（工程热物理专业论文）管壳式换热器三维结构计算机辅助设计与研究.pdf

摘要 竹壳式换热器是应用最广泛的种换热设备。本文利用v i s u a lb a s i c 和 a u t o c a d 作为丌发平台，丌发了具有人性化界面和强大绘图功能的管壳式 换热器汁算机辅助发计系统。叛设计系统主要由关于物性参数和标准件读j = d ( 旧数堋库、热力训算、结构计算、强度汁算、流动阻力计算、二：维结构图和 维、1 i 嘶图的绘制及标注等部分组成。该设训系统突破传统换热器的设汁模 式，将设计结果以三维结构形式加以展现，对设计者和生产者均具有重要的 实用价值。、j 、 本文建立了以换热器年总费用最小为目标函数的优化数学模型，对换热 搽结构和经济流速进行了优化分折。 关键词：换热器，计算机辅助设计，优化设计 a b s t r a c t a so n et y p eo fh e a te x c h a n g i n ge q u i p m e n t s s h e l l & t u b eh e a t e x c h a n g e r sa r ea p p l i e dw i d e l y b a s e do nv i s u a lb a s i c & a u t o c a d as h e l l & t u b eh e a te x c h a n g e rc o m p u t e r a i d e d d e s i g ns y s t e m i s d e s i g n e d i t i so fh u m a n i z a t i o ni n t e r f a c es u r f a c e sa n dp o w e r f u l d r a w i n gf u n c t i o n s t h es y s t e mi sc o m p o s e do fd a t a b a s e ，t h e r m a l c a l c u l a t i o n ，s t r u c t u r a lc a l c u l a t i o n ，i n t e n s i t yc a l c u l a t i o n ，f l o w r e s i s t a n c e c a l c u l a t i o n ，d r a w i n g a n dd i m e n s i o no ft r i d i m e n s i o n a l s t r u c t u r ea n dp l a n es t r u c t u r ea n ds oo n t h es y s t e mb r e a c h e dt h e t r a d i t i o n a l d e s i g n m o d e la n ds h o w e dt h eh e a t e x c h a n g e r w i t h t r i d i m e n s i o n a ls t r u c t u r e i t i s g r e a t v a l u a b l ef o r e n g i n e e r i n g d e s i g n e r sa n d m a n u f a c t u r e r s a no p t i m i z a t i o nm a t h e m a t i cm o d e lw a ss e tu pw i t ha n n u a l e x p e n s e sb e i n g t h e o b j e c t i v e f u n c t i o n i nt h em e a n t i m e ， o p t i m i z a t i o na n a l y s i sw a sa p p l i e di n h e a te x c h a n g e rs t r u c t u r ea n d e c o n o m i cv e l o c i t yo ff l o w k e yw o r d s h e a te x c h a n g e r s ，c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ，o p t i m i z a t i o nd e s i g n l v 主要符合表 c p等胍比热k j k g k k 传热系数 w 2 t 温度。c v速度m s u 内能k j k g s 熵k j k g a 导温系数m ! s “动力粘度k g ( m s ) pj 餐霞k g 蠢 p r ：上普朗特数 “ 下标： l 管程 i 管侧 v 2 壳程 0 壳侧 q传热量k w f 。 对数、f 均湍芹。c p压降p a h 焓k j k g v 比容m 3 k g a导热系数w ( n 1 k ) ，运动粘度2 s r e ；堕雷诺数 7 m ：粤努谢尔特数 以 第一章前言 1 1 管壳式换热器简介 存r 程中，将某种流体的热量以一定的传热方式传递给他种流体的设 备，称为换热器。换热器是动力、冶金、炼油、化f 、建筑、重型机械制造、 航空、原j 能及食品等一业部门广泛应用的通用没备，并在某些工业企业巾 占有很重要的地位“。例如在石油化工厂中，它的投资要占到建厂投资的 】5 作用，它的重量占设备总重的4 0 ”1 。 随着科学和生产技术的发展，各种工业部门要求换热器的类型和性能要 与之相适应，流体的种类，设备的压力和温度等也都必须满足生产过程的要 求。近代尖端科技的发展( 如高温高压，高速，低温，超低温等) 又促使了 高强度、高效率的紧凑式热交换器层出不穷，虽然如此，所有的换热器仍可 按照它们的共同特征来加以区分。 1 按照用途来分：预热器、冷却器、冷凝器、蒸发器等。 2 按照制造换热器的材料来分：会属的、陶瓷的、塑料的、石墨的、玻璃的 等。 3 按照温度状况来分：温度工况稳定的换热器和温度工况不稳定的换热器。 4 按照热流体和冷流体的流动方向来分：顺流式、逆流式和错流式。 5 按照传送热量的方法来分：有问壁式、混合式和蓄热式等：三大类，这是 杓：对热交换器分类时的最主要的种分类方法“。 管壳式换热器是间壁式换热器中的一种，是换热器中应用最广泛的 种。管壳式换热器的主要优点是结构简单，造价低，选材范围广，处理能力 人，还能适应高温高压的要求。虽然它面临这各种新型换热器的挑战，但是 il l 二j 一它的高度可靠性和广泛适应性，至今仍然居于优势地位。例如在 本， 其产鞋占全部换热器的7 0 ，产值占6 0 。 按照结构的不同，管壳式换热器一般分为固定管板式、u 形管式、浮头 式和填料函式四种类型。固定管板式换热器可以布置较多的管排数，节省材 料，但是不能完全消除由于温差引起的热应力；u 形管式换热器结构简单， 换热管可以自由伸缩，不存在热应力的问题，但是管予内壁的污垢难以清除； 浮头式换热器可以很好的解决热膨胀问题，但是结构复杂，会属耗量多，比 较适用于换热量较大的情况；填料函式换热器，实际是一种把浮头露在壳体 外面的浮头式换热器，这样可以相对减小壳体直径。但是由于密封处容易泄 漏，不宜用于易挥发、易燃、易爆、有毒和高压流体的热交换。 1 2 管壳式换热器设计方法介绍 我们在设计一个换热器时，从收集原始资料开始到正式绘制图纸为止， 需要进行一系列的设计计算，这种计算一般包括热力计算、结构计算、流动 阻力计算和强度计算。热力计算是换热器设计的基础，是设计计算过程中首 先要解决的问题。热力计算的目的在于根据给出的具体条件求出换热器的传 热系数，进而计算出传热面积的大小。管壳式换热器的结构计算主要包括以 下几个任务：计算管程流通面积，确定管子尺寸数目及流程数，并选择管子 的排列方式；确定壳体直径和壳程的流通面积，计算进出口连接管的尺寸等。 在进行结构计算时，必须遵守相关的规定，例如关于简体直径大小的选取， 在管板上丌孔偏差的规定等。进行流动阻力计算的目的是为选择泵或风机提 供依据，或者核算其压降是否在限定的范围内。当压降超过允许的数值时， 则必须改变换热器的某些尺寸或流速。进行强度计算，求出热交换器各部件 尤其是受压部件的应力大小，确定壳体和换热管的壁厚，检查强度是否在允 许的范围内。对于在各种不同环境下工作的换热器而言，进行强度计算都是 必要的，尤其是那些承受高温高压的换热设备。 1 2 1 设计方法的发展历史 管壳式换热器的设计原理早在三十年代就已建立起来。对于设计过程中 最基本的热力计算，主要的研究集中在如何确定管内外对流换热系数。1 9 3 3 年柯尔本首先提出以理想管排数据为基础的管外对流换热系数公式 n u = 0 3 3 ( r e ，) o6 ( p r ，) 。”( 1 - 1 ) 式中：n u 及r e 数中的几何尺寸都用管子外径，流速则以最小流通截面积 为基准。下标f 表示以流体平均温度作为定性温度。上式适用于管子错排， r e 2 0 0 0 的情况。对于带有折流板的热交换器，出于有漏流和旁流的存在， 情况较理想管排复杂得多。大量数据证明，对于符合t e m a 标准的换热器， 将上述柯尔本公式计算所得的传热系数乘以0 6 ，结果相当理想。在设计计 算时，采用施德尔一梯特公式( 1 2 ) 则更为方便些，结果与式( 1 1 ) 大致相同。 n u = 0 2 ( r e y ) 。6 ( p r ，) ”3 ( 。) ”4 ( 1 - 2 ) 式中除。是以壁温为定性温度外，其余的物性常数都是以流体平均温度为 定性温度。式f 1 2 ) 的使用范围也是r e 2 0 0 0 。 作为完整的管壳式换热器的设计方法来源首先是1 9 4 9 年当纳胡 ( d o n o h u e ) 发表的计算方法，他自己又在1 9 5 5 及1 9 5 6 年三次加以改进。 当纳胡法的传热计算是由修正柯尔本公式而来。柯恩法”( k e m ) 并不是个 崭新的发展，它是在纳胡法的基础上作了一些改进。柯恩法的主要特点是把 设计问题作为一个整体来处理，即除传热问题外，还同时考虑壳程一一管程 流动、温度分布、污垢及结构等问题。它还包括管侧及壳侧的冷凝和沸腾的 内容。柯恩所著的“p r o c e s sh e a tt r a n s f e r ”“这本书，一直是工业中管壳式 换热器设计的主要参考书。 值得提出的是廷克( t i n k e r ) 1 9 4 7 年提出的壳侧流动模型。它把壳侧流 体分为错流、旁流及漏流几个流路，每个流路都有自己的特点。廷克本人在 1 9 5 8 年提出的计算方法“”由于难以理解和繁琐，故始终未获普遍使用。但 是他的流动模型却成为其它一些先进的计算方法的物理基础。柯尔本在美 困台立华大学发起一项规模庞大的研究计划，目的是解决管壳式换热器壳程 划流换热系数的计算方法。从1 9 4 8 到1 9 5 9 年的1 2 年间，先后有许多人参 与此项研究工作。1 9 6 0 年由贝尔( b e l l ) 执笔写出研究报告初稿“”，并于1 9 6 3 年提出最终报告，即d e l a w a r e - - b e l l m e t h o d 台立华一贝尔法。其后贝尔又 将此法加以改进。贝尔法的特点是利用大量实验数据，引入各流路的校j f 系 数，是一种半分析方法。可以说是目前公丌发表的各种方法中最先进的一种 方法“”。 随着计算机技术的发展，美国传热研究公司( h e a tt r a n s f e r r e s e a r c hi n c ) 利用廷克的流动模型、台立华大学的实验数据，结合自己的研究成果，于 1 9 6 9 年提出了具有独创性的流路分析法“”，随着又经过多年的改进，目前 已有完整的设计程序，可以解决包括有相变和无相变系统的换热器设计问 题。天津大学化工系传热科研组1 9 7 8 年发表了计算壳程压降的流路分析法 “”。此法的特点是不仅可以计算出各流路条件发生变化时的壳程压降，而 且可以定量计算出各流路之间的流量分配。从而使设计者能够更好地分析问 题和采取合理解决措施。 在设计计算中，最重要的是计算传热系数和压降的公式。对于无相变系 统，无论是管内或管外，除高粘度流体外，总的来 兑，计算方法还是比较成 熟的。当然，在壳程的计算方法中还行一些难点有待解决( 如缺口的压降计 算，尤其是在低r e 数时困难更大) 。在有相变系统中，如冷凝和沸腾过程， 问题就复杂得多。近几十年来，随着核工业的发展，两相流动及传热的研究 发展极快。但研究内容都偏重于水一水蒸气系统或核工业中所遇到的问题。 同时，多元系统的沸腾和冷凝，含有不凝性气体的蒸汽冷凝，管束中的沸腾 和冷凝等，都研究得很不充分。 污垢大小是影响传热及压降的一个重要参数。人们在设计换热器时处理 污垢问题一般依靠经验进行选取。可是，怎样选定污垢系数却往往成为影响 换热器结构的关键的一环。例如，当两侧的流体传热系数都很高，管壁的热 阻很小时，换热器的大小受污垢系数的数值影响很大。可是有关污垢系数或 污垢热阻的数据比较短缺。这是因为结垢的机理很复杂，而且又必须经过很 长的周期才能得到有意义的研究成果。近年来由于节能的要求与日俱增，也 就促进了列污垢的研究： 作。相信在这方面的工作今后会有很大突破的“”。 关于换热器在结构和制造方面的规定，各国都有自己的规定和标准。例 如美国的t e m a 标准，同本的j i s b8 2 4 9 标准，英国的b s5 5 0 0 标准等。在 综合分析我国多年来在管壳式换热器研究、设计和制造经验的基础上，我国 原机械工业部、石油工业部、化学工业部在1 9 8 3 年颁布了钢制管壳式换 热器设计规定，反映了我国在管壳式换热器设计和制造方面的水平。经过 不断的修订，我们现在可以使用的关于换热器制造方面的标准有钢制压力 容器g b l 5 0 和钢制管壳式换热器g b l 5 1 8 9 等。 122 换热器计算机辅助设计的发展 管壳式换热器的设计方法不断成熟，相关标准日益完善。但是由于设计 ：】：况各不相同，所以换热器不能进行批量生产，必须进行针对性设计。设计 过程中始终存在着工作量大，设计周期长，工作效率低等问题。那么我们是 否可以解决这些问题? 怎样解决? 现代社会是计算机技术快速发展的社会，我们完全可以利用计算机的高 速计算功能为我们服务。计算机是一种通用性很强、能自动高速进行大量计 算、又有逻辑判断功能和存储功能的现代化电子设备，它的出现极大推动了 科学技术各个部门的发展。电子计算机自1 9 4 6 年诞生以来，在短短的几十 f f 晕，已经成为现代科学技术不可缺少的重要工具。在换热器设计的领域中， 同样也成为一种十分重要的手段和工具。世界各国，如美国的传热研究公司 ( h e a tt r a n s f e rr 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 t a n df l u i df l o ws e r v i c e ) ”( 1 钟等都对计算机在换热器设计中的应用丌展了研 究应用，并且取得一定的成果。美国的传热研究公司开发了一个比较精确的 h t r ! 设计方法，编写了一套换热器计算程序，这套程序包含了h t r i 自己 丌发的方法，该方法是建立在大量研究数据基础上的。该程序计算结果比较 精确，对管壳式换热器能够精确到1 5 。我国从1 9 6 5 年丌始用计算机进行 换热器的设计计算。通过多年的努力，已经取得一定的成绩。目前，在换热 器计算机辅助设计中，对管壳式，一般无相变、纯蒸汽冷凝、含不凝气的单 组分蒸汽冷凝、单组分再沸器、多组分蒸汽冷凝、多组分再沸器和含不凝气 多组分蒸汽冷凝器都丌始使用计算机进行计算，并且取得较好的成果。 