周 玉，鄭 楠，趙明飛

(華北電力大學(xué)，河北 保定 071003)

管殼式換熱器設(shè)計(jì)程序開(kāi)發(fā)及變工況特性分析

周 玉，鄭 楠，趙明飛

(華北電力大學(xué)，河北 保定 071003)

為縮短換熱器設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，以管殼式換熱器為對(duì)象、Visual Basic 6.0為語(yǔ)言平臺(tái)、Visual Foxpro 6.0為底層數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了管殼式換熱器計(jì)算軟件。該軟件經(jīng)編譯后可在Windows操作系統(tǒng)下獨(dú)立運(yùn)行，具有計(jì)算準(zhǔn)確性高、操作簡(jiǎn)便、適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合具體工程實(shí)例進(jìn)行變工況分析，使管殼式熱交換器的設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)用價(jià)值。

管殼式熱交換器;設(shè)計(jì)程序;變工況特性

換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)不同溫度流體間的熱能傳遞，為化工生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)熱量交換和傳遞不可缺少的設(shè)備。其中管殼式換熱器因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐高溫等特點(diǎn)被廣泛采用。隨著節(jié)能技術(shù)的飛速發(fā)展，換熱器的種類越來(lái)越多，使得產(chǎn)品換代速度加快，同時(shí)，對(duì)其設(shè)計(jì)制造也提出了設(shè)計(jì)周期更短、結(jié)構(gòu)形式多樣等新的要求。因此，在設(shè)計(jì)熱交換器時(shí)，快速、準(zhǔn)確地掌握其設(shè)計(jì)原理尤顯重要［1］。

熱力計(jì)算是熱交換器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，但換熱器設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，需要進(jìn)行多次計(jì)算與調(diào)整才能得到最終結(jié)果，因此開(kāi)發(fā)相應(yīng)的設(shè)計(jì)軟件非常必要。本文用Visual Basic 6.0語(yǔ)言設(shè)計(jì)管殼式換熱器，并對(duì)其進(jìn)行變工況分析，使設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)化，縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量［2-3］。

1 管殼式換熱器設(shè)計(jì)方法

對(duì)于管殼式換熱器，其設(shè)計(jì)思路是通過(guò)估算傳熱面積，來(lái)計(jì)算熱交換器各部分工藝尺寸，然后通過(guò)熱力計(jì)算獲得傳熱系數(shù)和實(shí)際所需傳熱面積，在滿足面積裕度的情況下，進(jìn)行壓降 (阻力)校核，基本步驟如下。

a. 根據(jù)設(shè)計(jì)要求收集相關(guān)原始資料，選擇換熱器的類型及相關(guān)流程。

b. 確定定性溫度，查取物性參數(shù)。

c. 由下列熱平衡方程計(jì)算熱流量及冷流體或熱流體的流量:

式中:Q為換熱器的傳熱量，kJ/h;qm1、qm2分別為熱、冷流體質(zhì)量流量，kg/h;Cp1、Cp2分別為熱、冷流體介質(zhì)比熱容，kJ/(kg·℃);T1、T2為熱流體的進(jìn)、出口溫度，℃;T3、T4為冷流體的進(jìn)、出口溫度，℃。

d. 計(jì)算平均傳熱溫差。

對(duì)于純順流或純逆流:

式中:Δtm為平均溫差，℃;θ1、θ2分別為換熱器兩端流體溫差，℃。

在其它流動(dòng)的換熱器中:

式中:Δt'm為按純逆流計(jì)算的熱交換器平均溫差，℃;ψ為溫差修正系數(shù)，一般要求大于0.8。

e. 計(jì)算熱交換器的傳熱面積。

根據(jù)熱平衡方程得到的換熱量及計(jì)算出的平均溫差，選取傳熱系數(shù)，由傳熱方程可初步確定熱交換器的傳熱面積A:

式中:K0為計(jì)算傳熱系數(shù)，W/(m2·K)。

考慮到換熱計(jì)算公式的不定性因素、惡劣的運(yùn)行條件、結(jié)垢或泄漏造成堵塞等原因，要求換熱器傳熱面積為計(jì)算出傳熱面積的1.1～1.25倍。

f. 選擇殼體和管材。

g. 確定流動(dòng)方式，選定流體的流動(dòng)空間。

h. 計(jì)算換熱器的工藝尺寸。主要包括:選取換熱管尺寸和管程流體的流速;確定管程數(shù)、管長(zhǎng)、總管數(shù);確定殼程數(shù);確定折流板的數(shù)目、間距、尺寸;確定管子排列方式、管間距、殼體內(nèi)徑和連接管直徑;選擇其它附件等。

i. 校核傳熱面積。

根據(jù)管、殼程對(duì)流換熱系數(shù)及污垢熱阻、管壁熱阻等，按下式計(jì)算總傳熱系數(shù)K:

式中:di、d0、dm分別為換熱管內(nèi)徑、外徑、平均直徑，m;hi、h0分別為管內(nèi)、管外對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2·K);Ri、R0分別為管內(nèi)、管外污垢熱阻，(m2·K)/W;b為換熱管壁厚，m;λ為管壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K)。

j. 校核管、殼程阻力。在計(jì)算傳熱系數(shù)K與初選值K0吻合、傳熱面積滿足裕度要求的前提下，進(jìn)行殼、管程的壓降校核，以滿足工藝流程條件。

若上述條件均滿足，說(shuō)明整體設(shè)計(jì)合理，反之，需調(diào)整結(jié)構(gòu)尺寸，重新進(jìn)行計(jì)算，直至滿足設(shè)計(jì)要求［4］。

2 算法設(shè)計(jì)與軟件實(shí)現(xiàn)

2.1 算法設(shè)計(jì)

管殼式換熱器設(shè)計(jì)軟件由Microsoft Visual Foxpro數(shù)據(jù)庫(kù)和六大基本模塊組成，利用Visual Basic 6.0中的Datagrid控件與VFP數(shù)據(jù)庫(kù)建立聯(lián)系。在設(shè)計(jì)計(jì)算、作圖時(shí)，軟件從數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索獲得所需數(shù)據(jù)。

六大基本模塊分別為數(shù)據(jù)輸入模塊、工藝結(jié)構(gòu)計(jì)算模塊、傳熱面積校核模塊、壓降校核模塊、數(shù)據(jù)匯總及打印模塊、曲線出圖模塊。各模塊間的關(guān)系如圖1 所示［5-7］。

圖1 軟件結(jié)構(gòu)與模塊圖

根據(jù)換熱器的設(shè)計(jì)方法及步驟，先假設(shè)K0值，設(shè)計(jì)各部件尺寸，并進(jìn)行校核;若不符合要求，再次假設(shè)K0值，進(jìn)行計(jì)算，直到找到合適的K0值。對(duì)此，用Visual Basic 6.0編程進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，其算法設(shè)計(jì)程序如圖2所示。

圖2 軟件算法程序框圖

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)

軟件所需運(yùn)行環(huán)境:Windows XP或更高級(jí)版本操作系統(tǒng);Pentium 586以上處理器;16M(推薦64M)以上內(nèi)存;100M以上硬盤(pán);800×600以上像素。

運(yùn)行管殼式換熱器熱力計(jì)算軟件的主程序，進(jìn)入軟件啟動(dòng)界面，點(diǎn)擊“開(kāi)始”按鈕進(jìn)入主程序界面。

點(diǎn)擊主程序左上角“數(shù)據(jù)輸入”按鈕進(jìn)入如圖3所示的數(shù)據(jù)輸入模塊，輸入設(shè)計(jì)任務(wù)參數(shù)后，點(diǎn)擊“計(jì)算”按鈕，彈出假設(shè)K0值的對(duì)話框，輸入假定的K0值，然后按“確定”，可計(jì)算出估算傳熱面積A0。

圖3 數(shù)據(jù)輸入模塊界面圖

點(diǎn)擊下一步，進(jìn)入“工藝結(jié)構(gòu)計(jì)算”模塊，然后按“計(jì)算”按鈕，得到各工藝參數(shù)，點(diǎn)擊“校核”按鈕，軟件會(huì)自動(dòng)校核傳熱面積及壓降。若校核通過(guò)，則會(huì)提示設(shè)計(jì)通過(guò)并進(jìn)入“數(shù)據(jù)匯總及打印”窗口，同時(shí)調(diào)用打印程序，打印設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果;若校核不通過(guò)，則會(huì)返回工藝計(jì)算模塊，請(qǐng)用戶重新假設(shè)參數(shù)。

已知參數(shù)主要包括管程傳熱系數(shù)、殼程傳熱系數(shù)、傳熱面積和壓降，介質(zhì)參數(shù)主要包括管程流體普朗特?cái)?shù)、殼程流體普朗特?cái)?shù)、管內(nèi)熱阻、管外熱阻及管壁導(dǎo)熱率。參數(shù)輸入完畢后，軟件會(huì)計(jì)算出總傳熱系數(shù)并校核傳熱面積、壓降是否滿足設(shè)計(jì)要求，并輸出結(jié)果。

經(jīng)過(guò)以上步驟，當(dāng)所有參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求，在程序主界面上單擊“結(jié)果匯總及打印”，自動(dòng)生成計(jì)算結(jié)果報(bào)表，如圖4所示。單擊“打印”即可輸出設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)。

3 換熱器變工況特性計(jì)算分析

某工廠要求設(shè)計(jì)1臺(tái)熱交換器以回收工藝廢水的余熱，其基本設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示［8］。

