管殼式換熱器熱力計(jì)算軟件開(kāi)發(fā)及優(yōu)化設(shè)計(jì)

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)算軟件開(kāi)發(fā)及優(yōu)化設(shè)計(jì)

鄭楠

(華電漯河發(fā)電有限公司，河南 漯河462300)

摘要：為縮短換熱器設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，基于面向?qū)ο蠛湍K化編程的思想，以Microsoft Visual Basic 6.0為編程語(yǔ)言，Microsoft Visual Foxpro 為底層數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合Origin數(shù)據(jù)分析制圖軟件，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了管殼式熱交換器熱力計(jì)算軟件。利用優(yōu)化設(shè)計(jì)原理，建立了以管殼式換熱器年總費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，并結(jié)合具體工程實(shí)例進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，用于管殼式換熱器設(shè)計(jì)效果良好。

關(guān)鍵詞：管殼式熱交換器；程序設(shè)計(jì)；熱力計(jì)算；優(yōu)化設(shè)計(jì)；Origin軟件

0引言

換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)不同溫度流體間的熱能傳遞。換熱器是化工生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)熱量交換和傳遞不可缺少的設(shè)備,其中管殼式換熱器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耐高溫、高壓等特點(diǎn)成為熱交換設(shè)備的主流形式。隨著節(jié)能技術(shù)的飛速發(fā)展，換熱器的種類越來(lái)越多，使得換熱器產(chǎn)品換代速度加快，對(duì)其設(shè)計(jì)制造提出了新的要求：設(shè)計(jì)周期更短，結(jié)構(gòu)形式多樣。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)算是熱交換器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，但換熱器設(shè)計(jì)復(fù)雜、繁瑣，需要進(jìn)行多次計(jì)算與調(diào)整才能得到令人滿意的結(jié)果，因此，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的設(shè)計(jì)輔助計(jì)算軟件顯得非常必要。本文用Visual Basic 6.0語(yǔ)言開(kāi)發(fā)管殼式換熱器設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)過(guò)程更加簡(jiǎn)化，縮短了設(shè)計(jì)周期，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，使更快、更合理地設(shè)計(jì)、改造換熱器成為可能[2]。

1管殼式換熱器設(shè)計(jì)方法

對(duì)于管殼式換熱器，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結(jié)構(gòu)，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，其基本步驟如下。

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

(2)確定定性溫度，查取物性參數(shù)。

(3)由下列熱平衡方程計(jì)算熱流量及冷流體或熱流體的流量

(1)

式中：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為冷流體的進(jìn)、出口溫度，℃。

(4)平均傳熱溫差的計(jì)算。對(duì)于純順流或純逆流

(2)

式中：Δtm為平均傳熱溫差，℃；Δt1，Δt2分別為換熱器兩端流體溫差，℃。

在其他流動(dòng)的換熱器中

(3)

(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

(4)

(6)選擇殼體和管材。

(7)確定流動(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，主要包括：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；選擇其他附件。

(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，按式(5)計(jì)算總傳熱系數(shù)K及傳熱面積A′ 。

第4期

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(5)式中：di，do，dm分別為換熱管內(nèi)徑、外徑、平均直徑，m；hi，ho分別為管內(nèi)、管外對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Ri,Ro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/(m·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，要求初算換熱器傳熱面積A為計(jì)算出得到所需傳熱面積A′的1.10～1.25倍。

(10)校核管、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，進(jìn)行殼、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[3]。

2算法設(shè)計(jì)與軟件實(shí)現(xiàn)

2.1算法設(shè)計(jì)

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[4-6]。

圖1　軟件結(jié)構(gòu)與模塊

由換熱器的設(shè)計(jì)方法及步驟可知：假設(shè)K0值，設(shè)計(jì)出各部件尺寸，考慮殼程、管內(nèi)的污垢熱阻和管壁熱阻等因素，進(jìn)行校核；若不符合要求，再次假設(shè)K0值進(jìn)行計(jì)算，直到符合要求。對(duì)此，用Visual Basic 6.0編程進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，其計(jì)算程序軟件的算法設(shè)計(jì)如圖2所示[7]。

圖2　軟件算法程序框圖

2.2軟件實(shí)現(xiàn)

軟件所需運(yùn)行環(huán)境：Windows XP或更高級(jí)版本操作系統(tǒng)；Pentium 586以上處理器；16 MB(推薦64 MB)以上內(nèi)存；100 M以上硬盤(pán)；800×600以上像素分辨率。

