螺旋式换热器
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套片式换热器设计计算和CAD绘图软件的研制点击：2349 日期：[ 2014-04-26 21:53:52 ] |
| 套片式换热器设计计算和CAD绘图软件的研制 寇 蔚1,项 威2,杨 立1 (1海军工程大学船舶与动力学院,湖北武汉430033;2湖北登峰换热器集团,湖北大冶435100) 摘要：结合国内生产企业实际研制了套片式换热器的设计计算和CAD绘图软件。该软件将套片式换热器的性能设计计算、结构和强度计算、生成产品报价和绘制CAD结构图功能结合在一起,实现了一体化的设计流程。提供了一条全新的性能设计计算思路,从设定限制条件预先筛选、优化搜索策略等方面来极大减少计算量,同时保证可以计算出满足各项热力性能指标和离散设计参数的全部方案,对方案挑选、排序后,进行下一步的结构和强度计算;将结构计算和强度计算实现轻度耦合,使得设计结果可以灵活地满足不同的强度标准;将CAD绘图模块需要的参数分为4部分,防止了在CAD绘图模块调整零部件结构参数时,影响其强度性能。 关键词：套片式换热器;设计计算软件; CAD绘图 中图分类号：TK 124 文献标识码：A 文章编号：0438-1157 (2009) 11-2712-06 引 言 翅片管式换热器是改进管式换热面的过程中最早也是最成功的发现之一。由于空冷技术的发展以及在换热器中使用气体介质的趋势日益增加,翅片管式换热器越来越受到人们的重视[1]。 换热器的设计计算(包括性能计算、结构和强度计算)和绘制CAD图的工作量大、烦琐,而且其中大量是重复性劳动,耗费大量人力、物力。开发一款结合工程实际的换热器设计计算和绘图软件,对于提高企业生产效率和设计水平、优化产品工艺十分迫切和重要。国际上比较成熟的换热器设计商业软件主要是英国AspenTech公司的HTFS软件[2],但该软件中零部件的标准与国内的标准存在差异,绘制的CAD图也比较简单。国内方面管壳式换热器的设计软件较多[3-9],但功能较为单一;翅片管式换热器方面,章浩伟等[10]、刘建等[11]曾开发过设计计算软件,但也都只限于换热器的性能计算。结合国内生产企业实际,将翅片管式换热器的性能计算,结构、强度和成本计算以及自动绘制CAD图的功能结合在一起的软件并不多见。套片式换热器是翅片管式换热器结构较为简单,又最为常见的一种,本文着重介绍了基于面向对象(object oriented, OO)思想的套片式换热器设计计算软件的研制。 1·套片式换热器设计计算软件的总体流程和框架 该软件的总体思想是将套片式换热器的性能计算、结构和强度计算、生成产品报价和绘制、CAD结构图功能结合在一起,实现一体化的设计流程。 设计过程中,首先应当满足换热器的热力学性能指标(主要与翅片管的结构、材料等有关),如换热量,流体流量、流速、压降、进出口温度,换热面积裕度,结构尺寸等,这样的方案可能有许多种,然后根据这些方案,设计出满足指定材料、强度标准要求的外部零部件尺寸,并计算成本。这样得到的方案既满足了热力、尺寸和强度性能的指标,又满足了成本限制的要求。经过进一步的零部件参数设计,绘制出CAD结构图。在上述过程中,热力性能计算、结构和强度计算以及CAD参数调整都是一个反复的过程(图1)。 本文的计算需要一系列的数据库加以支持,包括金属材料的热学性能、力学性能、价格,型钢的结构、力学性能,介质的热物性参数,换热元件的详细参数,以及用户使用的性能、结构、强度、成本设计和输出参数等都保存在数据库中。文中除对于方案的挑选和设计参数的调整需要使用者手动进行操作外,其他都是软件自动运行,因此对软件的运行效率影响不大。 2·热力性能计算部分 热力性能计算是整个换热器设计计算的核心,其性能指标是用户最为关心的。在以往的热力性能计算中,多采用的是预估传热系数法[1],较新的文献还普遍采用群智能算法如粒子群算法[12]、遗传算法[13-18]或Taguchi三次设计法[19]等进行换热器结构的优化设计。但预估传热系数往往依靠经验,该方法得到的满足热力性能指标的方案可能较少,甚至得不到最终方案,更谈不上在得到的方案中进行挑选。