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管壳式换热器的应用拥有悠久历史,它在工业部门中被大量使用,尤其是在石油、能源、电力等行业中被广泛使用。本章首先介绍了课题的研究背景,然后综述了国内外研究进展及其存在的不足,最后简述了本课题的研究内容。
1.1 研究背景
近年来尽管新型换热器发展迅猛,管壳式换热器受到挑战,但由于它具有结构简单、牢固、操作弹性大、适用材料广等优点,在石油、能源、电力等行业的应用中仍然处在主导地位 [1,2]
管壳式换热器有多种类型,按用途分为涉及相变传热的冷凝器、重沸器和无相变传热的换热器[3]。在管壳式换热器设计过程中,要对相关参数进行繁琐复杂的计算,并且需要经过多次试算调整,才能得到符合要求的设计结果。尤其是有相变传热的冷凝器和重沸器,由于出现物态的变化、实际工况的多样性,使其对流换热的过程要比单相流体传热的过程复杂的多。如果设计人员以手工完成这些工作,将会花费许多的精力和时间。科技飞速的发展,计算机以其特有的优点,逐步被用于管壳式换热器的辅助设计中[4,5]
1.2 管壳式换热器计算机辅助设计国内外研究进展
1.2.1国外研究进展
国际上已经开发了许多换热器的计算辅助设计程序,主要有英国传热及流体流动协会开发的Heat Transfer and Fluid ServiceHTFS),美国传质及传热协会开发的Heat Transfer Research IncHTRI),还有美国ASPENTECH公司开发的B-JAC
1HTFS软件
HTFS是英国传热及流体流动协会推出的一系列换热器计算软件,可以进行冷却器、重沸器、加热器等管壳式换热器的设计和计算。如管壳式换热器的优化设计、核算或模拟计算程序TASC3;立式热虹吸重沸器的设计与核算程序TREB4KETTLE式重沸器的性能模拟计算程序MKETL;空冷器的性能模拟实验ACOL4[6]
2HTRI软件
HTRI软件是由美国热传递研究公司推出,可以计算管壳式换热器、板式换热器等多种形式的换热。其中CST-2是适用于有相变(冷凝或沸腾)的管壳式换热器的模拟计算;RKH程序是可以确定釜式重沸器、塔内置式重沸器;FRHEX2C是用于无相变管壳式换热器工艺计算和校核软件等[6]
3ASPEN B-JAC软件
ASPEN B-JACAspen Tech公司开发的用于换热器设计的计算机软件,是ASPEN工程软件包的一部分,这个软件包主要用于换热器的工艺设计、模拟和分析。B-JAC程序是用来设计性能和成本最优的换热器,该程序可以对投资成本进行详细估算,设计计算结果和图形可以直接用于换热器的制造。这些计算程序成为换热器工艺计算的主要方法,取代了手算[6]
3其它软件
2004Yusuf Ali KaraOzbilen Guraras设计了一套适合于固定管板换热器或U形管式换热器的计算机辅助系统,其折流板类型为弓形折流板,其设计思路是先选择标准序列,然后对其管壳程压降、传热系数进行校核,观察是否在其允许范围内[7]
1996Edward S.GaddisVolker GnielinskiBell-Delware法为基础设计了一种新的计算壳侧压降程序。以理想管束为基础,考虑了漏流、旁路流、窗口区域流,优化了Bell-Delware方法,并进行了实验对比,浮动在±35%以内[8]
1995M.REPPICHS.ZAGERMANN提出了换热器设计以经济性为出发点,对管壳式换热器进行了计算机辅助优化设计。用计算机模型来确定弓形折流板的管壳式换热器最佳尺寸,并通过Bell著作中的公式确定了壳侧和管侧的最优压降。6个优化尺寸参数是管数、管长、壳程直径、折流板数量、折流板圆缺率、折流板间距。应用该模型也可以进行成本分析,并可以得出优化计算报表[9]