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

點(diǎn)擊下一步，進(jìn)入“工藝結(jié)構(gòu)計(jì)算”模塊。然后按“計(jì)算”按鈕，通過(guò)計(jì)算后得到各工藝參數(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)用打印程序打印設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果。若校核不通過(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

已知參數(shù)包括管、殼程傳熱系數(shù)計(jì)算、傳熱面積校核和壓降校核3部分。介質(zhì)參數(shù)包含管、殼側(cè)流體普朗特?cái)?shù)，管內(nèi)、外熱阻及管壁導(dǎo)熱率。輸入?yún)?shù)完畢后，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”，自動(dòng)生成計(jì)算結(jié)果報(bào)表，如圖5所示。設(shè)計(jì)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、折流板數(shù)目、折流板間距、折流板尺寸)。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)、管殼側(cè)傳熱膜系數(shù))。單擊“打印”按鈕即可輸出設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)[8-9]。

圖5　數(shù)據(jù)匯總及打印模塊界面

3換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

熱交換器是熱力系統(tǒng)或熱力學(xué)設(shè)備中的一個(gè)組成部分，它實(shí)際上不可能是一個(gè)完全獨(dú)立的系統(tǒng)。因此，從綜合最優(yōu)化的觀點(diǎn)來(lái)看，僅對(duì)單個(gè)熱交換器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，不考慮熱交換器和它所處系統(tǒng)之間的相互關(guān)系所得的結(jié)果顯然并不是最佳值。另外，熱交換器的使用條件和環(huán)境不同使其尋優(yōu)方法也有所不同。本文介紹單一熱交換器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法而不涉及龐大換熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)程序如圖6所示[10-11]。

圖6　優(yōu)化設(shè)計(jì)程序

設(shè)計(jì)1臺(tái)管殼式換熱器，以回收工藝廢水的余熱，用于供應(yīng)生活熱水。投資費(fèi)用為χ1(元/臺(tái))，使用年限為n年，輸送換熱器中的流體所需操作費(fèi)用為F(元/臺(tái))。

對(duì)于此管殼式換熱器，當(dāng)生活用水進(jìn)口水溫不變時(shí)，由傳熱學(xué)的基本原理分析可知，生活用水的出口溫度將影響傳熱溫差，進(jìn)而影響換熱器的傳熱面積和投資費(fèi)用。當(dāng)生活用水的出口溫度較低時(shí)，所需的傳熱面積可以較小，相應(yīng)地降低了換熱器的總投資費(fèi)用，但從輸送流體的能量消耗觀點(diǎn)來(lái)看，溫度的降低必然使冷流體的用量增加，意味著輸送流體所需的運(yùn)行費(fèi)用增加，所以，存在使設(shè)備費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用總和為最小的最優(yōu)生活用水出口溫度。

3.1目標(biāo)函數(shù)

設(shè)換熱器的年固定費(fèi)用為χ1，則

(6)

式中：χ1為換熱器的年固定費(fèi)用(初投資)，元/年；C1為換熱器單位面積的投資費(fèi)用，元/m2；n為換熱器使用年限，折舊率為1/n；A為換熱器的傳熱面積，m2。

換熱器輸送的流體所需年運(yùn)行費(fèi)用為 ，則

(7)

式中：χ2為換熱器的年運(yùn)行費(fèi)用，元/年；C2為輸送單位質(zhì)量流體費(fèi)用，元/t；qm為換熱器所用流體質(zhì)量流量，kg/h；t為換熱器每年運(yùn)行時(shí)間，h。

因此,該換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)的年總費(fèi)用即目標(biāo)函數(shù)

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(8)

3.2約束條件

換熱器的熱負(fù)荷為

(9)

式中：Q為換熱器的熱負(fù)荷，kJ/h；qm1為熱流體質(zhì)量流量，kg/h ；cp1為熱流體介質(zhì)比熱容，kJ/(kg·℃)；t1，t2為熱流體的進(jìn)、出口溫度，℃。

當(dāng)換熱器操作采用逆流換熱時(shí)，由換熱器工藝設(shè)計(jì)計(jì)算傳熱方程和熱平衡方程的數(shù)學(xué)模型得

(10)

