（机械工程专业论文）浮头式换热器辅助设计系统研究与开发.pdf

独创性声明 秉承学校严谨的佟风和优良的科学道德，本人声明所呈交鲍学徒论文 是我个人程导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知， 除了文中特溺加以标注簿l 致谢的地方外，论文中不包含其他入融经发表 或撰写过的研究成采，不包含本人或俄入已申请学位或其德用途使用过 的成果。垮我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已往论文中作 了疆确豹说明并表示致谢。 申请学位论文每资料若有不实之处，本人承掇一切相关责任 论文作者签袈。码年，。拜弓嚣 保护知识产权声明 本夫宠垒了解舀安毽j l 二天学有关保护知识产权粒规定，郎：辑究生在 校攻读学位期闻，论文工作的知识产权单位属西安理工大学。本人保汪 毕业离校后，发表论文或使用论文成果时署名单位仍然为两安理工大学。 学校毒投保辩送交论文豹复印件允| 争论文被查阅或借阕；学投遥以公 布论文的仝部或部分内柱，町以采用影印、缩印盛其他复制手段保存论 文。 ( 像密的学健跫文程躲密后瘦遵寄此规定) 论文作者签 导师签名：三龇年，。月岁日 摘要 论文题目：浮头式换热器辅助设计 系统研究与开发 学科名称：扭越遮让及理论局 ， 作者姓名：直匿 签名：缝翟辩 导烬姓名：壹监虽职称：整撞签名：西笔蓼侠。 答辩露朗：巡：垒 樯露 换热器是重要的化工单元操作设备，浮头式换热嚣是换热器的一种重要类型。 本文针对浮头式换热器规格品种繁多、形式备异、使用广泛、产品设计标准完善、 同系列产品图形结构相同、尺寸变化跨度大的特点，通过数据库和图蘼的开发、 嚣求维盼的参数 二殴诖。，运_ “贬圈活尺寸”麓歼发理念，研究和开发了浮头式 投热器辅助设计系统。 文中首先分析了抉热器产品的特点及其辅助殴计系统开发的现状，总结了箕 设计流程构建了浮头式换热器辅助设计系统的总体结构。该系统由选型计算、 布管定型、零部件固和裟配闰自动生成三大模块组成。在造型计算模块中，通过 欹热嚣设计计算、管柬缓僻的布管方式分析、数据库的控索，开发了浮头式换热 器辆躺设计计算子系统：在搬管定型模块中，按照确僳壳程流体流动均匀、显换 热器薏体的内径较小、篱程壳程闻换热良好鼠铬省材料的原则。根援设计计算参 数建立_ 自动布管定型系统；在零部件豳和装配豳自动生成模块中，分级分类地 开投了浮头式换热器所有零部件图和装配图的圈纸尺寸数据库乖国库运用“死 图活尺寸”的开发理念，开发了图形自动生成与管柬参数化设计的鬃成系统。论 文最露介绍了掰开发的软牛系统，并以菜浮头式按熟嚣设计为铡，说鲻了该软件 | l 毫使掰过程及辅韵漫诗的效栗， 文中提出的方法充分利蠲了数据库技术对羧热器系列标准化尺寸数攥进行有 效的存储与管理，利用图库对结构相同或相似的视图进行分级分类存储与管理。 利用“死图活尺寸”的图形生成原理快捷地生成各种型号浮头式换热嚣的零部件 圈和装配国，实现了浮头式按熟器豹辅助设计计算和自动绘图的功能：所开发的 软件搜褥换热器设计中许多蜜鞒阉题得翻露满勰决，较俘开发方法其鸯逶瑶性， 对其它粪型豹换热器麓助设计系统的开发商重要辣参考价值，在该领域串蒋有趣 好的应糟翦景。 关键字：换热器：c a d ；数据库：图库 a b s t r a c t s u b j e c t ：基壁曼壁銎鲢盥坠望量y 嚣坠q 里丛垦盥至q 邀 旦q 量! 醚基丛基笪竖e 蚤鲢盥g 星基曼 s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y 。， a u t h o r ：g a o z h u s i 望n a t l l r e ：( j 矗，p 么，扩配 a d v i s o r ：j i x i a o m i n s i g n a t u a b s t r a c t 芑黯匕。 h e a te x c h a n g e r sa r et h ei m p o r t a n ta p p a r a t u sf o rc h e m i c a li n d u s t r y f l o a t i n g e n dh e a te x c h a n g e ri st h ew i d l yu s e dt y p eo ft h eh e a te x c h a n g e r s t h ec h a r a c t e r i s t i c sf o rt h i st y p eo fh e a te x c h a n g e ra r ev a r i o u ss t a n d a r d s ， d i f f e r e n t s h a p e s ，m u l t i u s e f u l n e s s ，c o m p l e t e ds p e c i f i c a t i o n s a n ds a n l e s t r u c t u r eb u tl a r g ec h a n g i n gr a n g eo fs i z e sf o rs a m es e r i e s b ym e a