王会东，侯春光，鲁 敏，张 丹

（赤峰学院 化学化工院，内蒙古 赤峰 024000）

1 引言

几乎所有的化工生产过程均伴有传热操作，换热器是重要的化工操作单元之一.为使学生更深入地掌握换热器的计算原理、方法和步骤，通常在课程设计中有所涉及.以手工计算为主的传统课程设计[1]，工作量大，学生重计算，忽视对换热过程的深入理解.以Aspen Plus[2]等软件为主的设计计算方便快捷，但不利于初学者掌握计算原理和物理量之间的关联.胡轶等[3]只针对换热器迭代计算问题应用了Excel的单变量求解功能.为此，本文基于Microsoft Excel 2010对换热器设计过程进行自动计算，把重点放在理解计算过程、掌握变量之间的关联和设备选型等方面，既减少计算量，又提高学生分析问题和解决问题的能力，还提高了学生应用信息技术提高工作效率的意识.

2 换热器设计流程

换热器设计可概括为两部分，一是根据已知条件计算换热面积，初步选定换热器结构；二是对换热器设计结果进行校核.其设计计算流程如图1所示.

图1 换热器设计计算流程图

3 基于Excel的换热过程计算

本文在利用Excel的常用函数、图表拟合等功能基础上，结合Excel内嵌的VBA开发工具、窗体、控件等，实现了换热过程的自动计算和报警功能.同时保留了调节过程参数、选型等可操作性.

3.1 控件实现设计过程智能化

在换热器设计过程中，经验参数、操作方式选择及设备选型时，使用Excel的控件功能添加滚动条、列表框等方式，简化计算流程，使整个设计过程更趋于智能、快捷化，同时给初学者以提示.这些控件可通过Excel工具栏中的开发工具调用.

3.1.1 滚动条实现参数键入的提示

换热器蒸发段和冷凝段的散热效率η值一般在7%～10%范围内.改变散热效率，冷物流实际获得热量、出口温度、物流在平均温度下的物性参数、对数平均温差等都随之改变.运用Excel控件中的滚动条（图2），设定滚动条的值域，改变单元格的数值，则引用此单元格地址的其他变量也随之变化.初学者对类似经验参数不熟悉，运用滚动条可明确参数范围，起到提示作用.此功能还可用于总传热系数K的取值、中心排管数的选型等.

图2 Excel滚动条控件的应用

3.1.2 列表框控件实现操作方式和设备选型

计算传热推动力时，运用控件中的列表框（图3），结合IF语句或函数，实现换热器两端温差的计算.此功能还可用于换热器标准风速的选择、安全系数的设定、列管排布方式等.

图3 Excel列表框的应用

3.2 IF函数实现设计过程信息反馈

利用IF逻辑语句或函数校验数值的合理性并发出警告，使设计人员迅速发现问题并修正.如烟气换热过程，若烟气出口温度高于入口温度，则以红色凸显单元格，并给出错误警告，如图4.所用IF语句为：IF(D4＞D3，“您所输入的温度值不合理”).类似的，可用于气体流速校核等.

图4 IF函数实现信息反馈

3.3 换热组分物性参数的拟合

不同流体换热器，其密度ρ、比热cp、导热系数λ、黏度μ、普朗特数Pr等物性参数与温度彼此为映射函数，这在手动计算中是非常复杂的.用Excel的数据拟合、TREND函数、VBA多项式插值等功能轻松、准确地获得任意温度的物性数据.

3.3.1 TREND函数线性拟合

若物性参数满足线性关系，可调用Excel公式中的TREND 函数.图 5 所示，Know_y’s与 Know_x’s分别是参数表中已知因变量与自变量的数据群，New_x’s是已知自变量的值，Const选中因变量单元格地址即可完成线性拟合求解.

图5 TREND函数话框图

3.3.2 趋势线拟合与公式调取联用

以烟气换热为例，为获取定性温度下空气的密度，可利用空气的密度、温度数据[4]绘图，添加趋势线拟合，得图6.再调用拟合公式计算定性温度下的空气密度.

3.3.3 Excel内嵌VBA插值计算

常见的多项式插值方法有Newton插值法、Lagrange插值法等.本文采用了线性内插法，即在Excel工作簿中逐个比较定性温度与物性参数数据表中温度值，当定性温度介于两个已知温度之间时，利用插值公式计算定性温度下的密度.以计算烟气定性温度下密度为例，VBA代码如下：

Dim i As Integer‘定义一个整型变量

Dim Sheet1,Cells(16,2)As Single‘定义一个单精度浮点型变量

T=Sheet1.Cells(11,5)

Private Sub按钮_Click()‘控件“计算”按钮

If 0＜T＜1200 Then

For i=7 To 31‘从第7行开始，截止到31行

If T＞Sheet2("烟气物性参数表").Cells(i,2)and T＜Sheet2("烟气物性参数表").Cells(i+1,2)Then

‘循环语句，判断定性温度介于参数表温度的两个参数中间

T1=Sheet2("烟气物性参数表").Cells(i,2)

T2=Sheet2("烟气物性参数表").Cells(i+1,2)

ρ1=Sheet2("烟气物性参数表").Cells(i,3)

ρ2=Sheet2("烟气物性参数表").Cells(i+1,3)

Sheet1.Cells(16,2)=Round(（ρ1-ρ2）*(TT1)/(T2-T1)+ρ2,3)

‘返回值保留小数点后3位数字（密度随温度升高而降低：ρ1＞ρ2）

End If

Exit For

Next i

ρ=Sheet1.Cells(16,2)‘地址（结果）引用

Else

Sheet1.Cells(11,5)="不在物性参数表范围中"

End If

End Sub

定性温度 T 为 260℃时，T1=250，T2=300，ρ1=0.674，ρ2=0.615，插值计算的密度值为0.662，分段趋势线拟合计算结果为0.663，较吻合.

4 结论

为帮助学生理解换热器计算过程和设计原理，本文以MicrosoftExcel为工具，解决手工计算工作量大、精度低以及专业设计软件忽略过程性的问题.本文介绍了换热器设计计算的流程、运用Excel的滚动条、列表框等控件功能实现计算过程智能化的方法、IF函数在条件判断和信息反馈等方面的应用以及换热组分物性参数的拟合方法，包括TREND函数、趋势线拟合及VBA多项式插值等.这些功能的应用不仅实现了换热过程的自动计算和报警功能，同时保留了调节过程参数、设备选型的可操作性，既提高学生分析问题和解决问题的能力，又提高了学生应用信息技术提高工作效率的意识.Excel可广泛适用于其他操作单元及化学反应工程等相关领域的计算过程.

为更好地实现计算过程的智能化及自动化，还可以利用Excel的窗体功能建立可视化界面，实现人机互动.