管殼式換熱器設計程序開發及變工況特性分析

周 玉，鄭 楠，趙明飛

(華北電力大學，河北 保定 071003)

管殼式換熱器設計程序開發及變工況特性分析

周 玉，鄭 楠，趙明飛

(華北電力大學，河北 保定 071003)

為縮短換熱器設計周期、提高設計質量，以管殼式換熱器為對象、Visual Basic 6.0為語言平臺、Visual Foxpro 6.0為底層數據庫，設計開發了管殼式換熱器計算軟件。該軟件經編譯后可在Windows操作系統下獨立運行，具有計算準確性高、操作簡便、適應性廣等優點。結合具體工程實例進行變工況分析，使管殼式熱交換器的設計具有一定的實用價值。

管殼式熱交換器;設計程序;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備，以實現不同溫度流體間的熱能傳遞，為化工生產過程中實現熱量交換和傳遞不可缺少的設備。其中管殼式換熱器因結構簡單、耐高溫等特點被廣泛采用。隨著節能技術的飛速發展，換熱器的種類越來越多，使得產品換代速度加快，同時，對其設計制造也提出了設計周期更短、結構形式多樣等新的要求。因此，在設計熱交換器時，快速、準確地掌握其設計原理尤顯重要［1］。

熱力計算是熱交換器設計的基礎，但換熱器設計比較復雜，需要進行多次計算與調整才能得到最終結果，因此開發相應的設計軟件非常必要。本文用Visual Basic 6.0語言設計管殼式換熱器，并對其進行變工況分析，使設計過程簡化，縮短了設計周期，提高了設計質量［2-3］。

1 管殼式換熱器設計方法

對于管殼式換熱器，其設計思路是通過估算傳熱面積，來計算熱交換器各部分工藝尺寸，然后通過熱力計算獲得傳熱系數和實際所需傳熱面積，在滿足面積裕度的情況下，進行壓降 (阻力)校核，基本步驟如下。

a. 根據設計要求收集相關原始資料，選擇換熱器的類型及相關流程。

b. 確定定性溫度，查取物性參數。

c. 由下列熱平衡方程計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、冷流體質量流量，kg/h;Cp1、Cp2分別為熱、冷流體介質比熱容，kJ/(kg·℃);T1、T2為熱流體的進、出口溫度，℃;T3、T4為冷流體的進、出口溫度，℃。

d. 計算平均傳熱溫差。

對于純順流或純逆流:

式中:Δtm為平均溫差，℃;θ1、θ2分別為換熱器兩端流體溫差，℃。

在其它流動的換熱器中:

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

e. 計算熱交換器的傳熱面積。

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

式中:K0為計算傳熱系數，W/(m2·K)。

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

f. 選擇殼體和管材。

g. 確定流動方式，選定流體的流動空間。

h. 計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、管長、總管數;確定殼程數;確定折流板的數目、間距、尺寸;確定管子排列方式、管間距、殼體內徑和連接管直徑;選擇其它附件等。

i. 校核傳熱面積。

根據管、殼程對流換熱系數及污垢熱阻、管壁熱阻等，按下式計算總傳熱系數K:

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

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

若上述條件均滿足，說明整體設計合理，反之，需調整結構尺寸，重新進行計算，直至滿足設計要求［4］。

2 算法設計與軟件實現

2.1 算法設計

管殼式換熱器設計軟件由Microsoft Visual Foxpro數據庫和六大基本模塊組成，利用Visual Basic 6.0中的Datagrid控件與VFP數據庫建立聯系。在設計計算、作圖時，軟件從數據庫中檢索獲得所需數據。

六大基本模塊分別為數據輸入模塊、工藝結構計算模塊、傳熱面積校核模塊、壓降校核模塊、數據匯總及打印模塊、曲線出圖模塊。各模塊間的關系如圖1 所示［5-7］。

圖1 軟件結構與模塊圖

根據換熱器的設計方法及步驟，先假設K0值，設計各部件尺寸，并進行校核;若不符合要求，再次假設K0值，進行計算，直到找到合適的K0值。對此，用Visual Basic 6.0編程進行設計計算，其算法設計程序如圖2所示。

圖2 軟件算法程序框圖

2.2 軟件實現

軟件所需運行環境:Windows XP或更高級版本操作系統;Pentium 586以上處理器;16M(推薦64M)以上內存;100M以上硬盤;800×600以上像素。

運行管殼式換熱器熱力計算軟件的主程序，進入軟件啟動界面，點擊“開始”按鈕進入主程序界面。

點擊主程序左上角“數據輸入”按鈕進入如圖3所示的數據輸入模塊，輸入設計任務參數后，點擊“計算”按鈕，彈出假設K0值的對話框，輸入假定的K0值，然后按“確定”，可計算出估算傳熱面積A0。

