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折流桿換熱器的計算機輔助概念設計方法點擊：2150 日期：[ 2014-04-26 22:06:29 ] |
| 折流桿換熱器的計算機輔助概念設計方法 郭崇志 馬紫陽 （華南理工大學） 摘要:通過對單程折流桿換熱器的計算機自動布管方法進行研究，建立了布管設計的一些基本概念，并且給出了充分利用殼程結構特點進行自動布管的算法以及進行結構合理性檢查的表達式。利用此結果，可采用計算機高級語言編程技術，建立單程折流桿換熱器自動布管以及工藝、機械設計的軟件，便于進一步的殼程結構概念設計與方案選擇和評價。 關鍵詞:折流桿換熱器 計算機輔助設計 概念設計 結構設計 中圖分類號?。裕眩埃担保怠 ∥墨I標識碼?。痢 ∥恼戮幪枴。埃玻担矗叮埃梗矗ǎ玻埃埃罚埃矗埃保福罚埃? 折流桿換熱器作為一種新型的高效、低阻、防振動和低積垢的管殼式換熱器［１，２］，目前在化工、煉油、食品以及熱能動力等行業的用途日益擴大。因此，研究折流桿換熱器的結構計算原理，采用計算機進行輔助設計越來越顯得重要。 與折流板換熱器不同，在進行折流桿換熱器的工藝計算、達到給定的性能指標要求以及限定管長度或限定殼程直徑的情況下進行布管時，管板上的管子布置、計數與殼程折流圈和折流桿結構尺寸都有很大關系，需要顧及到與折流桿有關的各種因素，如折流桿在折流圈上的分布，折流桿的長度和方向，管子的排列形式（正三角形、轉三角形、正方形）。另外，在工藝計算中，為了達到給定的傳熱任務和壓力降指標，一般要進行迭代計算，而每一次試算都要重新進行殼程的結構設計和布管，手工計算繁瑣費時，也容易產生人為的計算錯誤。筆者從便于進行計算機輔助結構快速概念設計的角度，對影響設計計算效率的折流桿換熱器中計算機自動布管的算法進行了研究，進而研究了利用計算機軟件進行殼程結構整體三維造型問題。根據所提出的算法，可以進行單程或多程管殼式折流桿換熱器計算機殼程結構方案設計，利用與現有的計算機軟件共享數據，可以實現二維布管圖的直接輸出，從而在進行計算機工藝設計計算過程中，可以直觀檢查布管圖和殼程結構設計的中間結果，在適當建立若干標準數據庫的條件下，采用三維實體造型軟件（如Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ，ＡｎｓｙｓＰｒｅｐｏｓｔ，Ｐｒｏ／ｅ，ＵＧ／ＣＡＤ等）輸出整個折流桿換熱器結構方案的三維概念設計模型，用于設計方案評估和結構裝配干涉檢查，減少設計錯誤，從而提高設計效率。 １ 基本計算原理 從折流桿換熱器的殼程結構看，殼程的數個折流圈相互轉動規定的角度固定在縱向支持桿上，一般在正方形或三角形布管的情形，每４個折流圈完成對管子的一次完整的支持，而三角形布管甚至可以采用６個折流圈完成對管子的完整支撐。因此，要進行正確的布管，首先應保證殼程的管子受到支撐，從而應當正確地選擇折流桿的尺寸。又由于管子是支撐在折流桿網上的，因此確定了折流圈、桿的尺寸和分程及內件的布置情況，則管子在管板上的布置情況就完全確定了。 一般在進行折流桿換熱器的工藝計算時，根據給定的工藝參數進行的計算往往需要通過試算來確定殼程的總體結構尺寸參數，如殼程內徑、傳熱面積（管子總數和長度）、折流圈總數和間距、殼程長度等，以達到給定的傳熱性能和流體阻力降要求［３］。每次重新計算一般都要改變總體結構參數和折流圈的參數，從而使管子的布置情況出現變化，如果采用人工計算方式，則勢必花費大量重復布置和計算的時間，同時還可能出現人為的計算錯誤，影響設計的進程和質量。為此，有必要研究采用計算機進行自動布管的算法和確定折流圈、折流桿的結構尺寸的方法。 折流桿結構尺寸的確定依賴于管子的布置，而其中折流桿長度的計算主要是在確定了桿徑及管子尺寸后，確定折流桿和管子在殼程橫截面上的位置，并采用數學方法求解桿和管子的位置坐標，求出在布管限定圓周上，各折流圈上折流桿的位置及折流圈中被支持的管子數目。在編制計算程序時，用數組的方式將計算的折流桿長度和所能容納的管子數目存貯起來（編號），以便在工藝計算中采用。 在折流桿換熱器中，管子的排列有正方形和三角形排列兩種，殼程的分程情況也可以是單程或多程的，而在利用計算機進行管子的布置時，一般是從殼程橫截面的中心向外對稱布置的。