换热器参数化设计方法研究论文Word文件下载.docx

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一、设计题目

换热器参数化设计方法研究

二、设计任务要求及主要原始资料

设计任务要求：

通过MicrosoftExcel、VisualBasic.6.0软件结合Solidworks软件实现参数化

主要原始资料：

[1]秦叔经、叶文邦.化工设备设计全书.换热器[M].北京：

化学工业出版社.2003

[11]邓颂九.提高管壳式换热器传热性能的途径[J].化学工程.1992，20

（2）:

30～36

[2]江楠易、宏甄亮、岑汉钊.管壳式换热器壳程强化传热研究进展[J].化肥工业.1998，25（6）:

27～32

[3]张奕、郭恩震.传热学[M].南京:

东南大学出版社.2004,2

[4]电子版.工业炉设计手册

[5]张景松.流体力学:

流体力学与流体机械.徐州:

中国矿业大学出版社.2001,6

三、设计时间：

2007年4月9日至2007年6月8日

（签名）

教学院长：

目录

摘要………………………………………………………………………………………………………………………………1

Abstract………………………………………………………………………………………………………2

1前言……………………………………………………………………………………………………………………3

1.1问题的提出与研究意义……………………………………………………………………………………………3

1.2研发背景………………………………………………………………………………………………………………3

1.3本课题的研究内容……………………………………………………………………………………………………4

2换热器概述…………………………………………………………………………………………………………5

2.1按工作原理的分类……………………………………………………………………………………………………5

2.2间壁式换热器的主要形式…………………………………………………………………………………………6

2.3间壁式换热器中的流动形式………………………………………………………………………………………9

2.4小结……………………………………………………………………………………………………………………10

3空气预热器………………………………………………………………………………………………………11

3.1空气预热器用途及选用……………………………………………………………………………………………11

3.2间壁式空气预热器的设计计算…………………………………………………………………………………16

3.3小结…………………………………………………………………………………………………………………23

4空气预热器的参数化设计…………………………………………………………………………………25

4.1管状空气预热器的设计概述……………………………………………………………………………………25

4.2管状空气预热器设计计算举例………………………………………………………………………………26

4.3利用MicrosoftExcel软件制作表格形式的参数化……………………………………………………33

4.4利用VB编程的参数化设计……………………………………………………………………………………33

4.5利用SolidWorks软件的参数化设计………………………………………………………………………34

4.6小结………………………………………………………………………………………………………………………38

结论……………………………………………………………………………………………………………………………39

后记……………………………………………………………………………………………………………………………40

附录……………………………………………………………………………………………………………………………41

附录1计算机程序清单…………………………………………………………………………………………………41

附录2相关表格和图……………………………………………………………………………………………………47

参考文献………………………………………………………………………………………………………………………55

[关键词]:

换热装置工程设计参数化

[摘要]:

随着换热装置日新月异的设计要求的提出，传统的、单一结构类型的换热器设计辅助手段已显得力不从心了。

在换热器设计中，管板的设计占有很重要的分量。

以往用手工绘制管板图时，管子排列的绘制费时、费力，不易保证精度，而一旦改变管子排列方案，管板图又得重新绘，同样，现在利用计算机进行绘图，同样会给我们带来不少麻烦，因而，本课题根据换热器设计的基本原理和设计方法，首先采用MicrosoftExcel软件对换热器的设计进行计算；

其次根据MicrosoftExcel软件所进行的换热器计算过程，利用VisualBasic6.0软件进行程序设计，利用该软件运行时的直观性，便于对其最终结果进行优化，使最终得到的换热器性能更好、更加经济；

最后，尝试利用Solidworks软件基于其参数化三维建模的理念，争取能够实现三维建模的参数化。

这样，就可以给我们减少设计工作量、复杂性和繁琐性，极大缓解了设计工作的难度，可以更加方便的得到最优换热器，争取向三维参数化方向发展。

Themethodresearchof

heatexchangerparameterizeddesign

[Keywords]:

heatexchangerengineeringdesignparameterized

[Abstract]:

Asthedesignrequirementofheatexchangerschangesrapidly,thetraditionalmeansofaidofmonotonousstructuraltypeisnotadequate.Intheheatinterchangerdesign,thetubeplatedesignholdstheveryimportantcomponent.Whenformerlyusedthemanualplantubeplatechart,thepipearrangedtheplantime-consuming,tookthetrouble,wasnoteasytoguaranteetheprecision,butoncethechangepipearrangementplan,thetubeplatechartredrew,similarly,nowcarriesonthecartographyusingthecomputer,similarlycouldbringmanytroublestous.Thus,thistopicdesignsaccordingtotheheatinterchangerthebasicprincipleandthedesignmethod,firstuseMicrosoftExcelsoftwaretocarryonthecomputationtotheheatinterchangerdesign.NextactsaccordingtotheheatinterchangercomputationprocesswhichMicrosoftExcelsoftwarecarrieson,softwarecarriesontheprogrammingusingVisualBasic6.0,usesthissoftwaretomovetimedirect-viewing,isadvantageousforcarriesontheoptimizationtoitsfinaloutcome,causestheheatinterchangerperformancewhichfinallyobtainstobemoreeconomicalwell;

