（工程热物理专业论文）管壳式换热器计算机辅助设计与优化研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其它个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法 律责任由本人承担。 论文作者签名： 日 期：竺! 堂竺 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东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、缩印或其它复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名递乒聊虢姓日期：型却 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 主要符号表v 第一章绪论1 - 1 1 管壳式换热器的研究背景卜 1 2 管壳式换热器设计方法介绍2 1 3 管壳式换热器计算机辅助设计的发展3 1 4 管壳式换热器优化设计方法一4 - 1 5 本文研究的主要内容6 第二章管壳式换热器设计原理9 2 1 引言9 2 2 m a t l a b 技术一9 2 2 1m a t l a b 简介9 2 2 2m a t l a b 与s u a lb a s i c 混合编程1 0 2 3 参数化设计13 2 4c a d 技术一1 3 2 4 1c a d 技术的概况1 3 2 4 2c a d 技术的优势1 4 2 4 3c a d 技术在换热器设计中的应用1 5 2 5 小结1 6 第三章管壳式换热器的设计计算17 3 1 引言1 7 3 2 数据库d a t a b 2 l s e 一1 7 3 2 1 s u a lb a s i c 数据库访问1 7 3 2 2 数据库的建立1 8 3 3 热力计算1 9 3 3 1 热力计算流程图1 9 3 3 2 介质物性参数求取2 0 3 3 3 平均温差的处理2 5 3 3 4 换热系数的计算2 6 3 3 5 图表曲线的处理2 7 3 4 结构计算2 9 3 4 1 管板布管的原则3 0 3 4 2 管板布管方法31 3 5 阻力计算3 5 3 5 1 管程流动阻力3 5 3 5 2 壳程流动阻力3 6 3 6 小结4 0 第四章管壳式换热器三维结构设计4 1 4 1 引言- 4 l 一 山东大学学位论文 4 2s o l i d w o r k s 4 1 4 2 1s o l i d w b r l ( s 简介4 1 4 2 2s o l i d w b d ( s 功能描述4 1 4 2 3s o l i d w 6 r k s 二次开发技术4 3 4 3 管壳式换热器零部件三维结构绘制4 5 4 3 1 折流板4 6 4 3 2 法兰4 9 4 3 3 封头5 0 4 3 4 管板51 4 4 设计软件5 2 4 4 1 程序结构5 2 4 4 2 软件使用5 2 4 4 3 计算说明书5 5 4 4 4 三维结构5 6 4 4 5 二维工程图5 9 4 5 小结5 9 第五章管壳式换热器的优化设计6 1 5 1 引言6 1 5 2 火积耗散理论及火积耗散数6 1 - 5 3 优化设计流程6 3 5 3 1 设计变量6 3 5 3 2 约束条件6 4 5 3 3 遗传算法6 5 5 4 优化实例6 6 5 5 小结6 8 第六章全文总结与展望6 9 6 1 结论。6 9 6 2 展望6 9 参考文献7 1 致谢7 7 攻读学位期间发表的论文7 9 c o n t e n t s c o n t e n t s a b s t r a c ti nc h i n e s e i a b s t r a c ti ne n 2 l i s h i i i n o m e n c i a t u r e v c h a p t e r lp r e f a c e 一1 - 1 1r e s e a r c hb a c k g r 0 1 m do fs h e l l a n d t u b eh e a te x c h a n g e r s 一1 1 2 i n t l 0 d u c t i o no fd e s i g nm e m o d - 2 - 1 3d e v e l o _ d m e n to fc a df o rs h e l l 锄d t u b eh e a te x c h a n g e r s 一3 一 1 4o p t i m i 2 a t i o nd e s i 鲫m e m o d o fs h e l l 一锄d t u b eh e a te x c h a n g e r s 一4 - 1 5r e s e a r c hc o n t e n t s - 6 - c h a p t e r 2d e s i g np r i n c i p l eo fs h e u - a n d - 1 u b eh e a te x c h a n g e r s - 9 - 2 1p e 疏e 一9 - 2 2 m a t l a b l e c h l o l o g y 9 2 2 1i n t r o d u c t i o no fm a t l a b - 9 2 2 2m i x e dp r o g r a m i l l i n go f m a t l a ba i l d s u a lb a s i c 一l o 一 2 3 p a r 龇n e t r i cd e s i 擘r 皿一13 2 4c a d t e c l l i l 0 1 0 9 y - 13 2 4 1g e n e r a ls i 似i o no f c a d t e c l l i l o l o g y 一1 3 2 4 2a d v 撒g e so fc a d 。