壓縮機冷卻器工藝計算軟件研制

聶德平

劉夕鳳 程廣慶 王學生 倪志宇

               ( 上海電氣壓縮機泵業有限公司  華東理工大學化工機械研究所 )
    摘要：編寫了壓縮機冷卻器工藝計算軟件,包含40多種常用壓縮機氣體介質的物性參數數據,可實現傳統換熱器和多種新型高效換熱器工藝計算。介紹了軟件的設計思路和特點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行了對比,結果吻合良好。

     壓縮機要實現等溫壓縮,效率優化,保證出口壓力和出口溫度等指標,各段間要配置冷卻器。由于壓縮機對各段間允許的壓力損失和進出口溫度的嚴格要求,決定了冷卻器設計與選型的重要性以及特殊性。
/ x* f1 b! I7 N: P) m    目前,國內許多生產廠家已經發現壓縮機的冷卻器不但對機組的節能降耗有著十分重要的意義而且對壓縮機的安全生產運行有著更為重要的意義。近幾年來,國內學者圍繞壓縮機的冷卻器高效節能這一中心,也展開了一些研究及應用工作。
    壓縮機冷卻器的工藝設計大都采用是手工計算完成。傳統的人工計算需要進行大量的數據查詢,設計計算的周期較長,且容易出現設計計算誤差甚至錯誤,造成工作量大,效率低,周期長,設計質量不理想。為了提高設計過程的工作效率,現在將這些重復性強、繁瑣且枯燥的公式計算工作交給計算機完成,對壓縮機冷卻器工藝設計進行電算化編程研究。開發冷卻器設計軟件,可使設計過程更加簡化,縮短設計周期,提高設計質量,達到事半功倍的目的。
+ S' P4 [* \: ?    為此,本文研發了一套壓縮機冷卻器工藝計算軟件。該軟件具有獨立的物性數據庫,采用科學的 物性參數處理方法,并且支持新型結構的換熱器設 計計算。使用編寫的工藝計算軟件,對一套年產15萬噸尿素裝置4M32K壓縮機系統中的冷卻器進行了傳熱與流體流動工藝計算,計算結果與解析法計算吻合較好,驗證了工藝計算軟件的可靠性。
    1　壓縮機冷卻器工藝設計軟件的設計思路和特點
    壓縮機冷卻器傳熱計算的目的是為了根據所處理的氣量和溫度要求確定所需的換熱面積,其任務包括確定冷卻器的熱負荷、冷卻介質的耗量、換熱器兩側的傳熱膜系數和傳熱面積、冷凝水的質量等。 計算時,首先應根據參考結構或經驗數據,大致選擇一種結構,初步估計傳熱系數K進行具體計算,最后校核換熱面積并保證有一定的安全裕度。
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6 z1 B/ d# r0 X9 ^1 g    壓縮機冷卻器工藝設計軟件使用Visual Basic 6·0編寫,采用步驟引導式的界面,用戶可以很容易的完成數據填寫和計算。除具備實現傳統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],實現了將新型高效換熱器的工藝計算方法及技術的公式變成程序語言,嵌入程序設計中, 從而使得高效換熱器的工藝計算方法及技術在換熱器的設計中得到體現。
! U! w% [7 i5 Q& h% e    軟件有獨立的一套物性參數數據庫,涵蓋了合成氨、乙烯、天然氣工業中43種常用壓縮機氣體介質[4]在0~32MPa不同壓力、0~200℃不同溫度下的比熱容、粘度、導熱系數、密度等物性值。用戶只需選擇壓縮氣中包括的物質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物性參數,節省了設計人員查詢圖表的大量時間。
    在制作數據庫時,本文將每種介質的物性按照不同的壓力(0~32 MPa)做成很多數據表,每一個數據表中包含了0~200℃的對應物性。使用ADO(數據訪問組件:Active Data Object)訪問數據庫,在VB程序中結合SQL語句,按照指定的工作壓力和定性溫度查詢相應數據表中的數據,并用數組將它們儲存起來,然后進行混合計算。與光滑的物性曲線不同,數據庫中的數據都是以表格的形式儲存的,對于表中兩個溫度點間的物性,我們分別取出兩個溫度下的物性,進行線形插值,以保證從數據庫中查詢得到的結果與線形圖表足夠一致。
    2　計算實例
% Y8 F0 t! c  R9 k$ w    本文參考某化工公司的一套年產15萬噸尿素裝置4M32K壓縮機一級冷卻器作為實例,驗證軟件計算是否準確可靠。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。根據以往設計經驗初選表2中的結構參數, 換熱器結構如圖3所示。
         
( H( @+ d$ J9 _1 r, A$ l9 Y    初始條件確定完畢后,就可以將它們輸入程序中。包括了4項主要步驟:
    (1)輸入操作條件———原始工藝數據的輸入和設置。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、風冷式換熱器等。這個實 例中選擇為管殼式換熱器。
" N0 p; F! @1 \$ a$ R. `( V3 v. e    (2)計算物性參數———混合氣體物性參數計算部分。依靠數據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、導熱系數、動力粘度,混合氣體的平均分子量等冷卻器計算中相關物理量。這里選取壓縮氣體成分為CO2。
" j9 Z4 K4 y# m' B: H& Q" k    (3)傳熱和壓降計算———根據設計的實際情況 進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,若為設計計算,應為冷卻器估計總傳熱系數。 本例中為了驗證,指定了殼徑大小和排管數。將表 2中參數數據在此輸入。根據圖1的框圖思路,程 序將完成冷卻器的傳熱計算和壓降計算。
    (4)輸出結果———包括所關心的換熱面積、設 計熱負荷、管內流動壓力降、管外流動壓力降、根據 不同結構形式計算得出的管側和殼側對流傳熱系 數、傳熱溫差、冷凝水量等各項詳細結果,如圖4所 示。如果對設計結果滿意,可以將其生成EXCEL表 格打印輸出[5]。
    將以上結果和以往資料中使用傳統手工計算的 結果一并整理于表3中。通過對比可見,軟件計算 結果與手工計算結果基本吻合,證明此軟件是準確 可靠的。
            
    3　結論
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/ T; N  ?7 V7 m: `    本文研制編寫了一套壓縮機冷卻器工藝計算軟 件,用于壓縮機冷卻器的設計和改造中,可以大大減 輕工作量。該軟件包含物性數據庫,并且同時支持 傳統和新型結構的換熱器設計計算。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,包括換熱器結構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、環盤式換熱器、折流桿式換熱器。
    使用該軟件,對一套年產15萬噸尿素裝置 4M32K壓縮機系統中的一臺冷卻器進行了傳熱與 流體流動工藝計算,計算結果與解析法計算吻合較 好,驗證了工藝計算軟件的準確性與可靠性。 另外,通過軟件還可以預估一些新型高效換熱 器的效率,提供有效的設計依據。