（化工过程机械专业论文）波节管换热器的计算机辅助设计.pdf

南京工业大学硕士学位论文 摘要 波节管换热器兼备了波节型传热元件传热效率高，不易结垢，以及管壳式换 热器结构紧凑、维修方便、互换性强、密封周边短等的优势，自九十年代初，波 节管换热器研制开放成功以来，在电力、石油化工、轻工、制药、城市集中供热 以及热力网站等领域得到了广泛应用，并取得了一定的经济价值。然而任何产品 要想在竞争激烈的市场上占一席之地，除了产品本身在同类产品中具有领先的优 势，还应该具有设计效率高、设计周期短、产品更新快等优势。传统的人力手工 设计已无法满足产品竞争的需要，计算机辅助设计正是应运而生的- - 1 3 技术。目 前，对于该类型换热器的设计，技术人员还停留在手工设计状况，也有部分设计 计算借助于相关类型换热器的设计软件，但计算结果有待设计人员进一步的修 正，针对这种情况，本文研究开发了波节管换热器的c a d 系统。厂y 一 本文采用面向对象的v i s u a lb a s i c 语言作为开发工具，建立数据库，编制了 波节管换热器的设计计算程序，包括传热计算、校核计算、结构计算、强度计算 等。以a u t o c a d 为图形平台，编写波节管换热器的各零部件图和总装图的绘图 程序。借助a c t i v e xa u t o m a t i o n 技术，顺利实现设计计算与辅助绘图的一体化。 提出了模块化绘图的思想，并结合图层控制技术处理总装图的消隐问题。 本c a d 系统经沈阳黎明发动机制造集团有限公司考核，受到肯定和好评。 关键词：波节管换热计算机辅助设计a c t i v e xa u t o m a t i 。n 参数化绘酣数据库，7 鲤! ! 坠! !一 a b s t r a c t w i t ht h ed i s t i n c t a d v a n t a g e o f h i g h l y h e a tt r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y ，n o n i n c l i n e d d e p o s i t ，c o m p a c t s t r u c t u r e ， c o n v e n i e n t m a i n t e n a n c e ， b e t t e r i n t e r c h a n g e a b i l i t y a n ds h o r ts e a ll i n e ，b e l l o w st u b e h e a te x c h a n g e ri sw i d e l y a p p l i e di n t h ef i e l d so fe l e c t r i cp o w e r - p e t r o lc h e m i c a l ，l i g h ti n d u s t r y ，p h a r m a c y ， t h e r m o d y n a m i cs i t e a n de t c n o w a d a y s ，i fap r o d u c tw a n t st ob es u c c e s si nt h e a c u t ec o m p e t e ，f i r s t l y ，i th a st h eo u t s t a n d i n ga d v a n t a g ea m o n gt h eo t h e rp r o d u c t s o fi t sf i e l d s t h e ni t sd e s i g nc a nb ef i n i s h e di nas h o r tt i m ea n dh a v eas a t i s f i e d r e s u l t ，w h a t sm o r ei tc a nb eq u i c k l yr e n o v a t i o nt h e r ew i l lb en ol o n g e rs a t i s f i e d w i t ht h et r a d i t i o n a lm a n u a ld e s i g n ，b u tt h e c o m p u t e ra i d e dd e s i g nw i l l d o a t p r e s e n t ，t h ed e s i g no fb e l l o w st u b eh e a te x c h a n g e ri s d o n eb yh a n d w o r ko rb y s o m ec a d s y s t e m sp a r t l yw i t hs o m em o d i f y u n d e r t h i sc o n d i t i o n ，t h er e s e a r c ho n t h ec a d s y s t e m o fb e l l o w st u b eh e a te x c h a n g e ri sm a d ei nt h i sp a p e r t h ed e