毕业设计（论文）-U型管式换热器设计软件开发及关键部件有限元分析.doc

洛阳理工学院毕业设计（论文） i u 型管式换热器设计软件开发及关键部件有限元分析 摘 要 此次设计的内容是基于 u 型管式换热器设计的 visual basic 程序软件开发及 关键部件有限元分析。 本次设计的主要内容包括 u 型管式换热器设计前提和设计方案的确定、对工 艺结构的尺寸的计算和选择、核算热流量和壁温、计算换热器内流体的压降，再 对计算结果进行校核。工艺结构计算主要有对换热管束的型号选择和设计选择确 认换热管的排列布置形式；对封头、管板、管箱、壳体内径、拉杆和折流板的计 算及法兰和支座选取和其它附件的计算选取等。然后再以此工艺结构计算的设计 为基础，利用 visual basic 结构清晰明白的结构化程序设计理念，从而设计出 一种改变初始条件即可以一键列出所需 u 型管式换热器的设计计算结果的软件。 再利用 ansys10.0 软件对本次设计的管式换热器中的关键部件的受力范围分析和 校核，使得设计更加的准确和合理。 总之，该软件利用了 vb 可以创建多个窗口，每个窗口利用各自所编写的代 码既保证自身的独立性但又可以相互联系的特点，让数据能够自行输入，并在软 件中添加了相关的信息提示，从而使本次设计更加准确。 关键词：换热器，u 型管，工艺计算，visual basic，ansys10.0 洛阳理工学院毕业设计（论文） ii u-tube heat exchanger design software development and finite element analysis of key components abstract the content of this design is based on the visual type tube heat exchanger design basic u program software development and key components of the finite element analysis. in short, the software is using vb can create multiple windows, and each window has its own design part of the calculation, the written code to make each form between independent and there is a link, let the data to their own input, and in software add relevant information tips, so as to make the design more accurthe main content of this design includes u type tube heat exchanger; the size of the initial conditions, process of determining structure calculation, heat flows from the accounting and wall temperature calculation, calculation for heat exchanger fluid pressure drop, parts of the selection and calculation of check. the calculation process is mainly including the calculation results of heat exchanger selection, calculate and determine the design of the heat exchanger heat area; structure calculation process are selection of heat transfer tube type and heat transfer tube arrangement, the shell diameter calculation and selection, calculation of the calculations of flow plate selection, takeover and other accessories selection. then to calculate the structure for this process as a basis for the design, the use of visual basic structure is clear and clear structured program design concept, to design a kind of changing the initial conditions that can be a key list of u type tube for