（动力机械及工程专业论文）高温空气预热器cad系统的研究与开发.pdf

摘要 高温空气预热器是冶金、机械、轻工、石油化工、能源动力等行业 广泛应用的回收余热，提高工业炉窑热效率的换热设备，它的研制和开 发倍受重视。虽然高温空气预热器的设计方法较为成熟、相关设计标准 较为完善，但由于其运行工况各不相同，必须根据用户需要进行个性化 设计。而传统的手工计算及手工绘图设计周期长、设计精度低，已很难 适应市场对高温空气预热器的需求。因此，开发一套集高温空气预热器 工艺设计计算、价格估算、c a d 参数化自动绘图功能的设计软件包对高 温空气预热器的工程应用具有重要的意义。 本论文针对工业上应用广泛的筒状辐射式、喷流式、对流式以及组 合式空气预热器，设计开发出一个能够自动工艺设计计算和c a d 绘图的 软件包，实现了工艺设计、价格估算、参数化绘图的一体化和集成化， 其主要研究成果包括： ( 1 ) 基于面向对象的模块化组合设计思想，提出了高温空气预热 器c a d 系统设计方案，包括：工艺设计子系统、价格估算子系统、参数 化绘图子系统、结果输出子系统四部分。 ( 2 ) 根据高温空气预热器设计的基本原理，开发出高温空气预热 器的工艺设计计算子系统，实现高温空气预热器热力参数和阻力参数的 自动计算。特别对于组合式高温空气预热器，提出了工艺设计计算与校 核计算相结合的计算方法，提高了组合式空气预热器设计计算的精度。 ( 3 ) 基于高温空气预热器热力参数与阻力参数计算结果，结合高 温空气预热器制作材料的密度和单价，开发了高温空气预热器的价格估 算子系统，实现高温空气预热器的造价估算。 ( 4 ) 利用工艺设计计算与反向设计计算相结合的计算新方法，开 发出在烟气流动方向上按换热管排数求取温度参数的计算子系统，为换 热管的合理选材提供了指导。 ( 5 ) 以a u t o c a d2 0 0 6 为开发平台，应用二次开发技术，实现高温 空气预热器的c a d 参数化绘图，自动生成高温空气预热器的装配图和零 件图。 本软件系统具有适用性广，用户界面友好的优点，目前已在杭州美 宝炉窑工程有限公司试运行，运行结果表明，该系统极大的提高了高温 空气预热器的设计效率，保证了设计质量，具有很好的工程实际应用价 值。 关键词：高温空气预热器；工艺设计计算；校核计算；价格估算； c a d 参数化绘图 i i a b s t r a c t h ig ht e m p e r a t u r ea i rp r e h e a te x c h a n g e r ，a sa ni m p o r t a n th e a te x c h a n g e r e q u i p m e n to fw a s t eh e a tr e c o v e r ya n de n h a n c i n gt h e r m a l e f f i c i e n c y ， i s w i d e l v u s e di n i n d u s t r y o f m e t a l l u r g y ， m a c h i n e ，l i g h ti n d u s t r y ， p e t r o c h e m i s t r y ，e n e r g yp o w e ra n ds oo n ，s ot h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t o fh i g ht e m p e r a t u r ea i rp r e h e a te x c h a n g e rh a sb e i n gp a i dm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n a l t h o u g ht h ed e s i g nm e t h o da n ds t a n d a r do fh i g ht e m p e r a t u r ea l r p r e h e a te x c h a n g e ri si m p r o v i n gd a yb yd a y ，i t sd e s i g nh a v e t oi n d i v i d u a t e a c c o r d i n g t oi t sd i f f e r e n t l yw o r k i n gc o n d i t i o n s a n du s e rn e e d t h e t r a d i t i o n a ld e s i g nw a yo fh i g ht e m p e r a t u r e a i rp r e h e a te x c h a n g e rc o u i d h a r d l vm e e tt h em a r k e tn e e db e c a u s eo fi t sl o n gd e s i g np e r i o d a n dl o w d e s i g na c c u r a c y s oi th