s i g nc a l c u l a t i o no ft h es y s t e m ，i n c l u d eh e a tt r a n s f e rc o m p u t e ，c h e c k a n a l y s i s ，s t r u c t u r ed e s i g na n ds t r e n g t hc a l c u l a t i o n ，i sd e v e l o p e dw i t hv i s u a lb a s i c t 0 0 1 t h e p a r td r a w i n g s a n dt o t a l a s s e m b l yd r a w i n g i ss h o w e do na u t o c a d p l a t f o r mb yt h ea p p l i c a t i o no fa c t i v e xa u t o m a t i o n ，t h eu n i f i c a t i o no fd e s i g n c a l c u l a t i o na n dp a r a m e t r i cd r a w i n gh a sb e e na c h i e v e ds u c c e s s f u l l y a n dt h ei d e a o fm o d u l a r i z a t i o n d r a w i n gi sp r e s e n t e di n t h i s p a p e r ，w i t ht h et e c h n o l o g yo f d r a w i n g l a y e rc o n t r o l ，t h eb a n k i n g o f a s s e m b l yd r a w i n g i sf u l l yh a n d l e d t h ec a ds y s t e mh a sb e e nc h e c k e d b yl i m i n ge n g i n em a n u f a c t u r i n g c o m p a n y o fs h e n y a n g ，a n dp r o v e dt ob eaa c t i v es y s t e mf o rt h eb e l l o w st u b eh e a t e x c h a n g e r k e y w o r d s ：b e l l o w st u b eh e a te x c h a n g e r ，c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，d a t a b a s e a c t i v e x a u t o m a t i o n ，p a r a m e t r i cd r a w i n g i i 南京工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 i 波节管换热器 1 1 1 波节管换热器的发展与应用 换热器作为一种传热设备，广泛应用于电力、石油化工、轻工、制药、城市 集中供热以及热力网站等领域，它一般占这些部门装备的7 0 左右。其中管壳式 换热器，具有运行可靠、阻力降小、结构牢固、维修方便等优点，是众多换热器 中应用较为广泛的一种，但管壳式换热器的换热效率低是一个不可忽视的问题。 为此，强化此类型换热器的传热过程成为许多研究人员研究的主要课题之一。目 前，已研制开发出多种新型高效的管壳式换热器，并广泛应用于传热领域。 对于管壳式换热器，为使其能扬长避短，克服传热效率低的缺陷，许多科研 工作者开展了多种传热强化的研究，其方向之一是用各种异型管来代替光滑管， 如波节管、螺纹管、横槽纹管、缩放管、内翅管等【1 1 【引。实践证明这些新型换热 器不但继承并增进了管壳式换热器的优点，而且有效改善传统管壳式换热器的不 足，显著提高了换热器的传热效率，因而传热领域不断出现新型高效换热器取代 传统换热器的实例，波节管换热器就是其中的一例。 早在7 0 年代，已有人提出用波节管作为换热管用在管壳式换热器上p l 。自 九十年代初波节型强化换热管( 简称波节管或波节管1 问世以后，在传热领域中出 现了波节管型换热器( 也有的称之为波纹管换热器) 【4 l 。该换热器是由国内首创并 已走向国内外市场的一种高效安全可靠的换热器【引。它采用波节型强化传热管代 替管壳式换热器中的光滑直管，将波节管与管壳式换热器两者的优点结合起来， 产生综合性能占优势的新型换热器。由于波节管换热器具有传热系数高，换热量 大，不易结垢、结构紧凑、维修方便等优点，自从问世以来，很快就得到了广泛 地应用，在供热领域的许多场合成为传统管壳式换热器的更新换代产品，创造了 很高的经济价值f 6j 。 1 1 2 波节管换热器的结构与传热机理 与传统的光滑管型换热器相比，波节管换热器的一个显著特点的是具有较高 的换热效率。所谓换热器传热过程的强化就是力求使换热器在单位时间内、单位 绪论 传热面积传递的热量尽可能增多 7 9 】。