heat exchanger design and calculation results of software. using ansys10.0 software to analyze and check the force range of the key components of the design of the tube type heat exchange. key words: heat exchanger，u-tube，process calculation，visual basic，ansys10.0 洛阳理工学院毕业设计（论文） i 目 录 前 言.1 第 1 章 u 型管式换热器的工艺计算.2 1.1 换热器设计任务和设计前提.2 1.1.1 设计任务 .2 1.1.2 设计前提 .2 1.2 设计步骤.2 1.2.1 设计方案的确定.2 1.2.2 流体基本参数的确定.3 1.3 u 型管式换热器的设计计算过程4 1.3.1 热流量的计算.4 1.3.2 平均温度差的计算.4 1.3.3 根据热流量估算换热面积.4 1.3.4 工艺结构尺寸的确定.4 1.3.5 换热器的校核.7 1.3.6 壁温核算 .8 1.3.7 各部分流体阻力的计算.9 第 2 章 结构设计与选取.11 2.1 换热管束.11 2.2 封头的计算.12 2.3 管板的计算.13 2.4 管箱的计算.15 2.5 壳体的计算.16 2.6 拉杆的计算.17 2.6.1 拉杆结构形式.17 2.6.2 拉杆的直径和数量.17 2.7 折流板的计算.18 2.8 法兰的选择.19 2.9 支座的选择.20 洛阳理工学院毕业设计（论文） ii 第 3 章 visual basic 软件编程21 3.1 主要设计模块及流程.21 3.1.1 流程图 .21 3.2 编辑程序.21 3.2.1 进入 vb 的基本界面21 3.2.2 初始参数窗体的编辑.22 3.2.3 计算换热器工艺结构尺寸的窗体.23 3.2.4 换热器面积裕度的校核的窗体.26 3.2.5 壁温核算和各部分压降的窗体.27 3.3 换热器基本结构的软件设计.29 3.4 换热器的汇总窗体设计.34 第 4 章 关键部件的有限元分析.36 4.1 u 型换热管的有限元分析36 4.1.1 单元类型和材料属性的建立.36 4.1.2 换热管模型的建立.36 4.1.3 网格划分 .37 4.1.4 载荷的施加 .38 4.1.5 查看结果 .38 4.2 管板的有限元分析.40 4.2.1 设定单元类型和材料属性.41 4.2.2 创建管板模型.41 4.2.3 网格的划分 .42 4.2.4 载荷的施加 .42 4.2.5 查看结果 .43 结 论.45 谢 辞.46 参考文献.47 外文资料翻译.49 洛阳理工学院毕业设计（论文） 1 前 言 换热器是将不同温度流体进行热量的交换，从而可以使某些流体升温或者降 温，来达到设计所需要的工艺流程的温度的装置1。其不仅能将流体进行换热， 更重要一点在某些情况下还可以对热量回收，从而来达到降低工艺成本的目的。 u 型管式换热器属于管壳式换热器的范畴，管壳式换热器的应用非常的广泛。特 别在一些参数较高的工况条件下，管壳式换热器能更加地凸显其优势。u 形管式 换热器结构紧凑，占用面积少，便于设计且运行操作起来十分便捷；换热性能好， 热媒出口温度低，热能利用率高，节能效果好;管束能够抽出，清洗方便。它在结 构上有简单、密封好、承压能力强等特点。此类换热器的缺点主要有：由于本身 结构特点使得对管程清洗显得十分困难，所以选择流入管程的流体显得尤为重要。 另外管子本身的 u 形存在使管板的中心结构有不小的空隙，从而相应地降低面积 及空间利用率；u 型管式换热器的内层管子报废率高等。所以在本次设计过程对 流入管程和壳程的流体安排需进行严谨的思考。 通过查阅资料得知在现阶段各国的换热器水平都有了很快速的进步和发展， 且此类换热器的研究方向主要集中将传热系数提高、传热面积的适当增加、将传 热温差适当地升高三个方面来提高强化传热。从而将换热器变得更加节能、环保、 高效。一般地，对于 u 形管式换热器的常规设计中，大部分都是一些重复的计算， 这样不仅浪费很多时间；而且最坏的情况就是在最后的阶段我们求得的结果也不 一定是正确的，到头来一场空。特在本次设计中首先设计一组数据进行常规计算； 另外利用 visual basic（vb）的结构化窗口的特点，利用程序编码对计算过程进 行参数化设计。这样不仅可省下因查找公式浪费的时间，也能更加准确快速对计 算结果进行验算，提高其准确性。最后用 ansys 对关键部件分析得到相应的应 力变形图，从而对设计内容有一个更加深刻的了解。 第 1 章 u 型管式换热器的工艺计算 洛阳理工学院毕业设计（论文） 2 1.1 换热器设计任务和设计前提 1.1.1 设计任务 u 型管式换热器设计 1.1.2 设计前提 以下面设计数据为例： 被冷却的流体：混合热空气 进口温度: t =140 1 出口温度: t =50 2 设计压力：2.5mpa 冷却的介质类型：循环冷却水 冷却水的用量：50000kg/h 进口温度：t =40 1 出口温度：t =50 2 设计压力：1.0mpa 1.2 设计步骤 1.2.1 设计方案确定 1.