（机械设计及理论专业论文）卧式冷凝器cad系统设计及性能分析研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 卧式冷凝器是制冷行业中的重要设备，目前在卧式冷凝器的设计中存在者开发周期 长，自动化程度低，开发实验费用高等缺点，很难适应市场对新型高效换热设备的需求 和复杂化、高效化的发展趋势。本文依托“卧式冷凝器c a d 系统开发”项目，针对卧式 冷凝器以上缺点开发了一套集成了热力学计算和机械设计的卧式冷凝器c a d 系统。在传 统设计方法的基础上，本文考虑了卧式冷凝器的内部换热机理对其性能的影响，通过数 值模拟方法对卧式冷凝器的性能进行了分析，使设计方案更加合理。 本文运用统一建模语言( u 儿) 结合面向对象技术，对卧式冷凝器c a d 系统的需求分 析、系统分析、系统设计进行了深入研究，对卧式冷凝器设计中所遇到的关键技术进行 了研究，在此基础上以u gn x3 0 为支撵平台，v c + + 6 0 为开发工具实现了系统的开发。 卧式冷凝器c a d 系统由热力学计算和机械设计两个子系统组成，热力学计算子系统 包括设计条件输入、初步规划、计算结果显示和结果输出四个模块，热力学计算子系统 可完成卧式冷凝器的热力学计算，换热管的排布及说明书的生成等热设计；机械设计子 系统包括结构设计。设计计算、零件参数化、自动装配和设计输出五个模块，机械设计 子系统可完成卧式冷凝器的主要零部件的设计、零件图和装配图的生成等机械设计。 为了保证卧式冷凝器性能达到最优，本文使用数值模拟方法对卧式冷凝器的性能做 了分析和优化，采用f l u e n t 软件对卧式冷凝器进行流场分析，待到其内部温度、速度 和压力分布，根据结果改进卧式冷凝器的结构，使得其性能得到提高。 卧式冷凝器c a d 系统目前已在大连冷冻机股份有限公司试运行，运行结果表明该系 统可以显著提高卧式冷凝器的设计效率和设计质量，使工程技术人员摆脱了繁重的重复 劳动，具有较好的实用性。 关键词：卧式冷凝器；c d ：数值模拟 卧式冷凝器c a d 系统设计及性能分析研究 s t u d yo nt h ec a ds y s t e md e s i g na n d c a p a b i l i t ya n a l y s i sf o rh o r i z o n t a lc o n d e n s e r a b s t r a c t h o r i z o n t a lc o n d e n s e ri si m p o r t a n te q u i p m e n ti nr e f r i g e r a t i o ni n d u s t r y t l l ed e s i g no f h o r i z o n t a lc o n d e n s e rh a saf e wd i s a d v a n t a g e sj u s tl i k el o n gp 耐a d , l o wd e g r e eo fa u t o m a t i s m a n dh i g he x p e n s eo fe x p e r i m e n te t c s ot h eo l dm e t h o d sc o u l dh a r d l ym e e tt h em a r k e tn e e d a n dd e v e l o p m e n tt r e n do fh i g he f f i c i e n c ya n dc o m p l i c a t i o n s u p p o r t e db yt h ei t e mo f h o r i z o n t a lc o n d e n s e rc a d s y s t e md e s i g n ，t h ea u t h o ra i m e da to v e r c o m i n gt h ed i s a d v a n t a g e s d e v e l o p st h eh o r i z o n t a lc o n d e n s e rc a ds y s t e mw h i c hi n c l u d e st h e r m o d y n a m i c sd e s i g na n d t h em e c h a n i c a ld e s i g ns u b s y s t e m b a s e do nt h et r a d i t i o n a ld e s i g na u t h o rc a l c u l a t e st h ee f f e c t o fh e a te x c h a n g et h e o r yf o rt h eh o r i z o n t a lc o n d e r t s e r , a n a l y z e st h ec a p a b i l i t yb yn u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o d , h a sm a d et h ed e s i g nm o r er e a s o n a b l e u s i n gu n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g ea n do b j e c t - o r i e n t e dt e c h n o l o g y ，t h ea u t h o rm a k e st h e r e q u i r e m e n ta n a l y s i s ；s y s t e ma n a l y s i sa n ds y s t e md e s i g nf o rh o r i z o n t a lc o n d e n s e rc a d s y s t e ma n ds o l v e sm a n yp r o b l e m sw h i c he n c o u n t e r e di nt h ed e v e l o p m e n t b a s e do nt i c p l a t f o r mo f u gn x 3 0 w i t ht h ev c + + 6 0a u t h o rd e v e l o p st h i ss y s t e m t h es y s t e mc o m p o s e so f t h et h e r m o d y n a m i c sd e s i g na n dm e c h a n i c a ld e s i g ns u b s y s t e m t h et h e r m o d y n a m i c sd e s i g ns u b s y s t e mi n c l u d e st h ed e s i g nc o n d i t i o ni n p u t , p r i m a r yl a y o u t , r e s u l td i s p l a ya n dt h er e s u l to u t p u tf o u rm o d e l s ，t h et h e r m o d y n a m i c sd e s i g nf o r t h eh o r i z o n t a l c o n d e n s e rc a l lb ec o m p l e t e db yt h es u b s y s t e m s u c ha st h e r m o d y n a m i c sc a l c u l a t i o n , l a y o u to f t h ep i p ea n dc r c a t et h es p e c i f i c a t i o ne r e n em e c h a n i c a ld e s i g ns u b s y s t e mi n c l u d e ss t r u c t u r e d e s i g n ，i n t e n s i t yc h e c k o u t ，c o m p o n e n t sp a r a m e t r i c ，a u t o m a t i ca s s e m b l i n ge n dr e s u l to u t p u t u s i n gt h es u b s y s t e md e s i g n e rc a nc o m p l e t et h em e c h a n i c a ld e s i g n , s u c ha st h ed e s i g no fp a r t a n dt w o - d i m e n s i o ne n g i n e e r i n gd r a w i n g s i no r d e rt oe n s u r et h eb e s tp e r f o r m a n c eo f h o r i z o n t a lc o n d e n s e r , t h ea u t h o ra n a l y s e sa n d o p t i m i z e st h ec a p a b i l i t yb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d w i t i lt h ef l u e n ts o f t w a r e t h e a u t h o ra n a l y s e st h ef l o wf i e l da n dg e t st h et e m p e r a t u r ev e l o c i t ya n dp r e s sd i s t r i b u t i o na n d i m p r o v e st h es t r u c t u r ea n di n c r e a s e dc a p a b i l i t yb yt h ec o n s i d e r i n gt h er e s u l to f a n a l y s i s t 1 l i ss y s t e mh a st e s t 瑚i nd a l i a nr e f r i g e r a t i o nc o m p a n yl i m i t e d t h er u n n i n gr e s u l t i n d i c a t e st h a tt h i ss y s t e mc a ni m p r o v et h ed e s i g ne f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo fh o r i z o n t a l c o n d e n s e r t h es y s t e mh a sg o o dp r a c t i c a b i l i t ya n dc o n v e n i e n c c st o o k e ) rw o r d s ：h o r i z o n t a lc o n d e n s e r ；c a d ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n - i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导- f 进_ 4 t 的研究工 作及取得研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为荻得大连理 工大擘或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名：啦日期：圣回：! 兰：望 大连理f 大学硕士研究生学f 寸沧文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕圭、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工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，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：煎 导师签名：5 ! 乙垄 丝年韭月丑目 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 选题背景和应用价值 换热器是压力容器的一种，是化学工业、石油工业及动力、原子能和其它许多行业 中广泛使用的热量交换设备，特别是在石油炼制和化学加工装置中，占有极其重要的地 位。管壳式换热器，由于其具有选材范围广，换热表面清洗方便，适应性强，处理能力 大能承受高温和高压等特点，在化工生产中，无论是国内还是国外，它在所有的换热 设备中，占有主导地位。因此管壳式换热器的设计备受世界各工业发达国家所重视【l 】。 采用传统的工程设计模式来设计管壳式换热器，设计人员必须完成大量的数据处 理、图形处理和数值计算；这些工作由设计人员手工或借助比较落后的工具来完成，从 而使设计人员的精力过多地集中在零部件的常规设计和重复性劳动上，对全局性的问题 研究不够，设计工作周期长，效率低，具有很大的局限性，在这种情况下，一种简洁高 效的针对于换热器设计的软件就亟待出现，这种软件能够覆盖换热器设计的全过程，实 现设计过程的输入输出，并最终实现结构选型、强度计算、设计说明书、材料报价单、 零部件图及装配图的绘制的功能。 1 2c a d 技术的发展现状和趋势 随着电子计算机及其相关技术的发展，计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，简 称c a d ) 技术正在全世界范围内兴起和蓬勃发展。c a d 技术是设计人员在c a d 系统的 辅助下。根据产品的设计程序进行设计的一项新技术，是人的智慧和创造力与计算机系 统功能的巧妙组合。它将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、 灵活的图形及文字处理能力与工程技术人员的创造性思维能力及分析判断能力结合起 来，从而大大改善设计质量，提高设计效率。它具有如下的功能及特点【2 】： ( 1 ) 方便快捷的辅助绘图、编辑手段。这是对c a d 软件的最基本的要求： ( 2 ) 实用性强的图形参数化功能。目前，国内外的c a d 系统不同程度地提供了参 数化设计功能，能对复杂的多视图图形进行参数化，建立产品的参数模型； ( 3 ) 具有分析校核功能的常用件设计功能，常用件计算机辅助设计是按照机械设计 的一般思路用计算机来完成的，包括齿轮、链轮、蜗杆、皮带轮、弹簧等； ( 4 ) 提供标准件库和建库工具，供用户在设计中方便地查询与选用，让用户建立企 业内部的标准件库； ( 5 ) 提供设计信息管理功能，实现对工程图纸信息的全面管理，保证绘图信息与数 据库信息的一致性，并与设计融为一体： 卧式冷凝器c a d 系统设计及性能分析研究 ( 6 ) 提供智能装配图设计功能。输入基本数据后，自动生成装配图、零件图，进行 装配、消隐，自动生成明细表，并把产品信息和零件信息存入数据库。 与传统的设计相比，c a d 技术具有如下特点： ( 1 ) 融合多种高新技术于一体： ( 2 ) 提高了工作效率，缩短了产品开发周期，降低了产品成本，提高了产品质量； ( 3 ) 实现了并行设计，减少了废次品； ( 4 ) 产品设计更精确，易于设计修改和技术文件的储存； ( 5 ) 能够进行机构运动的仿真和模拟： ( 6 ) 大大减轻了设计人员的劳动强度。 