n so f d e v e l o p i n gt h ed a t a b a s ea n dd r a w i n gl i b r a r i e s ，p a r a m e t e r i z e dd e s i g n i n go f p i p eg r o u pu n i t s ，t h ec a ds y s t e mf o rf l o a t i n g - e n dh e a te x c h a n g e rw a s d e v e l o p e db a s eo nt h et h e o r yo ff i x e dp a t t e r n sw i t hf l e x i b l es i z e s ， a tt h eb e g i n n i n go ft h ep a p e r , t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eh e a te x c h a n g e r s a n dt h ec u r r e n ts i t u a t i o no ft h e i rc a da r ea n a l y z e d t h ed e s i g np r o c e d u r e s a r es u m m a r i z e da n dt h et o t a ls t r u c t u r ef o rf l o a t i n g - e n dh e a te x c h a n g e rc a d i sp r e s e n t e d t h i ss y s t e mc o n s i s t so ft h r e em o d u l e ss u c ha st h ec a l c u l a t i o n s f o rt y p es e l e c t i n g 。p i p es e t t i n g ，a n da u t o m a t i c a l l yg e n e r a t i n gf o rp a sa n d a s s e m b l yd r a w i n g s 。i nt h es e l e c t i v ec a l c u l a t i o nm o d u l e ，t h ec a l c u l a t i o n so f h e a te x c h a n g e rd e s i g n ，t h ea n a l y s i so fp i p es e t t i n gp a t t e r n sa r ec o m b i n e d w i t ht h ed a t a b a s es ot h a tt h es e l e c t i v ec a l c u l a t i o ns u b s y s t e mi sd e v e l o p e d c o n s i d e r i n gt h ef a c t o r ss u c ha su n i f o r mf l o w i n go ft h ef l u i d ，s m a l l e ri n n e r r a d i u so ft h es h e l l ，t h ew e l lh e a te x c h a n g i n ge f f e c ta n ds a v i n gm a t e r i a l s ，t h e p i p es e t t i n gm o d u l ei sd e v e l o p e db a s e do nt h ed e s i g n i n gd a t a t nt h em o d u l e f o ra u t o m a t i c a l l yg e n e r a t i n gp a r t sa n da s s e m b l yd r a w i n g s ，t h ed a t a b a s eo f p a t t e r ns i z e sa n dt h ed r a w i n gl i b r a r i e sa r ee s t a b l i s h e da c c o r d i n gt o t h e c l a s s i f i c a t i o n sa n ds e r i e s t h et h e o r yo ff i x e dp a t t e r n sw i t hf l e x i b l es i z e si s u s e da n dt h es u b s y s t e m so fa u t o m a t i c a l l g e n e r a t i n gf o rd r a w i n g sa n d i i e n g i n e e r i n gm a s t e rd e g r e ed i s s e r t a t i o n x i 8 nu n l v e r s i t yo f t e c h n o l o g y