u型管式换热器设计软件开发及关键部件有限元分析大学毕设论文.doc

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1、洛阳理工学院毕业设计（论文）U型管式换热器设计软件开发及关键部件有限元分析摘 要此次设计的内容是基于U型管式换热器设计的Visual Basic程序软件开发及关键部件有限元分析。本次设计的主要内容包括U型管式换热器设计前提和设计方案的确定、对工艺结构的尺寸的计算和选择、核算热流量和壁温、计算换热器内流体的压降，再对计算结果进行校核。工艺结构计算主要有对换热管束的型号选择和设计选择确认换热管的排列布置形式；对封头、管板、管箱、壳体内径、拉杆和折流板的计算及法兰和支座选取和其它附件的计算选取等。然后再以此工艺结构计算的设计为基础，利用Visual Basic结构清晰明白的结构化程序设计理念，从而设

2、计出一种改变初始条件即可以一键列出所需U型管式换热器的设计计算结果的软件。再利用ANSYS10.0软件对本次设计的管式换热器中的关键部件的受力范围分析和校核，使得设计更加的准确和合理。总之，该软件利用了VB可以创建多个窗口，每个窗口利用各自所编写的代码既保证自身的独立性但又可以相互联系的特点，让数据能够自行输入，并在软件中添加了相关的信息提示，从而使本次设计更加准确。关键词：换热器，U型管，工艺计算，Visual Basic，ANSYS10.0U-TUBE HEAT EXCHANGER DESIGN SOFTWARE DEVELOPMENT AND FINITE ELEMENT ANALYSI

3、S OF KEY COMPONENTSABSTRACT The content of this design is based on the Visual type tube heat exchanger design Basic U program software development and key components of the finite element analysis. In short, the software is using VB can create multiple windows, and each window has its own design par

4、t of the calculation, the written code to make each form between independent and there is a link, let the data to their own input, and in software add relevant information tips, so as to make the design more accurThe main content of this design includes U type tube heat exchanger; the size of the in

5、itial conditions, process of determining structure calculation, heat flows from the accounting and wall temperature calculation, calculation for heat exchanger fluid pressure drop, parts of the selection and calculation of check. The calculation process is mainly including the calculation results of

6、 heat exchanger selection, calculate and determine the design of the heat exchanger heat area; structure calculation process are selection of heat transfer tube type and heat transfer tube arrangement, the shell diameter calculation and selection, calculation of the calculations of flow plate select

7、ion, takeover and other accessories selection. Then to calculate the structure for this process as a basis for the design, the use of visual basic structure is clear and clear structured program design concept, to design a kind of changing the initial conditions that can be a key list of U type tube

8、 for heat exchanger design and calculation results of software. Using ANSYS10.0 software to analyze and check the force range of the key components of the design of the tube type heat exchange.KEY WORDS: heat exchanger，U-tube，Process calculation，Visual Basic，ANSYS10.09目录前言1第1章 U型管式换热器的工艺计算21.1 换热器设计

9、任务和设计前提21.1.1 设计任务21.1.2 设计前提21.2 设计步骤21.2.1 设计方案的确定21.2.2 流体基本参数的确定31.3 U型管式换热器的设计计算过程41.3.1 热流量的计算41.3.2 平均温度差的计算41.3.3 根据热流量估算换热面积41.3.4 工艺结构尺寸的确定41.3.5 换热器的校核71.3.6 壁温核算81.3.7 各部分流体阻力的计算9第2章 结构设计与选取112.1 换热管束112.2 封头的计算122.3 管板的计算132.4 管箱的计算152.5 壳体的计算162.6 拉杆的计算172.6.1 拉杆结构形式172.6.2 拉杆的直径和数量172

10、.7 折流板的计算182.8 法兰的选择192.9 支座的选择20第3章 Visual Basic软件编程213.1 主要设计模块及流程213.1.1 流程图213.2 编辑程序213.2.1 进入VB的基本界面213.2.2 初始参数窗体的编辑223.2.3 计算换热器工艺结构尺寸的窗体233.2.4 换热器面积裕度的校核的窗体263.2.5 壁温核算和各部分压降的窗体273.3 换热器基本结构的软件设计293.4 换热器的汇总窗体设计34第4章 关键部件的有限元分析364.1 U型换热管的有限元分析364.1.1 单元类型和材料属性的建立364.1.2 换热管模型的建立364.1.3 网格