c a d 技术是计算机科学与工程设计学科相结合形成的新型技术。它的迅速发展和 广泛应用，给古老的工程设计制造业带来了蓬勃生机，使传统的产品设计方法与生产组 织模式发生了深刻的变革。c a d 技术为企业缩短产品设计周期、增强市场应变能力、 参与国际市场竞争提供强有力的技术手段，已经产生、必将继续产生巨大的社会经济效 益。 目前c a d 技术已经应用于许多行业。如机械、汽车、飞机、船舶、电子、轻工、 建筑、化工、纺织及服装等。c a d 技术应用于机械类产品设计的比例最大，机械c a d 在整个工程c a d 中占有比较重要的地位。 必须指出，c a d 不是完全的设计自动化，实践证明c a d 是将人的主导性与创造性 放在首要地位，同时充分发挥计算机的长处，使二者有机地结合起来，因此人机信息交 流及交互工作是c a d 系统最显著的特点。 化工工业是国民经济的基础之一，化工设备在整个化工工业各个领域的应用非常广 泛，将计算机辅助设计与制造( c o m p u t e ra i d e dd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g ，简称 c a d c a m ) 技术应用到化工设备的设计和制造，对于提高设计与加工的质量和效率，提 高产品竞争能力，具有显著的经济效益和广阔的发展前景。 1 3c a d 技术在换热器设计中的应用 2 0 世纪7 0 年代，计算机图形学及绘图技术日趋成熟，计算机硬件技术得到飞速的 发展，以小型机和超小型机为主的通用c a d 系统开始进入市场，针对某些特定问题的 专用c a d 系统也开始蓬勃发展。2 0 世纪8 0 年代，随着先进制造技术的发展，c a d 与 c a m 等的集成系统开始出现。9 0 年代后，c a d 技术已开始走出它的初级阶段，进一步 向标准化、集成化、智能化和自动化方向发展，并逐步发展成为更成熟的c a d 系统。 近几年来，由于计算机硬件和软件的迅速发展，c a d 在许多方面己经越来越成熟。例 大连理工大学硕士学位论文 如几何图形的生成、图形变换、图形轮廓识别、裁剪、延伸、断开和消隐技术、曲面造 型和实体造型技术、局部修改技术、真实感技术以及工程图样的各种标注技术等等。 但是c a d 也存在着许多问题和不尽人意之处。例如工程图样识别、装配图和零件 图一体化设计绘制模型、复杂三维图形快速重建、多维图形的表示方法、图形及其数据 转换的标准化问题以及建立图形的专家系统等掣”。 c a d 技术作为成熟的普及技术已在企业和科研中广泛应用，并已成为企业和科研 的现实生产力。 应用于换热器设计的c a d 技术，由早期的工程绘图，到现在的一体化设计，国外 在此方面一直领先，但因设计标准的不统一，尚不能简单的引进。我国的c a d 技术起 步较晚，因此早期国内使用的c a d 系统及软件都是国外产品。现在，随着c a d 技术的 推广应用，国内c a d 产品市场得到了开发，国产c a d 软件也已开始蓬勃成长起来。比 如中国科学院凯恩软件集团的p i c a d 软件，其总装量已超过5 0 0 0 套，p i c a d 系统及其 系列产品的用户遍及全国多个省、市、自治区，应用范围涉及到机械、电子、设备、工 程、建筑等众多行业。在国内换热设备设计领域内，c a d 技术的应用也有了很大的发 展。从8 0 年代起，国内工程设计人员已经开始用a u t o c a d 作为工具，采用交互式方法 绘制一些简单的换热设备零部件图和装配图目前，换热设备系统领域内已经在很大范 围内应用了c a d 技术。例如，在换热设备的工艺计算、物性参数的检索、大型容器的 有限元应力分析、设备的强度和结构设计、设备图的绘制等方面，c a d 技术均有涉及。 尤其是设备的绘图系统己成为如今机械c a d 的研究开发重点，其中有代表性的是全国 化工设备设计技术中心站组织开发的化工设备c a d 绘图软件包( 简称p v c a d ) 、茂名石 化公司机械厂开发的浮头式换热器c a d 软件、中国石化总公司开发的v c a d 3 0 、机电 部合肥通用机械研究所的压力容器c a d 的研究与开发等。这些软件系统己经商品化， 在全国许多石油、化工设备设计单位得到较广泛的应用卜叼。 换热设备c a d 技术的发展趋势主要表现在以下几个方面。 ( 1 ) 基于知识的专家系统 将人工智能技术和知识工程引入到c a d 系统中，可以为设计者提供专家级的设计 指导，有效地协助用户解决所遇到的问题，使c a d 系统真正成为辅助设计工作的智能 化的工具。 ( 2 ) 虚拟制造 虚拟制造是指利用信息技术，三维仿真技术，计算机技术对制造知识进行系统化组 织与分析，对整个制造过程建模，在计算机上进行设计评估和制造活动仿真，强调用虚 卧式冷凝器c a d 系统设计及性能分析研究 拟制造模型描述制造全过程，在实际的物理制造之前就具有了对产品性能及其可制造性 的预测能力。 ( 3 ) 网络环境下的现代设计制造技术 传统的设计模式采用的是串行工作模式，这使得设计工作不能有效地协调，设计周 期往往很长，而且单台计算机的处理能力限制了它的应用范围。