a si m p o r t a n t s i g n i f i c a n c e f 6 r e n g i n e e r l n g a p p l i c a t i o nt h a tt h ed e s i g ns o f t w a r es y s t e mw h i c hc a n r e a l i z et h ef 、l n c t i o n s o 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 n ，p r i c ee s t i m a t i o n a n dc a dp a r a m e t r i c a u t o m a t i s md r a w i n gw a sd e v e l o p e d i nt h i st h e s i s ， t h ed e s i g ns o f t w a r es y s t e m w i t ha u t o m a t i cd e s i g n c a l c u l a t i o na n da u t o m a t i cc a dd r a w i n gw h i c hc a nr e a l i z et h ei n t e g r a t i o no f t e c h n 0 1 0 9 i c a ld e s i g n ， p r i c e e s t i m a t i o na n dp a r a m e t r i cd r a w l n g w a s d e v e l o p e df o rt u b u l a rr a d i a t i o np r e h e a te x c h a n g e r ，j e tp r e h e a te x c h a n g e r c o n v e c t i o np r e h e a te x c h a n g e ra n dt h e i rc o m p l e xa i rp r e h e a te x c h a n g e r s m a j o rr e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fo b j e c t o r i e n t e ds o f t w a r ea n dm o d u l a r i z e d p r o g r a m ，t h ed e s i g np r o p o s a lo ft h ec a ds y s t e mo fh i g ht e m p e r a t u r e a l r p r e h e a te x c h a n g e ri n c l u d i n gt e c h n o l o g i c a l d e s i g nc a l c u l a t i o ns u b s y s t e m ， p r i c e e s t i m 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 m a n dr e s u l t s e x p o r ts u b s y s t e mw a sb r o u g h tf o r w a r d ； ( 2 ) b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fd e s i g no fh i g ht e m p e r a t u r e a l rp r e h e a t e x c h a n g e r ，t h et e c h n o l o g i c a ld e s i g ns u b s y s t e mw a sd e v e l o p e d ，w h i c hc o u l d r e a l i z et h ea u t o m a t i c c a l c u l a t i o no ft h e r m o d y n a m i cp a r a m e t e r s a n d r e s i s t a n c ep a r a m e t e r s e s p e c i a l l y ， an e wm e t h o dw h i c hc o n j u n c td e s l g n c a i c u l a t i o na n dv e r i f y i n g c a l c u l a t i o nw a st o o ki nc o m p l e x a l rh e a t e x c h a n g e rt oi m p r o v ei t sd e s i g np r e c i s i o n i l i ( 3 )a c c o r d i n g t ot h er e s u l t so f t h e r m o d y n a m i cp 