移動容器加熱保溫?zé)崃τ嬎阊芯?/h1>
2014-04-11 10:35:34羅永欣姚春榮王學(xué)生
化工裝備技術(shù) 2014年1期 關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)庫
羅永欣 周 響 姚春榮 趙 凱 王學(xué)生
（1.南通中集罐式儲運設(shè)備制造有限公司 2.華東理工大學(xué)化工機械研究所）
0 前言
移動容器廣泛應(yīng)用于運輸化工物料、化工中間體、農(nóng)藥、飲料食品和酒類等液態(tài)物品[1]。移動容器中的物料不僅在運輸過程中需要保溫，而且在運達目的地后，很多情況下還需要經(jīng)過加熱才能進行卸料。也有的食品或生物制品不能超溫，在運輸過程中需要不斷地冷卻。因此，對移動容器加熱或冷卻過程的研究具有重要的意義[2]。
由于移動容器結(jié)構(gòu)和工況條件的復(fù)雜性，加熱保溫?zé)崃τ嬎愦蠖疾捎檬止び嬎恪鹘y(tǒng)的人工計算需要先對加熱器壁及罐壁的表面溫度進行假設(shè)，然后利用公式對一系列的參數(shù)進行工藝計算，再用熱平衡關(guān)系驗算。若驗算不符合要求，需重新假設(shè)然后再進行計算，直至符合為止。因為計算時需要引用許多參數(shù)，反復(fù)校算，這樣不但過程繁瑣、花費時間多，還容易出錯，而且計算一次只適用于某一種情況，如果其中某一原始參數(shù)變化就要重新計算。為了提高加熱計算的工作效率，現(xiàn)將這些重復(fù)性強、繁瑣且枯燥的公式計算交給計算機來完成，對移動容器加熱保溫?zé)崃τ嬎氵M行電算化編程研究，開發(fā)出移動容器加熱保溫?zé)崃τ嬎丬浖Ｔ撥浖墒褂嬎愀雍喕s短計算時間，提高計算質(zhì)量。
本文利用計算機Visual Basic(即VB)語言將加熱計算的步驟編寫成程序，并將需要引用的各種參數(shù)建立成數(shù)據(jù)庫，計算時只需將物料的名稱、容器容量及儲存地點等宏觀數(shù)據(jù)輸入，計算機便從數(shù)據(jù)庫中調(diào)出有關(guān)資料進行演算。該加熱保溫計算軟件包含獨立的數(shù)據(jù)庫，采用科學(xué)的物性參數(shù)處理方法，并且支持?jǐn)?shù)據(jù)庫的添加更改。本文使用編寫的加熱計算軟件，對一容積為25 m3的標(biāo)準(zhǔn)Collar式罐箱 （保溫75巖棉+25PU）進行了加熱計算，計算結(jié)果與人工計算吻合較好，驗證了加熱計算軟件的可靠性。
1 移動容器加熱保溫?zé)崃τ嬎丬浖捌涮攸c
罐箱加熱計算程序框圖如圖1所示。
移動容器加熱保溫?zé)崃τ嬎丬浖镁幊陶Z言為Visual Basic 6.0。該編程語言具有較好的可視化功能和較強的交互性設(shè)計能力，可以通過反復(fù)修改輸入的介質(zhì)種類、容器結(jié)構(gòu)尺寸等參數(shù)，實現(xiàn)移動容器加熱面積的計算。軟件提供數(shù)據(jù)輸入模塊、計算結(jié)果的輸出等。利用Visual Basic語言進行編程，主要是總結(jié)出計算思路和把程序劃分成不同類型的模塊，也就是把移動容器的各種計算按要求變成子程序、函數(shù)、過程等，以便在使用時用主程序按適當(dāng)?shù)捻樞蛘{(diào)用它們來求解。
在編制程序過程中，結(jié)合容器加熱保溫的特點，分別考慮移動容器有保溫層和無保溫層的兩種情況，以及一般不計算罐頂、罐底傳熱系數(shù) （采用經(jīng)驗數(shù)據(jù)）的通用算法和計算罐頂、罐底傳熱系數(shù)的詳細(xì)算法，以增強程序的適應(yīng)性。程序設(shè)計包括下述內(nèi)容：
（1）移動容器進料后，讓物料溫度保持不變（維溫加熱方式），計算這時需要補充的熱量及加熱面積；
（2）計算移動容器中的物料在一定的時間內(nèi)從某一溫度升到另一溫度所需熱量及加熱面積；
（3）移動容器進料后，計算一定時間后它的推定溫度，或者是降溫到某一較低的溫度時所花費的時間，并計算出這段時間內(nèi)移動容器的散熱系數(shù)[2-5]。
圖1 罐箱加熱計算程序框圖
如前所述，移動容器中的物料加熱計算涉及的資料較多，計算時需要反復(fù)查找資料，既費時又易出錯。因此，我們在編制程序時把移動容器加熱保溫常用的一些資料系列化，編成數(shù)據(jù)庫，使用時通過數(shù)據(jù)庫的名稱便可獲得所需的數(shù)據(jù)。如給出移動容器的容積便可獲得該容器的直徑、罐壁厚度、罐體長度等數(shù)據(jù)；給出物料介質(zhì)的名稱便可獲得介質(zhì)在任一溫度下的物性等。整個程序共編制了下述6個數(shù)據(jù)庫：標(biāo)準(zhǔn)移動容器尺寸；30余種物料介質(zhì)的主要物性；常用保溫材料有關(guān)參數(shù)；移動容器常用涂料的黑度；移動容器所需材料的參數(shù)；各種類型封頭的尺寸。
