管壳式换热器热力计算软件开发及优化设计

郑楠

(华电漯河发电有限公司，河南 漯河　462300)

管壳式换热器热力计算软件开发及优化设计

郑楠

(华电漯河发电有限公司，河南 漯河462300)

摘要：为缩短换热器设计周期，提高设计质量，基于面向对象和模块化编程的思想，以Microsoft Visual Basic 6.0为编程语言，Microsoft Visual Foxpro 为底层数据库，结合Origin数据分析制图软件，经过优化设计开发了管壳式热交换器热力计算软件。利用优化设计原理，建立了以管壳式换热器年总费用最小为目标函数的优化设计模型，并结合具体工程实例进行了优化设计，用于管壳式换热器设计效果良好。

关键词：管壳式热交换器；程序设计；热力计算；优化设计；Origin软件

0引言

换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，以实现不同温度流体间的热能传递。换热器是化工生产过程中实现热量交换和传递不可缺少的设备,其中管壳式换热器因其结构简单，耐高温、高压等特点成为热交换设备的主流形式。随着节能技术的飞速发展，换热器的种类越来越多，使得换热器产品换代速度加快，对其设计制造提出了新的要求：设计周期更短，结构形式多样。因此，如何快速、准确地掌握其设计原理，并设计热交换器就显得至关重要[1]。

热力计算是热交换器设计的基础，但换热器设计复杂、繁琐，需要进行多次计算与调整才能得到令人满意的结果，因此，开发相应的设计辅助计算软件显得非常必要。本文用Visual Basic 6.0语言开发管壳式换热器设计，使设计过程更加简化，缩短了设计周期，提高了设计质量。不仅节省了计算时间，而且提高了设计精度，使更快、更合理地设计、改造换热器成为可能[2]。

1管壳式换热器设计方法

对于管壳式换热器，设计思路是通过初估传热面积，从而计算出热交换器各部分的工艺尺寸结构，然后通过进一步的热力计算获得传热系数和实际所需传热面积，在满足面积裕度的情况下，进行压降(阻力)校核，其基本步骤如下。

(1)根据设计要求搜集相关原始资料，选择换热器的类型及流程等。

(2)确定定性温度，查取物性参数。

(3)由下列热平衡方程计算热流量及冷流体或热流体的流量

(1)

式中：Q为换热器的传热量，kJ/h；qm1，qm2分别为热、冷流体质量流量，kg/h；cp1，cp2分别为热、冷流体介质比热容，kJ/(kg·℃)；t1，t2为热流体的进、出口温度，℃；t3，t4为冷流体的进、出口温度，℃。

(4)平均传热温差的计算。对于纯顺流或纯逆流

(2)

式中：Δtm为平均传热温差，℃；Δt1，Δt2分别为换热器两端流体温差，℃。

在其他流动的换热器中

(3)

(5)初选传热系数K0，计算出传热面积。根据热平衡方程得到的换热量，初算平均温差和选取的传热系数，由传热方程可初步确定热交换器的传热面积

(4)

(6)选择壳体和管材。

(7)确定流动方式，选定流体的流动空间。

(8)计算换热器的工艺结构尺寸，主要包括：选取换热管尺寸和管程流体的流速；确定管程数、管长、总管数；确定壳程数；确定折流板的数目、间距、尺寸；确定管子排列方式、管间距、壳体内径和连接管直径等；选择其他附件。

(9)校核传热面积。根据管、壳程对流换热系数及污垢热阻、管壁热阻等，按式(5)计算总传热系数K及传热面积A′ 。

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·9·

(5)式中：di，do，dm分别为换热管内径、外径、平均直径，m；hi，ho分别为管内、管外对流传热系数，W/(m2·K)；Ri,Ro分别为管内、管外污垢热阻，(m2·K)/W；b为换热管的壁厚，m；λ为管壁的导热系数，W/(m·K)。

考虑到换热计算公式的不定因素、恶劣的运行条件、日后严重结垢或泄漏造成堵塞等原因，要求初算换热器传热面积A为计算出得到所需传热面积A′的1.10～1.25倍。

(10)校核管、壳程阻力。在计算传热系数K与初选值K0吻合，传热面积满足裕度要求的前提下，进行壳、管程的压降校核以满足工艺流程条件。若上述条件均满足则整体设计合理，反之，需调整结构尺寸，重新进行计算，直至满足设计要求[3]。