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 s ，c o m b i n e dt h ed e n s i t ya n du n i tp r i c eo ft h em a t e r i a l o ft h eh i g ht e m p e r a t u r ea i rh e a te x c h a n g e r ，t h ep r i c ee s t i m a t i o ns u b s y s t e m w a sd e v e l o p e d ( 4 ) u s i n gt h en e wm e t h o do fp o s i t i v ed e s i g nc a l c u l a t i o na n dr e v e r s e d e s i g nc a l c u l a t i o n ， ac a l c u l a t i o ns u b s y s t e mo ft h et e m p e r a t u r ee a c hr o w p i p e a tt h es c o u r e dd i r e c t i o no fs m o k ei s f 6 u n d e d i tc a np r o v i d e t e m p e r a t u r ep a r a m e t e rt 0s e l e c tm a t e r i a lo ft h ep i p e ( 5 )u s i n ga u t o c a d2 0 0 6a sp l a t f o r ma n dt a k i n gt h es e c o n d a r y d e v e l o p m e n t ，t h ec a dp a r a m e t r i cd r a w i n gw 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 ep a r t sd r a w i n ga n da s s e m b l yd r a w i n ga u t o m a t i c a l l y w i t hw i d e l ya p p l i c a b i l i t ya n df r i e n d l yi n t e r f a c e ，t h i ss y s t e mh a sr u n s u c c e s s f u l l y i n h a n g z h o um e i b a of u r n a c ee n g i n e e r i n gc o ， l t d t h e r u n n i n gr e s u l t si 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 y a n dq u a l i t yo fh i g ht e m p e r a t u r ea i rp r e h e a te x c h a n g e ra n di ti s p r a c t i c a b l e i ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：h i g ht e 舶n p e r a t u r ea i rp r e h e a te x c ha n g e r ； t e c h n o l o g i c a l d e s i g nc a l c u l a t i o n ；v e r i f y i n gc a l c u i a t i o n ；p r i c ee s t i m 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 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 、警叱支午 i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保嘧囤。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者虢嗜，蜴呼帆呵年r 月，7 日 翩签名：墨砰日期缈罗年夕月，7 日 1 1课题研究背景 第一章绪论 能源紧张是目前世界上普遍存在的严重问题，“节能 是缓和能源 紧张不可缺少的措施之一。对燃烧用的空气进行预热，可以节约大量能 源，尤其是在现有的大量工业炉窑上安装空气预热器更能取得明显的节 能效果，因此高温空气预热器广泛应用于工业生产的各个领域。 空气预热器是通过对锅炉、加热炉以及废气催化焚烧炉等炉窑的高 温烟气与燃烧所用冷空气换热，进行余热回收的一种重要装备，广泛应 用于化工、石油化工、动力、医药、冶金、制冷、轻工等行业n 一1 。空 气预热器一方面可以提高进入炉膛助燃空气的温度，带入一部分物理显 热，提高炉膛的辐射温度，保证炉膛内燃料稳定燃烧，并能强化燃烧， 降低装置能耗，节约能源；另一方面，可减小炉内热损失，降低排烟温 度，提高炉窑热效率。