套管式换热器参数计算（VB）辅助程序设计

　　摘要：以Microsoft Visual Basic 6.0为工具, 进行套管式换热器计算机辅助程序设计, 可快速、精确地计算换热器的各种参数, 包括换热量、换热系数、压降、换热管数目和换热管结构尺寸, 减少了换热器设计计算时间.在计算结果的基础上, 调用Auto CAD Application进行自动绘图., 缩短换热器设计周期, 提高设计人员工作效率.

　　关键词：套管式换热器; 辅助程序; 自动绘图;

　　Abstract：The auxiliary program for double-tube heat exchanger is designed by the tool of Microsoft Visual Basic6. 0. The parameters of heat exchanger include can be calculated quickly and accurately with the auxiliary program. The heat exchanger parameters of heat exchange, heat transfer coefficient, pressure drop, heat transfer tube number and heat exchanger structure size can be calculated quickly and accurately. Based on the calculation results, Auto CAD Application is called for automatic drawing which shorten the design cycle of heat exchanger and improve the working efficiency of designers.

　　Keyword：double-tube heat exchanger; auxiliary program; automatic drawing;

　　套管式换热器由于其传热系数较大, 承受较高压力, 可进行逆流或顺流传热并方便地增减传热面积以适应不同换热负荷, 因而广泛应用在小型换热设备中[1-4].针对套管式换热器设计, 传统的换热器计算选型步骤往往要通过反复假定传热系数、反复试算得出换热器的传热系数、压降和管壁厚度, 进而与假定传热系数进行校核.换热器的设计周期长, 工作量较大, 设计效率低.设计误差较大, 不利于换热器的选型和设计[5].针对换热器的程序设计, 目前主要集中于管壳式换热器[6-7]和紧凑式换热器[8]的研究, 对于套管式换热器的程序设计研究较少, 基于以上原因, 本文利用Microsoft Visual Basic6.0为工具, 进行套管式换热器计算机辅助程序设计, 计算换热器的性能参数, 并保存计算结果, 此外可调用Auto CAD Application进行自动绘制工程图.

　　1、程序算法及流程

　　1) 根据套管式换热器的设计任务汇总设计需求目标参数, 如流体的压力p、流量m、温度T、结垢和强度限制及范围等, 选择换热器内外管的材料;

　　2) 根据冷、热流体物性参数随温度变化, 拟合求取物性随温度变化T的关联式;

　　3) 选定流动方式, 确定流体的流动空间;

　　4) 由热平衡式计算热负荷Q计算待求的冷热热流体流量mf或者冷热流体的出口温度Tf;

　　5) 计算冷、热流体定性温度Td, 并根据定性温度Td求取冷热流体物性参数, 包括热传导系数λ、动力粘度μ、密度ρ、比热容Cp;

　　6) 根据冷热流体流动空间选择, 求取换热器平均温差△tm;

　　7) 初选传热系数K1, 并估算传热面积F1.

　　8) 设计套管式换热器的结构, 确定换热器内直径di、内管壁厚δi、外管当量直径de、内直径外管壁厚δo, 进而确定换热器的传热面积F2和流通截面积A;

　　9) 根据换热器结构和冷热流体流量, 计算传热系数K和所需要的传热面积F.

　　10) 对换热器进行传热校核, 当F2/F在1.1~1.2范围内, 进行阻力校核.否则, 重新假定传热系数K1.

　　11) 对换热器进行阻力校核, 当换热器内管和外管压降小于允许压降时, 打印计算结果, 否则要重新假定传热系数K1, 并调整结构.

　　2、计算过程

　　2.1、物性参数拟合

　　换热器的设计计算如热计算和阻力计算中, 需要涉及到物性参数如热传导系数λ、动力粘度μ、密度ρ、比热容Cp.传统的换热器设计计算重要采取根据定性温度, 通过物性参数表或图进行查取, 工作量和设计误差较大, 设计效率低.基于以上原因, 对流体物性参数根据温度变化进行拟合, 进而根据流体的定性温度求取物性参数.

　　针对流体物性参数随温度变化进行拟合得到函数表达式, 在程序设计中, 利用拟合公式求取流体的物性参数.以下以水为例对水的物性参数进行拟合.

　　1) 密度拟合

　　对于水的密度随温度变化的拟合函数表达式如式 (1) 所示, 水的密度随温度变化如图1所示.

图1 水的密度随温度变化

　　2) 动力粘度拟合

　　对于水的动力粘度随温度变化的拟合函数表达式如式 (2) 所示, 水的动力粘度随温度变化如图2所示.

图2 水的动力粘度随温度变化

　　3) 热传导系数拟合

　　对于水的热传导随温度变化的拟合函数表达式如式 (3) 所示, 水的动力粘度随温度变化如图3所示.

