算，得到蒸发式冷凝器目标冷量下的需要换热管面积，并可以通过调整输入参数进行结构优化设计。

Description

一种蒸发式冷凝器结构设计方法

技术领域

本发明涉及一种蒸发式冷凝器结构设计方法，属于冷水塔设计领域。

背景技术

目前工业领域对蒸发式冷凝器的设计主要靠工程经验或者手动计算，由于计算过程中涉及大量的迭代计算，因而计算效率较低。手动计算容易带来计算错误，精确性得不到保证。另外，手动计算或者工程经验无法考察各结构参数对产品冷量大小的影响，无法进行优化设计。

故，需要一种新的技术方案以解决上述技术问题。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种蒸发式冷凝器结构设计方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种蒸发式冷凝器结构设计方法，所述蒸发式冷凝器包括出风口、进风口和换热管，包括以下步骤：

S1：给定蒸发式冷凝器需要的冷却负荷、冷凝温度和所处环境的进风口干湿球温度；

S2：初定结构尺寸，包括换热管内外径、换热管管壁厚度、换热管与换热管之间的间距，输入风量和喷水流量；

S3：设定初始水膜温度；

S4：计算空气、水的各点的状态参数，所述状态参数包括空气焓值、空气含湿量和温度；

S5：计算水膜与空气的对流传热系数，初算换热面积；

S6：计算管外与喷水对流传热系数和计算制冷剂在管内对流传热系数，并根据使用情况估算热阻；

S7：计算总传热系数和传热面积；

S8：比较S7中计算得到的传热面积与S5中的初算面积是否相等，若误差小于设定值，则输出需要的管排数，若误差大于等于设定值，则重新假设水膜温度，进行迭代计算；

S9：输出最终的蒸发式冷凝器结果。

进一步的，所述S4中的空气各点的状态参数包括：进风口空气的焓值、进风口空气的含湿量、出风口空气的焓值、出风口空气的含湿量、换热管外空气的平均焓值、换热管外空气的平均含湿量；

所述水各点的状态参数包括：水膜处空气的焓值和水膜处空气的含湿量。

进一步的，所述S5具体包括以下步骤：

S5-1：根据输入风量和初定结构尺寸，计算迎面风速v：

v＝G/3600/((L-0.08)·(W-0.08))

式中，G为输入风量，L为长，W为宽；

根据式5计算最窄面处空气流速：

v_max＝s/(s-do)·v (5)

式中，s为换热管与换热管之间的间距；d₀为换热管外径；v为迎面风速；

S5-2：计算水膜与空气的对流传热系数α_wa：

式中；λ_m为空气平均导热系数，d₀为管外径，v_max为最窄面处空气流速，υ_m为空气平均运动粘度；

S5-3：计算换热管外空气当量对流换热系数α_j：

式中，A为水膜温度修正系数，α_wa为水膜与空气的对流传热系数，hw为水膜处空气的焓值，h_m为换热管外空气的平均焓值，A_w为水膜和空气的接触面积，A_o为换热管外表面积，C_pm为换热管外空气的平均定压比热，t_w为水膜温度，t_m为换热管外空气的平均温度；

S5-4：计算热流密度

S5-5：初算换热面积A’_o：

式中，Q_c为机组热负荷。

进一步的，所述S6具体包括以下步骤：

S6-1：计算管外与喷水对流传热系数α_w：

式中，t_w为水膜温度，Γ为喷淋密度，d_o为换热管外径；

式中，M_w为蒸发式冷凝器水泵流量；

S6-2：计算制冷剂在管道中的对流换热系数α_c·n：

式中，β为物质系数，

为热流密度，d_i为换热管内径，其中，

式中，λ为制冷剂导热系数，g为重力加速度，r为制冷剂在该压力下的汽化潜热，μ为制冷剂在该压力下液态时的动力粘度；

S6-3：计算热阻，该热阻包括管壁热阻；

所述管壁热阻R_p根据式15可得：

R_p＝δ/λ (15)

式中，δ为换热管管壁厚度，λ为管道导热系数。

进一步的，所述热阻还包括油膜热阻和污垢热阻。

进一步的，在蛇形管中对制冷剂在管道中的对流换热系数α_c·n进行修正：

式中，α_c·n·s-为修正后的管内对流换热系数，

为热流密度，α_c·n为管内对流换热系数。

进一步的，所述S7具体包括以下步骤：

S7-1：计算总换热系数K：

式中，A_o为换热管外表面积，A_i为换热管内表面积，A_平为换热管内外表面积平均值，R_p为管壁热阻，R_oil为油膜热阻，R_fou为污垢热阻，α_c·n·s为修正后的管内对流换热系数，α_w为换热管外与喷水对流传热系数，α_j为换热管外空气当量对流换热系数；