根据经验，当空气在预热器中温度升高1 5 时， 排烟温度可降低1 。在炉窑烟道中安装空气预热器后，如果能把空气预 热15 0 16 0 ，就可以降低排烟温度1 1o 12 0 ，可将炉窑热效率提高 7 7 5 ，节约燃料1 1 一1 2 口“1 。 近年来，随着现代工业的迅猛发展，产品更新换代的速度加快，对 预热器的设计提出了新的要求：预热器结构形式多样，设计研发周期缩 短。然而由于预热器设计过程中，存在大量复杂的运算公式，需要繁琐 的试差运算和反复调整某些参数，使得设计工作费时、费力且容易出错， 而且传统的人工制图已不能完全适应其发展，很难适应市场对换热设备 的需求和高效化的发展趋势阻1 引。随着计算机和c a d 技术的发展，采用计 算机硬、软件技术对预热器进行自动设计、修改及输出，为提高预热器 的设计质量和设计效率提供了强大的工具，使工程设计人员摆脱繁重的 重复劳动，减少设备投资费用。目前，已存在少数列管式或板翅式等预 热器的设计软件，然而这些设计软件只能计算结果，不能直接提供预热 器的零部件图和装配图，影响了设计的直观性1 。特别是工业中普遍应 用的高温空气预热器设计软件仍未得到开发。随着对预热器产品研究深 入，组合式高温空气预热器结合了其单一类型预热器的优点，已经在工 业应用中占据着重要的地位。在已有的各类文献中，对组合式高温空气 预热器的介绍甚少，对其设计计算研究更少。 1 2高温空气预热器的发展概述 1 2 1高温空气预热器的发展概述 高温空气预热器的类型随着工业发展而逐渐多样，早期的高温空气 预热器由于制造工艺和科学水平的限制，其特征多为结构简单、换热面 积小、体积较大，如夹套式和蛇管式预热器等引。随着制造工艺的发展， 逐步形成一种管壳式预热器，它不仅单位体积具有较大的传热面积，而 且传热效果也较好，长期以来在工业生产中成为一种典型的预热器3 。 上世纪2 0 年代，开始出现应用在食品工业中的板式预热器，以板代管制 成的预热器，由于其结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式引。 2 0 世纪3 0 年代初，瑞典r o s e n b l a d 公司首次研制成功了螺旋板空气预热 器n8 1 。不久，英国m a r t o ne x c e l s i o r 公司用钎焊法生产了铜及其合金材料 的板翅式预热器，用于飞机发动机的散热器卜2 引。后来，瑞典在19 39 年 制造出了第一台板壳式空气预热器，并用于纸浆厂。在此期间，为了解 决强腐蚀性介质的换热问题，人们开始注意对新型材料预热器的研制。 2 0 世纪4 0 年代中期，板翅式空气预热器开始用于化工和天然气液化等方 面心卜2 钔，同时板式预热器亦引入化工生产中。2 0 世纪6 0 年代左右，由于 空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的预热器， 再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，预热器制造工艺得到进一步完 善，从而推动了紧凑型板面式预热器的蓬勃发展和广泛应用。此外，自 2 0 世纪6 0 年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要， 典型的管壳式预热器也得到了进一步的发展心5 1 。7 0 年代中期，为了强化 传热，在研究和发展热管的基础上研制出一种热管式预热器，并发展了 一种新型的喷流换热装置即空气喷流预热器，取得了明显的节能效果， 如美国在带钢退火炉上安装烟气喷流装置，降低能耗4 0 5 0 ，提高产 量17 51 心引。2 0 世纪8 0 年代起，欧美发达国家开始竞相开发、研制 各种型式的板壳式空气预热器。其中具有代表性的为法国p a c k i n o x 公司， 该公司首次在催化重整装置中使用一台大型板壳式预热器替代传统的管 壳式预热器组。2 0 世纪9 0 年代末期，p a c k i n o x 公司又将大型板壳式空气 预热器用于加氢装置。该公司的产品得到u o p ( 美国联合油) 的认证，其 产品主要用于催化重整、芳烃及加氢装置。 在国内，预热器的设计与研发起步较晚，直到19 6 5 年才研发成功了 国内第一台板式预热器。之后，兰州石油机械研究所于l9 9 9 年研制成功 大型板壳式预热器，该产品( 专利号：z l 9 8 2 4 9 0 5 6 9 ) 具有国际先进水平、 首创独特结构的全焊式板式预热器，并已在炼油厂重整装置，化肥厂水 2 解解吸装鼍及集中供热换热立占等场合得到应用，并于19 9 9 年5 月8 日通 过中国石化总公司鉴定。同时，该公司为尽快将板壳式预热器产品转入 产业化生产，投资数百万元初步建成了大型板壳式预热器生产线心川。 此外，在预热空气温度上也显著得到提高。上世纪5 0 年代末，在炭 黑生产线上率先安装了的空气预热器，其预热温度达到35 0 4 0 0 。 到7 0 年代末，预热温度达到6 5 0 的高温空气预热器被引入到石油工业 中。