2算法设计与软件实现

2.1算法设计

管壳式换热器设计软件由Microsoft Visual Foxpro数据库和六大基本模块组成，利用Visual Basic 6.0中Datagrid控件与VFP数据库建立联系。在设计计算、作图时，软件从数据库中检索获得数据。

六大基本模块分别为数据输入模块、工艺结构计算模块、传热面积校核模块、压降校核模块、数据汇总及打印模块、曲线出图模块。各模块之间的关系如图1所示[4-6]。

图1　软件结构与模块

由换热器的设计方法及步骤可知：假设K0值，设计出各部件尺寸，考虑壳程、管内的污垢热阻和管壁热阻等因素，进行校核；若不符合要求，再次假设K0值进行计算，直到符合要求。对此，用Visual Basic 6.0编程进行设计计算，其计算程序软件的算法设计如图2所示[7]。

图2　软件算法程序框图

2.2软件实现

软件所需运行环境：Windows XP或更高级版本操作系统；Pentium 586以上处理器；16 MB(推荐64 MB)以上内存；100 M以上硬盘；800×600以上像素分辨率。

运行管壳式换热器热力计算软件的主程序，进入软件启动界面，点击“开始”按钮进入主程序界面。

点击主程序左上角“数据输入”按钮进入如图3所示的数据输入模块，输入设计任务参数后，点击“计算”按钮，弹出假设K0值的输入对话框，要求输入假定的K0值，然后按“确定”，便计算出估算传热面积A0。

图3　数据输入模块界面

点击下一步，进入“工艺结构计算”模块。然后按“计算”按钮，通过计算后得到各工艺参数，点击“校核”按钮，软件进入如图4所示校核模块，自动校核传热面积及压降；若校核通过，则会提示设计通过并进入“数据汇总及打印”窗口，同时调用打印程序打印设计计算结果。若校核不通过，则会返回工艺计算模块，请用户重新假设参数。

图4　校核模块界面

已知参数包括管、壳程传热系数计算、传热面积校核和压降校核3部分。介质参数包含管、壳侧流体普朗特数，管内、外热阻及管壁导热率。输入参数完毕后，软件会计算出总传热系数并校核传热面积、压降是否能满足设计要求，并输出结果[8]。

经过以上步骤，当所有参数均满足设计要求后，在程序主界面上单击“结果汇总及打印”，自动生成计算结果报表，如图5所示。设计计算结果包含热力计算(管程壳程流体基本物性参数、传热量、污垢系数)、管壳程压力损失计算、管壳程流速计算、结构计算(管长、管径、管数、壳体内径、折流板数目、折流板间距、折流板尺寸)。校核计算结果包含热力计算(换热量、换热面积、对流传热系数、总传热系数、管壳侧传热膜系数)。单击“打印”按钮即可输出设计计算书[8-9]。

图5　数据汇总及打印模块界面

3换热器优化设计方法

热交换器是热力系统或热力学设备中的一个组成部分，它实际上不可能是一个完全独立的系统。因此，从综合最优化的观点来看，仅对单个热交换器进行优化设计，不考虑热交换器和它所处系统之间的相互关系所得的结果显然并不是最佳值。另外，热交换器的使用条件和环境不同使其寻优方法也有所不同。本文介绍单一热交换器的优化设计方法而不涉及庞大换热系统的优化设计。换热器优化设计程序如图6所示[10-11]。

图6　优化设计程序

设计1台管壳式换热器，以回收工艺废水的余热，用于供应生活热水。投资费用为χ1(元/台)，使用年限为n年，输送换热器中的流体所需操作费用为F(元/台)。

对于此管壳式换热器，当生活用水进口水温不变时，由传热学的基本原理分析可知，生活用水的出口温度将影响传热温差，进而影响换热器的传热面积和投资费用。当生活用水的出口温度较低时，所需的传热面积可以较小，相应地降低了换热器的总投资费用，但从输送流体的能量消耗观点来看，温度的降低必然使冷流体的用量增加，意味着输送流体所需的运行费用增加，所以，存在使设备费用和运行费用总和为最小的最优生活用水出口温度。

3.1目标函数

设换热器的年固定费用为χ1，则

(6)

