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算軟件開發(fā)及優(yōu)化設(shè)計
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)計周期,提高設(shè)計質(zhì)量,基于面向?qū)ο蠛湍K化編程的思想,以Microsoft Visual Basic 6.0為編程語言,Microsoft Visual Foxpro 為底層數(shù)據(jù)庫,結(jié)合Origin數(shù)據(jù)分析制圖軟件,經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計開發(fā)了管殼式熱交換器熱力計算軟件。利用優(yōu)化設(shè)計原理,建立了以管殼式換熱器年總費用最小為目標函數(shù)的優(yōu)化設(shè)計模型,并結(jié)合具體工程實例進行了優(yōu)化設(shè)計,用于管殼式換熱器設(shè)計效果良好。
關(guān)鍵詞:管殼式熱交換器;程序設(shè)計;熱力計算;優(yōu)化設(shè)計;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,以實現(xiàn)不同溫度流體間的熱能傳遞。換熱器是化工生產(chǎn)過程中實現(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)簡單,耐高溫、高壓等特點成為熱交換設(shè)備的主流形式。隨著節(jié)能技術(shù)的飛速發(fā)展,換熱器的種類越來越多,使得換熱器產(chǎn)品換代速度加快,對其設(shè)計制造提出了新的要求:設(shè)計周期更短,結(jié)構(gòu)形式多樣。因此,如何快速、準確地掌握其設(shè)計原理,并設(shè)計熱交換器就顯得至關(guān)重要[1]。
熱力計算是熱交換器設(shè)計的基礎(chǔ),但換熱器設(shè)計復雜、繁瑣,需要進行多次計算與調(diào)整才能得到令人滿意的結(jié)果,因此,開發(fā)相應的設(shè)計輔助計算軟件顯得非常必要。本文用Visual Basic 6.0語言開發(fā)管殼式換熱器設(shè)計,使設(shè)計過程更加簡化,縮短了設(shè)計周期,提高了設(shè)計質(zhì)量。不僅節(jié)省了計算時間,而且提高了設(shè)計精度,使更快、更合理地設(shè)計、改造換熱器成為可能[2]。
1管殼式換熱器設(shè)計方法
對于管殼式換熱器,設(shè)計思路是通過初估傳熱面積,從而計算出熱交換器各部分的工藝尺寸結(jié)構(gòu),然后通過進一步的熱力計算獲得傳熱系數(shù)和實際所需傳熱面積,在滿足面積裕度的情況下,進行壓降(阻力)校核,其基本步驟如下。
(1)根據(jù)設(shè)計要求搜集相關(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、出口溫度,℃;t3,t4為冷流體的進、出口溫度,℃。
(4)平均傳熱溫差的計算。對于純順流或純逆流
(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,℃。
在其他流動的換熱器中
(3)
(5)初選傳熱系數(shù)K0,計算出傳熱面積。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)確定流動方式,選定流體的流動空間。
(8)計算換熱器的工藝結(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、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、殼程對流換熱系數(shù)及污垢熱阻、管壁熱阻等,按式(5)計算總傳熱系數(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為管壁的導熱系數(shù),W/(m·K)。
考慮到換熱計算公式的不定因素、惡劣的運行條件、日后嚴重結(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)計合理,反之,需調(diào)整結(jié)構(gòu)尺寸,重新進行計算,直至滿足設(shè)計要求[3]。
2算法設(shè)計與軟件實現(xiàn)
2.1算法設(shè)計
管殼式換熱器設(shè)計軟件由Microsoft Visual Foxpro數(shù)據(jù)庫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)庫建立聯(lián)系。在設(shè)計計算、作圖時,軟件從數(shù)據(jù)庫中檢索獲得數(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)計方法及步驟可知:假設(shè)K0值,設(shè)計出各部件尺寸,考慮殼程、管內(nèi)的污垢熱阻和管壁熱阻等因素,進行校核;若不符合要求,再次假設(shè)K0值進行計算,直到符合要求。對此,用Visual Basic 6.0編程進行設(shè)計計算,其計算程序軟件的算法設(shè)計如圖2所示[7]。
圖2 軟件算法程序框圖
2.2軟件實現(xiàn)
軟件所需運行環(huán)境:Windows XP或更高級版本操作系統(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;800×600以上像素分辨率。
運行管殼式換熱器熱力計算軟件的主程序,進入軟件啟動界面,點擊“開始”按鈕進入主程序界面。
點擊主程序左上角“數(shù)據(jù)輸入”按鈕進入如圖3所示的數(shù)據(jù)輸入模塊,輸入設(shè)計任務(wù)參數(shù)后,點擊“計算”按鈕,彈出假設(shè)K0值的輸入對話框,要求輸入假定的K0值,然后按“確定”,便計算出估算傳熱面積A0。
圖3 數(shù)據(jù)輸入模塊界面
點擊下一步,進入“工藝結(jié)構(gòu)計算”模塊。然后按“計算”按鈕,通過計算后得到各工藝參數(shù),點擊“校核”按鈕,軟件進入如圖4所示校核模塊,自動校核傳熱面積及壓降;若校核通過,則會提示設(shè)計通過并進入“數(shù)據(jù)匯總及打印”窗口,同時調(diào)用打印程序打印設(shè)計計算結(jié)果。若校核不通過,則會返回工藝計算模塊,請用戶重新假設(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)流體普朗特數(shù),管內(nèi)、外熱阻及管壁導熱率。輸入?yún)?shù)完畢后,軟件會計算出總傳熱系數(shù)并校核傳熱面積、壓降是否能滿足設(shè)計要求,并輸出結(jié)果[8]。