应用强化传热技术可以实现下述目的：减 小设计传热面积，从而减小换热器的体积和重量：提高现有换热器的换热能力； 使换热器能在较低温差下工作等。 减小传热热阻是强化传热的出发点，而边界层则是决定对流传热热阻大小的 关键因素。在边界层内，热量传递以导热为主，传热效率比较低，强化传热技术 就是采取一定的措施，破坏边界层，以提高传热效率。强化传热技术一般可分为 有功强化传热技术和无功强化传热技术两类。有功强化传热技术需要运用外部能 量来达到强化传热的目的；无功强化传热技术则无需运用外部能量。有功强化( 亦 称主动式强化) 传热技术包括机械强化法、振动、电场、磁场、光照射、喷射冲击 等。无功强化( 亦称被动式强化) 传热技术包括表面特殊处理法、粗糙表面法、扩 展表面法和扰动流体法等。有功强化传热和无功强化传热可以综合利用，以达到 更好的传热效果，这种强化传热技术称为合成强化传热【u 1 。 目前，比较有效并有发展前景的强化传热技术主要有：处理表面法、粗糙表 面法、扩展表面法、流体旋转法及静电场法等。波节管就是一种典型的采用扩展 表面强化传热技术的换热管。波节型换热管的结构形状如下图1 1 所示。 图1 i波节型换热管结构简图 f i g 1 - 1t h es t r u c t u r a ls k e t c ho f b e l l o w st u b e 流体在波节管内的流动与传热可以分为两部分。在直管段内，流体呈等直径 流束形式，由于直管段的长度很短，流动流体在管壁附近的层流边界层尚未充分 展开，流型就开始改变，因此直管段内的换热传热系数较高。在弧形管段内，流 体呈变直径流束形式，流动时在弧形管段的进口处产生喷射效应，在出口处产生 节流效应，这两种效应综合作用的结果，使管内产生无数细小旋涡和横向流，对 南京工业大学硕上学位论文 流体层流边界层和污垢层的形成产生很强的破坏作用，致使弧形管段内流体的换 热系数得到明显提高12 1 。管外流体也同样受到波节管的强化传热作用，这就是波 节管的强化传热机理。而且波节的形状尺寸、波纹段与直线段的长度比直接影响 着波节型换热器的传热效果，经实验研究得出波节管的优化尺寸为： f l 1 2 = 0 2 o 7 d 2 d l = 1 2 5 1 8 优化值：( 。t ：) 。，= 0 5 ( d ：d 。) 。= 1 4 ( 1 一1 ) ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 卜4 ) 式中：f 直线段长度，单位m m f ，弧形段长度，单位m m d 、波节管管坯直径，单位m m d ，波节管波峰直径，单位m m 波节管型换热器，不仅继承了管壳式换热器的结构坚固，维修方便，互换性 强，经久耐用，密封周边短，材料的选择范围较广等优点，而且有效利用了波节 型换热管强化传热的特点，具有以下几方面的优势： ( 1 ) 传热效率高： 波节管的相互交替变化的直管段和弧形管段所组成的波节形流道是其强化 传热的关键。其传热机理如上所示。对于水一水换热，流速u = o 5 1 0 m s 时，传 热系数可达2 0 0 0 3 5 0 0 w m 2 ，是传统管式换热器的2 3 倍，并已接近板式 换热器的水平。这一数据在实践中也得到了验证【3 】f 1 3 】。 ( 2 ) 不污、不堵、不结垢 该产品传热元件通径最小为3 2 m m ，较传统管式( 一般为1 9 r a m 、2 5 r a m ) 及板式通道大，故防堵性能好。换热管的材料为不锈钢，故管程耐蚀性好f 5 1 。由 于流体在管内流动的速度、方向、大小、流型均随时变化，流体不断冲刷壁面， 具有良好的自清理能力，不易形成污垢层，大大降低污垢热阻。波节管型换热器 的这些特点有利于提高换热系数，方便维修，实现长期而稳定的强化传热【1 4 。 ( 3 ) 防泄漏能力强 由于密封周边短( 这是管壳式换热器所固有的优点) ，且由于换热管为波节管， 属于挠性原件，本身具有自补偿功能，管板热应力很小，不会因管口破裂而泄漏。 绪论 对于小温差范围的传热，一般无需考虑设置膨胀节。 f 4 ) 节能 由于波节管型换热器其较高的换热系数不是靠增加流速而获得的，即使流体 在很小的流速下也能够形成比较强烈的扰动，采用较低的流速使得换热器的流动 阻力较小，同时因传热元件口径大，波行呈流线状，压力损失小。这些都有助于 降低能耗、节约投资。此外，由于传热效率高，可以回收低温热源。因此，我们 可以称该产品是节能型设备。 ( 5 ) 价格合理 本产品的换热元件采用不锈钢材料，成本较传统列管式换热器相对提高。因 此其销售价高于传统产品，比板式换热器也高许多。但按照换热能力计算，总造 价并不高。与板式换热器比，由于二者结构不同其优劣因素各有所长，只能根据 实际情况，由用户决定选型。 迄今为止，在管壳类产品中，波节管式换热器优于其它各类强化型换热器， 传热效率比较高，因此可以说该产品的应用前景十分广阔。为扩大该产品应用领 域，缩短产品设计和技术改造周期，提高投标反应速度和市场竞争能力，将该产 品与c a d 技术结合起来，研究开发波节管换热器的计算机辅助设计系统软件。 