基于Excel的換熱過(guò)程計(jì)算

王會(huì)東，侯春光，魯 敏，張 丹

（赤峰學(xué)院 化學(xué)化工院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

1 引言

幾乎所有的化工生產(chǎn)過(guò)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(xué)生更深入地掌握換熱器的計(jì)算原理、方法和步驟，通常在課程設(shè)計(jì)中有所涉及.以手工計(jì)算為主的傳統(tǒng)課程設(shè)計(jì)[1]，工作量大，學(xué)生重計(jì)算，忽視對(duì)換熱過(guò)程的深入理解.以Aspen Plus[2]等軟件為主的設(shè)計(jì)計(jì)算方便快捷，但不利于初學(xué)者掌握計(jì)算原理和物理量之間的關(guān)聯(lián).胡軼等[3]只針對(duì)換熱器迭代計(jì)算問(wèn)題應(yīng)用了Excel的單變量求解功能.為此，本文基于Microsoft Excel 2010對(duì)換熱器設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算，把重點(diǎn)放在理解計(jì)算過(guò)程、掌握變量之間的關(guān)聯(lián)和設(shè)備選型等方面，既減少計(jì)算量，又提高學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，還提高了學(xué)生應(yīng)用信息技術(shù)提高工作效率的意識(shí).

2 換熱器設(shè)計(jì)流程

換熱器設(shè)計(jì)可概括為兩部分，一是根據(jù)已知條件計(jì)算換熱面積，初步選定換熱器結(jié)構(gòu)；二是對(duì)換熱器設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行校核.其設(shè)計(jì)計(jì)算流程如圖1所示.

圖1 換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算流程圖

3 基于Excel的換熱過(guò)程計(jì)算

本文在利用Excel的常用函數(shù)、圖表擬合等功能基礎(chǔ)上，結(jié)合Excel內(nèi)嵌的VBA開(kāi)發(fā)工具、窗體、控件等，實(shí)現(xiàn)了換熱過(guò)程的自動(dòng)計(jì)算和報(bào)警功能.同時(shí)保留了調(diào)節(jié)過(guò)程參數(shù)、選型等可操作性.

3.1 控件實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程智能化

在換熱器設(shè)計(jì)過(guò)程中，經(jīng)驗(yàn)參數(shù)、操作方式選擇及設(shè)備選型時(shí)，使用Excel的控件功能添加滾動(dòng)條、列表框等方式，簡(jiǎn)化計(jì)算流程，使整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程更趨于智能、快捷化，同時(shí)給初學(xué)者以提示.這些控件可通過(guò)Excel工具欄中的開(kāi)發(fā)工具調(diào)用.

3.1.1 滾動(dòng)條實(shí)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(shí)際獲得熱量、出口溫度、物流在平均溫度下的物性參數(shù)、對(duì)數(shù)平均溫差等都隨之改變.運(yùn)用Excel控件中的滾動(dòng)條（圖2），設(shè)定滾動(dòng)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(xué)者對(duì)類似經(jīng)驗(yàn)參數(shù)不熟悉，運(yùn)用滾動(dòng)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(dòng)條控件的應(yīng)用

3.1.2 列表框控件實(shí)現(xiàn)操作方式和設(shè)備選型

計(jì)算傳熱推動(dòng)力時(shí)，運(yùn)用控件中的列表框（圖3），結(jié)合IF語(yǔ)句或函數(shù)，實(shí)現(xiàn)換熱器兩端溫差的計(jì)算.此功能還可用于換熱器標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速的選擇、安全系數(shù)的設(shè)定、列管排布方式等.

圖3 Excel列表框的應(yīng)用

3.2 IF函數(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程信息反饋

利用IF邏輯語(yǔ)句或函數(shù)校驗(yàn)數(shù)值的合理性并發(fā)出警告，使設(shè)計(jì)人員迅速發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并修正.如煙氣換熱過(guò)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(cuò)誤警告，如圖4.所用IF語(yǔ)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(shí)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(dǎo)熱系數(shù)λ、黏度μ、普朗特?cái)?shù)Pr等物性參數(shù)與溫度彼此為映射函數(shù)，這在手動(dòng)計(jì)算中是非常復(fù)雜的.用Excel的數(shù)據(jù)擬合、TREND函數(shù)、VBA多項(xiàng)式插值等功能輕松、準(zhǔn)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(guān)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(shì)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(shì)線擬合，得圖6.再調(diào)用擬合公式計(jì)算定性溫度下的空氣密度.

3.3.3 Excel內(nèi)嵌VBA插值計(jì)算

常見(jiàn)的多項(xiàng)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(gè)比較定性溫度與物性參數(shù)數(shù)據(jù)表中溫度值，當(dāng)定性溫度介于兩個(gè)已知溫度之間時(shí)，利用插值公式計(jì)算定性溫度下的密度.以計(jì)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(gè)整型變量

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

T=Sheet1.Cells(11,5)

Private Sub按鈕_Click()‘控件“計(jì)算”按鈕

If 0＜T＜1200 Then

For i=7 To 31‘從第7行開(kāi)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(yǔ)句，判斷定性溫度介于參數(shù)表溫度的兩個(gè)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(diǎn)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(jié)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(shí)，T1=250，T2=300，ρ1=0.674，ρ2=0.615，插值計(jì)算的密度值為0.662，分段趨勢(shì)線擬合計(jì)算結(jié)果為0.663，較吻合.

4 結(jié)論

為幫助學(xué)生理解換熱器計(jì)算過(guò)程和設(shè)計(jì)原理，本文以MicrosoftExcel為工具，解決手工計(jì)算工作量大、精度低以及專業(yè)設(shè)計(jì)軟件忽略過(guò)程性的問(wèn)題.本文介紹了換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算的流程、運(yùn)用Excel的滾動(dòng)條、列表框等控件功能實(shí)現(xiàn)計(jì)算過(guò)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(yīng)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(shì)線擬合及VBA多項(xiàng)式插值等.這些功能的應(yīng)用不僅實(shí)現(xiàn)了換熱過(guò)程的自動(dòng)計(jì)算和報(bào)警功能，同時(shí)保留了調(diào)節(jié)過(guò)程參數(shù)、設(shè)備選型的可操作性，既提高學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，又提高了學(xué)生應(yīng)用信息技術(shù)提高工作效率的意識(shí).Excel可廣泛適用于其他操作單元及化學(xué)反應(yīng)工程等相關(guān)領(lǐng)域的計(jì)算過(guò)程.

為更好地實(shí)現(xiàn)計(jì)算過(guò)程的智能化及自動(dòng)化，還可以利用Excel的窗體功能建立可視化界面，實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng).