（机械工程专业论文）小型智能换热机组的研究与试制.pdf

摘要 智能型热换机组结构紧凑、自动控制水平高、使用方便，在当今日益发 展的城市区域供热中受到突出的重视。 本文研究的智能型热换机组是以高效一控制一一节能一舒适为最终 目的的，即实现设备运行中的高效率，操作过程的智能化，以及在整个供暖 系统中该设备环节上保证用户的舒适性。 在本文的研究中，根据供热分析和质调节理论，提出了一次水侧量调节， 二次水侧质调节加变频量调节的调节方式。在控制理论的指导下，拟定了控 制方案，使机组实现了智能化运行，尤其模糊控制技术在本机组设计中的应 用，使设备在运行中的稳定性和抗干扰能力较常规控制机组得到了加强。对 机组热力部分的核心一板式换热器做了热力实验及传热分析和阻力分析。为 在该技术的后期推广中如何更合理地提高设备的传热效果，降低设备成本， 提供了实验和理论依据。 完成了样机的制造，做了供热调节特性测试。结果表明：机组二次水系 统能够自动质调节，经模拟供热调节后，二次供水的温度实测值与理论值比 较其相对误差在+ 2 6 1 5 1 ，调节精度达到了设计要求。通过实际工况 模拟运行，该系统在实验工况下节电率最高可达4 8 4 ，证明该智能换热 机组运行时节电效果明显，比传统的换热机组能量利用更合理，更符合节能 和环保的要求。 关键词：换热机组供热质调节变频量调节模糊控制节能 a b s t r a c t t h ei n t e l l i g e n th e a te x c h a n g e ru n i th a sb e e nt h i n k i n gh i g h l yo fi t se x c e l l e n tc o m p a c t s t r u c t u r e ，e f f i c i e n tc o n t r o l ，a n dc o n v e n i e n to p e r a t i o ni nd e v e l o p i n g d i s t r i c th e a t i n go f c i t y t h es u b j e c ti sa b o u tak i n do f i n t e l l i g e n th e a te x c h a n g e r u n i tw h i c ht a k e sh i g he f f i c i e n c y , c o n t r o l ，s a v i n ge n e r g ya n dc o m f o r t a si t sf i n a la i m i no t h e rw o r d s ，w h i c hc a l lr e a l i z ee f f i c i e n t r u n n i n g ，i n t e l l i g e n to p e r a t i n g ，a n de n s u r eu s e rc o m f o r t a b l ei nh e a ts u p p l ys y s t e m ， i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fh e a t s u p p l ya n a l y s i sa n d m a s s a d j u s t m e n t ，aw a y o fh e a ts u p p l ya d j u s t m e n t ，w h i c hi s q u a n t i t ya d j u s t m e n ti np r i m a r yw a t e r s i d ea n dq u a l i t y a d j u s t m e n tc o m b i n i n gf r e q u e n c yc o n v e r s i o nq u a n t i t ya d j u s t m e n ti ns e c o n d a r yw a t e r s i d e ，i s p r o p o s e d b y t h eg u i d i n go f c o n t r o l t h e o r y , ac o n t r o ls c h e m e h a sb e e nw o r k e do u tw h i c hm a k e s s y s t e mi n t e l l i g e n t ，e s p e c i a l l yt h ea p p l i c a t i o no ff u z z yc o n t r o lt e c h n i q u e ，l e a d st ot h eu n i t s a b i l i t yo fs t a b i l i t y , a n t i i n t e r f e r e n c e m o r es t r e n g t h e nt h a ng e n e r a lo n e s h e a t e x p e r i m e n t ， a n a l y s i so n h e a tt r a n s f e r e n c em a dr e s i s t a n c e o f p l a t e h e a te x c h a n g e st h eh e a r to fu n i t ，h a sb e e n d o n e t h a tp r o v i d et h eb a s i so fe x p e r i m e n ta n dt h e o r yf o r s p r e a d i n gh o wt o r a i s eh e a t t r a n s f e r e n c ea n dh o wt or e d u c ee q u i p m e n tc o s t a f t e rf i n i s h i n gs a m p l e u n i t ，h e a ta d j u s t m e n tc h a r a c t e r i s t i c sh a sb e e n t e s t e d t h er e s u l ti s a sf o l l o w s ：q u a l i t ya d j u s t m e n to fu n i ti nt h es e c o n d a r yw a t e r s i d es y s t e mc a l lb ea c h i e v e d a u t o m a t i c a l l y a f t e rs i m u l a t e dh e a ts u p p l ya d j u s t m e n t , t h er e l a t i v ee r r o rb e t w e e np r a c t i c a l t e m p e r a t u r eo fs e c o n d a r y w a t e r s i d ea n dt h e o r yo f t h a ti s + 2 6 一一1 5 1 w h i c hm e e tt h en e e d o fd e s i g n t h em a x i m u mr a t i oo fs a v i n ge n e r g yc o m e su pt o4 8 4 t h r o u g hs i m u l a t i n g p r a c t i c a lo p e r a t i n gm o d e t h a ti l l u s t r a t e ：t h ei n t e l l i g e n th e a te x c h a n g e ru n i tw h o s ee f f e c to f s a v i n ge l e c t r i ce n e r g yi so b v i o u si sm o r er e a s o n a b l eo nu s i n ge n e r g ya n dm o r es u i t a b l ef o rt h e d e m a n do f s a v i n ge n e r g ya n d e n v i r o n m e n t p r o t e c t e d k e y w o r d ：h e a te x c h a n g e r u n i th e a ts u p p l yq u a l i t ya d j u s t f r e q u e n c y c o n v e r s i o n q u a n t i t ya d j u s tf u z z yc o n t r o l s a v i n ge n e r g y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨奎叁釜或其他教育杌构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：雷 复秀 签字目期： ez 年7 月否日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫叠苤生有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤叠盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，_ 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说锈)， 学位论文作者签名；翻差秀 导师签名： 签字日期：。2 年7 月6 目 。 签字日期：口z 年7 月扩日 笙二至鳖丝。 第一章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 1 1 1 经济发展对节能的需求情况 人们在日常生活和社会生产中需要大量的热能，这些热能常常是人们将自然界的能 源直接或间接地转化为热能以满足人们的需求。此间就需要转化这些能源的技术和设 备。本课题研究的主要内容就是开发在这个转化过程中用于间接热能转化的换热设备。 世界各国经济、技术发展的事实表明，生产过程的机械化、自动化程度越高，经济 技术越发展。劳动生产率越高，能源消耗也越多。在正常情况下，一个国家的能源消耗 量的增长速度和国民生产总值的发展速度基本上呈正比例，所以能源消耗量已成为衡量 一个国家经济和技术发展水平的重要标志之一。1 9 5 0 年全世界能源消耗总量为2 6 6 4 亿 吨标准燃料，平均每人1 0 8 吨标准燃料；1 9 7 5 年世界能源总消耗量达8 57 亿吨标准燃 料，平均每人2 1 4 吨标准燃料。近2 5 年来，世界能源消耗年增长率平均每人为4 | 8 ， 大约十年增长一倍。 在能源消耗总量中，供暖和空气调节的能源消耗总量占有很大比例。据统计，在美 国和日本约占l 4 1 ，3 左右，瑞典达4 5 旺j ，至于生产工艺用热消耗的能源所占比例就 更大。因此，现代经济和技术的发展，对供热技术的要求很高。供热设计应从节约能源， 提供能源的利用率出发，在对能源采用综合秘用前提下，研制高效率的供热设备以减少 能源损失，并采用现代化的自动调节控制系统以节约能源。 1 】。2 供热技术的发展历史 蒸汽机发明以后，促进了锅炉业的发展，十九世纪初，开始出现了以蒸汽或热水作 为热媒的供暖系统。1 8 7 7 年在美国建成了区域供热系统，出一个锅炉房供给全区许多 建筑物和生产、生活所用的热能 。 二十世纪初期，一些工业发达的国家，开始利用发电厂中汽轮机的废气供生活与生 产用热。其压，逐渐发展为现代化的热电厂，联合生产电能和热能，并进行热能转化， 为用户提供热能，显著提高了热能利用率。 二次大战后，特别是6 0 年代，世界能源的消耗，随着城市工业的发展和城市人口 的增长而迅速增加，1 9 5 0 1 9 6 5 年间，联邦德国、捷克期洛伐克等国热能消耗量增加了 二倍。日本增加了3 7 倍 1 4 ” 。巨大的能量消耗，不仅要有足够的供应能力，而且要 提高热效率和降低运行成本。 在区域供热系统中采用大型现代化锅炉，燃烧效率高，尤其是综合生产热能与电能 的热电厂可以节省能源，大型区域供热系统配备现代化的中间热交换设备使供热半径 大，热源可远离城市中心人口密集区，防止城市环境污染。因此，近年来使得区域供热 第一章绪论 事业发展极为迅速。 从前苏联和东欧各国的供热情况看，苏联发展最快。到1 9 4 0 年，区域供热在多数 旧城市和新建城市中已相当普及，供热总量已超过1 0 4 7 1 0 u k j h 。二次世界大战后， 苏联以平均每年1 0 的增长率发展供热，1 9 6 2 1 9 6 7 年的五年间，供热总量增长近一倍， 达到2 7 1 3 1 0 ”k j h 。1 9 6 9 年，仅莫斯科就有热电厂1 1 座，供热总量4 1 5 1 0 1 2k j h 。 到1 9 7 8 年，莫斯科总供热能力就达1 0 8 3 1 0 3 k j h ，住宅与公共建筑集中供热率已达9 0 以上1 。对供热设备的发展起到了极大的推动作用，同时也为供热设备的开发提出了 新的要求。 美国及西欧各国的供热事业发展也相当快。近几年，法国、瑞士等国在供热系统及 设备的建设上表现突出 5 。 从世界范围看，解决世晃能源紧张问题一是靠开源，二是靠节流。因此，在对常规 能源积极开发、综台利用、提高能源利用率的同时，从二十世纪中期开始，世界上许多 国家对新能源开发利用和提高供热效率、降低运行成本上作了大量研究。并取得了明显 的效果。 1 1 3 我国供热事业的发展概况 在旧中国，只有在大城市为数很少的建筑中，装设了集中供暖设备。解放后，随着 国民经济建设的发展和人民生活水平的不断提高，我国供热事业也得到了迅速的发展。 1 9 5 9 年我国第一座城市热电站投入运行，到1 9 8 0 年全国只有七座城市有集中供热，1 9 8 1 年增加到1 5 座城市。 目前我国有供热设施的城市为1 0 4 个，占全国4 5 0 个城市的2 3 ，全国集中供热 面积2 1 3 亿平方米，热化率5 6 。主要分布在东北、华北和西北地区，上述地区已有 集中供热面积1 9 亿平方米，热化率达1 2 8 。 据有关部门统计，1 9 8 9 年全国集中供热量：工业为6 7 8 2 3 8 1 0 4 g j a ，民用为1 8 4 1 6 4 3 1 0 4 g j a 。1 9 9 0 年底，我国热电联产年供热量5 6 4 8 1 1 0 4 g j a 6 。 从全国2 9 个省市自治区来看，地级和地市级大中城市3 2 6 个，县级小城市2 1 9 4 个， 预计，有条件发展供热的城市上千个可建立不同规模的热电厂总容量可达1 0 0 0 0 m w 一 。可见我国城市的供热发展有极广阔的前景和巨大的潜力。 随着供热事业的发展，我国和世界各国在供热事业的发展上将面临同样的问题。 因此，就给我们的供热系统以及设备的设计、制造提出了更高的要求。 1 1 4 市场分析 1 国内市场 随着国家节能政策的不断完善，在供热行业中对供热设备的自动化程度的需求不断 提高，尤其近期国家在天津热化工程中试点实施的供暖热计量收费政策，给供热设备提 第一章绪论 出了新的要求，本次设计研制的智能型换热机组就是专门为此而研制的。 