壓縮機(jī)冷卻器工藝計算軟件研制

聶德平

劉夕鳳 程廣慶 王學(xué)生 倪志宇

               ( 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 )
    摘要：編寫了壓縮機(jī)冷卻器工藝計算軟件,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算,。介紹了軟件的設(shè)計思路和特點(diǎn)并采用軟件手段與人工手算方法對橫紋波紋管冷卻器工藝計算進(jìn)行了對比,結(jié)果吻合良好。

     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)計與選型的重要性以及特殊性。
    目前,國內(nèi)許多生產(chǎn)廠家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)的冷卻器不但對機(jī)組的節(jié)能降耗有著十分重要的意義而且對壓縮機(jī)的安全生產(chǎn)運(yùn)行有著更為重要的意義,。近幾年來,國內(nèi)學(xué)者圍繞壓縮機(jī)的冷卻器高效節(jié)能這一中心,也展開了一些研究及應(yīng)用工作,。
    壓縮機(jī)冷卻器的工藝設(shè)計大都采用是手工計算完成。傳統(tǒng)的人工計算需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)查詢,設(shè)計計算的周期較長,且容易出現(xiàn)設(shè)計計算誤差甚至錯誤,造成工作量大,效率低,周期長,設(shè)計質(zhì)量不理想,。為了提高設(shè)計過程的工作效率,現(xiàn)在將這些重復(fù)性強(qiáng)、繁瑣且枯燥的公式計算工作交給計算機(jī)完成,對壓縮機(jī)冷卻器工藝設(shè)計進(jìn)行電算化編程研究,。開發(fā)冷卻器設(shè)計軟件,可使設(shè)計過程更加簡化,縮短設(shè)計周期,提高設(shè)計質(zhì)量,達(dá)到事半功倍的目的,。
; j) q. [# B( b- P    為此,本文研發(fā)了一套壓縮機(jī)冷卻器工藝計算軟件。該軟件具有獨(dú)立的物性數(shù)據(jù)庫,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) 計計算,。使用編寫的工藝計算軟件,對一套年產(chǎn)15萬噸尿素裝置4M32K壓縮機(jī)系統(tǒng)中的冷卻器進(jìn)行了傳熱與流體流動工藝計算,計算結(jié)果與解析法計算吻合較好,驗(yàn)證了工藝計算軟件的可靠性,。
    1　壓縮機(jī)冷卻器工藝設(shè)計軟件的設(shè)計思路和特點(diǎn)
: f9 r7 ]( ]$ F: x, k! {3 M$ J    壓縮機(jī)冷卻器傳熱計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。 計算時,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),初步估計傳熱系數(shù)K進(jìn)行具體計算,最后校核換熱面積并保證有一定的安全裕度,。
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    壓縮機(jī)冷卻器工藝設(shè)計軟件使用Visual Basic 6·0編寫,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)填寫和計算,。除具備實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)弓形折流板換熱器工藝計算外,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 算方法[1-3],實(shí)現(xiàn)了將新型高效換熱器的工藝計算方法及技術(shù)的公式變成程序語言,嵌入程序設(shè)計中, 從而使得高效換熱器的工藝計算方法及技術(shù)在換熱器的設(shè)計中得到體現(xiàn),。
    軟件有獨(dú)立的一套物性參數(shù)數(shù)據(jù)庫,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)名稱并指定其所占的比值,軟件即可計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)計人員查詢圖表的大量時間,。
) z- Y0 S6 R" ~# q9 J2 Y    在制作數(shù)據(jù)庫時,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,每一個數(shù)據(jù)表中包含了0~200℃的對應(yīng)物性,。使用ADO(數(shù)據(jù)訪問組件:Active Data Object)訪問數(shù)據(jù)庫,在VB程序中結(jié)合SQL語句,按照指定的工作壓力和定性溫度查詢相應(yīng)數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù),并用數(shù)組將它們儲存起來,然后進(jìn)行混合計算。與光滑的物性曲線不同,數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)都是以表格的形式儲存的,對于表中兩個溫度點(diǎn)間的物性,我們分別取出兩個溫度下的物性,進(jìn)行線形插值,以保證從數(shù)據(jù)庫中查詢得到的結(jié)果與線形圖表足夠一致,。
    2　計算實(shí)例
    本文參考某化工公司的一套年產(chǎn)15萬噸尿素裝置4M32K壓縮機(jī)一級冷卻器作為實(shí)例,驗(yàn)證軟件計算是否準(zhǔn)確可靠,。該冷卻器工藝條件如表1所示。
         
, T( k' d$ X6 r: m/ g- V* j/ D- y    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,。
         
    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:
/ {, G: }% x; H7 Z: z# ~    (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、相對濕度,、污垢熱阻等,。此外還要指定一種換熱器類型,包括的 換熱器類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,。這個實(shí) 例中選擇為管殼式換熱器,。
    (2)計算物性參數(shù)———混合氣體物性參數(shù)計算部分。依靠數(shù)據(jù)庫該部分能計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)、動力粘度,混合氣體的平均分子量等冷卻器計算中相關(guān)物理量,。這里選取壓縮氣體成分為CO2,。
# w1 @3 Q1 i, k2 M* x% k" a    (3)傳熱和壓降計算———根據(jù)設(shè)計的實(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)計計算,應(yīng)為冷卻器估計總傳熱系數(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器的傳熱計算和壓降計算,。
9 M5 f6 t% b! A" W1 m! @% g    (4)輸出結(jié)果———包括所關(guān)心的換熱面積,、設(shè) 計熱負(fù)荷、管內(nèi)流動壓力降,、管外流動壓力降,、根據(jù) 不同結(jié)構(gòu)形式計算得出的管側(cè)和殼側(cè)對流傳熱系 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,。如果對設(shè)計結(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)手工計算的 結(jié)果一并整理于表3中,。通過對比可見,軟件計算 結(jié)果與手工計算結(jié)果基本吻合,證明此軟件是準(zhǔn)確 可靠的,。
            
    3　結(jié)論
                     
    本文研制編寫了一套壓縮機(jī)冷卻器工藝計算軟 件,用于壓縮機(jī)冷卻器的設(shè)計和改造中,可以大大減 輕工作量。該軟件包含物性數(shù)據(jù)庫,并且同時支持 傳統(tǒng)和新型結(jié)構(gòu)的換熱器設(shè)計計算,。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)盤式換熱器,、折流桿式換熱器,。
    使用該軟件,對一套年產(chǎn)15萬噸尿素裝置 4M32K壓縮機(jī)系統(tǒng)中的一臺冷卻器進(jìn)行了傳熱與 流體流動工藝計算,計算結(jié)果與解析法計算吻合較 好,驗(yàn)證了工藝計算軟件的準(zhǔn)確性與可靠性。 另外,通過軟件還可以預(yù)估一些新型高效換熱 器的效率,提供有效的設(shè)計依據(jù),。