王 凯 凌 祥 彭 浩

(南京工业大学机械与动力工程学院)

组合型板翅式换热器热力设计软件的开发①

王 凯 凌 祥 彭 浩

(南京工业大学机械与动力工程学院)

串联、并联、混联组合型板翅式换热器正广泛应用于螺杆压缩机的空气和油冷却系统中，在进行结构设计和热力计算时，因涉及大量的理论计算和图表查询，传统的手工算法计算工作量大、效率低，且易出现人为误差。为了降低板翅式换热器的设计难度，提高计算精度，以Visual Basic6.0为系统开发平台，结合Access建立不同条件下多种流体的物性数据库，利用对数平均温差法设计开发出一套具有可视化操作界面的板翅式换热器热力设计软件，可实现单体或多个板翅式换热器串联、并联和混联模型的结构设计和热力计算，并通过具体实例的计算，验证了该软件算法的可靠性和高效性。

板翅式换热器 热力设计 软件开发 串联 并联 混联

近年来，随着强化传热技术的迅速发展，对紧凑式换热器的研究也不断深入，已有许多新技术、新结构应用于工程实际[1]。板翅式换热器具有传热效率高、结构紧凑、轻巧牢固、适应性强及经济性好等优点[2,3]，已被广泛应用于螺杆压缩机的空气和油冷却系统中。同时，由于压缩机不断朝高效紧凑的方向发展，传统单一结构的板翅式换热器已不能满足压缩机对空间尺寸、换热性能等方面的要求，串联、并联、混联组合型板翅式换热器因具有良好的适应能力和传热特性正逐步得到发展与应用。

板翅式换热器的结构设计和热力计算涵盖大量的数学公式和图表查询，计算过程冗长繁琐，操作环境复杂多变[4]。为了降低换热器的设计难度，提高设计计算效率，开发相应的设计计算软件早已成为适应科技发展的新趋势[5]。当前，国内外对板翅式换热器设计计算软件的开发研究方兴未艾[6,7]，已有许多成熟的软件应用到日常的设计计算中。但大多数软件只涉及到单体换热器的结构设计和热力计算，对于将多个换热器组合起来进行设计计算的，目前还鲜有类似的文献和成果出现。

基于此，笔者以Visual Basic6.0为系统开发平台，利用其开发效率高、设计灵活、界面友好及交互性强等特点[8]，开发出一套具有可视化操作界面的板翅式换热器热力设计软件，可实现单体及多个板翅式换热器串联、并联、混联模型的结构设计和热力计算。该设计软件不仅可以显著提高设计过程中的工作效率，缩短设计周期，也为其他类似软件的设计开发提供了参考价值和指导意义。

1 软件设计原理

1.1 计算模型

笔者研究的板翅式换热器单元体结构如图1所示，主要由翅片、隔板、封条和导流片4部分构成。翅片是单元体中的核心元件，包括平直型、锯齿型、波纹型和多孔型4种常用翅片类型。在单元体中进行换热的冷热流体可呈错流、顺流或逆流3种不同的流动形态，图2所示为错流形态下的芯体结构示意图。

在实际设计计算过程中，由于空间尺寸的限制或结构形态的差异，需将若干个换热器以串联、并联、混联的形式连接起来，以满足设计计算的不同要求。板翅式换热器的串联模型、并联模型和混联模型如图3所示。图中，W代表流体流量，L/h；T代表流体温度，℃；Δp代表流体压降，kPa；i代表进口，o代表出口，c代表冷流体，h代表热流体。

图1 单元体结构示意图

图2 芯体结构示意图

图3 换热器连接形式

串联模型中的流量关系式为W1hi=W1ho=W2hi=W2ho=W3hi=W3ho，温度关系式为T1ho=T2hi、T2ho=T3hi；并联模型中的流量关系式为Wo=W1hi+W2hi+W3hi，温度关系式为To=T1hi=T2hi=T3hi，压降关系式为ΔpAc=ΔpBc=ΔpCc；混联模型中的流量关系式为W1hi=W1ho=W2hi=W2ho=W3hi=W3ho、W3ho=W4hi+W5hi+W6hi，温度关系式为T1ho=T2hi、T2ho=T3hi、T3ho=T4hi=T5hi=T6hi，压降关系式为ΔpAc=ΔpBc=ΔpCc。

