（化工过程机械专业论文）螺旋折流板换热器设计软件的研究与开发.pdf

硕士学位论文 摘要 螺旋折流板换热器是一种高效的管壳式换热器，能消除壳程流动死区，有效 地强化传热，降低壳程流动阻力，同时，其螺旋结构可以减小管束振动，并抑制 污垢的生成。因此，具有良好的综合性能及广阔的工程应用前景。 然而，目前螺旋折流板换热器尚无统一的设计标准，其辅助制图也只是局限 于二维c a d 软件，不仅绘制一套图纸需花费大量的时间，而且，二维图纸反映 空间结构非常困难，给设计和制造方带来了很多不便，严重阻碍了螺旋折流板换 热器的推广和应用。因此，迫切需要开发出一套操作可行、功能完备、贯穿设计 全过程的三维c a d 软件系统。 本文以m i c r o s o f ta c c e s s 为数据库系统软件，以面向对象的编程工具v i s u a l b a s i c 为开发工具，通过二次开发技术完成了s o l i d w o r k s 设计环境下螺旋折流板 换热器参数化软件系统的开发。主要研究了螺旋折流板换热器结构及其工艺计算 方法，换热器三维布管原理，以及基于s o l i d w o r k s 的参数化绘图的关键技术。实 现了螺旋折流板换热器工艺计算、参数化建模、虚拟装配和工程图的自动生成。 所做的主要工作如下： 1 利用m i c r o s o f t a c c e s s 创建了数据库，采用a d o 数据访问技术对数据库 中的数据进行查询与调用，并编写了v i s u a lb a s i c 访问数据库的接口程序。 2 通过对螺旋折流板换热器的结构研究，阐述了螺旋折流板、相对搭接量、 螺距、定距管和拉杆的长度及数量的计算方法。 3 对螺旋折流板换热器数值模拟的结果进行了非线性回归，得到其壳程传 热系数及壳程压降的计算式；通过对稚管原理的研究，编制了换热器布管程序和 折流板圆缺部分的换热管数计算程序；通过螺旋折流板换热器工艺计算方法的研 究，编写了较为完善的弓形折流板及螺旋折流板换热器的工艺计算程序。 4 采用了系统参数化建模和程序参数化建模相结合的参数化建模方法，利 用零件模板技术和参数化驱动技术建立了螺旋折流板换热器三维零件库；采用自 下而上为主的装配设计方法，利用参考几何体进行配合，建立了拉杆定距管、换 热管组、折流板组等子装配体和管束总装配体。通过对工程图参数化开发关键技 术的研究，自动生成了各个零件及装配体的二维工程图。 摘要 5 完成了程序的编制。将螺旋折流板换热器设计软件的各个主要的过程编 写出不同的程序模块，并使程序结构尽可能合理，程序运行效率尽可能高。制作 了友好、美观的程序界面及在线帮助系统。 本设计软件覆盖了螺旋折流板换热器从工艺计算，到三维零件图、装配图及 二维工程图设计的全过程，软件具有良好的适应性、人机交互性及扩充性的特点， 提高了设计的效率和质量，以及相关企业的市场竞争力，创造了客观的经济效益， 有利于螺旋折流板换热器的优化设计和推广应用。同时，软件的设计还具有很好 的典型性和较高的技术含量，对其他设备的s o l i d w o r k s 二次开发也有着重要的实 用价值。 关键词：s o l i d w o r k s 螺旋折流板换热器工艺计算参数化绘图二次开发 i i 硕士学位论文 a bs t r a c t h e a te x c h a n g e rw i t hh e l i c a l b a f f l e si sah i g h - e f f i c i e n ts h e l l - a n d - t u b eh e a t e x c h a n g e rw i t hg o o di n t e g r a t e dp e r f o r m a n c ea n dw i d ea p p l i c a t i o nf o r e g r o u n di nt h e p r o j e c t s i tc a ne l i m i n a t ef l o ws t a g n a t i o n ，e n h a n c et h eh e a tt r a n s f e re f f i c i e n t l ya n d d e c r e a s et h ep m s s u r ed r o po ft h es h e l ls i d e a tt h es a m et i m e ，t h i sk i n do fh e l i c a l s t r u c t u r ec o u l dr e d u c et u b eb u n d l ev i b r a t i o na n d s u p p r e s st h ef o r m a t i o no ff o u l i n g h o