管壳式换热器设计程序开发及变工况特性分析

周 玉，郑 楠，赵明飞

(华北电力大学，河北 保定 071003)

管壳式换热器设计程序开发及变工况特性分析

周 玉，郑 楠，赵明飞

(华北电力大学，河北 保定 071003)

为缩短换热器设计周期、提高设计质量，以管壳式换热器为对象、Visual Basic 6.0为语言平台、Visual Foxpro 6.0为底层数据库，设计开发了管壳式换热器计算软件。该软件经编译后可在Windows操作系统下独立运行，具有计算准确性高、操作简便、适应性广等优点。结合具体工程实例进行变工况分析，使管壳式热交换器的设计具有一定的实用价值。

管壳式热交换器;设计程序;变工况特性

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，为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结构简单、耐高温等特点被广泛采用。随着节能技术的飞速发展，换热器的种类越来越多，使得产品换代速度加快，同时，对其设计制造也提出了设计周期更短、结构形式多样等新的要求。因此，在设计热交换器时，快速、准确地掌握其设计原理尤显重要［1］。

热力计算是热交换器设计的基础，但换热器设计比较复杂，需要进行多次计算与调整才能得到最终结果，因此开发相应的设计软件非常必要。本文用Visual Basic 6.0语言设计管壳式换热器，并对其进行变工况分析，使设计过程简化，缩短了设计周期，提高了设计质量［2-3］。

1 管壳式换热器设计方法

对于管壳式换热器，其设计思路是通过估算传热面积，来计算热交换器各部分工艺尺寸，然后通过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，基本步骤如下。

a. 根据设计要求收集相关原始资料，选择换热器的类型及相关流程。

b. 确定定性温度，查取物性参数。

c. 由下列热平衡方程计算热流量及冷流体或热流体的流量:

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，℃。

d. 计算平均传热温差。

对于纯顺流或纯逆流:

式中:Δtm为平均温差，℃;θ1、θ2分别为换热器两端流体温差，℃。

在其它流动的换热器中:

式中:Δt'm为按纯逆流计算的热交换器平均温差，℃;ψ为温差修正系数，一般要求大于0.8。

e. 计算热交换器的传热面积。

根据热平衡方程得到的换热量及计算出的平均温差，选取传热系数，由传热方程可初步确定热交换器的传热面积A:

式中:K0为计算传热系数，W/(m2·K)。

考虑到换热计算公式的不定性因素、恶劣的运行条件、结垢或泄漏造成堵塞等原因，要求换热器传热面积为计算出传热面积的1.1～1.25倍。

f. 选择壳体和管材。

g. 确定流动方式，选定流体的流动空间。

h. 计算换热器的工艺尺寸。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;选择其它附件等。

i. 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，按下式计算总传热系数K:

式中: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为换热管壁厚，m;λ为管壁的导热系数，W/(m2·K)。

j. 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，说明整体设计合理，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中的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所需数据。

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。各模块间的关系如图1 所示［5-7］。

图1 软件结构与模块图

根据换热器的设计方法及步骤，先假设K0值，设计各部件尺寸，并进行校核;若不符合要求，再次假设K0值，进行计算，直到找到合适的K0值。对此，用Visual Basic 6.0编程进行设计计算，其算法设计程序如图2所示。

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;16M(推荐64M)以上内存;100M以上硬盘;800×600以上像素。

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值的对话框，输入假定的K0值，然后按“确定”，可计算出估算传热面积A0。

图3 数据输入模块界面图

点击下一步，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，软件会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。

已知参数主要包括管程传热系数、壳程传热系数、传热面积和压降，介质参数主要包括管程流体普朗特数、壳程流体普朗特数、管内热阻、管外热阻及管壁导热率。参数输入完毕后，软件会计算出总传热系数并校核传热面积、压降是否满足设计要求，并输出结果。

经过以上步骤，当所有参数均满足设计要求，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4所示。单击“打印”即可输出设计计算书。