p i p eg r o u pp a r a m e t e r i z i n gd e s i g na r ei n t e g e r a t e d i nt h ee n do ft h ep a p e ht h e d e v e l o p m e n to ft h es o f t w a r ei si n t r o d u c e da n da ne x a m p l ef o rf l o a t i n g e n d h e a te x c h a n g e rd e s i g ni sg i v e nt os h o wt h eu s e f u l n e s so ft h es y s t e ma n dt h e e f f e c t t h em e t h o dp r e s e n t e di nt h i sp a p e rm a k e su s eo fd a t a b a s et os a v ea n d m a n a g et h es t a n d a r ds i z e sd a t aa n dm a k e sr i s eo fd r a w i n gl i b r a r i e st os a v e a n dm a n a g e rt h ep a r t sa n da s s e m b l yd r a w i n g s t h et h e o r yo ff i x e dp a t t e r n s w i t hf l e x i b l es i z e si su s e dt og e n e r a t et h ep a r t sa n da s s e m b l yd r a w i n g s i n t h i sw a yt h ec a df o rf l o a t i n g - e n dh e a te x c h a n g e ri sr e a l i z e d t h es o f t w a r e d e s c r i b e di n t h i sp a p e ri sa b l et os o l v em a n ) p r o b l e m si nt h ef l o a t i n g e n d h e a te x c h a n g e rc a d t h ed e v e l o p m e n tm e t h o di su n i v e r s a li nt h i s f i e l d 。t t h a si m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u et oc a dd e v e l o p m e n to fo t h e rs i m i l a rh e a t e x c h a n g e r sa n dw i l lh a v eag o o dp r o s p e c ti nt h i sf i e l d k e y w o r d s ：h e a te x c h a n g e r ，c a d ，d a t ab a s e ，d r a w i n gl i b r a r y 第1 章绪论 第1 章绪论 本章首先介绍了换热器辅助设计系统研究与开发的背景，其次分析 了国内外有关c a d 技术研究与换热器设计系统研究的现状，最后说明 了本课题研究的主要内容。 1 1 本课题的研究背景 换热器是石油化工生产中重要的通用热工设备之一，它不仅是保证 过程工艺条件所广泛应用的设备，也是开发利用二次能源的主要设备， 其性能的好坏，直接影响工业装备的性能及工艺流城的顺利完成。 近年来，随着产品更新换代的加快，企业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。由于换热器设计本身的特点， 设计过程工作量大，传统的人工设计及绘图远不能适应其发展，而采用 计算机辅助设计技术不仅可大量节省人力、物力，提高效率，而且可以 提高产品设计的质量、可靠性和标准化程度。因而，换热器设计c a d 技术已成为一种发展的必然趋势。 目前，国内外开发的换热器c a d 系统大多数是基于a u t o c a d 系统， 利用a u t o l i s p 或其它高级语言来进行二次开发，实现交互式设计与绘 图的系统。一方面许多相关程序只是针对个别特殊形式换热器的计算和 绘图，针对性强，通用性差：另一方面所开发的系统对换热器的重要部 件( 管束组件) 的参数化绘图缺乏足够的思考和开发，延用着传统的手 工编排与交互式绘图相结合的方式进行设计和绘图，影响了设计的精确 性和时效性：第三，c a d 系统采用分散的数据文件提供数据，分散的图 形文件提供图形，管理混乱，数据冗余度大。为此，开发研制新型的换 热器辅助设计系统已成为当务之急，许多换热器生产企业急待开发更能 适应换热器特点，且人机界面友好、直观、实用性强，能带有可实时修 改的图形库和数据库的开放式c a d 系统，以推动换热器产品的技术改 造，普及c a d 技术，进一步缩短产品设计和技术改造周期，不断提高 西安理工大学工程硕士专业学位论文 企业的投标反应速度和市场竞争能力。 