1.2 计算方法

笔者结合传热过程的基本方程，采用工程上广泛使用的对数平均温差法对板翅式换热器进行结构设计和热力计算。

Q=KFΔtm

(1)

Q=mcpΔt

(2)

式中cp——定压比热，J/(kg·K)；

F——换热面积，m2；

m——质量流量，kg/s；

Q——换热量，kPa；

Δtm——对数平均温差，℃；

Δt——进出口温差，℃。

该软件设计计算流程主要包括结构设计、热力设计和阻力设计三大阶段，图4为单体结构的设计计算流程图。结构设计包括翅片类型选取、翅片结构参数设定、芯体物理结构计算；热力设计包括流体工况参数设定、流体物性参数调用、流体换热面积试算、计算结果(出口温度和散热量)输出；阻力设计包括流体经验公式确定、流体阻力因子插值计算、流体压降计算。

2 软件开发

2.1 数据库的建立

笔者选用Access建立物性数据库，将防冻液(如乙二醇和水50∶ 50)等多种流体的物性参数(密度、粘度、导热系数及比热容等)输入其中，结合VB6.0内置的Microsoft Jet Database Engine控件实现对数据库的访问[9]，最后利用插值法的基本原理将符合要求的物性参数自动传输到VB主程序中进行迭代计算，确保结果准确高效地输出到窗体界面中。

2.2 软件功能的实现

本软件以热力学法则为理论基础，在绘制程序开发框图和操作界面的同时，以计算模型为参照编写了主程序代码，利用程序代码的逻辑意义实现了软件主体的设计计算功能。本软件主要包括四大模块，分别是：原始参数输入模块、热力计算模块、结果输出模块和数据保存模块。

2.2.1 原始参数输入模块

工况参数输入包括：流体类型、进口温度、工作流量及工作压力等；结构参数输入包括：芯体长度、芯体宽度、通道数量及流动形式等；翅片参数输入包括：污垢热阻、导热系数及定性尺寸等。

图4 单体设计计算流程

2.2.2 热力计算模块

热力计算模块包括：对数平均温差计算、芯体结构参数计算、给热系数计算、翅片表面效率计算、总传热系数计算、换热面积校核、散热量计算及压降计算等。

2.2.3 结果输出模块

结果输出模块包括：冷/热流体出口温度输出、冷/热流体散热量输出、冷/热流体压降输出。

2.2.4 数据保存模块

笔者通过创建OLE Automation对象，在VB和Excel之间搭设了一条虚拟的数据传输通道，可将程序每一步的计算结果快速导入到Excel中，实现VB和Excel的无缝连接[10]，方便用户借助Excel对结果进行分析比较。

2.3 附加功能

软件具备独立的物性参数查询界面，用户只须根据实际需要选定流体类型，设定其工作压力和温度，就可将数据库中的物性参数调用并显示在窗体界面中。图5为物性参数查询界面示意图。

3 应用实例

3.1 软件验证

为验证该软件算法的准确性与可靠性，笔者以实测数据为参照，选取相同工况下、同一结构尺寸的换热器进行设计计算，计算结果验证比较见表1。实测结果和计算结果的误差率均保持在5%以内，说明该软件的计算精度满足设计要求，可用于串、并、混组合型板翅式换热器的结构设计和热力计算。

图5 物性参数查询界面示意图

表1 计算结果验证比较

3.2 实例计算

以防冻液(乙二醇和水50∶ 50)与冷空气进行换热为例，对一压缩机换热器串联模型进行传热计算。该串联模型由4个结构不同的板翅式换热器单体组合而成，其初始结构参数和工况参数见表2、3。操作界面选型示意图如图6所示。

