一种实时监测板式换热器污垢系数的系统及方法与流程

本发明涉及一种实时监测污垢系数的系统及方法，尤其是涉及一种实时监测板式换热器污垢系数的系统及方法。

背景技术：

目前大型能源中心项目较多，能源中心与各独立单体之间都采用板式换热器隔开，已区分各自的功能区域及保护能源中心的核心设备，采用板式换热器后的确提高了换热效率，但由于板式换热器的结构上，通道较小一般在3mm左右，长时间使用后容易结垢堵塞，容易造成板式换热器的换热效率及效果降低，增加了能源的消耗，也降低了空调的舒适性；而且能源中心的板式换热器一般规格都较大，拆装均较为麻烦，一般不轻易拆装。如何及时发现板式换热器的结垢堵塞通知专业人员对板式换热器进行清洗，是目前市场的一个迫切需求。

其中，污垢系数是对板式换热器是否结垢堵塞以及堵塞程度判断的重要数据之一，现有的板式换热器设备中，不能准确获取污垢系数，也就难以对结构堵塞进行判断，只能通过拆卸板式换热器直接查看有无结垢，这就导致人工成本增大，反复拆卸也会造成设备损耗。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种实时监测板式换热器污垢系数的系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种实时监测板式换热器污垢系数的系统，所述的板式换热器包括冷侧进口、冷侧出口、热侧进口和热侧出口，所述的系统包括传感器组件、用于根据传感器获取的数据计算污垢系数的处理器、用于储存、传输处理器数据的服务器和用于提示板式换热器需要进行污垢清洗的报警器，所述的传感器组件包括用于检测冷侧进口温度、质量流速及压力的第一传感器组件、用于检测冷侧出口温度及压力的第二传感器组件、用于检测热侧进口温度、质量流速及压力的第三传感器组件和用于检测换热器热侧出口温度及压力的第四传感器组件，所述的第一传感器组件设于冷侧进口的管道内，所述的第二传感器组件设于冷侧出口的管道内，所述的第三传感器组件设于热侧进口的管道内，所述的第四传感器组件设于热侧出口的管道内，所述的第一传感器组件、第二传感器组件、第三传感器组件和第四传感器组件与所述的处理器连接，所述的处理器和报警器与服务器连接，所述的系统还包括储存有根据水的温度获取水的密度、黏度、普朗特数、导热系数和比热容的表格的储存器，所述的储存器与处理器连接。使用时，当所述的处理器判断板式换热器的污垢系数过高时，所述的处理器通过服务器控制报警器报警。

优选地，所述的第一传感器组件包括用于测量冷侧进口温度的第一温度传感器、用于测量冷侧进口质量流速的第一流量传感器和用于测量冷侧进口压力的第一压力传感器，所述的第二传感器组件包括用于测量冷侧出口温度的第二温度传感器和用于测量冷侧出口压力的第二压力传感器，所述的第三传感器组件包括用于测量热侧进口温度的第三温度传感器、用于测量热侧进口质量流速的第二流量传感器和用于测量热侧进口压力的第三压力传感器，所述的第四传感器组件包括用于测量热侧出口温度的第四温度传感器和用于测量热侧出口压力的第四压力传感器。

优选地，所述的第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和第四温度传感器均为插入式温度传感器。所述的插入式温度传感器能够更好的进行更换和维护。

优选地，所述的第一流量传感器和第二流量传感器均为法兰式超声波流量传感器。

优选地，所述的第一传感器组件、第二传感器组件、第三传感器组件和第四传感器组件均为无线传感器组件，所述的系统还包括无线连接器，所述的第一传感器组件、第二传感器组件、第三传感器组件和第四传感器组件与无线连接器连接，所述的无线连接器与处理器连接。使用时，所述的传感器组件均通过无线传输的方式将数据通过无线连接器传输给处理器。

优选地，所述的冷侧进口、冷侧出口、热侧进口、热侧出口的管道内均设有碟阀，所述的碟阀为电动蝶阀，所述的碟阀与处理器连接。

优选地，所述的系统还包括用于提示板式换热器需要进行污垢清洗的智能手机，所述的服务器的输出端与智能手机的输入端连接。

一种实时监测板式换热器污垢系数的方法，所述的方法包括：

s1：获取板式换热器的热侧板片数、冷侧板片数、板片厚度、单通道截面积、特征长度、设定热侧压差和设定冷侧压差，储存在储存器中；

s2：传感器组件获取冷侧进口温度、冷侧出口温度、热侧进口温度、热侧出口温度、冷侧进口压力、冷侧出口压力、热侧进口压力、热侧出口压力、热侧质量流速和冷侧质量流速，储存在储存器中；

s3：处理器根据冷侧进口温度和冷侧出口温度得到冷侧平均温度，储存在储存器中，根据热侧进口温度和热侧出口温度得到热侧平均温度，储存在储存器中；

s4：处理器根据冷侧进口压力和冷侧出口压力得到冷侧压差，根据冷侧压差和设定冷侧压差获取冷侧压差比，根据热侧进口压力和热侧出口压力得到热侧压差，根据热侧压差和设定热侧压差获取热侧压差比，判断冷侧压差比或热侧压差比是否大于设定压差比，若是进入s3，否则返回s1；

s5：处理器根据热侧平均温度从储存器中获取热侧密度，根据热侧密度、热侧质量流速、热侧板片数和单通道截面积得到热侧流速，处理器根据冷侧平均从储存器中获取冷侧密度，根据冷侧密度、冷侧质量流速、冷侧板片数和单通道截面积得到冷侧流速；

s6：处理器根据热侧平均温度从储存器中获取热侧粘度，根据热侧粘度、特征长度和热侧流速得到热侧雷诺数，处理器根据冷侧平均温度从储存器中获取冷侧粘度，根据冷侧粘度、特征长度和冷侧流速得到冷侧雷诺数；

s7：处理器根据热侧平均温度从储存器中获取热侧普朗特数，根据热侧雷诺数和热侧普朗特数得到热侧努塞尔数，处理器根据冷侧平均温度从储存器中获取冷侧普朗特数，根据冷侧雷诺数和冷侧普朗特数得到冷侧努塞尔数；

s8：处理器根据热侧平均温度从储存器中获取热侧导热系数，根据热侧导热系数、特征长度和热侧努塞尔数得到热侧换热系数，处理器根据冷侧平均温度从储存器中获取冷侧导热系数，根据冷侧导热系数、特征长度和冷侧努塞尔数得到冷侧换热系数；

s9：根据冷侧进口温度、冷侧出口温度、热侧进口温度、热侧出口温度得到对数温差；

s10：根据冷侧进口温度和冷侧出口温度得到换热温差，根据冷侧质量流量得到流体流量，根据冷侧进口温度得到冷侧比热容，根据换热温差、流体流量和冷侧比热容得到换热量；

s11：根据换热量、换热面积、换热量获取传热系数；

s12：根据传热系数、热侧换热系数、冷侧换热系数、板片厚度和换热器传热热阻获取污垢系数，判断污垢系数是否大于设定值，如果污垢系数大于设定值，处理器控制报警器报警，否则返回步骤s1。

所述的步骤s3中，冷侧平均温度的公式为：

热侧平均温度的公式为：

其中，th为热侧平均温度，th为冷侧平均温度，t1为热侧进口温度，t2为热侧出口温度，t1为冷侧入口温度，t2为冷侧出口温度，

所述的步骤s5中热侧流速的公式为：

其中，uh为热侧流速，ωh为热侧质量流速，ρh为热侧密度，nh为热侧板片数，f为单通道截面积，

冷侧流速的公式为：

其中，uh为冷侧流速，ωh冷侧质量流速，ρh冷侧水密度，nh冷侧板片数，

所述的步骤s6中热侧雷诺数的公式为：

其中，reh为热侧雷诺数，νh为热侧粘度，l为特征长度，

冷侧雷诺数的公式为：

其中，reh为冷侧雷诺数，uh为冷侧流速，νh为冷侧粘度，

所述的步骤s7中热侧努塞尔数的公式为：

其中，nuh为热侧努塞尔数，prh为热侧普朗特数，

冷侧努塞尔数的公式为：

其中，prh为冷侧普朗特数，

所述的s8中，热侧换热系数的公式为：

其中，h为热侧换热系数，λh热侧导热系数，

其中，h为冷侧换热系数，λh冷侧导热系数，

所述的s9中，对数温差的公式为：

t1-t2＝t2-t1

其中，δtm为对数温差，

所述的s10中，换热量的公式为：

q＝cmδt，

其中，q为换热量，c为比热容，m为流体流量，δt为换热温差，

所述的s11中，传热系数的公式为：

其中，k为传热系数，a为换热面积，

所述的s12中，污垢系数的公式为，

其中，δ为板片厚度，λ0为换热器传热热阻，r污垢系数。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明的一种实时监测板式换热器污垢系数的系统能够有效监测板式换热器内的温度、压力、流量等数据，并根据这些数据获取板式换热器的污垢系数，判断板式换热器是否需要清洗，保证设备的安全正常运行，并且确保板式换热器在污垢达到一定程度后才进行清洗，避免人力、财力的浪费；