3 换热器变工况特性计算分析

某工厂要求设计1台热交换器以回收工艺废水的余热，其基本设计参数如表1所示［8］。

图4 数据汇总及打印模块界面

表1 余热回收管壳式换热器基本设计参数

该热交换器为固定管板式、水—水换热设备，工艺废水在管程内流动，市政供水在壳程内流动。通过设计传热方程和热平衡方程的数学模型，可将影响换热面积的主要因素写成函数表达式如下:

式中:K为换热器的总传热系数，W/(m2·K);qm1、qm2分别为管、壳程流体的质量流量，kg/h;cp1、cp2分别为管、壳程流体定压比热容分别为管程流体的进、出口温度，℃;t'2，t″2分别为壳程流体的进、出口温度，℃。

本文主要讨论壳体出口温度、传热系数、壳程流量、管程流量、管程入口温度对换热面积的影响。应用管壳式换热器热力计算软件作变工况计算，并作出特性曲线如下。

图5提供了在不同的壳程出口温度下，换热面积随传热系数呈反比变化规律，且壳程出口温度越高，换热面积增量越大。如在传热系数为1 050 W/(m2·K)时，壳程出口温度由45℃增至50℃，对应的换热面积增大约1.9 m2;而壳程出口温度由70℃增至75℃，对应的换热面积增大约5.02 m2。

由图6可知，换热面积与壳程出口温度呈正比变化关系，且壳程出口温度越高，变化越明显。当壳程出口温度一定时，随着壳程流量增多，所需的换热面积也随之增大。如在壳程流量为24 t/h时，壳程出口温度由45℃增至50℃，对应的换热面积增大约4.0 m2;而壳程出口温度由70℃增至75℃，对应的换热面积增大约9.0 m2。

图7提供了在不同的壳程出口温度下，换热面积随管程流量呈正比变化规律，且壳程出口温度越高，对换热面积的影响越明显。如管程流量由27 t/h增至30 t/h时，壳程出口温度为75℃对应的换热面积增大约6.9 m2，壳程出口温度为45℃对应的换热面积增大约4.4 m2。

由图8可知，传热系数随换热面积呈指数变化规律，且传热系数越大换热面积越小。当传热系数一定时，换热面积随着管程入口温度的升高而减小。如在传热系数为900 W/(m2·K)时，管程入口温度为90℃对应的换热面积为31.73 m2，管程入口温度为115℃对应的换热面积为38.89 m2。

4 结束语

通过实例对换热器设计程序进行介绍和检验，验证了程序的可靠性、准确性。依据换热器设计的变工况性能曲线，可以通过调整相应参数来保证换热器在不同壳体出口温度下的经济运行，为管壳式换热器调控和优化提供了理论依据。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。

［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，刘亚莉，等.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，等.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:自然科学版，2003，20(2):57-59.

［5］ 张秋利，宋永辉，兰新哲，等.列管式换热器设计软件的开发 ［J］.广东化工，2006，33(7):60-63.

［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，2008，29(8):14-17.

［8］ 曹智杰.600 MW直接空冷机组凝汽器冷却管束污垢热阻变工况特性研究［J］.东北电力技术，2010，31(12):6-9.

Design Procedure Development of Shell-and-tube Heat Exchanger and Characteristic Analysis of Variable Operating Conditions

ZHOU Yu，ZHENG Nan，ZHAO Ming-fei
(North China Electric Power University，Baoding，Hebei 071003，China)

To decrease design period of heat exchanger and improve quality，the design software for shell-and-tube heat exchanger is developed which uses shell-and-tube heat exchanger as research subjects，Visual Basic 6.0 as language platform and Visual Foxpro 6.0 as underlying database.The compiled software can run independently in Windows operating system which has advantages of high computational accuracy，simple operation，wide adaptability，and friendly interface.By analyzing variable conditions combined with specific examples of projects，the software has great practical value for the design of shell-and-tube heat exchanger.

Shell-and-tube heat exchanger;Design procedure;Characteristic of variable operating conditions

TK172

A

1004-7913(2015)08-0050-04

周 玉 (1986—)，男，硕士，讲师，主要从事节能技术研究工作。

2015-04-28)