换热器的类型：u 型管式换热器 2.一般根据以下几个因素来考虑并最终确认流体在换热器管腔内的流动路径： (1)对那些容易造成换热器堵塞的流体，要避免走不容易清洗的管腔。 (2)换热器的壳程一般不允许有腐蚀性的流体在其管腔内流动。这样既能节约 耐腐蚀材料的使用量，从而减少换热器的设计成本。 (3)一般地压强低的流体应该走壳程。 综合以上的考虑因素及 u 型管换热器本身的优缺点，针对容易结垢造成管堵 塞的流体本人认为应走壳程。故本次设计方案安排的流体流动的路径是：管程通 入混合热空气，壳程通入循环冷却水。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 3 1.2.2 流体基本参数的确定 流体的定性温度是流体进出口温度的平均温度。故管程混合热空气的定性温 度为 t= (150+40)1/2=95 管程内的混合热空气在此定性温度下的物性参数： 密度 kg/m3545 . 2 1 定压比热容 j/（kg.k）1414 1 cp 热导率 w/(m.k)0408 . 0 1 运动粘度 v1= 2.2110-3 m2/s 动力粘度 1 =2.1510-5 pa.s 普朗特数 6666 . 0 1 pr 壳程管腔流动的冷却水在此定性温度下的物性参数： 密度 kg/m3 2 . 990 2 定压比热容 j/（kg.k）4174 2 cp 热导率 w/(m.k)642. 0 2 运动粘度 v2= 6.07510-7m2/s 动力粘度 2=6.01410-4 pa.s 普朗特数 93 . 3 2 pr 1.3 u 型管式换热器的设计计算过程 1.3.1 热流量的计算 设计设定冷却水的用量：m=50000kg/h q= mcp2 ()/3600 =579722wt （1-1） 12 tt 混合热空气质量流量： （1-2）skg ttc q ws p /55. 4 )50140(*1414 579722 )( 211 洛阳理工学院毕业设计（论文） 4 1.3.2 平均温度差的计算 （1-3）k t t tt tm4 .36 )4050( )50140( ln )4050()50140( ln 2 1 21 11 12 12 21 ; tt tt p tt tt r 热流体的温降 冷流体的温升 冷流体的温升 热流体的温降 求得 r=9，p=0.1，查得温度校正系数=，80 . 0 85 . 0 1mm tt 故选择单壳程单管。 1.3.3 根据热流量估算换热面积 由前面流体的物性参数初选传热系数=140w/(m2.k)，估算传热面积： 初 k （1-4） 8 . 113 4 .36140 579722 tm 初初 k q ac 取 ac = 114 2 m 1.3.4 工艺结构尺寸的确定 1.对换热管材质、规格参数和管内流速大小的确定 为使其排列显得比较紧凑，并适当地增大传热面积，故选择较小的管径从 而使金属的消耗量相对较少、并且传热系数相对而言有很大提高。综合确定本次 设计选用的换热管规格为：规格25mm2.5mm 的碳钢钢管。查取流体有相对 应的流动速度。故本次设计初选取=30m/s。 i u 换热管外径和内径分别是=0.025m ，=0.020m ，因此所选择换热管平均 0 d i d 直径=0.0225m。 m d 2.管程数和传热管数确定 单程管程所需要的管子的数目根据下面的公式： 根 （1-5） 7 . 189 02 . 0 3014 . 3 545 . 2 55 . 4 44 22 0 ii s du w n 需要换热管长度为： 洛阳理工学院毕业设计（论文） 5 （1-6）m dn a l c 7 . 7 025. 014 . 3 190 114 00 0 查找换热器设计手册，考虑到此次设计换热器的管程数目确定换热管长度规 格为=4.5m。l 管心距：mm,查表取标准m322525 . 1 25 . 1 0 dt032 . 0 t 隔板中心和与其最近一排换热管管中心的距离是管中心距。 管中心距的长度是：mm226 2 t s 各程相近管的管心距为mm。44 3.壳体内径确定 求管束中心排管数根 （1-7）151 . 1 0 nnc 由壳体计算公式求得： m （1-8）498 . 0 025 . 0 2) 115(032 . 0 2) 1( 00 dntd c 取壳体内径 500mm 4.折流板确定 此次选用弓形折流板 弓形折流板圆缺高度为：mm12550025 . 0 25 . 0 dh 根据所选壳体内径尺寸查表得折流板间间距为：mmh300 0 折流板数量为：个 （1-9） 7 . 13 300 10045001 . 0 0 h l nb 取整为 14 个。 5.接管的确定 (1)壳程流体的进出口接管: 接管水的流速为： m/s， 1 2u 壳程的体积流量：=50000/990.2=50.5/h 1 v 2 m m （1-10）094 . 0 3600214 . 3 5 . 5044 1 1 1 u v d 洛阳理工学院毕业设计（论文） 6 则圆整后可取管径的规格大小为mm。