在工藝計算中，有時是在限定管子長度的條件下，通過試算改變殼程的內徑進行要求的傳熱與流體力學計算（計算機程序中的殼程內徑通常作為循環變量）；有時是在限定的殼程內徑條件下，通過試算改變管子長度進行設計計算（殼程橫截面上的結構布置只需計算一次，以后的計算通過增減管長度———循環變量，從而增減折流圈數目進行）；但最常見的是同時改變管子的長度和殼程內徑，并通過計算結果判斷殼程是否滿足理想的長徑比范圍來確定設計計算的合理性。 本文主要限于討論實際應用最廣泛的單殼程情況。 ２ 單程折流桿換熱器布管 ２．１ 布管設計方法 進行折流桿換熱器自動布管方法的研究，其目的是在殼程結構限定的某個圓周內，通過采用適合于計算機編程處理的算法，確定各種情況下的折流桿束中心線的方程，通過結構干涉判斷準則，求解不同的類型的方程組，確定各類折流桿的幾何位置參數、各個折流桿的長度以及計數；確定可以布置管子的幾何位置參數，管心坐標以及進行管子計數。然后根據所建立的這些數據，完成傳熱和流體力學計算所需的布管周邊長度和布管限定圓的計算，最后利用計算機繪制殼程截面的結構布置簡圖，輸出以供設計人員檢查結構設計的中間結果或者利用計算機軟件實現干涉的自動檢查，決定是否改變參數進行下一輪疊代計算。因此，得到的結構參數和工藝參數都是完成傳熱和流體力學計算所必須的，對整個折流桿換熱器的性能有決定性的影響。 解決折流桿換熱器的布管問題，首先要進行殼程結構分析，然后考慮用理論方程描述不同類型的折流桿代表的直線束以及折流圈的曲線方程，最后利用殼程結構參數，循環求取布管空間中的管子坐標，并進行干涉檢查和符合設計條件的管子計數，同時建立不同類型的折流桿結構數據和管子結構數據，最終這些數據用于繪制殼程和管程的布置圖。 ２．２ 布管情況的分類 一般而言，正三角形布管可以將管子在殼程截面上的布置看成是正六邊形從圓心向外逐步擴展形成的幾何圖形，正六邊形的頂點就是管子的中心，考慮到六邊形擴展的中心位置，可以將布管設計分成兩種情況，即殼程中心布置有管子和殼程中心沒有管子兩種情況，簡稱為中心布管（圖１）和中心不布管（圖２）。實際上，中心布管意味著布管計算從殼程中心的管子開始，而中心不布管則意味著殼程中心有折流桿通過，而布管從中心折流桿兩邊的管子開始，組成第１個正六邊形。實際布管計算表明，這兩種布管方式產生的管子總數是不同的。 ２．３ 管束縱向的殼程結構類型 從正三角形布管的管間通道的情況，可以得知這種布管方式的折流桿布置有３種類型，即水平布置的折流桿、正向６０°角布置的折流桿、負向６０°角布置的折流桿。從實現管子沿著管長度的完整支撐的角度看，實際上上述３種類型的折流桿中任意兩種或兩種以上的組合，都可以實現管束的完整支撐，都可以作為待選的折流桿換熱器殼程結構概念設計方案，圖３給出了幾種支承方案的三維造型：ａ是由水平和負向６０°兩種折流桿形成的殼程結構；ｂ是由水平、正負６０°３種折流桿形成的殼程交替支撐結構；ｃ是由水平和正向６０°兩種折流桿形成的殼程交替支撐結構；ｄ是由正負６０°兩種折流桿形成的殼程交替支撐結構。從圖３中可見，ａ、ｂ、ｃ３種支撐情況，都分別需要４個折流圈完成管束的一組完整支撐，而ｄ中則需要有６個折流圈才能完成對管子的一組完整支撐，但在正方形管子布置的情形，折流桿只能有一種唯一的布置方式，即水平折流桿和垂直折流桿的交替支撐方式，４個折流圈完成對管束的一組完整支撐?？梢?，三角形布管的折流桿換熱器的殼程結構設計類型具有比正方形折流桿換熱器更加靈活多變的特點。 ２．４ 布管的算法 ２．４．１ 中心布管 對于６０°方向折流桿（圖１），利用對稱性可以簡化計算，將第１根管子定義為中心管子左側的第１根折流桿，則： 可只計一個半圓上的桿長，然后利用通過圓心的６０°管排中心線為對稱軸的特點，得出另一半圓周的桿長以及其他結構數據。 對于６０°負向折流桿，令角度β為負值，帶入式（１）計算，得到第２種類型的折流桿以及其他數據。 對于０°水平方向折流桿，利用下列公式，得到第３種類型的折流桿及其管子的布置數據。折流桿直線方程為： ２．４．２ 中心不布管 對于６０°方向折流桿，當中心不布管（圖２）時，由于中心必有一根折流桿通過，故對于通過中心的折流桿有下列表達式： 同樣可以利用以通過圓心的６０°方向折流桿中心線的對稱特性，求取另外一半與圓周上的管心坐標，管子計數以及折流桿坐標、折流桿計數等結構設計數據。 