管壳式换热器设计及软件开发

分类：机电一体化论文发表 时间：2018-10-12 09:44 关注：(1)

　　许光第，周帼彦，朱冬生，曾力丁，朱凌云，朱辉，郭震

　　(华东理工大学机械与动力工程学院承压系统与安全教育部重点实验室，上海200237)

　　摘要:传统管壳式换热器的设计工作量大、效率低，设计方法比较粗糙，设计偏差较大。本文基于VB6.0编程语言，使用分段设计方法，开发出了管壳式换热器设计软件，该设计方法将换热器按照管壳程结构分为有限个单元，根据工艺条件，求解单元温度分布，依次对每个单元进行设计，进而完成整台换热器的设计，该方法充分考虑了介质物性随温度变化对设计的影响，设计结果与HTRI对比，误差很小。本软件可根据需要进行选型设计，也可以以总传热系数与总压降的比值K/ΔP为评价标准，选取性能最高的换热器结构，完成优化设计。

　　关键词:管壳式换热器;温度分布;分段设计;软件

　　中图分类号:TH12;TK202文献标识码:B

　　doi:10.3969/j.issn.1005-0329.2013.04.009

　　Abstract:Theworkloadoftraditionalheatexchangerdesignisheavyandtheefficiencyisverylow.Conventionaldesignmethodisrough，whichcreateslargedeviation.BasedonVB6.0，thispaperhasdevelopedanewheatexchangerdesignsoftwareusingsectionaldesignmethod，Thismethoddividesexchangerintoafinitenumberofunitsinaccordancewiththeprocessstructure，solveseachunitinletandoutlettemperatureundertheprocesscondition，followedbythedesignofeachunit，andthencompletesthewholedesignofheatexchanger.Segmentedcalculationisfullyconsideredtheimpactofthefluidpropertieswithtemperaturechange，thedesignerrorisverysmallcontrasttoHTRI.Thissoftwarecanbeusedforselectedtypedesign，aswellasoptimaldesign，whichtakestheratiooftheoverallheattransfercoefficientandthetotalpressuredropasevaluationcriteriaandselectsthehighestperformancestructure.

　　Keywords:shell-and-tubeheatexchanger;temperaturedistribution;segmentedcalculation;software

　　1前言

　　设计方法粗糙、设计精度低是传统管壳式换热器制造成本和运行成本过大的原因之一[1]。国外对管壳式换热器设计的研究已经取得了显著成果，其中影响最大的是HTRI和HTFS两家公司，但出于商业机密原因，设计方法一直没有公开。在管壳式换热器发展的几十年中，设计的重点和难点在于壳程流体流动与传热具有复杂性和不确定性，结果难以准确预测，所以准确计算壳程传热膜系数和压降成为管壳式换热器设计的一个重要研究对象[2]。目前公开的设计方法结果都不很理想，其中Bell法是应用最为广泛，也是计算相对最准确的设计方法[3]，这种方法把换热器作为一个整体来考虑，但未能涉及到换热器内部的温度场和随温度场变化的一系列参数，尤其是温度变化较大时，流体物性参数的影响会很大[4，5]，这也是换热器设计不确定性的主要原因，基于上述问题，本文采用分段设计方法，将换热器按照管壳程结构划分成有限个单元，分别进行设计计算，有效减小换热器设计误差。

　　随着计算机的发展，工业设计大都采用计算机程序进行计算，VB6.0作为Windows系统下的软件开发工具[6，7]，具有开发效率高、设计灵活、界面友好、交互性强等优点，本文运用VB6.0编程语言，开发了管壳式换热器设计软件，不仅节省计算时间，而且提高了设计精度，还能为后续软件升级提供保证。2设计原理

　　2.1分段设计

　　换热器设计中，各设计目标之间存在一定的矛盾性，这使得构造目标函数最优点集的隶属函数非常困难，流体物性参数随温度的变化是产生不确定性的主要因素，而传统的换热器设计方法未能从根本上解决这些问题。本文采用分段计算方法进行设计[8～10]，将换热器按照管壳程的几何结构和流动形式分为有限个连续的换热单元，流体物性取每个单元平均温度对应的物性参数，有效降低了物性变化带来的影响。如果壳程数为Ns，管程数为n，折流板数为Nb，那么总换热单元数为(Nb+1)Nsn个;如图1所示，单壳程双管程换热器，折流板数为2，则共有6个换热单元。分别求出每个单元流体的进出口温度，得到各单元的传热系数和压降，进而求出整个换热器的总传热系数和压降，完成工艺计算，可以看出，分段设计计算最重要的步骤是要得到每个单元的温度分布。

　　3软件开发

　　3.1软件界面

　　管壳式换热器的设计参数多，步骤繁琐，很多参数都要反复调整核算。利用VB语言，建立便于操作的友好界面，通过界面输入或选取参数，然后简单操作即可完成设计。图3为软件的主界面，用户可以在树形目录中选择不同的设计类型，界面上浅灰色输入框为可选输入项，用户可以根据实际经验或要求手动输入，也可以使用软件默认程序计算。单击“计算”按钮，即可开始设计计算，并输出结果。

　　4案例分析

　　目前过程工业设备的设计基本以HTRI设计方法和结果为准。为验证本研究设计方法和程序的有效性和准确性，分别选用管程冷凝及壳程冷凝2个实际工程案例，通过本研究设计软件和HTRI设计结果进行对比分析[16]。其工况条件如表1所示。

　　5结语

　　分段设计方法充分考虑了物性变化带来的影响，是一种更为精确的设计方法，使用有限差分法计算得到的分段单元温度分布，与HTRI结果非常接近，为换热器设计计算的准确度提供了保障，通过该方法设计得到的换热器性能参数误差很小，可以很好的满足工程设计需要。在设计过程中，由于需要大量的迭代计算，因此将该设计过程用VB6.0开发成设计软件，不仅节省了设计时间，更提高了设计精度。软件对无相变及有相变传热均可以设计计算，功能强大，性能可靠，满足用户对设计快速、准确的要求。

　　参考文献

　　[1]刘巍，邓方义.冷换设备工艺计算手册(第2版)[M].北京:中国石化出版社，2008.

　　[2]宋继伟.换热器直接设计法研究和应用[D].济南:山东大学，2007.

　　[3]袁俊朋.基于Bell法的管壳式换热器分段计算理论研究及实验分析[D].上海:华东理工大学，2009.

　　[4]GaddisES，SchlünderEU，Temperaturedistributionandheatexchangeinmultipassshell-and-tubeexchangerswithbaffles[J].HeatTransferEngineering，1979，1(1):43-52.

　　[5]VDIGesellschaft.VDIHeatAtlas[M].2nded.Berlin:Springer，2010，WangGuanghui.SoftwaredesigndevelopmentfortubestillheatexchangerwithVB6.0.JournalofYananUniversity(NaturalScienceEdition)，2003，22(2):57-59.