1 3 本文研究的主要内容 如上所述，管壳式换热器是最主要的换热设备，但是设计过程中的工作 量大、周期长等问题始终困扰着我们。本文研究的主要内容是利用计算机技 术进行换热器设计，期待解决以往设计过程中存在的这些问题。 虽然已经有人在换热器计算机辅助设计方面做了大量研究和开发工作， 并且在国内外出现了各种成形的软件，但是国外现有的软件，其设计标准和 制图标准与我国的不同，应用起来比较困难；国内的软件虽然适合我们的需 要，但是随着编程语言+ 可实现功能的不断强大，软件的功能也必然逐渐增强， 软件的实用性也必定有很大提高。在对国内外的设计软件进行了解的前提 下，我们利用现在比较强大的编程语占一一v i s u a lb a s i c 和绘图工具 a u t o c a d 作为丌发平台，编写了一个具有人性化界面和强大绘图功能的换 热器计算机辅助设计软件。 v i s u a lb a s i cf v b ) 是一个集应用程序开发设计编辑调试为一体的集成 式丌发环境，用v b 编写应用软件时，一方面软件的开发阶段可以实现可视 化编程，另一方面软件的使用也可以实现可视化，符合当今社会可视化编程 的发展趋势。”。本课题以v b 和a u t o c a d 作为丌发平台，用a c c e s s 读取 数据库，综合v b 、a u t o c a d 和a c c e s s 的优点，设计完成了功能强大的管 壳式换热器计算机辅助设计程序。 本课题编写的计算机辅助设计程序，不但可以自动完成以往设计中必 须人工完成的计算、绘图等大量繁琐的工作，而且能够按照设计人员的要求 随叫列换热器的结构进行修改。最后，除了能完成平面工程图纸的绘制以外， 还可以将换热器的结构以三维立体图的形式表达出来。三维立体结构便于设 计者及早发现设计中的缺陷和不足，可以随时对设计进行修改：便于生产者 深刻理解图纸，准确进行加工制造。 本课题设计的软件能够自动完成管壳式换热器设计过程中的热力计 算、结构汁算、阻力计算和强度计算，能够绘制三维结构图，能够对三维实 体进行立体标注。 第二章管壳式换热器设计所需数据库的建立 众所周知，在进行换热器设计时，必须用到很多已知数据，例如热媒和 冷媒在定性温度下的物性参数，标准零件的尺寸以及计算过程中用到的各种 系数等。这些都是我们进行本课题研究时首先要解决的问题。通过比较发小， 解决这些问题的最好途径就是编写数据库。在编写数据库时，我们利用功能 比较强大的语言一v is u a lb a s i c 对数据库进行访问。 21 利用v b 访问数据库技术简介 211 利用v i s u a ib a s i c 访问数据库技术的历史 综观过去的几年，使用v i s u a l1 3 a s i c 的客户曾设计出数不胜数的 程序和组件来建立商务解决方案。大约8 0 以上的应用程序是用来 访问以下这些数据的：a s c i i 文本文依s 吼数据库以及大型机数据库。 早期的v i s u a lb a s i c 数据访问工具只是简单的a s c i i 文件的访问工具， 极少数s q ls e r v e r 的前端应用程序是使用鲜为人知的数据接口v b s l 孔 编写的。然而，在v i s u a lb a s i c3 0 时代许多用户强调需转移访问包含 远程数据源的i s a m 数据，为止k m i c r o s o f t 设计了m i c r o s o f t j e t d a t a b a s e e n g i n e ( 简称为j e t ) $ 口d a t aa c c e s so b j e c t ( f f f j 写为d a o ) ，使得v i s u mb a s i ca c c e s s 开 发人员很容易地同l e t 接口。直至前两年，对v i s u a lb a s i c 和其使用者的 需求又包含更快的访问远程数据和对c d b c 数据源访问的优化忙”。 当我们选择在此讨论哪种技术是最佳技术时，必须注意到两 点：代码的重用和丌发者实现选择的数据库访问方案的能力。设计 者常常为实现或追求一种更特别的性能而使用有更多控件的奇异 方案，这样设计出来的应用程序应用时更复杂或维护时更困难。v b 5 也包含了全新的查询连接生成器，即u s e rc o n n e c t i o n 设计器它使用 v i s u a b a s i c 新的a c t i v e x 设计器体系结构，对要编程的数据访问提供 设计时的支持。允许在设计时创建连接并查询对象( 基于r d 0 r d c f | ，o n n e c t i 。n 和r d c l ) u e t 7 对象) 。并把这些连接和查询对象当作工程级 埘象。可预先设置属性、定义新属性和方法并给对象编写代码来捕 捉事件。这不仅为向应由连接和查询而引起的事伟而且为在运行 时调用已有存储过程和用户定义的查询提供了简单的方法。使用 u s e r c o n n e c t i o n 设计器这种技术，代码可减少1 0 倍，性能却没有任何损 失。方案至少有九种。每一种方案都可满足用户特定的需要，比如特 殊的数据源和用户开发的技能等。 