8 0 年代初，空气预热器温度提高到更高的水平，8 0 0 的高温空气预 热器开始商业化运作。2 0 世纪末，9 0 0 空气预热器研制成功。从2 0 0 3 年开始，开发9 5 0 ，乃至10 0 0 高温空气预热器被提上议事日程心引。 至今，各国预热器研究者在继续提高设备的传热效率，促进设备结 构的紧凑性，加强生产制造的标准系列化和专业化，并在广泛的范围内 继续向大型化的方向发展的同时，逐渐将计算机技术应用在预热器的设 计中，丰富和便利了预热器的设计和研发。 1 2 2高温空气预热器与低温空气预热器的区别 高温空气预热器以其处理的介质温度高而得名。它与低温空气预热 器的主要区别在于： ( 1 ) 在高温空气预热器中辐射换热起着重要的作用。 ( 2 ) 高温空气预热器的管径和间距较大，所以压降较低。这样可以 节省风机成本和能耗心9 1 。 ( 3 ) 使用材料不同。在高温空气预热器中一般使用陶瓷、耐高温的 重合金材料等，价格较高。而低合金材料常用于低温预热器。 ( 4 ) 考虑到热应力对预热器的影响，高温空气预热器一般采用垂直 安装，仅固定换热管的上端，下端可以自由膨胀。 1 3c a d 技术及预热器c a d 技术的发展现状 1 3 1c a d 技术的基本概念 现代的计算机技术已经渗透到工业产品设计的每一阶段，并且使得 传统的设计方法发生了巨大变化。计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e d d e s i g n ，简称c a d ) 是利用计算机软、硬件系统辅助人们对产品工程进行 设计、计算、修改及显示输出的一种设计方法，同时它也是一门多学科 的综合性应用新技术0 1 。它将计算机高速而精确的运算功能、大容量储 存和处理数据的能力、灵活的图形及文字处理功能与工程技术人员的创 造性思维能力及分析判断能力结合起来，形成人机对话的交互式设计系 统，从而大大改善设计质量，缩短设计周期，并使人们从繁重的设计计 算和绘图工作中解放出来，更多地从事创造性的研究开发工作。 c a d 技术是随着电子技术和计算机技术的发展而逐步发展起来的， 它具有工程及产品的分析计算、几何建模、仿真与试验、绘制图形、工 程数据库的管理、生成设计文件等功能。经过三十多年的努力，c a d 技术的广泛应用已经引起了一场工程设计领域中的技术革命，它成为提 高产品与工程技术水平、降低消耗、缩短产品开发周期、大幅度提高劳 动生产率和产品质量的重要手段。现在，c a d 技术及其应用程度已经成 为衡量一个国家科技现代化和现代制造业水平的重要标志引。 c a d 技术是计算机科学与工程设计学科相结合形成的新型技术，它 不是完整的设计自动化，它将人的主导型与创造性放在首要地位，同时 充分发挥计算机的长处，使二者有机地结合起来，所以，c a d 技术最显 著的特点是人际信息交流及交互工作。 1 3 2c a d 技术发展概述 c a d 的产生和发展与计算机辅助绘图( c a g ) 的产生与发展是密不 可分的。计算机辅助绘图起源于2 0 世纪5 0 年代3 1 。19 5 2 年，美国麻省 理工学院研制成功了第一台数控铣床。随后一奥地利人根据数控机床原 理在美国研制成功了世界上第一台平台式绘图机，l9 5 9 年美国一家公司 根据打印机原理研制成功了世界上第一台滚筒式绘图机。这两种自动绘 图机的出现，标志这计算机辅助绘图时代的到来。此时的计算机绘图主 要是被动式的，人们根据计算机所提供的绘图软件用高级语言编程，然 后进行编译、连接，最后通过绘图机输出图形，在整个绘图过程中人们 是无法进行干预的。针对这一问题，上世纪6 0 年代，c a d 主要解决自动 绘图问题。美国麻省理工学院林肯实验室的一名博士研究生提出了第一 个人机交互c a d 系统，首创了交互式图形学领域。到7 0 年代，以小 型机和超小型机为主的通用c a d 系统开始进入市场，针对某些特定问题 的专用c a d 系统也开始蓬勃发展，形成了基于小型机的c a d 成套系统 一一“交钥匙系统”，这种系统具有完整的硬件和软件，使用非常方便， 特别适用于软件包，揭开了第二代c a d 序幕。2 0 世纪8 0 年代，随着先 进制造技术的发展，c a d 与c a m ( c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r i n g ，c a m ) 等的集成系统开始出现。9 0 年代后，c a d 技术已开始走出它的初级阶段， 进一步向标准化、集成化、智能化、微型化和自动化方向发展，并逐渐 发展成为更加成熟的c a d 系统。 我国的c a d 技术起步较晚，因此早期国内使用的c a d 系统及软件 都是国外产品，在2 0 世纪7 0 年代才开始尝试c a d 技术的研究工作。“七 4 五期间进行了有计划、有组织的研究，并作为“七五 重点科技攻关 项目之一。中国学者围绕c a d 支持系统、机械产品共性技术研究和重点 机械产品的开发和应用等方面进行了深入研究，成功研制出多套c a d 支 持系统( c i e m 、c a d i s e n 、p llc a d 、z d m c a d 等) ，可分别用于小型 机、工作站和微型机环境引。