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基于VB语言的热管换热器传热计算程序的研究与开发

晨怡热管 中国石油大学(华东)机电工程学院,东营257061 赵天宇 仇性启 陈强 刘丹 2011-8-18 9:55:35

    摘要:基于VB程序语言,研发一套简单实用的热管换热器传热计算系统程序。利用VB技术中简便的对话框生成手段及其良好的菜单定制功能,将繁杂的热管换热器的传热工艺计算过程转换到直观简便的界面的对话框中。相关热力学工况参数,通过趋势函数的程序化,进一步提高设计效率。通过具体工程实例,验证了VB技术在热管传热计算中的应用,结果表明程序能 方便、准确计算热管换热器的结构参数,对热管换热器的工艺设计具有重要意义,并且有良好的应用前景。

    关键词:VB  热管换热器  传热计算

    中图分类号:TK172. 4 文献标识码:A

    0 前言

    热管换热器在工业中应用广泛,而热管换热器的结构型式和热管分布应与换热工况和换热要求相适应,从而保证换热器的整体效率,况且生产中还需根据冷热流体组分和换热工艺要求对热管换热器进行改造计算,并且由于换热器设计项目中有很多内容是互相关联的,传热设计通常是一系列的试算过程。传统的人力计算方法,即使是有经验的设计人员也要花费很多时间和精力,才能得到一个合理的 热管换热器结构型式,其间需作大量重复试算,且容易出错,无法满足用户的需求。然而计算机的广泛应用为解决了这一难题提供了方便,通过使热管换 热器的计算程序化,将使热管换热器的计算及选型方便、快捷,以满足不同传热工况、传热介质的需要,且省去重复多余的计算,简化设计过程。

    笔者在研究影响热管传热效率因素的基础上, 归纳总结热管换热计算步骤,并编写了热管换热随着冷热流体的组分、物性参数、热管排列参数变化的计算程序,既为热管换热器结构设计和参数选择提供方便,也为后续实现工业热管换热器系统的换热控制提供程序支持。

    1 热管换热器的特点

    热管由密封的壳体、吸液芯和管内充装的工质组成。沿热管的轴向一般分为三个部分:蒸发段、绝热段和冷凝段,根据具体的设计和使用情况,可以考虑是否布置绝热段。热管是采用相变传热,而且热管内部热阻很小,所以能以较小的温差获得较大的热效率[1, 2]。

    以热管为传热单元的热管换热器(其基本结构如图1所示)同其他换热器相比,具有以下优点:

    (1)传热性能好;

    (2)适应性强;

    (3)传热面局部破坏时,能确保两流体彼此不渗混。

                        

    2 热管换热器的基本传热机理

    在热管换热计算过程中,根据所需的换热面积从而确定热管的根数。换热所需的总换热面积可表示为:


    在总换热系数UH的求取中,关键就是热侧和冷侧的换热系数的确定[3]。

    3 热管换热器传热计算程序

    3. 1 程序开发思路

    通过热管换热器计算程序,应能由冷、热流体的进出口温度、流量等流体参数及热管长度、翅片高 度、间距、热管内外径等尺寸参数,计算出冷热流体的比热、密度、粘度系数、普朗特数、导热系数、流体流动的雷诺数,以及在设计传热条件下所需热管的数目、热管排列深度及排列方式等参数。

    在研究了不同工况下的传热系数的前提下,根据工程实际需要,完善了一套不同传热工况下的热管传热系数方程,在此基础上实现传热计算的程序化。影响传热系数的因素很多,我们根据不同工作情况分别实现了计算程序化。各部分的程序是相对独立的,也是相关的,部分参数可以通过彼此间的关系从另一模块计算得到。计算同一个内容有很多方法,根据具体的条件和工艺要求可以有不同的程序 实现,这之间的结果是有差异的。主要的几个参数是冷热流体的进出口温度、冷热流体的流量及热管的尺寸、结构。还有一些局部参数,程序中通过循环、线性差值来间接求得。热管换热器计算程序的计算流程如图2所示。

                

