管殼式換熱器熱力計(jì)算軟件的開(kāi)發(fā)

鄭 楠

（華電漯河發(fā)電有限公司，河南漯河462300）

管殼式換熱器熱力計(jì)算軟件的開(kāi)發(fā)

鄭 楠

（華電漯河發(fā)電有限公司，河南漯河462300）

基于面向設(shè)計(jì)對(duì)象和模塊化編程的思想，以計(jì)算機(jī)語(yǔ)言為平臺(tái)，結(jié)合數(shù)據(jù)分析軟件，經(jīng)過(guò)程序優(yōu)化，開(kāi)發(fā)了管殼式熱交換器的熱力計(jì)算軟件。對(duì)于管殼式熱交換器的設(shè)計(jì)，新開(kāi)發(fā)的軟件具有計(jì)算準(zhǔn)確、操作簡(jiǎn)便、適應(yīng)性廣、界面友好等優(yōu)點(diǎn)，有著重要的實(shí)用價(jià)值。

熱交換器；管殼式；程序；設(shè)計(jì)；軟件；熱力計(jì)算；開(kāi)發(fā)；界面

0　概述

換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)不同溫度流體間的熱能傳遞。換熱器是現(xiàn)代化生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)熱量交換和傳遞不可缺少的設(shè)備。管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有耐高溫高壓等特點(diǎn)，已成為熱交換設(shè)備的主流型式之一。隨著換熱器設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步，換熱器的種類(lèi)越來(lái)越多，也對(duì)設(shè)計(jì)制造提出了新的要求。因此，如何快速、準(zhǔn)確地掌握其設(shè)計(jì)原理，并設(shè)計(jì)熱交換器就顯得至關(guān)重要［1］。

熱力計(jì)算是設(shè)計(jì)熱交換器的基礎(chǔ)，但換熱器的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜和繁瑣，需要進(jìn)行多次計(jì)算及調(diào)整，才能達(dá)到令人滿意的結(jié)果。因此，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的輔助計(jì)算軟件顯得非常必要。現(xiàn)采用Visual Basic 6.0語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)了管殼式換熱器設(shè)計(jì)軟件，可使設(shè)計(jì)過(guò)程更加簡(jiǎn)化，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。不僅節(jié)省了計(jì)算時(shí)間，而且提高了設(shè)計(jì)精度，使得更快更合理地設(shè)計(jì)、改造換熱器成為了可能［2-3］。

1　管殼式換熱器設(shè)計(jì)方法

對(duì)于定型的管殼式換熱器，設(shè)計(jì)思路是通過(guò)初估傳熱面積，從而計(jì)算出熱交換器各部分的工藝尺寸，然后通過(guò)進(jìn)一步的熱力計(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，主要有幾個(gè)基本步驟。

（1）根據(jù)設(shè)計(jì)要求，搜集相關(guān)原始資料，選擇換熱器的類(lèi)型及流程等。

（2）確定定性溫度，查取物性參數(shù)。

（3）利用熱平衡方程，計(jì)算熱流量及冷流體或熱流體的流量，計(jì)算公式為：

式（1）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為冷流體的出口和進(jìn)口溫度，℃。

（4）平均傳熱溫差的計(jì)算。對(duì)于純順流或純逆流情況下，計(jì)算公式為：

式（2）中：θ1、θ2分別為換熱器兩端流體溫差，℃。

在其它流動(dòng)形式下的換熱器計(jì)算公式為：

式（3）中：Δt′m是按純逆流計(jì)算的熱交換器的平均溫差，℃；ψ為溫差修正系數(shù)，一般要求大于0.8。

（5）初選傳熱系數(shù)K0，計(jì)算出傳熱面積。

根據(jù)熱平衡方程得到的換熱量，初算平均溫差和選取的傳熱系數(shù)，由傳熱方程可初步確定熱交換器的傳熱面積：

（6）選擇殼體材料和管材。根據(jù)工況要求，選定殼體及換熱管材料。

（7）選定流動(dòng)空間。確定流體的流動(dòng)方式，選定流體的流動(dòng)空間。

（8）計(jì)算換熱器的工藝結(jié)構(gòu)尺寸。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)徑和連接管直徑等；選擇其它附件。

（9）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，計(jì)算總傳熱系數(shù)K及傳熱面積A′。

式（5）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為換熱管的壁厚，m；λ為管壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m2·K）。

考慮到換熱計(jì)算公式的不定因素、惡劣的運(yùn)行條件、日后嚴(yán)重結(jié)垢或泄漏造成堵塞等原因，要求初算的換熱器傳熱面積A為計(jì)算出的所需傳熱面積A′的1.1～1.25倍。

（10）校核管程和殼程阻力。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，需進(jìn)行殼程和管程的壓降校核，以滿足工藝流程條件。若上述條件均滿足，則整體設(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　算法與設(shè)計(jì)軟件的實(shí)現(xiàn)

2.1 算法

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)中檢索并獲得數(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。各模塊之間的關(guān)系如圖1所示［5-7］。

