CN112100815B - 一种用于空压机进气预处理的表冷器系列化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于空压机进气预处理的表冷器系列化设计方法，具体包括：根据空压机产气量G，计算表冷器冷量Q：根据表冷器冷量Q，确定表冷器盘管参数；根据所述产气量G、表冷器盘管参数、空气参数及流体参数计算表冷器能达到的全热效率E′_g，并利用所需要的全热效率E_g对所述表冷器能达到的全热效率E′_g进行验证。在不改变设备原件的条件下，根据空压机型号的差异带来的产气量的变化，通过改变冷却设备的尺寸和规格，确保空气品质能满足空压机进气的温湿度及压力要求；能快速设计得到不同产气量空压机适用的表冷器，降低了设计和制造成本。

Description

一种用于空压机进气预处理的表冷器系列化设计方法

技术领域

本发明属于换热设备设计方法技术领域，涉及一种用于空压机进气预处理的表冷器系列化设计方法。

背景技术

空压机的气源来自于大气，作为一种动力源，它具有无毒无害，安全，可压缩，取用方便等特点。压缩空气被称为第四种公共事业，在现代化社会中发挥着重要作用。压缩空气占当今工业所用总能源的10％左右，空压机更是被广泛应用于纺织行业的空压***中，纺织企业中空压***的耗能占整体的30％以上。我国作为一个纺织大国，70％的纺织行业分布在我国的长三角，珠三角等地区，而珠三角地处我国高温高湿地区，全年高温高湿月份约占全年的二分之一。所以针对于高温高湿地区，降低空压机能耗，优化节能，对国家倡导的节能减产，促进能源的可持续发展具有重要的意义。

空气压缩机，是一种压缩气体的设备，是空压站的主要设备，为纺织厂各用气***输送高压气体，用来满足用户需求。空气是多种气体的混合物。空气中存在着水蒸气、油污，金属粉末，锈泥等各种固态物质。

空压机吸气温度较高，首先，容易给冷却***带来压力，影响冷却效果，造成产气温度无法达到理想值，导致空压机的高温。其次，空压机吸气温度高还会是空压机的压缩比下降，影响压缩空气的产气量，对用气端设备带来影响，也是对电能等动力能源的浪费。再次，空压机吸气温度高还容易影响到空压机油的使用寿命，增加空压机油更换的频率，造成额外的损失。在纺织厂空压站中，空气压缩***中压缩空气主要来源有两处，一是直接在空压站内取用空气进行压缩，二是取用空压站外的室外空气进行压缩。大部分的纺织厂只对引入空气进行了简单的过滤，除尘，和消音处理，并没有考虑到对引入空气进行温湿度的预处理，更未涉及针对空压机产气量的不同而设计预处理设备的方法，若空压机的预处理设备不合适，也会降低空压机的工作效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于空压机进气预处理的表冷器系列化设计方法，能提高空压机的工作效率。

本发明所采用的技术方案是，一种用于空压机进气预处理的表冷器系列化设计方法，具体包括以下步骤：

步骤1、根据空压机产气量G，计算表冷器冷量Q：

Q＝G_m·(h₁-h₂)

上式中，h₁为进风空气比焓，h₂为出风空气比焓，ρ_m为空气密度；

步骤2、根据表冷器冷量Q，确定表冷器盘管参数；

步骤3、根据所述产气量G、表冷器盘管参数、空气参数及流体参数计算表冷器能达到的全热效率E′_g，并利用所需要的全热效率E_g对所述表冷器能达到的全热效率E′_g进行验证。

本发明的特点还在于：

表冷器盘管参数包括：铜管外径d₀、铜管内径d_i、铜管壁厚δ、铜管孔距S₁、铜管排距S₂、翅片厚度δ_f、每英寸翅片片数N_f、波纹翅片的半波长X_f、波纹翅片的波高P_d、孔数N₁、排数N₂、铜管迎风面长度L₀、回路形式L_s、翅片根部直径d_b、翅片间距S_f、表冷器通流截面积f_w、每米管长铜管外翅片表面积f_f、每米管长总外表面积f₀、每米管长翅片间基管外表面积f_b。