本课题以浮头式换热器为对象开发其辅助设计系统。它的开发对其 它形式换热器c a d 系统的开发将具有重要的指导意义和参考价值，为广 大的换热器生产厂家的设计人员提供一套快捷而全面的辅助设计系统， 其应用前景十分广阔。 1 2 国内外有关研究现状 1 2 1c a d 技术的发展 c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n 计算机辅助设计) 技术是2 0 世纪 5 0 年代以来迅速发展起来的一门综合性计算机应用技术，它作为信息技 术的一个重要组成部分，是促进科技成果的开发和转化，促进传统产业 更新和改造，实现设计自动化，增强企业及其产品在市场上的竞争能力， 加速国民经济发展和国防现代化的一项关键性高技术，也是进一步向计 算机集成制造( c i m s ) 发展的重要技术基础。从广义上说，c a d 技术包 括二维工程绘图、三维几何设计、有限元分析、仿真模拟、产品数据管 理、网络数据库以及上述技术的集成等。 c a d 技术的发展历史经历了几次大的技术性革命。第一次革命是曲 面造型系统的出现。为了适应汽车制造和飞机制造等行业发展的要求， 出现了以表面模型为特点的三维曲面造型系统，从而使计算机可以完整 地描述零件的主要信息，这一时期的主要代表性软件是c a t i a 系统。 第二次c a d 技术革命是实体造型技术的出现。8 0 年代初，c a d 软件 市场向着专业化的方向发展。s d r c 公司开发的i d e a s 是第一个完全基 于实体造型的c a d c a m 软件，零件的各种属性可以得到精确表达，从而 使c a d 、c a e 、c a m 模型的统一表达成为了可能。 第三次c a d 技术革命是参数化技术的出现。8 0 年代末，c a d 硬件得 到飞速的发展，p t c 公司的p r o e n g i n e e r 采用参数化实体造型方法，具 有基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动修改设计的特点，在 。蘩。肇誊磐i 穗 众多c a d 软件的竞争中，市场份额名列前茅。 第四次c a d 技术革命是变量化技术的出现。出于参数化技术中的垒 尺寸约柬不利予设计人员的创造牲发挥，一旦设计中关键的拓扑关系发 生政变致失去了慕些约柬特援，裁会造戏系统数据的混乱。隽了克服逮 静缺陷，潦黼了黻s d r c 公霹懿i - d e a s 为代表的囊羹像造型技术。 重2 2 c a d 技术的优点 c a d 赢用工程是与c a d 技术研究开发、推广鹿用相关的高新技术密 集的大型熏统工程。可以肯定，不采用c a d 技求，就不可能做到渡音7 7 7 大型窑枫斡秘蠢纸设计鼯帮榉嚣纸制造”，蹙其鼗计铡遣戚本降低3 0 以上注1 。我圈c a d 应用工程熬实施，标志着我霹在群企进信患健、僖患 企业化”的大道上取得了长足的进步，虽然c a d 技米的开发应用与发达 国家有差躐，但也取得了许多辉煌成就，c a d 作为羡键性的应用技术， 已经在枧槭制遣、建筑工程、瓣王纯纺、船舶汽纂、航空航天、影援广 告等顿域越剃了催佬、麴速、德增嚣的作爝。我匿霸主版权的c a d 支撑 软件基箕虚溺软件己能满足我阉企业“甩掉图板”的要求，并已形成了 一定的产业规模瞌3 。 作为c a d 应用工程之一的c a d 系统开发工作程工业界的应用国趋普 及，它不断顺应着现代设计润题的复杂拖、智能北，正趟者计算规蕊澎 学、人工褰裁、计算机闵终等蒸勰援拳发展戮及计算橇集戚裂造、并行 工程、协同设计等现代设计理论和方法的研究丽深入，c a d 系统已凼辣 。纯二维绘图向三维智能设计、物性分析、动态仿真、变量化或超变量化 ( v g x ) 的参数化方向发展，钢步满足了不同应用系统间交互操作的现察 需要，实现了系统的开艘涟，鲶王邋界带来了越来越大的经济效盏，爨 到了善速关注。与俺统酶设计方法稠毙，c a d 技术表现为醴下优点： l 。加快设计速度，缩嫣产鼎开发周期。在计算机内可存储有关的 专业综合性知识，为各种产晶谶计和工艺制定提供科学依据，并可程计 算机中建立糨关专业的数据瘴，检索存储方便迅速，从豫避免了囊询情 西安理工大学工程硕士专业学位论文 息及计算过程中的繁琐操作，况且对于有些复杂的计算，仅凭人力难以 胜任，必须借助于计算机才能处理； 2 提高产品质量，降低成本。计算机与设计人员的交互作用有利 于发挥人和计算机的各自特长，使产品设计师和制造工艺更加合理，计 算机的高速运算和自动绘图大大节省了劳动力，优化设计带来了原材料 的节省； 3 在企业中利用计算机网络资源，可更好地协调零件与装配设计、 工艺设计、零件制造之间的关系，做到信息共享，进而实行并行工程： 4 使设计人员有更多的时间去进行创造性的劳动。c a d 技术使设计 人员从繁冗的计算和绘图中解放出来，减轻了设计人员的劳动强度，使 之将主要精力放在创造性设计方面。 