（热能工程专业论文）具有凝结的混合气体热回收装置cad系统的设计与开发.pdf

摘要 在化工与能源动力领域中，蒸汽凝结是一个十分重要的课题。许多研究者开 展了较为深入的研究，然而许多工作是局限于纯工质凝结问题的，而在工业领域 常常要回收具有凝结的混合气体余热。从现有文献和设计手册来看，常规换热器 的设计方法和标准已较为成熟完善，但针对具有凝结的混合气体热回收装置这 种特殊的管壳式换热器缺乏相关设计算法，由于其传热过程涉及两相流、传热 传质、潜显热交换等多方面问题，传热设计过程相当复杂和繁琐，加之工况各 异、结构多样更加重了其设计工作量。采用传统手工计算及绘图设计周期长、 可靠性差，难以满足用户需求和市场发展。因此，建立一种适用于具有凝结 的混合气体热回收装置的算法，并基于算法开发出一套集热回收装置工艺设 计计算、c a d 参数化绘图功能于一体的换热器辅助设计系统具有重要的工程 应用价值。 本文通过对具有凝结的混合气体热回收装置的传热传质机理和结构流程特点 分析，采用面向对象、模块化和结构化软件开发思想，研究开发出一个适用于具 有凝结的混合气体热回收装置的c a d 系统软件包，实现对该类型换热器设计的 自动计算与绘图、修改及输出，其主要研究成果如下： ( 1 ) 结合具有凝结的混合气体热回收装置传热传质过程机理和工程实际设计 制造过程，建立了一种算法，详细内容请参阅本文第四章。 ( 2 ) 基于面向对象、模块化和结构化软件开发思想，提出余热回收装置c a d 系统的总体设计方案，将系统细分为工艺设计子系统、参数化绘图子系统、结果 输出子系统。 ( 3 ) 根据具有凝结的混合气体热回收装置的传热传质过程机理，开发出热回 收装置的工艺设计计算子系统，软件结合生产实际可完成对六种不同结构形式的 换热器热力参数和阻力参数的自动计算。鉴于该换热器传热过程伴有蒸汽凝结， 因此采用微元( 分段) 计算方法来计算凝结换热过程。 ( 4 ) 结合v b 6 0 并以a u t o c a d 为二次开发平台，采用模块化设计方法，开 发出热回收装置的参数化绘图子系统，实现热回收装置管板图和换热段图的自动 绘制输出。 ( 5 ) 文末以单管程一双壳程热回收装置为例，介绍该软件的功能特点和使用 过程。本软件系统界面友好、操作简单、实用性强，目前已交付湖南正大轻科 机械有限公司使用，经反馈该系统运行良好，计算结果准确合理，极大的提高了 热回收装置的设计效率，并有效保证了设计质量，为企业快速响应客户需求，争 取市场先机提供了便利，有较强的实际应用价值。 关键词：余热回收装置；凝结性混合气体；工艺设计计算；分段计算；c a d 参数化绘图 玎 a bs t r a c t v a p o rc o n d e n s a t i o ni sa l li m p o r t a n tt o p i ci nc h e m i c a l 、e n e r g ya n dp o w e rf i e l d s m a n ye x p e r t sh a v ed o n em u c hr e s e a r c hi ni t , h o w e v e rm a n yw o r k i sl i m i t e dt op u r e w o r k i n gf l u i dp r o b l e m ，a n dw a s t eh e a tr e c o v e r yo fe x h a u s tw i t hv a p o rc o n d e n s a t i o ni s n u m e r o u si ni n d u s t r i a lf i e l d s a sf a ra se x i s t i n gl i t e r a t u r e sa n dd e s i g nh a n d b o o k sa r e c o n c e r n e d ，t h ed e s i g nm e t h o da n ds t a n d a r do fh e a te x c h a n g e r h a v eb e e nr e l a t i v e l y p e r f e c t ，b u tn o tf o rt h i ss p e c i a le x h a u s t 晰mv a p o rc o n d e n s a t i o nh e a tr e c o v e r yu n i t ，i t s h e a tt r a n s f e rp r o c e s ss u p p o r t e db yv a r i o u sc o n t e n ts u c ha st w o - p h a s ef l o w 、h e a ta n d m a s st r a n s f e r 、l a t e n ta n da p p a r e n th e a te x c h a n g e ，s od e s i g nc a l c u l a t i o np r o c e s so f h e a tr e c o v e r yu n i ti sc o m p l e xa n dt e d i o