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管壳式换热器热力计算软件开发

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管壳式换热器热力计算软件开发 收稿日期 : 2010 - 01 - 13 王  坤 (1987 -  ) ,硕士 ; 110819 辽宁省沈阳市。 管壳式换热器热力计算软件开发 王 坤 于庆波 赵 曜 (东北大学 材料与冶金学院 ) 摘 要  介绍了利用管壳式换热器回收余热的热力计算软件 , 软件以 VB 610编程语言为开发 平台 , 可以实现管壳式换热器的热力设计计算和热力校核计算。通过该软件可以对换热器进 行优化设计。 关键词  加热炉  管壳式换热器  热力计算 D evelopm en t of therm odynam i...

管壳式换热器热力计算软件开发
收稿日期 : 2010 - 01 - 13 王  坤 (1987 -  ) ,硕士 ; 110819 辽宁省沈阳市。 管壳式换热器热力计算软件开发 王 坤 于庆波 赵 曜 (东北大学 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 与冶金学院 ) 摘 要  介绍了利用管壳式换热器回收余热的热力计算软件 , 软件以 VB 610编程语言为开发 平台 , 可以实现管壳式换热器的热力设计计算和热力校核计算。通过该软件可以对换热器进 行优化设计。 关键词  加热炉  管壳式换热器  热力计算 D evelopm en t of therm odynam ic ca lcula tion software for shell and tube hea t exchanger W ang Kun Yu Q ingbo ZhaoYao (Northeastern University) Abstract The thermodynam ic calculation software for shell and tube heat exchanger used for the waste heat recovery was introduced. The software was developed using VB 610 language. The design calculations and the check calculations could be finished by the software. The software could p rovide foundations for later op tim izing design. Keywords heating furnace shell and tube heat exchanger thermodynam ic calculation   钢铁厂的加热炉是大型的耗能设备 , 其出炉 膛烟气温度一般为 900℃左右 , 经加热炉尾部空 气换热器换热后的烟气温度仍然有 450~500℃, 然后排入大气 [ 1 ] , 很大一部分热量没有得到回 收利用 , 造成了能源的浪费。随着国家节能减排 工作的推进 , 烟气余热的回收受到越来越多的关 注 , 其余热的回收利用将对钢铁企业的节能减排 起到重要的作用。 目前低温余热的利用方式主要有两种 : 一种 是余热 -蒸汽 -电方式 , 另一种是余热 -热水方 式 [ 2 ]。采用第一种方式 , 余热回收的品位高 , 但回收的难度、设备的投资等都远远大于第二种 方式。钢铁企业生产需要消耗大量的热水 , 例如 其冷轧厂的酸洗车间 , 酸洗液的温度一般要求在 70℃左右 , 以往都是采用蒸汽加热的方式 [ 3 ] , 蒸汽的能级降低 , 造成了能源的浪费 , 而采用热 水代替蒸汽加热的方式可实现能源的梯级利用。 整个钢铁企业需要消耗大量的生活热水 , 例如冬 季采暖 , 夏季浴水供应等。因此一些钢铁企业开 始采用第二种余热利用的方式回收余热资源 , 得 到了很好的节能效果。 用于低温烟气余热回收的装置有很多 , 如管 壳式换热器、板式换热器、热管换热器等 , 其中 管壳式换热器已经在石油、化工、动力和油田储 运等系统中得到了广泛的应用 , 具有易于制造、 成本较低、清洗方便并能适应高温高压的场合等 优点 [ 4 ]。 由于钢铁厂所使用的加热炉类型繁多 , 每座 加热炉的排烟温度、烟气产量、烟气成分等都不 尽相同 , 采用传统的管壳式换热器手算设计方 法 , 针对不同的设计工况都要重新进行计算 , 计 算过程繁琐 , 设计周期很长。利用 VB 610编程 语言开发管壳式换热器热力计算的软件可以克服 32 Vol129 No13 May12010         冶  金  能  源ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY 这一缺点 , 并能够提高热力计算的准确性 , 另外 软件具有友好的界面 , 用户可以选择合适的换热 器安装形式和结构形式。