2 0 世纪8 0 年代是我国c a d 技术蓬勃发展 的时期。“八五”期间，中国学者将先进制造技术的重点放在c a d c a p p 、 c a m 、c a d c a p p c a m 、c a e 等方面的引进、消化和创新上，相继开发 了多种实用的c a d 系统，取得了令人瞩目的成就，并开发出了许多具有 自主版权的应用软件，丰富了c a d 应用软件。 9 0 年代以来，由于计算机硬件和软件的迅速发展，c a d 技术已经 广泛应用于机械、汽车、飞机、船舶、电子、轻工、建筑、化工、纺织 及服装等许多行业。c a d 已成为一门综合性应用新技术，它涉及到图形 处理技术、工程分析技术、数据管理与数据交换技术、文档处理技术和 软件设计技术等基础技术，在国民经济的迅猛发展中发挥了重要作用。 1 3 3预热器c a d 技术发展概述 预热器c a d 技术随着c a d 技术的发展而日趋成熟。在国外，预热 器c a d 技术早已有了相当的发展，如美国的传热研究公司( h e a tt r a n s f e r r e s e a r c hi n c ) 、英国的传热及流体流动服务公司( h e a tt r a n s f e ra n df l u i d f l o ws e r v i c e ) 以及前苏联都对计算机在预热器中的应用展开了研究，并 取得了不同程度的成果。在国外，在预热器设计计算软件方面，目前比 较成熟的软件有“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 ”，它是关于双管预 热器的计算软件；“ss p 2 0 0 0 是舒瑞普公司开发的专门针对该公司生产 的板翅式预热器的选型软件；“s h e l la n dt u b eh e a te x c h a n g e rd e s i g n 是 专门用于管壳式预热器的设计计算软件；“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 是专门用于板翅式预热器的设计计算软件。美国的w h e s s o e 公 司开发h e c a t 系统，可以进行各种列管式预热器的设计，并提供材料估 计，绘制预热器的装配图。39 1 。但是国外现有的软件的设计标准和制图 标准与我国不同，直接应用比较困难，另外价格也很昂贵。 在国内换热设备设计领域内，c a d 技术的应用也有了很大的发展。 2 0 世纪8 0 年代起，国内的工程设计人员开始使用a u t o c a d 作为工具， 采用交互式方法绘制一些简单的换热设备零部件图及装配图叫。目前， 在换热设备的工艺计算、物性参数的检索、大型容器的有限元应力分析、 设备的强度和结构设计、设备图的绘制方法，均在一定程度上采用了c a d 技术。其中具有代表性的有全国化工设备设计技术中心开发的化工设备 c a d 绘图软件包一一p v c a d 、茂名石化公司机械厂开发的浮头式预热器 c a d 软件、中国石化总公司开发的v c a d 3 0 、机电部合肥通用机械研究 所的压力容器c a d 的研究和开发。这些预热器c a d 系统都是以a u t o c a d 为平台，对预热器进行二维工程图的开发。郑州大学热能工程研究中心 开发的换热设备c a d 系统( h e c a d ) 是针对石油、化工、动力、建材、 轻工、环保等国家支柱行业和基础产业中部分过程装备的滞后现状而开 发出的c a d c a e 软件，在理论上和工程实践中都有十分重大的意义，为 新一代预热器的设计提供了最先进的技术，提高了我国重大过程装备的 设计制造水平，同时增强了企业在国内外市场的竞争力，经济效益和社 会效益极其显著h 川。 1 4课题研究的理论意义和应用价值 高温空气预热器因其所处理的介质温度较高而得名，它是生产和生 活中不可缺少的重要热利用设备，其性能的优劣对能源的有效利用产生 重大的影响，因此世界各国都十分重视高温空气预热器的设计。随着电 子技术的飞速发展，c a d 技术在全世界范围内进入了实际的应用阶段， 高温空气预热器c a d 技术则是c a d 技术在空气预热器设计中的具体应 用。 当前，空气预热器在类型、结构和换热效率上已经趋于成熟，面对 科学技术的高速发展和市场竞争的日益激烈，换热设备设计制造行业面 临着新的挑战。此外，工业炉上采用的预热器通常由于温度、流量、压 力、烟道尺寸、工业要求等不同而需采用不同的设计，并且要求设计周 期短。如何更快更好的满足买方市场的要求，争取市场先机，已经成为 预热器生产企业成败的关键之一。将空气预热器设计与计算机应用技术 相结合，是空气预热器设计的一个重大发展趋势。它不仅能够达到节能 降耗、减少设备投资费用、提高设备设计质量与设计效率的目的，而且 能够有效地缩短新产品研发周期，使工程技术人员摆脱繁重的重复劳动。 因此，本课题的研究具有重要的工程实际应用价值。 