图3 水的热传导系数随温度变化

　　4) 比热容拟合

　　对于水的比热容随温度变化的拟合函数表达式如式 (4) 所示, 水的比热容随温度变化如图4所示.

图4 水的比热容随温度变化

　　2.2、热计算

　　套管式换热器热计算过程中, 主要涉及到热平衡式和传热方程式, 分别如式 (5) 和式 (6) 所示:

　　其中:T'1、T″1、T'2和T″2分别为热流体的进口温度、热流体的出口温度、冷流体的进口温度和冷流体的出口温度.

　　换热器的平均温差顺流和逆流求取如式 (7) 和式 (8) .

　　换热器传热系数K可由式 (9) 计算:

　　式中:αi和αo分别为管内和管外的对流换热系数, W/m2/℃;rs, i和rs, o分别为管内和管外的对流换热系数, m2·℃/W;λ为管壁的导热系数.

　　由于不考虑微尺度换热及自然对流换热, 套管式换热器中流动换热一般为湍流对流换热, 对流换热系数αi求取如式 (10) 所示.

　　式中:λ1, Re1和Pr1分别为流体的热传导系数、雷诺数和普朗特数.当流体被加热时, n=0.4, 当流体被冷却时, n=0.3.

　　2.3、阻力计算

　　1) 内管阻力

　　套管式热交换器内管中阻力包括沿程阻力, 弯管阻力和进出口连接管阻力等三部分.

　　沿程阻力ΔPi1计算:

　　式中:fi为范宁摩擦系数, 与Re有关;L1为管长, m;ρ1为管内工质密度, kg/m3;di为管子内径, m;U1为管内工质流速, m/s;μ1为管内工质粘度, kg/ (m·s) ;μw1为壁温下管内工质的粘度kg/ (m·s) ;n为管子数.

　　U形弯管阻力为:

　　式中:ξ为U形弯管局部阻力系数, 大小为0.582.

　　进出口连接管阻力计算公式为:

　　2) 外管阻力

　　套管式换热器外管阻力包括沿程阻力和进出口连接管阻力等两部分:

　　沿程阻力ΔPi2计算:

　　式中:fi为范宁摩擦系数;L2为管长, m;ρ2为环隙间工质密度, kg/m3;de为环隙当量直径, m;U2为外管工质流速, m/s;μ2为外管工质粘度, kg/ (m·s) ;μw2为壁温下环隙间工质的粘度kg/ (m·s) ;n为管子数.

　　进出口连接管阻力计算为:

　　3) 壁温计算

　　对于沿程阻力的计算, 需要考虑由于避温引起对粘度的修正.

　　放热侧壁温:

　　吸热侧壁温:

　　3、程序验证

　　以Microsoft Visual Basic 6.0为工具, 进行套管式换热器计算机辅助程序设计

　　如图5所示为程序主界面图, 从图5中可以看出, 程序主界面主要包括4部分, 分别为:

　　1) 套管式换热器内管和外管流体进出口温度、工作压力及物性参数输入;

　　2) 换热器结构参数选型及流速选择;

　　3) 程序主要功能及操作命令部分;

　　程序的主要功能主要为物性参数计算约束、热力计算、阻力计算、强度校核、VB绘图、CAD绘图和参数说明及结果保存.

　　4) 程序主要计算结果, 主要包括套管式换热器内管、外管换热系数、传热系数、换热面积、平均传热温差、雷诺数和U型管数.

图5 套管式换热器计算程序初始参数主界面图

　　如图6所示为经过热力计算、阻力计算和强度校核后的计算结果显示, 从图6中可以看出, 换热器计算程序通过初选传热系数对换热器试算迭代, 并分别对热计算、阻力计算和换热管强度进行了校核.

图6 套管式换热器计算程序计算结果主界面图

　　根据计算结果, 套管式换热器可自动进行换热器工程图绘制, 如图7所示为套管式换热器计算程序调用Auto CAD Application进行工程图的绘制, 通过对图中结构尺寸进行测量, 其结构参数与计算结果一致.通过图4~图6可以看出, 套管式换热器计算程序可进行热计算、阻力计算、结构计算和强度校核, 并根据计算结果进行工程图绘制, 缩短换热器设计周期, 提高设计人员工作效率.

图7 计算程序调用Auto CAD自动绘制工程图

　　4、结语

　　以Microsoft Visual Basic 6.0为工具, 开发了套管式换热器计算机辅助程序, 可进行热计算、阻力计算、结构计算和强度校核.在计算结果的基础上, 调用Auto CAD Application进行自动绘图.缩短换热器设计周期, 提高设计人员工作效率.

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