2 1 2 利用v i s u a lb a s i c 访问数据库的现状 表2 - 1 列出了目前在v b 5 中有效的数据访问接1 ：3 方法，一部分是 简单的应用程序接口界面( a p l s ) ，大部分是组件对象模型界面 ( c c m ) 。这两类数据库接口界面在任何一种开发语言中都包括。 接口界面 v b s q l 0 d b c a _ p i d a o j e t 一1一一一 。一 访问对象 j 通过d b l i b r a r y 访问微软的s q l s e r v e r * ? “w “ “一* ”一 任何一种o d b c 数据源 i 一一一一+ 一一一 本地的s e t a c c e s s m d b 、顺序索引数据库 i ( i s a m ) 和任何o d b c 数据源。 1 1 6 3 2 位 忮持 ；1 6 位和 1 3 2 位 j 1 6 位和 3 2 位 1 1 6 位和 3 2 位 里，0 7 0 d b c；任何一种o d b c 数据源( 经过r d o )1 3 2 位 d l r e c t r d o2 0i 任何一种o d b c 数据源( l e v e li 或1 1 ) 3 2 位 a d o 任何一种o d b c 数据源和任何经过1 3 2 付 j o l e d b 界面接口的数据源 i “ 表2 1v g 访问数据库的接口界面 可以用v b 程序代码编写接口界面来访问数据库，但是许多丌发 人员也使用一些数据库绑定的控件来实现一些简单重复的功能， 如：用户数据的输入、显示、筛选等接口界面。v b 也支持对多种数据 源访问的控件，这些控件在v b 和c ( n 界面接口之间起着媒介作用。这 些控件提供了一种减少代码实现数据访问的途径，该方法简化了 代码并使程序员不必亲自处理检索和更新数据的底层结构和机 制。它赋予程序员很大的灵活性，因为可以使用同样的对象、属性和 方法来处理各种不同的数据库格式。同时，如果从一种数据库格式 变到另一种格式( 例如，将本地的m i c r o s o f t a c c e s s 数据库转换为网络 卜的s q l s e r v e r 数据库) ，只需变动少量的代码就可以适应这种改变。 甚至可以创建这样的应用程序，在单一的查询或报表中连接来自 多个不同数据库的表。”。 数据绑定控件 d a t ac o n t r o l d a t ac o n t r o i o d b cd i r e c t 访问对象 d a o j e t 数据界面接口 d a o o d b cd i r e c t 数据界面 接口 1 6 3 2 位支 持 1 1 6 位和3 2 l 位 3 2 位 表2 2 数据绑定控件 经过数年发展，0 0 b c 技术f 1 臻完善已成为访问远程数据的主要 方法，而j e t 成为本地j e t 和i s a m 数据接口的首选方案。虽然这些方法 在不同程度上有功能交迭的地方，在论证选用数据库访问的方法 时，主要还应满足用户在特殊应用程序中对具体数据接口的访问 ( 1 引。 213 利用v i s u a ib a s i c 访问数据库的前景 近来随着w e b 应用软件的迅速发展和现有数据存储形式的多 种多样，v i s l 】a ib a s i c 访问数据库的解决方案面临诸如快速提取分布 于企业内部和外部有用商业信息等的多种挑战。为止l m i c r o s o f t 提出 一种新的数据库访问策略，即“统一数据访问”( u n i v e r s a ld a t a a c c e s s ) 的策略。“统一数据访问”提供了高性能的存取包括关系型和非关 系型在内的多种数据源，提供独立于丌发工具和丌发语言的简单 的编程接口，这些技术使得企业集成多种数据源、选择更好的丌发 工具、应用软件、操作平台、建立容易维护的解决方案成为可胄匕。“统 一数据访问”( u n i v e r s a l ) ：a t a a c c e s s ) 的基础是m i c r o s o f t 的数据访问组件。 这些组件包括a c t i v e x d a t a o b j e c t s 、r e c o t ed a t a s e r v i c e ( r o s ，也称“高 级数掘连接器”或a 0 0 、o h ed b 和c d b c 。其具体功能不作详细介绍 2 2 数据库的建立 22 1 数据库程序实现的功能 作为课题的一部分，数据库程序主要用来完成与数据有关的操作，向其 它应用程序提供对具体数据访问的接口，并且将所需数据库和数据库请求封 装起来，使其他应用程序完成对数据库的访问操作。 根据管壳式换热器的设计过程分析得知，数据库接受到的数据请求大致 分为量类： 1 对各种标准零件的访问( 如管法兰，容器法兰，封头，支座等一系 列国家标准，行业标准的读取访问) 2 列各种图表的访问( 如管程范宁摩擦系数，壳程摩擦系数，一定公 称直径时的拉杆个数等的读耿访问) 3 对换热器中流体介质特性参数的访问( 如水和水蒸汽物性参数的读 取访问) 。 