u s ，t o g e t h e r 谢也t h ec o n d i t i o na n ds t r u c t u r ei s v a r i o u sd i f f e r e n t ，b r i n g i n gm o r eh e a v i e rd e s i g nw o r k l o a d t h et r a d i t i o n a lm a n u a l c o m p u t a t i o na n dd r a w i n gc o u l dh a r d l ym e e tt h eu s e rn e e d a n dm a r k e td e v e l o p m e n t b e c a u s eo fi t sl o n gd e s i g np e r i o da n dp o o rr e l i a b i l i t y t h e r e f o r e ，t h eh e a tr e c o v e r yu n i t c a d s y s t e mw h i c hc a nr e a l i z et h ef u n c t i o n so ft e c h n o l o g i c a ld e s i g nc a l c u l a t i o na n d c a dp a r a m e t r i cd r a w i n gh a si m p o r t a n te n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nv a l u eb a s i n go na a l g o r i t h mw h i c h i ss u i t a b l ef o re x h a u s t 埘吐1v a p o rc o n d e n s a t i o nh e a tr e c o v e r yu n i t i nt h i sp a p e r , b ya n a l y s i n gt h ec o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e rm e c h a n i s mo fv a p o r m i x t u r e 诵t l ln o n - c o n d e n s a b l eg a sa n dd e v i c es t r u c t u r ea n du s i n gt h eo b j e c t - o r i e n t e d 、 m o d u l a ra n ds t r u c t u r e dc o n c e p t s ，t h ed e s i g ns o f t w a r es y s t e mw h i c hc a nr e a l i z et h e a u t o m a t i cc a l c u l a t i o n 、p a r a m e t r i cd r a w i n g 、m o d i f i c a t i o na n do u t p u tw a sd e v e l o p e df o r e x h a u s t 、订t l lv a p o rc o n d e n s a t i o nh e a tr e c o v e r yu n i t m a j o rr e s e a r c hr e s u l t sa r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do nc o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t i o no ft h e c o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e r m e c h a n i s mo fv a p o rm i x t u r ew i t hn o n - c o n d e n s a b l eg a sa n de n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，a n e wa l g o r i t h mw a se s t a b l i s h e d f o rd e t a i l s ，p l e a s er e f e rt oc h a p t e r4o ft h i sp a p e r ( 2 ) b a s e do nt h eo b j e c t - o r i e n t e d 、m o d u l a ra n ds t r u c t u r e dc o n c e p t s ，t h eo v e r a l l d e s i g ns c h e m eo fc a ds y s t e mf o rh e a tr e c o v e r yu n i ti n c l u d i n gp r o c e s sd e s i g n c a l c u l a t i o ns u b s y s t e m ，p a r a m e t r i cd r a w i n gs u b s y s t e ma n dr e s u l t se x p o r ts u b s y s t e m w a sb r o u g h tf o r w a r d ( 3 ) b a s e d o i lh e a ta n dm a s st r a n s f e rm e c h a n i s mo fe x h a u s tw i t hv a p o r c o n d e n s a t i o nh e a tr e c o v e r yu n i t ，t h ep r o c e s sd e s i g nc a l c u l a t i o ns u b s y s t e mw a s d e v e l o p e d ，w h i c hc o u l dr e a l i z et h ea u t o m a t i cc a l c u l a t i o no ft h e r m a lp a r a m e t e r sa n d r e s i s t a n c ep a r a m e t e r so fs i x 击f f e r e n ts t r u c t u r eh e a te x c h a n g e r si nc o m b i n a t i o nw i t h i h p r o d u c t i o np r a c t i c e i nv i e wo ft h eh e a tt r a n s f e rp r o c e s sw i t hv a p o rc o n d e n s a t i o n , i n f i n i t e s i m a lm e t h o d ( s e g m e n t a t i o nm e t h o d ) f o rc a l c u l a t i o np r o c e s so fh e a tr e c o v e r y u n i tw a su s e d ( 4 ) u s i n gm o d u l a rm e t h o da n dt a k i n ga u t o c a d a ss e c o n d d e v e l o p m e n tp l a t f o r m b a s e do nv b 6 0 ，t h ep a r a m e t r i cd r a w i n gs u b s y s t e mw a sa c h i e v e d ，w h i c hc o u l dc a r r y o u tt h ed r a w i n go ft u b es h e e ta n dh e a te x c h a n g es e c t i o na u t o m a t i c a l l y ( 5 ) t a k i n gs i n g l et u b ea n dd o u b l es h e l lh e a tr e c o v e r yu n i ta sa l le x a m p l e ，t h e f u n c t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c sa n du s i n gp r o c e s so fs o f t w a r ew e r ei n t r o d u c e da tt h ee n do f t h i sp a p e r w i t hf r i e n d l yi n t e r f a c e ，e a s yo p e r a t i o na n ds t r o n gp r a c t i c a b i l i t y , t h i s s y s t e mh a sb e e nu s e di nz h e n gd aq i n gk eh i t e c hm a c h i n e r yc o ，l t d b yt e s t i n g ， t h i ss y s t e mr u nw e l la n dr e s u l t si sa c c u r a t ea n dr e a s o n a b l e t h er u n n i n gr e s u l t s i n d i c a t et h a tt h es y s t e mc o u l di m p r o v et h ed e s i g ne f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo fh e a t r e c o v e r yu n i ta n dh e l pc o m p a n ym a k ef a s tr e s p o n s et ot h ec u s t o m e rr e q u i r e m e n ti n o r d e rt oo b t a i na ne a r l ys t a r ti nt h em a r k e t , t h e r ea r el o t so fp r a c t i c a l i t yv a l u e k e y w o r d s ：h e a tr e c o v e r yu n i t ；e x h a u s tw i t hv a p o rc o n d e n s a t i o n ；p r o c e s sd e s i g n c a l c u l a t i o n ：p i e c e w i s ec a l c u l a t i o n ：c a dp a r a m e t r i cd r a w i n g i v 1 1 课题研究背景 第一章绪论 随着现代工业的快速发展，能源消耗量不断增加，能源紧张已成为一个世界 性问题，同时以能源为中心的环境、生态等问题日益加剧。为缓和能源紧张和环 境问题，世界各国在寻找新能源的同时，也更加注重节能降耗新途径的研发。余 热是载于气、液、固等介质的二次能源，大量并广泛的存在于工业生产过程中。 因此有效回收利用余热资源对开源节能、提高能效显得尤为重要。 换热器是广泛应用于化工、石油、制药、冶金、制冷、轻工及能源等行业 进行热量交换的通用工艺设备。换热器是余热回收装置的核心成员，其性能 的优劣直接影响到能源的有效利用和工业设备的性能，因此对换热器的理论研 究、新技术和新产品研发方面受到各国政府和各界机构的高度重视。在化工与动 力领域中，蒸汽凝结是一个十分重要的课题，许多研究者对纯工质、混合工质、 含不凝性气体等工况开展了较为深入的研究，并取得了一定成果【l 叫；管壳式换 热器具有结构简单，操作可靠，适用制造材料多样，耐高温高压的特点，是目前 应用最广泛的换热器。因此针对管壳式换热器强化传热、新型高效产品的研究较 多。强化传热的方法主要有：对传热管件表面工艺处理以获得扩展表面和粗糙表 面：添加插入件以增强流体自身扰动；将换热管内表面轧制成各种不同形状以使 管内流体发生湍流，同时增加换热管内外有效传热面积；采用多弓形、整圆形、 异形孔折流板支承结构以改变流体流动方式，进而尽可能消除死角，改善换热器 的传热性能【5 - 9 1 。 随着科学技术的高速发展和市场竞争的日益激烈，企业对换热器及其设计提 出更高要求：节能、减耗、高效、环保型产品；产品个性化、多样化、适应范围 广、设计周期短i l 叫2 1 。然而具有凝结的混合气体热回收装置的传热过程涉及两 相流、传热传质、显潜热交换等多方面问题，同时计算过程中需要处理大量 的气体物性参数，所以其传热设计过程相当复杂和繁琐，而且传统人工绘图 远不能适应市场需求。利用计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 技术取 代手工计算、绘图，一方面可以大大缩短换热器的设计周期、减少设备投资、 提高设计质量和设计效率，另一方面使工程设计人员从传统繁杂的劳动中解 放出来，将更多精力投注在新产品的研发上f 1 3 , 1 4 。目前，针对无相变管壳式 换热器设计软件的研发较为成熟完善，而对于具有凝结的混合气体热回收装 置这种特殊的管壳式换热器工艺设计软件的研发尚属空白；常规管壳式换热 器的传热设计理论、方法及标准不适用于该类型换热器。因此，对于这种特 殊的热回收装置传热过程进行分析研究、明确其换热效果，并开发出一套集 工艺设计计算、c a d 参数化绘图功能于一体的计算机辅助设计系统对其工程 应用具有重要的现实意义。 1 2 余热回收与利用发展现状 1 2 1 余热回收的基本概述 余热是指被考察体系( 某一设备或系统) 排出的热载体所释放的高于环境温 度的热量或可燃性废物的低发热量【”】。它包括冷却介质余热、高温产品和炉渣余 热、废汽废水余热、高温废气余热、可燃废气废液和废料余热、化学反应余热以 及高压流体余压等七种。余热回收利用的途径按合理性来说依次为：综合利用、 直接利用、间接利用。有调查显示各行业的余热总资源约占其燃料消耗总量的 1 7 弗7 ，可回收利用的余热资源约为余热资源的6 0 1 1 6 17 1 。如此之多的余热 量如果不经任何处理直接排放到大气环境中，不仅会造成大量的热损失，而且会 对生态环境产生热污染。因此余热回收是实现节能减排、保护环境的重要途径。 1 2 2 余热回收换热器基本概述 余热回收常用的热能转换装置有换热器、余热锅炉、热管、热泵等，换热器 在余热回收工程中，是一种成熟的装置【l 睨o 】。选用设计合理、结构简单适合的余 热回收换热器对有效回收各种工业余热并节约能源有重要实际意义。 随着工业生产规模的不断扩大和各项新技术的逐代更新，用户对余热回收换 热器的设计制造提出了更多更高的要求。因此，对其进行合理设计是至关重要的。 余热回收换热器的合理设计目标【2 l j ： ( 1 ) 流体( 煤气、空气) 压降要小且符合系统的要求，这样既可减小动力消 耗，又能保证一定的传热量和流体的出口温度。 ( 2 ) 采用传热强度高、密集度大的传热面( 插入件、热管等) ，以保证有较 小的外形尺寸和重量。 ( 3 ) 有一定的连续工作寿命，维修简单。 ( 4 ) 安全可靠，考虑了热应力、结构强度和防腐性能等。 ( 5 ) 尽量减少初投资，制造容易。 据此同样可得知衡量换热器性能优劣的几个经济指标：冷介质预热温度、阻 力损失、总传热系数、温度效率、热效率、造价、寿命、换热器的成本回收期等。 在进行换热器设计时，结合生产实际，设定约束条件，建立目标函数，力求换热 2 器各项经济指标最大化，从而选出最佳方案瞄1 。 1 3 换热器c a d 开发技术的发展现状 1 3 1 c a d 开发技术的基本概念和发展概述 随着计算机技术的快速发展和市场竞争的日益激烈，以计算机辅助设计 ( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ，简称c a d ) 技术为代表的现代设计技术已经渗透到工 业产品设计的每一个阶段。c a d 技术是指利用计算机及其图形设备帮助设计人 员开展设计工作，从计算机科学的角度看，其过程是一个关于产品信息的产生、 处理、交换和管理的过程瞄】。它将设计人员的分析判断能力、经验、创造性思维、 专业技能和计算机的逻辑判断能力、巨大储存能力、高速运算能力和自动控制能 力有效的结合起来【2 4 筇】。通常以具备图形功能的交互计算机系统为基础，设计人 员借助于多种外部人机接口与计算机建立联系、交换信息，二者协同合作，从而 更高效地完成设计工作。缩短设计周期，提高设计质量，减少设备投资和生产成 本。 c a d 系统以计算机硬件、软件为支持环境，包括动态仿真功能、计算分析、 结构分析、计算机辅助绘图、交互式图形设计和几何造型、工程数据管理和网络 通信、优化设计等功能模块，图1 1 是个简单的c a d 系统1 2 6 2 7 】。 图1 1 一个简单的c a d 系统 c a d 技术是涉及计算数学、计算机科学、程序设计方法学、计算机图形学、 微电子技术等多种学科的一门交叉学科。随着众基础学科的发展及对c a d 应用 的深入推广，它势将为传统工程设计制造业的设计方法和生产组织模式带来深刻 变革，进而提高产品市场竞争力，创造出更多的经济效益。 设计中的两项大任务是分析和绘图，c a d 的产生和发展一直和图形设备及计 算机图形处理能力相关联。其发展历程如- 下 2 9 - 3 0 1 ： ( 1 ) c a d 技术的产生( 2 0 世纪5 0 年代初)1 9 5 8 年，美国c a l c o m p 公司 推出滚筒式绘图仪。同年，g e r b e r 公司在数控机床的基础上成功推出平板式绘图 仪，它的诞生标志了被动式绘图阶段的开始。 ( 2 ) 研制阶段( 2 0 世纪6 0 年代初巧0 年代中) 1 9 6 2 年，美国麻省理工学 院( m i t ) 林肯实验室的i e s u t h e r l a n d 发表了“s k e t c h p a d ：一个人机通信的图 形系统的博士论文，此后被公认为“交互式计算机图形学的开端，也为c a d 的发展奠定了基础。同期出现了c a d 的曲面片技术和商品化c a d 设备。 ( 3 ) 商品化阶段( 2 0 世纪6 0 年代中7 0 年代中) 2 0 世纪7 0 年代，完整的 c a d 系统开始形成，后期推出多种形式的图形输入设备，促进了c a d 技术的发 展。同时微电子工业飞速发展，大规模集成电路导致微型计算机诞生，小型计算 机费用下降，商品化的c a d c a m 系统在中小型企业逐步接受普及。 ( 4 ) 推广应用阶段( 2 0 世纪7 0 年代中8 0 年代初)整个2 0 世纪8 0 年代 是世界c a d 技术百花齐放的繁荣昌盛时期，由于各种硬件平台和软件平台的不 断交替更新，各种优秀应用软件层出不穷，网络和数据库技术的飞跃发展，使 c a d 以人们所意料不到的高速度发展，c a d 完全代替手工绘图已是指日可待。 ( 5 ) 个人c a d 系统阶段( 2 0 世纪8 0 年代初至今)由于市场需求、制造 可行，1 9 8 2 年，以1 6 位或准1 6 位个人p c 为基础的p e r s o n a lc a d 系统首先在 美国问世。该阶段特点是不同大中小规模的c a d 系统功能更趋于完善，将分析、 设计、测试、制造、管理组合在一起的计算机集成制造系统( c o m p u t e ri n t e g r a t e d m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，c i m s ) 更为发展。 2 0 世纪8 0 年代中期以来，c a d 软硬件的发展方向更趋于集成化、标准化、 网络化和智能化，人工智能和专家系统在c a d 系统中的应用，使设计过程更趋 自动化。2 0 世纪9 0 年代，计算机辅助设计与辅助制造( c o m p u t e ra i d e d m a n u f a c t u r i n g ，c a m ) 联成一体的c i m s 更趋于成熟。c a d 技术经过酝酿、试 验研制，商品化、推广应用、个人c a d 系统五个阶段的发展，现已成为设计单 位必不可少的重要设计手段。1 9 9 0 年美国工程科学院评定c a d 技术为当代十项 最杰出的工程技术成就之一。 