S7-2：计算传热面积A”_o：

A"_o＝Q_c/K/(t_k-t_m) (17)

式中，Q_c为机组热负荷，K为总换热系数，t_k为制冷机组冷凝温度，t_m为换热管外空气的平均温度。

进一步的，所述S8中，管排数n根据式18得到：

式中，一排传热面积＝一排中的管数×管长×管道外径周长。

进一步的，所述S8中计算得到的管排数为奇数排，修改管长，使管排数在16～24范围内。

有益效果：本发明与现有技术相比，通过本发明提供的设计方法，能够有效提高设计蒸发式冷凝器结构的效率，节省了人工成本，加快了结构优化的进度。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的蒸发式冷凝器结构示意图

其中，冷风机1、收水机2、分水管3、管长4、换热管5；

图3为空气焓湿图；

图4为换热管截面示意图。

具体实施方式

本发明通过迭代计算，得到蒸发式冷凝器目标冷量下的需要换热管面积，并通过调整输入参数进行优化设计。

如图1所示的流程图，本发明具体包括以下步骤：

S1：给定蒸发式冷凝器需要的冷却负荷、冷凝温度和所处环境的进风口干湿球温度；

S2：初定结构尺寸，包括换热管内外径、换热管管壁厚度、换热管与换热管之间的间距，输入风量和喷水流量；

S3：设定初始水膜温度；

S4：计算空气、水的各点的状态参数；该状态参数包括进风口状态参数、水膜处状态参数、出风口状态参数和换热管外空气的平均状态参数；

所述进风口状态参数包括进风口空气的焓值和进风口空气的含湿量，该进风口空气的焓值h1和进风口空气的含湿量d1可由进风口干球温度t1、相对湿度和空气焓湿图可查得；

所述水膜处状态参数包括水膜处空气的焓值和水膜处空气的含湿量，该水膜处空气的焓值h_w和水膜处空气的含湿量d_w可由假设水膜温度和空气焓湿图查得；

所述出风口状态参数包括出风口空气的焓值h2、出风口空气的含湿量d2和出风口温度t1；

其中，出风口空气的焓值h2由式1可得：

其中，Q_c为机组热负荷(机组排热量)，m_a为空气质量流量，h1为进风口空气的焓值；

由等热湿比线ε＝Δh/Δd得：

ε＝(h2-h1)/(d2-d1)＝(h_w-h1)/(d_w-d1) (2)

式中，ε为等热湿比；h_w为水膜处空气的焓值，d1为进风口空气的含湿量，d2为出风口空气的含湿量，d_w为水膜处空气的含湿量；

算出出风口空气的含湿量d2，由空气焓湿图可查出出风口温度t2；

所述换热管外空气的平均状态参数包括换热管外空气的平均焓值、蒸发式冷凝器换热管外空气的平均含湿量和换热管外空气的平均温度t_m：

换热管外空气的平均焓值h_m由式3可得：

蒸发式冷凝器换热管外空气的平均含湿量d_m由式4可得：

ε＝(h_m-h1)/(d_m-d1)＝(h_w-h1)/(d_w-d1) (4)

算出蒸发式冷凝器换热管外空气的平均含湿量d_m，由空气焓湿图可查出换热管外空气的平均温度t_m；

S5：计算水膜与空气的对流传热系数，初算换热面积；

S5-1：由输入风量G和初定尺寸长L和宽W，计算迎面风速v：

v＝G/3600/((L-0.08)·(W-0.08))

计算最窄面处空气流速：

v_max＝s/(s-d_o)·v (5)

式中，s为换热管与换热管之间的间距，d₀为换热管外径，v为迎面风速。

S5-2：计算水膜与空气的对流传热系数α_wa：

式中，λ_m为空气平均导热系数，υ_m为空气平均运动粘度；

S5-3：计算换热管外空气当量对流换热系数α_j：

式中，A为水膜温度修正系数，取值范围为：0.94～0.99，h_w为水膜处空气的焓值，h_m为换热管外空气的平均焓值，A_w为水膜和空气的接触面积，A_o为换热管外表面积，C_pm为换热管外空气的平均定压比热，t_w为水膜温度，t_m为换热管外空气的平均温度；