w e v e r , t h e r ei sn oa c c e p t e dd e s i g ns t a n d a r df o rh e a te x c h a n g e r 、i 廿lh e l i c a l b a f f l e sa tp r e s e n t a l s o ，i t sa i d e dd r a w i n gi sm e r e l yd r a w nb yt w od i m e n s i o n a lc a d s o f t w a r e t h i sm e t h o dw a s t et i m ea n dc o u l dn o tr e f l e c ts p a c es t r u c t u r ec l e a r l y , w h i c h b r i n g sm u c hi n c o n v e n i e n c ef o rd e s i g ni n s t i t u t ea n dm a n u f a c t u r e ra n de m b a r r a s s e st h e g e n e r a l i z a t i o na n da p p l i c a t i o no fh e a te x c h a n g e rw i t hh e l i c a lb a f f l e ss e r i o u s l y t h e r e f o r ei ti su r g e n tt od e v e l o paf e a s i b l et h r e ed i m e n s i o n a lc a ds o f t w a r es y s t e m w i t hc o m p l e t ef u n c t i o nw h i c hr u n st h r o u g ht h ew h o l ed e s i g nc o u r s e m i c r o s o f ta c c e s sw a st a k e na sd a t a b a s es y s t e ms o f t w a r ei nt h i st h e s i s t h e o b j e c t o r i e n t e dd e v e l o p m e n t t o o l - v i s u a lb a s i ca n d s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t t e c h n o l o g yw a su s e dt od e v e l o pap a r a m e t e r i z e ds o f t w a r es y s t e mf o rh e a te x c h a n g e r w i t hh e l i c a lb a f f l e si ns o l i d w o r k s t h es t r u c t u r e ，p r o c e s sc a l c u l a t i o nm e t h o da n d p r i n c i p l eo fa u t o - a r r a n g i n gf o rt h ek i n do fh e a te x c h a n g e rw e r ei n v e s t i g a t e d a tt h e s a m et i m e ，t h ek e yt e c h n i q u eo fp a r a m e t e r i z e dd r a w i n gb a s e do ns o l i d w o r k sw a s s t u d i e d p r o c e s sc a l c u l a t i o n ，p a r a m e t e r i z e dm o d e l i n g ，v i r t u a la s s e m b l ya n da u t o m a t i c e n g i n e e r i n gd r a w i n gc r e a t i n gw e r er e a l i z e d t h em a i nw o r k sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h ed a t a b a s e sw e r ee s t a b l i s h e db ym i c r o s o f ta c c e s s t h eq u e r yd a t aa n d t r a n s f e