1 2 计算机辅助设计的现状与发展趋势 1 2 1 计算机辅助设计简介 计算机辅助设计( c o m p m e ra i d e dd e s i g n ，简称c a d ) 起源于1 9 5 0 年，美国 麻省理工学院( m i t ) 在“旋风”计算机上采用阴极射线管( c r r ) 做成图形终端，并 能显示图形。最早应用于5 0 年代后期发达国家的航空和军事工业中，作为先进 制造技术的重要组成部分，是计算机技术在工程设计、机械制造等领域中最有影 响的一项高新应用技术。1 9 8 9 年美国国家工程科学院将c a d c a m 技术评为当 代( 1 9 6 4 1 9 8 9 ) 十项最杰出的工程技术成就之一。c a d 系统的发展和应用使传统 的产品设计方法与生产模式发生深刻的变化，产生了巨大的社会经济效益。 在c a d 软件发展初期，c a d 的含义仅仅是图板的替代品，即：意指c o m p u t e r a i d e d d r a w i n g ( o rd r a f t i n g ) ，而现在我们经常讨论的c a d ( c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ) 是设计人员借助于计算机进行设计的方法。其特点是将人的创造能力和计算机的 高速运算能力，巨大存储能力和逻辑判断能力很好地结合起来。c a d 技术是以计 4 南京工业大学硕士学位论文 算机、外围设备及其系统软件为基础，包括二维绘图设计、三维几何造型设计、 有限元分析( f e a ) 及优化设计、数控加工编程( n c p ) 、仿真模拟及产品数据管理等 内容。即在工程、产品设计中，许多繁重的工作，例如非常复杂的数学和力学计 算，多种设计方案的提出、综合分析比较与优化，工程图样及生产管理信息的输 出等，均可由计算机完成。设计人员则可对计算、处理的中间结果作果做出判断、 修改，以便更有效地完成设计工作。 c a d 系统的结构如下图l 一2 所示。 建筑机械 交通轻工纺织6 汽车模具航空广告p 形卜一两层 f 旦j 旦【旦i 旦j q f 旦缱l 旦 旦f j 篁k 堕旦l j 支撑层 基础层 图1 - 2c a d 系统结构 f i gl - 2 t h e s y s t e mc o n s t r u c t i o no f c a d 1 2 2c a d 的发展历程 准备和酝酿时期( 5 0 - - 6 0 年代初) ，c a d 技术处于被动式的图形处理阶段。 在5 0 年代后半期出现了光笔，由此开始了交互式计算机图形学的研究【1 6 1 。 蓬勃发展和进入应用时期( 6 0 年代) ，提出了计算机图形学、交互技术、分层 存储符号的数据结构等新思想，从而为c a d 技术的发展和应用打下了理论基础。 6 0 年代中期出现了许多商品化的c a d 设备，6 0 年代末，美国安装的c a d 工作 站已达2 0 0 多台，可供几百人使用。 广泛使用的商品化时期( 7 0 年代) ，交互图形技术日益成熟并得到广泛应用， 此期间c a d 的发展着重于绘图技术，几何模型化及工程分析研究工作，仍以分 绪论 离的单个软件应用为主。此时它们大多是1 6 位机上的三维线框系统及二维绘图 系统，只能解决一些简单的产品设计问题。1 9 7 0 年美国a p p l i c o n 公司第一个推 出完整的c a d 系统。出现了面向中小企业的c a d c a m 商品化系统。7 0 年代 末，美国c a d 工作站安装数量超过1 2 0 0 0 台，使用人数超过2 5 万。 突飞猛进时期( 8 0 年代) ，在这个时期，工业界开始认识到c a d c a m 新技 术，大量推出了新原理、新方法、新软件，并把单一功能软件集成，使之不但能 绘制工程图形，而且能进行自由曲面设计、有限元分析、三维造型、机构及机器 人分析与仿真等多种应用 1 7 4 。图形系统和c a d c a m 工作站的销售量与日俱 增，美国实际安装c a d 系统至1 9 8 8 年发展到6 3 0 0 0 套。c a d c a m 技术从大 中企业向小企业扩展，从发达国家向发展中国家扩展，从用于产品设计发展到用 于工程设计和工艺设计。 开放式、标准化、集成化和智能化的发展时期( 9 0 年代) ，随着计算机硬件、 软件系统的不断发展和完善，现在的c a d 技术和系统都具有良好的开放性。图 形接口、图形功能日趋标准化。图形、图像、语音等多媒体技术和人工智能、专 家系统等技术大大提高了自动化设计的程度，出现了智能c a d 新学科。 国外工业发达国家的c a d 技术不断创新、完善、逐步发展形成了一个从研 究开发、生产制造到推广应用和售后服务的完整的高技术产业【2 1 , 2 2 。 我国c a d 技术起步于6 0 年代，1 9 8 5 年以后进行了大规模的c a d c a m 技 术的开发和研究。在国家统一规划下，以汽车、拖拉机、减速器、内燃机、汽轮 机、数控机床等2 0 多种机械产品为开发对象，开发上述产品的c a d 应用系统及 c a d 支撑系统。在微机c a d 方面，也推出了许多软件，其中包括机械零部件设 计、传动系统设计、有限元分析、优化设计方法、数控加工、系统开发工具、结 构形状优化、运动学动力学分析、三维实体造型、数据库等模块。