對于６０°負向折流桿，令角度β為負值，帶入式（３）計算，得到第２種類型的折流桿以及其他數據。 對于０°水平方向折流桿，利用式（２），得到第３種類型的折流桿及其管子布置數據。 由于折流桿結構布置以通過中心的特定方向為對稱，故可以利用對稱性簡化計算程序的編制。 對于單程折流桿換熱器，其殼程的結構特點是折流圈維持完整形狀，折流桿均與折流圈中心圓相交，每一根折流桿與折流圈有兩個交點。因此，直接將所建立的折流桿端點坐標數據用于折流桿長度計算。 ３ 邊界管子計數與邊界干涉檢查 管子計數仍然可以利用結構的對稱性。例如，可以選擇殼程圓心作為坐標原點，根據管子中心距ｔ、管子外徑ｄ０、折流桿直徑ｄｒ以及布管的角度β等參數，采用逐根計算管子中心并結合邊界干涉檢查的方法，通過循環計算，確定管子數目。最終根據對稱性得到全部管子數目。 邊界管子干涉檢查主要確定所排列的管子是否越界，它是確定布管區最外層管子位置的重要依據。當最外層管子的圓心坐標，加上管子外半徑與指定的管子外表面和折流圈內徑之間隙，超過了折流圈的內半徑限定的圓區域，則管子出現越界的干涉。否則，還需繼續進行管子布置。管子越界的干涉檢查利用下式進行： 在式（４）中，如果Ｇ＞０，則表明最外層管子的外表面已經越過了折流圈內徑范圍，這根管子將無法滿足計數條件，說明不符合布管條件；如果Ｇ≤０，則表明當前計數的管子滿足不干涉條件，因此可以計入布管的管子數目中。 ４ 應用實例 本實例以某工廠將折流板管殼式換熱器改進為折流桿管殼式換熱器的概念設計為例，采用的高級編程語言為ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ６．０［４］，以Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ三維造型軟件為二次開發平臺，軟件的工藝計算采用Ｆｏｒｔｒａｎ高級語言完成，在Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ開發環境［５］中，利用ＶＢ調用由Ｆｏｒｔｒａｎ語言編制的折流桿換熱器工藝計算和自動布管與結構設計計算程序產生的數據文件提取實體模型數據，再通過調用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ中的繪圖和建模庫函數，生成相應的管板、管束、折流桿的三維實體模型和裝配體模型。在模型滿足工藝條件，并且在軟件對模型進行制造裝配方面的干涉檢查合格后，從三維模型生成二維結構圖形。 圖４給出了計算機自動設計軟件的結構概念設計部分界面。在限定殼程內徑條件下，變動管子長度以滿足傳熱和流體力學參數的要求，輸出的中心布管的殼程結構概念設計結果，殼程內徑設定為４００ｍｍ，換熱管選擇為１９ｍｍ×２ｍｍ的標準無縫鋼管，折流桿直徑６ｍｍ，折流圈的尺寸為１２ｍｍ，根據換熱器設計規范選擇管心距，再根據折流桿的結構尺寸計算實際布管后的管心距數據。由于折流圈采用縱向支持桿支撐定位，因此不再需要拉桿。自動布管程序生成的內容包括，管板上管子的二維布置、各類折流圈的幾何結構尺寸、各類折流桿的尺寸數據以及整個殼程上折流圈的布置，折流桿換熱器的工藝計算和結構模型概念設計的程序界面如圖５所示。由自動造型軟件生成的三維實體模型簡圖如圖６所示，其中以簡潔的方式給出了折流圈、折流桿與管子、管板的裝配關系，并且顯示了主要裝配件———折流圈的結構簡圖，便于在初步設計時快速察看主要的裝配關系是否正確，有利于快速修改。圖８給出了在確定局部裝配關系合理的情況下，最終形成的殼程管束三維造型圖，圖７給出了軟件可以同步顯示的殼程橫截面上管子布置圖，采用二維模式表達。 ５ 結束語 本文通過探討單程折流桿換熱器的計算機自動布管以及殼程結構三維造型的概念設計問題，給出了常用的單程折流桿換熱器的殼程布管計算方法，建立了進行折流桿換熱器殼程布管設計的一些基本原則以及管子越界干涉檢查判斷準則。根據本文的結果，采用常用的任意一種計算機高級語言編制程序，可以完成折流桿換熱器的自動計算機布管、若干傳熱計算和水力工藝計算的關鍵幾何參數的確定，進而可以利用三維ＣＡＤ造型軟件的二次開發功能進行工藝計算、殼程結構方案的選型及評價，大大加快了折流桿換熱器的設計進程。 |
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