1 3 2 换热器c a d 开发技术的发展现状 随着计算机和c a d 技术的不断发展，利用c a d 技术开发换热器设计系统成 为必然趋势，发达国家许多知名的换热设备制造公司对先进计算机辅助设计技术 表现出了极大的兴趣，并对其展开广泛而深入的研究。近年来技术发展日渐成熟， c a d 软件在工业的推广应用中取得了巨大的经济效益和社会效益。国外在换热 4 器c a d 系统的开发上已取得一定成果，如美国h t r i 传热研究公司开发的单相 与两相流管壳式换热器设计与模拟软件( i s t ) 、换热器振动分析( v i b ) 、板式 换热器设计软件( p h e ) ；英国h t f s 传热及流动服务公司开发的管壳式换热器 设计软件( t a s c ) ，板翅式换热器设计软件( m u s e ) 和板式换热器设计软件 ( a p l e ) ：前苏联亦展开了对换热器计算机辅助设计的研究，并有一些进展与成 果。目前，国外比较成熟且应用较多的有“d o u b l ep i p eh e a te x c h a n g e rd e s i g n ( 套 管式换热器计算软件) ：由舒瑞普公司开发适用于本公司的“s s p 2 0 0 0 ( 板翅 式换热器选型软件) ；专门用于管壳式换热器的“s h e l la n dt u b ee x c h a n g e r d e s i g n ”设计计算软件；专门用于板翅式换热器的“g a s k e t e dp l a t eh e a te x c h a n g e r d e s i g n 设计计算软件；集换热器热力计算和工艺设计的设计计算软件“h t r i x c h a n g e rs u i t e6 0 ；美国w h e s s o e 公司开发的h e c a t 系统，可同时完成产品设 计、材料估算、装配图绘制多项任务【3 5 1 。随着c a d 技术在换热器设计领域的 深入推广应用，设计软件也不断完善，但是国外现有的换热器设计软件其参考标 准和规范与我国不同，直接引用不匹配，另外该类型软件多为商用，价格昂贵。 国内c a d 技术的研究与应用起步较晚，自2 0 世纪8 0 年代发展至今，对c a d 技术的研究已取得长足进展，并于各行业广泛应用。目前，c a d 技术在换热设 备设计中的应用主要有二维绘图、三维造型、建立图形及符号库、设计文档或生 成报表、参数化设计、有限元建模与分析、数控编程、优化设计、数据库管理系 统等。如全国化工设备设计技术中心站开发的p v c a d 和p v d e s k t o p 以及 p v d s 等几个模块；兰州石油机械研究所开发的浮头式换热器l a n s y sh f 、u 形 管式换热器l a n s y sh u 等c a d 软件；黄河水利委员会水利科学研究院在2 0 0 2 年研制出热力系统换热器智能c a d 系统；另有中国石油化工总公司、中国环球 化学工程公司、洛阳石油化工总公司等单位对换热器的设计开发方面也作了很多 研究，有效推动了我国换热器的设计，技术标准的制定、改进及推广的发展进程 1 3 6 】。但是目前我国开发的换热器设计软件针对性强、通用性差、缺乏系统性，其 商品化发展还有很大空间。 1 4 课题研究的理论意义与应用价值 本课题基于与湖南正大轻科机械有限公司合作的关于造纸行业气气热回收换 热器c a d 系统的研究项目。气气热回收换热器是造纸行业余热回收的常用换热 器，且具有区别于其他行业使用换热器的特殊性，它的换热效果对于提高造纸企 业余热回收效率、提高能量利用率、降低能耗等方面有重要的现实意义，因此该 类型换热器的研发及优化设计备受重视。 目前已有的管壳式换热器多用于液一液、液一气换热，这些类型的管壳式换热 5 器的制造，换热系数和阻力损失参数可以按照相关的国家标准和设计手册计算确 定，而对于造纸行业余热回收气气换热器这种特殊的管壳式换热器，相关的设计 手册中并没有非常合适的计算公式与设计标准予以参考；同时传统管壳式气气换 热器设计工作量大、周期长、效率低、设计质量差。因此，对于这种特殊的气气 换热器的换热系数和阻力损失进行研究，明确其换热效果，针对不同结构型式的 气气热回收换热器开发出一套适用的c a d 系统设计软件，对于生产厂家进行换 热器的合理设计，配套设备正确选型，快速响应用户需求，争取市场先机等方面 均有重要的理论指导意义和工程应用价值。 1 5 课题研究的主要内容 本课题是以具有凝结的混合气体热回收装置的参数化设计为核心，在研究其 传热机理并结合实际设计制造过程的基础上，开发出适合企业本身的热回收装置 c a d 设计系统，从而实现该类型换热器的自动工艺设计计算、c a d 参数化绘图 功能。本软件系统涉及六种不同结构型式的气气热回收换热器，其研发过程有如 下几方面内容： ( 1 ) 设定具有凝结的混合气体热回收装置c a d 系统的总体设计方案。通过 对热回收装置的设计功能要求、结构类型、传热机理、设计工况等多方面内容的 整体把握，初步提出热回收装置c a d 系统的设计流程及框架，随着具体开发工 作的进行，不断修正优化整个系统。 ( 2 ) 建立独立、完备的数据库。热回收换热器设计过程中需要处理大量的 气体物性参数和图表数据，利用m i c r o s o f ta c c e s s2 0 0 3 数据库技术，为热回 收装置c a d 系统建立一个可靠完备的数据表格库，便于管理、查询、调用相 关数据。