通过分析发现，第一种情况是对逐个单一数据库单一数掘的访问；第 二种情况是对众多零碎单个表格中的单个数据的访问。第三种情况是对给定 状态下的流体介质特性参数的访问。由于各种访问的情况不同，所以建立数 据库时采用的方法各不相同，数据库的结构也各有特点。 2 2 2 数据库编程方法 22 2 1 建立的数据库模型 图2 1 为数据库的基本结构图。整个数据库是由几个功能各异的类模 块( c l a s s ) 组成，主要包括公共类( l o c a lc l a s s ) ，本地函数类( l o c a l m a t hc l a s s ) ， 查询类( c r e a t _ q u e r y c l a s s ) ，单一内核类( e a c h _ d a t a b a s e c l a s s ) 和由各种数 据库对象组成的对象数据类( m l c o n s t a n d o b j e c t c l a s s )。通过这些类 模块，我们可以实现计算机辅助设计中要求的所有数据读取功能。这种利用 灵活的类模块来组建数据库的方法，思路清晰，结构简单，功能强大。 下面介绍相关类模块的结构和实现的功能。 本地函数类( l o c a lc l a s s ) 的通用模型： 图2 - 2 本地函数类的结构模型 封装的数据库对象类( m y _ d b c o n s t _ a n d _ o b j e c tc l a s s ) 包括数据库所要 访问的所有标准件对象。 图2 _ 3 单一内核类( e a c h _ d bc l a s s ) 的作用是通过其实现对象完成单内核 加多个数据查询语句的分层结构，如下图所示： 图2 - 4 单一内核类的结构模型 2 22 2 图表的处理 图表处理主要是针对第- - k o 情况进行的。由于是对众多零碎单个表格和 单个数据的访问，所以采用从图表选取点，进行曲线拟合，得到函数，加以 编程的方法来实现的。 所用到的主要结构模型如下： 模型一：需要对图表进行差值计算的模型( 采用线性差值) 图2 5 图表处理函数结构模型l 模型二：般计算( 不需要对图表进行插值计算) 图2 - 6 图表处理结构模型2 采用这两种模型编写出本地函数类( l o c a l m a t hc l a s s ) ，包含在内部 数据引擎工程( m y d b e n g n e ) 中，可以很好的实现有关图表中数据的读取。 2 23 流体物性参数数据库的建立 2231 蒸汽一水物性参数读取的处理方法 在进行热力计算时，必然要用到介质定性温度下的物性参数。为满足辅 助设汁的要求，我们编写了水和水蒸汽物性参数读取的数据库。在编巧数据 库时，我们从幽际汽水性质协会i a p w s ( t h ei n t e r n a t i o n a l a s s o c i a t i o nf o r t h e p r o p e r t i e s o fw a t e ra n ds t e a m1 中查询得到相应计算公式。依掘使 j | j 场合不同，公式可以分为丁业用( i n d u s t r i a l ) 公式、普通用( g e n e r a l ) 利科学用( s c i e n t i f i c ) 公式。我们使用工业用计算公式即可，即“i a p w s i n d u s t r i a lf o r m u l a t i o nl9 9 7f o rt h et h e r m o d y n a m i c p r o p e r t i e so fw a t e ra n d s t e a m ”，简称“i a p w si n d u s t r i a lf o r m u l a t i o n1 9 9 7 ”( i a p w s i f 9 7 ) 。 1 a p w s i f l 9 9 7 工业用性质公式由几个连续的不同区域组成。公式适 用的有效区域是： 2 7 3 1 5 t 1 0 7 3 1 5p 1 0 0 m p a 1 0 7 3 1 5 p r e f e r e n c e s 菜单项中的几乎每，一个选项进行访问和修改，以获取或改 变a u t o c a d 的优先设置。d o c u m e n t 对象是控制a u t o c a d 图形文件的直接 刈象，它代表某一个装入的c a d 图形文件( 一般设为当前激活的文件) 。 d o c u m e n t 对象下面有m o d e ls p a c e ( 模型空间) 和p a p e rs p a c e ( 图纸窄问) 刘象及b l o c k s ( 块) 、l a y e r s ( 层) 、p l o t ( 出图) 、s e l e c t i o ns e t s ( 选择集) 、v i e w s ( 视图) 等一系列刑象( 集合) 。m o d e ls p a c e 足“铺u 图形文什巾图形文体， 如卣线、圆、多义线等的集合，每个实体目j 是一个对象，可通过属性和方法 改变实体或生成新实体。