11、划分374.1.4 载荷的施加384.1.5 查看结果384.2 管板的有限元分析404.2.1 设定单元类型和材料属性414.2.2 创建管板模型414.2.3 网格的划分424.2.4 载荷的施加424.2.5 查看结果43结论45谢 辞46参考文献47外文资料翻译49前言换热器是将不同温度流体进行热量的交换，从而可以使某些流体升温或者降温，来达到设计所需要的工艺流程的温度的装置1。其不仅能将流体进行换热，更重要一点在某些情况下还可以对热量回收，从而来达到降低工艺成本的目的。U型管式换热器属于管壳式换热器的范畴，管壳式换热器的应用非常的广泛。特别在一些参数较高的工况条件下，管壳式换热器能更

12、加地凸显其优势。U形管式换热器结构紧凑，占用面积少，便于设计且运行操作起来十分便捷；换热性能好，热媒出口温度低，热能利用率高，节能效果好;管束能够抽出，清洗方便。它在结构上有简单、密封好、承压能力强等特点。此类换热器的缺点主要有：由于本身结构特点使得对管程清洗显得十分困难，所以选择流入管程的流体显得尤为重要。另外管子本身的U形存在使管板的中心结构有不小的空隙，从而相应地降低面积及空间利用率；U型管式换热器的内层管子报废率高等。所以在本次设计过程对流入管程和壳程的流体安排需进行严谨的思考。通过查阅资料得知在现阶段各国的换热器水平都有了很快速的进步和发展，且此类换热器的研究方向主要集中将传热系数提

13、高、传热面积的适当增加、将传热温差适当地升高三个方面来提高强化传热。从而将换热器变得更加节能、环保、高效。一般地，对于U形管式换热器的常规设计中，大部分都是一些重复的计算，这样不仅浪费很多时间；而且最坏的情况就是在最后的阶段我们求得的结果也不一定是正确的，到头来一场空。特在本次设计中首先设计一组数据进行常规计算；另外利用Visual Basic（VB）的结构化窗口的特点，利用程序编码对计算过程进行参数化设计。这样不仅可省下因查找公式浪费的时间，也能更加准确快速对计算结果进行验算，提高其准确性。最后用ANSYS对关键部件分析得到相应的应力变形图，从而对设计内容有一个更加深刻的了解。第1章 U型管

14、式换热器的工艺计算1.1 换热器设计任务和设计前提1.1.1 设计任务U型管式换热器设计1.1.2 设计前提以下面设计数据为例：被冷却的流体：混合热空气进口温度: T=140出口温度: T=50设计压力：2.5Mpa冷却的介质类型：循环冷却水冷却水的用量：50000Kg/h进口温度：t=40出口温度：t=50设计压力：1.0Mpa1.2 设计步骤1.2.1 设计方案确定1.换热器的类型：U型管式换热器2.一般根据以下几个因素来考虑并最终确认流体在换热器管腔内的流动路径：(1)对那些容易造成换热器堵塞的流体，要避免走不容易清洗的管腔。(2)换热器的壳程一般不允许有腐蚀性的流体在其管腔内流动。这样

15、既能节约耐腐蚀材料的使用量，从而减少换热器的设计成本。(3)一般地压强低的流体应该走壳程。综合以上的考虑因素及U型管换热器本身的优缺点，针对容易结垢造成管堵塞的流体本人认为应走壳程。故本次设计方案安排的流体流动的路径是：管程通入混合热空气，壳程通入循环冷却水。1.2.2 流体基本参数的确定流体的定性温度是流体进出口温度的平均温度。故管程混合热空气的定性温度为T= (150+40)1/2=95管程内的混合热空气在此定性温度下的物性参数：密度 kg/m3定压比热容 J/（kg.K）热导率 W/(m.K)运动粘度 V1= 2.2110-3 m2/s动力粘度 1 =2.1510-5 Pa.s普朗特数

16、壳程管腔流动的冷却水在此定性温度下的物性参数：密度 kg/m3定压比热容 J/（kg.K）热导率 W/(m.K)运动粘度 V2= 6.07510-7m2/s 动力粘度 2=6.01410-4 Pa.s普朗特数 1.3 U型管式换热器的设计计算过程1.3.1 热流量的计算设计设定冷却水的用量：m=50000Kg/hQ= mCp2 ()/3600 =579722Wt （1-1）混合热空气质量流量： （1-2）1.3.2 平均温度差的计算 （1-3）求得R=9，P=0.1，查得温度校正系数=，故选择单壳程单管。1.3.3 根据热流量估算换热面积由前面流体的物性参数初选传热系数=140W/(m2.k)