6*95 (2)管程流体的进出口接管： 管程的接管内气体流速：=30m/s， 2 u 管程的流体的体积流量：/s787 . 1 545. 2 55 . 4 1 2 s w v 3 m 则管程接管内径为 m （1-11）275 . 0 3014 . 3 787 . 1 44 2 2 2 u v d 则圆整后取管径规格为mm。6*276 1.3.5 换热器的校核 1.壳程校核 表面传热系数为： （1-12） 14. 033 . 0 55 . 0 0 36 . 0 w p e e u c ud d a 当量直径为：m （1-13）0202 . 0 25 4 25 2 323 4 22 e d 流体流通截面积：（1-14）0328. 0) 32 25 1(5 . 03 . 0)1( 0 00 t d dhs 壳程流体流速：m/s （1-15）428 . 0 36000328 . 0 2 . 990 50000 02 1 0 s w u s 壳程雷诺数为： （1-16）14226 10601 . 0 2 . 990428 . 0 0202 . 0 3 2 20 0 ud r e e 壳程普朗特数为：93 . 3 2 r p 壳程热导率为：)/(642 . 0 2 kmw 粘度校正系数为：因水被加热，故选取(/)0.0141 w u 带入公式（1-12）得：=3379w/(.k) 0 2 m 2.管程校核 表面传热系数为 洛阳理工学院毕业设计（论文） 7 （1-17） 0.80.4 0.023repr i i i d 流体流速：ui=30m/s 雷诺数：=deui/= （1-18） ei r 1 1 716900000215 . 0 /545 . 2 3002 . 0 热导率为：)/(0408. 0 1 kmw 普朗特数：=0.6666 1r p 带入公式（1-17）得=302w/(m2.k) i 3.污垢热阻和管壁热阻： 换热管管外侧污垢热阻：rso=wkm/.1026 . 0 23 换热管管内侧污垢热阻：rsi=wkm/.104 . 0 23 换热管热导率为：16.4w/(m.k). 4.总传热系数 kc： （1-19） iii si m so c da d d dr d bd r ak 000 0 11 换热管的平均直径： （1-20）m dd d i m 0225 . 0 2 2520 2 0 综合以上数据代入公式 1-19 可得183.33w/(.k)， c k 2 m 5.检查传热面积裕度 预估算换热器传热面积为：ac=114 2 m 换热器的传热面积为： （1-21）85.86 4 .36190 579722 mc p tk q a 故本次设计的面积裕度计算为： （1-22）313 . 0 p pc a aa 所得结果在 0-0.35 之间，属于合理范围。 1.3.6 壁温核算 壁温核算由下面公式求得： 洛阳理工学院毕业设计（论文） 8 （1-23） / 1/1/ mcmh w ch tt t ctm 0 45 ctm 0 95 =302w/(.k) c i 2 m =3379w/(.k) h 0 2 m 得=90.9，此数值为传热管的平均壁温，此值近似算作壳体上的温度 w t t=95 壳体上的温度和传热管的温度之间的差值为：t=95-90.9=4.1 由于所求的t 数值较小,所以不用加设装置进行温度补偿。 1.3.7 各部分流体阻力的计算 这部分计算主要就是为了看前面设计是否满足换热器的设计要求。如算的的 结果不符合要求则需要重新设计，重新进行计算，直到满足条件为止。 1.管程流体阻力的计算： 对于双管程的换热器，总流动阻力等于各程阻力和局部阻力之和13。计算公 式如下： （1-24） psti nnfppp 21 流过直管段的流体因摩擦而引起的管程阻力为: （1-25） 2 2 1 i i u d l p 由于 re=71023，根据经验，查得 =0.04，流速 u=30m/s，所以由公式（1- 22）得=10307(pa) 1 p 流过回弯管的流体因摩擦而引起的压力降为： (pa) （1-26）3435) 2 (3 2 2 i u p 对于的碳钢钢管，按照经验=1.4。mmmm5 . 225 t f 由于管程为双管程，故=2。 p n 所以由公式（1-21）得=(10307+3435) 21.4=41229(pa) i p 洛阳理工学院毕业设计（论文） 9 由于pa，故 u 型换热管的许用应力为： 8 2250 i lcr mpac89.143 (2-10) 2 2 /2ll e cr 代入数据得：16564.13mpa 3.换热管管板参数以及系数 管板开孔后的面积为： (2-11) 4 2 0 1 d naa 由公式 2-8 的： 2 2 1 2 . 119712 4 2514 . 3 156196250mma 管板布管区的面积为： 三角形排列： (2-12)antat 2 866. 0 代入数据的： 2 .14506367253232156866 . 0 mmat 管板布管区的当量直径为： (2-13) t t a d 4 代入数据的：mmdt 7 . 429 14 . 