CN110489706B - 一种板式热交换器能效指标eei的简化计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种板式热交换器能效指标EEI的简化计算方法，能够省略先后求解换热量Q、总传热系数k等中间过程，不仅大大简化了计算过程和繁琐程度，而且解决了偏离标准工况的精度问题和老旧板式热交换器的能效(EEI)计算问题。

Description

一种板式热交换器能效指标EEI的简化计算方法

技术领域

本发明涉及热交换能效评价技术领域，尤其涉及一种板式热交换器能效指标EEI的简化计算方法。

背景技术

热交换器类型众多、工况参数千变万化。专利CN 104036115B公开了热交换器的一种能效定量评价方法，提出了板式热交换器的能效指标值EEI及其定量评价方法，为确定热交换器的能效及其等级提供了一种科学的实现方法，写入了标准NB/T 47004.1-2017板式热交换器第1部分：可拆卸板式热交换器。但是，该方法直接使用标准工况下测试得到的总传热系数k和冷、热流体流动压降Δp_c、Δp_h计算能效评价指标EEI，本文称之为标准工况测试数据直接求解能效评价指标EEI。该方法装置上涉及到热源、冷源、测试仪器、试验测试和数据处理设备等，求解计算能效评价指标EEI则需要流体温度、压力、流速等工况参数，流体密度、导热系数等物性参数，以及热交换器结构参数和传热流动拟合系数等，并且需要先后求解换热量Q、总传热系数k等中间过程，可见，上述整个求解过程复杂，步骤繁多，代价高，周期长。另外，通过此标准工况测试数据直接求解能效评价指标EEI还存在以下三个问题：

1.对于传感器和调节装置精度要求过于苛刻，导致难以达到测试标准工况。标准工况是指热流体定性温度为50℃，冷流体定性温度为30℃，冷流体、热流体板间流速为0.5m/s。由于测试仪器的精度和流动传热的动态平衡过程，实际测试结果只能是接近标准工况而难以完全达到，降低了板式热交换器能效指标值(EEI)的精度和可信性。

2.板式热交换器仅有设计工况或使用工况下总传热系数k和冷、热流体流动压降Δp_c、Δp_h的测试数据，但没有标准工况下总传热系数k和冷、热流体流动压降Δp_c、Δp_h的测试数据。

3.部分老旧板型的板式热交换器仅有总传热系数k的关联式和冷、热流体流动压降Δp_c、Δp_h的关联式，无设计工况或使用工况以及标准工况下包括温度、压力和流速等测试数据。

发明内容

本发明提出一种板式热交换器能效指标EEI的简化计算方法，用以解决现有技术热交换器能效指标在计算过程中计算繁琐，精度低和老旧热交换器的相关测量数据缺失而无法计算的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种板式热交换器能效指标EEI的简化计算方法，包括以下步骤：

S1：在所述板式热交换器内分别通入冷、热两种流体，测试包含标准工况或与标准工况在设定误差在内的多组工况下的换热量和压降值，并将其分别拟合为关于冷、热流体下的雷诺数和普朗特数的第一关联式以及雷诺数与压降数的第二关联式，分别获得冷、热流体下的第一关联式和第二关联式的拟合系数，其中冷流体的温度小于热流体的温度；