而当前的竞争环境，对 工作的实效性要求很高，因此必须尽可能地将具有不同专长的各方面人才聚集到一起， 通过网络互联进行资源共享和协调合作来共同完成产品设计工作，而且能够在整个产品 的生命周期中顺畅地共享数据，发挥更大的效能。在网络环境下的现代设计制造技术应 用并行工程可以大大缩短设计生产周期，提高产品的竞争力。 ( 4 ) 计算机集成制造系统 计算机集成制造系统是利用计算机系统把生产企业的产品设计、加工制造、生产管 理、直到产品销售和售后服务全过程的各种信息加以全面管理和控制的高度自动化的生 产模式，是一种把现代信息技术、管理技术和生产技术通过计算机技术这一高科技手段 融为一体，进而提高企业经营管理水平和经济效益的思想方法 1 4 换热设备数值模拟方法发展现状和趋势 随着计算流体力学、计算传热学的蓬勃发展及计算机硬件技术的不断提高，对工业 设备中一些复杂热力系统设备( 如管壳式换热器、大型冷凝器、冷却塔等) 的数值模拟工 作得到了开展，并取得了一定的成效。采用数值模拟的方法对换热器进行模拟与仿真已 成为换热器技术发展的一个重要方向之一【9 】。 相对于实验方法，数值模拟方法具有以下诸多突出优点： ( 1 ) 计算条件容易改变，使用方便、灵活： ( 2 ) 可研究复杂初始值条件下的流动现象和流动特性； ( 3 ) 不需要真实的试验模型及实验场地； ( 4 ) 研究和开发周期相对较短； ( 5 ) 费用较低、限制较少； ( 6 ) 便于模拟较复杂或较理想的工况：模型重复性好，易于修改： ( 7 ) 便于得到细观信息和优化设计等。 因此，数值模拟方法已成为当今换热器研究的一个重要手段。 由于管壳式折流板换热器中流体流动和传热过程均相当复杂，因此要对这种复杂的 流动与热交换过程进行数值模拟，并把管内流体、管外流体的速度场、压力场、温度场 等分布情况的每一个细节都描述出来，从而确定流体流动、换热等特性是非常困难的 - - 4 - - 大连理工大学硕士学位论文 最早应用c f d 对管壳式换热器进行数值模拟研究，是由英国学者p a t a n k a r 和 s p a l d i n g 在1 9 7 4 年提出的。采用分布阻力、体积多孔度的概念，使换热器复杂几何 结构内的复杂流动过程得以简化，实现了管壳式换热器壳程流场的数值模拟。该方法同 时还保留了用微分方程来描述壳程流体流动与传热的特点。以后又进一步发展并应用这 一思想对换热器壳侧流体流动与传热进行了数值模拟。采用分布阻力、容积多孔度的概 念来计算壳程流体流动，使复杂几何结构的流动过程得以大大简化，同时又保留了用微 分方程来描述壳程流体流动与换热的特点，是一种较为有效的研究方法。但是这种方法 由于分布阻力、分布热源等多个重要输入参数与换热器的结构形式、大小、流经的介质 有关，只能通过实验确定，同样存在实验耗资大，周期长的问题；若根据经验来确定这 些参数，则不易把握数值计算的准确性。 1 9 8 2 年s h a 、t 提出了表面渗透度的概念，认为必须综合应用分布阻力、容积多孔 度、表面渗透度的概念方可更全面地考虑壳程固体表面对于流体的作用。同时，s h aw t 还在他提出的模型的壳程流体计算的动量方程中加入了一项粘性力，并采用了两方程紊 流模型对一蒸汽发生器内壳侧流动进行了二维数值模拟分析。在此次计算中，s h a 、t 还通过实验验证了该计算模型的可行性”。 近年来，国内学者在国外数值模拟研究的基础上，在换热器数值模拟方面也开展了 越来越多的工作。谢永宏、郭方中等建立了紧凑换热器的多孔模型，并提出了建立此模 型的基本前提和方法【”l ；王定标、董其伍等确定了换热器的数值模拟模型，采用数值模 拟方法研究纵流壳程换热器层流下的传热和流动阻力的关联式l ”】；聂建虎、陶文铨等对 封头及出口管嘴中的流场进行数值模拟，得出了流经出水管段阻力系数等一些有用的结 果，并说明了入口挡板对出水管中流场均匀性的影响【i 卅；黄兴华、王启杰等使用多孔介 质模型对实验用管壳式换热器壳程单相流动和传热进行了三维数值模拟，得到壳程流体 流动和传熟的分布 1 5 , 1 6 1 ；解衡、高祖瑛采用多孔介质方法，建立了换热器的三维流动计 算模型，进行实验验证，并尝试用于计算低温供热堆主换热器内的流场7 】：邓斌、陶文 铨采用各向异性多孔介质模型对管壳式换热器壳侧的流动进行了数值模拟，着重分析了 管壳式换热器壳侧的湍流流动特性【”】。 在此理论基础上，各国的科研工作者从不同方面对不同类型的管壳式换热器进行了 数值模拟，利用数值模拟方法对管壳式换热器进行传热和流场分析己经达到了一定的应 用，并取得了一定的社会和经济效益。可见，利用大型计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s ，简称c f d ) 软件对一些问韪进行分析模拟，得出一些有用的结论来对问题进 行预测、分析，从而用来指导设计、生产、实验等工作，这个过程也已经发展成为如今 工业生产的一种必然趋势。 卧式冷凝器c a d 系统酷计及性能分析研究 1 5 本文研究的主要内容 卧式冷凝器c a d 采用统一建模语言( u m l ) 结合面向对象的软件设计方法实现。本 文针对卧式冷凝器设计的设计特点、需求分析及企业需要解决的问题等进行了全面的研 究，解决了说明书自动编制、布管图自动生成过程中所遇到的各种技术难题，为换热器 c a d 系统提供了一个可行的方案，良好的系统框架和可复用性的模块。 