就国家在天津试点的供热工程而言，计划两年实现热化面积7 5 0 万平方米口6 i ，需要 换热机组2 0 0 套以上，创产值8 0 0 0 万元。天津市计划三年内居民住宅热化率达7 0 以 上【2 6 】，按此推算，三年内天津市需配套机组( 新增) 3 0 0 套，创产值1 2 亿元。 在天津试点成功后，该政策将向全国推广。据前述背景资料，目前全国有供热设施 的城市1 0 4 个，仅占全国4 5 0 个城市的2 3 ，而1 0 4 个城市集中供热面积2 1 3 亿平方 米。若实施热计量收费政策后，换热机组产值可达2 7 2 2 亿元。随着国家基础设施投入 的不断加大，供热面积在不断增加，换热机组的市场潜力巨大。 2 国际市场 就国际市场而言，欧美等国的一些厂家有类似产品，如英国a p v 公司、芬兰l p m 公司，他们的产品是针对本地区的应用场合而设计的，主要应用对象是一些小别墅和小 片住宅供热。而我国、独联体等国家的供热一般为大片( 区域) 供热，上述国外诸产品 在应用于这些场合中很难达到理想调节。本次研制的换热机组，作为适于中国国情的产 品，在中国市场上比进口国外产品更具竞争力，在独联体国家也有巨大的市场潜力。 1 1 5 本课题的研究意义 1 推动技术进步近几年来，随着供热系统控制技术的发展，人工调节的换热机 组逐渐向自动化、智能化、无人值守控制的方向发展，并出现了带有气候补偿功能的无 人值守换热机组 1 1 “ 【” ，且己应用于工业实践中，收到了很好的效果。本课题研究 的换热机组要优于该类产品。 2 适应市场的需要智能型热换机组是高效自动化系统设备中的一种。它较传统 的单机布置形式的热交换系统具有技术含量高、结构紧凑、操作方便、能量使用合理等 优点，因而，在各领域中得到了广泛的应用，尤其是在当今日益发展的城市区域供热中 受到高度的重视，并且有较大的市场需求。 3 。节能环保效果明显据初步调研所得到的资料表明，自动控制机组比以往传统 手动控制换热机组节约热能在3 0 以上，其占地空间为单机布置换热系统的6 0 。因 此，在热交换系统中，尤其在区域供暖中，采用自控换热机组比传统手动控制换热机组 热能利用更合理，符合当前节能要求。同时，它对减少污染物在空气中的排放、提高大 气质量、降低温室效应、改善人类的生存环境，具有深远的意义。 4 填补国内空白，具有经济效益据了解，上述的自动控制换热机组除英国a p v 和芬兰l p m 公司生产外，其他国外换热设备制造企业也正在研制中。目前，我匡i 在自 控换热机组，尤其智能控制换热机组尚无产品，而这一产品的市场潜力巨大。本澡题的 研究成果可以填补我国换热机组产品的空白。 因此，本课题的研究工作有重要的理论及实际意义，并将会产生明显的社会效益和 经济效益。 第一章绪论 i 2 国外及国内研究现状与发展趋势 在动力、石油、化工、食品、制冷空调、区域供热等诸多重要工业领域中，广泛 使用着各种热交换设备。但其中很大一部分是比较陈旧、落后、自动化程度不高的热交 换设备。多年来，国内外研制了各种紧凑型的高效自动化系统供热设备，热交换机组就 是这种高效自动化系统设备中的种。它较传统的单机布置形式的热交换系统具有结构 紧凑、操作方便、能量使用合理等优点，因而，在各领域中得到了广泛的应用，尤其是 在当今日益发展的城市区域供热中受到突出的重视。 1 2 1 国外研究概况 目前瑞典a l f a l 越，a l 公司、英国a p v 公司、芬兰l p m 公司在换热机组产品 的研制及工业化生产中占领先地位，他们的产品销往世界上几十个国家，包括我国在内， 占据了较多的市场“ 7 j 1 3j 。 1 英国a p v 公司 a p v 公司始建于二十世纪初，其主要产品为板式换热器和换热机组 1 6 j 。换热机组 产品从八十年代中期开始研制生产，九十年代中期进入中国市场。其换热机组类型及相 应参数见表l l 1 ，其产品特点是使控制与板式换热器的结合。主要功能：除进行热 交换外，还能实现供热的自动调节。即：据环境条件自动调节用户所需的二次供水温度， 以确保用户供暖的舒适性。其代表产品见图1 - 1 ，1 - 2 1 1 1 表l la p v 换热机组类型及主要参数 典型工况 机组类型规格范围 设计压力 设计温度 一次侧 二次侧 区域供热机组 1 3 0 8 0 9 5 7 0 1 0 k w 15 0 m1 o 2 0 区域供冷机组 7 1 3 8 1 4 2 0 0 wm p a 生活热水机组9 5 7 0 5 5 5 2 芬兰l p m 公司 l p m 公司为一能源工程公司，从事热交换设备的生产历史并不长，主要产品为中 小型换热机组，型式分为整体式和预组装式，其主要技术参数见表卜2m 袭1 - 2l p m 换热机组性能参数表 f 型式工作温度工作压力单机换热量 整体式 1 m w 1 5 0 1 6 【p a 预组装式 ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) 箜三望i ! 型塑堂选垫塑塑垡垫塑堇堡堡坌塑皇堕签堡盐查塞堕! 