- 14 2 4 - 3a p p l yo f c a do nd e s i 2 皿o f h e a te x c h a i l g e r 一1 5 2 5 c h a p e rs u 】n m 孤y - 16 一 c h a p t e r 3d e s i g nc a l c u l a t i o no fs h e - a n d t h b eh e a te x c h a n g e r s - 17 3 1p e r f a c e - l7 3 2d a t a b a s e 一17 3 2 1a c c e s st od a 切b a s e - 1 7 3 2 2s e t t i n gu pm ed a t a b a s e - 1 8 - 3 3t h e 衄o d v n 锄i cc a l c u l a t i o n 一1 9 3 3 1 f l o wc h a r to f t h e 舯o ( 1 v n a m i cc a l c u l a t i o n - 1 9 - 3 3 2c a l c u l a t i o no f m e d i u l np t l v s i c a lp a r a m e t e r - 2 0 一 3 3 3p r o c e s s i n go f m e a i lt e m p e r a t u r ed i 虢r e l l c e - 2 5 - 3 3 4h e a t1 r a n s f e rc o e f n c i e n tc a l c u l a t i o n 一2 6 3 3 5d i s p o s eo fc l l a r ta 1 1 dc u r v e 一2 7 3 4s 仃u c t u i mc a l c u l a t i o n - 2 9 3 4 1p r i n c i p l eo fp i p e l i n e l a y o u t 一3 0 - 3 4 2m e t l l o do f p i p e l i n e l a y o u t - 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t u b eh e a te x c h a l l g e r sa r e 而d e l yu s e di ni n d u s 仃y 锄dp l a y 锄i m p o r t 锄t r o l ei i lt h em t i o n a je c o n 0 i i l yb c c a u s eo fi t se x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c s a st l l e 副v a r e n e s s a n dd e m a r l d so fs a v i n ge n e 唱ya r i s e ，r e s e a r c ha n dd e 、l o p m e n to fh e a te x c h a n g e r si s b e c o 以n gm o f ea n dm o r eu f g e n t 1 kc a dt e c h n o l o 影h 嬲b e e nu s e di ne v e 巧f i e l d 。 t h er e s e a r c ha i l dd e v e l o p m e n tf o rd e s i g i la n dm 舢l f a c n 鹏o fh e a tc x c h a i l g e r b yc a d t e c l l i l o l o g ) ，i st h eg e n e r a l 仃e n di nm ef i e l do fh e a t e x c h a n g e re q u i p m e n t 1 1 l i sa n i c l em a i r d ys t u d i e sm ec a dt e c l l i l o l o g ) ro fs h e l l - a n d - t u b eh e a te x c h 锄g e r s u s i n go b j e c t o r i e m e dt e c h n o l o g ya n dp a r a m e t e r i 2 a t i o nd e s i g nm e l o d ，a n da i l a l y s e st i l e d e s i g np r o c e s s ，c a l c u l a t em e t h o da n do p t i m i z a t i