    3. 2 算法原理

    试算法是程序开发中最基本和最常用的手段, 是函数逼近理论中的重要方法。通过程序的循环语 句进行试算,可快速计算出在规定工况下流体换热后的温度值,即通过程序循环的便捷性,来提高热管换热器的计算效率,省去重复冗余的计算。再根据 所求得的温度值调用程序内部函数得出定性温度下相应的热力学参数。

    4 VB技术在热管换热器设计中的应用

    某工厂有一台4 t/h的燃油锅炉,排烟量Vh= 5 000 m3/h(标准状况),排烟温度thl=325℃;助燃 空气量Vc=4 700m3/h(标准状况)。设计一台热管 空气预热器,用烟气余热加热助燃空气来提高锅炉 效率[3]。热管换热器空气进口的温度tcl=20℃;换 热器烟气出口温度为th2=200℃。

    选用水为热管工质,管壳材料为20号锅炉无缝 钢管,翅片材料为低碳钢,翅片与管壳连接方式为高 频焊接。这种热管参数为:光管外径d0=0. 032 m; 热管全长l=2 m;热管内径di=0. 027 m;翅片高度 lf=0. 015m;翅片厚度δf=0. 001 2m;翅片间距sf= 4 mm;热管成等边三角形排列,管子中心距SL=ST =0. 067 m。

    4. 1 工况数据

    热管换热器实际设计工况参数很多,这些参数主要根据物性参数表人工插值计算求得,计算复杂、耗时。

    热管换热器传热计算程序则是根据设计条件收集、查取相关数据图表,得到相应的流体物性参数[4]。以这些特殊点参数为基础,将物性变化趋势进行函数回归,对常用换热介质的热力学数据表实现程序化,即在VB程序中可由输入的温度值(或压力值)自动计算并输出所需物性参数。

    4. 2 程序的开发与应用

    程序的开发包括菜单设计、界面设计、程序语句编写3部分。

    菜单设计是为方便各工况的计算而编制,气气换热计算、气液换热计算和液液换热计算三个主要工况用下拉菜单进行细分。分类如图3。



    工程中,由热平衡计算求出热管换热器冷热侧的换热系数,从而得出总换热系数;根据总换热系数求出所需换热面积,进而求出所需热管根数[5]。这些计算以及其后的差值计算都通过程序进行反复试算,直到达到预先设定的精确度。

    图4为气气换热(热侧不冷凝)计算程序界面。界面输入部分包含流体参数、热管参数以及热管排 列参数三部分。结果显示分为热流体物性参数、冷 流体物性参数及所需热管数及热管排列深度。 传热计算过程,即为执行图2的过程。具体操 作为:在程序主界面调用并打开气气换热文件,出现图4所示界面。输入给定的流体参数,选用的热管参数及热管排列参数,点击计算可得出在此种换热 条件下所需热管的数目,同时可自动求得物性参数———比热、密度、导热系数等。点击详细参数可以查阅计算过程中的详细参数值。在热管换热器的改 造中,可以通过改变热管的详细参数,如雷诺数、翅片效率等局部变量,来改变整体换热器的换热能力, 从而满足不同工况下的换热要求。

          

    程序语句部分是将热管换热器中传热计算、结构设计所需的公式编入相应各计算段。相应程序框图如图2。

    5 结论

    基于VB语言编制的热管换热器计算程序,在试算中,改变其中某一参数,可立刻得到计算结果。程序界面友好、易用,与传统计算比较,具有较高的可信度,能满足用户对设计快速、准确的要求。通过这种设计思路,可完善热管换热器中其它设计及计算。

参考文献

[1]庄骏,等.热管换热器的应用研究[J].化工炼油机械, 1980(3).

[2]Leonard L. Vasiliev.HeatPipes inModernHeatExchangers [J]. 

Fuel and Energy Abstracts, Volume 47, Issue 3,May 2006.

[3]庄骏,张红.热管技术及其工程应用[M].北京:化学工业出版社, 1999.

[4]杨世铭,陶文铨.传热学(第三版)[M].北京:高等教育出版社, 1998.

[5]庄骏,徐通明,石寿椿.热管与热管换热器[M].上海:上海交通大学出版社, 1989.

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