rd a t ao ft h es y s t e mw e r ei m p l e m e n t e db ya d o t e c h n o l o g y i n t e r f a c ep r o g r a m s t ov i s i td a t a b a s ew e r ec o m p i l e dw i t hv i s u a lb a s i c 2 t h ec a l c u l a t em e t h o d so fh e l i c a lb a f f l e ，a m o u n to fr e l a t i v eo v e r l a p ，t h r e a dp i t c h ， r e s p e c t i v el e n g t ha n dn u m b e rf o rs p a c e ra n dt i er o dw e r ed e s c r i b e db yt h es t r u c t u r e i n v e s t i g a t i o n 3 n o l l l i n e a rr e g r e s s i o nw a sc a r r i e do u tf o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t so fh e a t e x c h a n g e rw i t hh e l i c a lb a f f l e s c o m p u t i n gf o r m u l af o rh e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n d i i i a b s t r a c t p r e s s u r ed r o po fs h e l ls i d ew a sg o t t u b el a y o u tp r o g r a m sa n dt u b en u m b e ri n s e g m e n tp a r tc o m p u t i n gp r o g r a m sw e r ec o m p i l e dt h r o u g ht h ei n v e s t i g a t i o no f p r i n c i p l eo fa u t o - a r r a n g i n gf o rh e a te x c h a n g e r b yt h es t u d yo fc a l c u l a t i o nm e t h o d ， c o m p l e t ep r o c e s sc a l c u l a t i o np r o g r a m sf o rh e a te x c h a n g e r sw i t hs e g m e n t a la n dh e l i c a l b a f f l e sw e r ec o m p i l e d 4 p a r a m e t e r i z e dm o d e l i n gm e t h o dw a sa d o p t e dt h a ts y s t e mp a r a m e t e r i z e d m o d e l i n gm e t h o da n dp r o g r a mp a r a m e t e r i z e dm o d e l i n gm e t h o dw e r ec o m b i n e d t h r e ed i m e n s i o n a lp a r tl i b r a r yw a sb u i l tb yt h eu s eo fp a r tt e m p l a t et e c h n i q u ea n d p a r a m e t e r i z e dd r i v et e c h n i q u e b o t t o m - u pa s s e m b l yd e s i g nm e t h o dw a sa d o p t e da n d r e f e r e n c eg e o m e t r yw a su s e dt oa p p e n dm a t er e l a t i o n t i er o d - s p a c e rs u b - a s s e m b l y , h e a te x c h a n g et u b e sg r o u ps u b a s s e m b l y , h e l i c a lb a f f l e sg r o u ps u b - a s