o nd e s i g nm e t h o do f h e a te x c h a n g e r s ， c o m b i r l e st ：h ec o n c e p t i o n so fh e a t e re x c h a n g e rd e s i g na n dc a d ，t h e ne s t a b l i s h e st h e s y s t e mm o d e la p p l i e dt 0 s h e l l - a 1 1 d - t u b eh e a tc x c h a i l g e r s t h e 删| t h o rb u i l d s 锄d c o m p l e t e s 蛐a s e so nm a t e r i a l sa i l d 删a r dp a r t s o nm i sb a s i s ，w em a _ k e 如r t l l e r d e v e l o p m e n tt 0s o l i d w o r k sw i t h s u a lb a s i cl a l l g u a g e ，f i n a l l yg e tai n t e g r a t eh e a t e x c h a n g e rd e s i 萨s y s t e m i nm i sd i s s e r t a t i o 坞f i r s ta c c o r d i n gt 0t h ed e s i g nc a l c u l a t cp r o c e s sa n du s i l l g p r o g 砌l a n g u a g e ，c a l c u l a t ea i l dd e s i g np r o g r a mo f h e a te x c h a n g ea i l d 衔e n d l yi n t e r l a c e a r ec o m p i l e d u s e r sj u s tn e e dt 0c h o o s es u i t a b l ec o n d i t i o np a r a m e t e ra n do r i g i n a l s t m c t u r a lp a r 锄e t e r sa c c o r d i n gt 0t h e i rd e m a i l d s ，t h e nt h ec o m p u t e rw i l lc a l c u l a t et l l e r e s u l t ，砒l d垂v e 也em r e e d i m e i l s i o n a l m o d e l ，a l s oc a ng e n e r a t et v 旧一d i m e n s i o n 2 l l d r a w i n ga u t o m a t i c a l l y i nm i sd i s s e r t a t i o n ，p a r 锄e t e r i z a t i o nd e s i g no fh e a te x c t m g e r sb a s e do nt l l e e n t r 锄町，d i s s i p a t i o nt l l e o 巧锄d l eg e n e t i ca l g o r i t l l i l l i ss t u d i e d t h eo p t i m i z e d t h e n 】 1 0 d y n 删cp a r 锄e t e r s ，r e s i s t a i l c ep a r a 【i i l e t e r sa n ds 仇j c t u r a lp a r 锄e t e r sc a nb e c a l c u l a t e d b 2 l s e do nm em i m u l n e n t r a l l s yd i s s i p a t i o n ，a r l do p t i i l ! l i z e d t h r e e d i m e n s i o n a l m o d e l 锄d 伯，0 一d i m e n s i o n a ld l - a w i n gc a nb eg e n e r a t e d t h es o r w a r e c 觚b cu s e di nt l l e m o d y n a 血cc a l c u l a t i o n ，r e s i s t a i l c ec a l c u l a t i o n 觚ds 们c t u r a l c a j c u l a t i o no fs e g m e n t a lb 棚es h e l l a 1 1 d t u b eh e a te x c h a n g e r s ( s t 似s ) ，s t h x sw 珧 c o n t i r l u i d l l sh e l i c a lb 拥e sa n ds t h x s 州t l ln o n c o m i l l _ u o u sh e l i c a lb a f f l e s t h ec a d s y s t e mo fs h e