1.2.2国内研究进展
我国在管壳式换热器计算机辅助设计领域发展相对缓慢,与发达国家比还是有一定差距。但是近年来,广大热工技术人员也做了大量研究工作。
国内对HTFS的软件进行了多次开发工作,尤其是对TASC3(英国传热及流体流动学会1998年推出的两相流管壳式换热器的最新程序)ASPEN之间物性接口的开发,大大提高TASC3的使用效率,对提高工程设计水平起了很大的作用。另外国内一些知名高校和科研院相继也推出了自己的换热器计算软件。
2011年东南大学和江苏大唐国际有限责任公司开发了管壳式换热器设计软件,并用Excel 生成计算报表。该软件主要用于三分螺旋折流板换热器的设计与校核计算。该软件以为性能综合评价指标,对壳侧传热性能进行了优化设计,以达到总费用最低[10]
2010年马福华利用SQL Server 2008Visual Studio 2008对无相变管壳式换热器进行了软件设计,该软件建立了强大的物性数据库,为设计者减轻了查阅手册的繁琐;并且综合考虑了管壳式换热器的类型、管型、折流板类型、换热管排列形式;弓形折流板的折流板间距和圆缺率进行了优化设计,使设计更加准确[11]
2009年太原理工大学和太原生产力促进中心开发了基于枚举法的管壳式换热器自动选型软件,由于该软件具有很强的数据库连接功能,首先验算数据库中所有型号的换热器,然后进行筛选,最后把符合要求的运行参数输出至结果列表,这样有了多种选择[12]
2008年河南省表界面科学重点实验室开发了管壳式换热器的设计软件,集工艺计算、结构、强度设计于一体,界面友好,灵活方便。软件中设置开放性的数据库,人和机器可以交互查取图表、帮助用户进行绘图以及自动生成设计文件[13]
2007年陕西鼓风机集团公司等利用VB6.0开发了管壳式换热器的设计软件,提供管壳式换热器标准型号库,按照工艺要求确定出换热器,通过AutoCAD生成设计换热器外形图及布管图。但其对工艺方面的计算只是依据标准型号库,没有进一步校核,并且设计人员只能根据折流板间距进行调整,使设计结果趋于合理性[14]。大连理工大学的王春力开发了一套卧式冷凝器CAD系统,该系统冷凝器的热力学计算和机械设计。该系统的支撑平台是UGNx3.0,开发工具是VC++6.0,子系统分别为热力学计算和机械设计,热力学计算子系统可以对卧式冷凝器的热力学进行详细计算、布管及生成说明书等;机械设计子系统可以对卧式冷凝器的主要零部件进行设计、自动生成零件图和装配图等机械设计[15]
2006年任雷雷进行了管壳式换热器设计选型软件系统的开发,该系统的标准型号的数据库是通过Access建立的,换热器选取型号则是通过VB编写程序完成的,最终的结果通过EXCEL报表呈现给设计人员,但该系统只针对固定管板换热器标准型号序列[16];宋娥为了满足用户需要,借鉴换热器的经验公式,详细分析换热器设计流程,对换热器工艺计算模块进行编制,并以MDT6.0为基础开发平台,换热器模型为对象,开发出参数化设计模块[17];张燕解决了换热器计算机辅助设计中的人机互补问题并将其更好的与AUTOCAD结合起来,该系统不仅考虑了换热器性能因素的复杂性还涉及到了换热器的各种复杂结构形式,建立了换热器的零部件图形库和总装配图,集换热器的设计计算、结构的设计等多种功能为一体[18]
2004年郑州大学热能工程研究中心自主开发的换热设备HECAD系统,主要是针对新型高效纵向流壳程换热设备。该系统主要涉及到换热设备的研究开发和零部件设计、机械设计、工艺设计的集成化和一体化[19]