17、，估算传热面积： （1-4）取Ac = 114 1.3.4 工艺结构尺寸的确定1.对换热管材质、规格参数和管内流速大小的确定 为使其排列显得比较紧凑，并适当地增大传热面积，故选择较小的管径从而使金属的消耗量相对较少、并且传热系数相对而言有很大提高。综合确定本次设计选用的换热管规格为：规格25mm2.5mm的碳钢钢管。查取流体有相对应的流动速度。故本次设计初选取=30m/s。换热管外径和内径分别是=0.025m ，=0.020m ，因此所选择换热管平均直径=0.0225m。2.管程数和传热管数确定单程管程所需要的管子的数目根据下面的公式：根 （1-5） 需要换热管长度为： （1-6）查找换热器设

18、计手册，考虑到此次设计换热器的管程数目确定换热管长度规格为=4.5m。管心距：mm,查表取标准m隔板中心和与其最近一排换热管管中心的距离是管中心距。管中心距的长度是：mm各程相近管的管心距为mm。3.壳体内径确定 求管束中心排管数根 （1-7）由壳体计算公式求得：m （1-8） 取壳体内径500mm4.折流板确定此次选用弓形折流板弓形折流板圆缺高度为：mm根据所选壳体内径尺寸查表得折流板间间距为：折流板数量为：个 （1-9） 取整为14个。5.接管的确定(1)壳程流体的进出口接管:接管水的流速为： m/s，壳程的体积流量：=50000/990.2=50.5/hm （1-10）则圆整后可取管径的

19、规格大小为mm。(2)管程流体的进出口接管：管程的接管内气体流速：=30m/s，管程的流体的体积流量：/s则管程接管内径为m （1-11）则圆整后取管径规格为mm。1.3.5 换热器的校核1.壳程校核表面传热系数为： （1-12）当量直径为：m （1-13）流体流通截面积：（1-14）壳程流体流速：m/s （1-15）壳程雷诺数为： （1-16）壳程普朗特数为：壳程热导率为：粘度校正系数为：因水被加热，故选取(/)0.0141带入公式（1-12）得：=3379W/(.K) 2.管程校核表面传热系数为 （1-17）流体流速：ui=30m/s雷诺数：=deui/= （1-18）热导率为：普朗特数：

20、=0.6666带入公式（1-17）得=302W/(m2.k) 3.污垢热阻和管壁热阻：换热管管外侧污垢热阻：Rso=换热管管内侧污垢热阻：Rsi=换热管热导率为：16.4W/(m.k).4.总传热系数Kc： （1-19）换热管的平均直径： （1-20）综合以上数据代入公式1-19可得183.33W/(.k)，5.检查传热面积裕度预估算换热器传热面积为：Ac=114 换热器的传热面积为： （1-21）故本次设计的面积裕度计算为： （1-22）所得结果在0-0.35之间，属于合理范围。1.3.6 壁温核算壁温核算由下面公式求得： （1-23） =302W/(.k) =3379W/(.k)得=90.

21、9，此数值为传热管的平均壁温，此值近似算作壳体上的温度T=95壳体上的温度和传热管的温度之间的差值为：t=95-90.9=4.1由于所求的t数值较小,所以不用加设装置进行温度补偿。1.3.7 各部分流体阻力的计算这部分计算主要就是为了看前面设计是否满足换热器的设计要求。如算的的结果不符合要求则需要重新设计，重新进行计算，直到满足条件为止。1.管程流体阻力的计算：对于双管程的换热器，总流动阻力等于各程阻力和局部阻力之和13。计算公式如下： （1-24）流过直管段的流体因摩擦而引起的管程阻力为: （1-25）由于Re=71023，根据经验，查得=0.04，流速u=30m/s，所以由公式（1-22）

22、得=10307(Pa)流过回弯管的流体因摩擦而引起的压力降为：(Pa) （1-26）对于的碳钢钢管，按照经验=1.4。由于管程为双管程，故=2。所以由公式（1-21）得=(10307+3435) 21.4=41229(Pa)由于Pa允许压强降,因此满足要求。2.壳程流体阻力计算：壳程中流动的流体收到的总阻力等于流体经过管束收到的阻力加上通过折流板缺口的流体收到的阻力相加。计算公式如下： （1-27）流体流过管束的流动的阻力为： （1-28）根据管子的排列方式知F=0.5。当500的时候，故。有前面条件：m/s =15 =14故计算可得：=71982.3(Pa)流体流过折流板缺口的流动的阻力为：