该数据库包括有物性参数数据库、换热参数结果数据库及密码数据 库。利用v i s u a lb a s i c6 0 的数据库管理工具和访问功能，直接从数据库中检 索调用工艺设计计算所需的参数。 ( 3 ) 工艺设计计算。研究具有凝结的混合气体热回收装置传热过程，确 定设计计算流程及细节。本软件系统可在已知气体参数( 如：风温、风速、 风量、含湿量) 和结构参数( 如：管径、壁厚、管间距) 的条件下，自动计 算出换热参数结果( 如：排风出口温度、总传热系数、总传热面积、阻力损 失等) 。同时可查询分段计算的详细换热参数值，其中主要有各区间的冷凝水 量、换热量、换热面积等。 ( 4 ) c a d 参数化绘图。用户通过设计计算获得满意的热力参数值和结构参 数值后，将结构参数作为绘图参数，利用参数化程序，调用c a d 绘图命令，在 a u t o c a d 环境下自动完成热回收装置管板图和换热段图的绘制，包括基本图元、 6 图框、技术要求和技术特性表等内容。实现从尺寸数据到图形绘制的一体化、参 数化。 7 第二章具有凝结的混合气体热回收装置设计计算的 理论基础 具有凝结的混合气体气气热回收装置的传热过程涉及到传热传质学、流体力 学等相关知识。本章主要介绍具有凝结的混合气体热回收装置热力计算和阻力计 算的理论基础。 2 1 传热机理分析 如图2 1 所示，混合气体向管壁的传热量由显热传递和潜热传递两部分组成， 二者之和为总的传热量。当混合气体中的可凝性蒸气扩散至换热管壁，若管表面 温度低于混合气体的露点温度，则蒸气在管壁冷凝形成液膜，液膜表面被不凝结 气体界膜包围。混合气体的蒸汽分压力与冷凝液膜温度对应的饱和蒸气压的差， 即为传质推动力。蒸气经不凝结气体界膜扩散至冷凝液膜表面，发生冷凝并放出 潜热。混合气体放出的显热和潜热再通过冷凝液界膜、管壁、污垢、冷流体界膜 传至壳程冷流体p 。 图2 1 余热回收气气换热器传热传质过程 8 合气体 2 2 传热传质过程数学模型 根据含不凝结气体蒸气冷凝的传热特点，本文采用国际上公认的柯尔本 ( c o l b u r n ) 一豪根( h o u g c n ) 和布拉斯( b r a s ) 方法对具有凝结的混合气体热 回收装置的传热传质过程进行热力计算【3 7 】。在实际的冷却冷凝过程中，随着凝 结的不断进行，冷凝液的流动情况、沿程壁温、气相组分、气体物性不断发生变 化，这多方面的因素都使凝结侧的局部传热系数发生很大的变化，而且单位温降 的热负荷逐渐减少。综合考虑以上影响因素，采用微元( 分段) 计算的方法来计算 凝结换热过程【3 7 3 引。 ( 1 ) c o l b u m h o u g e n 热平衡式【3 7 1 混合气体中的可凝性蒸气透过不凝结气体的界膜扩散，取换热管段微元面积 刎，在冷凝液膜表面冷凝放出的潜热传热量为： 坦别：k g m v a , v f 旦乎1 出 ( 2 - 1 ) 式中：k g 传质系数，m o l ( m 2 - s ) m ，- 可凝性蒸气的摩尔质量，k g m o l a ，可凝性蒸气的凝结潜热，j k g 尸v 混合气体中可凝性蒸气分压，p a 路冷凝液膜表面蒸气分压，p a p 2 广不凝性气体分压的对数平均值，p a 中锴= 蔺 协2 ， i 户一只jlp 一只 p 换热器内混合气体的全压，p a 显热传热量坦a l 为： 坦洲= h g 眈一乃皿 ( 2 3 ) 式中： k 混合气体的界膜传热系数，w ( m 2 k ) l 混合气体温度， 珞冷凝液膜温度， 因此，从混合气体向冷凝液膜表面的总传热量( 显热量和潜热量之和) 坦为： 9 坦= 蛾+ 吐h 肌舢，( 警卜。2 4 ， 吐亿一乃皿+ 驰九l i l ( 篱卜 从冷凝液膜表面向管壁另- 倾, j j 冷流体的传热量为坦 坦h e ( r 矿- t ，妞 ( 2 - 5 ) 式中： 吃混合气体界膜传热系数以外的复合传热系数，w ( m 2 k ) r ，冷却介质的温度， 由换热管内外表面热平衡关系得： 坦= 坦 ( 2 6 ) 把式( 2 - 4 ) 和式( 2 - 5 ) 代入上式得到下面的c o l b u m - - h o u g e n 的热平衡式： 纵疋删+ k g m v 2 v i n ( k g m v 2i n ( 篇)办s ( 疋一黝+ v 嵩 ) = h e ( 一“) = u ( n t w ) ( 2 - 7 ) 式中： 【，为以混合气体侧传热面积为基准的总传热系数，w ( m k ) 式( 2 7 ) 是求取冷凝液膜表面温度的基本公式。由于冷凝液膜表面饱和 蒸气分压如是冷凝液膜温度的函数，广泛应用于工程计算的是a n t o i n e ( 安 托尼) 函数【3 9 1 ： l n p a = 9 3 8 7 6 一：丝拿：! 鱼 ( 2 8 ) ( ， , ：r t - 2 7 3 ) 一4 5 4 。7 适用范围：1 7 如 詈，且l 詈，r 8 w r _ 1 4 4 时， 口 巳= 3 2 + 0 6 6 ( 1 7 一5 当o 1 _ c p s l 7 ，且粤 1 4 4 时， d ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 a ) c ，：3 2 + 。