进入9 0 年代， 我国的c a d 技术出现了快速发展势头。 1 2 3c a d 技术的意义 在竞争日益激烈的市场经济下，企业要想获得生存与发展，必须提高生产效 率、降低生产成本提高产品质量。对于化工机械行业的企业而言，如果能够提高 设计效率和质量，缩短设计周期、减少人力在一定程度上就能较其它企业领先一 步，在竞争中占有一席之地。传统的产品或工程项目设计，工程技术人员根据设 计要求，参考已有经验和资料，经过构思、设计方案、建立模型、进行计算、分 6 南京工业大学硕士学位论文 析、综合、绘图，并经反复修改，最终得出满意的设计方案和图形文件。其中包 含技术人员创造性思维和综合分析判断能力，以及大量重复复杂繁琐数据处理和 图形绘制工作，设计效率很低。随着现代科学技术和生产的迅速发展，市场竞争 的加剧，对产品设计质量和速度提出越来越高的要求，上述传统手工设计已无法 适应发展的需要，而c a d 技术借助计算机高速而精确的运算能力、大容量存储 和处理数据的能力、强大的图形文字处理功能，结合技术人员的创造性思维和综 合分析判断能力，快速高效地完成产品的设计任务1 2 。 c a d 技术的研究和应用为设计技术领域展现了美好的前景。采用c a d 技 术既可以从理论上对设计过程进行许多方面的研究，又可以客观地展现设计产 品，增强设计过程的直观性，提高设计质量和设计效率，从而给设计技术市场带 来更强的竞争力b 纯酗。世界许多工业发达国家己将c a d 技术普遍应用于宇航、 汽车、飞机、船舶、机械、电子、建筑及军事等领域。据调查统计，c a d 技术在 机械产品设计中应用，可缩短设计周期1 3 1 2 ，使产品设计的一次成功率 达9 0 以上。目前国内大型设计院中，9 0 以上的计算工作量，5 0 的方案设 计以及2 5 的绘图工作是用c a d 完成的l l 。 大量运用c a d 系统进行设计的实践证明，计算机辅助设计与传统设计相比 有着明显的优势：如提高设计效率，缩短设计周期，从而加速产品的更新，增加 市场竞争能力；提高设计质量，c a d 系统可对产品进行精确的计算分析，采用先 进的现代设计方法，获得最佳设计方案；减轻设计人员的工作量，使设计人员能 从繁重的计算绘图工作中解放出来，进行更多的研究开发，促进产品的更新发展， 提高生产力：有助于促进产品设计的标准化、系列化、加速产品的开发，提高市 场竞争力等。 1 3 课题意义与主要工作 1 3 i 课题意义 波节管换热器具有较好的综合性能，在相关领域得到较高的重视并得以广泛 推广。该类型换热器的设计与传统换热器的设计不同：在热工计算部分，由于其 传热元件通过多个不同的角度强化了传热过程，因此整个热工计算部分有与传统 换热器相异之处；在结构计算部分由于波节管可视作柔性元件，从而其结构计算 也有改变：随着传热元件结构的变化，换热器的其他零部件结构也要做相应变动 绪论 或更改。整个换热器的设计过程涉及许多内容，包括相关资料查阅、参数的确定、 数据查询、反复迭代、图形绘制等。因此为进一步推广该产品，提高竞争力，迫 切需要有一套符合最新设计标准、简单方便、宾正融设计与绘图为一体的波节管 换热器计算机辅助设计软件。 但到目前为止，波节管换热器还没有一个统一的标准用以指导设计、制造、 检验和验收，也没有一套完整的波节管换热器设计软件包来代替复杂的人工设 计、绘图。一般都是人工根据传统的光滑管管壳式换热器的标准，对相关部分根 据经验作一定的修正，因此设计人员的设计工作十分繁重。 通过对国内许多工厂和研究部门的调查，发现已有的换热器c a d 软件，不 符合本产品开发的需求，它们要么偏重于设计计算，要么偏重于绘图输出，设计 与绘图部分是分开的2 7 】；而且也没有适合波节管换热器应用的软件。例如换热器 c a d 软件包s w 6 ，它虽然实现了传统换热器的设计、校核及绘图输出的计算机 过程，但无论是其设计部分还是绘图部分，与波节管换热器的设计、绘图差别很 大，尤其是热工计算部分。目前也已有相关研究人员对波节管换热器的参数化绘 图进行了研究，并有一定的成效，如机械工业部沈阳仪器仪表工艺研究所已对波 节管式换热器的参数化绘图进行了研究，它采用了a u t o l i s p 语言进行编程并采用 尺寸驱动法，建立了标准数据库、立式或卧式波节管换热器的局部放大图和焊接 节点图库、零部件图块及总装图【2 引。该软件虽然具有一定的先进性和实用性，且 标准化程度高，但它不含有波节管换热器的辅助设计部分，仍不能满足工程需要。 因此研究开发波节管换热器的计算机辅助设计系统软件，使设计与绘图实现一体 化，减轻设计人员的工作量，正是该产品推广普及、提高市场竞争力所必须做的 工作。 1 3 2 主要工作 本文以计算机技术为手段，结合机械工程与传热学、流体力学等专业知识， 对于波节管换热器的计算机辅助设计系统作了研究与实践。主要工作包含以下几 方面： ( 1 ) 辅助设计计算 换热器的设计计算包括传热计算和结构设计。 传热计算包括设计计算、校核计算和对比计算。设计计算旨在根据工艺规定 的设计条件包括传热量、流体的热力学参数( 温度、压力、流量、相态等) 与物理 南京工业大学硕士学位论文 化学性质f 密度、粘度、比热等) 进行热力学和流体力学的反复计算，最终得出一 个比较满意的计算结果( 换热器的流程数、流体流速、传热面积、换热器总体尺寸 等) ，以便程序进行后继的结构计算等。