3 4145063 综述，本次设计管板通过垫片与壳体法兰相连接，管板的结构形式为平板式。 表 2-4 管板的尺寸表 洛阳理工学院毕业设计（论文） 14 2.4 管箱的计算 管箱的主要作用是让流体可以均匀的进来和出去。 管箱厚度计算的参数如下： 表 2-5 管箱厚度的设计参数 管箱材料 设计温度/c o 设计压力 /mpa 许用应力 /mpa 焊缝系数管箱内径/mm q235b1501.761250.85500 其计算公式如下： （2-14） c ic p dp 2 1 计算厚度为：mm18 . 4 76 . 1 85 . 0 1252 50076 . 1 1 有计算可知，管箱的厚度为 4.18mm 即可满足条件，经过查表在管箱内径大 于 500mm 时，管箱短节的厚度最小为 10mm。本次设计管箱的厚度如下表所示： 表 2-6 管箱厚度 设计厚度 /（mm） 2 名义厚度 /（mm） 3 圆整后取值 /（mm） 4 管箱厚度 /（mm） 1 有效厚度 /（mm）e 7.184.785206.4 公称 直径 dd1d2d4d5=d6bb1螺栓 规格 d螺栓 孔数 质量 /kg 5006305904905435004033m16232448.5 洛阳理工学院毕业设计（论文） 15 2.5 壳体的计算 在换热器的外表面结构中，主要是由壳体、管箱以及封头三部分组成，并且 三者承受的压力大小基本相同，因此本次设计中三者的材料选用同一种。 表 2-7 管箱厚度 壳体材料 设计温度/c o 设计压力 /mpa 许用应力 /mpa 焊缝系数管箱内径/mm q235b1501.76mpa125mpa0.85500mm 计算壳体壁厚： （2-15) 2 2 c p dp c ic 计算厚度：mm15 . 4 76 . 1 85 . 0 1252 50076 . 1 当壳体内径是 500mm，最小的壁厚的选择为 10mm,综合得本次设计壁厚取 10mm。 2.6 拉杆的计算 2.6.1 拉杆结构形式 拉杆的结构形式一般分成以下两种：拉杆定矩管结构和拉杆与折流板点焊结 构。 2.6.2 拉杆的直径和数量 1.拉杆直径选取 表 2-8 拉杆直径的选取 换热管外径 d1410 d3m 时。取 l1=(0.50.7) 由于本次设计换热管的长度为 4.5m,是大于 3m 的，所以在布置支座时应遵循 以上原则。 如下是所选支座的具体数据。 表 2-14 支座的选择 底板腹板筋板垫板公称 直径/ mm 允许 载荷/ kn 支座 高度/ mm / 1 l mm / 1 b mm 1 m m / 2 mm 3 b m m 3 弧 长 4 b 4 螺栓 间距/ mm 50060200380120889684802006260 其中支座的质量为 9kg，材料为 q235a。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 19 第 3 章 visual basic 软件编程 3.1 主要设计模块及流程 3.1.1 流程图 在进行程序编辑的过程之前，我们需对前面的手工计算绘制一个流程图，其 目的主要是方便编程序，条理清晰让人一目了然。 基本数据 工艺计算 面积裕度校核 压降校核 否 否 是 是 换热器结构 数据汇总 图 3-1 程序设计流程 3.2 编辑程序 3.2.1 vb 的基本界面 洛阳理工学院毕业设计（论文） 20 图 3-2 开始使用窗体界面 3.2.2 初始参数窗体的编辑 初始窗体显示的内容主要包括混合热空气、冷却循环水两种选择流体以及其 进出口温度及定性温度，最后根据这个温度差表得到该温度下该流体的各种物性 参数等。这些数值都是在表中直接查的的，是固定的，大小可以直接在程序中体 现，如果有需要改动的地方则直接在程序中修改程序即可。 设计界面如 3-3，由于换热器本身由管程和壳程两部分组成，所以直接在窗 体内设置两个一样的 frame 控件来将管程和壳程的所需的参数直接呈现在眼前。 由于 combobox 控件具有可以使换热器的设计多样化，编不同的代码可让其有不 同的数值的特点，从而能改变其初始温度和设计压力，从而达到设计内容中关于 软件编程要求。 点击“查询”按钮后弹出另外一个窗体会显示相应的物性参数。 下图 3-3 是初始参数的窗体： 洛阳理工学院毕业设计（论文） 21 图 3-3 参数窗体界面 3.2.3 计算换热器工艺结构尺寸的窗体 对于本窗体，它的主要功能是根据前面窗体求得的各种物性参数计算换热面 积。如果在计算的过程中需要查找相应的物性参数，点击窗体上的“查询”按钮 即可，相应的参数就会直接出现在窗口上面。如要对相应的数据进行替换，方法 就是需要在程序中直接进行修改。这种情况一般是不需要做更改的，如果实在是 有需要更改的必要，则采取的方法是直接在所编辑的程序中输入其他相应定性温 度下的参数即可。 设计本窗体的显示内容主要包括设计计算过程、换热管的规格和长度的确定、 换热管的布置排列方式和关系到换热器传热、选取最优的壳径四个部分组成。由 图是我们可以清楚的看见后面三部分的进行需要第一部分的结果作为前提条件。 最后选择的壳体内径是根据求得的内径大小参考国家标准进行确认选择。 