S5-4：热流密度

式中，α_j为管外空气当量对流换热系数，t_w为水膜温度，t_m为换热管外空气的平均温度；

S5-5：初算换热面积A’_o：

式中，Q_c为机组热负荷(机组排热量)，

为热流密度；

S6：计算管外与喷水对流传热系数和计算制冷剂在管内对流传热系数，并根据使用情况估算热阻；

S6-1：管外与喷水对流传热系数α_w：

式中，t_w为水膜温度，Γ为喷淋密度，d_o为换热管外径；

式中，M_w为蒸发式冷凝器水泵流量。

S6-2：制冷剂在管内对流换热系数α_c·n：

式中，β为物质系数，

为热流密度，d_i为换热管内径，其中，

式中，λ为制冷剂导热系数，g为重力加速度，r为制冷剂在该压力下的汽化潜热，μ为制冷剂在该压力下液态时的动力粘度。

在蛇形管中换热修正：

式中，α_c·n·s为修正后的管内对流换热系数，

为热流密度，α_c·n为管内对流换热系数；

S6-3：热阻

管壁热阻：铜管忽略不计，钢管等需考虑：

R_p＝δ/λ (15)

式中，R_p为管壁热阻，δ为换热管壁厚，λ为管道导热系数。

油膜热阻：R_oil，对于制冷剂氨取值0.35×10^-3～0.6×10^-3m2·K/W，对于氟利昂可忽略不计。

污垢热阻：R_fo_u，空气侧可取0.1×10^-3～0.3×10^-3m2·K/W。

S7：计算总传热系数和传热面积；

计算总换热系数K

式中，A_o为换热管外表面积，A_i为换热管内表面积，A_平为换热管内外表面积平均值，R_p为管壁热阻，Ro_il为油膜热阻，R_fo_u为污垢热阻，α_c·_n·_s为修正后的管内对流换热系数，α_w为换热管外与喷水对流传热系数，α_j为换热管外空气当量对流换热系数；

计算传热面积A”_o：

A"_o＝Q_c/K/(t_k-t_m) (17)

式中，Q_c为机组热负荷，K为总换热系数，t_k为制冷机组冷凝温度，t_m为换热管外空气的平均温度。

S8：比较S7中计算得到的传热面积与S5中得到的初算换热面积是否相等，若误差小于1％，则输出需要的管排数，若误差大于等于1％，则重新假设水膜温度，进行迭代计算；

判断：

若|A"_o-A′_o|＜1％，则进行以下步骤；若不是，则回到S3修改水膜温度，重新计算，直到满足条件。

管排数n

式中，n为管排数；A”_o为传热面积；

一排传热面积＝一排中的管数×管长×管道外径周长。

S9：假如计算的管排数为奇数排，修改管长使管排数在16～24范围内；

S10：输出最终的蒸发式冷凝器结果。

以下实施例按照上述步骤进行，根据计算结果，可以调整初定结构参数进行优化设计。

实施例1：

本实施例的蒸发式冷凝器要求冷凝负荷30kw，冷凝温度37℃，进口干球温度31℃，进口含湿量14.37g/kg。初定结构尺寸16mm管径铝管，1.5mm壁厚，管间距38mm。冷凝风量为2400m³/h，喷淋水流量1.36kg/s。计算得需要换热面积10.2m²，总传热系数为 624W/m²K，需要管排数28排，计算结构的面积余量为3.1588％。

实施例2：

本实施例蒸发式冷凝器要求冷凝负荷280kw，冷凝温度36℃，进口干球温度31℃，进口含湿量14.37g/kg。初定结构尺寸16mm管径铝管，1.5mm壁厚，管间距32mm。冷凝风量为45000m³/h，喷淋水流量13.89kg/s，管长600mm。计算提示“管排数计算为奇数排，请修改管长”，将管长调整到680mm，计算得需要换热面积54.6m²，总传热系数为1026.7W/m²K，需要管排数20排，计算结构的面积余量为2.935％。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种蒸发式冷凝器结构设计方法，所述蒸发式冷凝器包括出风口、进风口和换热管，其特征在于：包括以下步骤：