2003年赵伟利用VCSQL实现管壳式换热器的工艺设计,但其针对的是固定管板式换热器,折流板类型仅为弓形折流板[20];高瞩对浮头式换热器辅助设计系统进行了研究与开发,包括选型计算、布管定型、零部件图和装配图自动生成三部分[21];延安大学和陕西省化学反应工程省级重点实验室利用VB 6.0语言开发管壳式式换热器设计软件,该软件主要针对工艺计算,其设计思路为先假设K值,考虑管壳程、管壁热阻、污垢热阻等因素,进行换热设备校核,如果不满足要求,重新假设K值,进行计算,直到满意为止[22]
2002年北京化工大学的王刚利用面向对象方法进行釜式再沸器传热设计,归纳了物性计算公式,并编写了釜式再沸器设计界面[23]
1.2.3存在的不足
计算机技术的飞速发展为管壳式换热器设计带来了巨大变化,使设计人员摆脱了繁琐的计算。虽然管壳式换热器计算机辅助设计已取得了显著成果,但是在其中仍然存在一些问题:
1)国外所开发的换热器设计软件价格昂贵;其规模庞大,模块多、操作不便;在语言和行业标准等诸多方面与我国换热器设备国家标准体系存在差异。
2)换热器制造厂家产品不一,要求换热器设计软件只是针对个别特殊形式换热器的计算和绘图。换热器计算机设计软件针对性强、通用性差,最终制约了软件的商业推广,也使得相关研究成果不能运用到实际中去。
3)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。
4)管壳式换热器的计算机辅助设计,缺乏系统可靠的物性数据库,致使设计的可靠性受到影响。因此应加强相应的实验研究,获得量大、范围广的物性数据,并开发和完善软件的物性数据库。
1.3 课题研究内容
综上所述,每种软件都有其优缺点。本课题就是借鉴上述软件的优点,解决其中的不足,在马福华所开发的管壳式换热器设计软件的基础上进行再次开发。软件经过再次开发后,将增加含相变的管壳式换热器(冷凝器和重沸器)的计算机辅助设计。本课题的主要研究内容包括以下几个方面:
(1)国家已经颁布了管壳式换热器的设计标准和几种常用换热器的标准系列,在换热器设计时拟按照标准系列进行设计,可以使设计比较规范。实际工况纷繁多变,即使按照标准系列设计,许多参数也要根据生产实际设计确定,因此,管壳式换热器的设计基本上为非标设计。因此,本课题设置利用标准设计和人工选择设计两种方式来对冷凝器和重沸器进行设计选型和校核。利用标准设计中,直接调用标准序列表已有参数,再计算其他参数;人工选择设计中,笔者参考多种文献总结了冷凝器和重沸器的结构参数计算方法。
(2)根据管子类型、管排型式、壳体型式、管径大小及相变流体流程的不同,分别选用不同的公式。笔者对工艺计算公式进行了详细的归纳与总结,其中包括管内冷凝冷凝器、管外冷凝冷凝器的传热性能和管壳程压降的公式以及卧式热虹吸式重沸器的热通量、传热系数及安装高度的公式。
(3)本课题在原有chemical数据库基础上,根据需要将物性数据表及相关数据表整理出来。主要录入的数据表有临界温度、临界压力、焓差0、焓差1、比焓、公称直径为325-1800mm的普通浮头式冷凝器()、公称直径为500-1600mm的浮头式折流杆冷凝器()。
(4)含相变管壳式换热器计算机辅助设计系统由物性数据、换热器设计和换热器校核三大部分。笔者在原系统中添加了物性计算模块中的汽液平衡计算、冷凝器物性数据计算和重沸器物性数据计算,换热器设计模块中的管外冷凝冷凝器设计、管内冷凝冷凝器设计及重沸器设计,换热器校核模块中的管外冷凝冷凝器校核、管内冷凝冷凝器校核及重沸器校核。笔者对以上界面进行了合理设计,并编写了对应的程序代码。
(5)在软件设计中,还设置了输出报表功能,方便用户查看计算结果及对计算数据进行比较分析。最后,笔者利用换热器系统对换热器的三个工程实例进行了分析比较。
 
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