本窗口显示内容如下图 3-4 所示: 洛阳理工学院毕业设计（论文） 22 图 3-4 工艺结构窗体界面 下面是此窗体部分的相应的程序： 1.平均传热温差的计算： private sub command1_click() dim a as single,bas single, c as single, r as single, das single c = val(form2.combo4.text) d = val(form2.combo5.text) a = val(form2.combo1.text) b= val(form2.combo2.text) r= (c - d) - (b - a) / log(c - d) / (b - a) text1.= format(e, “00.00“)text end sub 2.换热管长度的预算： private sub command20_click() dim pas single, qas single, las single, m as single, t as single p = text4.text q= text23.text 洛阳理工学院毕业设计（论文） 23 l= text5.text m = a * 1000 / b / 3.14 / d text22. = format(r, “0.00“)text end sub 下面是此窗体部分的相应的程序： 3.折流板数 nb： private sub command3_click() dim pas single, q as single, las single, mas single p = val(form5.combo1.text) q = val(text2.text) l= (a - 100) / b - 1 text3. = etext end sub 3.2.4 换热器面积裕度的校核的窗体 本窗体的内容显示的任务是计算比较设计选择的选换热器的面积裕度是否符 合要求、是否在允许的范围内；它的主要方法是计算管程管束和壳程管束的表面 传热系数，再查表查得所需要的一些数据，将公式在程序中编入，最后将得出的 数据和结果与前面的数据进行比较。如果符合则进行下面的操作；如果不符合， 则退出程序对前面的数据修改重复前面的操作。 本窗体的主要内容如下图 3-5 所示： 洛阳理工学院毕业设计（论文） 24 图 3-5 换热器面积裕度校核的窗体界面 下面是此窗体部分的相应的程序： 1.壳程表面传热系数的计算： private sub command4_click() dim pas single, q as single, las single, mas single, t as single, f as single p= val(text1.)text q= val(text5.)text l = val(text3.)text m= val(form2.text12.)text t = 0.36 * d * (b 0.55) * (c (1 / 3) / a text7. = format(t, “0000“)text end sub 2.计算总传热系数： private sub command9_click() dim aas single, s as single, d as single,f as single, gas single, has single, j as single, k as single,l as single, zas single, xas single, c as single, vas single a = val(form5.text5.text) 洛阳理工学院毕业设计（论文） 25 s= val(text12.text) d = val(form5.text7.text) f = val(text13.text) g = val(form5.text6.text) h= val(form5.text8.text) j = val(text14.text) k= val(text7.text) l = a1 / (a2 * a3) z = a4 * a1 / a3 x = a5 * a1 / a6 / 1000 / 16.5 c = 1 / a8 v= 1 / (o + p + a11 + a + s) text15. = format(d, “0.00“)text end sub 3.2.5 壁温核算和各部分压降的窗体 进行壁温的核算的目的主要是通过计算求得的结果判断是否需要额外的温度 补偿装置。经过将壳体上的温度和传热管的温度之间的差值进行比较，一键即可 判断其是否在允许范围内。下图是窗体设计内容： 图 3-6 壁温和压力降校核的窗体界面 下面是此窗体部分的相应的程序： 洛阳理工学院毕业设计（论文） 26 1.