管壳式换热器设计及软件开发

张明

前言：工业作为我国国民经济主导产业之一，有效推动了我国经济的发展。换热器作为工业生产中应用最为广泛的设备，在能源、化工工业生产中发挥着重要作用，随着能源紧张问题日益加据，如何有效提升能源利用及转换率，尤其是在工业生产中加强传热效能，已成为当下工业生产领域中亟待解决的问题，因此有必要对管壳式换热器设计及软件开发加以研究，为提升换热器传热效能的发展提供有力的支持。

一、管壳式热换器概述

管壳式热换器作为管式热换器的一种，主要由一系列管束与壳体圆筒组成，管侧流体与壳侧流体在传热过程中主要通过管束壁面来实现，采用的管束形式有很多种，例如螺纹管、光管、波节管等形式，与此同时，也可以通过采用管内插入物等手段方法使得加热效果实现进一步的强化，有效降低成本的同时，还能够有效提升产热系数及传热均匀的效果。对于管壳式热换器来说，可以承受高温高压，一般介质压力高于30bar，可承受温度在260℃以上温度。因此在极端条件下也可以进行应用。

二、管壳式换热器设计原理分析

（一）分段设计

在具体进行管壳式换热器设计过程中，对于传统的管壳式设计方法来说，很多设计问题都没有得到切实有效的解决，例如如何消除各设计目标之间具有的矛盾性，使得目标函数最优点集的隶属函数更加容易构造，减少流体物性等不确定因素变化等。文章在设计原理方面采用的是分段设计方法，根据管壳式换热器特点，依照管壳程流动形式与几何结构将换热器分为连续换热单元，单元数量有限，并为了有效降低流体物性随温度变化带来的影响，针对流体物性取每个连续换热单元的平均温度，作为对应的物性参数。因此假如管程数为n，壳程数为，折流板数为，由此可以得出总的换热单元数为个。然后通过计算求出每个单元流体的进出口的温度，从而就可以得到各单元压降与热传系数，最后完成总热换器压降与热传系数计算。由此可见，采用分段设计方法的关键步骤就是要把握每个热换单元的温度分布。

（二）温度分布

在热换单元温度分布的计算方法选择上，可以采用有限差分法进行计算，该方法计算复杂度低，并且得出的计算结果精度也非常高。在具体计算过程中，其中在冷凝温度分布计算方面，需要通过借助较为专业的物性软件生成的冷凝曲线完成计算。但该计算结果只是得出了热流体气相分率与几个温度点及对应的焓值，针对于特定的介质，其冷凝曲线不会发生改变，是一种确定的冷凝曲线。由此我们可以通过完成相应关系式的拟合，主要为气相分率与温度间关系式与焓值与温度之间的关系式，从而完成温度分布的求解。

在设计计算方面，计算无相变传热时，可以先以每个单元雷诺数Re作为根据，通过选择相对应压降与传热公式进行相应计算。有相变热一般包括冷凝传热与沸腾传热，计算有相变热时，首先第一步需要对均相流体积分率Rlh与流型参数Cg进行计算，然后根据具体的流型图来对单元流体流动状态加以判断分析，最后选择相应的计算公式进行计算。在计算有相变传热压降时，应以气象分率作为判断根据，对于流动模型加以判断分析，一般情况下，当时，流动模型为均相流，反之，当时，流动模型为分离流，并最终以此完成相应的单元设计计算。其中相应计算

计算公式如下：

对于管程平均热传系数来说，其计算公式为：在（1）式中，指的是管内单元传热膜系数，单位为指的是管内单元热换面积，单位为。对于壳程平均传热系数来说，其计算公式为：在（2）式中，指的是管外单元传膜系数，单位为；指的是管外单元换热面积，单位为。最后计算总传热系数的计算，计算公式如下：

三、管壳式换热器软件开发

（一）软件界面简要介绍

在软件设计方面，主要利用VB语言，本着简洁、流畅、便于操作的设计原则对软件界面进行了相应设计制作，以满足管壳式换热器设计参数多、计算繁琐等要求，方便用户进行相应操作，为用户提供更好的使用体验。图一为软件主界面，该界面在目录设计上采用树形目录设计方式，方便用户选择不同的设计类型，并为用户提供浅灰色的输入框，用户可以手动输入，也可以直接使用默认程序进行计算，多重选择使得界面功能更加智能化。

（二）软件功能该软件功能丰富，计算流程科学严谨，既

可以进行U形管式换热器设计，也可以进行固定板式浮头式换热设计，同时也可以实现无相变传热、与有相变传热的设计计算。具体计算流程如图二所示：具体设计过程如下，首先进行换热系数初步选择，可通过工程经验完成，然后通过相应计算得到所需换热面积，并对换热器结构加以选择，以此作为根据，对分段单元加以确定，接着完成温度分布的计算，随后根据各段平均温度完成对应的物性参数选择，并以此对每一个设计单元进行相应的工艺设计，最后，完成换热器总传热系数的计算，然后将该系数与初选传热系数进行比较，如果两者误差小于20%，则满足要求，否则需要重新确定初选传热系数，并通过反复进行计算，直到将误差控制合理范围内为止。然后还要对压降校核加以计算分析，如果压降没有达到相应的要求，那么需要返回对结构参数重新进行选择，并在完成相应设计计算后，利用该软件可以输出相应的分段单元性能参数、结构参数以及温度分布等。此外，在此基础上，文章还对该设计功能进行了优化，用户只需要完成工艺条件及物性数据的输入，不需要再对管壳结构加以选择，该软件系统就可以自动对每一个管壳结构尺寸进行计算设计，并根据总传热系数与压降的比值作为评价标准，自动为用户选择效能更高的管壳程结构。

总结：综上所述，在对管壳式换热器进行设计的过程中，文章所采用的分段设计方法对物性所带来的变化进行了充分的考虑，有效提升了设计的精确性，并且利用该方法设计有效减少了换热器性能参数的误差，在软件开发上，通过利用VB6.0语言完成软件开发的设计，有效提升了设计精度，节省了设计时间，实现了用户使用体验的提升。

参考文献：

[1]周玉,郑楠,赵明飞等.管壳式换热器设计程序开发及变工况特性分析[J].东北电力技术,2015,36(8):50-54.

[2]郑楠.管壳式换热器热力计算软件开发及优化设计[J].华电技术,2016,38(4):8-11.