1 2 3 换热器设计系统开发的现状 近年来，国外在换热器c a d 系统的开发上已有了相当的发展，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 df l o ws e r v i c e ) 以及前苏 联都对计算机在换热器中的应用展开研究“7 1 ，并取得了不同程度的成 果。美国的w h e s s o e 公司开发了h e c a t 系统，可以进行各种列管式换热 器的设计，并提供材料估计，绘制换热器的装配图。国内一些知名大 学( 如浙江大学) 的c a d & c g 国家重点实验室和相关的科研院所也开展了 一定的探索和实践，但工作开展得还不够，一方面许多c a d 系统开发的 程序只是针对个别特殊形式换热器，其针对性强，通用性差，面对换热 器繁多的类型、规格型号，往往只能抓住一些常用的型号来编制相应的 参数化c a d 系统，应用范围受到限制；另一方面，对管束组件参数化设 计只在局部设计计算方面做了些理论探讨“，应用于具体换热器c a d 系 统还不够成熟，理论的适用面较窄。综合起来，其主要的研究表现在以 下几个方面”。： ( 1 ) 在a u t o c a d 环境下运用a u t o l i s p 开发工具进行某一类型换 第l 章j 绪论 换热器零件及装配体的辅助设计和绘图软件的开发【1 4 1 ； ( 2 ) 在a u t o c a d 环境下进行列管式换热器总装配图的图形程序设 计。对某一种类型的换热器，其总装配图图形较复杂，且各部分结构尺 寸相差悬殊，但对标准系列换热器来说，其结构具有标准化，尺寸具有 系列化，将每一种相同结构的图形分解成公用图形块，通过程序把各种 图形块有序地“拼装”成需要的结构图形，装配图可随块图形的修改而发 生改变，但尺寸采用实时标注【g 】【9 】： ( 3 ) 换热器管板布管c a d 系统的开发。该系统作为管束参数化绘 图的一个重要内容，成为研究学者研究的热点，但许多研究只限于以正 三角形、正方形排列换热管的固定管板和浮动管板的设计，没有真正意 义地应用于管束c a d 系统的参数化设计之中： ( 4 ) 管壳式换热器的优化选型【”j 。 1 3 本课题的主要研究内容 本课题主要针对品种繁多的浮头式换热器，将其设计过程程序化， 管柬组件采用参数化设计，其参数化设计的结果将通过继承性技术映射 到相关零部件，根据换热器装配图、部件图、零件图图形结构相同或相 近，只是装配尺寸、零部件尺寸发生变化的特点，将管束组件的装配图 按比例插入总装图，将各种规格总装图及所有零部件图的尺寸建立起独 立而完善的图库和数据库，采用将参数化绘图与数据库相结合，进行“死 图活尺寸”的拼图，并将生成图形与数据库建立连接，数据库可随时调用， 数据库和块图形随时可调出进行修改，系统还在a u t o c a d 2 0 0 4 中，借 助于a u t o l i s p 、d c l 语言创建良好的用户界面，为用户提供极其快捷、 使用方便、品种齐全的换热器辅助设计系统。 本课题完成的工作有以下几个方面： a 换热器及其设计流程 论文的第2 章重点分析了换热器的结构类型、基本概念、应用及其 西安理工大学工程硕士专业学位论文 设计流程，总结了开发换热器产品辅助设计系统的必要性。 b 浮头式换热器辅助设计系统的开发 通过对换热器辅助设计系统功能要求及各主要功能模块的功能及其 研究方法的论述，列出了系统的工作流程，构建出辅助设计系统的总体 结构。这一部分内容详见论文第3 章。 c 图库与数据库 本文在第4 章详细论述了图库与数据库的生成、管理与关联等技术。 通过v i s u a lf o x p r o6 0 建立建全了浮头式换热器零件图、部件图及其装 配图的所有图形的尺寸数据库，建立建全了浮头式换热器零件图、部件 图及其装配图的所有图形的图库，借助于a u t o c a d 2 0 0 4 数据库连接功 能将换热器所有的零、部件、装配图图库与数据库实现关联。辅助系统 可自行检索数据库，以获取各种图形尺寸，图库和数据库可随时打开， 进行修改和完善。 d 参数化绘图 根据输入的换热管管径、管长、根数、布局方式，利用a u t o l i s p 语言开发了参数化设计管束组件零部件绘图软件。具体论述详见第5 章。 e 软件开发 换热器辅助设计系统是以a u t o c a d 2 0 0 4 为支撑软件，a u t o l i s p 、 v i s u a lf o x p r o6 0 为工具开发的应用软件，软件实现了快速绘制任一型号 浮头式换热器装配图、部件图、零件图的功能。本文在第6 章比较详细 地介绍了该辅助设计系统各模块的开发思路及基于a u t o c a d 2 0 0 4 的人 机界面的开发。 f 应用举例 本文在第7 章中以某一型号浮头式换热器为例，详细介绍了本课题 开发的辅助设计系统中图形拼装、尺寸标注、明细栏和技术要求生成、 管束组件参数化绘图、数据库连接等操作，证明了所开发辅助设计系统 的可靠性和实用性。 6 第2 章换热器及其设计流程 第2 章换热器及其设计流程 换热器在工业上的应用有悠久的历史，目前它被作为一种传统的标 准换热设备在很多部门中使用，尤其是在化工、石油、动力、食品及其 他许多工业部门，仍然是最主要的换热设备。在设计换热器时，如果只 取经验数据作简单估算，或盲目加大传热面和安全系数，就会造成很大 的浪费。