（机械设计及理论专业论文）管壳式换热器cad软件的开发与研究.pdf

摘要 摘要 近年来，工业炉节能要求越来越高，换热器作为工业炉的重要部件，其主要 作用是回收炉子烟气余热，来达到节约燃料、提高炉温、加快助燃空气和气体燃 料的升温的作用。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，因此设计周期应当尽可能短。由于换热器设计本身的特点及产品更新换 代的加快，设计过程工作量大，传统的人工计算和人工制图己不能适应其发展。 计算机辅助设计( c a d ) 不仅大量节省人力、物力，提高效率，而且提高产品的质 量、可靠性。本课题主要为种工业炉用换热器( 插件式管壳式换热器) 丌发 个能够提高其设计效率的设计程序，软件用户是某工业炉设计公司( a 公司) 。 在明确用户需求的基础上，借鉴通用换热器设计手册、工业炉设计手册、钢 制压力容器g b l 5 0 、钢制管壳式换热器g b l 5 1 及某工业炉设计公司( a 公司) 多年 实践所得的经验公式，对换热器的设计流程进行分析，完成工艺设计计算模块的 编制。以m d q 、6 o 版本为基本开发平台，利用m c a da p i 、v c + + 矛b o b j e cl a r x 等丌发 工具，对基于m d t 的a r x 程序的开发步骤和实现方法进行了探索和研究，并以换热 器模型为对象，开发出参数化设计模块。 本文以管壳式换热器c a d 设计程序为对象，对其设计目标、系统功能、系 统设计中的关键技术及主要程序代码设计等进行了阐述和分析， 完成了程序代 码的设计和调试，并实现了在m d t 6 0 环境的成功运行。丌发的a r x 程序主要包 括以下内容：( 1 ) 换热器的工艺设计及校核( 2 ) 换热器组件参数化设计及重量 计算( 3 ) 通用零件参数化设计。 关键词：m c a da p l p b j e c t a r x v c + +换热器参数化 a b s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h ed e m a n df o rs a v e i n ge n e r g yo fi n d u s t r i a ls t o v ei s i n c r e a s i n ge v e r y d a y h e a t t r a n s f e rw h i c hi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t c o m p o n e n t si nt h ei n d u s t r i a l s t o v e i t sf u n c t i o ni st or e u s et h eh e a to f t h ee x h a u s t e da i r ，t h u st h ef u e lc a nb es a v e da n dt e m p e r a t u r eo ft h es t o v e a n da i rc a nb ei n c r e a s e d a 1 t h o u g ht h ed e s i g nm e t h o do fh e a t t r a n s f e r a n dt h es t a n d a r di sa d v a n c i n gd a yb yc l a y ；h o w e v e rt h ed i f f e r e n tw o r k i n g c o n d i t i o i l sm a k ei td i f f i c u l tt o p r o d u c et h eh e a t t r a n s f e r i n l a r g e q u a n t i t y p e o p l eh a v et od e s i g nt h eh e a t t r a n s f e rs e p a r a t e l y ，s ot h e d e s i g nt i m en e e d st ob es h o r t e n e d b e c a u s eo ft h ec h a r a c t e r is t i ca n dt h e q u i c ku p d a t in go ft h eh e a t tf a n s f e f t h et t a d i t i o n a l w a yo i ld e s i g n h e a t t r a n s f e rt h a ti st oc a l c u a t ea n dt od r a wb yp e o p l ec a nn o ta d a p t t ot h ed a t e c a dt e c h n o l o g yc a nn o to n l ys a v em a n p o w e r ，b u ta l s oc a n i m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n