堑皇 q 。q 1 ，= q ，q 。3 ( 2 1 1 ) 2 2 2 质调节应用计算公式 将基本计算公式各项分别代入( 2 1 0 ) ，( 2 1 1 ) 式化简得： 警二堪：【t g + 。t h - - 2 t r ( 2 - 1 2 ) g o ：一f ；) f ：+ f i 一2 t ：1 娶蝉：。g ( t g - t h ) ( 2 - 1 3 ) q ( f 。一f ) g o 。一如) 令： g ，= q 勺 相对热指标比 g 。= g 坶1 相对水流量比 代入( 2 1 2 ) ，( 2 - 1 3 ) 式得： g ，( ( t n - - 一t ，w 掣) 再t g + t 葛- 2 t ：r ( 2 - 1 4 ) 吼万 i 丽- t w ) - g r 端 ( 2 _ 1 5 ) 由( 2 1 5 ) 式得： 铲。畿专( o 。 任旧 将( 2 1 6 ) 式代入( 2 1 4 ) 式化简得： 。巩+ 【可l g - i - t t f ：iq , t ，：v - 一t r w 降i + 茜( r “, 再t - t w ( 2 _ 1 7 ) 将( 2 ，1 7 ) 式代入( 2 1 6 ) 式化简得： 铲”i 丁t g - t “乩，黪南一秘, ，再t , - t w ( 2 1 7 ) 式、( 2 1 8 ) 式即为质调节计算供回水温度的基本公式。它 | 3 可作为在质调节 情况下，二次供、回水温度计算的原始公式a 由式( 2 1 4 ) 可得；旷鲁【揣r 任哟 由式( 2 1 5 ) 可得： g ，再t n - t w 再t g - t h 2 之。 第二章小型智能换热机组供热调节理论分析与总体设计方案的研究 对式( 2 1 9 ) 、( 2 2 0 ) ，一般在实际质调节中可认为q r = l ，g 严1 ，而在理论计算中， 理论值和实际值是不相等的，尤其在其它调节方式下( 如量调) g ，的变化对系统调节 的影响是相当大的。 2 2 3 调节公式的应用 在实际质调节应用中，若供暖系统设计合理，运行正常。一般可以认为g 尸i ， g 尸1 ，同时厶= r j ，贝0 ： 式( 2 1 7 ) 可化简为： + t t g + t h _ it n - t 一砖+ 拉“) 蒜( 2 - 2 1 ) 式( 2 1 8 ) 可化简为 r 一2 “+ 【t l g4 - t h r 。i 磊l - - t i ) , 砖一始1o 慧 协z ：， 式( 2 2 1 ) 、( 2 2 2 ) 是在质调节实际应用中供回水温度的计算依据。即在给定的计 算供回水温度及计算室内温度条件下，由不同的实际室外温度求出对应的供回水温度。 2 3 智能型换热机组总体方案设计 2 3 1 设计目标 本设计是以高效控制节能舒适为最终目的。即实现设备运行中的高 效率，操作过程的智能化、最大限度的节约能源，以及在整个供暖系统中该设备环节上 保证热用户的舒适性。其具体目标为： 1 ) 采用二次侧供热质调方式使二次供水温度控制在所要求温度的l c 以内 2 ) 对机组的二次侧流量作随用户需要的调节 3 、对二次系统定压补水 4 ) 实现上述调节控制的自动化 2 3 2 设计方案 1 。总体方案 经分析比较确定样机的供热调节方式采用一次侧量调，二次侧质调加量调。具体实 现方式：据质调节理论。由环境温度调节一次侧流量确定二次供水温度达到设计值。二 次量调是由系统压力控制，通过变频调速调节二次循环泵的流量来实现。 本系统的控制部分采用p l c 可编程序控制器来进行计算及控制各传感元件和执行 器，实现供热过程的自动调节。 二次系统的自动定压补水由补水泵的变频调节来实现。 第二章小型智能换热机组供热调节理论分析与总体设计方案的研究 2 样机参数及结构形式确定 ( 1 ) 样机供热参数： 根据常规机组的工作条件初定样机的供热参数为 换热量q = 1 0 0 k w 一次水温度供水：1 3 0 回水：8 0 二次水温度供水：9 5 回水：7 0 。c 设计压力1 6 m p a ( 2 ) 主要结构形式确定： 由于是样机试制，考虑试制成本，系统元件不采用各用。即热交换系统主要包括： 换热器一台，主循环泵一台，补水泵一台及管路阀门等。 3 换热机组系统设计 据上述总体方案，该换热机组主要是结合目前供热计量收费的要求，通过对环境 温度、二次供水温度、压力的监测，实现对一次热源供给量和二次循环水供水温度、流 量根据热用户实际需求的智能化调节，同时，实现二次主循环系统的自动定压补水。由 此，设计出该机组的系统图，见图2 1 。 2 - 3 3 热工系统 1 换热工艺流程 机组的热源为来自热源厂或锅炉房的蒸汽或热水。热源由其自身的压力进入机组 的板式换热器，进行热交换后离开机组，返回热源厂或锅炉房。供采暖用的二次循环水， 对用户进行供暖后返回机组，由循环水泵打入板式换热器，换热升温后，再进入管网继 续供热。 2 机组的供热调节 ( 1 ) 供热调节方式 本机组供热调节方式采用的是：一次侧量调节，二次锱质调加量塌。 ( 2 ) 供热调节过程 本系统的供热溺节实为由二次系统质调节来实现的。