翅片管换热器定制计算与应用

翅片管换热器定制计算与应用

1.2.章浩伟2.朱训生

(1.上海理工大学医疗器械学院,上海200093;2.上海交通大学机械与动力工程学院,上海200240)

摘 要:通过引入模糊和灰色关联模型,给出了一个新的定制要素的选择方法,并以空调的定制要素选择为例,分析得出换热器是最主要的定制要素.通过进一步对空调 系统的分析,给出了翅片管换热器的定制过程和方法,编制了翅片管换热器定制软件,设计出一个通用的换热器的定制计算模型和软件平台.经过2年的实际应用检 验了该定制方法的有效性.

中央空调与其他空调产品不同,由于地理、气候、规模、人群等原因,故客户对中央空调系统的需求差异较大.强调客户的参与并充分满足客户的个性 化需求以及有效缩短产品开发周期是企业的一项重要能力.大规模定制于上世纪90年代提出,并开始广泛地、系统地进行理论研究.作为一种全新的生产模式,大 规模定制主要是通过灵活性及快速响应来实现产品的多样化和定制化.定制系统可以以接近大规模生产的成本提供范围广阔的产品和服务.

换热器在各行各业有着广泛的应用,对于制冷系统来说,冷凝器、蒸发器是它的心脏部件,空调中常用的翅片管式换热器是一种带翅管式热交换器,是热交 换器中的主要换热元件.由于用户环境和需求不同,对翅片管的需求是多样化的.因此,在设计过程中采用模块化的柔性设计,最大程度地满足客户的个性化需求, 从而为企业在多变的市场环境中赢得持久的竞争优势有着重要的实际意义[1 3].本文针对这个企业需求的空白,对其定制方法做了相关研究,并初步建立了一 个可行的翅片管模块化定制系统.

1定制要素的选择

空调系统主要由压缩机、换热器(包括冷凝器、蒸发器、空气加热器、表冷器等)、膨胀阀或毛细管、制冷剂等要素构成.对于每种要素,变动对系统变化的重要 性、可变动的范围、变动成本、设备可加工能力等都不相同.同时,每种要素下还可以分解为更进一步的决定要素构成的二级要素.例如,换热器的二级构成要素 有:管外径、孔距、排距、翅片材料、翅片厚度、翅片类型、片距、排数、有效管长、表面管数、制冷剂分路数等.因此,需要对定制要素进行选择,以便采用较少 的构成要素和成本代价来满足客户的多样化需求.

1.1定制要素的模糊关联优选模型

对系统要素评价时,通常使用模糊综合评判的方法.实际上,专家打分过程中给一个确定的权值不符合专家的经验,也不能准确表达专家的本意.专家通常认定权值 是在某个值左右或者定性地说“重要”、“比较重要”、“影响大”、“影响较大”等比较符合专家的真实意图.因此,通过模糊综合评价过早地将模糊信息精确化 可能造成信息的丢失.为此,采用如下模糊关联的处理方法对专家定性的语言标度进行处理.

设 Ａ是论域Ｒ上的有界凸正规模糊子集,若有连续隶属度函数μ Ａ:Ｒ→[0,1],且满足

其中:α≤ｍ≤ｎ≤β∈Ψ,Ψ=[Ｉ,Ｌ] Ｒ;μＬ Ａ在[α,ｍ]上严格递增,μＲ Ａ在[ｎ,β]上严格递减,则称 Ａ为模糊数.μＬ Ａ、μＲ Ａ分别称为模糊数 Ａ的左、右隶属度函数.

考虑到思维习惯和表达的方便性, Ａ常采用梯形模糊数(见图1),参数记为(ａ,ｍ,ｎ,ｂ).通常,人们习惯于用语言标度将程度属性分为7级,以重 要程度为例可分为:很重要、重要、比较重要、一般、不太重要、不重要、很不重要.其他程度属性的表达也与此类似,这些程度属性表示了专家对现有指标的重要 程度的评价.为尽可能保留专家的本意 ,可以采用模糊数来连续定义这种重要程度,而相应的权重集元素则表示了指标的重要程度,也就是对定性指标的量化描述. 同时,以精确方式给出的权重也可以相应地按照规则模糊化.显然,这样更符合专家的评价心理和客观实际.语言标度的模糊数如表1所示.