1 5本课题研究的主要内容 在杭州美宝炉窑工程有限公司委托项目“高温空气预热器c a d 系统 的研究与开发 的支持下，本课题以国家技术监督局g b l5 0 - 19 9 8 钢制 压力容器例和g bl51 19 9 9 管壳式换热器1 为总体设计原则，以高 温空气预热器的参数化设计为核心，结合空气预热器的实际设计制造过 6 程，研究适合企业本身的换热设备计算机辅助设计系统，从而实现高温 空气预热器设计的自动计算与绘图、修改及输出，提高设计效率。 本课题主要研究内容包括：高温空气预热器的三种基本类型一一辐 射式、喷流式和对流式空气预热器的设计，重点分析和探索组合式高温 空气预热器的工作原理和设计方法。其中，组合式高温空气预热器包括： 辐射一喷流组合式空气预热器、辐射一对流组合式空气预热器、喷流一 对流组合式空气预热器、辐射一喷流一对流综合性空气预热器四种。开 发出一个能实现通用性即实现在不同工艺参数情况下，易用性即具有用 户界面友好、易用、能实现自动计算和绘图的软件包。 本c a d 软件系统涉及到的七种高温空气预热器类型，其面向的用户 主要是化工设备设计人员，其功能分以下几个方面： ( 1 ) 高温空气预热器c a d 系统数据库检索。空气预热器设计中涉 及到很多物性参数的曲线图和表格，利用m i c r o s o f ta c c e s s2 0 0 3 数据库 技术，为这些图表建立了一个既充分完备，又具有较小的数据冗余度的 高温空气预热器c a d 系统数据库，包括物性参数数据库和工程材料数据 库。利用v i s u a lb a s i c6 o 的数据库管理工具和访问功能，在设计计算时， 直接从数据库中检索调用数据。 ( 2 ) 工艺设计计算。依据空气预热器的设计原理，本系统可在已知 不同介质( 烟气或空气) 的温度、流量和流速等条件下快速计算出各种 热力参数，如排烟温度、换热系数、换热面积、阻力损失、管壁温度等， 同时实现预热器管板的自动排管功能。 ( 3 ) 造价估算。软件包中集成了较为完整的估价系统，有利于用户 准确快速的分析所制造的空气预热器的经济性。 ( 4 ) 管束温度计算。喷流式和对流式空气预热器由许多换热管组成， 烟气横向冲刷管束时，不同排的换热管的受热温度不一。本软件针对这 一情况，采用逆向设计的方式，计算每一排的换热管的受热温度，有助 于设计者合理的利用工程材料，在保证产品质量的前提下，降低空气预 热器的造价。 ( 5 ) c a d 参数化绘图。这是本软件系统重点研究的内容之一。绘图 功能的实现是指用户在设计计算获得较满意的换热参数和结构参数之 后，直接调用a u t o c a d 绘图命令，自动绘制高温空气预热器的零件图和 装配图，从而实现高温空气预热器零部件和装配图的计算机自动绘制。 7 第二章高温空气预热器设计计算的理论基础 高温空气预热器空气与烟气的热量交换涉及到传热学、流体力学、 高效换热技术等基础知识，因此其设计计算必须应用到相关的知识。本 章主要介绍高温空气预热器设计计算的相关理论基础。 2 1高温空气预热器设计计算的理论基础 2 1 1传热方程式和热平衡方程式 无论是辐射式、喷流式还是对流式空气预热器，都遵循的基本公式 是换热面的传热方程式和热平衡方程式n 引。 传热方程式和热平衡方程式分别为式( 2 1 ) ，( 2 2 ) 所示： = 翩出。 ( 2 1 ) = g 。( c ：巧一c ，d = g 。：( c ；f ；一c ：f ；) ( 2 2 ) 式中：一一热负荷，j h ； 七一一总传热系数，w ( m 2 k ) ； 彳一一预热器总传热面积，m 2 ； f 。一一进行换热的两流体之间的平均温差，。 g 。，g 。2 一一分别表示热流体、冷流体的流量，n m 3 h ； c 。，c ：一一分别为热流体、冷流体的定压比热，j ( n m 3 k ) ； f ：，f ：r 一一热流体的进、出口温度，； f ；，f ；一一冷流体的进、出口温度，。 另外，对数平均温差出。不是独立变量，它由冷、热流体的流动布置 及其进、出口温度确定。 当气体流动类型为顺流或逆流时： 瓴2 警 3 ) 垃曲 f 一、出血为预热器进出口出最大温差和最小温差。 当气体流动类型为交叉流动时： f 。= 少，f 印 ( 2 4 ) f 卯为纯逆流时的平均温差，缈为修正系数，与无因次参数p ，r 有 关。 p ：l( 2 5 ) f 卜f ； r ：兰( 2 6 ) 乃 式中，f 窖、f ，为烟气进出口温差( f ：一f ：r ) 及被加热空气进出口温差( f ；一f ；) 中，温差较大者为r 。，较小者为f ，。 2 1 2对流换热系数 2 1 2 1 流体在圆形管道内流动 流体在圆形管道内流动时，可按雷诺准则的数值将流体分为层流流 动、紊流流动和过渡流流动。当r e 2 3 0 0 时，为层流流动；当r e 1 0 6 时， 为紊流流动；当2 3 0 0 r e 1 0 6 时，为过渡流流动。 层流流动时，传热和流动情况比较简单，努塞尔数n u 较小，对流放 热系数较小，有悖于空气预热器对换热系数的要求，所以，在空气预热 器设计计算中，若r e 2 3 0 0 ，需要重新设置空气预热器的已知值。 当流体在管道内作紊流流动，管道长度，与管道内径以的比值大于6 0 时，努塞尔数n u 的计算公式采用麦克亚当斯的经验公式进行计算。 