(2)本发明的一种实时监测板式换热器污垢系数的系统利用无线传感器及无线连接器获取板式换热器内的温度、压力和质量流量，减少有线设备对现场线缆复杂程度的影响，降低维修难度，提高设备现场的安全性；

(3)本发明的一种实时监测板式换热器污垢系数的系统采用插入式温度传感器，能够更好的进行更换和维护；

(4)本发明的一种实时监测板式换热器污垢系数的系统利用处理器通过服务器控制报警器和移动手机进行污垢系数过高报警，能够更好的确保系统的安全性；

(5)本发明的一种实时监测板式换热器污垢系数的方法能够根据板式换热器的温度、压力和质量流量数据获取板式换热器的污垢系数，并及时报警，避免板式换热器结垢对设备安全和能效的影响，避免频繁清洗造成人力、财力的浪费；

(6)本发明的一种实时监测板式换热器污垢系数的方法利用热侧压差比、冷侧压差比进行污垢系数初判断，利用板式换热器的温度、压力和质量流量数据确认板式换热器的污垢系数，双层保护和判断，确保系统的的准确性和安全性。

附图说明

图1为本发明一种实时监测板式换热器污垢系数的系统的结构示意图；

图2为本发明一种实时监测板式换热器污垢系数的方法的流程图。

其中，1、冷侧进口，2、冷侧出口，3、热侧进口，4、热侧出口，5、第一温度传感器，6、第一流量传感器，7、第一压力传感器，8、第二温度传感器，9、第二压力传感器，10、第三压力传感器，11、第二流量传感器，12、第三温度传感器，13、第四压力传感器，14、第四温度传感器，15、处理器，16、服务器，17、报警器，18、智能手机，19、蝶阀，20、板式换热器，21、储存器，22、无线连接器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。

实施例

一种实时监测板式换热器污垢系数的系统，板式换热器20包括冷侧进口1、冷侧出口2、热侧进口3和热侧出口4，冷侧进口1、冷侧出口2、热侧进口3、热侧出口4的管道内均设有碟阀19，碟阀19为电动蝶阀，碟阀19与处理器15连接，系统还包括第一传感器组件、第二传感器组件、第三传感器组件、第四传感器组件、处理器15、服务器16、报警器17、智能手机和储存器21，第一传感器组件、第二传感器组件、第三传感器组件、第四传感器组件、服务器16和储存器21分别与处理器连接，服务器16的输出端与报警器17及智能手机18的输入端连接。

其中，第一传感器组件设于冷侧进口1的管道内，第一传感器组件包括用于测量冷侧进口1温度的第一温度传感器5、用于测量冷侧进口1质量流速的第一流量传感器6和用于测量冷侧进口1压力的第一压力传感器7，第二传感器组件设于冷侧出口2的管道内，第二传感器组件包括用于测量冷侧出口2温度的第二温度传感器8和用于测量冷侧出口2压力的第二压力传感器9，第三传感器组件设于热侧进口3的管道内，第三传感器组件包括用于测量热侧进口3温度的第三温度传感器12、用于测量热侧进口3质量流速的第二流量传感器11和用于测量热侧进口3压力的第三压力传感器10，第四传感器组件设于热侧出口4的管道内，第四传感器组件包括用于测量热侧出口4温度的第四温度传感器14和用于测量热侧出口4压力的第四压力传感器13。

具体地，第一温度传感器5、第二温度传感器8、第三温度传感器12和第四温度传感器14均为插入式温度传感器，第一流量传感器6和第二流量传感器11均为法兰式超声波流量传感器，第一温度传感器5、第二温度传感器8、第三温度传感器12、第四温度传感器14、第一压力传感器7、第二压力传感器9、第三压力传感器10、第四压力传感器13、第一流量传感器6和第二流量传感器11均为无线传感器，系统还包括无线连接器，第一温度传感器5、第二温度传感器8、第三温度传感器12、第四温度传感器14、第一压力传感器7、第二压力传感器9、第三压力传感器10、第四压力传感器13、第一流量传感器6和第二流量传感器11与无线连接器连接，无线连接器与处理器15连接。

处理器15用于根据传感器获取的数据计算污垢系数，服务器16用于储存、传输处理器15数据，报警器17用于提示板式换热器20需要进行污垢清洗，储存器21用于储存根据水的温度获取水的密度、黏度、普朗特数、导热系数和比热容的表格。

一种实时监测板式换热器污垢系数的方法，该方法包括：

s1：获取板式换热器的热侧板片数、冷侧板片数、板片厚度、单通道截面积、特征长度、设定热侧压差和设定冷侧压差，储存在储存器21中；

s2：传感器组件获取冷侧进口1温度、冷侧出口2温度、热侧进口3温度、热侧出口4温度、冷侧进口1压力、冷侧出口2压力、热侧进口3压力、热侧出口4压力、热侧质量流速和冷侧质量流速，储存在储存器21中；

s3：处理器15根据冷侧进口1温度和冷侧出口2温度得到冷侧平均温度，储存在储存器21中，根据热侧进口3温度和热侧出口4温度得到热侧平均温度，储存在储存器21中，具体地本实施例中，冷侧平均温度的公式为：