S1：给定蒸发式冷凝器需要的冷却负荷、冷凝温度和所处环境的进风口干湿球温度；

S2：初定结构尺寸，包括换热管内外径、换热管管壁厚度、换热管与换热管之间的间距，输入风量和喷水流量；

S3：设定初始水膜温度；

S4：计算空气、水各点的状态参数，所述状态参数包括空气焓值、空气含湿量和温度；

S5：计算水膜与空气的对流传热系数，初算换热面积；

S6：计算管外与喷水对流传热系数和计算制冷剂在管内对流传热系数，并根据使用情况估算热阻；

S7：计算总传热系数和传热面积；

S8：比较S7中计算得到的传热面积与S5中的初算面积是否相等，若误差小于设定值，则输出需要的管排数，若误差大于等于设定值，则重新假设水膜温度，进行迭代计算；

S9：输出最终的蒸发式冷凝器结果；

所述S4中的空气各点的状态参数包括：进风口空气的焓值、进风口空气的含湿量、出风口空气的焓值、出风口空气的含湿量、换热管外空气的平均焓值、换热管外空气的平均含湿量；

所述水各点的状态参数包括：水膜处空气的焓值和水膜处空气的含湿量；

所述S5具体包括以下步骤：

S5-1：根据输入风量和初定结构尺寸，计算迎面风速v：

v＝G/3600/((L-0.08)·(W-0.08))

式中，G为输入风量，L为长，W为宽；

根据式5计算最窄面处空气流速：

v_max＝s/(s-d_o)·v (5)

式中，s为换热管与换热管之间的间距；d_o为换热管外径；v为迎面风速；

S5-2：计算水膜与空气的对流传热系数α_wa：

式中；λ_m为空气平均导热系数，d_o为换热管外径，v_max为最窄面处空气流速，υ_m为空气平均运动粘度；

S5-3：计算换热管外空气当量对流换热系数α_j：

式中，A为水膜温度修正系数，α_wa为水膜与空气的对流传热系数，h_w为水膜处空气的焓值，h_m为换热管外空气的平均焓值，A_w为水膜和空气的接触面积，A_o为换热管外表面积，C_pm为换热管外空气的平均定压比热，t_w为水膜温度，t_m为换热管外空气的平均温度；

S5-4：计算热流密度

S5-5：初算换热面积A’_o：

式中，Q_c为机组热负荷。

2.根据权利要求1所述的一种蒸发式冷凝器结构设计方法，其特征在于：所述S6具体包括以下步骤：

S6-1：计算管外与喷水对流传热系数α_w：

式中，t_w为水膜温度，Γ为喷淋密度，d_o为换热管外径；

式中，M_w为蒸发式冷凝器水泵流量；

S6-2：计算制冷剂在管道中的对流换热系数α_c·n：

式中，β为物质系数，

为热流密度，d_i为换热管内径，其中，

式中，λ为制冷剂导热系数，g为重力加速度，r为制冷剂在该压力下的汽化潜热，μ为制冷剂在该压力下液态时的动力粘度；

S6-3：计算热阻，该热阻包括管壁热阻；

所述管壁热阻R_p根据式15可得：

R_p＝δ/λ’ (15)

式中，δ为换热管管壁厚度，λ’为管道导热系数。

3.根据权利要求2所述的一种蒸发式冷凝器结构设计方法，其特征在于：所述热阻还包括油膜热阻和污垢热阻。

4.根据权利要求2或3所述的一种蒸发式冷凝器结构设计方法，其特征在于：在蛇形管中对制冷剂在管道中的对流换热系数α_c·n进行修正：

式中，α_c·n·s为修正后的管内对流换热系数，

为热流密度，α_c·n为管内对流换热系数。

5.根据权利要求4所述的一种蒸发式冷凝器结构设计方法，其特征在于：所述S7具体包括以下步骤：

S7-1：计算总换热系数K：

式中，A_o为换热管外表面积，A_i为换热管内表面积，A_平为换热管内外表面积平均值，R_p为管壁热阻，R_oil为油膜热阻，R_fou为污垢热阻，α_c·n·s为修正后的管内对流换热系数，α_w为换热管外与喷水对流传热系数，α_j为换热管外空气当量对流换热系数；

S7-2：计算传热面积A″_o：

A″_o＝Q_c/K/(tk-tm) (17)

式中，Q_c为机组热负荷，K为总换热系数，t_k为制冷机组冷凝温度，t_m为换热管外空气的平均温度。

6.根据权利要求5所述的一种蒸发式冷凝器结构设计方法，其特征在于：所述S8中，管排数n根据式18得到：

式中，一排传热面积＝一排中的管数×管长×管道外径周长。

7.根据权利要求6所述的一种蒸发式冷凝器结构设计方法，其特征在于：所述S8中计算得到的管排数为奇数排，修改管长使管排数在16～24范围内。

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