23、 （1-29）有公式可得：(Pa)流体流过折流板缺口阻力：总的流体流动阻力为：，故U型换热管的许用应力为： (2-10)代入数据得：16564.133.换热管管板参数以及系数管板开孔后的面积为： (2-11)由公式2-8的：管板布管区的面积为：三角形排列： (2-12)代入数据的：管板布管区的当量直径为： (2-13)代入数据的：综述，本次设计管板通过垫片与壳体法兰相连接，管板的结构形式为平板式。表2-4管板的尺寸表公称直径DD1D2D4D5=D6bb1螺栓规格d螺栓孔数质量/kg5006305904905435004033M16232448.52.4 管箱的计算管箱的主要作用是让流体可以均匀

24、的进来和出去。管箱厚度计算的参数如下：表2-5管箱厚度的设计参数管箱材料设计温度/设计压力/MPa许用应力/MPa焊缝系数管箱内径/mmQ235B1501.761250.85500其计算公式如下： （2-14）计算厚度为：有计算可知，管箱的厚度为4.18mm即可满足条件，经过查表在管箱内径大于500mm时，管箱短节的厚度最小为10mm。本次设计管箱的厚度如下表所示：表2-6管箱厚度设计厚度/（mm）名义厚度/（mm）圆整后取值/（mm）管箱厚度/（mm）有效厚度/（mm）7.184.785206.42.5 壳体的计算在换热器的外表面结构中，主要是由壳体、管箱以及封头三部分组成，并且三者承受的压

25、力大小基本相同，因此本次设计中三者的材料选用同一种。表2-7管箱厚度壳体材料设计温度/设计压力/MPa许用应力/MPa焊缝系数管箱内径/mmQ235B1501.76MPa125MPa0.85500mm计算壳体壁厚： （2-15)计算厚度：当壳体内径是 500mm，最小的壁厚的选择为10mm,综合得本次设计壁厚取10mm。2.6 拉杆的计算2.6.1 拉杆结构形式拉杆的结构形式一般分成以下两种：拉杆定矩管结构和拉杆与折流板点焊结构。2.6.2拉杆的直径和数量1. 拉杆直径选取表2-8拉杆直径的选取换热管外径d25 拉杆直径do101216由表2-8可知，本次取拉杆直径为16mm。2.拉杆数量的确

26、定表2-9拉杆数量选用表3m时。取L1=(0.50.7)由于本次设计换热管的长度为4.5m,是大于3m的，所以在布置支座时应遵循以上原则。如下是所选支座的具体数据。表2-14支座的选择公称直径/mm允许载荷/KN支座高度/mm底板腹板筋板垫板螺栓间距/mm/mm/mmmm/Mmmm弧长50060200380120889684802006260其中支座的质量为9kg，材料为Q235A。18第3章 Visual Basic软件编程3.1 主要设计模块及流程3.1.1流程图在进行程序编辑的过程之前，我们需对前面的手工计算绘制一个流程图，其目的主要是方便编程序，条理清晰让人一目了然。图3-1程序设计流

27、程3.2 编辑程序3.2.1 VB的基本界面图3-2开始使用窗体界面3.2.2 初始参数窗体的编辑初始窗体显示的内容主要包括混合热空气、冷却循环水两种选择流体以及其进出口温度及定性温度，最后根据这个温度差表得到该温度下该流体的各种物性参数等。这些数值都是在表中直接查的的，是固定的，大小可以直接在程序中体现，如果有需要改动的地方则直接在程序中修改程序即可。设计界面如3-3，由于换热器本身由管程和壳程两部分组成，所以直接在窗体内设置两个一样的frame控件来将管程和壳程的所需的参数直接呈现在眼前。由于combobox控件具有可以使换热器的设计多样化，编不同的代码可让其有不同的数值的特点，从而能改变

28、其初始温度和设计压力，从而达到设计内容中关于软件编程要求。点击“查询”按钮后弹出另外一个窗体会显示相应的物性参数。下图3-3是初始参数的窗体：图3-3参数窗体界面3.2.3 计算换热器工艺结构尺寸的窗体对于本窗体，它的主要功能是根据前面窗体求得的各种物性参数计算换热面积。如果在计算的过程中需要查找相应的物性参数，点击窗体上的“查询”按钮即可，相应的参数就会直接出现在窗口上面。如要对相应的数据进行替换，方法就是需要在程序中直接进行修改。这种情况一般是不需要做更改的，如果实在是有需要更改的必要，则采取的方法是直接在所编辑的程序中输入其他相应定性温度下的参数即可。设计本窗体的显示内容主要包括设计计算