而群智能算法初始的计算量较大,加上热力计算和结构计算中的迭代,会占用不少时间;另外算法的效果很大程度上取决于某些参数的选取,这对于生产企业的使用者来说,较为复杂、抽象;最后,这些算法的优化大多都只限于对算法本身,而没有从根本上涉及到搜索、筛选策略的优化。本文提供了一条性能设计计算的全新思路,可以计算出满足各项热力性能指标的全部方案,又保证了计算量不会太大。用户可以在得到的方案中根据自己的要求(如成本、质量、结构尺寸、换热面积裕度、压降等各因素)挑选、排序,并进行下一步的结构和强度计算。 换热器翅片管的结构、管程数、翅片和换热管材料等都会影响其热力性能,因此经排列组合形成的方案数太多,计算量太大,但通过施加一些限制条件进行预先筛选以及搜索策略,计算量将会极大减少。另外在详细的性能计算之前还要进行参数补齐计算,即在换热量、壳(管)程流量、壳(管)程流体进出口温度这7个参数中,已知5个[同时要求壳(管)程的已知参数不超过3个],求出其他的2个。 对于生产企业来说,翅片管的型号和其他一些参数(如壳程数、管程数)通常是给定的或限定的若干种。对于给定型号的翅片管,其翅片管的结构(包括翅片的尺寸和间距、换热管的尺寸和排布等)、翅片和换热管材料、翅片管的热力学性能(由生产企业实验确定)也都相应给定了,壳程数也通常为1,这样一来,组合的方案数可以大大减少。 预先筛选的思路如下:①选定若干种翅片管型号;②限定翅片管的尺寸范围(如长度、宽度和深度)和翅片数的步长;③根据选定的翅片管型号和翅片管的尺寸范围,计算出翅片管的翅片数、迎风面管排数和侧板面管排数范围;④选定若干个管程数Np;⑤根据翅片数的步长,指定翅片数Nf;⑥对于指定的翅片数,根据壳程流体流量和选定壳程流速范围,按照式(1)筛选迎风面管排数Nw范围;⑦根据选定管程流速范围,按照式(2)筛选侧板面管排数Nd范围;⑧另外根据是否要求为偶数或管程数的倍数,进一步筛选侧板面管排数范围;⑨若得不到满足筛选条件的方案,则需要重新输入性能设计参数如允许流速的范围、翅片数的设计步长,甚至更换换热元件。 对于指定的换热元件,sf、At、δw和ξ都是常数。本文换热管都是三角形排列。 预先筛选得到的方案按照翅片管型号、管程数、翅片管翅片数、迎风面管排数和侧板面管排数的顺序从高到低进行排列见表1,进入下一步的详细计算。在详细计算中,由式(3)、式(4)可知,壳程压降与迎风面管排数Nw无关,只与侧板面管排数Nd呈正比,而管程压降则与侧板面管排数Nd呈反比(要求管程流体的黏度与温度呈反比),因此若壳程压降超出压降范围下限或管程压降超出压降范围上限,则可立即更换到下一个迎风面管排数的方案,这样可以进一步减少计算量。 表1中,若方案1的壳程压降超出压降范围下限或管程压降超出压降范围上限,则可直接跳到方案4,而方案2、方案3已不需要计算。若管程流体的黏度与温度呈正比,则管程压降超出压降范围下限时,更换到下一个迎风面管排数即可。 本文指定了翅片数的设计步长,主要是为减小计算量,但因此而形成的离散参数系列很有可能不能获得满足热力性能指标的方案,此时可尝试减小翅片数的设计步长(最小为1),当然这有可能会加大计算量。 由此可得到本文的性能设计流程如图2所示,由于经过事先筛选,所以计算出的壳程和管程流速都已在设定范围之内。 3·结构、强度和成本计算 根据热力性能计算得到的芯组尺寸和指定的部分结构参数以及强度计算标准,可以计算端盖、管板、侧板、壳体等外部零件的主要结构参数,并进一步进行成本计算和产品报价。 各零部件以及零部件各部分的尺寸相互关联,形成了错综复杂的关系。因此在计算过程中,参数计算的顺序十分重要。 在确定参数计算的顺序前,应将各零部件层层分解,如端盖又可分为管箱、封头、法兰等部分;管板可分为平盖和法兰等部分;侧板可分为底板、加强筋、拉撑板等部分;而壳体则可分为筒体、封头、封板、法兰等部分。再将各部分的结构参数分为人工输入和计算生成两部分。将需要计算生成的参数间的相互依赖关系确定后,即可确定参数计算的顺序。 以侧板式空冷器计算为例,其管板迎风面、侧板面尺寸需要由端盖尺寸决定,因此需要先计算矩形端盖的尺寸。