dt h eq u a it y t h ep r o j e c tr e l a t e dt ot h i sp a p e r i st od e v e l o pap r o g r a mw h i c hc a nm a k ei te a s i e yt od e s i g nak i n d o f h e a t t r a n s f e r ，a n dt h eo u s t o m e ri so n ed e s i g nc o m p a n yo fi n d u s t r i a ls t e v e ( “a ”c o m p a n y ) o nt h eb a s eo fc u s t o m e rr e q u i r e m e n to ft h ep r o g r a m ir e f e rt od e s i g n m a n u a lo fc o m m o nh e a tt r a n s f e r ，d e s i g nm a n u a lo fi n d u s t r i a ls t o v e ，g b l 5 0 ， g b l 5 1a n dt h ee x p e r i e n c eo f “a ”c o m p a n y ，a n da n a l y s e st h ed e s i g nf l o w o ft h eh e a tt r a n s f e rt oc o m p l e t et h ep r o c e s sc a l c u l a t i n gp r o g r a m 0 nt h e p l a t f o r mo fm d t6 0 ，m a k eu s eo ft h et o o l ss u c ha sm c a da p i v c + + a n d o b j e c t a r xt or e s e a r c ht h ed e v e l o p i n gf l o wa n d t h er e a l i z a t i o no fa r x p r o g r a m o b j e c t i n gt h eh e a t t r a n s f e r ，a n dd e v e l o p e dt h ep a r a m e t e r i z e d d e s i g nm o d u l e t h i sp a p e rt a r g e t e dt h ec a dd e s i g no fh e a t t r a n s f e r ，a n a l y z e dt h e d e s i g ng o a l ，f u n c t i o no fs y s t e ma n dk e yt e c h n o l o g y ，a n df i n i s h e dt h e d e s i g na n dd e b u g g i n go ft h ep r o g r a m t h ep r o g r a mc a nr u ns u c c e s s f u l 】yo n t h ep l a t f o r mo fm d t 6 0 t h em a i nf u n c ti o no ft h ea r xp r o g r a mi sp r o c e s s d e s i g n ，p a r a m e t e r i z e dd e s i g n ，m a s sc a l c u l a t i n g k e y w o r d s ：m c a da p io b j e c t a r x v c + + h e a t t r a n s f e r p a r m e r t r i z e dd e s i g n 独创性声明 y9 6 7 8 8 5 本人声明所呈交的学位论文是本人在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过的研究成果，也不包含 本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 暹! 垒 日期：知f 年6 月肛日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将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、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： 牵墅蛩 导师签名：右呻 日期：知6 年6 月，日 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 换热器是广泛应用于化工、石油化工、动力、医药、冶金、制冷、轻工等行 业的一种通用换热设备。本文研究的是一种工业炉用换热器一插件式管壳式换热 器的c a d 软件的开发。 1 1 1 工业炉简介 在：c 业生产中，利用燃料燃烧产生的热量，或者将电能转化为热量对工件 或物料进行加热的设备称为工业炉。 