s e m b l ya n dt u b e b u n d l ea s s e m b l yw e r ee s t a b l i s h e d t h ee n g i n e e r i n gd r a w i n go fa l lp a r t sa n da s s e m b l y w e r ea u t o m a t i c a l l yc r e a t e db yt h er e s e a r c ho fk e yt e c h n i q u e sf o re n g i n e e r i n gd r a w i n g p a r a m e t e r i z e dd e v e l o p m e n t 5 t h ep r o g r a m sw i t hr e a s o n a b l es t r u c t u r ea n dh i g hr u n n i n ge f f i c i e n c yh a v eb e e n a c c o m p l i s h e d d i f f e r e n tp r o g r a mm o d e l sw e r ed e v e l o p e da c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n t p r o c e s s e so fh e a te x c h a n g e rw i t hh e l i c a lb a f f l e sd e s i g ns o f t w a r e t h ef r i e n d l y p r o g r a mi n t e r f a c ea n do n l i n eh e l ps y s t e mw e r em a d e t h ed e s i g ns o f t w a r ec o n t a i n st h ew h o l ec o u r s ef r o mp r o c e s sc a l c u l a t i o nt ot h e c r e a t i o no ft h r e ed i m e n s i o n a lp a r td r a w i n g ，a s s e m b l yd r a w i n ga n dt w od i m e n s i o n a l e n g i n e e r i n gd r a w i n g i th a sg o o da d a p t a b i l i t y ，h u m a n - m a c h i n ei n t e r a c t i o na n d e x p a n s i b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c t h es o f t w a r ec o u l di m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo f d e s i g n ，e n h a n c er e l a t i v ee n t e r p r i s e sc o m p e t i t i v e n e s sa n dc r e a t eo b j e c t i v ee c o n o m i c b e n e f i t s ，w h i c hi sb e n e f i c i a lt ot h eo p t i m i z a t i o nd e s i g na n da p p l i c a t i o no fh e a t e x c h a n g e rw i t l lh e l i c a lb a f f l e s f u r t h e r m o r e t h er e s e a r c hm e t h o d o l o g yw i l lb eb e n e f i t t os o l i d w o r k ss e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fo t h e re q u i p m e n t sw i t hg o o dt y p i c a l i t ya n d 1 1 i g ht e c h n i c a lc o n t e n t k e y w o r d s ：s o l i d w o r k s ；h e a te x c h a n g e rw i t hh e l i c a lb a f f l e s ；p r o c e s sc a l c u l a t i o n ； p a r a m e t e r i z e dd r a w i n g ；s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t 硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 螺旋折流板换热器概述l 1 1 1 引言1 1 1 2 螺旋折流板换热器壳程传热系数及压降的研究l 1 2c a d 技术发展概况。