将前述质调节理论公式输入 控制器，由各检测数据，通过计算比较，即可实现上述供热的一次量调和二次质调。而 二次侧量调节是通过系统压力信号直接控制二次主循环泵的变频器来实现的。其控制程 序框图见控制系统设计部分。 2 3 4 控制系统设计 1 。系统结构 智能型换热机组供热调节控制系统包括主控制器、仪表系统、机组主机系统、执 行机构、电器控制等部分。其结构如图2 2 第二章小型智能换热机组供热调节理论分析与总体设计方案的研究 蜒 叛 州女 占越 赠 匿= ，噻 挈罅； ho 器甲 嚣兰 铽 垦 贼喜 * “ 稚掣 姆叠 餐 ”黯 恼 稚啦 聚r 制蚓 垛2 * 隼藿 划 蹄赠 豢二 辎“ 佰口； 靼 习嚣峨：；辱菩鼙琵拦嚣 一a 要 第二章小型智能换热机组供熟调节理论分析与总体设计方案的研究 图7 - 2 控制系统框图 主控制器相当于人的大脑，变送器传感器是人的眼睛，执行机构是人的手。其层 次结构成金字塔状见图2 3 。换热机组主机的可控性是实现整个系统控制的基础。 图2 - 3 控制系统层次框图 2 系统主要控制功能设计 ( 1 ) 机组系统控制工艺流程 机组的控制系统主要包括：显示部分、传感元件、主控核心部分、执行机构。控 制器通过对二次主循环水供水温度的实测值与计算值的比较，自动调节一次热源进口电 调阕的开度，改变热源进给量的大小，同时，由二次循环水压力信号，通过变频器对二 次循环水泵和补给水泵进行控制，改变二次循环水流量大小，并对二次系统进行定压补 水。其控制原理见图2 4 电气原理框图 ( 2 ) 自动化质调节控制 系统中采用以计算供水温度为设定值，通过与实测值误差的分析计算，使所需控制 水温保持一定。由图2 - 1 ，换热器的二次供水温度偏离设定值时，控制调节系统就自动 调整执行器的动作，即改变电动调节阀的开度，从而改变进入换热器的一次热媒的流量， 改变传送到热交换器= 次的热能，使二次的供水温度稳定在设定值附近。 第二章小型智能换热机组供热调节理论分析与总体设计方案的研究 图2 4 换热机组电气原理框图 ( 3 )二次侧量调及自动定压补水 控制原理见图2 - 4 。其控制程序为：a 设定控制压力。b 据实测压力与设定压力 比较，自动调节变频器输出频率、控制水泵，确保系统的供水量。程序框图见图2 5 水 泵变频调节控制程序框图。 第二章小型智能换热机组供热调节理论分析与总体设计方案的研究 图2 一s 水泵变频调节控制程序框图 第三章小型智能换热机组的传热分析 第三章小型智能换热机组的传热分析 3 1 板式换热器的传热分析 3 i 1 板式换热器简介 1 板式换热器简介 板式换热器是由一组金属波纹板片组成，板上有孔，供传热的两种流体通过。金 属板片安装在固定和活动压紧板的框架内，并用夹紧螺栓夹紧，板上装有密封垫，将流 体通道密封，并引导流体交替地流至各自的通道内。流体的流量、物理性质、压力降和 温度差决定了板片的数目和尺寸。 2 板式换热器的结构及原理 板式换热器的结构见图3 - l ，进行热交换的两种液体由进口经板片及密封垫片组成 的通道交替流经每张板片的两侧。通道的数量及组合方式均由热交换总量、流体流量、 温度、压降、物理性能所决定。 图3 - 1 板式换热器结构 3 1 2 设计计算方法与假定条件 目前，使用最广泛的板式换热器工程设计计算方法，仍然是以传热和压降准则关联 式为基础的常规设计计算方法。这种方法简单、使用，在计算精度上可以满足一般工程 需要，并适用于各种不同的换热场合。 一般情况下，均认为换热器运行时应满足以下几项条件： 1 ，冷、热流体的对流换热系数和换热器的总传热系数沿换热面均为常数。 2 散热损失忽略不计。 3 换热器的每个流程中各并联通道的流量均匀分配，即认为角孔联箱中的轴向压 力梯度为零。 4 忽略多程布置时换程产生的额外压降。 1 0 第三章小型智能换热机组的传热分析 5 ，由角孔进、出板片通道时的局部压降均计入沿程压降中。 3 1 - 3 设计计算步骤 板式换热器工程的设计计算般用平均温差法，其步骤是： 1 求未知的温度或流量 由热平衡方程式，根据输入条件，求出未知温度和或流量，并同时得出热负荷q 。 2 选择板式换热器的单板尺寸和型号 根据换热量与流量的大小，选择合适的单板尺寸和型号。板片型号和波纹形式 的选择要根据换热场合的实际需要来定，一般要通过试算。对流量大而允许压降相对较 低的情况，选用阻力较低的板型，反之选用阻力系数较大的板型。由于目前国产的板型 不多，尚不能满足参数匹配的要求，这就需要采取一定的方法和措施来解决。 3 初步估计换热面积 本课题为水一水换热，考虑一定的垢阻( 经验值) 后，根据经验将总传热系数取为 3 0 0 0 - - 3 5 0 0 w ( m 2 ) 是适宜的。 4 初步选择冷、热流体的流程与通道数，并计算出流速 当单通道流动截面积为a 。时，则质量流量与单程通道并联数目n 的关系为 q m l = p w l r l l 人 ( 3 - 1 ) 式中 q l ，质量流量k s p 密度k 咖3 w 流速 m s n 通道数个 a 。单程通道截面积 m 2 再确定总板片数，确定有效换热板片数，计算有效换热面积。 