本系统面向的用户是化工设备设计人员，以u g n x 3 0 为支撑平台v c + + 6 0 为开 发工具，井使用u gn x 3 0 来完成图形的绘制，其主要功能如下： ( 1 ) 换热器整体结构设计和压力容器零部件设计： ( 2 ) 动态生成设计计算说明书； ( 3 ) 换热器管板的自动排布功能； ( 4 ) 开放、共享、高效的工程数据库的建立； ( 5 ) 开放、可重用的参数化绘图模块的建立； ( 6 ) 换热器装配图和零部件图的自动生成； ( 7 ) 实现了简单、友好、易用的用户界面。 在完成卧式冷凝器c a d 的基础上采用数值模拟的方法对卧式冷凝器的速度场、 温度场和压力场进行了数值模拟分析。 大连理工大学硕士学位论文 2卧式冷凝器c a d 系统设计及性能分析的总体结构 本文开发了基于u g 的卧式冷凝器c a d 系统，大大提高了卧式冷凝器设计的效率， 卧式冷凝器c a d 系统解决了卧式冷凝器设计中的热力学计算，机械设计等方面的问题 在完成卧式冷凝器c a d 系统的基础上用数值模拟方法对卧式冷凝器的性能进行了分 析，使设计人员可以清晰地观察到卧式冷凝器的微观场，对设计性能的优化起到了很大 的推进作用。 换热器的设计涉及各种数量的分析和以经验为基础的定性决断。图2 1 可用以说明 换热器设计的一般过程和所包含的内掣1 9 1 。 图2 1 熟力学设计子系统业务流程 f i g 2 1 p r o c e s so f t h e r m o d y n a m i c sd e s i g ns u b s y s t e m 卧式冷凝器c a d 系统设计及性能分析研究 ( 1 ) 设计指标 换热器的设计指标包括工作流体的种类及其流量、进出口温度、工作压力和换热器 效率等。航空航天用换热器还应包括允许的压降、尺寸和质量等。 ( 2 ) 总体布置 换热器的总体布置首先要选定换热器的类型和结构、流体流动形式及所用材料，然 后选择传热面积的种类。要考虑运行温度和压力及换热器合理设计中提到的其他要求。 ( 3 ) 热设计 换热器的热设计包括传热计算，流阻计算及确定尺寸。进行熟设计除技术性能指标 外，还需要有传热面的特性( 包括换热特性、流阻特性和结构参数) 以及液体和材料的 热物性参数，可以将优化技术应用到换热器设计中。根据设计目标，对于选定的各种换 热器形式和传热表面，通过不同的角度进行优化分析，提供几种可供选择的方案 ( 4 ) 结构设计 换热器的结构设计包括以下内容： 根据最高工作温度和最大工作压力，以及热设计和阻力计算结果，确定各部分 的材料和尺寸，保证换热器在稳定运行时的性能； 根据工作温度、压力及流体性质，选择焊接方法及密封材料； 以保证流体分配的均匀性为目标，进行封头、联箱、接管及隔板等的设计； 为满足热力和阻力性能的结构设计，对主要零部件须进行强度校核，以避免在 极限工作状态下因强度不够导致破坏或选材过厚而造成浪费； 要考虑维修( 包括清洗、修理及保养等) 和运输的要求。 ( 5 ) 设计方案抉择 换热器热设计和结构设计完成后，提供了几个可供选择的方案，然后设计者根据评 价的判据考虑各种具体条件进行最后抉择 抉择的条件多为定性的，如模具制造的条件、钎焊炉尺寸、运输限制、交货日期、 公司政策和竞争强度等都将影响最终的选择。 评价判据指的是可以理化衡量的指标，如重量、外形尺寸、泵送流体的耗费、初始 投资及寿命等。 通过上述各方面的分析研究，最终可向业主提交一个换热器的最佳设计，或提交几 个可供选择的设计。 作者根据换热器的一般设计过程对大连冷冻机股份有限公司生产的换热器进行了 特点分析。 大连理工大学硕士学位论文 2 1 换热设备特点分析 大连冷冻机股份有限公司生产的换热器具有如下特点： ( 1 ) 结构简单： ( 2 ) 同一类型换热器结构大体相同： ( 3 ) 设计计算过程基本固定； ( 4 ) 换热器的组成零部件大部分都是已经标准化的零部件； ( 5 ) 同一系列的零部件具有相同的拓扑关系和几何约束； 旧在设计过程中使用了很多经验参数。 正是因为换热器上述的特点，所以宜采用计算机辅助设计手段实现自动化、参数化、 系列化设计。分别根据各个系列的换热器的设计特点设计一个分系统，通过设计任务的 不同，由程序自动运行相应的模块，用户就可以通过同一系列不同组的设计参数来进行 设计，从而完成相应的换热器设计，达到一劳永逸的效果。另外用户通过合理的修改设 计参数，同时可以方便的完成换热器的改型设计。基于卧式冷凝器c a d 系统设计出来 的产品，并不能保证其性能达到最优，在此基础上本文使用数值模拟方法对卧式冷凝器 的性能做了改进，采用f l u e n t 软件对卧式冷凝器进行流场分析。得到卧式冷凝器内 部温度、速度和压力分布，进而改进卧式冷凝器的结构，使得其性能得到提高。 2 2 企业需求分析 通过长时间在企业详细认真的调研，基本掌握了该企业卧式冷凝器的设计要点及设 计流程，同时也了解到该公司对卧式冷凝器o m 系统的需求情况，对企业在卧式冷凝器 设计中遇到的难题有了一定的了解并提出了解决方案，针对企业希望能够更清晰的了解 卧式冷凝器的工作机理需求，作者对卧式冷凝器进行了数值模拟分析，满足了企业的需 求。 