管壳式换热器热力计算软件的开发

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的开发

郑 楠

（华电漯河发电有限公司，河南漯河462300）

基于面向设计对象和模块化编程的思想，以计算机语言为平台，结合数据分析软件，经过程序优化，开发了管壳式热交换器的热力计算软件。对于管壳式热交换器的设计，新开发的软件具有计算准确、操作简便、适应性广、界面友好等优点，有着重要的实用价值。

热交换器；管壳式；程序；设计；软件；热力计算；开发；界面

0　概述

换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，实现不同温度流体间的热能传递。换热器是现代化生产中实现热量交换和传递不可缺少的设备。管壳式换热器的结构简单，具有耐高温高压等特点，已成为热交换设备的主流型式之一。随着换热器设计技术的进步，换热器的种类越来越多，也对设计制造提出了新的要求。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］。

热力计算是设计热交换器的基础，但换热器的设计比较复杂和繁琐，需要进行多次计算及调整，才能达到令人满意的结果。因此，开发相应的辅助计算软件显得非常必要。现采用Visual Basic 6.0语言，开发了管壳式换热器设计软件，可使设计过程更加简化，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，使得更快更合理地设计、改造换热器成为了可能［2-3］。

1　管壳式换热器设计方法

对于定型的管壳式换热器，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，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，主要有几个基本步骤。

（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）利用热平衡方程，计算热流量及冷流体或热流体的流量，计算公式为：

式（1）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为冷流体的出口和进口温度，℃。

（4）平均传热温差的计算。对于纯顺流或纯逆流情况下，计算公式为：

式（2）中：θ1、θ2分别为换热器两端流体温差，℃。

在其它流动形式下的换热器计算公式为：

式（3）中：Δt′m是按纯逆流计算的热交换器的平均温差，℃；ψ为温差修正系数，一般要求大于0.8。

（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：

（6）选择壳体材料和管材。根据工况要求，选定壳体及换热管材料。

（7）选定流动空间。确定流体的流动方式，选定流体的流动空间。

（8）计算换热器的工艺结构尺寸。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；选择其它附件。

（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，计算总传热系数K及传热面积A′。

式（5）中：di、d0、dm分别为换热管内径、外径、平均直径，m；hi、h0分别为管内、管外对流传热系数，W/（m2·K）；Ri、R0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/（m2·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，要求初算的换热器传热面积A为计算出的所需传热面积A′的1.1～1.25倍。

（10）校核管程和壳程阻力。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，需进行壳程和管程的压降校核，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［4］。

2　算法与设计软件的实现

2.1 算法

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并获得数据。

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［5-7］。

图1　软件结构与模块图

由换热器的设计方法及步骤可知，假设K0值后，计算出各部件尺寸，再考虑壳程、管程对流换热系数及污垢热阻、管壁热阻等因素进行校核。若不符合要求，再次假设K0值，重新进行计算，直到合适为止。用Visual Basic 6.0编程进行设计计算，其计算程序软件的设计程序，如图2所示。

2.2 设计软件的实现

设计软件所需运行环境为Windows XP系统或更高级版本的操作系统；Pentium 586以上处理器。

图2　软件算法程序框图

运行管壳式换热器热力计算软件的主程序，进入软件的启动界面，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　数据输入模块界面图

点击界面中的“下一步”按钮，进入“工艺结构计算”模块。然后按“计算”按钮，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计算后的结果。若校核末通过，则会返回工艺计算模块，请用户重新假设参数。

图4　校核模块界面图

在已知参数中，包括了管程、壳程传热系数计算、传热面积校核和压降校核等3个部分。介质参数包含管侧、壳侧流体普朗特数，管内、管外热阻及管壁导热率。将各参数输入后，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”按钮，将自动生成计算结果报表，如图5所示。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）。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）。单击“打印”按钮，即可输出设计计算书。

图5　数据汇总及打印模块界面

3　结语

通过计算实例，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。

将实验数据与软件计算的数据进行比较，软件计算数据的准确性较高，可为开发或设计类似软件的工程技术人员提供借鉴。

［1］杨世铭，陶文铨.传热学［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［2］梁新，李浩.管壳式换热器设计软件的开发［J］.计算机与应用化学，2008，25（5）：19-21.

［3］史美中，王中铮.热交换器原理与设计［M］.南京：东南大学出版社，2003.

［4］秦振平，王光辉，强转宁.Visual Basic 6.0语言开发列管式换热器设计软件［J］.延安大学学报，2002，21（4）：57-591.

［5］张秋利，宋永辉，兰新哲.列管式换热器设计软件的开发［J］.广东化工，2006，33（7）：60-631.

［6］刘新民，蔡琼，白康生.VB6.0程序设计［M］.北京：清华大学出版社，2004.

［7］冯金兰，张杰.圆形翅片管束的换热与阻力特性试验研究［J］.东北电力技术，2008（08）：14-17.

［8］梁秀俊.叶学民.李斌.热交换器设计指导书［D］.华北电力大学，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

郑楠（1993-），男，本科，助理工程师，毕业于华北电力大学，从事大型火力发电机组的检修工作。