經(jīng)過以上步驟,當所有參數(shù)均滿足設(shè)計要求后,在程序主界面上單擊“結(jié)果匯總及打印”,自動生成計算結(jié)果報表,如圖5所示。設(shè)計計算結(jié)果包含熱力計算(管程殼程流體基本物性參數(shù)、傳熱量、污垢系數(shù))、管殼程壓力損失計算、管殼程流速計算、結(jié)構(gòu)計算(管長、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)。校核計算結(jié)果包含熱力計算(換熱量、換熱面積、對流傳熱系數(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)計計算書[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)計方法
熱交換器是熱力系統(tǒng)或熱力學設(shè)備中的一個組成部分,它實際上不可能是一個完全獨立的系統(tǒng)。因此,從綜合最優(yōu)化的觀點來看,僅對單個熱交換器進行優(yōu)化設(shè)計,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)計方法而不涉及龐大換熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。換熱器優(yōu)化設(shè)計程序如圖6所示[10-11]。
圖6 優(yōu)化設(shè)計程序
設(shè)計1臺管殼式換熱器,以回收工藝廢水的余熱,用于供應生活熱水。投資費用為χ1(元/臺),使用年限為n年,輸送換熱器中的流體所需操作費用為F(元/臺)。
對于此管殼式換熱器,當生活用水進口水溫不變時,由傳熱學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,進而影響換熱器的傳熱面積和投資費用。當生活用水的出口溫度較低時,所需的傳熱面積可以較小,相應地降低了換熱器的總投資費用,但從輸送流體的能量消耗觀點來看,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行費用增加,所以,存在使設(shè)備費用和運行費用總和為最小的最優(yōu)生活用水出口溫度。
3.1目標函數(shù)
設(shè)換熱器的年固定費用為χ1,則
(6)
式中:χ1為換熱器的年固定費用(初投資),元/年;C1為換熱器單位面積的投資費用,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行費用為 ,則
(7)
式中:χ2為換熱器的年運行費用,元/年;C2為輸送單位質(zhì)量流體費用,元/t;qm為換熱器所用流體質(zhì)量流量,kg/h;t為換熱器每年運行時間,h。
因此,該換熱器優(yōu)化設(shè)計的年總費用即目標函數(shù)
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(8)
3.2約束條件
換熱器的熱負荷為
(9)
式中:Q為換熱器的熱負荷,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、出口溫度,℃。
當換熱器操作采用逆流換熱時,由換熱器工藝設(shè)計計算傳熱方程和熱平衡方程的數(shù)學模型得
(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、出口溫度,℃;K為總傳熱系數(shù),W/(m2·℃);Δtm為對數(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)計模型的目標函數(shù)
(16)
一般對于要設(shè)計的換熱器,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)驗確定,所以,換熱器的經(jīng)濟指標年總費用χ是冷流體的進、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)。當經(jīng)濟指標年總費用χ取最小值時,對應的u2即為最優(yōu)冷流體流速,進一步可由式(12)(14)計算得到最優(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,由傳熱計算可確定相應的傳熱面積A,則總投資費用為
(17)
由折舊率求得和冷流體流速u2與折舊費的關(guān)系曲線
(18)
根據(jù)不同的冷流體的質(zhì)量流量,可求得相應冷流體流速u2,進而求得運行費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,該曲線的最低點對應的流速即為最佳流速。
3.3工程實例
某石化公司要求設(shè)計1臺管殼式水冷卻器(采用逆流操作),使該冷卻器的年度總費用最小。已知數(shù)據(jù)如下:冷卻器單位面積的投資費用C1=8 000元/m2,冷卻器年折舊率Z=15%,冷卻器每年運行時間t=7 900 h,輸送單位質(zhì)量流體費用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,得到的年度費用曲線如圖7所示。
圖7 年度費用曲線
由圖7可以看出,年固定費用和冷流體流速u2成正比關(guān)系,而年運行費用與其成反比關(guān)系。這是因為隨著u2的增大,換熱面積減小,導致投資費用降低,而冷流體流速u2的增大會導致冷卻水質(zhì)量流量的減小,即導致運行費用的降低;當冷卻水出口溫度達到并超過某一值時,運行費用的減小值大于投資費用的增加值,年度費用就會隨著冷卻水出口溫度的增加而減小。由圖7可知,年度總費用隨著冷流體流速u2的增大是先減小后增大的。年費用最小的最佳計算結(jié)果見表1。
表1 最佳計算結(jié)果
4結(jié)論
通過實例對換熱器設(shè)計程序進行了介紹和檢驗,驗證了程序的可靠性、準確性。換熱器計算軟件的開發(fā),大大提高了管殼式換熱器的設(shè)計效率。通過對換熱器優(yōu)化設(shè)計的計算,獲得了年總費用與初投資、運行費用之間的重要變化規(guī)律,在工程實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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(本文責編:白銀雷)
收稿日期:2015-11-25;修回日期:2016-04-15
中圖分類號:TK 172;TP 311.52
文獻標志碼:A
文章編號:1674-1951(2016)04-0008-04
作者簡介:
鄭楠(1993—),男,河南南陽人,助理工程師,從事脫硫系統(tǒng)可靠性及穩(wěn)定運行方面的研究工作(E-mail:nan_zheng@foxmail.com)。