倘若传热系数、壁温、压降等校核不合理，则又要重新计算， 因此手工计算特别麻烦而且不够准确。利用计算机作为辅助手段，进行 编程设计，使换热器设计不仅设计速度快，结果准确，出图迅速，还避 免了反复校核计算的麻烦。 2 1 概述 工业生产中所用的换热器按其用途可分为加热器、冷却器、冷凝器、 蒸发器和再沸器等，根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分 为三大类：r 司壁式、直接接触式( 混合式)、蓄热式。其中间壁式换 热器应用最多。间壁式换热器又分为夹套式换热器、沉浸式蛇管换热器、 喷淋式换热器、套管式换热器、列管式换热器等【1 6 。2 0 。 列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历 史悠久，在换热器设备中占据主导作用。其主要优点是单位体积设备所 能提供的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围 宽广，操作弹性大。 列管式换热器的种类和规格型号繁多，主要分为：固定管板式换热 器、浮头式换热器、u 形管式换热器、填料函式换热器、方形壳体翅片 管换热器等。其产品己形成系列化，结构形式较为固定，国家质量技术 监督局已于1 9 9 9 年2 月2 6 目发布了g b l 5 1 1 9 9 9 ，对换热器产品进行了 标准化、系列化，其四个组成部件中，管箱、壳箱、外头箱部件装配关 系类同，部件结构一致，管束组件受管程、排管方式的影响，结构变化 较大。 西安理3 - 大学工程硕士专业学位论文 几种常见换热器的具体结构及其主要特点如下： a 固定管板式换热器 结构：如图2 1 所示。 主要特点：结构简单，成本低；壳程不易机械清洗，可能产生较大 的热应力： 使用场合：壳程流体不易结垢或容易化学清洗，壳体与传热管壁温 度之差小于5 0 * c ，否则需要加膨胀节( 低于6 0 7 0 度，压力低于7 k g c m ：) 。 图2 1 固定管板式换热器 b 浮头式换热器 结构：如图2 2 所示。 图2 - 2 浮头式换热器 第2 章换热器设其设计流程 主要特点：结构较为复杂，成本高，消除了温差应力，应用广泛。 c u 型管式换热器 结构：如图2 3 所示。 主要特点：兼顾有上述两者的特点。 图2 - 3u 型管式换热器 2 2 换热器的结构和基本概念 2 2 1 换热器的结构 列管式换热器的结构组成主要有：前端管箱、壳体和后端结构( 包 括管束) 三部分。其详细分类及代号如图2 - 4 所示【l 。列管式换热器的 主要零部件由管箱、换热管束、壳体、外头箱、分程隔板、支座、折流 挡板和封头等组成( 表2 1 所示) ，其中换热管束包括换热管、管板、折 流板、支持板、拉杆、定距管等。换热管可为普通光管，也可为带翅片 的翅片管，翅片管有单金属整体轧制翅片管、双金属轧制翅片管、绕片 式翅片管、叠片式翅片管等，材料有碳钢、低合金钢、不锈钢、铜材、 铝材、钛材等。 2 2 2基本概念 a 公称直径d n 卷制圆筒： 以圆筒内直径( m m ) 作为换热器的公称直径。 西安j e x - 大学工程硕士专业学位论文 钢管制圆筒 以钢管外径( m m ) 作为换热器的公称直径。 图2 - 4 换热器主要部件的分类及代号 b 换热面积a 计算换热面积：以换热管外径为基准，扣除伸入管板内的换热管长度 后，计算得到的管束外表面积，m 2 。 公称换热面积：经圆整后的计算换热面积，m 2 。 c 公称长度l n 以换热管的长度( m ) 作为换热器的公称长度。换热管为直管时， 取直管长度；换热管为u 形管时，取u 形管直管段的长度。 o 第2 章换热器及其设计流程 表2 1换热器的主要零部件组成1 1 6 】 一# * # t庠鞫辑稚卑q棘 2 l$ h 封士舒筘( 嚣件、 ：o 蠡案壤t 蒂睁、 篮艘气 丹摇隔扳 - ；02 1曲形判 耳武点耀t 部* 一 竹哥，! j ：芹4 + 法兰 群袄节。部件1 i i 明声铲蟹鉴殍女垫h申弼挡括 “女“e 掰球鞋斯鲥丑u 骺幢摊秆 * ? ” ：j开口，蕾性 1 。导说嘛 、 一， 7 ： ? o4 盥t 部扯j 姒m 龋收 一妊4 iq ：啦( 鄙件t墉辑 ” ：7 ：耳一一 弘 排穰0埔料而 ，j蟛h 。戗“均删 l 琐特雕照 卧-j ：推杵弹砖督暖犯 ， r ， 3 征劫氍岍( 邪抖刊舒耵如斗： 1 。 j ：拽体钎播格孰置 1j ”g*牡竹位”慌啦 ，￥h _ j !能尊：”土匿鹱 ”解嘶定鞋强傩件j辘商竹接n 。 z ，e o耕皿糍弭 ，s * l “，i j 3 9 ：错蹰垫h蠲耐 !“蛊_ 。 秆橱躅鞠c 蝣蕾、 s 好端倒垫h d 管程和壳程 管程：指介质流经换热管内的通道及与其相贯通部分。 壳程：指介质流经换热管外的通道及与其相贯通部分。 管程数：指介质沿换热管长度方向往、返的次数。 西安理工大学工程硕士专业学位论文 壳程数：指介质在壳程内沿壳体轴向往、返的次数。 e 换热管 其规格尺寸为管子外径( r a m ) 。 f 压力 工作压力：指在正常工作情况下，换热器管、壳程顶部可能达到的 最高压力。 