l l a n d - n 小eh e a te x c h a i l g e r si nt h i sa n i c i er e a l i z e st 量1 e i n t e 伊a t i o no ft e c l l i l o l o g i c a ld e s i 印，m e c l l a l l i c a ld e s i g n ，p 觚m e t e r i z a t i o nd e s i g na 1 1 d m 山东大学学位论文 m o d i m e n s i o i l a ld r a 丽n gf o r h e a te x c h a i l g e r s w t hu s i n go ft m ss y s t e m ，n o to n l y e n e 唧c a i lb es a v e d ，t h ed e s i g nq 砌时趾de m c i e n c y c a i lb ee n h a l l c e d ，e x p e n d i t u r e i i l _ v e s t e di i lt h ee q u i p m e n tc a nb e 毗b u ta l s od e v e l o p m e n tc y c l eo fm wp r o d u c t i o nc a l l b es h o n e d ，m ed e s i g n0 fh e a te x c h a i l g e r sc a nb eo p t i m i z e d ，e n g i n e e r sc a n b eb r o k e n a w a y 行o mr e p e t i t i o nla b 0 l k e yw o r d s ：h e a te x c h a n g e r s ；c a d ；p a r a m e t e r i z a t i o n ；e n t r a n s yd i s s i p a t i o n 丰要符号表 主要符号表 泄漏面积，m 2 换热系数，w 朋2 七 螺旋角，。 等压比热，( 姆。c ) 等容比热，( 姆。c ) 内径，所，z 换热管内径，聊埘 换热管外径，朋所 摩擦系数 搭接量 怜，k j k 壳程传热因子 理想管束传热因子 折流板缺口校正因子 折流板泄漏校正因子 旁通校正因子 换热管长度，m 所 导热系数，w ( 所d 错流区管排数 旁通挡板数 压力，p a 管程普朗特数 管程总阻力，p a 管程沿程阻力，p a 雷诺数 髑。酗| 埏 螺距，朋所 温度，k 努赛尔数 密度，k g n b 平均传热温差，k 下角标 壳程 管程 入口 出口 热流体m u r 冷流体 v p 盹衅凹 k s s r p 钣 s t i 0 l 2 彳 口 q e d 4 吃z 厂 办 如 厶 厶 三 名 m 第一章绪论 第一章绪论 1 1 管壳式换热器的研究背景 换热器是一种实现物料之间热量转换的技能设备，在当今工业中应用广泛， 在一般化工、石油企业中，其投资约占设备总投资的五分之一左右【1 4 】。管壳式换 热器具有加工方便，生产成本低，选材范围广，清洗方便，适应性强，处理量大， 工作可靠等优点，因而在石油化工、能源、暖通、动力、火力发电等行业应用中 处于主导地位，在世界范围内其产量占全部热交换器的7 0 ，产值占了3 0 4 0 。 管壳式换热器性能的好坏对于这些高耗能行业的节能具有重要的意义，同时也是 这些行业战略节能的重要突破点。因此，管壳式换热器多年以来一直是人们关注 与研究的焦点，旨在通过不同的方法来提高换热器的换热性能。 同时从我国能源现状来看，主要存在两个问题：一是能源人均占有率低，而 在未来我国对能源的需求仍将明显增长。二是能源结构不合理，利用率低，浪费 严重。能源短缺与高能耗低产出已经成为制约我国可持续发展的主要因素。在此 背景下，随着人们对可持续发展的重要性认识以及节能意识的不断提高，就对换 热性能等提出了更高要求。而作为重要的能量交换设备换热器，它的效率的提 高势必会对能源的有效利用有着重大的意义。 在管壳式换热器中，两种流体分别在管内和壳侧流动，并通过换热管壁面进 行热量交换。管内流体流动较为简单，其研究也较为成熟。而在壳侧，为了提高 换热器的换热系数，常在壳程加入折流板来改变壳程流体的流动方向，增加湍流 和掺混，根据流体流动方向与换热管束的夹角不同，可分为横向流、纵向流和螺 旋流。如图1 1 所示即为加入弓形折流板的横向流支撑结构，其结构简单，加工 制造方便，在目前应用较为广泛，设计资料也较完备。然而，弓形折流板使壳侧 流体形成z ”字形的流动，获得高换热系数的同时，壳侧的压降也会大幅增加，往 往会超出允许值【4 巧】。除此在折流板与壳体连接部位存在流动死区，结垢严重，增 加了停工检修的频率。 山东大学学位论文 图1 1 管壳式换热器示意图 f i g u r e l - ls c h e m a t i c d i a g r a mo fs h e l i a n d - t u b ee x c h a n g e r s 1 管束；2 管板；3 壳体；4 管箱；5 接管：6 分程隔板；7 折流板 而螺旋折流板管壳式换热器与传统的弓形折流板换热器相比，由于具有传热 性能好、壳程压降低、管束不易生成污垢等优点，在近几年得到广泛的研究与应 用【6 】。