n u = o 0 2 3 r e o r 8p r l ，3 ( 刁r 刁。) o j 4( 2 7 ) 式中：p r 一一普朗特数； 刁，刁。一一动力粘度，k g ( m s ) 。除仉按管壁温度计算外，其余各 项均按流体的平均温度计算。 当d 彳鲫时，应将式7 ，乘卟+ ( d 研7 陋修正。 当流体在管道内作过渡流流动时，应将式( 2 7 ) 乘以f 1 一等 进行 修正。 根据公式j i l = n u 五，可求出对流换热系数。其中允为流体的导热系数。 2 1 2 2 流体纵向冲刷管束 当流体纵向冲刷管束时，无论是属于管内冲刷还是对流管束中流体 在管外的纵向冲刷，其对流换热系数计算公式为： 烟气( 或空气) 冷却时 = j i l 。c 。c f ( 2 8 ) 空气加热时 j j i = o c ：c ， ( 2 9 ) 式中： 。为标准烟气条件下( 成分啊：d = 0 1 1 ，= 0 1 3 ) 所得到的对流换 热系数；c 。，c ，c ：为修正值。c ：不仅空气的温度有关，还是壁温的函 9 数。这四个值均可在对应的数据表中查到。 2 1 2 3 流体横向冲刷管束 工程上常用的预热器，其管束的排列方式主要有两种：沿流体的流 动方向上，管束作叉排或顺排布置，如图2 1 所示。管束的结构特性由管 子的外径d 、管子的横向节距s 和纵向节距j ：确定。叉排时，流体在管间 交替收缩和扩张的弯曲通道中流动，比顺排时在管间走廊通道中的流动 扰动剧烈。所以，在相同条件下，叉排的换热比顺排强，但其阻力损失 大于顺排管束。 - - 叉排 一巧西一一一 一0 一一一姻 顺排 图2 1 管束的排列方式 当流体在非等温情况下，管束的放热系数是下列因素的函数，即： n - u = 厂( p r ，r e ，j l d ，s 2 d ，z ) ( 2 1o ) 其中，z 为管束的排数。可将式( 2 1o ) 按线算图简化为计算式： 办= 7 l n c c c 。 ( 2 1 1 )，l2 甩o c ，c j c lz llj 式中：c 。，c ，q 为修正值。叉排和顺排所对应的厅。，c 。，c ，q 值均不 同，同样，均可在对应的数据表中查找数值。 2 1 3辐射换热系数 根据传热学知识，辐射换热计算的基础是基于黑体的斯忒藩玻尔兹 曼定律，又称四次方定律。一切实际物体的辐射能力都小于同温度下的 黑体，因此实际物体辐射热流量的计算采用斯忒藩玻尔兹曼定律的经验 修正形式： = 鲥卯4( 2 12 ) 式中：一一物体自身向外辐射的热流量，w ； 占一一物体的发射率，即黑度； 彳一一辐射表面积，m 2 ； l o 翻o oo oo o 一日一 ，一_一、& 田宙 一& q q q q q 盯一一黑体辐射常量，其值为仃= 5 6 7 l o - 8w ( m 2 k 4 ) ； 丁一一黑体的热力学温度，k 。 在高温空气预热器的热力计算中，气体辐射预热器可按下式计算： g ，：s r 掣盯( z z 4 ) ( 2 - 1 3 ) g ，2s ，盯【7 一f 。) l2 - i - jj 式中：甄一一辐射换热量，k w m 2 ； 占，q 一一烟气，管壁的黑度，通常q = 0 8 o 9 ； 乃，z 一一烟气，管壁灰污表面的绝对温度，k 。 将上式表示成对流换热公式的形式，则： g ，= 口，( 0 一z ) ( 2 14 ) 比较式( 2 13 ) 和式( 2 14 ) ，可得辐射换热系数为： 铲掣：。孚叫喜 口，= 兰一= s ，i _ 甜； ( 2 15 ) t z 。 2 1 2 ； t f 其中：对于含灰气流，刀= 4 ；对于不含灰气流，起辐射能量不是与温度成 四次关系，刀= 3 6 。 为简化计算，对于不含灰气流，辐射换热系数亦可由相应线算图和 下式计算： 对含灰气流：口，2 口o g( 2 16 ) 对不含灰气流：口，2 贸y 式中：q 一一气体的辐射换热系数；“吖( m 2 k ) 一一当含灰气流黑度占= 1 时的辐射换热系数， c ，一一不含灰气流的辐射修正系数。 占= l e 一协 七为气体的减弱系数，可按下式计算： 七= t 。 ( 2 17 ) k w ( m 2 k ) ； ( 2 18 ) k 圳( 等- o 1 ) ( 舯志)t “。1 吼面。0 j 卜仉3 7 志 式中：一一烟气中三原子气体的总容积成分，翩= d 2 + 白：d ； k 一一烟气中三原子气体的辐射减弱系数，1 m m p a ； 正一一烟气的平均绝对温度，k ； 白：d 一一烟气中水蒸汽的容积成分； ( 2 19 ) ( 2 2 0 ) 只。一三原子气体的绝对分压力，m p a ；由于预热器中 对压力尸o 1 m p a ，所以。= p = o 1 ； s 一一有效辐射层厚度，m ；可用下列近似式进行计算： 4 y 舻刁了 式中：y 一一预热器烟道的有效容积，m ； ，一一包围预热器烟道的面积总和，m 2 ： 烟气的绝 ( 2 21 ) 7 7 一一烟气辐射有效系数，一般刁值在o 8 5 0 9 之问。 在对流烟道的管束间，有效层厚度5 为： s ：o 9 d ( ! 婆一1 ) (