管壳式换热器计算机辅助设计系统的设计.docx

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管壳式换热器计算机辅助设计系统的设计

摘要

管壳式换热器是换热器的一种重要类型，是化学工业、石油工业及其它一些行业中广泛使用的重要化工设备，其研究和开发倍受重视。

换热器设计和CAD技术的结合，将极大地提高设计质量和设计效率，缩短新产品的开发周期。

本文首先分析了换热器产品的特点及管壳式换热器的技术发展状况，然后介绍了本系统开发中的关键技术：

以VB6.0为平台的软件开发技术；用户界面；数据库技术；VB开发AutoCAD技术。

在此基础上，构建了管壳式换热器计算机辅助设计系统的总体结构，该系统由工艺设计子系统和三维绘图子系统构成。

在工艺设计子系统中分为热力计算、结构计算和压力校核三个模块；在三维绘图子系统中，分为零部件绘制和装配图绘制模块。

本系统集管壳式换热器的设计计算和三维装配图自动生成功能于一身，可以大大减少设计人员的工作量，提高管壳式换热器的设计效率。

关键词：

换热器；管壳式换热器；计算机辅助设计；VB；CAD；总体结构

Abstract

Shell-pipeheatexchangersarethewidelyusedtypeoftheheatexchangers.Broadlyusedinchemistry,petrochemistryandotherindustriesasimportantequipments,theyhavereceivedgreatattentionontheirresearchanddevelopment.ThecombinationofCADandheatexchangerdesignwillincreasethequalityandefficiencyofdesignandshortenthedevelopingcycleofnewmanufactures.Atthebeginningofthispaper,thecharacteristicsoftheheatexchangersandthecurrentsituationoftechnologydevelopmentofShell-pipeheatexchangerareanalyzed.Andthenitintroducesthekeytechnologiesusedinthissystemdevelopment:

softwaredevelopmenttechnology;userinterface;databasetechnology;developedAutoCADusedVB.Basedonthat,thetotalstructureofCADsystemforShell-pipeheatexchangerispresentedwhichconsistsoftechnologydesignsub-systemandthree-dimensionaldrawingsub-system.Thetechnologydesignsub-systemcontainsthreemodulessuchasthermalcalculation,structurecalculationandpressurechecking,andthethree-dimensionaldrawingsub-systemconsistsoftwomodulessuchascomponentsdrawingandassemblydrawing.ThissystemhasbigpowerindesigncalculationofShell-pipeheatexchangerandcanautomaticallygeneratethree-dimensionalassemblydrawing.Itcansimplifythedesigner'sworkandincreasetheefficiencyofheatexchangerdesignusingthisHECADsystem.

Keywords:

HeatExchanger;Shell-pipeHeatExchanger;CAD;KeyTechnology;TotalStructure

1.1.4管壳式换热器辅助设计系统开发的现状

1绪论

1.1课题背景

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程的顺利完成。

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CAD技术己成为一种发展的必然趋势。

目前，国内外开发的换热器CAD系统大多数是基于AutoCAD系统，利用AutoLISP、VisualBasic6.0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，CAD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CAD系统，以推动换热器产品的技术改造，普及CAD技术，进一步缩短产品设计和技术改造周期，不断提高企业的投标反应速度和市场竞争能力。

本课题以管壳式换热器为对象开发其计算机辅助设计系统。

它的开发对其它形式换热器CAD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。

1.1.1换热器的概述

在工程中，将某种流体的热量以一定的传热方式传递给他种流体以满足规定的工艺要求的设备，称为热交换器，又叫换热器（HeatExchanger）。

在这种设备内，至少有两种不同的流体参与传热。

一种流体温度较高，放出热量；另一种流体温度较低，吸收热量。

但是有的换热器中也有多于两种温度不同的流体在其中传热的，例如空分装置中的可逆板翅式热交换器。

换热器是在石油、化工、炼油工业、冶金、电力、轻工、食品等行业普遍应用的典型的工艺设备。

在炼油、化工装置中换热器占总设备数量的40%左右，占总投资的30%-45%。

近年来随着节能技术的发展，应用领域不断扩大，利用换热器进行高温和低温热能回收带来了显著的经济效益。

1.1.2换热器的分类

换热器作为传热设备随处可见，在工业应用非常普遍，特别是耗能用量十分大的领域，随着节能技术的飞速发展，换热器的种类开发越来越多。

根据工艺过程或热量回收用途的不同，换热设备可以分为加热器、冷却器、蒸发器、再沸器、余热锅炉等。

按照传热方式的不同，换热设备可分为三类:

·混合式换热器

利用冷、热流体直接接触与混合的作用进行热量的交换。

这类换热器的结构简单、价格便宜。

·蓄热式换热器

在这类换热器中，热量传递是通过格子砖或填料等蓄热体来完成。

这类换热器的结构紧凑、价格便宜、单位体积传热面大。

·间隔式换热器

这是工业中最为广泛应用的一类换热器。

按照传热面的形状与结构，又可分为:

管式换热器、板面式换热器和扩展表面式换热器三种。

换热器的种类繁多，还有按管箱、板状、密封形式、材料分类等，各种换热器各自适用于某一工况。

为此，应根据介质、温度、压力的不同选择不同种类的换热器，扬长避短，使之带来更大的经济效益。

1.1.3管壳式换热器的简介

管壳式换热器（或称列管式换热器）是在一个圆筒形壳体内设置许多平行的管子（称这些平行的管子为管束），让两种流体分别从管内空间（或称管程）和管外空间（或称壳程）流过进行热量的交换，如图1.1所示。

图1.1管壳式换热器结构示意图

在换热面比较大的管壳式换热器中，管子根数很多，从而壳体直径较大，以致它的壳程流通截面很大。

这是如果流体的容积流量比较小，使得流速很低，因而换热系数不高。

为了提高流体的流速，可在管外空间装设与管束平行的纵向隔板或与管束垂直的折流板，使管外流体在壳体内曲折流动多次。

因装置纵向隔板而使流体来回流动的次数，称为程数，所以装了纵向隔板，就使换热器的管外空间成为多程。

而当装设折流板时，则不论流体往复交错流动多少次，其管外空间仍以单程对待。

另一方面，若要提高在管内空间流动的流体的流速，也可在管箱内装一分程隔板，使进入的流体每次只流过一部分管子，而后流过另一部分管子，这样也就把管内空间分成了多程。

管壳式换热器的主要优点是结构简单，造价较低，选材范围广，处理能力大，还能适应高温高压的要求。

虽然它面临着各种新型换热器的挑战，但由于它的高度可靠性和广泛的适应性，至今仍然居于优势地位。

例如在日本，其产量占全部换热器的70%，产值占了60%。

1.2管壳式换热器的技术发展状况

管壳式换热器的品种繁多，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CAD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。

但是，由于CAD软件开发具有其自身专业性强的特点，现有的换热器CAD软件还较落后于计算机应用技术发展的现状，在开发、维护、扩充和升级等方面还存在一系列问题。

因此，研究和开发一套实用的换热器CAD系统具有重要的价值。

1.2.1管壳式换热器辅助设计系统开发的现状

近年来，国外在换热器CAD系统的开发上已有了相当的发展，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Wesson公司开发了HECAT系统，可以进行各种管壳式换热器的设计，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CAD&CG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CAD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CAD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[5]，应用于具体换热器CAD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AutoCAD环境下运用AutoLISP开发工具进行某一类型换换热器零件及装配体的辅助设计和绘图软件的开发；

（2）在AutoCAD环境下进行管壳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；

（3）用于整体装置设计的数据库技术

传统的整体装置设计任务是由各个部门的工作小组分别对其中的某一项进行设计，并通过设计说明书相互联系来完成的，而最近发展起来用于整体装置设计的数据库技术，可以使这种繁重的任务变得简单起来。

通过数据库系统，不同类型的设计应用软件可以有机地形成一个整体，设计者只需通过数据库操作系统向应用软件中输入相关参数，便可得到更多的关于设计任务的数据，并且这些数据可以反馈到数据库中。

随着计算机辅助设计软件包的数据库技术的发展，用于整体装置设计的数据库技术必定会代替手工计算方法。

（4）换热器管板布管CAD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CAD系统的参数化设计之中;

（5）管壳式换热器的优化选型。

1.3本论文的研究意义

管壳式换热器是进行热交换操作的通用工艺设备，广泛应用于化工、石油、石油化工、电力、航空、供热等工业部门，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。

管壳式换热器以其对温度、压力、介质的适应性，耐用性及经济性，在换热设备中始终占有约70%的主导地位。

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。

在传统的换热器设计过程中，采用手工计算和绘图，需查阅大量的图表和反复核算，设计工作量大、周期长、效率低，设计质量不高。

随着计算机和CAD技术发展，采用计算机硬、软件技术对换热器进行自动设计、修改及输出，为提高换热器的设计质量提供了强大的工具。

近年来，随着我国通过ASME认证的厂家越来越多，需要按照TEMA标准设计的换热器CAD系统的呼声也越来越大。

如果直接从国外购买此种软件，价格相当昂贵，一般国内的厂家都很难承受。

面对这种情况，依据TEMA标准，开发基于Windows操作系统的、能覆盖化工设备设计全过程（结构选型、热力计算、强度计算、压力校核、设计说明书、材料报价单、零部件图及装配图的绘制）的换热器CAD系统具有重要的现实意义和应用价