步骤3的具体步骤为：

步骤3.1、计算表冷器换热面积F：

F＝a·N₂·F_y

上式中，a为肋通系数，F_y为表冷器迎风面积；

步骤3.2、计算表冷器的总换热系数K_s：

上式中，ξ为表冷器的析湿系数，τ为肋化系数，R＝S₁/2，r₀为铜管外半径，λ_铜为铜的导热系数，λ_铝为铝的导热系数，α_w为表冷器流体侧换热系数，α_a为表冷器空气侧换热系数；

步骤3.3、计算表冷器能达到的全热效率E′_g，所述表冷器能达到的全热效率E′_g与所需要的全热效率E_g的差值小于0.001，完成验证，表冷器能达到的全热效率E′_g和所需要的全热效率E_g的计算方法如下：

上式中，c_p为空气的定压比热容，t₁为表冷器的空气进口温度、t_w1为进水温度、t_w2为出水温度及t₂为空气出口温度。

步骤3.2中所述表冷器空气侧换热系数α_a的计算公式为：

α_a＝j·G_ρ·(1000c_p)·Pr^-2/3

v_max＝v_y/ε

上式中，Pr为空气状态参数，G_ρ为空气质量流速，ε为表冷器净面比。

步骤3.2中所述表冷器流体侧换热系数α_w的计算公式为：

上式中，ρ_w为管内流体密度，W为管内流体流量，c_w为流体的比热容，λ_w为流体导热系数。

本发明的有益效果是：

本发明的用于空压机进气预处理的表冷器系列化设计方法，通过在空压机前设置预处理的表冷器，能降低空压机进口空气温湿度且增大进气压力，使其空压机的吸气量增大，功耗明显减少，功率降低；在不改变设备原件的条件下，根据空压机型号的差异带来的产气量的变化，通过改变冷却设备的尺寸和规格，确保空气品质能满足空压机进气的温湿度及压力要求，进而提高空压机的工作效率；能快速设计得到不同产气量空压机适用的表冷器，降低了设计和制造成本。

附图说明

图1是本发明一种用于空压机进气预处理的表冷器系列化设计方法中预处理设备的结构示意图；

图2是本发明一种用于空压机进气预处理的表冷器系列化设计方法得到的表冷器的尺寸参数示意图。

图中，1.表冷器，2.过滤器，3.空压机，4.进风口风管，5.出口风管，6.软管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种用于空压机进气预处理的表冷器系列化设计方法，其中涉及到的对空压机进气预处理设备，如图1所示，包括表冷器1，所述表冷器1进气端通过进风口风管4连接有过滤器2，表冷器1出气端通过出口风管5连接空压机3，出口风管5与空压机3进气口通过进气软管6连接。

本发明一种用于空压机进气预处理的表冷器系列化设计方法，具体包括以下步骤：

步骤1、根据空压机产气量G，本实施例中空压机产气量G为130-160m³/min，即G＝9600m³/h，计算表冷器冷量Q：

Q＝G_m·(h₁-h₂)

上式中，h₁为进风空气比焓，h₂为出风空气比焓，ρ_q为空气密度；

本实施例中，Gm＝3.10kg/s，ρ_q＝1.161kg/m3，h₁＝107.19kJ/kg；h₂＝83.93kJ/kg；计算得到表冷器冷量Q＝72.02kW；

步骤2、根据表冷器冷量Q，确定表冷器盘管参数；

盘管参数包括：铜管外径d₀、铜管内径d_i、铜管壁厚δ、铜管孔距S₁、铜管排距S₂、翅片厚度δ_f、每英寸翅片片数N_f、波纹翅片的半波长X_f、波纹翅片的波高P_d、孔数N₁、排数N₂、铜管迎风面长度L₀、回路形式L_s、翅片根部直径d_b、翅片间距S_f、表冷器通流截面积f_w、每米管长铜管外翅片表面积f_f、每米管长总外表面积f₀、每米管长翅片间基管外表面积f_b；