4 1 3 c a d 的二次开发6 1 3 1 二维c a d 二次开发7 1 3 2 三维c a d 二次开发8 1 4 参数化设计的理论及研究现状9 1 4 1 参数化设计方法9 1 4 2 参数化设计的意义1 1 1 5换热器c a d 系统发展概况12 1 6 螺旋折流板换热器c a d 设计软件的应用研究现状1 6 1 7 课题的研究内容和意义1 6 1 7 1 课题的研究内容16 1 7 2 课题的研究意义18 第二章软件总体方案的确定及数据库的建立19 2 1 软件系统的总体构成1 9 2 2 二次开发平台的选择19 2 3 s o l i d w o r k s 二次开发方式的选择2 l 2 4 二次开发工具的选择2 3 2 5 s o l i d w o r k s 二次开发的原理2 4 2 5 1s o l i d w o r k s 二次开发机制2 4 2 5 2v i s u a lb a s i c 开发s o l i d w o r k s 的步骤2 4 2 5 3s o l i d w o r k s 参数化建模方法2 6 1 目录 2 6 数据库的建立2 6 2 6 1 数据库软件的选择2 6 2 6 2 数据访问技术的选取2 7 2 6 3a d o 技术编程原理2 8 2 6 4 设计软件数据库的建立3 2 第三章螺旋折流板换热器的结构研究3 5 3 1 螺旋折流板3 5 3 2螺距3 6 3 3定距管3 8 3 4 拉杆4 0 第四章工艺计算程序的编制4 2 4 1 程序开发思想4 2 4 2 螺旋折流板换热器壳程传热系数及壳程压降计算公式的拟合4 2 4 3 布管原理4 4 4 4 工艺计算程序设计步骤4 5 4 4 1 确定设计方案4 6 4 4 2 估算传热面积4 6 4 4 3 确定工艺结构尺寸4 7 4 4 4 传热能力核算4 9 4 4 5 压降核算5 2 4 4 6 综合性能评价5 3 第五章螺旋折流板换热器参数化绘图系统的研究5 5 5 1 参数化零件库的建立5 5 5 1 1 零件库建立的原理5 5 5 1 2 零件模型库的建立5 5 5 1 3 管板零件库的建立5 7 5 2 装配体自动化设计6 6 5 2 1 装配设计方法6 6 硕士学位论文 5 2 2 装配自动化的实现方法6 7 5 2 3 添加配合的a p i 函数6 8 5 2 4 子装配体的建立6 9 5 2 5 管束总装配体的建立7 5 5 3 二维工程图的生成7 7 5 3 1 制作工程图模板7 8 5 3 2 二维工程图自动生成的关键技术7 9 第六章设计实例8 6 6 1 实例说明8 6 6 2 软件的安装8 6 6 3 工艺计算程序的运行过程8 6 6 4 参数化绘图程序的运行过程9 0 6 5 在线帮助系统9 4 第七章结论与展望9 6 7 1 结论9 6 7 2 展望9 7 参考文献9 9 符号表1lo 在读期间发表的论文1 1 4 致谢1 15 3 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 螺旋折流板换热器概述 1 1 1 引言 管壳式换热器广泛应用于石油、化工及能源等国民经济的各个部门，具有易 于制造，生产成本较低，选材范围广，清洗方便，适应性强，容量大，工作可靠 等优点，是目前理论研究水平最高、设计技术最完善、标准化和规范化历史最悠 久的换热设备i l - 3 】。其操作性能的好坏，不但直接影响生产的正常进行，并且涉 及到下游产品质量、产量、节能及可靠性等各个层面。特别是近年来随着经济发 展和能源消耗之间矛盾的日益突出，如何实现高效节能生产已成为世界各国科研 和工程部门的研究热点。 螺旋折流板换热器是2 0 世纪9 0 年代由a b b 公司开发的一种新型的管壳式 换热器，并在近l o 多年里得到了迅速发展和普及。其设计思想是将折流板布置 成近似的螺旋面，使换热器中的壳侧流体呈连续的螺旋状流动，有效地强化传热 及降低壳侧的流动阻力，而对换热器管束的连续支撑，则大大减少了由于流体诱 发振动而造成破坏的可能，同时，消除壳程流动死区，抑制污垢的形成并提高使 用寿命，因此，具有良好的综合性能及广阔的工程应用前景。 