基于Excel的換熱過程計算

王會東，侯春光，魯 敏，張 丹

（赤峰學院 化學化工院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

1 引言

幾乎所有的化工生產(chǎn)過程均伴有傳熱操作，換熱器是重要的化工操作單元之一.為使學生更深入地掌握換熱器的計算原理、方法和步驟，通常在課程設計中有所涉及.以手工計算為主的傳統(tǒng)課程設計[1]，工作量大，學生重計算，忽視對換熱過程的深入理解.以Aspen Plus[2]等軟件為主的設計計算方便快捷，但不利于初學者掌握計算原理和物理量之間的關聯(lián).胡軼等[3]只針對換熱器迭代計算問題應用了Excel的單變量求解功能.為此，本文基于Microsoft Excel 2010對換熱器設計過程進行自動計算，把重點放在理解計算過程、掌握變量之間的關聯(lián)和設備選型等方面，既減少計算量，又提高學生分析問題和解決問題的能力，還提高了學生應用信息技術提高工作效率的意識.

2 換熱器設計流程

換熱器設計可概括為兩部分，一是根據(jù)已知條件計算換熱面積，初步選定換熱器結構；二是對換熱器設計結果進行校核.其設計計算流程如圖1所示.

圖1 換熱器設計計算流程圖

3 基于Excel的換熱過程計算

本文在利用Excel的常用函數(shù)、圖表擬合等功能基礎上，結合Excel內(nèi)嵌的VBA開發(fā)工具、窗體、控件等，實現(xiàn)了換熱過程的自動計算和報警功能.同時保留了調(diào)節(jié)過程參數(shù)、選型等可操作性.

3.1 控件實現(xiàn)設計過程智能化

在換熱器設計過程中，經(jīng)驗參數(shù)、操作方式選擇及設備選型時，使用Excel的控件功能添加滾動條、列表框等方式，簡化計算流程，使整個設計過程更趨于智能、快捷化，同時給初學者以提示.這些控件可通過Excel工具欄中的開發(fā)工具調(diào)用.

3.1.1 滾動條實現(xiàn)參數(shù)鍵入的提示

換熱器蒸發(fā)段和冷凝段的散熱效率η值一般在7%～10%范圍內(nèi).改變散熱效率，冷物流實際獲得熱量、出口溫度、物流在平均溫度下的物性參數(shù)、對數(shù)平均溫差等都隨之改變.運用Excel控件中的滾動條（圖2），設定滾動條的值域，改變單元格的數(shù)值，則引用此單元格地址的其他變量也隨之變化.初學者對類似經(jīng)驗參數(shù)不熟悉，運用滾動條可明確參數(shù)范圍，起到提示作用.此功能還可用于總傳熱系數(shù)K的取值、中心排管數(shù)的選型等.

圖2 Excel滾動條控件的應用

3.1.2 列表框控件實現(xiàn)操作方式和設備選型

計算傳熱推動力時，運用控件中的列表框（圖3），結合IF語句或函數(shù)，實現(xiàn)換熱器兩端溫差的計算.此功能還可用于換熱器標準風速的選擇、安全系數(shù)的設定、列管排布方式等.

圖3 Excel列表框的應用

3.2 IF函數(shù)實現(xiàn)設計過程信息反饋

利用IF邏輯語句或函數(shù)校驗數(shù)值的合理性并發(fā)出警告，使設計人員迅速發(fā)現(xiàn)問題并修正.如煙氣換熱過程，若煙氣出口溫度高于入口溫度，則以紅色凸顯單元格，并給出錯誤警告，如圖4.所用IF語句為：IF(D4＞D3，“您所輸入的溫度值不合理”).類似的，可用于氣體流速校核等.

圖4 IF函數(shù)實現(xiàn)信息反饋

3.3 換熱組分物性參數(shù)的擬合

不同流體換熱器，其密度ρ、比熱cp、導熱系數(shù)λ、黏度μ、普朗特數(shù)Pr等物性參數(shù)與溫度彼此為映射函數(shù)，這在手動計算中是非常復雜的.用Excel的數(shù)據(jù)擬合、TREND函數(shù)、VBA多項式插值等功能輕松、準確地獲得任意溫度的物性數(shù)據(jù).