表2 板翅式换热器结构参数

表3 板翅式换热器工况参数

图6 操作界面选型示意图

输入结构参数和工况参数并计算结果，界面如图7、8所示。

图7 结构参数示意图

图8 工况参数示意图

数据导出结果见表4，计算得到的出口温度、散热量、压降3个参量满足工作要求。

4 结束语

笔者讨论了板翅式换热器的设计计算方法，并以Visual Basic 6.0作为软件开发平台，通过Access建立多种条件下不同流体的物性参数数据库，利用Excel强大的数据后处理功能构建出完整的数据传输通道，结合简化的数学计算模型设计开发出了一套具有可视化操作界面的软件，相较于常见的只计算单体结构的换热器热力设计计算软件，本软件可实现串、并、混组合型板翅式换热器的结构设计和热力计算。与此同时，以实测 数据为基准对该软件进行了可靠性分析，发现二者之间的误差范围不超过5%，证明该软件具有良好的求解精度和便捷的操作体验，可有效提高设计人员的工作效率，满足用户的设计需求。

表4 板翅式换热器数据输出

[1] 朱玉峰.活塞式压缩机中冷器应用研究[J].矿山机械，2005，33(11)：90～91.

[2] 凌祥，涂善东，陆卫权.板翅式换热器的研究与应用进展[J].石油机械，2000，28(5)：54～58.

[3] 王汉松.板翅式换热器[M].北京：化学工业出版社，1984.

[4] 孙琪，李贝贝.管壳式换热器设计软件的开发[J].科学技术与工程，2012，12(24)：6229～6231，6240.

[5] 沈妍，傅瑞丽，安震，等.高温热管换热器设计参数的模拟计算[J].硫磷设计与粉体工程，2012，(6)：6～10.

[6] 许光第，周帼彦，朱冬生，等.管壳式换热器设计及软件开发[J].流体机械，2012，41(4)：38～42.

[7] Kays W M，London A L .Compact Heat Exchangers[M].New York：McGraw Hill，1984.

[8] 李亚非，郑玉，张军强，等.Visual Basic程序设计教程[M].南京：南京大学出版社，2009.

[9] 李光辉，孟遂民，陈清江.利用VB6.0与Access97数据库实现链接——开发架空输电线路计算软件平台[J].三峡大学学报，2002，24(5)：429～432.

[10] 张杜，李秀峰.利用VB+Excel实现农业数据的图表分析[J].安徽农业科学，2009，37(3)：1372～1374.

2016-03-03，

2016-11-15)

《化工机械》合订本消息

2015年《化工机械》合订本每册定价170元，2014～2011年每册定价110元。如需邮购，可直接汇款至兰州西固合水北路3号《化工机械》编辑部(收款人：张志远)，邮编：730060。请在附言栏内说明书名及所需册数。另外，尚有少量1995年(50元)、1996年(50元)、1997年(50元)、1998年(60元)、1999年(60元)、2000年(60元)、2001年(70元)、2002年(70元)、2003年(70元)、2004年(70元)、2005年(70元)、2006年(70元)、2007年(70元)、2008年(70元)、2009年(70元)及2010年(90元)合订本，如需购买，请按上述地址和汇款方法邮购。

地址：兰州西固合水北路3号邮编：730060电话(传真)：0931-7311073

SoftwareDevelopmentforHeatPowerDesignofCombinedPlate-FinHeatExchangers

WANG Kai, LING Xiang, PENG Hao

(SchoolofMechanicalandPowerEngineering,NanjingUniversityofTechnology)

The plate-fin heat exchangers of series connection, parallel connection and mix connection are widely applied in air cooler and oil cooler in the screw compressor. Having Visual Basic 6.0 adopted as the development platform, and the Access combined to build a property database for various fluids in different conditions as well as the logarithmic mean temperature difference employed to develop the software with visual operating interface for calculation of the heat power of the plate-fin heat exchangers was implemented to realize the structure design and thermal calculation of single or multiple plate-fin heat exchangers of series connection, parallel connection and mix connection. The practical calculation proves this software’s reliability and high efficiency.

plate-fin heat exchanger, heat power design, software development, series connection, parallel connection, mix connection

王凯(1989-)，硕士研究生，从事新型高效传热传质设备的研究。

联系人凌祥(1967-)，教授，从事新能源技术与装备、过程强化与节能环保装备技术、紧凑式热交换器、微通道热交换器、特种表面处理技术、特种连接技术(钎焊、扩散焊)及高温蠕变损伤与断裂等方面的研究，xling@njtech.edu.cn。

TQ051.5

A

0254-6094(2017)01-0033-06