机械行业应用的工业炉有多种类型。在铸造车间有熔炼会属的平炉、冲天 炉、坩埚炉、感应炉、电阻炉、电弧炉、真空炉等：= f 二锻挑午间有对钢锭或钢坯 进行锻前加热的各种加热炉和消除应力的热处理炉；在热处理车间有改善工件力 学性能的各种退火、正火和回火的加热炉；在焊接车问有压制前的钢板加热炉和 焊后热处理炉；在粉末冶金车间有烧结金属的加热炉i l i 。 工业炉一般由炉衬、炉架、燃烧装置( 或电热元件) 、换热器、炉前管道、 排烟系统、炉用机械等部分组成。 1 1 2 换热器的功能及经济性 换热器作为工业炉重要部件之一，主要作用是回收炉子烟气余热，达到节 约燃料、提高炉温、加快助燃空气和气体燃料的升温。 文献【1j 中指出，在锻造加热炉中，炉温要求1 3 0 0 。c ，当使用发热量为 5 0 0 0 k j n m 3 的发生炉煤气时，只能达到约1 2 0 0 。c 的炉温，而采用烟气余热将助 燃空气预热到4 0 0 。c 时，可达到1 3 2 0 。c 的炉温。另外由丁二回收了热量，可节约燃 料2 0 左右。 对换热器来讲，不同的使用环境和工况对燃烧效率的影响程度也不同。a 公 司( 本软件用户) 通过实测证明在未采用换热器时，加热炉燃料效率只有3 3 。采 用国际先进技术一高风温燃烧技术( h i 曲t e m p e r a t u r ea i rc o m b u s t i o n ) 研究提高 燃烧效率的方法、改进炉体结构、用复合材料改造炉墙并安装换热器，燃料燃烧 效率可高达7 8 ，由此可见换热器在炉体改造中的作用，它对整个国民经济有着 至关重要的意义。 近年来，工业炉节能要求越来越高，改进型式、优化结构、发展高效换热器 江南大学硕十论文 已势在必行。 1 1 3 插件式管壳式换热器 排烟温度在5 0 0 9 0 0 左右范围的轧、锻加热炉、热处理炉等所用的金属 换热器，目前以管状带插件式和喷流式较普遍，且有进一步增大比例的趋势。其 中带插件式换热器因其具有传热效率高、管壁温度低等优点，在国内外越来越受 到人们的重视。带插件式换热器的空气侧是靠提高空气流速和增加气流紊流度来 强化空气与管内壁间的传热的，插件大大地简化了被预热气体在管内壁的层流边 界层，达到了降低热阻、扩展附加受热面、降低管壁温度和提高综合传热系数的 目的。带插件式管壳式换热器比一般光管式换热器的综合传热系数要高2 5 3 5 ，管壁温度比一般光管式换热器低3 0 5 0 ，大大地延长了换热器的使用寿 命。 1 1 4 开发换热器c a d 软件的必要性 管壳式换热器的设计方法不断成熟，相关标准h 益完善，但是山于运行l 况 各不相同，所以换热器般不能进行批量生产，必须根据用户要求进行针对性设 计，因此设计周期应当尽可能短。由于换热器设计本身的特点及产品更新换代的 加快，设计过程工作量大，传统的人工计算和人工制图已不能适应其发展。计算 机辅助设计( c a d ) 不仅大量节省人力、物力，提高效率，而且可以提高产品的质 量、可靠性，成为一种产品设计发展的必然趋势。c a d 和换热器设计的相结合将 有效地推动换热器的设计工作。 本文在借鉴通用换热器设计手册、工业炉设计手册、钢制压力容g b l 5 0 、 钢制管壳式换热器( ；b 1 5l 及a 公司多年实践所得的经验公式的基础上，对换热器 的设计进行分析，并开发出符合用户要求的应用软件。 1 2 国内外的研究状况 1 2 1 换热器c a d 软件开发情况 ( 1 ) 国外研究情况 换热器c a d 并不陌生，国外已有了相当的发展，如美国的传热研究公司( h e a t t r a n s f e rr 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 d f 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了研究，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【”。但是国外现有的 第一章绪论 软件的设计标准和制图标准与我国不同，直接应用比较困难，另外价格也很昂贵。 ( 2 ) 国内研究情况 2 0 世纪8 0 年代起，国内的工程设计人员已经开始使用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及装配图。目前在换热设备的 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、设备图的绘制方法，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 、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 的研究和开发及郑州大学热能工程研究中心开发的换热设备c a d 系统 ( h e c a d ) 2 】o 上述的换热器c a d 系统都是以a u t o c a d 为平台进行开发的，大多数丌发者利 用o b j e c t a r x 进行了二维工程图的开发，但是二维功能图存在着图形不够直观、 不能利用尺寸驱动技术以及不能直接获得零部件的质量信息等缺点。 