对于空调系统的一级要素,采用以下属性对要素进行评价:该要素变动对系统变化的重要性、系统允许该要素变化程度、可变动的范围、变动成本、设备可加工能力、响应时间快慢以及对其他模块的影响.即要素ｕ是这几个属性指标ｘ的映射:

于是,模糊优选模型[4]:

1.2选择结果

在企业内部进行专家评价后,通过上述模型计算,得到压缩机、换热器、膨胀阀或毛细管、制冷剂的优属度分别为:0.42、1.0、0.6、0.34.其中, 换热器的优属度远大于其他要素,因此,选择换热器作为定制要素.与此类似,在换热器的各二级要素中选择孔距、排距、翅片类型、片距、排数、有效管长、表面 管数、制冷剂分路数作为换热器的定制要素.在此基础上,进行定制模型的开发。

2定制计算的模型与方法

定制计算中,翅片管换热器的换热和阻力特性至关重要.由于蒸发器/冷凝器和表冷器/热水盘管的冷媒、工作状态等差别很大,故分别设计了不同的计算方法和选 项.蒸发器/冷凝器采用条缝型和波纹型翅片,表冷器/空气加热器则可以采用条缝型、波纹型和蜂窝型3种翅片.

2.1蒸发器/冷凝器的计算

除了雷诺数Ｒｅ外,翅片的表面结构形式、几何参数、翅片间距、管束的排数、布置等因素都与换热和阻力特性相关联.例如,增加管排数以增加换热量的同时,阻 力系数增加,对换热量有显著影响.因此,翅片管换热器的定制仿真计算非常重要.对于蒸发、冷凝器,空气侧换热系数α采用经过试验验证的换热关联式[5]进 行计算,即

在仿真计算中,采用了模块化开发技术、数据库技术和可视化打印技术,以提高计算效率和准确性,避免公式的反复应用和繁琐的迭代计算造成的错误,同时也方便了企业扩展产品系列、修正仿真系数和与用户交流.计算过程如图2所示.

图 2蒸发器计算框图

2.2表冷器/空气加热器的计算

表冷器/空气加热器的计算较蒸发器/冷凝器复杂,需要考虑不同的平衡条件要求.空气加热器分为总热、空气出口温度和出口水温平衡方式.表冷器则分为总热、显热、空气干球出口温度、空气湿球出口温度和出口水温平衡方式.同时,这些不同的平衡方式也可以互为校验.

&nbs p; 水空气热交换系数、水阻力和空气阻力公式[8]分别为:

式中:κｉ为传热系数的修正系数;κａ为空气阻力的修正系数;ξ为析湿系数;ω为水流速;Ｌ为当量长度;ｍ、ｍ1、ｎ、ｐ、ｑ为根据不同片型由实验拟合确 定的系数.由于可选择的计算平衡条件较多,本文仅以平衡条件是空气出口温度的空气加热器为例给出计算方法与过程,如图3所示.其余平衡条件下计算方法可以 根据原理类推.

图 3表冷器计算框图

2.3定制计算实例

进口干空气温度为29℃,进口湿空气温度为21.5℃,可供风量为3500ｍ3/ｈ,进、出口水温分别为7和12℃,全热冷量约为22ｋＷ,平衡条件为出 口水温.选用外径16ｍｍ、有效长度为760ｍｍ、面管数为12的波纹型翅片表冷器.经本系统计算,可选用4排管束,这时全热冷量为23.4ｋＷ,空气阻 力140.7Ｐａ,水阻力8.2ｋＰａ,系统采用不同平衡方式校验正确,并在应用中符合实际情况.

3结语

翅片管换热器的产品定制过去需要较多的人力进行设计计算和校验,对客户的选型非常不便.而简化估算,则常常选型定制不理想.翅片管换热器的定制仿真软件极 大地改善了客户的选型定制工作.软件经企业2年来使用证明,具有显著的有效性和方便性,减轻了设计过程的繁琐计算,已经在企业得到广泛的应用.使用也验证 了本软件设计的合理性,可满足企业和客户需求,适合企业的发展方向.

参考文献:

[1]陈守煜.工程模糊集理论与应用[Ｍ].北京:国防工业出版社,1998.

[2]李妩,陶文铨,康海军,等.整体式翅片管换热器传热和阻力性能的试验研究[Ｊ].机械工程学报,1997,33(1):81 86.

[3]吴业正,韩宝琦.制冷原理及设备[Ｍ].西安:西安交通大学出版社,1987:214-233.

[4]尾花英朗.热交换器设计手册(上册)[Ｍ].北京:烃加工出版社,1987:391-418.

[5]薛殿华.空气调节[Ｍ].北京:清华大学出版社,1991:133-180.