Finally,theattemptusesSolidworkssoftwarebasedonitsparameterthreedimensionalmodelingidea,strivesforcanrealizethethreedimensionalmodelingparameter.Thus,maygiveustoreducethedesignworkload,thecomplexityandtedious,enormouslyalleviatedthedesignworkdifficulty,maymoreconvenientobtainthemostsuperiorheatinterchanger,strivesfordevelopstothethreedimensionalparameterdirection.

1前言

1.1问题的提出与研究意义

换热器是化工、石油、制药及能源等行业中应用相当广泛的单元设备之一。

据统计，在现代化学工业中所用换热器的投资大约占设备总投资的30%，在炼油厂中换热器占全部工艺设备的40%左右，海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成的。

能源是当前人类面临的重要问题之一，能源开发及转换利用已成为各国的重要课题，而换热器是能源利用过程中必不可少的设备，几乎一切工业领域都要使用，化工、冶金、动力、交通、航空与航天等部门应用尤为广泛。

近几年由于新技术发展和新能源开发利用，各种类型的换热器越来越受到工业界的重视，而换热器又是节能措施中较为关键的设备，因此，无论是从工业的发展，还是从能源的有效利用。

换热器的合理设计、制造、选型和运行都具有非常重要的意义。

上个世纪70年代初发生的世界性能源危机，有力地促进了传热技术的发展。

为了节能降耗，提高工业生产的经济效益，要求开发适用不同工业过程要求的高效能换热设备。

管壳式换热器是工业换热设备中的基本结构形式，换热器设计的好坏直接影响到它的长期安全稳定的操作。

以往用手工绘制管板图时，管子排列的绘制费时、费力，不易保证精度，而一旦改变管子排列方案，管板图又得重新绘，同样，现在利用计算机进行绘图，同样会给我们带来不少麻烦，因而，本课题根据换热器设计的基本原理和设计方法，首先采用MicrosoftExcel软件对换热器的设计进行计算；

1.2研发背景

换热器是制冷装置、热能设备等的重要组成部分，其性能的好坏，直接影响整个系统的性能。

近年来，随着产品更新换代的加快，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，传统的人工计算和人工制图已不能适应其发展。

基于三维绘图软件的换热器计算机辅助设计（AutoCAD、SolidWorks等）不仅节省大量人力、物力，提高设计过程的效率，而且完全改变以往单纯的手工计算和二维绘图设计，使换热器的设计过程提高到了完全计算机计算和绘图，并完成换热器零部件和装配图的三维设计，增强了设计过程中零部件和换热器最终装配的可视化，方便了换热器需求方和设计方在设计过程中的交流和产品优化。

通过MicrosoftExcel软件和所写的VB6.0程序以及Solidworks软件的结合将有效地推动换热器的设计工作。

诚然，换热器CAD并不陌生。

国外已有了相当的发展，如美国的传热研究公司（HeatTransferResearchInc.），英国的传热及流体流动服务公司（HeatTransferandFluidFlowService），以及前苏联都对计算机在换热器中的应用展开研究，并取得了不同程度的成果。

美国的Whessoe公司开发HECAT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。

但国内这方面工作开展的还较少。

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程序，针对性强，通用性差；

另一方面，诸多CAD软件教材也只是软件本身功能的使用，真正与实践应用相结合的二次开发还较少；

而且，换热器的计算机辅助设计缺乏系统性，阻碍了其发展。

本课题目标是实现“空气预热器三维Solidworks应用示范”项目的基础研究，其中以间壁式列管式空气预热器为例，间壁式换热器在工程上很多情况下是需要使用的，因而该预热器具有一定的典型性。

该种类型的换热器，重点在于其管子的设计及相关结构布置上。

为此，通过探索类似装置换热器的设计实践，将解决“空气预热器三维Solidworks应用示范”项目的参数化造型等问题。

1.3本课题的研究内容

本课题目标是实现空气预热器的Solidworks三维参数化，首先采用MicrosoftExcel软件对空气预热器的设计进行计算；

其次根据MicrosoftExcel软件所进行的空气预热器计算过程，利用VisualBasic6.0软件进行程序设计，利用该软件运行时的直观性，便于对其最终结果进行优化，使最终得到的空气预热器性能更好、更加经济；

2换热器概述

使热量从高温流体传递给低温流体，以满足规定的热工艺要求的设备称为换热器，又称为热交换器。

在换热器的实际使用中，由于应用场合、工艺要求和换热器设计方案的不同，出现了型式多样的换热器。

对于这些实际使用中类型众多的换热器，可以按换热器的工作原理、结构及换热器内流体的流程进行分类。

2.1按工作原理的分类

2.1.1混合式换热器

在这种换热器中，高温流体通过和低温流体的混合而将热量传递给低温流体，因此这种类型的换热器又称为直接接触换热器。

比如在热力发电厂中使用的热力除氧器，就是用高温蒸汽直接加热冷水，使水中溶解的氧逸出，而在电厂和制冷装置中广泛使用的冷却塔是用空气直接冷却热水的一种混合式换热器。

混合式换热器中发生的热量传递并不属于传热过程。

2.1.2回热式换热器

在这种换热器中，高温流体和低温流体周期性地交替流过骨体壁面而实现热量从高温流体向低温流体的传递。

在这种换热器中，固体表面是通过在低温状态时先蓄积高温流体的热量，然后再将蓄积的热量在高温状态时传给低温流体，因此这种换热器又称为蓄热式换热器。

即使在换热器的稳定工作过程中，这种换热器中的热量传递过程也是非稳态的。

比如在空气分离装置、炼铁高炉及炼钢平炉中，常用这种换热器来预冷或预热空气。

这种换热器中发生的热量传递过程不属于传热过程。

2.1.3间壁式换热器

工程上在很多情况下只要求高温流体将热量传递给低温流体，而不允许两种流体相互混合，间壁式换热器是能严格满足这一要求的换热器。

所谓间壁式换热器就是指用固体壁面将高温流体和低温流体分隔开，并实现热量通过固体壁面从高温流体向低温流体传递的过程。

比如热力发电厂中的各给水加热器，冷凝器，冷油器，空气冷却器，空气预热器，各水样、汽样抽取口的换热器，省煤器，水冷壁等，都属于间壁式换热器，在暖通空调中也大量使用间壁式换热器，如集中供热系统换热站的一次、二次水换热器，各种制冷机组的蒸发器、冷凝器等都是间壁式换热器。

在间壁式换热器中，热量传递属于传热过程。

由于间壁式换热器在工程使用中占据了绝对主要的地位，因此其热量传递方式属于传热过程。

2.2间壁式换热器的主要形式

间壁式换热器按照其不同的结构形式，又可分为套管式换热器、壳管式换热器、肋片管式换热器、板式换热器、板翘式换热器、螺旋板式换热器等。

2.2.1套管式换热器

如图2.1[1]所示，这种换热器由直径不同的同心圆管组成，一种流体在内管中流动，另一种流体在两管形成的环形通道中流动。

这是一种结构最简单的换热器。

按照两种流体相对流动方向的不同，这种换热器还可作进一步分类。

如图2.1（a），两种流体流动方向一致，称为顺流，换热器称为顺流式套管换热器。

图2.1（b）、（c）两种流体流动方向相反，称为逆流，换热器称为逆流式套管换热器。

套管式换热器由于传热面积不宜做得太大，因而只能应用于一些特殊场合，如所要求的传热量不大、流体流量较小或流体压力很高。

2.2.2壳管式换热器

壳管式换热器主要由管束和外壳两部分组成，其主要结构和部件名称及两种流体的流动情况见图2.2[1]。

这种换热器又可称为管壳式换热器或列管式换热器。

壳管式换热器由于能处理的流体流量很大，传热量多，结构简单，运行可靠，因此在实际工程中得到大量应用。

比如热力发电厂的冷凝器、冷油器、给水加热器、空气预热器、省煤器等都属于壳管式加热器。

另外，这种换热器还在暖通空调、化工、石化等部门被广泛使用。

在管束的管子内流动的流体称为管侧流体，即图2.2中的冷流体。

管侧流体从换热器的一端流到另一端称为一个管程。

由于图2.2所示壳管式换热器左侧封头隔板的作用，因此管侧流体为两个管程的流动。

在管子外侧与外壳内表面所形成的空间内流动的流体称为壳侧流体，即图2.2中的热流体。

同样，壳侧流体从换热器的一端流动到另一端称为一个壳程。

图2.2所示换热器中的壳侧流体为一个壳程的流动，因此这种壳管式换热器又称为1-2型壳管式换热器。

1表示壳侧流体为一个壳程的流动，2表示管侧流体为两个管程的流动。

类似地，图2.3[1]中的换热器就称为2-4型壳管式换热器，这种换热器可看作由两个1-2型壳管式换热器串联而成。

在同样的壳侧流体流速下，壳侧流体横向冲刷管束外部的传热效果要比简单的顺着管束纵向冲刷好得多，因此，在换热器内加装一定数量的折流板改变壳侧流体的流向，增强传热效果。