校核计算旨在对在役换热设备的换热能力 的测试，验证该换热器能否满足规定的工艺条件。对比计算只是与采用传统光滑 换热管时的计算结果进行比较，以具体数字的形式体现波节管换热器传热效率高 的优势。所有这些计算过程都需要经过反复的计算，工作量大而繁琐。为此设计 一个良好的用户界面，用计算机语言编制计算程序，建立所需的数据库，依靠数 据库支持，完成所有的计算过程。 结构设计计算旨在根据工艺条件( 设计压力、设计温度、流体的腐蚀性等) ， 结合传热计算的结果( 换热器壳体直径、流体进出口接管开孔直径等) ，选择容器 各零部件的材料，进行各零部件的应力计算，以确定其三维尺寸。换热器作为化 工设备，涉及的零部件较多，如管箱、筒体、法兰、封头、接管、管板、支座、 折流板、拉杆、定距管等，这些零部件的计算都需遵循相应的标准规范，本文对 于某些己系列化、标准化的零部件采用标准件，建立其数据库供程序选用；非标 准件按规范进行设计计算，对于管板的结构计算，考虑到波节型换热管是柔性元 件，计算时针对这一具体情况做相应的调整。 f 2 ) 辅助绘图 能否实现参数化绘图已成为评价计算机辅助系统的一个重要指标。对于换热 器，我们不仅需要绘制各个零部件图，还要绘制其总装图。为此本文根据机械制 图标准分别对各类零部件及总装图编制参数化绘图程序，以程序驱动的方式来实 现参数化过程。用户只需输入必要的参数，选择结构类型以及一些绘图参数，程 序自动获取并处理这些参数，调用相应的绘图程序生成并输出图形。 本文采用程序驱动法，既快又准地绘制出所需的图形。由于任何一个机械设 备的三维视图都可以看成是最简单的基本图元按照其特定的几何关系和尺寸关 系的有序组合而成，因此程序参数化绘图实际上就是对基本图元有序组合的绘图 过程。对于象总装图这样复杂的图形，如果也把其拆分成基本的图元进行参数化 绘图的话，那就需要几千甚至上万条语句才能完成，程序冗长、占用内存是可想 而知的。本文采用图块化绘图思想，将总装图分解为若干个块，各个图块的绘制 采用程序驱动的方法来实现，而总装图就成为各图块的装配图。当然图块的分解 并不是随意的，一般尽量以零部件为分解单位，这样分解的好处有利于图块的完 绪论 整，图形的整洁，还方便用户的修改。 采用图块化思想以后，定义块的子程序不仅可以被总装图生成程序调用，还 可被零部件图生成程序调用，这样整个系统软件条理清晰，也减轻程序的编制工 作。只是零件图与总装图之间还存在着一些差别，如零件图需对零件进行尺寸与 公差等的标注，而总装图除了只需对总体尺寸进行标注外，还涉及图块之间的消 隐问题，为此提出图块化绘图思想与图层控制技术相结合的方法，达到所需的目 的。 ( 3 ) 接口技术 本文所有设计与绘图程序均是由v b 语言编写的，生成的图形是以a u t o c a d 为平台的d w g 格式，为建立v b 和a u t o c a d 这两个不同语言和平台之间的相互 通讯，采用微软公司提出的a c t i v e xa u t o m a t i o n 技术。a c t i v e xa u t o m a t i o n 技术 通过在两个程序之间安排对话框，来达到一个程序控制另一个程序的目的。 a u t o c a d 以对象模型的形式提供了编程对象，而支持a c t i v e xa u t o m a t i o n 技术。 v b 程序可以通过访问a u t o c a d 编程对象的最高层a u t o c a d a p p l i c a t i o n 对象( 应 用程序对象) 来控制a u t o c a d ，从而实现设计与绘图的无缝连接。 南京工业大学硕士论文 第二章波节管换热器的辅助设计 2 1 符号说明 英文字母 a 一横截面积，m 2 口一补强有效宽度，i l i 1 f 一壁厚附加量，r r l i t l e - 定压比热，k j ( k g 。c ) d 一管子直径，m d 一壳体直径，m f 一弹性模量，m v a f 一传热面积，m 2 工强度削弱系数 ，一封头曲面深度，m m 传热系数，w ( m 2 。c 、 k 封头系数 e 长度，m 一质量流量，k g s 一管子总数 删一传热单元数 尸一设计压力，m p a 只一普郎特数 臼一换热量，k w 尼一热容比 尼一雷诺数 f 一换热管中心距，m ，一温度， f 一温度， w 速度，m s 热容量，w z 一管程数 a t = 一平均对数温差 f 进口端管内外流体温差， ，：一出i ：3 段管内外流体温差， 希腊字母 口一换热系数，w ( m 2 。c ) c i 线膨胀系数，1 6 一计算厚度，m r n 6e _ 有效厚度，m m 6 ，_ 名义厚度，m i l l “一粘度，p a s u 一平均壁温下材料的泊松比，当 缺乏精确数据时，可取u = 0 3 五一导热系数，w ( m 。c 1 s 一传热有效度 中一焊缝系数 p 密度，k g m 3 。