S2：将标准工况下的工况参数和物性参数代入能效指标EEI定义式，获得仅关于结构参数和拟合系数的能效指标EEI简化表达式；

S3：将热交换器的结构参数和所述拟合系数代入所述能效指标EEI简化表达式中，即可直接得到能效指标EEI值。

进一步地，所述S2步骤中，所述工况参数包括冷、热流体的温度、流速和压力梯度的权重系数，所述物性参数包括冷、热流体的密度、黏性系数和普朗特数。

进一步地，所述S3步骤中，所述热交换器的结构参数包括工质流动长度、水力直径、传热元件导热系数和传热元件壁厚，其中所述传热元件为分隔冷、热流体的换热板片。

进一步地，所述S1步骤中，冷、热流体的温度不变，流速变化，产生多组所述工况，分别测量所述换热量和所述压降值。

进一步地，所述S1步骤中，冷、热流体下所述第一关联式分别为：

冷、热流体下所述第二关联式分别为：

其中，Nu_h为热流体的努谢尔特数，Re_h为热流体的雷诺数，C_h、n_h为热流体下第一关联式的拟合系数，Pr_h为热流体的普朗特数，ρ_h为热流体密度，u_h为热流体流速，Nu_c为冷流体的努谢尔特数，Re_c为冷流体的雷诺数，C_c、n_c为冷流体下第一关联式的拟合系数，Pr_c为冷流体的普朗特数，ρ_c为冷流体密度，u_c为冷流体流速，Δp_h为热流体流动压降，a_h、b_h为热流体下第二关联式的拟合系数，Δp_c为冷流体流动压降，a_c、b_c为冷流体下第二关联式的拟合系数。

进一步地，所述S2步骤中，所述能效指标EEI定义式为：

其中，k为总传热系数，ω_h为热流体压力梯度的权重系数，Δp_h为热流体流动压降，l_h为热流体工质流动长度，ω_c为冷流体压力梯度的权重系数，Δp_c为冷流体流动压降，l_c为冷流体工质流动长度。

进一步地，所述总传热系数k的计算公式为：

其中，h_h为热流体的对流传热系数，hc为冷流体的对流传热系数，δ_p为传热元件壁厚，λ_p为传热元件的导热系数。

进一步地，所述S2步骤中，所述EEI简化表达式为：

进一步地，冷、热流体中雷诺数的计算公式分别为：

所述冷、热流体的对流传热系数的计算公式为：

其中，d_h为热流体水力直径，d_c为冷流体水力直径，λ_h为静止热流体的导热系数，μ_h为热流体的黏性系数，λ_c为静止冷流体的导热系数，μ_c为冷流体的黏性系数。

进一步地，所述冷、热流体中ω_h＝ω_c＝0.5，l_h＝l_c，d_h＝d_c，

其中，d_h为热流体水力直径，d_c为冷流体水力直径。

综上所述，将标准测试工况下的工况参数和以水为介质的物性参数代入能效指标EEI定义式，获得仅关于结构参数和拟合系数的能效指标EEI简化表达式，能够省略先后求解换热量Q、总传热系数k等中间过程。这种计算方法不仅大大简化了计算过程和繁琐程度，而且解决了偏离标准工况的精度问题和老旧板式热交换器的能效(EEI)计算问题。

附图说明

图1为本发明实施例中板式热交换器能效指标EEI的简化计算方法的流程图；

图2为本发明实施例中热交换器中冷、热流体与传热元件之间的结构示意图；

图2中，1-传热元件，2-冷流体，3-热流体。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种板式热交换器能效指标EEI的简化计算方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明的实施例提供一种板式热交换器能效指标EEI的简化计算方法，包括以下步骤：

S1：在所述板式热交换器内分别通入冷、热两种流体，测试包含标准工况或与标准工况在设定误差在内的多组工况下的换热量和压降值，并将其分别拟合为关于冷、热流体下的雷诺数和普朗特数的第一关联式以及雷诺数与压降数的第二关联式，分别获得冷、热流体下的第一关联式和第二关联式的拟合系数，其中冷流体的温度小于热流体的温度；

S2：将标准工况下的工况参数和物性参数代入能效指标EEI定义式，获得仅关于结构参数和拟合系数的能效指标EEI简化表达式；

S3：将热交换器的结构参数和所述拟合系数代入所述能效指标EEI简化表达式中，即可直接得到能效指标EEI值。

需要了解是，所述S1步骤中，所述工况参数包括冷、热流体的温度、流速和压力梯度的权重系数，所述物性参数包括冷、热流体的密度、黏性系数和普朗特数；所述S3步骤中，所述热交换器结构参数包括工质流动长度、水力直径、传热元件导热系数和传热元件壁厚，其中所述传热元件为分隔冷、热流体的换热板片。

参阅图2，其为本实施例的热交换器中冷、热流体与传热元件之间的结构示意图。冷流体2和热流体3被传热元件1分隔开来，通过传热元件1进行换热，较优地，冷流体2和热流体3的流动方向相反，加强其换热效果。在所述S2步骤中，为了获取在不同工况下，冷、热流体的多组换热量和压降值，测量过程中保持冷、热流体的温度不变，使冷、热流体的流速变化。