對需要在計算中處理的數(shù)據(jù)，也編制了處理子程序。運算時根據(jù)給定的定性溫度，通過子程序調(diào)用，計算機便會給出該溫度下物料介質(zhì)的密度、熱膨脹系數(shù)、比熱容等數(shù)據(jù)進行傳熱計算。給定空氣溫度后，計算機便會給出空氣黏度及導(dǎo)熱系數(shù)等有關(guān)數(shù)據(jù)。
經(jīng)過上述處理并利用數(shù)據(jù)庫，整個運算只需輸入計算上需工程人員決定的獨立變量 （移動容器容積、運輸?shù)奈锪辖橘|(zhì)、地區(qū)設(shè)置等），不需再對由此涉及到的因變量 （移動容器尺寸、介質(zhì)物性、保溫層材料等）進行計算。
2 計算實例
本文以某罐箱儲運公司一容積為25 m3的標(biāo)準(zhǔn)Collar式罐箱 （保溫75巖棉+25PU）加熱計算作為實例，來驗證軟件計算的可靠性。
該罐箱工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，保溫層厚度參數(shù)如表2所示。
工況參數(shù)有下述幾項：物料初始溫度20℃，加熱終了溫度80℃，裝載量為容積的97%，預(yù)計加熱時間16.4 h，采用155℃的蒸汽加熱。
表1 罐箱的結(jié)構(gòu)參數(shù) （單位：mm）
表2 罐箱的保溫層厚度參數(shù) （單位：mm）
初始條件確定后，就可以將其輸入軟件進行計算。主要輸入界面有兩個：結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況參數(shù)。
（1）結(jié)構(gòu)參數(shù)界面。該界面用于輸入各種工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)。主要參數(shù)有物料名稱、結(jié)構(gòu)尺寸、保溫層材料以及其他的特殊結(jié)構(gòu)等。本例是標(biāo)準(zhǔn)Collar式罐箱，其結(jié)構(gòu)參數(shù)的輸入如圖2所示。
圖2 結(jié)構(gòu)參數(shù)的輸入
（2）工況參數(shù)界面。先按自然狀態(tài)下降溫輸入工況參數(shù)，14天后降到什么溫度就可由軟件計算出來，如圖3所示。可以輸出結(jié)果到Excel表格（包含一些基本的結(jié)構(gòu)參數(shù)和一些中間計算參數(shù)）打印出來。也可以作升溫計算，將溫度升到80℃，計算出所需要的換熱面積，如圖4所示。
圖3 自然狀態(tài)下降溫
圖4 升溫計算
將以上計算出的結(jié)果與傳統(tǒng)的手工計算結(jié)果一起整理在表3中。由表3的對比可見，軟件計算結(jié)果與手工計算結(jié)果基本吻合，證明該加熱保溫?zé)崃τ嬎丬浖菧?zhǔn)確可靠的。
表3 兩種計算結(jié)果對比
3 結(jié)論
本文編制的移動容器加熱保溫?zé)崃τ嬎丬浖糜谝苿尤萜鞯脑O(shè)計和改造中可以大大地減輕工作量。在加熱試算過程中，改變其中某一參數(shù)，可立刻得出計算結(jié)果，且軟件界面友好、易用。該軟件經(jīng)與手工計算比較，驗證了其具有較高的可信度。該軟件還可以對數(shù)據(jù)庫進行管理，可隨時添加新的物料參數(shù)進入系統(tǒng)。隨著數(shù)據(jù)的不斷積累，數(shù)據(jù)庫不斷地完善，該軟件將通用性更強，適用面更廣。
[1] 王清華.罐式集裝箱在我國化工物流領(lǐng)域的應(yīng)用 [J].集裝箱化，2010 (11)：27-29.
[2] 郭光臣.油庫設(shè)計 [M].北京：石油工業(yè)出版社，1980.
[3] 吳明，孟慶海.金屬油罐罐壁傳熱系數(shù)的數(shù)值解法 [J].油氣儲運，2000，19(10)：18-21.
[4] GB 151—1999.管殼式換熱器 [S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.
[5] 陳敏恒，潘鶴林，齊鳴齋.化工原理[M].上海：華東理工大學(xué)出版社，2008.