设计温度下的计算应力，m p a o l 设计温度下许用应力，m p a v 冷凝潜热，k j k g 下标 j 一管内的 o 一管外的 波节管换热器的辅助设计 由一热流体的 c 一冷流体的 w 一管壁的 一液膜的 p 一当量的 s 一壳体的 f 一管子的 b a f 一折流板的 m a x 一最大值 m n 一最小值 在设计波节管换热器时，从收集原始资料到开始绘图，需进行一系列的设计 计算工作，包括传热计算，流动阻力计算，结构计算，强度计算等内容。由于波 节管换热器在暖通、城市集中供热领域的应用尤其广泛，而且在这些领域内流体 介质通常为水一水或汽一水，因而本课题主要围绕水一水和汽一水这两种流体介 质类型的波节管换热器进行设计计算。 2 2 传热计算 换热器的传热计算的目的在于决定换热器的换热面积，但是同样大小的传热 面积可以采用不同的结构尺寸，而结构尺寸也影响传热计算过程和流体的流动阻 力，因此传热计算实际上还包含着流体阻力计算和部分结构计算。 传热计算是指根据工程条件，如流体介质类型、流量、温度、压力等，计算 热负荷，流体进出口温度，传热系数，传热面积等，它是结构计算和强度计算的 前提。下面分别针对水一水和汽一水换热器进行各自的传热计算。 2 2 1 水一水换热 f 1 1 基本传热公式工程上采用简化的传热方程式，并考虑到各种干扰因素， 乘以一个影响系数，一般= o 7 f ：址( 2 1 ) k & 。8 q = m h a t c p ( 2 ) 总传热系数k ( 2 2 ) 如事丐飘1 ( 2 3 ) 由于波节型换热管的壁厚都比较薄，一般为o 6 12 m m ，故d o ，d 。，“近似相 等，又考虑到波节管呈周期变化的结构形状，流体不断的冲刷管子壁面，因而管 子内外壁面的污垢热阻可以较常规值小一些或忽略不计，上式( 2 3 ) 可简化为： 南京工业大学硕士论文 k 5 i 鼯1 a 。 wa ， f 3 ) 对数平均温差 ( 2 3 a ) 为管子当量内径，定性温度取管内流体平均温度。 r e 。= w d 一二 ( 2 5 ) 当r e i 2 0 0 0 0 ，r e i 1 0 0 0 0 0 0 时， 驴o o ，科8 ”吖4 e c ， ( 5 ) 管外传热系数，特征尺寸为管子当量外径，定性温度为管外流体平均温 度，其计算公式为： r e 。：w 。d 。成一1 ( 2 7 ) 驴z s s ( 老 r e o 酽 c z s ， ( 6 ) 管内流速 w 。：生 (29)n 2 譬t3 7 7 i 2 皑9 莓 波节管换热器的辅助设计 w ：坚l 一 ( 2 一i o ) i 蕊 坦一 工程上对换热器管壳程的流速有一定的范围，设计计算时一般先根据有关标 准，假定管、壳程流体的流速，然后根据上述公式进行精确计算。表2 - 1 是换热 器内常用流速范围【2 9 】。 表2 一l 换热器内常用流速范围。 j流体 流速( m s ) 管程壳程 【 循环水 1 o 2 o0 5 1 5】 新鲜水 0 8 1 50 5 1 5 l 低粘度油 0 8 1 80 4 1 0 】 高粘度油 0 5 1 50 。3 o 8l 气体5 3 02 1 5 i ( 8 ) 阻力计算 管程阻力计算表达式为 扯= ( ，。百l , z + 厶j 下w 2 0 i 壳程阻力计算表达式为： ( 2 1 1 ) 晔：地2 i p o d o4 ( 甜+ o k 2 见 f w = 0 2 8 9 1 ( 导 “”3 2 2 2 汽一水换热 ( 2 1 3 ) 对于汽水换热器，热流体水蒸汽通过相变潜热把热能传递给冷流体一冷 却水。工程上，对于发生相变的流体一般走壳程，故壳程流体为水蒸气，管程流 体为冷却水，以下的计算公式均是在此前提下的传热计算公式。 ( 1 ) 基本传热公式工程上采用简化的传热方程式，并考虑到各种干扰因 素，乘以一个影响系数p ，一般p = 0 7 1 4 南京工业大学硕士论文 f ：旦 k i t ， q = m 。a t 。c 。 或q = m v ( 2 - 1 4 ) ( 2 一1 5 ) ( 2 一1 5 a ) 总传热系数k 的计算用公式( 2 - 3 ) ，同样由于波节换热管的壁厚都比较溥，一般 为o 6 1 2 r a m ，故d o ，d f ，d m 近似相等，又考虑到波节换热管的尺寸形状，流体 不断的冲刷管子壁面，因而管子内外壁面的污垢热阻可以较常规热阻小一些或忽 略不计，故公式( 2 3 ) 简化为公式( 2 3 a ) 。对数平均温差见公式( 2 - 4 ) 。 ( 2 ) 管内传热系数的计算，其特征尺寸为管子当量内径，定性温度为管内流 体的算术平均温度， 盱哪s 。s 畔畔4 0 ) 管外传热系数的计算，其特征尺寸为管子当量外径，定性温度为膜温t 。， s 。( 躺 k m ( 4 ) 膜温的计算公式： 仁半 ( 2 1 8 ) ( 5 ) 壁温简化公式： 铲三一半 ( 6 ) 管内流速的计算： m ， 2 荔 ( 7 ) 管外流速的计算： w f j 3 蕊m o 统，三r 1 一= 2 慨 ( 8 ) 管程阻力计算： 晔 尼等+ 字 ( 2 1 9 ) ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 2 0 ) 波节管换热器的辅助设计 2 2 3 光滑换热管的传热比较 特征尺寸直接取管内外直径，管内外传热系数均与雷诺数和普郎特数有关。 