圖3 數據輸入模塊界面圖

點擊下一步，進入“工藝結構計算”模塊，然后按“計算”按鈕，得到各工藝參數，點擊“校核”按鈕，軟件會自動校核傳熱面積及壓降。若校核通過，則會提示設計通過并進入“數據匯總及打印”窗口，同時調用打印程序，打印設計計算結果;若校核不通過，則會返回工藝計算模塊，請用戶重新假設參數。

已知參數主要包括管程傳熱系數、殼程傳熱系數、傳熱面積和壓降，介質參數主要包括管程流體普朗特數、殼程流體普朗特數、管內熱阻、管外熱阻及管壁導熱率。參數輸入完畢后，軟件會計算出總傳熱系數并校核傳熱面積、壓降是否滿足設計要求，并輸出結果。

經過以上步驟，當所有參數均滿足設計要求，在程序主界面上單擊“結果匯總及打印”，自動生成計算結果報表，如圖4所示。單擊“打印”即可輸出設計計算書。

3 換熱器變工況特性計算分析

某工廠要求設計1臺熱交換器以回收工藝廢水的余熱，其基本設計參數如表1所示［8］。

圖4 數據匯總及打印模塊界面

表1 余熱回收管殼式換熱器基本設計參數

該熱交換器為固定管板式、水—水換熱設備，工藝廢水在管程內流動，市政供水在殼程內流動。通過設計傳熱方程和熱平衡方程的數學模型，可將影響換熱面積的主要因素寫成函數表達式如下:

式中:K為換熱器的總傳熱系數，W/(m2·K);qm1、qm2分別為管、殼程流體的質量流量，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、出口溫度，℃;t'2，t″2分別為殼程流體的進、出口溫度，℃。

本文主要討論殼體出口溫度、傳熱系數、殼程流量、管程流量、管程入口溫度對換熱面積的影響。應用管殼式換熱器熱力計算軟件作變工況計算，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呈反比變化規律，且殼程出口溫度越高，換熱面積增量越大。如在傳熱系數為1 050 W/(m2·K)時，殼程出口溫度由45℃增至50℃，對應的換熱面積增大約1.9 m2;而殼程出口溫度由70℃增至75℃，對應的換熱面積增大約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系，且殼程出口溫度越高，變化越明顯。當殼程出口溫度一定時，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，殼程出口溫度由45℃增至50℃，對應的換熱面積增大約4.0 m2;而殼程出口溫度由70℃增至75℃，對應的換熱面積增大約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律，且殼程出口溫度越高，對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，殼程出口溫度為75℃對應的換熱面積增大約6.9 m2，殼程出口溫度為45℃對應的換熱面積增大約4.4 m2。

由圖8可知，傳熱系數隨換熱面積呈指數變化規律，且傳熱系數越大換熱面積越小。當傳熱系數一定時，換熱面積隨著管程入口溫度的升高而減小。如在傳熱系數為900 W/(m2·K)時，管程入口溫度為90℃對應的換熱面積為31.73 m2，管程入口溫度為115℃對應的換熱面積為38.89 m2。

4 結束語

通過實例對換熱器設計程序進行介紹和檢驗，驗證了程序的可靠性、準確性。依據換熱器設計的變工況性能曲線，可以通過調整相應參數來保證換熱器在不同殼體出口溫度下的經濟運行，為管殼式換熱器調控和優化提供了理論依據。換熱器計算軟件的開發，大大提高了管殼式換熱器的設計效率。

［1］ 楊世銘，陶文銓.傳熱學 ［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［2］ 梁 新，李 浩，劉亞莉，等.管殼式換熱器設計軟件的開發［J］.計算機與應用化學，2008，25(5):19-21.

［3］ 史美中，王中錚.熱交換器原理與設計［M］.南京:東南大學出版社，2003.

［4］ 秦振平，王光輝，強轉寧，等.Visual Basic 6.0語言開發列管式換熱器設計軟件［J］.延安大學學報:自然科學版，2003，20(2):57-59.

［5］ 張秋利，宋永輝，蘭新哲，等.列管式換熱器設計軟件的開發 ［J］.廣東化工，2006，33(7):60-63.

［6］ 劉新民，蔡 瓊，白康生.VB6.0程序設計 ［M］.北京:清華大學出版社，2004.

［7］ 馮金蘭，張 杰.圓形翅片管束的換熱與阻力特性試驗研究 ［J］.東北電力技術，2008，29(8):14-17.

［8］ 曹智杰.600 MW直接空冷機組凝汽器冷卻管束污垢熱阻變工況特性研究［J］.東北電力技術，2010，31(12):6-9.

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，主要從事節能技術研究工作。

2015-04-28)