折流板同时还可增强换热强度，减少管束的振动。

加装折流板不利的一面是增加了壳侧流体的流动的阻力。

图2.4[1]所示1-2型壳管式换热器与图2.2所示的换热器不同之处在于该换热器少了一个右端的管板。

这种换热器又可称为U形管式换热器，因为管束中的每一根管都是U形管，其开口分别位于左侧隔板的上下两侧，从而形成两个管程的流动。

这种换热器的优点是U形管一端受热后可自由膨胀，因此管子和管板接口处的热应力很小，不容易产生泄漏。

2.2.3肋片管式换热器

这是一种常用的强化传热型换热器，又称为翘片管式换热器，如图2.5[1]所示。

在这种换热器中，一般管内流体的表面传热系数较高，管外流体多为空气，表面传热系数较小，热阻较大。

为了强化传热，在这一侧加肋片可以使传热系数成倍提高。

肋片管式换热器须特别注意的问题时应保证管外壁与肋基良好、紧密接触，保证不存在接触热阻，否则肋片强化传热的作用会急剧下降。

2.2.4板式换热器

如图2.6[1]所示，板式换热器由许多几何结构相同的平行薄板相互叠压而成。

两相邻薄板用密封垫片隔开，形成两种流体间隔流动的通道，为强化传热并增加薄板的刚度，常在薄板上压制出各种花纹，如图2.6板式换热器中的薄板称为人字形波纹板。

板式换热器由于板间流体的流动紊流度很大，因而总传热系数很大，比如水-水单相传热可达6000W/（m2·

K）以上。

而且由于板间距离很小，其单位体积的传热面积（称为紧凑度）很大，可达5000m2/m3，因而这种换热器属于高效换热器。

这种换热器很容易进行拆卸清洗，因而可用于容易沉积污垢的流体的场合。

这种换热器的缺点是密封垫片容易老化，薄板容易穿孔，这些都会引起两种流体的混合，使换热器不能正常工作。

2.2.5板翅式换热器

如图2.7[1]所示，这种换热器由许多薄平板和板间的二次表面（翅片）组成。

翅片既起到强化传热效果，又能固定板间距并增加平板强度。

这种换热器的总传热系数也很高，比如用于气-气传热时，以平板面积为传热面积的传热系数就高达350W/（m2·

K），它的紧凑度也很高，可达4000～5000m2/m3，因而这种换热器也属于高效换热器。

2.2.6螺旋板式换热器

如图2.8[1]所示，螺旋板式换热器由两块卷制成螺旋状的金属板相互套接而成，在螺旋形中心用一块矩形金属板将两个流道隔开。

流体1从换热器中心的半圆接口进入，从螺旋板侧边开口流出；

流体2从螺旋板侧边另一开口流入，从中心半圆接口流出。

螺旋板式换热器的传热效果很好，紧凑度很高，但制造、加工困难，换热器的密封也较难解决。

2.3间壁式换热器中的流动形式

除了在逃管式换热器中介绍的两种流体间的顺流流动和逆流流动方式外，在间壁式换热器中还会出现许多两种流体间的不同流动方式。

比如对于1-2型或U形管式换热器，壳侧流体和管侧流体间既有顺流，又有逆流，甚至还包括流向相互垂直的交叉流；

在板翅式换热器中，两种流体的流向一般采用相互垂直的交叉流动。

所有这些流动都可统称为复杂流。

顺流、逆流及各种形式的复杂流见图2.9[1]。

2.4小结

本章节主要是对换热器的一个概述，讲了3种常见类型换热器的工作原理，因为本课题用的空气预热器（管状空气预热器）是间壁式换热器的一种，所以重点介绍了间壁式换热器的结构、分类，以及流动方式，为后面的工作做铺垫。

3空气预热器

3.1空气预热器用途及选用

利用工业炉排放的烟气余热对助燃空气进行加热的装置称为空气预热器。

由炉内排放的烟气温度多达600℃～1200℃，约占供炉内热量的30%～60%，回收这部分热量用以预热空气，可提高燃料的理论燃烧温度，保正必须的炉温以加快升温速度并能显著节约燃料。

3.1.1空气预热器的用途

空气预热器属于气—气热交换装置，其主要用途分述如下：

1、提高燃料的理论燃烧温度

空气或煤气预热后可以提高燃料的理论燃烧温度，温度的提高程度与燃料种类及气体的预热温度有关，一般空气预热温度每提高100℃可提高理论燃烧温度50℃左右。

准确数据可通过燃烧计算或查图3-1[2]及表3-1[2]求得。

1—焦炉煤气Qd=16750kJ/Nm3

2—混合煤气Qd=8370kJ/Nm3

3—发生炉煤气Qd=5440