f 1 ) 管内流速计算： w ：一丝。 ( 2 2 1 ) 2 爵n t f t 荔2 皑 ( 2 ) 管外流速： w 。2 看每 垅) ( 3 ) 管内传热系数： r e ，：w ；d 。p 。1 ( 2 2 3 ) 当r e i 2 2 0 0 ，r e i 1 0 0 0 0 时： 删舵，( 毒p 8畔4(2-24c) ( 4 ) 当量直径也管外传热系数根据凯恩( k e r n ) 法，其特征尺寸为管外流体 通道的当量直径d 。 壁一血 小4 等 2 5 ) 撕卜 警 粉 趾 诺雷 南京工业大学硕i 论文 f 6 ) 管外传热系数：”： 铲a 胁。彬 z ， 若管外流体是水蒸汽，传热时发生相变，则根据凯恩( k e r n ) 推荐的水平管束外的 冷凝传热公式： 铲盯z s l ：潦2 3z v 广 ( 2 - 2 8 ) 式中：为水平管束在垂直列上的平均管数。 从以上管内外传热系数的分析，不难看出，无论对于水一水还是汽水换热 器，管内换热系数可以提高3 倍以上，而管外换热系数，对于水一水换热器，换 热系数的提高量与雷诺数有关，对于汽一水，传热系数也提高2 倍以上。 下表2 2 是水水波节管换热器与光管换热器在一定的流速下换热系数的比 较，管内冷却水的进出口温度分别为7 0 和9 5 。c ，热流体的进口温度为1 5 0 。 表2 2 波节管与光管传热系数的比较 管内管内管外关外波节管型换热器( w 细2 ) 光管型换热器( w 抽2 ) 流量流速流量流速 管内传热管外传热总传热系管内传热管外传总传热 t hm st hm s 系数系数数系数热系数系数 2 30 62 00 4 11 9 0 0 86 5 6 61 4 4 04 2 1 74 5 2 66 3 0 4 4063 5051 8 8 3 5 7 3 6 51 4 4 84 2 6 85 1 3 76 3 8 5 3o85 0o8 52 3 9 2 3 1 9 3 4 81 6 8 55 3 7 46 9 4 86 8 3 i 3 40 42 l0 2 21 3 5 5 74 4 1 82 7 6 43 0 8 l3 1 9 85 6 6 l - 70 51 50 3 01 5 9 6 05 2 0 23 1 5 83 7 6 73 9 2 06 0 2 3 5 0 62 80 4 51 8 9 0 06 9 4 03 8 6 74 3 1 24 8 8 96 3 6 前三组数据，波节管换热器的传热系数中考虑了污垢热阻的影响，后三组数 据，波节管的换热系数中没有考虑热阻的影响，而光管换热器则必须考虑热阻的 影响。从总传热系数看，波节管换热器的k 应是光管换热器的2 3 倍，不考虑 污垢热阻的k 已达到5 6 倍，不符合实际情况。 2 3 校核计算 在对换热器作设计计算时，冷热流体的进出口温度均为已知或由热平衡方程 式求出，此时利用平均温差来分析换热器是方便的，然而对于校核性热力计算， 波节管换热器的辅助设计 两流体的出口温度往往是未知的，而在平均温差计算中却包含了出口温度，若再 用平均温差来分析就必须进行多次试算，很不方便，本文采用努塞尔( n u s s e lw ) 提出的传热有效度一传热单元法( n 丁u 法) 1 。 传热有效度的计算 ( 1 ) 顺流时： ：l - e , p ( - n r u ( t + r , ) )( 2 2 9 ) 1 + r 。 ( a ) 当一种流体有相变时，2 = 0 ，上式简化为： s = 1 - - e x p ( 一丁u 1 ( 2 2 9 a ) ( b ) 当两种流体的热容量相等时，即r = l ，传热有效度可简化为： s ：1 - - e x p ( - 2 n t u )( 2 2 9 b ) ( 2 ) 逆流时： s = f i - - r e 。x 。p 。( p - ( 一n 聊t u ( 1 ( 1 - 一r r 2 ) 。) ) j ( 2 - 3 0 )1 一r 。e x p ( 一j v 7 1 u ( 1 一r 。) ) ( a ) 当一种流体有相变时，即2 = 0 ，传热有效度与顺流时的有效度相同， 6 - - - - - 1 一e x p ( - ，u 1 ( 2 3 0 a ) ( b ) 当两种流体的热容量相等时，即2 = 1 ，传热有效度可简化为： 占：半黑( 2 - 3 0 b ) l + 丁u ( 3 ) 实际传热量q 为： q = 矾。也l t 。1 ) ( 2 3 1 ) ( 4 ) 冷热流体的出口温度可根据热平衡方程式来求解： 0 | h 2 = l h l 一m 。h c p h 0 t c 2 吐一赢 其中：n t u ：k f 阡二。 r ：监 玎，m 。 ( 2 - 3 2 ) ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) 南京工业大学硕士论文 2 4 结构计算 在传热计算中参杂着一些结构计算，如壳体的内径，管子尺寸的选择等，但 换热器的结构计算远非这些，还包括管程流通截面面积、管子数目、管长、管程 程数、管子排列方式、简体尺寸、壳程流通截面积、进出口接管尺寸等，需进一 步对各零部件