郑州大学热能工程研究中心开发的h e c a d 虽然能够自动生成三维实体，但是 由于其采用的支撑软件是a u t o c a d ，a u t o c a d 虽然具有三维功能，但不是真正意 义上的三维软件，不能够实现参数化，只能利用o b j e c t a r x 开发二维实体，模型 及特征全部由程序逐个生成，丌发效率低。 1 2 2 自动化绘图模块开发现状 ( 1 ) 基于a u t o c a d 的绘图模块的丌发 a u t o d e s k 公司是目前世界i 比较成功的c a d 领域的开发商，其丌发的 a u t o c a d 作为c a d 工业的旗帜产品，伴随着近年来整个p c 基础工业的突飞猛进， 正在迅速而深刻地影响着人们从事设计和绘图的基本形式。 到目前为止，a u t o d e s k 公司已经相继推出了三代二次开发工具，主要包括 四种二次开发手段：a u t o l i s p v i s u a ll i s p 、a d s 、v b a 及o b j e c t a r x ，其中 o b j e c t a r x 是全新的面向对象的丌发手段，功能非常强大，是a u t o c a d 二次丌发 的方向。 o b j e c t a r x ( a u t o c a dr u n t i m ee x t e n s i o n ) 提供了以c + + 为基础的面向划象的 开发环境及应用程序接口，能真正快速地访问a u t o c a d 图形数据库。通过在c a d 应用系统开发中的应用表明，o b j e c t a r x 的许多特性能够实现很多原来开发环境 难以实现的功能，提高了开发效率。开发人员可以开发相应的模块来定制和扩充 a u t o c a d 的功能。 o b j e c t a r x 提供了很多a r x 库，它融合了多种工具来方便编程人员发挥 a u t o c a d 开放体系结构的优势，可以在a r x 应用程序中直接进入a u t o c a d 数据库、 图形系统以及原始命令定义的内部。同样，a r x 库被设计成能够与a u t o l i s p 和 江南人学硕士论文 a d s 应用程序协同工作，以便编程人员能够选择最能满足其需要和经验的编程工 具。 目前大多数a r x 应用程序都是以a u t o c a d 为平台，0 b j e c t a r x 为a u t o c a d 主 要的开发工具进行开发的。o b j e c t a r x 虽然有实体对象的开发能力，但是由于 a u t o c a d 平台开发出来的模型不能够参数化，因此开发效率非常低。 ( 2 ) 基于m d t 的绘图模块的开发 1 1 l d t 是a u t o d e s k 公司推出的在w i n d o w s 9 5 9 8 和w i n d o w sn t 环境下的融 合二维绘图和三维造型于一体的全参数化机械设计软件。它包括了以下四个 模块： 1 ) 基于特征的参数化造型模块。 2 ) 曲面造型：基于非均匀有理b 一样条曲线的( n u r b s ) 曲面造型。 3 ) 装配造型：管理和约束可装配零件。 4 ) 工程图管理器：二维视图布局和用于工程图输出的尺寸标注。 由于m d t 价格低廉，功能强，所以特别受广大中小企业的欢迎。 m d t 是基于a u t o c a d 软件的三维参数化设计软件，a u t o c a d 所具有的一 系列开发一【具都可以用来作为m d t 的开发工具。而m d t 还专门为用户提供了 m c a da p l ( a u t o d e s km e c h a n i c a la p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) 工具，这是一 种专门用于创建相关机械应用程序的应用开发工具，它增强和扩展了a u t o c a d 的丌发环境。m c a d a p i 提供了一种高效的直接访问a u t o c a d 三维数据对象， 它极大的增强了对三维实体对象的开发能力。 目前固内基于0 b j e c t a r x 的开发技术已经比较成熟，各种文献也比较丰富。 而m c a d a p i 的开发资料非常少，除了m d t 软件附带的m c a d a p i d e v e l o p e r s g u i d e 之外，目前市场上尚无此类书籍，只有少数期刊论文有此技术的简要介绍， 所以利用o b j e c t a r x 与m c a d a p i 进行换热器c a d 软件的丌发有一定的难度。 1 3 课题研究的目的和意义 工业炉尤其是中大型工业炉基本上是非标设计，其中采用的换热器通常由于 温度、流量、压力、烟道尺寸、工业要求等不同而需采用不同的设计，同时由于 工业炉的新建和改造的工期都很紧，要求设计周期短。 本文研究的带插件式管壳式换热器是一种先进的高效余热回收设备。它制造 简单，热工性能好，受到了用户重视并广泛地应用于冶金、化工、机械等行业的 余热回收利用中，但是其设计计算比较复杂，设计过程中各项参数的计算涉及到 很多经验公式，需要查阅很多手册，使得设计周期长，设计任务重。 