对非图形：实体，如层( 1 a y e r ) 、线形( 1 i n et y p e ) 等 的访问则通过访问d o c u m e n t 对象下面的相应的集合类型的予对象，如 l a y e r s 、l i n et y p e s 等来实现。集合类型的对象可以使用v b 中所有的集合 操作，方法。p l o t 对象提供了访问p l o t 对话框中各选项的桥梁，使应用程序具 有用4 i 同方式控制a u t o c a d 出图的能力。u t i l i t y 对象使用户在a u t o c a d 命 令行! - jc a d 交互成为可能，通过它可以处理整型、浮点型、字符型等用户 输入，还叮以接受点( p o i n t ) 或角( a n g l e ) 等a u t o c a d 的特殊是。 322 通过访问对象模型进行开发设计 我们在编巧应用程序对a u t o c a d 进行丌发时，基本上应该包括以f j l 个乃面内容： 1 ) 肩用a u t o c a d a p p l i c a t i o n 对象位ra u t o c a d 层次对象结构的顶层，它代表a u t o c a d 本身，用户的应用程序也理所当然从a p p l i c a t i o n 埘象的建立刀：始。奉课题 将这一段程序编写为o p e n a c a d 模块，作为s u b m a i n 在程序的最初运行。 2 1 通过d o c u m e n t 对象对图形文件的操作 d o c u m e n t 对象提供了大多数a u t o c a d 的文件功能，可以通过它实现对 义件的史新( n e w ) 、打丌( o p e n ) 、输 = b ( e x p o r t ) 、输入( i m p o r t ) 等操作。进行 相关操作时，一般耍先把d o c u m e n t 对象设为a p p l i c a t i o n 对象的a c t i v e d o c u m e n t 属性，以返凹当前幽形文件。 3 ) 刈吲肜实体的自动操作( q 二成、编辑、查询) 图形实体指所有画在屏幕上的物体，如直线( l i n e ) 、圆( c i r c l e ) 、弧 ( a 1 1 c ) 、多义线( p o l y l i n e ) 、文字( t e x t ) 等，它们包含于m o d e ls p a c e 和p a p e r s p a c e 集合对象。f ，对实体的操作总要从这两个集合丌始，向下查找相、t 实 体的方法或属性。m o d e ls p a c e 与p a p e rs p a c e 的含义和a u t o c a d 中类似， 它们是所有图形实体的集合，要取得图中的某一实体，一般采用遍历或用实 小南jj ：丙f h a n d l e ) 奄找的力法。 4 1 1 oj o 交q u t i l i t y 划象提供了与用户在命令行交互的途径，可以让用户输入数，、 字符串及角度、点坐标等参量。 5 ) 对非图形对象的操作 非图形对象如层( l a y e r s ) 、视图( v i e w p o r t s ) 、坐标系( u c s s ) 、块 ( b l o c k s ) 等与图形实体集合m o d e ls p a c e 、p a p e rs p a c e 同是d o c u m e n t 对象的 于刈象，它们本身既是对象，又是对象的集合，如l a y e r s 是当前扣丌的图 中所有层的集合，使用a d d 方法来建立新层，并可以遍历所有层，通过改 变其属性达到关闭( o f d 、冻结层( f r e e z e ) 的日的。在本课题的应用程序中， 所标注的尺寸和标题框就是通过对l a y e r s 的操作实现的。由此可见，对非 图形剥象的操作得当，可以使程序的结构更加完整。 3 3管壳式换热器三维结构设计的方法 33 1 程序设计的基本思想 作为一门编程语言，v b 是一个集应用程序丌发设计编辑调试为一体的 集成式丌发环境。用v b 编写应用程序时，一方面程序的丌发阶段可以实现 j 说化编程，另一方面程序的使用阶段也可以实现叫视化。同时，作为 科 绘阁：1 一具，a u t o c a d2 0 0 0 不仅可以进行平面图的绘制，而且能够完成更加直 观形象的王维立体图的绘制。那么我们就可以结合v b 和a u t o c a d 的优点， hv b 和a u t o c a d 作为工具，进行管壳式换热器三维结构计算机辅助设汁 的研究。j 以往换热器计算机辅助设计不同的是，程序不仅可以进行工稗乎 面图的绘制，而且能够把换热器的结构以三维立体图的形式表达出来。三维 结构显示具有很多优点，对设计者而占，在设计的同时就能够看到设计的结 果，及时调整设计中缺陷和不足，提高了工作效率。对制造者而言，直观的 二i 维结构可以更准确理解图纸内容，减少加工制造时出于不能完全理解图纸 内容所产生的差错。同时，计算机的高速计算功能使得重复的叠代运算成为 可能，提高了设计的准确度。 3 ，32 对程序设计的基本要求 1 作为一种换热器计算机辅助设计程序，应该能够完成手工设计时的所 有内容，能够进行热力计算、结构计算、阻力计算、强度计算、数据读取访 问和绘图，并且在需要进行选择和判断时，主动与设计者进行交流，表达设 计者的主观思想。