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由于移動容器結(jié)構(gòu)和工況條件的復(fù)雜性，加熱保溫?zé)崃τ嬎愦蠖疾捎檬止び嬎恪鹘y(tǒng)的人工計算需要先對加熱器壁及罐壁的表面溫度進行假設(shè)，然后利用公式對一系列的參數(shù)進行工藝計算，再用熱平衡關(guān)系驗算。若驗算不符合要求，需重新假設(shè)然后再進行計算，直至符合為止。因為計算時需要引用許多參數(shù)，反復(fù)校算，這樣不但過程繁瑣、花費時間多，還容易出錯，而且計算一次只適用于某一種情況，如果其中某一原始參數(shù)變化就要重新計算。為了提高加熱計算的工作效率，現(xiàn)將這些重復(fù)性強、繁瑣且枯燥的公式計算交給計算機來完成，對移動容器加熱保溫?zé)崃τ嬎氵M行電算化編程研究，開發(fā)出移動容器加熱保溫?zé)崃τ嬎丬浖Ｔ撥浖墒褂嬎愀雍喕s短計算時間，提高計算質(zhì)量。
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1 移動容器加熱保溫?zé)崃τ嬎丬浖捌涮攸c
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如前所述，移動容器中的物料加熱計算涉及的資料較多，計算時需要反復(fù)查找資料，既費時又易出錯。因此，我們在編制程序時把移動容器加熱保溫常用的一些資料系列化，編成數(shù)據(jù)庫，使用時通過數(shù)據(jù)庫的名稱便可獲得所需的數(shù)據(jù)。如給出移動容器的容積便可獲得該容器的直徑、罐壁厚度、罐體長度等數(shù)據(jù)；給出物料介質(zhì)的名稱便可獲得介質(zhì)在任一溫度下的物性等。整個程序共編制了下述6個數(shù)據(jù)庫：標(biāo)準(zhǔn)移動容器尺寸；30余種物料介質(zhì)的主要物性；常用保溫材料有關(guān)參數(shù)；移動容器常用涂料的黑度；移動容器所需材料的參數(shù)；各種類型封頭的尺寸。
對需要在計算中處理的數(shù)據(jù)，也編制了處理子程序。運算時根據(jù)給定的定性溫度，通過子程序調(diào)用，計算機便會給出該溫度下物料介質(zhì)的密度、熱膨脹系數(shù)、比熱容等數(shù)據(jù)進行傳熱計算。給定空氣溫度后，計算機便會給出空氣黏度及導(dǎo)熱系數(shù)等有關(guān)數(shù)據(jù)。
經(jīng)過上述處理并利用數(shù)據(jù)庫，整個運算只需輸入計算上需工程人員決定的獨立變量 （移動容器容積、運輸?shù)奈锪辖橘|(zhì)、地區(qū)設(shè)置等），不需再對由此涉及到的因變量 （移動容器尺寸、介質(zhì)物性、保溫層材料等）進行計算。
2 計算實例
本文以某罐箱儲運公司一容積為25 m3的標(biāo)準(zhǔn)Collar式罐箱 （保溫75巖棉+25PU）加熱計算作為實例，來驗證軟件計算的可靠性。
該罐箱工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，保溫層厚度參數(shù)如表2所示。
工況參數(shù)有下述幾項：物料初始溫度20℃，加熱終了溫度80℃，裝載量為容積的97%，預(yù)計加熱時間16.4 h，采用155℃的蒸汽加熱。
表1 罐箱的結(jié)構(gòu)參數(shù) （單位：mm）
表2 罐箱的保溫層厚度參數(shù) （單位：mm）
初始條件確定后，就可以將其輸入軟件進行計算。主要輸入界面有兩個：結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況參數(shù)。
（1）結(jié)構(gòu)參數(shù)界面。該界面用于輸入各種工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)。主要參數(shù)有物料名稱、結(jié)構(gòu)尺寸、保溫層材料以及其他的特殊結(jié)構(gòu)等。本例是標(biāo)準(zhǔn)Collar式罐箱，其結(jié)構(gòu)參數(shù)的輸入如圖2所示。
圖2 結(jié)構(gòu)參數(shù)的輸入
（2）工況參數(shù)界面。先按自然狀態(tài)下降溫輸入工況參數(shù)，14天后降到什么溫度就可由軟件計算出來，如圖3所示。可以輸出結(jié)果到Excel表格（包含一些基本的結(jié)構(gòu)參數(shù)和一些中間計算參數(shù)）打印出來。也可以作升溫計算，將溫度升到80℃，計算出所需要的換熱面積，如圖4所示。
圖3 自然狀態(tài)下降溫
圖4 升溫計算
將以上計算出的結(jié)果與傳統(tǒng)的手工計算結(jié)果一起整理在表3中。由表3的對比可見，軟件計算結(jié)果與手工計算結(jié)果基本吻合，證明該加熱保溫?zé)崃τ嬎丬浖菧?zhǔn)確可靠的。
表3 兩種計算結(jié)果對比
3 結(jié)論
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[3] 吳明，孟慶海.金屬油罐罐壁傳熱系數(shù)的數(shù)值解法 [J].油氣儲運，2000，19(10)：18-21.
[4] GB 151—1999.管殼式換熱器 [S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.
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