该软件是方便的管壳式 换热器热力计算的工具。 1 管壳式换热器的热力计算 热力计算主要包括热力设计计算、热力校核 计算和管、壳侧压降计算。设计计算的目的主要 是确定换热器的换热面积和管、壳侧主要的结构 尺寸 ; 校核计算的目的主要是校核烟气的出口温 度是否达到设计的要求 ; 而管、壳侧压降计算则 是检验换热器设计是否合理的一个重要的指 标 [ 5 ]。 (1) 换热器热力计算的基本公式 换热器热力计算的基本公式主要为传热方程 式和热平衡方程式 : 传热方程式 Q = Km AΔTm (1) 热平衡方程式 Q =m 1 cp1 ( t′1 - t″1 ) =m 2 cp2 ( t′2 - t″2 ) (2) 式中 : Km 为整个换热面上的平均传热系数 , W / (m2 K) ; A为换热器总的换热面积 , m2 ; ΔTm 为 冷热流体之间的平均温差 , K; m 1 , m 2 分别为 冷、热流体的质量流量 , kg/ s; cp1 , cp2分别为 冷、热流体的定压比热 , J / ( kgK) ; t′1 , t″1分 别为冷流体出、进换热器的温度 , K; t′2 , t″2 分 别为热流体进、出换热器的温度 , K。 (2) 平均温差与总的传热系数的计算 平均温差采用对数平均温差计算 Δtm =ψ(Δtmax -Δtm in ) / ln (Δtmax /Δtm in ) (3) 总传热系数的计算 Km = 1 / (1 /αi + ri +δh /λh + ro + 1 /αo ) (4) 式中 : Δtmax , Δtm in分别为流体进口温差与出口温 差之中的大者和小者 , K; ψ为温差修正系数 , 由参考文献 [ 6 ] 中图 2 - 27至 2 - 29查取 ; αi , αo 分别为管侧和壳侧的对流传热系数 , W / (m2 K) ; δh 为管壁的厚度 , m; λh 为管壁的导 热系数 , W / (mK) ; ri , ro 分别为管侧和壳侧 的污垢热阻 , m2 K/W。 (3) 管、壳侧对流传热系数的计算 ①管侧对流传热系数的计算 管内湍流 N uf = 01023R e2 /3f P rnf (5) 管内层流 N uf = 1186R e1 /3f P r1 /3f ( d / l) 1 /3 ( uf / uw ) 0114 (6) 式中 : N uf , R ef , P rf 分别为努赛尔 , 雷诺和普 朗特准则数 ; n为常数 , 流体被加热时取 014, 被冷却时取 013; d, l分别为管的内径和管的长 度 , m; uf , uw 分别为流体的平均动力粘度和管 壁处的动力粘度 , kg/ (m·s)。 ②壳侧对流传热系数的计算 一般情况下在壳侧加折流板来强化壳侧的对 流换热。折流板的形式有很多种 , 目前最常用的 是弓形折流板。壳侧对流换热系数的计算采用 bell法 : ho = hc ×JC ×JL ×JB ×JS ×JR (7) 式中 : hc 为理想管排的传热系数 , W / (m2 K) ; JC 为圆缺窗口流体流动的修正系数 ; JL 为折流 板泄露的修正系数 ; JB 为管束旁路的修正系数 ; JS 为进出口折流板不等距的修正系数 ; JR 为流 体在壳程滞流的修正系数。式中理想管排的传热 系数和各修正系数的计算参照文献 [ 7 ] 和文献 [ 8 ]。 (4) 管、壳侧压降的计算 ①管侧压降主要由三部分构成 : 管内的压降Δpt = 4ξt G2i L nt (μf /μw ) - 0114 / (2ρi gdi ) (8) 管箱处由于流体改变方向时的压降Δpr = 4G2i nc / (2gρi ) (9) 接管处的压降Δpn = 115G2i nc / (2gρi ) (10) ②壳侧压降的计算主要分有无折流板两种情 况 : 无折流板Δps =Δξs G2oL (μf /μw ) - 0114 / (2gρ0 do ) (11) 有折流板 Δps = 1014G2oL /ρo (12) 式中 : Gi , Go 分别为管内和管外流体的质量流 速 , kg/ s; di , do 分别为管内径和管外径 , m; nt 为管程数 ; ξt , ξs 分别为管侧和壳侧的摩擦系 数 ; ρi , ρo 分别为管侧和壳侧流体的密度 , kg/ m 3 ; nc 为流体流动过程中换向的次数 , nc = nt - 1。 2 热力计算软件的开发 软件的开发主要涉及了两方面的内容 , 首先 依据热力计算的理论基础 , 绘制了程序的开发框 42 冶  金  能  源 ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY        Vol129 No13 May12010 图 ; 其次围绕软件要实现的功能 , 设计了软件的 界面并编写了程序的主代码。 