值。

这个图不要放在这里，放在后面辅助系统设计那部分。

见图1.2。

图1.2CAD系统组成

1.4本论文的研究内容

管壳式换热器计算机辅助设计（CAD）系统采用了面向对象的软件设计方法，开发了一套实用的软件系统HECAD。

本系统针对管壳式换热器的结构选型、热力计算、强度计算、压力校核、设计说明书、零部件图及装配图的绘制进行了编程，解决了说明书自动编制、装配图自动生成过程中所遇到的各种技术难题，为管壳式换热器CAD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类库及模块。

本系统以AutoCAD为支撑平台，以VB6.0为开发工具，其主要功能如下:

（1）管壳式换热器的整体结构设计

管壳式换热器的整体结构设计是根据工艺设计的结果进行设计的，也参考了GB151-99标准。

（2）生成设计计算说明书

自动生成设计计算说明书，并自动保存到Excel。

（3）工质物性数据库的建立

数据库是经过组织的一些关于某个特定主题或对象的信息集合。

使用数据库可以简化数据的收集和整理过程。

本系统使用MicrosoftAccess数据库模型建立一个既充分完备，又具有较小的数据冗余度的工程数据库，包括工质在不同温度、不同压力下的比热、焓值、密度、导热系数等数据。

（4）开放、可重用的参数化绘图模块的建立

参数化绘图模块是生成装配图和零部件图的基本模块，输入零部件基本参数就可以绘制相应的零部件图。

参数化绘图模块具有开放性和可重用性。

（5）管壳式换热器装配图自动生成

换热器整体结构设计完成后，HECAD系统可以收集各零部件信息，然后启动AutoCAD2006软件进行装配图的绘制。

（6）实现了简单、友好、易用的用户界面

用户界面对于一个软件系统是非常重要的。

它在最大程度决定了用户对软件的满意程度。

本系统建立了友好的人机对话界面。

2CAD及优化软件系统开发中的关键技术

2.1以VisualBasic6.0为平台的软件开发技术

VisualBasic6.0是专门为Microsoft的32位操作系统设计的，可用来建立32位的应用程序，是目前Windows应用软件开发语言中最简单最灵活的语言，使用VB开发应用程序有其自身的强大优势，首先，VB的基础语言是Basic语言（Beginner’sAll-purposeSymbolicInstructionCode,初学者通用符号指令代码）的鼻祖，目前有大量与Basic有关的书籍和熟知Basic语言的编程人员，这给学习VB带来了极大的方便；第二，目前许多应用程序提供了与VB的接口，VB能够直接控制第三方应用程序，如Word,Excel和AutoCAD等；第三，VB大大简化了用户人机界面的设计，利用VB程序员可以非常简便地设计应用程序的人机界面。

通过事件驱动机制，用户在人机界面上的人和操作都会自动的转到相应的代码进行处理。

程序员可以将精力集中在程序功能设计上，不必像以前那样耗费大量的精力为人机界面编写代码。

VB能够开发涉及各种领域的应用程序，VB“使我们面对客户提出的各种要求泰然处之，轻而易举化解难题”。

在VB6.0中主要包括的文件类型有:

工程文件（*.mak或*.vbp）、窗体文件（*.frm）、模块文件（*.bas）、类模块文件（*.cls）、资源文件（*.res）。

其中工程文件是管理VB中的窗体模块、标准模块、类模块和资源文件等，由工程文件可以编译形成应用程序的可执行文件，一个工程文件所包含的全部文件，可以从工程窗口中观察；窗体文件包含有一个窗体描述和与之相应的程序代码；模块文件包含变量的声明和过程（子程序和函数）的源代码；类模块文件是对类进行说明，包括类的属性和方法；资源文件包含图像、文本和其它数据。

VB应用程序的构成如图2.1所示。

而对于数据库的操作，VB6.0新提供了ADOData控件来访问数据库，本课题在编制程序的过程中使用的是MicrosoftAccess数据库，其详细内容将在数据库技术中介绍。

图2.1VB应用程序

2.2用户界面

在产品设计过程中，工程师用CAD系统，首先把自己的构思通过交互设备输入到计算机中，计算机对输入进行处理后及时反馈给工程师，工程师对反馈的信息进行分析和判断，并对错误的和不合理的部分进行修改、补充，然后把修改、补充的信息输入计算机，计算机对这些输入进行处理，再输出，工程师再分析、判断，直到满意为止。