29、过程、换热管的规格和长度的确定、换热管的布置排列方式和关系到换热器传热、选取最优的壳径四个部分组成。由图是我们可以清楚的看见后面三部分的进行需要第一部分的结果作为前提条件。最后选择的壳体内径是根据求得的内径大小参考国家标准进行确认选择。本窗口显示内容如下图3-4所示:图3-4工艺结构窗体界面下面是此窗体部分的相应的程序：1.平均传热温差的计算：Private Sub Command1_Click()Dim a As Single,bAs Single, c As Single, r As Single, dAs Singlec = Val(Form2.Combo4.Text)d = Val(F

30、orm2.Combo5.Text)a = Val(Form2.Combo1.Text)b= Val(Form2.Combo2.Text)r= (c - d) - (b - a) / Log(c - d) / (b - a)Text1.= Format(e, 00.00)End Sub2.换热管长度的预算：Private Sub Command20_Click()Dim pAs Single, qAs Single, lAs Single, m As Single, t As Singlep = Text4.Textq= Text23.Textl= Text5.Textm = a * 1000

31、/ b / 3.14 / d Text22. = Format(r, 0.00)End Sub下面是此窗体部分的相应的程序：3.折流板数NB：Private Sub Command3_Click()Dim pAs Single, q As Single, lAs Single, mAs Singlep = Val(Form5.Combo1.Text)q = Val(Text2.Text)l= (a - 100) / b - 1Text3. = eEnd Sub3.2.4 换热器面积裕度的校核的窗体本窗体的内容显示的任务是计算比较设计选择的选换热器的面积裕度是否符合要求、是否在允许的范围内；它的

32、主要方法是计算管程管束和壳程管束的表面传热系数，再查表查得所需要的一些数据，将公式在程序中编入，最后将得出的数据和结果与前面的数据进行比较。如果符合则进行下面的操作；如果不符合，则退出程序对前面的数据修改重复前面的操作。本窗体的主要内容如下图3-5所示：图3-5换热器面积裕度校核的窗体界面下面是此窗体部分的相应的程序：1.壳程表面传热系数的计算：Private Sub Command4_Click()Dim pAs Single, q As Single, lAs Single, mAs Single, t As Single, f As Singlep= Val(Text1.)q= Val(

33、Text5.)l = Val(Text3.)m= Val(Form2.Text12.)t = 0.36 * d * (b 0.55) * (c (1 / 3) / aText7. = Format(t, 0000)End Sub2.计算总传热系数：Private Sub Command9_Click()Dim aAs Single, s As Single, d As Single,f As Single, gAs Single, hAs Single, j As Single, k As Single,l As Single, zAs Single, xAs Single, c As Sin

34、gle, vAs Singlea = Val(Form5.Text5.Text)s= Val(Text12.Text)d = Val(Form5.Text7.Text)f = Val(Text13.Text)g = Val(Form5.Text6.Text)h= Val(Form5.Text8.Text)j = Val(Text14.Text)k= Val(Text7.Text)l = a1 / (a2 * a3)z = a4 * a1 / a3x = a5 * a1 / a6 / 1000 / 16.5c = 1 / a8v= 1 / (o + p + a11 + a + s)Text15.

35、 = Format(d, 0.00)End Sub3.2.5 壁温核算和各部分压降的窗体进行壁温的核算的目的主要是通过计算求得的结果判断是否需要额外的温度补偿装置。经过将壳体上的温度和传热管的温度之间的差值进行比较，一键即可判断其是否在允许范围内。下图是窗体设计内容：图3-6壁温和压力降校核的窗体界面下面是此窗体部分的相应的程序：1.传热管平均壁温的计算：Private Sub Command1_Click()Dim pAs Single, qAs Single, lAs Single, m As Single, aAs Single, s As Single, d As Singlep = Val(Form2.Text8.Text)q = Val(Form2.Text1.Text)l= Val(Form7.Text12.Text)m = a1a= Val(Form7.Text7.Text)s = a3d = (w / e + q / t) / (1 / r + 1 / y)Text1. = Format(u, 0.0) End Sub2.壳程压力降的校核：Private Sub Command9_Click()Dim a As Singleb= Val(Text9.)If b 170000 ThenMsgBox 壳程流体的阻力在允许范围, vbInformati