进一步地，所述S2步骤中，冷、热流体下所述第一关联式分别为：

冷、热流体下所述第二关联式分别为：

其中，Nu_h为热流体的努谢尔特数，Re_h为热流体的雷诺数，C_h、n_h为热流体传热系数拟合关系式系数，Pr_h为热流体的普朗特数，ρ_h为热流体密度，u_h为热流体流速，Nu_c为冷流体的努谢尔特数，Re_c为冷流体的雷诺数，C_c、n_c为冷流体传热系数拟合关系式系数，Pr_c为冷流体的普朗特数，ρ_c为冷流体密度，u_c为冷流体流速，Δp_h为热流体流动压降，a_h、b_h为热流体流动阻力拟合关系式系数，Δp_c为冷流体流动压降，a_c、b_c为冷流体流动阻力拟合关系式系数。

优选地，在所述S1步骤中，所述能效指标EEI定义式为：

其中，k为总传热系数，ω_h为热流体压力梯度的权重系数，Δp_h为热流体流动压降，l_h为热流体工质流动长度，ω_c为冷流体压力梯度的权重系数，Δp_c为冷流体流动压降，l_c为冷流体工质流动长度。

同时，所述总传热系数k的计算公式为：

其中，h_h为热流体的对流传热系数，h_c为冷流体的对流传热系数，δ_p为传热元件壁厚，λ_p为传热元件的导热系数。

当本实施例的板式热交换器在计算其能效指标时，冷、热流体均采用纯净水，具体的计算过程可以总结为下。

首先分别拟合出第一关联式和第二关联式：

第一关联式

第二关联式

接着，将标准工况下冷、热流体参数代入到雷诺数定义式中，其中，标准工况下，热流体的温度为50℃，冷流体的温度为30℃，冷流体、热流体板间流速为u_h＝u_c＝0.5m/s，热流体的粘性系数μ_h＝5.4654×10^-4Pa·s，冷流体的粘性系数μ_c＝7.9722×10^-4Pa·s：

然后，根据第一关联式、努塞尔特数定义式和雷诺数定义式，获取标准工况下冷、热流体的对流传热系数与水力直径之间的关系式，其中，标准工况下，热流体的普朗特数Pr_h＝3.54，静止热流体的导热系数λ_h＝0.648W/m*K，冷流体的普朗特数Pr_h＝5.42，静止冷流体的导热系数λ_c＝0.618W/m*K：

其中，d_h为热流体水力直径，d_c为冷流体水力直径，λ_h为静止热流体的导热系数，μ_h为热流体的黏性系数，λ_c为静止冷流体的导热系数，μ_c为冷流体的黏性系数。

接着，计算标准工况下总传热系数k：

之后，根据所述第二关联式和雷诺数定义式，获取标准工况下的冷、热流体的流动压降：

利用EEI简化表达式，获取能效指标EEI值：

由于，本实施例采用板式热交换器，热侧与冷侧结构相同，一般为逆流单流程，有ω_h＝ω_c＝0.5，l_h＝l_c，d_h＝d_c，因此可以得出EEI的关系式：

可以看出，EEI为热交换机的结构参数δ_p、λ_p、l_h、l_c、d_h、d_c和传热流动拟合系数C_h、C_c、a_h、b_h、a_c、b_c的函数。

例如对于某型号的板式热交换器，结构采用逆流单流程，其中ω_h＝ω_c＝0.5，l_h＝l_c＝1.237m，d_h＝d_c＝0.00055m，板片使用不锈钢，λ_p＝14.4W/(m·℃)，δ_p＝0.0005mm。

先将测试的传热量和流动阻力数据拟合成为关于雷诺数的幂函数关联式：

可以得出C_h＝0.2318，n_h＝0.7296，a_h＝1262.93，b_h＝1262.93，C_c＝0.2318，n_c＝0.7296，a_c＝35641.53，b_c＝-0.56，

将上述参数代入EEI的关系式，

按照TSG R0010-2019《热交换器能效测试与评价规则》、NB/T47004.1-2017《板式热交换器第1部分：可拆卸板式热交换器》，该型号板式热交换器的能效等级为一级。