第一章绪论 针对这种现状有必要开发一个通用的商业化的软件，作为工业炉换热器设计 的辅助手段，可以使繁琐费时、重复次数多的工作得以简化，当原始条件参数做 出适当的调整或变化时，可迅速方便地给出相应热工参数计算结果，使设计方案 的比较选择及优化设计变得更加容易。 1 4 课题研究的内容 本文分析了管壳式换热器的设计流程，开发了工艺设计与校核模块，可计算 传热系数、换热器的传热面积、空气及烟气侧压力损失、管壁温度等工艺参数， 同时给出换热器设计所需的基本结构尺寸。 研究了利用v c + + 、o b j e c t a r x 与n c a da p i 等工具外发a r x 应用程序的关键 技术，丌发了三维模型参数化设计所需的基本函数。 研究了换热器组件参数化设计的关键技术，包括i 维模型的参数化设计、工 程图的自动生成及质量的计算等。 研究了通用零件参数化设计的关键技术，开发了通用零件参数化设计模块 为任意样板模型提供了派生类似模型的途径。 江南大学硕七论文 第二章换热设备概述及设计分析 2 1 换热设备的应用 热量从热流体传递到冷流体的设备称为换热设备，它是化工、炼油、动力、 食品、轻工、原子能、制药、机械及其它工业部门广泛使用的一种通用设备。 换热设备的主要作用是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使 流体的温度达到工艺流程规定的指标，还可以回收余热、废热。 2 2 基本要求 在设计和选型中都应该满足下列基本要求： 1 ) 合理实现所规定的工艺流程 2 ) 安全可靠 3 ) 便于安装、操作和维修 4 ) 经济合理 2 3 分类及其特点 在工业生产中，由于用途、工作条件和物性特性的不同，出现了不同的形式和结 构的换热设备。 按换热设备热传递原理或产热方式可分为直接接触式、蓄热式换热器、间壁 式换热器及中间载热体式换热器。 在以上几类换热器中，问壁式换热器用得最多，下面对该类换热器进行简单 介绍： ( 1 ) 管式换热器： 1 ) 蛇管式换热器 蛇管式换热器一般由金属或非金属管子，弯曲成所需要的形状，如圆盘 形、螺旋性和长蛇形等。它是最早出现的一种换热器，具有结构简单和操作 方便等优点，见图2 1 。 第二章换热设备概述及设计分析 滕1 1 f 幽 廖够 图2 1 蛇管式换热器 2 ) 套管式 它由两种不同大小直径的管子组装成同心管，两头用u 形管连接成排。 一种流体走内管，另一种流体走内外管之问的环隙，见图22 。 一般用于高温、高压、小流量和所有传热面积不大的场合。 m ，。 翟 - ，篡蠹+鹣 。黧豢糍 o r 尊 图2 2 套管换热器 3 ) 管壳式 这类换热器是目前使用最为广泛的换热设备。在圆筒形壳体中放置了 许多管子组成的管束，管子的两头固定在管板上，管子的轴线与壳体的轴线 平行。为了增姐流体在管外空问的流速并支撑管子，改善传热性能，住简体 内间隔安装了多块折流板，用拉杆和定距管将其与管子组装在一起。换热器 的壳体上和两侧的端盖上装有流体的进出口，结构见图2 - 3 。 图2 3 管壳式换热器 江南大学顽士论文 根据管壳式换热器的结构特点，可将其分为固定管板式、浮头式、u 形管式、 等类型。 ( 2 ) 扳式换热器 主要有螺旋板式换热嚣、板式换热器及板翅式换热器。 板式换热器的传热性能比管式换热器优越，由于其结构上的特点，使流体在 较低的速度下就达到了端流状态，从两强化了传热。它采用板材制作，其耐压性 比管式换热器差。 ( 3 ) 其他型式换热器 这肇指的换热器是一些具有特殊结构的换热器，为满足工艺特殊要求而设 计，如回转式换热器、热管换热器、石墨换热器等。 ( 4 ) 工业炉用换热器，其结构有其特殊性，图2 4 为工业炉用管壳式换热器简图。 图2 - 4 工业炉用管壳式换热器 本课题研究的是插件式管壳焕热器。管壳式换热器虽然在传热效率、结构紧 凑性和单位传热面积的金属消耗量等方面不如其他的换热器，但是它具有结构巩 固、可靠、适应性强、易于制造、能承受较高的操作压力和温度等优点。在高温 高压和大型换热器中，管式换热器仍占绝对优势，是目前使用最广泛的类换热 器。插僻大大地简化了被预热气体在管内壁的层流边界层，达到了降低热阻、扩 第二章换热设备概述及设计分析 展附加受热面、降低管壁温度和提高综合传热系数的目的，故本课题以插件式管 壳式换热器为研究对象，开发c a d 系统。 2 4 换热设备设计概述 换热设备设计就是在掌握基本的传热学、流体力学和换热设备结构知识的 基础上，根据用户所给条件来设计或选定一台或数台满足用户要求的换热设备的 过程。个传热效果好、结构紧凑、生产成本低且运行安全可靠的换热设备，要 求在设计时精心考虑各种问题，准确进行传热和强度的计算和校核，同时还要考 虑制造工艺的要求。 2 4 1 明确设计任务 换热设备设计根据不同的任务分为如下两种。 设计计算：这类计算是指传热量或流量和两种换热介质的运行参数( 进、 出口温度和压力等) 已知，要求计算换热面积，进而决定换热设备的结构或选定 某种标准形式的换热设备的计算过程。 校核计算：这类计算是指计算时换热设备的具体结构已经给出，其流量和某 些运行参数也已给出，只是要求核定其另一些运行参数或传热量的计算过程。 