圖1　軟件結(jié)構(gòu)與模塊圖

由換熱器的設(shè)計(jì)方法及步驟可知，假設(shè)K0值后，計(jì)算出各部件尺寸，再考慮殼程、管程對(duì)流換熱系數(shù)及污垢熱阻、管壁熱阻等因素進(jìn)行校核。若不符合要求，再次假設(shè)K0值，重新進(jìn)行計(jì)算，直到合適為止。用Visual Basic 6.0編程進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，其計(jì)算程序軟件的設(shè)計(jì)程序，如圖2所示。

2.2 設(shè)計(jì)軟件的實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)軟件所需運(yùn)行環(huán)境為Windows XP系統(tǒng)或更高級(jí)版本的操作系統(tǒng)；Pentium 586以上處理器。

圖2　軟件算法程序框圖

運(yùn)行管殼式換熱器熱力計(jì)算軟件的主程序，進(jìn)入軟件的啟動(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值的輸入對(duì)話框，要求輸入假定的K0值。然后按“確定”，便計(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)擊界面中的“下一步”按鈕，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，軟件進(jìn)入如圖4所示校核模塊，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)用打印程序打印計(jì)算后的結(jié)果。若校核末通過(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)。

圖4　校核模塊界面圖

在已知參數(shù)中，包括了管程、殼程傳熱系數(shù)計(jì)算、傳熱面積校核和壓降校核等3個(gè)部分。介質(zhì)參數(shù)包含管側(cè)、殼側(cè)流體普朗特?cái)?shù)，管內(nèi)、管外熱阻及管壁導(dǎo)熱率。將各參數(shù)輸入后，軟件會(huì)計(jì)算出總傳熱系數(shù)并校核傳熱面積、壓降是否能滿足設(shè)計(jì)要求，并輸出結(jié)果［8］。

經(jīng)過(guò)以上步驟，當(dāng)所有參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求后，在程序主界面上單擊“結(jié)果匯總及打印”按鈕，將自動(dòng)生成計(jì)算結(jié)果報(bào)表，如圖5所示。計(jì)算結(jié)果包含熱力計(jì)算（管程殼程流體基本物性參數(shù)、傳熱量、污垢系數(shù)）、管殼程壓力損失計(jì)算、管殼程流速計(jì)算、結(jié)構(gòu)計(jì)算（管長(zhǎng)、管徑、管數(shù)、殼體內(nèi)徑）。校核計(jì)算結(jié)果包含熱力計(jì)算（換熱量、換熱面積、對(duì)流傳熱系數(shù)、總傳熱系數(shù)）。單擊“打印”按鈕，即可輸出設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)。

圖5　數(shù)據(jù)匯總及打印模塊界面

3　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)計(jì)算實(shí)例，對(duì)換熱器設(shè)計(jì)程序進(jìn)行了介紹和檢驗(yàn)，驗(yàn)證了程序的可靠性、準(zhǔn)確性。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。

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與軟件計(jì)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，軟件計(jì)算數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性較高，可為開(kāi)發(fā)或設(shè)計(jì)類(lèi)似軟件的工程技術(shù)人員提供借鑒。

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

［2］梁新，李浩.管殼式換熱器設(shè)計(jì)軟件的開(kāi)發(fā)［J］.計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2008，25（5）：19-21.

［3］史美中，王中錚.熱交換器原理與設(shè)計(jì)［M］.南京：東南大學(xué)出版社，2003.

［4］秦振平，王光輝，強(qiáng)轉(zhuǎn)寧.Visual Basic 6.0語(yǔ)言開(kāi)發(fā)列管式換熱器設(shè)計(jì)軟件［J］.延安大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，21（4）：57-591.

［5］張秋利，宋永輝，蘭新哲.列管式換熱器設(shè)計(jì)軟件的開(kāi)發(fā)［J］.廣東化工，2006，33（7）：60-631.

［6］劉新民，蔡瓊，白康生.VB6.0程序設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)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(yàn)研究［J］.東北電力技術(shù)，2008（08）：14-17.

［8］梁秀俊.葉學(xué)民.李斌.熱交換器設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)［D］.華北電力大學(xué)，2010.

Development of the Thermodynamic Calculation Software for Tubular Heat Exchanger

ZHENG Nan
（Huadian Luohe Power Generation Co.Ltd.，Luohe 462300，Henan，China）

Based on the thought of object-oriented and modular programming with computer language as a platform combined with the data analysis software，optimized calculation software of tube and shell heat exchanger was designed and developed.For shell and tube heat exchanger design，the development of new software has high accuracy，easy operation，wide adaptability，the advantages of friendly interface and it has important practical value.

heat exchanger；tubular；program；design；software；thermodynamic calculation；development；interface

TK264.9

A

1672-0210（2016）01-0004-03

2015-12-15

2015-12-21

鄭楠（1993-），男，本科，助理工程師，畢業(yè)于華北電力大學(xué)，從事大型火力發(fā)電機(jī)組的檢修工作。