6 6 ( 1 7 一妒) 1 s + 1 _ 4 瓦4 t - f s l 区【o 8 + 。2 ( 1 7 9 ) 1 s 】 ( 2 3 4 b ) 当1 7 9 野5 ，且1 4 4 - 鲁；1 3 0 时， “ = o 4 4 ( g o + 1 ) 2 当1 7 c p _ 6 5 ，且粤 1 7 ，且3 0 s 1 ， 凡，该分 段点按显热交换计算；求初始区间出口( 即下一个区间的入口) 处混合气体中 的蒸汽分压p v 混合气体过热时，以式( 2 1 9 ) 求得；混合气体饱和时，以蒸汽 的饱和压力温度曲线求得；求初始区间出1 2 1 处的魄、g 、t c f 、矾疋t w ) ； 根据初始区间出入口处混合气体状态，求该区间的传热量a q l 求初始区间 出、入1 2 处的研疋k ) 的对数平均值，用这个值除q l ，求得该区间所需的传热 面积；对以下区间进行同样的计算；综合各段的换热量，计算得出排风总放 热量q 2 ，比较q l 和q 2 ，当两热量值相对偏差的绝对值小于5 时，则认为满足 热平衡，若大于5 则继续迭代，直到得出合适的排风出口温度，计算结束。 在对传热传质过程进行工艺设计计算时，系统需处理大量的气体物性参数， 主要包括气体的导热系数、定压比热、动力粘度及密度。计算中具体涉及到的混 合气体为湿热空气，其中干空气的物性值通过调用a c c e s s 数据库得到，而水蒸 汽的物性值则由拟合公式【6 l j 求出，两组分最终按质量百分比计算得出混合气体的 物性参数值。 图4 1 程序设计流程图 4 2 余热回收装置c a d 系统软件应用 4 2 1 软件运行环境 硬件环境是主流p c 机；软件运行环境是w i n d o w sx p 或更高级版本，软件开 发语言为v i s u a lb a s i c6 0 。 4 2 2 软件安装 本软件的安装非常简单，仅需要把调试好的换热器计算软件e x e 及相关 a c c e s s 文件复制到硬盘上即可。程序需要从a c c e s s 数据库中读取物性参数、热 力参数以完成装置的工艺设计计算，并调用a u t o c a d 完成参数化绘图。在使用 软件之前请确认a c c e s s ，a u t o c a d 已安装，以保证软件能够正常运行。 4 2 3 软件运行 用户界面( u s e ri n t e r f a c e ) 是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介， 是用户识别应用程序运行状态的唯一途径，它可将信息转换为人类可接受的形 式。好的u i 设计能提升用户的直观感受、促进用户高效工作，利于软件系统性 能的充分发挥。本换热器c a d 系统基于v b 6 0 软件开发平台设计界面，充分利 用其可视化界面设计特点，开发出的系统界面简单、直观、友好。 本软件系统能够处理六种不同流程结构形式热回收装置的设计计算，如表4 1 所示。 表4 1六种热回收装置流程类型 若桌面上有换热器计算软件的快捷键，双击则可运行；或者在硬盘里找到换 热器计算软件e x e 文件，双击则可。程序启动之后，首先进入初始登录界面，如 图4 2 所示。正确输入密码进入设计系统，参数输入界面由气体参数和结构参数 两部分组成，如图4 3 所示。将已知参数值都正确输入后，点击“换热器计算 按钮，软件开始运行，系统将根据所输入的设计参数计算排风出口温度、总传热 3 0 系数、总传热面积、阻力损失、换热管根数、排数及列数等。稍候待计算完成， 点击“计算结果”按钮，弹出“要求输入密码”对话框，如图4 4 所示，正确输 入密码后，以单管程双壳程工况为例，换热计算结果如图4 5 所示。点击“换热 参数表”按钮，则弹出分段计算的详细换热参数表，表中包括有冷凝水量、换热 量、换热面积等字段，如图4 6 所示。如需保存该组工况数据，点击“保存”按 钮，系统自动将本次运行相关的已知参数和换热参数结果一并写入“换热参数结 果表”数据库中，以便用户查询。 图4 2 余热回收装置c a d 系统软件运行初始登录界面 图4 3 余热回收装置c a d 系统参数输入界面 图4 4 查看换热计算结果密码输入对话框 3 2 图4 5 余热回收装置c a d 系统换热计算结果界面 蓄冉掺热参数 口直分麟= 分垃直三分盆点一皿分段点五劳驻点出口点 l 混台气体沮重 8 2昭7 9 b 77 8 57 73 37 6 1 77 5 木毒气分压力p a 2 0 7 6 6 为黼为2 憾2 5黼苫2 0 琳2 52 0 7 g 6 2 52 嘶2 5 l 冷蕞藏裹面姐 l 冷糖i 睬蕾医力p a ；巴吉气俸界一传热秉披v , q l n 一, l的筠 帕54 9 4 2 4 9 筠4 9 3 2的2 71 9 2 ；t 量扩矗景叠x 1 矿4m 2 ，l l 编, i i x l o l 3m 州时目 i 魁彖水蔫气量k 口，h2 3 6 1 &2 茑1 62 3 6 1 62 3 朗62 篱1 b2 3 6 1 62 3 6 1 6 抟誓才。量k 口，h00o00o 台气体盲热量 u ，h