设计压力：指设定的换热器管、壳程顶部的最高压力，与相应的设 计温度一起作为设计载荷条件，其值不得低于工作压力。 计算压力：指在相应设计温度下，用以确定换热器元件厚度的压力， 其中包括液柱静压力。当元件所承受的液柱静压力小于5 的设计压力 时，可忽略不计。 试验压力：指压力试验时，换热器管、壳程顶部的压力。 g 温度 设计温度：指在换热器正常工作情况下，设定的元件金属温度( 沿元 件金属横截面的温度平均值) ，设计温度与设计压力一起作为设计载荷条 件。 试验温度：指压力试验时，管箱和壳体的金属温度。 2 3 换热器的技术进展 换热器由一些直径较小的圆管加上管板组成管束，外套一个外壳而 构成，其特点是结构简单，易于加工、清洗，选材及应用范围广，处理 量大。在追求高效传热的今天，传统的管壳式换热器单位体积的传热面 积较低，传热系数不高，难以满足生产要求，因而，换热器的技术进展 主要在强化传热技术方面。所谓换热器强化传热技术就是使换热器在单 位时间、单位传热面积传递的热量尽可能多。长期以来，国内外对此进 行了大量研究，主要表现在几个方面： a 管子的强化 第2 章换热器及其设计流程 为了提高换热器换热性能，一方面要提高单位体积的传热面积，另 一方面要提高综合传热系数，即进行强化传热。为提高单位体积的传热 面积，采用减小管径，增加管数的方法是不可取的，一般认为，大型换 热器管径不会小于6 m m 。为提高传热系数而采用单纯加大流体流速的手 段同样会不尽人意，因为增加流体流速而引起的传热系数的增加率，往 往会低于克服摩擦阻力的功耗增加率。因此，管子的强化工作主要集中 在异形管的开发方面，或可采用在管内、管外安装翅片等手段对传热管 进行强化。各种强化管在兼顾压降的同时，传热面积都有不同程度的增 加，并使传热系数不断得到强化。 b 折流板及支撑板 传统换热器采用单弓形折流板，壳程易产生流动和传热的滞流死区， 造成壳程传热系数低，易结垢，流阻大等。同时还易引起管体振动，影 响换热器的寿命。为此，国内外相继开发了多种新型折流板和支撑物， 其共同的特点：一是壳程内流体流动由横向流动变为平行于管子的纵向 流动，使流体压降减小，传热面积得到充分利用，避免了壳程流体对管 子的垂直冲击，减少了流体对传热管诱导振动的隐患：二是折流板形式 向着流阻低，坚固，结构简单，制造方便，节省投资等方向发展。 c 管内插件技术 管内插件技术是增强管壳式换热器性能的重要技术之一。插入件的 作用是对器壁产生较高的流体剪切应力，降低管内流体由层流向湍流过 渡的临界雷诺数，从而提供很陡的速度梯度和更高的传热系数。管内插 件对强化气体、降低雷诺数流体或高粘度流体的传热会起到较好的效果。 管内插件的形式有很多，强化机理也各有不同，可分为以下三类：强化 旋流，如纽带和半纽带形式；促进湍流，如螺旋线、片条、斜环片等形 式；置换型强化器，包括静态混合器、交叉锯齿带、球形体等形式。 西安理工大学工程硕士专业学位论文 2 4 浮头式换热器的设计流程 2 1 2 7 换热器的一般设计流程如下： a 明确所需设计换热器的应用环境及使用要求 调研和分析所需设计换热器的应用环境，实测原料液和工作液的流 量、组成、进出口温度、操作压力等基本参数，收集工作液的物性值、 流速、传热系数，明确换热器的各项使用要求。 b 传热的初步计算 根据原料液进、出口温度的平均温度值和流量，计算出传热量及工 作液出口温度；根据工艺条件和按逆流流动给出的传热温差分布图，采 用图解方法确定换热器壳程数和流程规定；根据冷、热流体在换热器中 有无相变化及其物性等，估算换热面积。 c 换热器的选型计算 根据传热温差的大小，传热介质的性质以及结垢、清洗要求等条件， 首先根据管程热流体体积流量计算得出单管程所需管子根数，根据传热 面积初定管程数：通过检索数据库得出一组换热器公称直径和计算散热 面积值：比较换热面积和计算散热面积值，并根据管子根数、布管方式 等确定换热器的公称直径。 d 初步选型 根据换热器选型计算得出的公称直径、公称压力、管程、管长、换 热管管径及结构形式，初步确定换热器的型号。 e 布管设计 按照确保壳程流体流动均匀、且换热器壳体的内径较小、管程壳程 间换热良好且节省材料的原则，根据换热器的公称直径和管程数、换热 管的外径、根数等进行布管设计。 f 校核计算 计算管程和壳程流体流速及雷诺数，判断流体流动的状态传热性能， 4 第2 章换热器及其设计流程 校核管、壳程压力降、总传热系数、换热器传热面裕度：对换热器中受 压元件、管板、球冠形封头、浮头法兰、钩圈等零件进行强度校核。 g 绘图 绘制出全套零、部件图和装配图。 2 5 换热器辅助设计系统开发的必要性 随着微型计算机硬件、软件系统的不断发展和完善，其应用领域越 来越广。近年来，计算机辅助设计( c a d ) 与计算机辅助制造( c a m ) 技术 的发展非常引人注目。c a d 和c a m 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。 换热器作为热量转换设备中的重要产品，其四个组成部件中，管箱、 壳箱、外头箱部件装配关系类同，部件结构一致管束组件受管程、排 管方式的影响结构变化较大，尤其是浮头式换热器的品种多达3 6 4 2 种， 给产品的设计和绘图带来了繁重的工作量，计算过程繁琐，产品的类型、 规格、结构形式多，装配图图形复杂，且各部分结构尺寸相差悬殊，设 计零部件的图纸工作量大，尤其是绘图的重复劳动多。