3.3.1 TREND函數(shù)線性擬合

若物性參數(shù)滿足線性關系，可調(diào)用Excel公式中的TREND 函數(shù).圖 5 所示，Know_y’s與 Know_x’s分別是參數(shù)表中已知因變量與自變量的數(shù)據(jù)群，New_x’s是已知自變量的值，Const選中因變量單元格地址即可完成線性擬合求解.

圖5 TREND函數(shù)話框圖

3.3.2 趨勢線擬合與公式調(diào)取聯(lián)用

以煙氣換熱為例，為獲取定性溫度下空氣的密度，可利用空氣的密度、溫度數(shù)據(jù)[4]繪圖，添加趨勢線擬合，得圖6.再調(diào)用擬合公式計算定性溫度下的空氣密度.

3.3.3 Excel內(nèi)嵌VBA插值計算

常見的多項式插值方法有Newton插值法、Lagrange插值法等.本文采用了線性內(nèi)插法，即在Excel工作簿中逐個比較定性溫度與物性參數(shù)數(shù)據(jù)表中溫度值，當定性溫度介于兩個已知溫度之間時，利用插值公式計算定性溫度下的密度.以計算煙氣定性溫度下密度為例，VBA代碼如下：

Dim i As Integer‘定義一個整型變量

Dim Sheet1,Cells(16,2)As Single‘定義一個單精度浮點型變量

T=Sheet1.Cells(11,5)

Private Sub按鈕_Click()‘控件“計算”按鈕

If 0＜T＜1200 Then

For i=7 To 31‘從第7行開始，截止到31行

If T＞Sheet2("煙氣物性參數(shù)表").Cells(i,2)and T＜Sheet2("煙氣物性參數(shù)表").Cells(i+1,2)Then

‘循環(huán)語句，判斷定性溫度介于參數(shù)表溫度的兩個參數(shù)中間

T1=Sheet2("煙氣物性參數(shù)表").Cells(i,2)

T2=Sheet2("煙氣物性參數(shù)表").Cells(i+1,2)

ρ1=Sheet2("煙氣物性參數(shù)表").Cells(i,3)

ρ2=Sheet2("煙氣物性參數(shù)表").Cells(i+1,3)

Sheet1.Cells(16,2)=Round(（ρ1-ρ2）*(TT1)/(T2-T1)+ρ2,3)

‘返回值保留小數(shù)點后3位數(shù)字（密度隨溫度升高而降低：ρ1＞ρ2）

End If

Exit For

Next i

ρ=Sheet1.Cells(16,2)‘地址（結果）引用

Else

Sheet1.Cells(11,5)="不在物性參數(shù)表范圍中"

End If

End Sub

定性溫度 T 為 260℃時，T1=250，T2=300，ρ1=0.674，ρ2=0.615，插值計算的密度值為0.662，分段趨勢線擬合計算結果為0.663，較吻合.

4 結論

為幫助學生理解換熱器計算過程和設計原理，本文以MicrosoftExcel為工具，解決手工計算工作量大、精度低以及專業(yè)設計軟件忽略過程性的問題.本文介紹了換熱器設計計算的流程、運用Excel的滾動條、列表框等控件功能實現(xiàn)計算過程智能化的方法、IF函數(shù)在條件判斷和信息反饋等方面的應用以及換熱組分物性參數(shù)的擬合方法，包括TREND函數(shù)、趨勢線擬合及VBA多項式插值等.這些功能的應用不僅實現(xiàn)了換熱過程的自動計算和報警功能，同時保留了調(diào)節(jié)過程參數(shù)、設備選型的可操作性，既提高學生分析問題和解決問題的能力，又提高了學生應用信息技術提高工作效率的意識.Excel可廣泛適用于其他操作單元及化學反應工程等相關領域的計算過程.

為更好地實現(xiàn)計算過程的智能化及自動化，還可以利用Excel的窗體功能建立可視化界面，實現(xiàn)人機互動.