2 2 1卧式冷凝器的设计现状 卧式冷凝器的设计流程如图2 2 所示，主要包括： ( 1 ) 热力学计算与校核，对卧式冷凝器进行初步规划，并生成计算说明书； ( 2 ) 使用压力容器设计软件s w 6 - 9 8 ，对卧式冷凝器的部分零件进行强度校核，并得 出这些零件的基本尺寸，以格式化的w o r d 文档格式输出： ( 3 ) 使用c a d 软件u g sn x 3 0 对卧式冷凝器进行三维建模，得到组成零部件以及 总装配模型； ( 4 ) 使用u g s n x 3 0 的输出二维图的功能来输出各个零件图以及装配图。 - - 9 - 卧式冷凝器c a d 系统设计及性能分析研究 给定设计条件 初步捌划 血管 计算和授校 向s w 6 - 9 8 输入设计条件 读取s w 6 - 9 8 输出的盈度计 节，并手工修改 利爿j u c 软件进行零件造颦 利爿j u g 软件进行部件装配 挽热器装配 卧式冷凝嚣总装田 部件装配圈 零件圈 图2 2 卧式冷凝器设计流程。 f i g 2 2i ) e s i g np r o c e s so f h o r i z o n t a lc o n d e n s e t 2 2 2 企业需求分析 根据企业提供的卧式冷凝器的设计流程可以看到企业在卧式冷凝器的热力学计算， 机械设计过程中存在着许多需要改进的地方，概括如下： ( 1 ) 热力学计算中过多的使用经验参数及修正系数，无法保证卧式冷凝器设计性能 的最优化； ( 2 ) 在换热管排布上使用手工布管方式，效率低，重复劳动量大； ( 3 ) 许多物质的物理性质参数选取不规范； ( 4 ) 计算说明书的手动生成加大了设计人员的工作量； ( 5 ) 对过去成型的卧式冷凝器的改型设计复杂； ( 6 ) 热力学设计过程中自动化程度低，无法快速准确的进行热力学设计； f 7 ) 卧式冷凝器零件图的完成需要大量的时间； ( 8 ) 新型换热器的设计周期过长，实验时间长； 根据以上问题及了解到的该公司对卧式冷凝器c a d 系统的功能需求情况对系统 功能的需求概括如表2 1 所示： 大连理工大学硕士学位论文 表2 1 功能需求表 t a b 2 il i s to f f u n c t i o nr e q u i r e m e n t s 功能范围 功能描述 输入基本设计参数，对卧式冷凝器进行热力学设计与校核 最终计算结果存档 熟力学计算输出规则格式的卧式冷凝器设计计算说明书 计算过程可人工干预如选择参数、公式等 卧式冷凝器的结构和组成可以通过人机交互进行配置 零部件结构可选 确定每个零部件的基本尺寸 机械设计可以利用s w 6 9 8 的计算结果 自动生成卧式冷凝器及其组成零部件的三维模型 三维模型可以进行修改 自动生成基本零件图，添加标题栏、技术要求 自动生成装配图添加标题栏、技术要求、明细表 标题栏、技术要求、明细表、均可以手动输入和编辑 2 3 卧式冷凝器c a d 系统设计及性能分析的总体结构 2 3 1 卧式冷凝器c d 3 系统设计及性能分析的设计流程 根据对企业卧式冷凝器设计流程的分析，作者对卧式冷凝器的设计流程做了改进如 图2 3 所示： 特尘设计蘩什 初步规捌 布昔 计算和柱板 利卅u c 软什进行零什造型 利川u g 软什j 硅行部什犍肥 换热鲞麓配 榄拟沮应场分析 授担琏应抽分圻 校拟雁力抽分析 图2 3 卧式冷凝器c a d 系统设计及性能分析的设计流程 f i 昌2 3d e s i g np r o c e s so f c a ds y s t ma n dc a p a b i l i t ya n a l y s i sf o rh o r i z o n t a lc o n d e n s e r 卧式冷凝器c a d 系统设计及性能分析研究 热力学计算和机械设计两个模块组成了卧式冷凝器c a d 系统，数值模拟模块的功 能是在卧式冷凝器c a d 系统完成卧式冷凝器设计后使用f l u e n t 软件对其进行流场分 析，从而对设计提出改进意见。 卧式冷凝器c a d 系统用例图如图2 4 所示： 系统中的活动者是设计人员，设计人员通过调用u s ec a s e0 、u s ec a s el 等用 例分别实现热力学计算、机械设计模块的功能。 ? | 对 琴鬻= = j f i i j j j 多一一 一三 图2 4 系统用例 f i g 2 4s y s t e mu s ec a s e 2 3 2 功能模块分析 卧式冷凝器c a d 系统为企业提供了一种与u g n x 软件紧密结合的快速的产品设计 技术，在此基础上再加上数值模拟可以使设计更合理。从总体的角度对各个模块进行细 化，构造如图2 5 所示的模块功能模型。 大连理工大学硕士学位论文 图2 5 卧式冷凝器c a d 系统设计及性能分析的功能模型 f i g 2 5 f u n c t i o nm o d e lo f t h ec a d s y s t e mo f h o r i z o n t a lc o n d e n s e ra n dc a p a b i l i t ya n a l y s i s 对各个模块及其功能简单介绍如下： ( 1 ) 热力学计算模块 热力学计算模块主要完成卧式冷凝器设计过程中的热力学设计计算部分。