本实施例中，如图2所示，选择的表冷器盘管参数如下：

d₀＝15.88mm，d_i＝14.96mm，δ＝0.46mm，S₁＝38mm，S₂＝33mm，δ_f＝0.115mm，N_f＝12片，X_f＝8.25mm，P_d＝2mm，N₁＝23个，N₂＝4排，L₀＝1200mm，L_s＝1回路，f_f＝0.99m²/m，f₀＝1.04m²/m，f_b＝0.048m²/m，f_w＝0.004m²，d_b＝16.11mm，S_f＝2.12mm；

步骤3、根据产气量G、表冷器盘管参数、空气参数及流体参数计算表冷器能达到的全热效率E′_g，利用所需要的全热效率E_g对表冷器能达到的全热效率E′_g进行验证，若两者差值小于0.001，则证明该表冷器能满足空压机的进气预处理要求。

步骤3.1、计算表冷器换热面积F：

F＝a·N₂·F_y

上式中，a为肋通系数，a＝27.37，F_y为表冷器迎风面积，计算可得F_y＝1.05m²，F＝114.83m²。

步骤3.2、计算表冷器的总换热系数K_s：

ξ为表冷器的析湿系数，ξ＝2.88，τ为肋化系数，τ＝22.13，φ₀为肋表面全效率，R＝S₁/2，，r₀为铜管外半径，λ_铜为铜的导热系数，λ_铜＝398W/(m·℃)，λ_铝为铝的导热系数，计算可得η_f为翅片效率，η_f＝0.418，m₂为翅片形状参数，m₂＝141.931，l_e为翅片当量高度，l_e＝0.017m；

计算表冷器空气侧换热系数α_a：

α_a＝j·G_ρ·(1000c_p)·Pr^-2/3

ν_max＝v_y/ε

上式中，c_p为空气的定压比热容，c_p＝1.005kJ/(kg·℃)，Pr为空气状态参数，Pr＝0.70，G_ρ为空气质量流速，G_ρ＝2.95kg/(m²·s)，ε为表冷器净面比，ε＝0.54，计算可得，Re_q为最小空气流通单元处的空气雷诺数，Re_q＝1069.98，v_max为最小空气流通单元的风速，ν_max＝4.67m/s，d_e为最小空气流通单元的当量直径，d_e＝00037m，v_y为表冷器迎面风速，v_y＝2.54m/s，j翅片传热因子，j＝0.022；

计算表冷器流体侧换热系数α_w：

上式中，ρ_w为管内流体密度，ρ_w＝998.01kg/m³，W为管内流体流量，W＝206.75L/min，c_w为流体的比热容，c_w＝4.18kJ/(kg·℃)，λ_w为流体导热系数，λ_w＝0.60W/(m·℃)，ψ为物性系数，ψ＝1833.48，计算可得，v_w为管内流体流速，v_w＝0.85m/s，α_w＝3745.14W/(m²·℃)；

步骤3.3、计算表冷器能达到的全热效率E′_g，所述表冷器能达到的全热效率E′_g与所需要的全热效率E_g的差值小于0.001，表冷器能达到的全热效率E′_g和所需要的全热效率E_g的计算方法如下：

上式中，t₁为表冷器的空气进口温度、t_w1为进水温度、t_w2为出水温度及t₂为空气出口温度，计算可得，β为传热单元数，β＝0.83，γ为水当量比，γ＝0.62，E′_g＝0.4742，E_g＝0.4735，两者相差小于0.001，则本实施例的表冷器符合进气量G＝9600m³/h空压机的要求。

本发明还对表冷器的确定表冷器的空气侧压降Δp_a和流体侧压降Δp_w进行计算，根据空气侧压降Δp_a和流体侧压降Δp_w选择对应规格的水泵，以克服流体在管道中的阻力，其计算方法如下：

Δp_a＝Δp_a1+Δp_a2；

上式中，μ₁为空气流经翅片时的摩擦系数，μ₁＝0.064；μ₂为空气流经管簇时的局部阻力系数，μ₂＝5.315；Δp_a1为空气流经翅片摩擦造成的压降，Δp_a1＝29.126Pa；Δp_a2为空气流经管簇时的局部压降，Δp_a2＝67.217Pa；Δp_a为表冷器的空气侧压降，Δp_a＝96.34Pa；b为表冷器沿气流方向长度，b＝132mm；