圖4 數(shù)據(jù)匯總及打印模塊界面

表1 余熱回收管殼式換熱器基本設(shè)計(jì)參數(shù)

該熱交換器為固定管板式、水—水換熱設(shè)備，工藝廢水在管程內(nèi)流動(dòng)，市政供水在殼程內(nèi)流動(dòng)。通過(guò)設(shè)計(jì)傳熱方程和熱平衡方程的數(shù)學(xué)模型，可將影響換熱面積的主要因素寫(xiě)成函數(shù)表達(dá)式如下:

式中:K為換熱器的總傳熱系數(shù)，W/(m2·K);qm1、qm2分別為管、殼程流體的質(zhì)量流量，kg/h;cp1、cp2分別為管、殼程流體定壓比熱容分別為管程流體的進(jìn)、出口溫度，℃;t'2，t″2分別為殼程流體的進(jìn)、出口溫度，℃。

本文主要討論殼體出口溫度、傳熱系數(shù)、殼程流量、管程流量、管程入口溫度對(duì)換熱面積的影響。應(yīng)用管殼式換熱器熱力計(jì)算軟件作變工況計(jì)算，并作出特性曲線如下。

圖5提供了在不同的殼程出口溫度下，換熱面積隨傳熱系數(shù)呈反比變化規(guī)律，且殼程出口溫度越高，換熱面積增量越大。如在傳熱系數(shù)為1 050 W/(m2·K)時(shí)，殼程出口溫度由45℃增至50℃，對(duì)應(yīng)的換熱面積增大約1.9 m2;而殼程出口溫度由70℃增至75℃，對(duì)應(yīng)的換熱面積增大約5.02 m2。

由圖6可知，換熱面積與殼程出口溫度呈正比變化關(guān)系，且殼程出口溫度越高，變化越明顯。當(dāng)殼程出口溫度一定時(shí)，隨著殼程流量增多，所需的換熱面積也隨之增大。如在殼程流量為24 t/h時(shí)，殼程出口溫度由45℃增至50℃，對(duì)應(yīng)的換熱面積增大約4.0 m2;而殼程出口溫度由70℃增至75℃，對(duì)應(yīng)的換熱面積增大約9.0 m2。

圖7提供了在不同的殼程出口溫度下，換熱面積隨管程流量呈正比變化規(guī)律，且殼程出口溫度越高，對(duì)換熱面積的影響越明顯。如管程流量由27 t/h增至30 t/h時(shí)，殼程出口溫度為75℃對(duì)應(yīng)的換熱面積增大約6.9 m2，殼程出口溫度為45℃對(duì)應(yīng)的換熱面積增大約4.4 m2。

由圖8可知，傳熱系數(shù)隨換熱面積呈指數(shù)變化規(guī)律，且傳熱系數(shù)越大換熱面積越小。當(dāng)傳熱系數(shù)一定時(shí)，換熱面積隨著管程入口溫度的升高而減小。如在傳熱系數(shù)為900 W/(m2·K)時(shí)，管程入口溫度為90℃對(duì)應(yīng)的換熱面積為31.73 m2，管程入口溫度為115℃對(duì)應(yīng)的換熱面積為38.89 m2。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)例對(duì)換熱器設(shè)計(jì)程序進(jìn)行介紹和檢驗(yàn)，驗(yàn)證了程序的可靠性、準(zhǔn)確性。依據(jù)換熱器設(shè)計(jì)的變工況性能曲線，可以通過(guò)調(diào)整相應(yīng)參數(shù)來(lái)保證換熱器在不同殼體出口溫度下的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，為管殼式換熱器調(diào)控和優(yōu)化提供了理論依據(jù)。換熱器計(jì)算軟件的開(kāi)發(fā)，大大提高了管殼式換熱器的設(shè)計(jì)效率。

［1］ 楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué) ［M］.北京:高等教育出版社，2006.

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Design Procedure Development of Shell-and-tube Heat Exchanger and Characteristic Analysis of Variable Operating Conditions

ZHOU Yu，ZHENG Nan，ZHAO Ming-fei
(North China Electric Power University，Baoding，Hebei 071003，China)

To decrease design period of heat exchanger and improve quality，the design software for shell-and-tube heat exchanger is developed which uses shell-and-tube heat exchanger as research subjects，Visual Basic 6.0 as language platform and Visual Foxpro 6.0 as underlying database.The compiled software can run independently in Windows operating system which has advantages of high computational accuracy，simple operation，wide adaptability，and friendly interface.By analyzing variable conditions combined with specific examples of projects，the software has great practical value for the design of shell-and-tube heat exchanger.

Shell-and-tube heat exchanger;Design procedure;Characteristic of variable operating conditions

TK172

A

1004-7913(2015)08-0050-04

周 玉 (1986—)，男，碩士，講師，主要從事節(jié)能技術(shù)研究工作。

2015-04-28)