在螺旋折流板换热器实际的设计中，虽然欧美一些公司自上世纪9 0 年代以 来进行了一系列系统化研究工作，并已成功开发出能够满足生产需要的成品换热 器，但出于商业保密方面的考虑，其公开的文献报道多限于其性能的综述性评论 分析，而有关结构设计和工艺计算方面的文章很少涉及。国内近年来也开展了一 些关于这方面的研究，但所研究的对象大多是由- n 四块扇形或两块椭圆形平板 采用连续搭接或交错搭接形成近似的螺旋结构。实际应用中，前者的综合性能并 没有比传统弓形折流板结构提高多少，而后者不但加工难度较高，并且在实际加 工生产的过程中由于下料原因会造成很大的材料浪费，势必增加螺旋折流板换热 器生产成本。四分之一椭圆螺旋折流板与扇形螺旋折流板相比，具有结构简单、 计算简便、加工和安装方便、节省原材料等优点。同时，在相同的操作条件下， 可以大大降低壳程压力损失，提高换热器的综合性能。因此，在实际的工程应用 中可以用这种新型的螺旋折流板结构代替已有的扇形螺旋折流板【4 。5 】。 1 1 2 螺旋折流板换热器壳程传热系数及压降的研究 第一章绪论 作为一种壳程强化传热的新型换热设备，螺旋折流板换热器的折流板形式与 普通的弓形折流板换热器不同，因此，壳程传热系数不能通过管壳式换热器的经 验公式进行计算，这就给螺旋折流板换热器的设计带来了很大不便。目前，人们 对管壳式换热器的研究大多集中在弓型折流板方面，t e m a 及a s m e v a i 1 标准 也是主要针对弓型折流板而言的，要使螺旋折流板进入标准化的设计，则需要对 其流动和传热机理展开详细分析研究，而影响其流动和传热机理的因素除了影响 传统弓型折流板的因素以外，还有诸如几何因素( 布置型式、螺旋角、螺距) 、 相变情形、不同介质的物性影响等等【6 j 。 现有的关于螺旋折流板换热器壳程传热系数及压降的研究工作大部分都是 以扇形螺旋折流板结构进行试验研究或数值模拟，从总传热系数公式中分离出壳 程传热系数，并建立传热系数和压降的经验关系式，进行回归分析，从而得出经 验式中各个系数的取值。 s t e h l i k 和n e m c 锄s k v 等人采用弓形折流板设计中常用的b e l l d e l a w a r e 7 】方 法对弓型和螺旋折流板换热器的换热及压降修正系数进行了对比分析，给出了传 热及流动估算关系式，并将与螺旋折流板换热器传热和压力损失有关的各种因素 归结为一系列的修正因子，并给出了各种修正因子的无因次准则曲线f 引。其修正 的传热关系式如下所示： n u 2 = 0 6 2 ( 0 3 + n u ：。+ n u 2 t 。r b ) y 2 y 3 y 4 y 7 y ：y 9 y l o ( 1 一1 ) 其中， n u l a 。= 0 6 6 4 r e o 5 p r n 3 3 ( 1 - 2 ) n u 札而= 1 + 2 4 4 3 堕r e - 鲨。 l ( p 堕r 。 6 7 一- 1 ) ( 1 3 )t r b2 ( 1 。3 ) y f ( f _ 2 ，3 ，4 ，7 ，8 ，9 ，1 0 ) 为考虑流体物性、旁路流动、逆向温度梯度 等因素在内的一系列修正因子。此、y 3 、月的取值与弓形折流板相同，其它因子 取值以及流动压力损失计算详见文献【8 。 西安交通大学在国家自然科学基金的资助下重点对不同旋流角的螺旋折流 板换热器传热与阻力性能进行了一系列较为系统的研究，并得出了试验范围内的 传热与阻力性能关系式。高晓东9 】通过试验研究了螺旋角分别为1 5 。、2 5 。和4 0 。， 折流板结构半椭圆及扇形的螺旋折流板换热器，并将试验结果整理成n u ，r e 和 硕士学位论文 p r 的无因次准则式： n u = c r e 埘p r l 7 3 ( 1 - 4 ) 其中，c 、m 的取值详见文献 9 】。刘宗科1 0 1 对五种不同螺旋角的三分之一扇形螺 旋折流板换热器进行综合性能试验，通过试验数据整理，获得了不同螺旋角的传 热及阻力无因次准数关联式，并最终归纳公式如下所示： n u = 【0 0 8 2 0 6 + 2 0 8 0 3 6 ( 1 8 0 ) 】r e o 4 2 4 2x p r 0 3 5 9 1( 1 5 ) a p = 0 2 4 1 4 3 4 9 0 7 x 1 0 1 2 r e 一8 6 6 ( 肛2 2 ) p r 。1 2 3 ( f l 1 8 0 ) 1 0 5 5 4 7( 1 - 6 ) 其中，r e 1 0 0 0 ，p r = 0 5 1 0 0 ，2 3 。 f l 3 5 。王良，。2 1 沿用了高晓东的经验公 式形式，对l o o 、1 5 0 、1 2 5 0 和2 2 5 0 的扇形螺旋折流板换热器热态试验的结果进 行分析，分别拟合出各螺旋角的四分之一扇形折流板传热及阻力关系式。沈人杰 【1 3 1 对3 5 。