以上两种计算所依据的原理在本质上是完全一致的，且在很多设备设计时往 往是先按设计计算程序初选结构，然后再按校核计算程序对初选结构进行核定， 因此这两种计算实际上往往是并用的。 2 4 2 掌握原始数据及设计条件 由于工艺生产的一些限制条件往往对换热设备的型式、材料选用等起决定性 作用，因此进行设讳前必须首先掌握他们。这些限制条件主要包括工作温度、允 许温差、工作压力、允许压降、介质的物理和化学性质、热负荷或介质流量、介 质特性和污垢热阻、可利用的材料、加工条件等。这些材料是选型的依据，同时 也是热力计算的前提。 2 4 3 明确设计内容和一般设计步骤 ( 1 ) 根据设计任务和换热设备的工作特点来选择换热设备的类型，在必要的 情况下可以同时初选几种类型的换热设备进行初步设计，在后续设计中再根据技 术经济等指标进行比较并作出适当的选择。 ( 2 ) 根据原始资料进行换热设备的工艺计算，包括根据要求的换热面积进行 初步的结构设计并计算压降等。在满足压降的前提下，计算结构应满足结构设计 江南大学硕士论文 的传热面积与传热计算所得的需求面积相比有1 5 2 5 的余量。 ( 3 ) 根据部分原始数据及上一步工艺计算的结果进行机械设计，包括零部件 尺寸的确定和强度的校核，温度应力、拉脱应力的计算及热补偿方案的确定等内 容。 在换热设备的设计过程中，还需要考虑以下问题： 1 ) 冷热流体通道的选择 选择总的原则是要有利于加强传热，降低压降，减少动力消耗，同时还要 有利于设备的检修和清洗。 2 ) 流体流向的选择 确定冷热流体流动是采用逆流、并流还是其他各种多壳程多管程的复合流 动方式。 当流量一定时，管程和壳程越多，给热系数越大，对传热过程越有利，但 与此同时，采用多管程或壳程必导致流体阻力损失增大及输送流体动力费用增 加。故在确定设备程数时，需权衡考虑传热和流体输送动力费等方面的得失。 3 ) 换热管规格和排列的选择 换热管直径越小，换热设备单位容积的传热面积越大、结构越紧凑、金属 消耗量越少、传热系数越高。因此，对于洁净流体通过的管子，其管径可取小些， 反之，取大些。 排列方式主要有三角形和正方形等。三角形紧凑，给热系数大，但管外不 易清洗。f 方形比较松散，给热效果差，但是清洗容易。 2 5 管壳式换热器设计过程 25 1 工艺计算 设有流量为q 。l 的热流体，需将其从温度t l 冷却到温度t 2 ，所用的冷却介 质进口温度为t 1 ，出口温度定为t 2 。 则根据上述已知条件可算出换热器的热负荷q 和逆流操作平均推动力 逆。 q = k 爿f m 。觑v a t m 逆( 式2 一1 ) 其中q 和t m 可以由流体流量及温度差等已知量计算出，在这种情况下，要 想求传热面积a ，必须知道参数k 和1 l ，而k 和1 l r 是由传热面积a 和换热设备结 构类型决定的。因此在这种情况下选用和设计换热设备必须通过试差计算，该试 差过程按下列步骤进行。 ( 1 ) 选换热设备的相关尺寸数据( 见图2 5 ) 1 )初选换热设备中流体的流动方式，由冷、热流体的进、出口温度计算 1 0 第二章换热没备概述及没计分析 2 ) 3 ) 或查表得到其温差修正系数1 l r 。其中v 的数值应该大于0 3 ，否则应改 变流体流动方式，然后重新计算温差修正系数u , 。 根据经验或部分参考资料所给数据来估计传热系数缸，然后通过传热 基本方程式2 1 来计算传热面积a f 古。 根据a f 占的值，参照系列标准选择换热管直径、长度及排列。 叫初选；j ；i 体流动方式。 计簋温差修正系数” m ，人 y e s 计算西s 上 计算传热面积a 估 上 选择换热管直径、长度及排列 、 图25 流程图1 ( 2 ) 计算管程压降和给热系数( 见图26 ) 参考一些资料中给出的流速范围选定流速，确定管程数目，根据已有的管程 压降计算公式计算管程压降r 。如果管程允许压降p 允已有限制，则可以直 接选定管程数目，计算p f 。若r p 允，则必须重新调整管程数目再次计 算，直到管程压降不大于允许压降。 接下来计算管内给热系数q 。，如q 。 a p z 、q 。) k 话的要求否则应重新调整k 估的值 重复上述计算过程。 江南人学硕士论文 土p ? ) 土p 兑，d 。) 臣估不能同时成立，则重估k j 返回到流程图1 图2 - 6 流程图2 ( 3 ) 计算壳程压降和给热系数( 见图2 7 ) 参考一些资料中的流速范围选定挡板间距，在根据已知公式计算壳程压降 只，若只 p 允，则需增大挡板j 旬距。 计算壳程给热系数，如果a 太小则减小挡板间距。 1 2 图2 7 流程图3 第二章换热设备概述及设计分析 ( 4 ) 计算给热系数、校核传热面积( 见图28 ) 根据流体性质选择适当的垢层热阻r ，由r 、a ，、n 。计算传热系数k 汁，再由传 热基本方程计算所需传热面积a 计。如果此传热面积a 计小于初选换热设备实际 具有的传热面积a ，则原则上以上计算是有效的。但是考虑到所用传热计算式的 准确程度及其他难以预料的一些因素，则应选择换热设备的传热面积留有1 5 2 5 的裕度，使a a - 1 1 5 1 2 5 。