供热系统水—水板式换热器建模与热力特性研究

【摘要】：板式换热器作为一种高效的换热设备,由于其结构紧凑、传热效率高、传热面组合灵活以及装拆清洗方便等优点,广泛的运用在集中供热系统中。作为供热系统中热能转换的关键设备,换热器的运行状态往往处于非稳定工况。对板式换热器的动态特性进行研究分析,认清板式换热器在变工况下的热力特性与变化规律,对换热器的运行控制乃至热网的运行调节有着十分重要的意义。本文从板式换热器传热机理出发,根据能量守恒原理,针对板式换热器无相变动态热过程,建立了换热器分布参数动态数学模型。数学模型主要特点是考虑了换热流体在流道中的热扩散,忽略了金属板片轴向的热扩散。其次引入流量在流道中分配不均匀参数β2,考虑端口到流道内的流量分配不均对换热器的动态性能影响。同时分别针对U型、Z型两种流型板式换热器,计算流体流入、流出各流道相位滞后。采用有限差分方法,通过隐式差分格式将非线性的动态微分方程转化为代数方程组进行编程求解。在入口流量、入口温度以及两者不同组合形式的扰动下,详细分析了两种形式板式换热器的动态热力特性。并通过稳态计算验证了动态过程达到稳态后的温度值,通过与公开发表文章中的动态实验数据对比,在一次侧入口温度阶跃时,出口温度响应曲线吻合良好。对板式换热器在冷态启动和稳态条件多模式的扰动下出口温度的动态响应研究,有助于预测板式换热器在非稳定工况条件下的的动态性能。此外,为了工程实际应用以及服务于整个集中供热管网的仿真,建立了板式换热器的两种集总参数动态模型(两质点与三质点的热容集总参数模型),三质点模型在两质点模型基础上考虑了换热器板片金属热容。分析对比了集总参数模型与分布式参数模型在相同的扰动下的热响应曲线,并计算了两种集总参数模型分别与U型、Z型计算结果的误差大小,为集总参数模型的应用提供了理论基础。计算结果表明,冷态启动过程中,三质点集总参数模型要优于两质点集总参数模型模;稳态时多模式扰动下,两个集总参数模型误差均在4%以内,集总参数模型能够很好地描述板式换热器的动态变化过程。