、4 0 。的换热器进行阻力和传热性能数值模拟，并整理出4 0 。时的关系式： n u = 2 8 5 9 r e n 0 2 8 5 9 p r 3 ( 1 - 7 ) 华南理工大学的邓先和等人【1 4 1 对螺旋折流孔板管壳式换热器壳程的传热与 流体阻力做了研究，对光滑和菱形翅片管作了对比，同时，给出了两种管型的换 热器壳程传热与流动阻力计算关联式。黄阔等人【1 5 1 对螺旋折流板换热器壳侧局部 传热、局部流速及阻力性能进行了实验研究，归纳出换热器壳侧的平均努塞尔准 数n u ，阻y 3 f - - 与雷诺准数r e 的关联式： n u = 0 0 5 1 9 6 9 r e o _ 7 4 6 9 8 p r l 7 3 ( 1 8 ) 其中，1 4 9 7 1 0 4 _ r 程2 1 0 1 1 0 4 。 f = 1 2 0 2 5 9 3 r e m 7 9 5 1( 1 - 9 ) 其中，1 6 4 6 1 0 4 r e d l 2 ( 4 5 ) 其中，x c 、y c 为换热管中心坐标，d 。为换热管外径，d l 为布管限定圆直径。 图4 - 3 弦线法布管原理图 f i g 4 - 3t u b el a y o u tb a s e do ns t r i n gm e t h o d 2 ) 布管时，采用弦线法【1 2 8 1 ，根据管程数、管程布置形式及换热管排列方式 找到布管起点，建立一个二维循环，分别以管心距和管排高h 作为x 、y 方向的 循环增量进行布管自布管。循环时，自起点开始沿x 方向进行布管循环，管心超 出限定圆时，寻找下一排布管起点，继续布管，直到y 坐标超出布管限定圆为止。 由于坐标轴上的布管和象限内布管对称方式不同，需将二者分开进行布管。注意， 如果是u 形管换热器，要保证管心距大于换热管最小弯曲半径。 3 ) 对于多管程布管，基本原则是使各管程布管数量应尽可能相等，从而保 证整个换热器管程流速的均匀一致。采用逐行逼近法，在一个布管象限内，一程 从单排管子开始，逐步增多，即分程隔板位置逐步移动，如图4 - 4 所示。直到两 程管数之差由负变正为止，取正负二者管数差别较小的情况，此时，记录下各程 布管的排数和分程隔板的位置。确定了隔板的位置以后，再按弦线法进行布管。 4 ) 拉杆应尽量均匀布置在管束的外边缘，因此，程序根据拉杆数量，将布 硕士学位论文 i j o o o o o o o o1 图4 4 逐行逼近法布管原理图 f i g 4 - 4l i n e - b y - l i n ea p p r o a c hm e t h o df o rm u l t i - t u b ep a s s e sh e a te x c h a n g e r 管限定圆均匀分割，布管前利用循环程序计算布管圆心与分割点距离，找到并记 录最小值所对应的布管圆心，布管时在此圆心处用拉杆代替换热管。对于大直径 多拉杆的换热器，除了管束边缘，还需在布管区内布置适量的拉杆，程序根据拉 杆数量及管束边缘拉杆的坐标找寻适当的位置实现拉杆在管板上的均匀布置。 5 ) 折流板圆缺管数计算程序 在工艺计算过程中，需要进行折流板圆缺处换热管数目的计算。因此，在布 管程序中增加判断语句，当换热管中心纵坐标达到折流板缺口处纵坐标时( 此坐 标由折流板缺口弦高占壳体内径百分比确定) ，另外进行计数，从而利用程序估 算出折流板圆缺处管数。 采用上述原理布置换热管，思路清晰，准确度高，可以获得管板最大布管情 况，充分利用有限的换热空间，同时使得多管程下各程管数差达到最小。并且， 在程序运行过程中，用户可以通过调整管间距和换热管排列方式来改变换热管总 数和各程管数，实现设计人员的主观要求。 4 4 工艺计算程序设计步骤 在编制布管程序，拟合螺旋折流板换热器壳程传热、阻力经验式，并研究其 工艺计算方法的基础上，编制了弓形折流板及螺旋折流板换热器工艺计算程序模 块【1 2 9 彤9 1 ，从而可以快速、方便地进行两种换热器的工艺计算和传热、压降的校 4 5 第四章工艺计算程序的编制 核以及壳程综合性能的比较，本节详细阐述了其具体计算步骤及程序的工作方 式。 4 4 1 确定设计方案 1 ) 确定初始参数 输入换热器的类型，管壳程流体的名称、流量、进出口温度、流体流动状态 ( 逆流、并流) 以及压降要求等。 2 ) 确定物性数据 壳程流体定性温度： = 半( 4 - 6 ) 其中，互，瓦分别为壳程进、出口温度。 管程流体定性温度： 铲半( 4 - 7 ) 其中，t i ，t o 分别为管程进、出口温度。 确定管壳程流体在定性温度下的物性参数：管壳程程流体密度p 。，p 。；比 热容c 肼，c 厣；导热系数 ，以；粘度。，。；普朗特数p r t ，尸r s 。 