首先输入 基本的工况参数和对卧式冷凝器的基本要求，对卧式冷凝器进行初步规划，通过热力学 计算确定卧式冷凝器的一些基本结构参数( 如：换热管型号、换热管排列方式、圆筒内 径、管程数、换热管数、换热管长度、折流板结构参数、支撑板结构参数等) ，并对初 步规划结果进行热力学计算和校核，经校核满足要求，则完成卧式冷凝器的热力学计算， 将计算过程的中间结果保留到参数库，作为日后检索和比对的条件。最后将计算结果输 出为热力学计算说明书。 热力学计算模块由四个子模块组成：设计条件输入、初步规划、计算结果显示和计 算结果输出。对以上组成部分说明如下： 设计条件输入 该部分的功能是完成卧式冷凝器设计中初始条件的输入，主要是确定卧式冷凝器设 计工程中的项目信息、卧式冷凝器的基本信息以及基本的工况条件参数，以方便对卧式 冷凝器进行初步规划。 初步规划 卧式冷凝器c a d 系统设计及性能分析研究 该部分的功能是根据设计条件输入模块中确定的卧式冷凝器的各种基本信息以及 设计人员的具体要求，通过热力学计算完成对卧式冷凝器的一些基本规划：主要包括换 热管的规划( 如换热管型号、公称直径、长度以及换热管的数量等) ，布管情况的规划( 如 管柬分布形式、分程形式、管间距、防冲板高度以及布管极限圆直径等) 和其他的卧式 冷凝器组成结构的规划( 如管板和支承板厚度等) 。从而完成对卧式冷凝器的设计计算。 计算结果显示 该部分的功能是对初步规划结果进行显示。在这个过程中可以显示出各种热力学 数据，如果热力学计算结果的校核结果是合格，那么即可继续下面的设计，否则要重新 进行初步规划。 计算结果输出 该部分的功能是针对经校核满足要求的热力学计算结果。设计人员可以根据需要选 择简明格式或者详细格式将当前工程中的热力学计算过程和结果输出为w o r d 格式的热 力学计算说明书。 ( 2 ) 机械设计模块 机械设计模块的主要功能是完成卧式冷凝器设计过程中的机械设计。包括对卧式冷 凝器的组成结构以及对其组成零件的属性的设计、对卧式冷凝器的组成零件进行强度校 核、参数化生成卧式冷凝器的组成零件的三维模型、卧式冷凝器及其组成部件的三位模 型的装配以及卧式冷凝器二维图纸的输出该模块由五个子模块组成：结构设计模块、 设计计算模块、零件参数化设计模块、自动装配模块、设计输出模块。 结构设计 结构设计主要是对卧式冷凝器的总体结构进行选型，对卧式冷凝器组成进行配置， 确定卧式冷凝器组成零部件的所采取的具体结构。结构设计模块从存储热力学计算结果 的儿文档读取初步规划数据，根据初步规划结果选择卧式冷凝器的具体组成结构，选 择零部件的具体结构形式，并将结构设计结果存储在格式化的x m l 文档 设计计算 通过s w 6 - 9 8 软件对卧式冷凝器部分受压零件进行强度校核，从而确定这些受压零 件的关键尺寸。本模块通过设计读取s w 6 - 9 8 的强度计算书的接口程序，从s w 6 - 9 8 输 出的w o r d 格式强度计算书中提取强度校核结果以及受压零件的关键尺寸，将提取出的 数据作为推荐值写入“结构设计模块”生成的结构设计x m l 文档。 零件参数化设计 通过上面的功能模块，基本将卧式冷凝器的结构和主要尺寸参数确定了，零件参数 化模块将从x m l 文档和数据库中提取卧式冷凝器的结构、组成、尺寸等数据，从模板库 大连理工大学硕士学位论文 提取卧式冷凝器的三维模板文件，通过u g 的二次开发接口对三维模板进行参数化设计， 得到卧式冷凝器的组成零件的三维模型文件。 自动装配 在所有卧式冷凝器的组成零件参数化建模之后，就要实现将这些零件装配在一起的 功能。自动装配模块通过u g 二次开发程序实现了根据装配规则进行零部件的自动装配。 设计输出 该模块主要将上面设计好的卧式冷凝器三维模型以二维工程图的形式输出，主要输 出零件图、部件图以及总装配图。其中零件图包括标题栏、技术要求：装配图包括标题 栏、明细表、技术要求等。 ( 3 ) 性能分析模块 性能分析模块的主要功能是在完成卧式冷凝器机械设计后对卧式冷凝器的总体性 能进行的微观分析，从而实现对卧式冷凝器性能的提高。其中包括对卧式冷凝器的温度 场、速度场及压力场的数值模拟分析。通过数值模拟的研究可以更加清楚的了解卧式冷 凝器内部的换热机理，为卧式冷凝器的优化设计提供必要的理论依据 温度场的分析 温度场的分析主要是根据卧式冷凝器的设计入口温度、出口温度、冷凝温度及介质 等参数利用f l u e n t 软件对卧式冷凝器的温度场进行模拟，从而得到卧式冷凝器的内 部温度分布场，从中可以清晰的看到卧式冷凝器的换热性能，从而实现对卧式冷凝器的 热力学计算及结构的改进。 速度场的分析 速度场的分析主要是根据卧式冷凝器的设计入口速度、入口温度、出口温度、冷凝 温度及介质等参数利用f l u e n t 软件对卧式冷凝器的速度场进行模拟，从而得到卧式 冷凝器的内部速度分布场，从中可以看到卧式冷凝器的内部的高速区和低速区及流体速 度是否会对卧式冷凝器的换热管或者其他部件形成较大的冲击，分析其高速区和低速区 的分布是否合理，从而实现对卧式冷凝器结构的改进。 压力场的分析 压力场的分析主要是根据卧式冷凝器的设计入口速度、入口压力及介质等参数利用 f l u e n t 软件对卧式冷凝器的压力场进行模拟，从而得到卧式冷凝器的内部压力分布 场，从中可以看到卧式冷凝器的内部流体压力是否会对卧式冷凝器的换热管或者其他部 件构成威胁，弗可