热侧平均温度的公式为：

其中，th为热侧平均温度，th为冷侧平均温度，t1为热侧进口3温度，t2为热侧出口4温度，t1为冷侧入口温度，t2为冷侧出口2温度；

s4：处理器15根据冷侧进口1压力和冷侧出口2压力得到冷侧压差，根据冷侧压差和设定冷侧压差获取冷侧压差比，根据热侧进口3压力和热侧出口4压力得到热侧压差，根据热侧压差和设定热侧压差获取热侧压差比，判断冷侧压差比或热侧压差比是否大于设定压差比，若是进入s3，否则返回s1；

步骤s4利用热侧压差比和冷侧压差比对污垢系数进行初判断，如果冷侧压差或者热侧压差过大，则板式换热器20可能结垢，然后再进行后续具体结垢系数的计算。

s5：处理器15根据热侧平均温度从储存器21中获取热侧密度，根据热侧密度、热侧质量流速、热侧板片数和单通道截面积得到热侧流速，处理器15根据冷侧平均从储存器21中获取冷侧密度，根据冷侧密度、冷侧质量流速、冷侧板片数和单通道截面积得到冷侧流速，具体地本实施例中，热侧流速的公式为：

其中，uh为热侧流速，ωh为热侧质量流速，ρh为热侧密度，nh为热侧板片数，f为单通道截面积，

冷侧流速的公式为：

其中，uh为冷侧流速，ωh冷侧质量流速，ρh冷侧水密度，nh冷侧板片数；

s6：处理器15根据热侧平均温度从储存器21中获取热侧粘度，根据热侧粘度、特征长度和热侧流速得到热侧雷诺数，处理器15根据冷侧平均温度从储存器21中获取冷侧粘度，根据冷侧粘度、特征长度和冷侧流速得到冷侧雷诺数，具体地本实施例中，热侧雷诺数的公式为：

其中，reh为热侧雷诺数，νh为热侧粘度，l为特征长度，

冷侧雷诺数的公式为：

其中，reh为冷侧雷诺数，uh为冷侧流速，νh为冷侧粘度；

s7：处理器15根据热侧平均温度从储存器21中获取热侧普朗特数，根据热侧雷诺数和热侧普朗特数得到热侧努塞尔数，处理器15根据冷侧平均温度从储存器21中获取冷侧普朗特数，根据冷侧雷诺数和冷侧普朗特数得到冷侧努塞尔数，具体地本实施例中，热侧努塞尔数的公式为：

其中，nuh为热侧努塞尔数，prh为热侧普朗特数，

冷侧努塞尔数的公式为：

其中，prh为冷侧普朗特数；

s8：处理器15根据热侧平均温度从储存器21中获取热侧导热系数，根据热侧导热系数、特征长度和热侧努塞尔数得到热侧换热系数，处理器15根据冷侧平均温度从储存器21中获取冷侧导热系数，根据冷侧导热系数、特征长度和冷侧努塞尔数得到冷侧换热系数，具体地本实施例中，热侧换热系数的公式为：

其中，h为热侧换热系数，λh热侧导热系数，

其中，h为冷侧换热系数，λh冷侧导热系数；

s9：根据冷侧进口1温度、冷侧出口2温度、热侧进口3温度、热侧出口4温度得到对数温差，具体地本实施例中，对数温差的公式为：

t1-t2＝t2-t1

其中，δtm为对数温差；

s10：根据冷侧进口1温度和冷侧出口2温度得到换热温差，根据冷侧质量流量得到流体流量，根据冷侧进口1温度得到冷侧比热容，根据换热温差、流体流量和冷侧比热容得到换热量，换热量的公式为：

q＝cmδt，

其中，q为换热量，c为比热容，m为流体流量，δt为换热温差，；

s11：根据换热量、换热面积、换热量获取传热系数，具体地本实施例中，传热系数的公式为：

其中，k为传热系数，a为换热面积；

s12：根据传热系数、热侧换热系数、冷侧换热系数、板片厚度和换热器传热热阻获取污垢系数，判断污垢系数是否大于设定值，如果污垢系数大于设定值，处理器15控制报警器报警，否则返回步骤s1，具体地本实施例中，将数据代入传热系数的公式求出污垢系数：

其中，δ为板片厚度，λ0为换热器传热热阻，r污垢系数。

上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。