因此，可以采用对话框式结构来设计程序。 2 作为一种换热器计算机辅助设计程序，应该具有通用性、灵活性，应 该使用准确的计算方法，尽量减少由于简化和假设带来的误差，并且可以进 一步完善和扩展。 3 在程序中，原始数据的输入方法应该尽量简单，使用户容易理解和掌 握。在数据的输出方面，不但可以输出计算结果，而且可以输出某些结果的 计算过程。 以上基本要求，可以借助v i s u a lb a s i c 强大的编程能力和a u t o c a d 完 善的绘图功能来实现。当某些复杂的要求难以实现时就必须对a u t o c a d 进 行二次丌发。 3 33 程序中的设计计算方法 33 3 1 热力计算 1 热力计算的流程图 图3 1 是换热器热力计算的流程图 图3 1 换热器热力计算流程图 在热力计算过程中，我们充分利用计算机运算速度快，可以进行大量 数值计算的特点，通过多次重复计算来减小选定值和实际计算值之日j 的差 值。例如，我们可以将壁温假定一个数值，然后按照热力计算步骤步步逼 近，经过多次重复运算，可以使选定值和实际计算值之间的误差很小，达 到0 1 。c ( 当然可以达到更小，只是这样会增加程序运行的时阳j 。并且按 照工程设计上的要求，o 1 度的误差已经足够了1 。在整个热力计算过程中， 需要对传热系数的选定值进行验证，需要对壁温选定值进行验证，并且还 要验证换热器的结构是否合理，能否保证压降在规定的范围之内。这些验 证，都可以由计算机轻松实现。 2 热力计算中平均温差的处理 t m = ( a t 2 一t 1 ) l n ( 2 t 1 )( 3 一1 ) 在进行换热器热力计算时必须求出对数平均温差，由式( 3 1 ) 可以看出当 她= f ，即两端的温差相等时，不能得到对数平均温差的确定值。这样就给 编程计算带来很多麻烦。通过查阅资料发现，很多研究者对这一问题进行研 究，提出许多近似计算公式，使计算结果既可满足于l m t d 的计算值，又 可解决当两端温度差相等的情况。 通过埘多个公式的比较，我们采用了一个误差较小的近似计算公式 a t m o ，3 2 7 5 = ( t 】o3 2 ”+ a t 2 o3 2 7 5 ) 2( 3 5 ) ( 3 5 ) 式是c h e n g 在1 9 8 7 年提出的，是对以前很多近似公式的一种改进。 在换热器的优化设计中，应用上式求取t 。得到的传热面积非常接近于 l m t d 所计算的换热面积，结果令人满意，其误差仅o 0 1 9 。同时，当出 现a t l = a t 2 时，t 。也可以求出具体的温差值，避免了l m t d 在这一特定情 况下不能直接求解的问题。 333 2 结构计算 结构计算就是根据传热面积的大小计算换热器主要部件和构件的尺寸。 例如换热管的直径长度根数、壳体直径、折流板长度和数目、隔板的数目和 布置以及连接管的尺寸等。在这些工作中，通过在管板上布置换热管来确定 壳体直径是非常重要的一步，只有确定公称直径，才能进行标准件的选取， 爿能进行其它设计工作。下面着重介绍换热器管板的布管方法。 1 管板布管的原则和限定条件 ( 1 ) 所用换热管的直径和壁厚可以根据相关标准任意选取。对u 形换热管而 言，弯管段的弯曲半径应不小于两倍的换热管外径。本程序中的弯管半径按 照钢制管壳式换热器g b l 5 1 8 9 中常用换热管弯管段弯曲半径确定。 ( 2 ) 换热管的中心距一般不小于1 2 5 倍的换热管外径。本程序可以按照用户 输入的换热管外径的倍数来确定换热管的中心距。 ( 3 ) 换热器中分程隔板槽两侧相邻管中心距的选取按照钢制管壳式换热 器g b l 5 1 ，8 9 中推荐值确定。 ( 4 ) 换热器的布管限定圆尺寸按照钢制管壳式换热器g b l 5 1 - 8 9 中的规定 确定。 f 5 ) 管板上丌孔时的偏差范围按照钢制管壳式换热器g b l 5 1 - 8 9 中的推荐 值确定。 在该软件中，管板的伟管可以实现诉三角形排列、正方形排列和转角i f 方形排列共三种排列形式，同时有二管程、四管程和六管程三种管程分布。 以上五条原则适用于三种排列和三种管程的任意组合。 2 管板布管的方法 图3 - 2 管板布管示意图 管板布管时最基本的一条原则是所有换热管必须在布管限定圆范围内。 根据这条原则，建立如图3 2 所示坐标系 假设第一层上的管数为n 1 ，有如下方程( 应该区分奇数层和偶数层) ( ( n 1 1 ) p ) 2 + s2 ( d 2 一d 2 ) 2 ( 3 - 1 ) n 1 ( d 2 一d 2 ) 2 s 2 p + i ( 耿整)( 3 2 ) 其中：p 换热管问距 s 分程隔板槽两侧间距一半 d换热外径d 限定圆直径 假设第二层上的管数为n 2 ，有如下方程： ( ( n 2 - 1 ) p + p 2 ) 2 + ( s + p s i n 6 0 。) 2 ( d 2 一d 2 ) 2 ( 3 - 3 ) n 2 4 ( d 1 2 一d 2 ) 2 一( s + p s i n 6 0 ) 2 p + l 2 ( 取整) ( 3 4 ) 其它奇数层上的管数可以