式中：qm2為冷流體質(zhì)量流量，kg/h ；cp2為冷流體介質(zhì)比熱容，kJ/(kg·℃)；t3,t4為冷流體的進(jìn)、出口溫度，℃；K為總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；Δtm為對(duì)數(shù)平均傳熱溫差，℃,可由式(11)確定，

(11)

由此可得

(12)

(13)

(14)

(15)

整理可得到最終的設(shè)計(jì)模型的目標(biāo)函數(shù)

(16)

一般對(duì)于要設(shè)計(jì)的換熱器，qm1，t1，t2，t3，t均為定值，冷、熱流體的比熱容cp1，cp2波動(dòng)不大，可取為定值，C1，C2，n可查得，傳熱系數(shù)K也可由經(jīng)驗(yàn)確定，所以，換熱器的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)年總費(fèi)用χ是冷流體的進(jìn)、出口溫度t4的單變量函數(shù)，也即χ僅是冷流體流速u2的單變量函數(shù)。當(dāng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)年總費(fèi)用χ取最小值時(shí)，對(duì)應(yīng)的u2即為最優(yōu)冷流體流速，進(jìn)一步可由式(12)(14)計(jì)算得到最優(yōu)的傳熱面積和所需的冷流體流速u2[9-10]。

選取一系列冷流體流速u2，由傳熱計(jì)算可確定相應(yīng)的傳熱面積A，則總投資費(fèi)用為

(17)

由折舊率求得和冷流體流速u2與折舊費(fèi)的關(guān)系曲線

(18)

根據(jù)不同的冷流體的質(zhì)量流量，可求得相應(yīng)冷流體流速u2，進(jìn)而求得運(yùn)行費(fèi)用與不同的冷流體流速u2的關(guān)系曲線

(19)

將2條曲線繪于同一圖上，疊加可得χ-u2曲線，該曲線的最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的流速即為最佳流速。

3.3工程實(shí)例

某石化公司要求設(shè)計(jì)1臺(tái)管殼式水冷卻器(采用逆流操作)，使該冷卻器的年度總費(fèi)用最小。已知數(shù)據(jù)如下：冷卻器單位面積的投資費(fèi)用C1=8 000元/m2，冷卻器年折舊率Z=15%，冷卻器每年運(yùn)行時(shí)間t=7 900 h，輸送單位質(zhì)量流體費(fèi)用C2=0.5元/t。需將處理量qm1=21.65 t/h的工藝廢水從t1=98 ℃冷卻到t2=48 ℃，冷卻介質(zhì)是生活用水，入口溫度t3=13 ℃，冷流體流速u2在0.2～1.7 m/s變動(dòng)，得到的年度費(fèi)用曲線如圖7所示。

圖7　年度費(fèi)用曲線

由圖7可以看出，年固定費(fèi)用和冷流體流速u2成正比關(guān)系，而年運(yùn)行費(fèi)用與其成反比關(guān)系。這是因?yàn)殡S著u2的增大，換熱面積減小，導(dǎo)致投資費(fèi)用降低，而冷流體流速u2的增大會(huì)導(dǎo)致冷卻水質(zhì)量流量的減小，即導(dǎo)致運(yùn)行費(fèi)用的降低；當(dāng)冷卻水出口溫度達(dá)到并超過(guò)某一值時(shí)，運(yùn)行費(fèi)用的減小值大于投資費(fèi)用的增加值，年度費(fèi)用就會(huì)隨著冷卻水出口溫度的增加而減小。由圖7可知，年度總費(fèi)用隨著冷流體流速u2的增大是先減小后增大的。年費(fèi)用最小的最佳計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　最佳計(jì)算結(jié)果

4結(jié)論

通過(guò)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。通過(guò)對(duì)換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算，獲得了年總費(fèi)用與初投資、運(yùn)行費(fèi)用之間的重要變化規(guī)律，在工程實(shí)際中可為管殼式換熱的調(diào)控和優(yōu)化提供理論依據(jù)。

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(本文責(zé)編：白銀雷)

收稿日期:2015-11-25；修回日期:2016-04-15

中圖分類號(hào)：TK 172；TP 311.52

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-1951(2016)04-0008-04

作者簡(jiǎn)介：

鄭楠(1993—)，男，河南南陽(yáng)人，助理工程師，從事脫硫系統(tǒng)可靠性及穩(wěn)定運(yùn)行方面的研究工作(E-mail:nan_zheng@foxmail.com)。