否则需重新估计一下，重复上述计算过 程。 回到流程图i 图28 流程图4 2 5 2 机械设计 、 该部分内容涉及壳体与管箱、膨胀节、导流筒、防冲板、管板的设计，封头、 接管、法兰、垫片等的选择，丌孔补强的判断等内容。 在以上机械设计过程中，各零件均有成熟的理论公式可以借鉴，具体设计可 参考g b l 5 1 1 9 9 9 钢制管壳式换热器、g b l 5 0 1 9 9 8 钢制压力容器等文献。 江南大学硕士论文 2 6 本章小结 本章主要介绍了换热设备的设计要点及管壳式换热器的设计流程，为后续换 热器工艺设计及校核模块的开发提供了一个系统的流程指导。 第三章总体设计及主要开发技术 第三章总体设计及主要开发技术 3 1 插件式管壳式换热器c a d 软件的总体设计 换热器c a d 软件总体框架图如图3 - 1 所示。 图3 1 总体框架幽 本软件主要由以下模块组成： ( 1 ) 换热器的工艺设计及校核 ( 2 ) 换热器组件参数化设计模块 ( 3 ) 零件参数化通用设计模块 、 3 2 主要模块设计及功能分析 ( 1 ) 工艺计算与校核模块 工艺计算与校核模块可根据一些原始的输入数据进行主要热工参数的计算 和校核，并给出主要的结构参数。 模块开发关键工作是设计计算流程、经验公式的确定及公式的程序化。设计 计算流程大体上参考第二章换热设备概述及设计分析，详细计算方法在第五 章设计与校核模块的详细设计中给出；关键经验公式主要由在工业炉设计制 造领域颇具权威的a 公司提供，其他公式参考文献工业炉设计手册中的换热 器设计部分。 江南火学硕士论文 ( 2 ) 换热器参数化设计模块 参数化设计的实现原理主要利用了m d t 软件基于特征的参数化造型功能，而 不是直接用程序来生成模型。这种设计思想突破了二维c a d 应用系统参数化设计 的固有模式，不仅实用而且程序的重用性好。 换热器参数化设计模块主要用于换热器组件的三维参数化设计、工程图的自 动生成及组件质量的自动获取。 1 ) 参数化设计模块的准备工作： 在m d t 6 0 环境用人机交互方式创建三维模型，主要包括换热器所要用到的 所有零部件的三维建模及装配。三维模型建好后手动生成其工程图，建好的模型 作为样本模型保存，在参数化程序模块可以直接调用，并可根据用户输入的条件 派生出新的模型。 2 ) 参数化设计模块主要功能： 由于在m d t 中的三维模型采用了基于特征的全约束建模机制，因此可以巧妙 地利用约束参数控制模型，模型更新所需的基本结构参数从工艺计算与校核模块 的计算结采中继承。由r 乏维模型和工程圈是全相关的。所以在三维模型更新的 同时，工程图也得到了自动更新。重量计算部分用来估算各种换热器的材料消耗。 这样能在产品出产前给设计公司和换热器用户提供一个合理的报价，这点有很大 的实用价值。 ( 3 ) 通用零部件参数化设计模块 通用零部件参数化设计模块作为一个辅助模块，可以实现任意给定零件的参 数化设计。换热器逐渐系列化，有很多标准件，零件参数化通用设计模块可用于 换热器的系列化产品的设计。 3 3 开发工具 、 换热器的模型是在m d t 平台下建立的。 软件开发工作主要利用v c + + 6 0 ，o b j e c t a r x 及n c a da p i 等工具来完成。 从3 2 对a u t o c a d 开发工具的介绍中看出o b j e c t a r x 功能强大，逐渐成为 a u t o c a d 开发工具的主流，而m c a da p i 进一步增强了三维实体参数化设计功能。 故本课题选择r e + + 6 0 为开发平台，利用o b j e c t a r x 和m c a da p i 提供的函 数库，开发适合本课题的程序。 3 4 本章小结 本章主要介绍了插件式管壳式换热器c a d 软件的总体设计思路、模块的主要 功能及丌发工具的选择。 第四章基丁o b j e c t a r x 与m c a da p i 的参数化开发技术 第四章基于o b j e c t a l l x 与m c a da p i 的参数化开发技术 4 1a r 开发基础 o b j e c t a r x 是a u t o d e s k 公司推出的新一代的功能强大n - 次开发工具。在 运用o b j e c t a r x 开发零部件实体造型系统之 前，必须将其安装嵌入v c + + 6 0 集成开发环境中。 4 1 1 系统的软、硬件要求 使用o b j e c t a r xf o ra u t o c a o2 0 0 2 开发工具的软件配置要求为 ( 1 ) m i c r o s o f tg i s u a ic + + 6 0 版本。 ( 2 ) m i c r o s o f tw i n d o w s9 5 或w i n d o w sn t 4 0 以上版本。 使用o b j e c t a r xf o ra u t o c a d2 0 0 2 开发工具的硬件配置要求为 ( 1 ) c p u 至少为i n t e rp e n ti u m9 0m t t z 或殳高。 ( 2 ) 内存至少为3 2 m 。 ( 3 ) 8 0 0 6 0 0s v g a 显示适配器或更高。 