这个过程中，工程师和计算机不断地交换信息。

这就要求人和计算机之间具有一个高效的人机通讯系统，或称人—机交互系统。

完成这种交互任务的方法称为交互技术，交互技术的应用是CAD软件向实用化方向发展的标志和关键。

一个CAD软件系统应允许用户动态输入参数，适时进行某些控制和修改，即需要一个用户界面。

用户界面应是程序各部分的管理机制，多采用菜单驱动方式和命令驱动方式使设计人员能有效地参与到CAD中。

随着硬件系统的进一步发展，交互技术的应用也日趋广泛。

以交互技术为背景，人—机界面朝着图形化，多窗口的方向发展。

友好的、高质量的用户界面不仅可以缩短用户与计算机之间的距离，提高效率，减少错误，而且为广大用户提供了使用计算机的新起点。

2.2.1用户界面技术

用户界面的完美是本软件系统追求的重要目标，如果用户界面不友好，软件系统即使有再好再强大的功能，也不能得到充分发挥，这样会对整个系统造成不应该有的影响。

用户界面（userinterface）又称人机界面（man-computerinterface），是用户与计算机之间联系的中间媒介，是应用程序中用户能看的见的系统的运行部分。

它的质量涉及到软件系统性能能否充分发挥，用户能否高效工作，也直接影响用户对软件的评价。

如图2.2为本设计中的一个用户界面。

图2.2　热力计算用户界面

2.2.2.1用户界面的基本功能

（1）会话功能包括输入/输出和窗口管理。

输入方式有命令方式、菜单方式、功能键方式、鼠标方式、程序方式和填表方式等。

输出方式有屏幕阅读方式、输出介质（如打印机）阅读方式等。

（2）对错误信息的处理功能当程序运行发生错误时，能及时返回错误的信息，并且告诉用户错误的原因及纠错的方法。

自动纠错方法还有待深入开发与研究，这主要是由于程序算法的不完善性、系统的复杂性等所致。

例如在本程序中，用户在热力计算界面（图2.1）选择流体种类时如果操作不当，将会出现图2.3的错误信息提示框。

（3）操作支持即Help帮助，应能联机随时调用，给用户提供方便的帮助信息。

图2.4为本系统主菜单窗体的帮助菜单。

图2.3提示框图2.4帮助菜单

把窗体名称2006年改掉后再抓图

（4）系统管理包括屏幕规划、动态控制等。

2.2.2.2用户界面开发要点

用户界面应具有可靠性、简单性、易学易用性和立即反馈性。

用户界面开发应该让用户使用起来觉得可靠、方便，为此应做到:

输入操作应尽量简单，易记忆，并提示明白；对不重要的参数设置缺省值；随时给出运行状态提示，防止错误累积；能够容忍用户操作上的失误，并允许用户改正，允许重复操作；检查用户输入，并屏蔽输入错误等。

2.3数据库技术

应用程序中涉及的大量数据要求方便且易于查询。

文件系统虽然提供了处理数据的功能，但有一定的局限性。

数据库系统则提供了处理数据的功能，并以满足复杂查询的方式组织数据。

数据库是以一定的方式存储在计算机外储器中的、相互关联的数据的集合。

数据库具有以下特点：

（1）数据的共享性：

数据库中的数据能为多个用户服务。

（2）数据的独立性：

用户的应用程序与数据的逻辑组织和物理存储方式无关。

（3）数据的完整性：

数据库中的数据在维护操作中始终保证正确性。

（4）数据中冗余度低：

数据库中的冗余数据较少。

管理数据库的软件系统称为数据库管理系统（DataBaseManagementSystem，DBMS）。

目前比较流行的数据库管理系统有Oracle，Informix，SQLServer，MicrosoftAccess等，数据库管理系统位于操作系统与用户之间，用户通过数据库管理系统访问数据库。

数据库管理系统提供了数据库语言，包括数据库描述语言、数据操作语言和数据库管理控制语言，用于对数据库的访问操作。

根据应用程序的需要，本文采用MicrosoftAccess数据库。

MicrosoftAccess是小型数据库管理系统，和Office组件捆绑在一起，具有灵活方便、易于使用的特点。

MicrosoftAccess数据库是VisualBasic默认的内部数据库。

Access启动后的界面如图2.5所示。

图2.5MicrosoftAccess启动界面

Access的数据库窗口中包含六类不同的数据库对象，他们分别是表（Table）、查询（Query）、窗体（Form）、报表（Report）、宏（Macro）和模块（Module）。

所有对数据库的操作都是在数据库窗口中进行的。

Access中采用面向对象的程序设计方法，数据处理功能的完成通过改变对象的属性或执行对象方法实现，程序段通常构成事件过程、对象方法、函数。

Access是一个关系型数据库系统，可在Access的数据库中创建多个表，表与表之间能够建立所谓的参照完整性关系。

在Access中，不需要专门的命令或操作来建立和维护索引文件，索引的建立维护和使用都是通过Access系统完成的。

本文数据库的连接采用ODBC（OpenDataBaseConnectivity）。

2.3.1ODBC与ADO

传统的数据库管理系统中，应用程序