式中：χ1为换热器的年固定费用(初投资)，元/年；C1为换热器单位面积的投资费用，元/m2；n为换热器使用年限，折旧率为1/n；A为换热器的传热面积，m2。

换热器输送的流体所需年运行费用为 ，则

(7)

式中：χ2为换热器的年运行费用，元/年；C2为输送单位质量流体费用，元/t；qm为换热器所用流体质量流量，kg/h；t为换热器每年运行时间，h。

因此,该换热器优化设计的年总费用即目标函数

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·11·

(8)

3.2约束条件

换热器的热负荷为

(9)

式中：Q为换热器的热负荷，kJ/h；qm1为热流体质量流量，kg/h ；cp1为热流体介质比热容，kJ/(kg·℃)；t1，t2为热流体的进、出口温度，℃。

当换热器操作采用逆流换热时，由换热器工艺设计计算传热方程和热平衡方程的数学模型得

(10)

式中：qm2为冷流体质量流量，kg/h ；cp2为冷流体介质比热容，kJ/(kg·℃)；t3,t4为冷流体的进、出口温度，℃；K为总传热系数，W/(m2·℃)；Δtm为对数平均传热温差，℃,可由式(11)确定，

(11)

由此可得

(12)

(13)

(14)

(15)

整理可得到最终的设计模型的目标函数

(16)

一般对于要设计的换热器，qm1，t1，t2，t3，t均为定值，冷、热流体的比热容cp1，cp2波动不大，可取为定值，C1，C2，n可查得，传热系数K也可由经验确定，所以，换热器的经济指标年总费用χ是冷流体的进、出口温度t4的单变量函数，也即χ仅是冷流体流速u2的单变量函数。当经济指标年总费用χ取最小值时，对应的u2即为最优冷流体流速，进一步可由式(12)(14)计算得到最优的传热面积和所需的冷流体流速u2[9-10]。

选取一系列冷流体流速u2，由传热计算可确定相应的传热面积A，则总投资费用为

(17)

由折旧率求得和冷流体流速u2与折旧费的关系曲线

(18)

根据不同的冷流体的质量流量，可求得相应冷流体流速u2，进而求得运行费用与不同的冷流体流速u2的关系曲线

(19)

将2条曲线绘于同一图上，叠加可得χ-u2曲线，该曲线的最低点对应的流速即为最佳流速。

3.3工程实例

某石化公司要求设计1台管壳式水冷却器(采用逆流操作)，使该冷却器的年度总费用最小。已知数据如下：冷却器单位面积的投资费用C1=8 000元/m2，冷却器年折旧率Z=15%，冷却器每年运行时间t=7 900 h，输送单位质量流体费用C2=0.5元/t。需将处理量qm1=21.65 t/h的工艺废水从t1=98 ℃冷却到t2=48 ℃，冷却介质是生活用水，入口温度t3=13 ℃，冷流体流速u2在0.2～1.7 m/s变动，得到的年度费用曲线如图7所示。

图7　年度费用曲线

由图7可以看出，年固定费用和冷流体流速u2成正比关系，而年运行费用与其成反比关系。这是因为随着u2的增大，换热面积减小，导致投资费用降低，而冷流体流速u2的增大会导致冷却水质量流量的减小，即导致运行费用的降低；当冷却水出口温度达到并超过某一值时，运行费用的减小值大于投资费用的增加值，年度费用就会随着冷却水出口温度的增加而减小。由图7可知，年度总费用随着冷流体流速u2的增大是先减小后增大的。年费用最小的最佳计算结果见表1。

表1　最佳计算结果

4结论

通过实例对换热器设计程序进行了介绍和检验，验证了程序的可靠性、准确性。换热器计算软件的开发，大大提高了管壳式换热器的设计效率。通过对换热器优化设计的计算，获得了年总费用与初投资、运行费用之间的重要变化规律，在工程实际中可为管壳式换热的调控和优化提供理论依据。

参考文献：

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(本文责编：白银雷)

收稿日期:2015-11-25；修回日期:2016-04-15

中图分类号：TK 172；TP 311.52

文献标志码：A

文章编号：1674-1951(2016)04-0008-04

作者简介：

郑楠(1993—)，男，河南南阳人，助理工程师，从事脱硫系统可靠性及稳定运行方面的研究工作(E-mail:nan_zheng@foxmail.com)。