为了减少设计人 员在设计当中的重复性劳动，加快设计速度、提高设计水平，迫切需要 将c a d 技术引入换热器设计中，大大提高设计效率和产品的质量、可 靠性，节省人力物力，而满足此项要求的重要方法就是开发换热器计算 机辅助设计系统。 目前，国内外开发的换热器c a d 系统品种繁多。方面许多相关 程序只是针对个别特殊形式换热器的计算和绘图程序，针对性强，通用 性差；另一方面所开发的系统对换热器的重要部件( 管束组件) 的参数 化绘图缺乏足够的思考和开发，延用着传统的手工编排与交互式绘图相 结合的方式进行设计和绘图，影响了设计的精确性和时效性；第三，c a d 西安理工大学工程硕士专业学位论文 系统采用分散的数据文件提供数据，分散的图形文件提供图形，管理混 乱，数据冗余度大。为此，换热器c a d 系统开发水平的提高已成为当 务之急，许多生产换热器的企业急待开发更能适应换热器特点，且人机 界面友好、直观、实用性强，能带有可实时修改的图形库和数据库的开 放式c a d 系统。本文针对品种繁多的浮头式换热器，将换热器的选型 设计、布管设计、零部件和装配图图形的生成集成为一个系统，在 a u t o c a d 2 0 0 4 平台下，借助a u t o l i s p 、d c l 语言创建良好的用户界面， 采用v i s u a lf o x p r o6 0 和a u t o c a d 2 0 0 4 建立了可随时修改、完善的数据 库和图库，为用户提供了极其快捷、使用方便、品种齐全的换热器辅助 设计系统。 第3 章系统的总体结构及开发平台 第3 章系统的总体结构及开发平台 本课题开发的换热器辅助设计系统是以a u t o c a d 2 0 0 4 、f o x p r o6 0 为支撑，a u t o l i s p 为工具的应用软件，实现了浮头式换热器传热的初步 计算、换热器的选型计算、初步选型、换热管的布管设计、换热器零部 件图及装配图的生成等功能。本章主要介绍系统的功能需求、主要模块 的功能以及系统的完整工作流程。 3 1 系统的功能需求 ( 1 ) 计算换热器传热量及工作液出口温度，确定换热器壳程数和流 程规定，估算换热面积： ( 2 ) 换热器的选型计算： ( 3 ) 初步确定换热器的型号； ( 4 ) 以参数化布管设计确定换热器型号： ( 5 ) 全套零、部件图和装配图的自动生成。 3 2 主要模块的功能与实现陋8 心2 1 3 2 1 选型计算模块 a 功能 根据原料液进、出口温度的平均温度值和流量，计算出传热量及 工作液出口温度：根据工艺条件和按逆流流动给出的传热温差分布图， 采用图解方法确定换热器壳程数和流程规定；根据冷、热流体在换热器 中有无相变化及其物性等，估算换热面积。 计算得出单管程所需管子根数，初定管程数、换热器公称直径和 计算散热面积值：比较换热面积和计算散热面积值，并根据管子根数、 布管方式等确定换热器的公称直径。 初步确定换热器的型号。 b 设计方法 西安理t - 大学工程硕士专业学位论文 输入已知参数 换热器：公称压力p n 、换热管管径d 、管长，、传热系数k 等。 原料液：流量尥、成分含量、进口温度出口温度f 2 、操作 压力、物性值( 粘度 热导率 、密度成、比热容c 。) 等。 工作液：流量地、成分含量、进口温度丁i 、操作压力、物性值 ( 粘度、热导率x 、密度风、比热容c 。) 等。 计算传热量q 及工作液出口温度疋 传热量q 以原料液为基准，计入5 的热损失。 平均温度f 。= ( f i + f2 ) 2 所需传递的热流量q = 1 0 5 时。cp ，( r2 一t 1 ) 工作液出口温度死 由热流量平衡计算得：t2 = t l q m 女c p k 确定换热器壳程数和流程规定 换热器的壳程数 多管程换热器的壳程数是由工艺条件，即冷、热物流进、出口 温度，依据逆流流动给出的传热温差分卸图，采用图解方法来确定。 流程方式 以减少总体热损失为目标，选择热流体管程路线和冷流体壳程 路线。 估算换热面积 传热温差r 。的计算 首先计算传热温差理论值f ： a t 。= ( i f ：) 一( 咒一 ) 】，。 ( 正一屯) ( 疋一f ，) 由于加折流板或多管程的影响，冷热两流体并非纯逆流，传热 温差理论值应加以校正，其校正系数e 。按以下步骤求得： r = ( 正一瓦) 似：一f 。) r 第3 章系统的总体结构及开发平台 p = ( f 2 一t 1 ) ( 五一t 1 ) 由r 、p 及壳程数，查阅管壳式换热器( g b l 5 1 1 9 9 9 ) 得e 于是得传热温差校正值为：r 。= e 。+ a t 换热面积a 根据冷、热流体在换热器中有无相变及其物性等，选取适当的 传热系数k ，得出所需换热面积为：a = q i ( k a x t 。) 换热器选型 初定管子根数和管程数 根据传热温差的大小，传热介质的性质以及结垢、清洗要求 等条件，首先根据管程热流体体积流量计算得出单管程所需管子 根数，根据传热面积初定管程数。 管程热流体c y - 作液) 体积流量：k = m 。n 选定换热管规格及管