4 4 2 估算传热面积 1 ) 计算传热量q 及未知的流体流量 q = w l c j 口l a t l r ( 4 - 8 ) w 2 = q c p 2 a t 2 ( 4 - 9 ) 式中，w i 、c ，、 分别为已知流量一侧的流体流量、比热容及温差，w 2 、c p 2 、 a t ：分别为未知流量一侧的流体流量、比热容及温差，1 7 为换热器效率。 2 ) 计算平均传热温差f 。 对纯逆流和纯并流换热器中，或一侧等温时，其有效平均传热温差为： 硕士学位论文 瓯2 警 洚 其中， f ：一一换热器大温差端的流体温差，逆流时a t 正一t 。；并流时 a t ：_ 正一t i ； 一一换热器小温差端的流体温差，逆流时a t ：= r o t ；并流时 a t r o t 。 对于多管程换热器，其有效平均温差以逆流的对数平均温差为基准，乘以温 度校正系数缈。 3 ) 初算传热面积 初选总传热系数民值，并根据传热基本方程式，初算传热面积a ： 小老 ( 4 1 1 ) 4 4 3 确定工艺结构尺寸 1 ) 选取换热管内外径盔、d 。，换热管材料，管程数t 及换热管排列形式 2 ) 初选管程流速“m 3 ) 确定管长 计算管程所需流通截面： 彳。= ( 4 - 1 2 ) p t ”帕 、 7 单程管数： ”虿a t 件 根据管程数估算管长： 4 7 第四章工艺计算程序的编制 铲= 瓦a 丽o ( 4 - 1 4 ) 根据估算值，选用标准管长三 估算换热管根数： ，l ，：枭( 4 - 1 5 ) 力。 4 ) 布管参数的生成 利用数据库查询标准换热管中心距s ，最小弯曲半径r 。；。( 对于u 形管换热 器) ，分程隔板槽两侧相邻管中心距s 。 5 ) 确定壳体内径 计算管束中心排管数： 正三角形排列时， n 。= 1 1 ( n ) o 5 ( 4 一1 6 ) 正方排列时， n 。= 1 1 9 ( n ) n 5 ( 4 1 7 ) 估算壳体内径： d ：= s ( n 。一1 ) + 2 d 。( 4 1 8 ) 根据估算值选取壳体内径d ；。 6 ) 判断长径比 换热管长度与壳体内径之比，一般在4 2 5 之间。 7 ) 计算限定圆直径d l 8 ) 选取壳程数s ( 程序中，壳程数默认为1 ) 9 ) 拉杆的直径和数量 根据换热管外径和公称直径，调用数据库，查询拉杆的直径和数量。由于每 块折流板需要三根拉杆固定，同时，对于螺旋折流板换热器而言，拉杆穿过两块 折流板之间加工比较困难，因此，其拉杆的数目一般至少为1 2 根。 1 0 ) 确定布管数 硕士学位论文 调用编制好的布管程序，得到实际的换热管数量刀。 1 1 ) 折流板 ( 1 ) 弓形折流板 调用数据库，根据壳体内径查询折流板外径的推荐值。 估算折流板间距： b = o 5 d i ( 4 一1 9 ) 估算折流板数： b = 去一l ( 4 - 2 0 ) 用户可以根据实际情况选取合适的折流板外径d 。、间距曰和数目n b 。 ( 2 ) 螺旋折流板 通过选取螺旋角及相对搭接量，进行螺距的计算，根据螺距可进行折流板数 目的估算： b = ( 击_ ) 4 ( 4 - 2 1 ) 根据估算的折流板数选取实际的折流板数目。 1 2 ) 选取管壳程进出口接管尺寸。 4 4 4 传热能力核算 1 ) 管程流体传热系数 管程流体流通截面积： 弘等u = 等圳t ( 4 - 2 2 ) 则管程流体流速为： u i2 = l (4-23)s p ti 、。7 管程流体的雷诺数为： r e i = 华( 4 - 2 4 ) 。 管程流体传热系数根据d i t t u s b o e l t e r 公式进行计算： 4 9 第四章工艺计算程序的编制 铲0 0 2 3 鲁耻n ( 4 - 2 5 ) 当流体被加热时，n = 0 4 ，流体被冷却时，n = 0 3 。 2 ) 壳程流体传热系数 壳程当量直径d 。： 耻酱 件2 6 ， 壳程流体流速： 2 方( 4 - 2 7 ) 式中，a 。为换热器壳程最大流通截面积，其计算公式如下： 弓形折流板换热器： 彳。= b d i ( 1 一了d o ) ( 4 - 2 8 ) 螺旋折流板换热器： 彳。= 三日。d i ( 1 一了d o ) ( 4 - 2 9 ) 由于螺旋折流板回转面的约束，流体在螺旋折流板换热器的壳程流动时，其 最大流动截面只有壳体纵向截面的1 2 ( 一个周期内) ，即弓形折流板换热器最大 流动截面的1 2 ，因此，式( 4 - 2 9 ) 前有修正系数1 2 。 壳程雷诺数： r e 。：里业( 4 - 3 0 ) k t s 假设换热管壁温f 。，查得壁温下壳程流体的粘度。，计算粘度校正系数 则弓形折流板换热器的壳程流体给热系数： 铲。3 6 去畔05 州乃( 等) 0 1 4 ( 4 - 3 1 ) 螺旋折流板换热器的壳程流体给热系数利用式( 4