传热管平均壁温的计算： private sub command1_click() dim pas single, qas single, las single, m as single, aas single, s as single, d as single p = val(form2.text8.text) q = val(form2.text1.text) l= val(form7.text12.text) m = a1 a= val(form7.text7.text) s = a3 d = (w / e + q / t) / (1 / r + 1 / y) text1. = format(u, “0.0“) text end sub 2.壳程压力降的校核： private sub command9_click() dim a as single b= val(text9.)text if b menueprocessorprelementtypedeleteeditadd/ 在左下角弹出的对话框中选择 45。bricknode8 2.材料属性的定义 gui：main menueprocessorprmaterialopsprmaterialmodels 在左下角弹出的对话框中一次双击选中、structurallinearelastic ，在该对话框中输入材料的属性：ex=200000，prxy=0.4。isotropic 4.1.2 换热管模型的建立 gui：main menueprocessorprmodelingcreateareascircle partialannulus 在左下角弹出的对话框中，依次输入设计好的值。 再对换热管的分析过程中我们采取切一半的方式使得清晰的看到换热管的内 外部应力变化，从而对换热管进行评估分析。我们需要知道的是将管子切一半并 会不影响压力对管子造成的影响。 建立换热管模型图 4-1u 如下： 洛阳理工学院毕业设计（论文） 34 图 4-1u 型换热管模型 4.1.3 网格划分 gui： 划分图如下：mainmenueprocessorprmeshtool 图 4- 2 管网格划分 洛阳理工学院毕业设计（论文） 35 4.1.4 载荷的施加 1.选择分析的类型 gui： mainmenusolutionanalysistypenewanalysis 在左下角弹出的对话框，选择，单击 ok 按钮。static 2.施加约束 gui: utilitymenuplotareas gui： mainmenusolutiondefineloadsapplystructural ntdisplacemeonareas 分别对 u 型管换热管的里面、外面和下表面施加约束。 3.施加对称约束 gui: mainmenusolutiondefineloadsapplystructural b.c ntdisplacemesymmetryonareas 在中间弹出的对话框中，选中相对于结构对称面的各个表面，点击确定即可。 4.施加载荷 gui： mainmenusolutiondefineloadsapplystructural essurepronareas 分别选取各个表面，施加选好的设计压力。 5.保存所求数据在提前建好的文件夹中。 6.求解 gui： lsmainmenusolutionsolvecurrent 左上角弹出 ,即是求解完成。solutionisdone 4.1.5 查看结果 1.读取结果 gui： mainmenugeneralpostprocadresultsrefirstset 2.变形云图的显示 gui: mainmenugeneralpostprocplotsultsrecontourplot nodalsolu 洛阳理工学院毕业设计（论文） 36 在中间弹出的对话框中的 栏中选择 dof 下面itemtobecontouredsolution 子选项的 ，即可显示出变形云图。ntdispiacemevectorsum 图 4-3 变形云图 3.应力云图的显示 gui: mainmenugeneralpostprocplotsultsrecontourplot nodalsolu 在左下角弹出的对话框中的 栏中选择下面的子itemtobecontouredstress 选项的 ，即可显示应力云图。vonmisesstress 洛阳理工学院毕业设计（论文） 37 图 4-4 应力云图 通过上面的变形云图和应力云图的分析的结果可以了解到的是，管子相对而 言有些向外弯曲的变形。我认为造成这一现象出现的原因可能是换热管表面的内 侧与外侧的压力大小不一样，才会导致换热管在工作的过程中出现上述情况。 对于上面对图的分析和分析问题出现的原因，本人认为的解决方案主要是如 果这种向外变形地程度比较大，我们能采取的措施就是通过加厚管子来增强管子 的强度。如果这种方法还是没有效果，就只能通过重新对罐子的材料和规格进行 选择，达到最终能够正常的使用。 4.2 管板的有限元分析 分析管板我们可以知道，管板主要受到内外表面的压力，以及管板上加的孔 对管板造成的破坏。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 38 4.2.1 设定单元类型和材料属性 1.设定单元类型 gui：main menueprocessorprelementtypedeleteeditadd/ 在左下角弹出的对话框中选择 45。