5 求对数平均温差 6 求得冷、热流体的对流传热系数，总传热系数 目前，国外绝大多数板式换热器生产厂家均以关联式的形式表示其产品的对流抉热 特征。得出两个对流换热系数后，求得总传热系数k 。通常不锈钢板片的导热热阻k 多在o5 x 1 o 6 x 1 0 4 ( m 2 ，w ) 范围内。垢阻昱，的取值根据漉体的情况选择。 7 求换热面积a 。 8 校核换热面积 与4 设定的换热面积比较，如不一致，则改变流程或流道布置重新计算，直至一致。 9 校核压降 允许压降常常成为板式换热器设计中的制约因素。而高效的设计总是要求用足允 许压降，如果无论怎样改换流程布置，也不能协调换热负荷、流量及允许压降之问的关 第三章小型智能换热机组的传热分析 系，则只能采用低流速、低压降、低k 值的方案。 3 2 板式换热器的流动阻力分析 流体在流动中只有克服阻力才能前进，流速越高阻力越大。在相同的流速下，不同 的板型或不同的几何结构参数，阻力不同。流动阻力的大小不仅直接关系到输送流体的 泵或风机的动力消耗，而且也关系到泵或风杌的容量与形式的选择，因此，对于换热器 必须进行流动阻力的计算。此外，通过阻力计算还可了解并比较不同换热器的阻力性能 的差别。在有相变的情况( 如板式冷凝器或板式蒸发器) 下，由于阻力不同而造成的压 降大小不同还影晌到传热温差的大小，因而流动阻力的计算更进一步的与传热计算发生 关联。 3 。2 1 流阻的构成 1 单项流 对于单项流体，在流动中所遇到的流动阻力通常为两种：摩擦阻力局部阻力 ( 1 ) 摩擦阻力 流体在流道中流动时，流体与固体的壁面相接触，由于流体的粘性和流体质点之间 的互相位移而产生摩擦所引起的阻力，称为摩擦阻力。通常，流速越高、粘度越大、壁 面越粗糙、流程越长、则摩擦阻力越大。计算摩擦阻力公式的基本形式为 a p ：v 睾竿 ( 3 2 ) 。d2 、7 式中厂摩擦系数； dp 摩擦阻力( p a ) 三流体流动长度( m ) 吐当量直径( m ) p 流体密度( k g m 3 ) w速度( m s ) f = c r e ” ( 3 - 3 ) 式中，系数c 及指数聆的值依具体的板片结构而定。 ( 2 ) 局部阻力 流体在流动过程中，由于各种局部障碍而引起的流动方向改变或速度突然改变所产 生的阻力。局部阻力的计算式形式为 a p = 孝竿( 3 _ 4 ) 式中芒局部阻力系数。 第三章小型智能换热机组的传热分析 局部阻力系数f 的大小与局部障碍的几何形状、尺寸大小，流体形态和壁面粗糙度 有关。 2 两相流 汽一液两相流体流动时，由于汽与液的密度不同。汽与液的含量不同以及汽与液的 相互滑动等多种因素，使产生的阻力除摩擦、局部阻力外，还有加速阻力和重力阻力。 f 1 ) 摩擦阻力 两相流由于其流动状态复杂，即使对于光滑管的摩擦损失也难整理出简明的结果。 如以两相流与单液相流相比，由于汽相混入引起液相增速、汽相流滑动速度对液膜造成 的湍流效应等因素的影响，使两相流的摩擦阻力要比单液相流时大。因而，实际上常以 两相流中只有液相成分时的摩擦阻力乘以相应倍数的方法来求解两相流的摩擦阻力，即 i p = l ? ( 3 5 ) 式中( p ) ，仅液相单独流过同一管道时的摩擦阻力，其计算公式具体表达为： l 叫手塑v ， ( 3 _ 6 ) 式中 厂，一液体的沿程摩擦系数； g 一汽、液两相流的总质量流率( k g m 2 s ) ； x 一治流程l 的平均干度； h 一液体的比容( m 3 k g f ) 。 式( 3 - 5 ) 中，卯即为按液楣摩阻考虑时所乘的倍数，庐，称为摩阻分液相表观系数。 ( 2 ) 局部阻力 两相流流经各种突扩和突缩接头、弯头、阀门、孔板等处时，和单相流一样会产生 局部损失，但要比单相流时更复杂。如流体通过弯管时的局部阻力，对于单相流是由于 通过弯管时产生涡流和流场变化引起的；对于两相流，则还因通过弯管时发生相分离， 从而使两相之间的滑动比发生变化而引起的。因而，两相流的局部阻力计算式的表达形 式比单相流时的形式繁杂。 ( 3 ) 加速阻力 加速阻力是由于在流动过程中两相流的密度和速度的改变而引起的压力损失。板式 换热器的通道是变截面波纹流道，而且两相流体在流动中伴随着受热或冷却，所以加速 阻力是存在的。在一般的情况下，加速阻力与摩擦阻力、重力阻力相比较小，只有在商 热负荷的汽液两相流中，加速阻力才增大到可与摩擦阻力相比拟的程度。 重力阻力 重力阻力是由于在非水平流道中因高度差而引起的阻力损失。板式换热器的通道为 竖直流道，两相流体在进入和流出板式换热器中存在着高度差，因而有重力损失。 第三章小型智能换热机组的传热分析 3 2 2 流阻计算 当流体流过一台板式换热器时，流体的压降是上述各项阻力综合作用的结果。流体 流过一台板式换热器的总阻力为经过进出口接管、进出口分配管、角孔、板间通道等处 的各种流动阻力之和。对于液一液型板式换热器，由于是单相流体的流动与换热，其总 阻力的规律比较容易掌握；而汽一液型，即板式蒸发器或板式冷凝器，在流动与换热中 不断的发生相变，就难以用较简单的形式来表达其总阻力的规律。所以，液液型和汽 一液型板式换热器的流阻计算方法是不同的。下面只讨论液一液型板式换热器的阻力 计算。 