使用o b j e c t a r x 的用户可以完成各种开发工作，例如： ( 1 ) 直接访问a u t o c a d 的图形数据库。 ( 2 ) 和a u t o c a d 编辑器进行交互。 ( 3 ) 使用m f c 创建标准的w i n d o w s 用户界嘶。 ( 4 ) 支持a u t o c a d 的多文档接口( m d i ) ( 5 ) 在应用程序中自定义类。 ( 6 ) 与v 。i s u a ll i s p 、a c t i v e x 、c o n 等编程接口通信。 4 1 2o b j e c t a r xs d k ( 软件开发工具包) o b j e c t a r xs d k 是a u t o d e s k 公司提供的开发工具包，可以到其官方网站下 载，或者将a u t o c a d 或m d t 安装盘中拷贝。将s d k 文件夹拷贝到a u t o c a d 安装目 录并安装，安装完毕后，将r e d i s t r i b 目录下的a c b r l 5 d l l 、a c g e x l 5 d l l 以及 其他应用程序可能用到的d l l 放置到a c a d e x e 所在的a u t o c a d 主目录下。 4 1 3o b j e c t a r x 目录结构 o b j e c t a r x 开发工具包括如下几个目录： ( 1 ) a r x l a b s ：该目录中包含有8 个子目录，分别从9 个层次对o b j e c t a r x 程序开发进行说明和示范。 1 7 江南大学硕士论文 ( 2 ) c l a s s m a p ：该目录中只有一个名为“c l a s s m a p d w g ”的图形文件，其内 容是说明o b j e c t a r x 类的层次结构。 ( 3 ) d o c s ：陔目录中包含有o b j e c t a r x 的联机帮助文件。 ( 4 ) d o c s a m p s ：该目录中包含有3 2 个子目录，分别保存着o b j e c t a r x d e v e l o p e r sg u i d e 中所用到的例程。 ( 5 ) i n c ：该目录中包含有o b j e c t a r x 的头文件。 ( 6 ) l i b ：该目录中包含有o b j e c t a r x 的库文件。 ( 7 ) r e d i s t r i b ：该目录中包含有o b j e c t a r x 应用程序可能用到的d l l 文件。 ( 8 ) s a m p l e s ：该目录中包含有2 2 个子目录，分别保存着一个完整的、具有 代表性的o b j e c t a r x 例程。 ( 9 ) u t i l s ：该目录下包含有o b j e c t a r x 扩展应用程序使用的文件。 4 1 3a r x 程序的运行机制 a r x 应用程序是一个动态链接库，它分享a u t o c a d 的地址空问并可以直接 被a u t o c a i ) 调用。 a l l 2 、o c a d 通过a r x 程序中的a c i + x e n t r y p o i n t ( ) 函数调入o b j e c t a r x 模块，它 代替了c + + 程序中的m a i n 0 丌始函数。a c r x e n t r y p o i n t 0 就是a r x 程序的入口 点，其声明如下： e x t e r n c a c r x ：a p p r e t c o d ea c r x e n t r y p o i n t ( a c r x ：a p p m s g c o d em s g ， v o i dp k t ) ，第1 个参数为a c r x 类的数据成员，称为m s g ，它代表从o b j e c l a r x 内 核向应用程序传递的消息：第2 个参数p k t 是一个指向传递到不同函数( 如加锁和 解锁函数) 的数据的句柄。 可以看出a c r x e n t r y p o i n t0 函数不仅是a r x 应用程序与a u t o c a d 之问通讯 的入口函数，而且也是a r x 应用程序传递消息和向a u t o c a d 返回状态码的途径。 当a r x 应用程序( 动态连接库dl i ) 被加载时，该函数接收到 a c r x ：k i n i t a p p m s g 消息( m s g ) ，p k t 指向初始化函数v o i d i n i t a p p 0 ：a u t o c a d 就 会调用函数v o i di n i t a p p 0 ： 当a r x 应用程序被卸载时，该函数接收到a c r x ：k u n l o a d a p p ms g 消息 ( m s g ) ，a u t o c a d 就会调用函数v o i du n l o a d a p p 0 。 v o i di n i t a p p 0 是一个注册函数，该函数借助于o b j e c t a r x 库中定义的 a c e d r e g c m d s 类成员函数a d d c o m