由此可见，本发明消除了温度、压力、流速等工况参数和介质物性参数，并且省略了求解热交换器综合换热系数和热侧、冷侧压降等中间步骤与过程，得到仅关于结构参数δ_p、λ_p、l_h、l_c、d_h、d_c和传热流动拟合系数C_h、C_c、a_h、b_h、a_c、b_c的EEI计算表达式，简化了计算过程和繁琐程度，还解决了偏离标准工况的精度问题和老旧板式热交换器的能效(EEI)计算问题。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”或“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种板式热交换器能效指标EEI的简化计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在所述板式热交换器内分别通入冷、热两种流体，测试包含标准工况或与标准工况在设定误差在内的多组工况下的换热量和压降值，并将其分别拟合为关于冷、热流体下的雷诺数和普朗特数的第一关联式以及雷诺数与压降数的第二关联式，分别获得冷、热流体下的第一关联式和第二关联式的拟合系数，其中冷流体的温度小于热流体的温度；

冷、热流体下所述第一关联式分别为：

冷、热流体下所述第二关联式分别为：

其中，Nu_h为热流体的努谢尔特数，Re_h为热流体的雷诺数，C_h、n_h为热流体下第一关联式的拟合系数，Pr_h为热流体的普朗特数，ρ_h为热流体密度，u_h为热流体流速，Nu_c为冷流体的努谢尔特数，Re_c为冷流体的雷诺数，C_c、n_c为冷流体下第一关联式的拟合系数，Pr_c为冷流体的普朗特数，ρ_c为冷流体密度，u_c为冷流体流速，Δp_h为热流体流动压降，a_h、b_h为热流体下第二关联式的拟合系数，Δp_c为冷流体流动压降，a_c、b_c为冷流体下第二关联式的拟合系数；

S2：将标准工况下的工况参数和物性参数代入能效指标EEI定义式，获得仅关于结构参数和拟合系数的能效指标EEI简化表达式；

所述能效指标EEI定义式为：

其中，k为总传热系数，ω_h为热流体压力梯度的权重系数，Δp_h为热流体流动压降，l_h为热流体工质流动长度，ω_c为冷流体压力梯度的权重系数，Δp_c为冷流体流动压降，l_c为冷流体工质流动长度；

S3：将热交换器的结构参数和所述拟合系数代入所述能效指标EEI简化表达式中，即可直接得到能效指标EEI值。

2.如权利要求1所述的板式热交换器能效指标EEI的简化计算方法，其特征在于，所述S2步骤中，所述工况参数包括冷、热流体的温度、流速和压力梯度的权重系数，所述物性参数包括冷、热流体的密度、黏性系数和普朗特数。

3.如权利要求1所述的板式热交换器能效指标EEI的简化计算方法，其特征在于，所述S3步骤中，所述热交换器的结构参数包括工质流动长度、水力直径、传热元件导热系数和传热元件壁厚，其中所述传热元件为分隔冷、热流体的换热板片。

4.如权利要求1所述的板式热交换器能效指标EEI的简化计算方法，其特征在于，所述S1步骤中，冷、热流体的温度不变，流速变化，产生多组所述工况，分别测量所述换热量和所述压降值。

5.如权利要求1所述的板式热交换器能效指标EEI的简化计算方法，其特征在于，所述总传热系数k的计算公式为：

其中，h_h为热流体的对流传热系数，h_c为冷流体的对流传热系数，δ_p为传热元件壁厚，λ_p为传热元件的导热系数。

6.如权利要求5所述的板式热交换器能效指标EEI的简化计算方法，其特征在于，所述S2步骤中，所述EEI简化表达式为：

7.如权利要求6所述的板式热交换器能效指标EEI的简化计算方法，其特征在于，冷、热流体中雷诺数的计算公式分别为：

所述冷、热流体的对流传热系数的计算公式为：

其中，d_h为热流体水力直径，d_c为冷流体水力直径，λ_h为静止热流体的导热系数，μ_h为热流体的黏性系数，λ_c为静止冷流体的导热系数，μ_c为冷流体的黏性系数。

8.如权利要求1所述的板式热交换器能效指标EEI的简化计算方法，其特征在于，所述冷、热流体中ω_h＝ω_c＝0.5，l_h＝l_c，d_h＝d_c，

其中，d_h为热流体水力直径，d_c为冷流体水力直径。

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