表冷器流体侧压降Δp_w：

Re_w为管内侧流体雷诺数，Re_w＝12827.53；λ_f为流体侧沿程阻力系数，λ_f＝0.030；z为弯头数目，取z＝46；λ_m1为弯头局部阻力系数，取λ_m1＝0.5；λ_m2为弯头摩擦阻力系数，λ_m2＝0.120；d_i为铜管内径，d_i＝14.96mm；Δp_wf为流体侧沿程阻力造成的压降，Δp_wf＝3471.82Pa；Δp_wm为体侧局部阻力造成的压降，Δp_wm＝15554.52Pa；表冷器流体侧压降Δp_w＝19.03kPa。

根据上述方法，本发明还针对空压机不同产气量的表冷器进行了设计，具体参数如下：

通过以上方式，本发明的用于空压机进气预处理的表冷器系列化设计方法，通过在空压机前设置预处理的表冷器，能降低空压机进口空气温湿度且增大进气压力，使其空压机的吸气量增大，功耗明显减少，功率降低；在不改变设备原件的条件下，根据空压机型号的差异带来的产气量的变化，通过改变冷却设备的尺寸、规格，确保空气品质能满足空压机进气的温湿度及压力要求；能快速设计得到不同产气量空压机适用的表冷器，降低了设计和制造成本。

Claims (2)

1.一种用于空压机进气预处理的表冷器系列化设计方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1、根据空压机产气量G，计算表冷器冷量Q：

Q＝G_m·(h₁-h₂)

上式中，h₁为进风空气比焓，h₂为出风空气比焓，ρ_m为空气密度；

步骤2、根据表冷器冷量Q，确定表冷器盘管参数；

步骤3、根据所述产气量G、表冷器盘管参数、空气参数及流体参数计算表冷器能达到的全热效率E′_g，并利用所需要的全热效率E_g对所述表冷器能达到的全热效率E′_g进行验证；

步骤3的具体步骤为：

步骤3.1、计算表冷器换热面积F：

F＝a·N₂·F_y

上式中，a为肋通系数，F_y为表冷器迎风面积；

步骤3.2、计算表冷器的总换热系数K_s：

上式中，ξ为表冷器的析湿系数，τ为肋化系数，R＝S₁/2，r₀为铜管外半径，λ_铜为铜的导热系数，λ_铝为铝的导热系数，α_w为表冷器流体侧换热系数，α_a为表冷器空气侧换热系数；

步骤3.3、计算表冷器能达到的全热效率E′_g，所述表冷器能达到的全热效率E′_g与所需要的全热效率E_g的差值小于0.001，完成验证，表冷器能达到的全热效率E′_g和所需要的全热效率E_g的计算方法如下：

上式中，c_p为空气的定压比热容，t₁为表冷器的空气进口温度、t_w1为进水温度、t_w2为出水温度及t₂为空气出口温度；

步骤3.2中所述表冷器空气侧换热系数α_a的计算公式为：

α_a＝j·G_ρ·(1000c_p)·Pr^-2/3

v_max＝v_y/ε

上式中，Pr为空气状态参数，G_ρ为空气质量流速，ε为表冷器净面比；

所述表冷器盘管参数包括：铜管外径d₀、铜管内径d_i、铜管壁厚δ、铜管孔距S₁、铜管排距S₂、翅片厚度δ_f、每英寸翅片片数N_f、波纹翅片的半波长X_f、波纹翅片的波高P_d、孔数N₁、排数N₂、铜管迎风面长度L₀、回路形式L_s、翅片根部直径d_b、翅片间距S_f、表冷器通流截面积f_w、每米管长铜管外翅片表面积f_f、每米管长总外表面积f₀、每米管长翅片间基管外表面积f_b。

2.根据权利要求1所述的一种用于空压机进气预处理的表冷器系列化设计方法，其特征在于，步骤3.2中所述表冷器流体侧换热系数α_w的计算公式为：

上式中，ρ_w为管内流体密度，W为管内流体流量，c_w为流体的比热容，λ_w为流体导热系数。