bricknode8 2.材料属性的定义 gui：main menueprocessorprmaterialopsprmaterialmodels 在左下角弹出的对话框中一次双击选中、structurallinearelastic ，在该对话框中输入材料的属性：ex=192000，prxy=0.5。isotropic 4.2.2 创建管板模型 图 4-5 管板模型 gui：main menueprocessorprmodelingcreateareascircle partialannulus 和前面换热管的步骤是一样的，只需按照尺寸画即可。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 39 4.2.3 网格的划分 gui： mainmenueprocessorprmeshtool 图 4-6 网格划分 4.2.4 载荷的施加 1.施加约束 gui： mainmenusolutiondefineloadsapplystructural ntdisplacemeonareas 对管板的上下两个表面和开孔的地方施加约束。 2.施加载荷 gui： mainmenusolutiondefineloadsapplystructural essurepronareas 在左下角弹出的对话框中分别对约束过的各个面施加载荷。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 40 3.保存所求数据。 4.2.5 查看结果 1.变形云图 gui: mainmenugeneralpostprocplotsultsrecontourplot nodalsolu 在左下角弹出的对话框中的 栏中选择 dof 下itemtobecontouredsolution 面子选项的 ，显示出变形云图。ntdispiacemevectorsum 图 4-7 变形图 2.应力云图 gui: mainmenugeneralpostprocplotsultsrecontourplot nodalsolu 在左下角弹出的对话框中的 栏中选择下面的子itemtobecontouredstress 洛阳理工学院毕业设计（论文） 41 选项的 ，显示出应力云图。vonmisesstress 图 4-8 应力云图 通过上面的变形云图和应力云图的分析的结果可以了解到的是，管子相对而 言有些向外弯曲的变形。我认为造成这一现象出现的原因可能是换热管表面的内 侧与外侧的压力大小不一样，才会导致换热管在工作的过程中出现上述情况。 对于上面对图的分析和分析问题出现的原因，本人认为的解决方案主要是如 果这种向外变形地程度比较大，我们能采取的措施就是通过加厚管子来增强管子 的强度。如果这种方法还是没有效果，就只能通过重新对罐子的材料和规格进行 选择，达到最终能够正常的使用。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 42 结 论 本次设计的题目是对 u 型管式换热器软件开发设计及关键部件有限元分析。 在整个设计的过程中，前期通过网络、图书馆等能够获取的资源进行查阅并搜集 整理大量资料，之后进行的就是换热器的整体设计计算过程。手工设计计算的工 作内容主要是包括：计算流体的定性温度查找物性参数、换热器的面积估算、热 流量和换热管长度选取等工艺设计过程，根据计算所得的数据对换热器进行合理 的选择。最后就是根据算的的结果校核压力降和壁温判断其合理性，最终确定各 个结构件尺寸参数。第二部分就是在手工计算的基础上利用 vb 软件本身的多窗 口创建便利性，能够直接将计算出来的数据以及查取的数据输入到 vb 程序中进 行窗体程序编码。最后利用 ansys10.0 软件自身的优势来分析换热器主要部件 （管板和折流板）的应力分析图，来判断容易遭到破坏的部分，从而采取相应的 措施能准确的进行改善和维修。 在对换热器的整个工艺设计过程中，不仅充分的利用了教学资源，还充分地 发挥了计算机便利性的特点，通过不断的学习深入了解和熟练掌握了此类换热器 的整个工作流程和设计流程，明白了充分的准备是成功的必不可少条件。 但在整个设计的过程中也存在以下问题：对于设计的题目的实物没有接触过， 不能做到有实质性地了解和深刻的认识，所以很难十分清楚准确的理解其结构组 成成分和相应的工作流程，这在一定程度上影响了本次设计的进度和准确性；另 外 vb 与分析软件 ansys 不能直接构建起联系，在一定程度上增加了设计所花 的时间等。 在这个设计的过程中，本人最大的收获是我通过对 u 型管式换热器的结构组 成成分以及工艺设计的过程，对整个过程有了很深的理解；对于平常用的极少的 vb 和 ansys 软件，也有了一定的理解和认识。明白了只要愿意付出时间和实际 行动，“成功”也不是遥不可及。 洛阳理工学院毕业设计论文 43 谢 辞 时光荏苒，转眼四年的大学生活即将画上句号，即将到了说再见的时候。在 这四年的大学生活里对每个人的影响是巨大的。我们由刚进入大学校园时的懵懂 无知，到现在走出校园时的成熟稳重；在这段弥足珍贵的生活里我获得的不仅仅 是丰富专业的知识，更为重要的