其中端盖法兰外框边长需要由管箱的厚度和选用的法兰螺栓等确定,法兰螺栓参数是由人工输入,而管箱厚度由计算生成。端盖的封头尺寸和厚度与管箱的厚度无关,只与芯组(换热元件)的尺寸有关。因此参数的基本计算顺序可以确定:封头尺寸和厚度→管箱尺寸和厚度→法兰尺寸和厚度→端盖的尺寸→管板的尺寸和厚度……对于生产企业,换热器的零部件强度往往需要满足各种不同的标准,如船舶、石化、军标等。本文应用面向对象的编程思想,将具体的零部件和零部件的强度计算标准分离。以法兰为例,法兰的强度计算主要是算法兰的厚度,而结构计算指的是其他尺寸如内外框长、宽,螺栓中心线长度等,与强度计算标准无关。强度计算可能会用到法兰的结构尺寸参数,而不同的强度计算标准用到的结构参数也不尽相同,有的强度计算参数还需要迭代计算,如管箱的厚度、法兰厚度等。因此要求两者既有联系,又要分离,形成一个轻度耦合的关系,以满足设计计算结果实现不同的强度标准的要求。 至于成本计算,文献[14, 20-21]采用年成本比较法来评价纵流壳程换热设备投资优劣,董其伍等[21-22]以此为目标函数,用MATLAB优化工具箱进行管壳式换热器的优化设计,获得换热管长度、总换热管数和折流栅间距等参数的最优搭配。年成本比较法假定换热器的年成本由设备投资成本和作业成本组成,前者近似与换热器的传热面积呈正比,而作业成本的计算依据克服换热器内流体阻力所消耗的泵或风机的功率。但以上成本计算方法过于简单抽象,而且是以使用者的角度来定义的。本文从生产企业的立场,要求控制生产成本。生产成本主要由各零部件的质量、材料种类及价格来决定,材料种类千差万别,材料的价格也在实时变动,文献中的计算公式无法体现这一要求。结构、强度计算得到的尺寸参数将会保存在一个数据库中,传递到CAD绘图模块中去。 4·CAD绘图部分 由以上计算得到的结构尺寸参数,只能确定换热器的主要结构形式以及主要零部件的主要尺寸或尺寸范围,如法兰的最小厚度、螺栓孔的最大和最小间距等,但还有许多小型零部件的具体尺寸参数需要人工指定和进一步计算。这时需要CAD绘图部分进一步细化、调整结构参数。 本文将CAD绘图需要的参数分为4部分:①CAD绘图模块可调整的结构设计参数(如壳体接管法兰的通径等);②CAD绘图模块不可调整的结构设计参数(如侧板加强筋的形状等);③CAD绘图模块不可调整的结构输出参数(如端盖法兰的最小厚度等);④CAD绘图模块在指定范围内可调整的结构输出参数(如端盖法兰厚度、螺栓孔间距等)。这样可以防止在CAD绘图模块调整零部件结构参数时,影响其强度性能。 采用AutoCAD二次开发技术[23],利用Auto-CAD的自动化服务功能,在Visual Basic·net2005和AutoCAD2007的环境下,开发了换热设备零部件的CAD绘图系统。在给定基本参数条件下,可自动创建换热设备零部件的三维实体模型。系统方便、省时,界面友好,运行可靠,实现了从数据到图纸的计算机参数化绘图。 5·结 论 本文讨论了翅片式换热器中较为常见、结构也较为简单的套片式换热器的设计计算和CAD绘图软件的研制过程。该软件结合国内生产企业实际,将套片式换热器的性能计算、结构和强度计算、生成产品报价和绘制CAD结构图功能结合在一起,实现了一体化的设计流程。 在性能设计计算模块中,提供了一条全新思路,既保证了可以得到所有满足热力性能指标和离散设计参数的方案,又从设定限制条件预先筛选、优化搜索策略等方面来极大减少计算量;在结构、强度和成本计算模块中,将结构计算和强度计算实现轻度耦合,使得更换强度标准更为灵活;将CAD绘图模块需要的参数分为4部分,防止了在CAD绘图模块调整零部件结构参数时,影响其强度性能。 本文仅提供了套片式换热器设计计算软件的主要流程和主要结构框架,但对于其他类型的换热器的设计计算也具有一定的指导意义。本文中的换热管、翅片、流体、外部零部件等的结构形式都较为简单,对于更为复杂的情形,将进一步研究。另外,将群智能算法如遗传算法、粒子群算法等和其他优化算法与本文提及的筛选思想相结合,将是下一步研究工作的重点。 参考文献：略 |
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