常用的流阻计算式有两种。 1 准则关联式 最常用的形式是，将因流体流过板式换热器的流动阻力而造成的压降整理成欧拉 数e u 与雷诺数r e 的关系 e u = b r e 4 埘 ( 3 - 7 ) 式中扫一系数，随不同型号的板式换热器雨定； ，r 一流程指数； d 指数，随不同型号的板式换热器而定。 如将式( 3 - 7 ) 用对数坐标分别表示眈与r e ，则在图上为随i 沁增长血下降的一 条直线。 由于e u = m l ( p w 2 ) ，所以压降为 尸= b r e 。m p w 2 ( 3 - 8 ) 2 摩擦系数的计算式 在没有准则欧拉方程式时，可采用压降和摩擦系数的关联式进行计算。 热器的压降由角孔压降和流道压降组成，即 凹= a p l + a p ” 一台板式换 ( 1 ) 流道压降廿是流体从n ：f l 进入板间通道，然后又从另一个角孔出来 服其阻力而形成的压降，对人字形波纹 ( 3 9 ) 为克 a p ：2 ，了l 2 m l 旦i ( 3 一l o ) 口e l , u w 式中，摩擦系数： 上流道长度，系指液流通过板片的实际长度，此值应将平面长度乘以 波纹展开系数。 ( 2 ) 角孔压降是流体流过角孔流道，为克服其流动阻力的压降 第三章小型智能换热机组的传热分析 式中 廿”= 彤( 譬 ( 1 + 而n ( 3 1 1 ) f 摩擦系数，横坐标角孔直径d 是以流体在角孔中的流速为6 m s 左右确定的 疗一个流程中的通道数。 3 3 板式换热器的传热与阻力计算 3 3 1 板式换热器初始数据 1 供热工况 换热量：q = 1 0 0 k w 一次水：进口温度：t l = 1 3 0 。c ，出口温度：t 2 = 8 0 。c ，v 。= 1 7 2 m 3 h 二次水：进口温度：t l = 7 0 。c ，出口温度：h = 9 5 。c ，v ，= 3 ，4 4 m 3 h 2 选型计算 。 ( 1 ) 确定板型、换热面积、流程型式 1 ) 热负荷 q = 1 0 0 k w = 8 6 0 0 0 k c a l h 2 ) 对数平均温差：a r m = 【( t 1 叱) 一( t 2 一t ，) 】i n ( t l t 2 ) 门r 2 一t 1 】 2 ( 1 3 0 9 5 ) 一( 8 0 7 0 ) 】i n ( 1 3 0 9 5 ) ( 8 0 - 7 0 ) = 1 9 9 6 3 ) 型号初选b r 0 1 0 型产品凹 4 ) 计算传热面积 设通道流速为w = 0 3 m s ，查b r 0 1 0 板式换热器热力实验结果见图5 2 ，k w 曲 线得k = 3 0 0 0 w m 2 。c ( 目pk = 2 5 8 0 k c a l h m 2 ) 传热面积：f = q n i l = 1 1 0 5 3 0 0 0 1 9 9 6 = 1 7 m 2 根据b r 0 1 0 产品参数表 2 ，初选传热面积2 m 2 5 ) 换热器流程形式 通道数： n - - v a w 3 6 0 0 = 3 4 4 7 6 0 1 0 4 o 3 3 6 0 0 = 4 8 5 个 初定流程为： 2 5 2 5 初选换热器为b r 0 1 0 ，2 ( 2 x5 ) ，( 2 5 )1 台 ( 2 ) 选型校核 1 ) b r o 1 0 产品技术参数 2 8 一 塑三童尘型塑堂垫垫垫鱼塑堡垫坌堑 单板换热面积：s = 0 1 0 m 2 单通道截面积： a ：= 7 6 0 xl 驴t t i 2 当量直径：d e = 7 2 1 0 3 m 传热努谢尔方程： n u = 0 1 8 6 r e ( 热介质n = o 。3 、冷介质n 。= o 4 1 阻力欧拉方程：e u = 1 0 1 7 r e “2 4 8 2 ) 水的物性参数 一次水定性温度t m = ( t i + t 2 ) 2 = ( 1 3 0 + 8 0 ) 2 = 1 0 5 二次水定性温度t m = ( t l + t 2 ) 2 = ( 9 5 + 7 0 ) 2 = 8 2 5 查水的物性参数【2 9 一次水：运动粘度：v ，：o 2 8 4 x i 0 6 m 2 s 导热系数： - - 0 5 9 k c a l m h 普兰德数：p r 产1 6 8 密度： p = 9 5 5 k g m 3 二次水：运动粘度：v ，= o 3 5 5 x 1 0 4 m 2 s 导热系数 ，z o 5 8 k e a l m h 普兰德数：n 宅1 5 密度：p2 = 9 7 0 k g m 3 3 ) 传热量校核 一次水侧： 流速： w l = v t 从。3 6 0 0 = 1 7 2 5 7 6 0 1 0 4 3 6 0 0 = o 1 2 6 m s 雷诺数：r e l = w l d e v 。 = o 1 2 6 7 2 x1 0 、3 0 2 8 4 1 0 6 = 3 1 9 4 努谢尔数：n u ，= 0 18 6 r e o 。7 p r o 口3 = o 1 8 6 3 1 9 4 07 1 ，6 8 0 3 = 2 对流换热系数 q ；