螺旋折流板管壳式换热器是由前捷克斯洛伐克国家研究人员l u t c h a 和 n e l n c 觚s k y 提出，于1 9 8 0 年最先应用在斯洛伐克共和国的一个核电厂反应堆主循 环上。l u t c h a 和n e m c a n s k y 7 】认为螺旋折流板可以从两个方面增强了管壳式换热 器的性能：首先是壳程形成了近似的柱塞流( p l u gf l o w ) 增大了传热温差；其次 是引起的螺旋流动可以产生破坏换热管表面边界层的涡。a b b 公司在1 9 9 5 年获 得了螺旋折流板管壳式换热器技术的全球许可，开发了名为h e l i x c h a l l g e r 的螺 旋折流板换热器，并开始了相关的研究0 1 。我国从1 9 8 3 年开始展开对螺旋折流 板换热器的研究，但在相当长的时间内进展不大【1 1 。4 1 。但在近些年节能减排的战 略环境下，国内对螺旋折流板换热器的研究愈来愈多，进展较为显著。 1 2 管壳式换热器设计方法介绍 换热器设计从收集原始资料开始，到绘制出正规的二维工程图纸为止，需要 进行大量的设计计算，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换热系数以及传热面积的大小。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，确定管子尺寸参数 及流程数，并选择管子的排列方式，如正方形排列或者三角形排列；确定换热器 壳体直径和壳程的流通面积，进而计算进出口连接管的尺寸等。在进行结构计算 2 第一章绪论 时，必须按照国标规定，如管子中心距大小，u 形管曲率半径等。进行流动阻力 计算不仅能为选择泵或风机提供依据，还能检验其压降是否在允许的范围内。当 压降超过限定的数值时，则必须改变换热器介质流速或某些结构尺寸。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，检查强度是否在规定的范围内。对于在不同环境下工作的换热器而言，进行 强度计算是必要的，尤其是承受高温高压的换热设备。 管壳式换热器的设计方法不断成熟，相关标准日益完善，但是由于运行工况 各不相同，所以换热器一般不能进行批量生产，必须根据用户要求进行针对性设 计，从而设计周期较长。近年来，随着产品更新换代的加快，对换热器的设计提 出了新的要求：产品结构形式多样，设计周期短。由于换热器本身的特点，设计 过程工作量大，传统的人工计算及设计已不能适应其发展要求。计算机辅助设计 ( c a d ) 不仅可以节省大量的人力、物力，提高效率，而且能提高产品的质量、 0 可靠性，成为换热器设计的一种发展必然趋势。 1 3 管壳式换热器计算机辅助设计的发展 ( 1 ) 国外研究情况 目前，美国传热研究公司( h e a tt r a n s f e rr e s e a r c hi n c ) 【1 5 】、英国传热及流体 流动服务公司( h e a ta n df l u i df 1 0 ws e r v i c e ) 【1 6 】等都对计算机在换热器设计中的 应用开展了研究应用，并且取得一定的成果。美国传热研究公司( h e a tt r 舭s f e r r e s e a r c hi n c ) 即h t ，是1 9 6 2 年发起组建的一个国际性，非盈利的合作研究机 构，会员数百家，遍及全球，取得了大量的研究成果，积累了换热器设计的丰富 经验，在传热机理，两相流、振动、污垢、模拟及测试技术方面做出了巨大的贡 献。在换热器设计领域，它们开发了一个比较精确的h t x c h a l l g e 设计方法， 编写了一套换热器计算程序，该程序计算结果比较精确，对管壳式换热器能够精 确到2 0 ，在其新版本中增加了对螺旋折流板换热器的设计方法，但h t 砒没有 进行理论与实验研究。英国传热及流体流动学会所开发的管壳式换热器计算软件 h t f s t a s c ，能够实现折流杆换热器和弓形折流板换热器的设计，并生成二维工 程图。美国的w h e s s o e 公司开发h e c a r 系统，能够对列管式换热器进行设计， 山东大学学位论文 以及提供材料估计，绘制出换热器的装配图。 ( 2 ) 国内研究情况 我国从上世纪六十年代开始用计算机进行换热器的设计计算，通过使用 a u t o c a d 作为工具载体，采用交互式方法绘制一些简单的换热器设备零部件图 及装配图。目前在换热设备的设计计算、物性参数的求取、设备的强度和结构设 计、大型容器的有限元应力分析等方面均在一定程度上采用了c a d 技术。代表 性的有全国化工设备设计技术中心开发的p v c a d 、中国石化总公司开发的 v c a d 3 o 、郑州大学热能工程研究中心【17 1 开发的换热设备c a d 系统( h e c a d ) 等。 国内很多学者在换热器辅助设计上做了大量的研究，秦振平等【1 8 】就管壳式换热器 设计进行软件开发，但仅局限于工艺计算阶段；张冠敏，潘继红等【1 9 】基于a u t 0 c a d 对管壳式换热器自动化设计进行了研究，实现了管壳式换热器的自动化布管设计； 刘敏珊等在v c + + 6 0 和o b j e c 俏r x 2 0 0 0 的环境下，开发了换热设备零部件三维 造型系统，实现了自动装配等相关功能【2 们。 1 4 管壳式换热器优化设计方法 优