211 软件的算法设计 根据管、壳侧流体种类的不同 , 将管壳式换 热器分成两种形式 : 烟气在管侧流动称之为火管 式 , 烟气在壳侧流动称之为烟道式。该软件的算 法设计综合考虑了钢铁厂加热炉烟道的结构、换 热器的布置、换热器的使用工况以及程序语言实 现的可能性 , 对不同安装形式和结构形式下管壳 式换热器的热力计算分别设计了算法。以烟道式 换热器热力设计计算为例 , 其算法如图 1所示。 图 1 热力设计计算开发框图 212 软件的功能及界面的设计 软件具有如下的功能 : (1) 计算功能 : 可以实现不同安装形式和 结构形式下管壳式换热器的热力设计计算和热力 校核计算 ; (2) 输入数据维护功能 : 设计或校核过的 管壳式换热器的基本数据都会存入到数据库中 , 方便数据的调入并可以实现数据的随时更新 ; (3) 计算结果保存功能 : 将热力计算的结 果保存到 Excel表格中 , 方便用户进行计算结果 的分析和比较 ; (4) 附加功能 : 具有单独的用来计算烟气 和水与水蒸气物性参数的界面 , 方便了用户对烟 气和水与水蒸气物性参数的计算 , 避免了繁琐的 查表、查图过程。 围绕软件要实现的功能 , 对管壳式换热器的 主体界面进行设计 , 用户可以在此界面输入热力 计算所需的基本数据 ; 选择计算的模式 ; 通过选 择下一步操作中相应的按钮 , 可以进入软件各个 二级界面 , 在二级界面中用户可以选择换热器具 体的安装形式和结构形式 , 并可以实现计算结果 的显示 ; 菜单栏和工具栏中的相关按钮可以实现 数据文件的新建、打开、保存、另存为等功 能 [ 9 ]。 213 软件的实例应用 应用软件对烟道式换热器进行了热力设计计 算 , 结果见表 1。 3 结语 该软件可以针对不同的加热炉 , 不同的设计 工况和使用条件 , 对管壳式换热器进行热力计 算 , 缩短了换热器的设计周期 , 提高了热力计算 的准确性。计算实例结果表明 , 所设计换热器的 尺寸、压降等都在合理的范围之内。另外可以通 过对不同热工参数和结构参数下热力计算结果的 分析比较 , 为后续管壳式换热器的优化设计提供 依据。 52 Vol129 No13 May12010         冶  金  能  源ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY 表 1 设计计算实例 基本数据 换热器进出口流体的温度 /℃ 初始进口烟温 450 初始进口水温 20 设计出口烟温 200 设计出口水温 80 N2 70167 H2O 12164 换热器入口烟气成分 /% CO2 1015 O2 5193 SO2 0121 CO 0105 烟气流量 /m3 ·h - 1 20000 结构参数 管程流体种类 水 换热管结构 光管 管程参数 换热管排布 叉排 换热管材质 20# 换热管外径 do /mm 48 换热管内径 /mm 41 换热管纵向间距 s1 / do 3 换热管横向间距 s2 / do 3 壳程流体种类 烟气 壳体外径 /mm 2012 壳程参数 壳体内径 /mm 2000 壳体折流板形式 弓形 折流板间距 /mm 800 折流板圆缺面积 /m2 0164 设计计算结果 换热器的总体结构 管程数 8 壳程数 1 设计水流量 / kgh - 1 2694516 换热器中流体流速 /m·s - 1 水流速 0137 烟气流速 412 换热器的传热系数 /W (m2 K) - 1 水传热系数 72118 烟气传热系数 4415 总传热系数 4117 换热器的压降 /Pa 管侧水的压降 62313 壳侧烟气的压降 31819 换热器的换热面积 /m2 换热管根数 总换热面积 139 18912 换热管长度 /m 9104 参 考 文 献 [ 1 ] 陆钟武 , 杨宗山等 1火焰炉 [M ]. 东北大学出版 社 , 19941 [ 2 ] 赵之军 ,陆  方 1钢铁厂加热炉尾部烟气余热回收 优化措施 [ J ]. 冶金能源 , 2000, 19 (3) : 34 - 361 [ 3 ] 王海燕 ,梁振威 ,时海涛等 1唐钢冷轧薄板厂酸洗工 艺与设备优化 [ J ]. 轧钢 , 2007, 24 (5) : 35 - 371 [ 4 ] 潘继红 , 田茂诚 1管壳式换热器的分析与计算 [M ]. 科学出版社 , 19961 [ 5 ] 钱颂文等 1换热器设计手册 [M ]. 化学工业出版 社 , 20021 [ 6 ] 王秉铨等 1工业炉设计手册 [M ]. 机械工业出版社 , 20001[ 7 ] 齐福来 1无相变管壳式换热器壳程传热计算方法的进展 [ J ]. 上海医药工业工设计院 , 2002, 23(3) : 29 - 361[ 8 ] Zahid H. 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分类:生产制造
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