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

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 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，ANSYS10.0 I 洛阳理工学院毕业设计(论文) U-TUBE HEAT EXCHANGER DESIGN SOFTWARE DEVELOPMENT AND FINITE ELEMENT ANALYSIS OF KEY COMPONENTS ABSTRACT 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 part 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 initial 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 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 selection, 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 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，ANSYS10.0 II 洛阳理工学院毕业设计(论文) 目 录 前 言 .................................................................................................. 1 第1章 U型管式换热器的工艺计算................................................. 2 1.1 换热器设计任务和设计前提................................................. 2 1.1.1 设计任务 ...................................................................... 2 1.1.2 设计前提 ...................................................................... 2 1.2 设计步骤 ................................................................................ 2 1.2.1 设计方案的确定........................................................... 2 1.2.2 流体基本参数的确定................................................... 3 1.3 U型管式换热器的设计计算过程 .......................................... 3 1.3.1 热流量的计算 .............................................................. 3 1.3.2 平均温度差的计算....................................................... 4 1.3.3 根据热流量估算换热面积........................................... 4 1.3.4 工艺结构尺寸的确定................................................... 4 1.3.5 换热器的校核 .............................................................. 6 1.3.6 壁温核算 ...................................................................... 8 1.3.7 各部分流体阻力的计算............................................... 8 第2章 结构设计与选取 .................................................................. 10 2.1 换热管束 .............................................................................. 10 2.2 封头的计算............................................................................11 2.3 管板的计算............................................................................11 2.4 管箱的计算........................................................................... 14 2.5 壳体的计算........................................................................... 15 2.6 拉杆的计算........................................................................... 15 2.6.1 拉杆结构形式 ............................................................ 15 2.6.2 拉杆的直径和数量..................................................... 15 2.7 折流板的计算....................................................................... 17 2.8 法兰的选择........................................................................... 17 2.9 支座的选择........................................................................... 18 I 洛阳理工学院毕业设计(论文) 第3章 Visual Basic软件编程 ......................................................... 19 3.1 主要设计模块及 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 ........................................................... 19 3.1.1 流程图 破产流程图 免费下载数据库流程图下载数据库流程图下载研究框架流程图下载流程图下载word ........................................................................ 19 3.2 编辑程序 .............................................................................. 19 3.2.1 进入VB的基本界面 ................................................. 19 3.2.2 初始参数窗体的编辑................................................. 20 3.2.3 计算换热器工艺结构尺寸的窗体............................. 21 3.2.4 换热器面积裕度的校核的窗体................................. 23 3.2.5 壁温核算和各部分压降的窗体................................. 25 3.3 换热器基本结构的软件设计............................................... 26 3.4 换热器的汇总窗体设计....................................................... 30 第4章 关键部件的有限元分析....................................................... 33 4.1 U型换热管的有限元分析 .................................................... 33 4.1.1 单元类型和材料属性的建立..................................... 33 4.1.2 换热管模型的建立..................................................... 33 4.1.3 网格划分 .................................................................... 34 4.1.4 载荷的施加 ................................................................ 35 4.1.5 查看结果 .................................................................... 35 4.2 管板的有限元分析............................................................... 37 4.2.1 设定单元类型和材料属性......................................... 38 4.2.2 创建管板模型 ............................................................ 38 4.2.3 网格的划分 ................................................................ 39 4.2.4 载荷的施加 ................................................................ 39 4.2.5 查看结果 .................................................................... 40 结 论 ................................................................................................ 42 谢 辞 ................................................................................................ 43 参考文献 ............................................................................................ 44 外文资料翻译 .................................................................................... 46 II 洛阳理工学院毕业设计(论文) 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 [1]或者降温，来达到设计所需要的工艺流程的温度的装置。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。 1 洛阳理工学院毕业设计(论文) 第1章 U型管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? 1 出口温度: T=50? 2 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? 1 出口温度:t=50? 2 设计压力:1.0Mpa 1.2 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。 2 洛阳理工学院毕业设计(论文) 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: 3密度 kg/m ,,2.5451 定压比热容 J/(kg.K) Cp,14141 热导率 W/(m.K) ,,0.04081 -32运动粘度 V= 2.21×10 m/s 1 -5 动力粘度 η =2.15×10Pa.s 1 普朗特数 pr,0.6666 1 壳程管腔流动的冷却水在此定性温度下的物性参数: 3密度 kg/m ,,990.22 Cp,4174定压比热容 J/(kg.K) 2 热导率 W/(m.K) ,,0.6422 -72运动粘度 V= 6.075×10m/s 2 -4动力粘度 η=6.014×10 Pa.s 2 普朗特数 pr,3.932 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/h Q= mC()/3600 =579722Wt (1-1) t,tp2 21 混合热空气质量流量: 3 洛阳理工学院毕业设计(论文) Q579722 (1-2) Ws,,,4.55Kg/sC(T,T)1414*(140,50)P112 1.3.2 平均温度差的计算 ,t,,t(140,50),(50,40)12 (1-3) ,t,,,36.4Km,t(140,50)1lnln,t(50,40)2 热流体的温降T,T冷流体的温升t,t1221 R,,;P,,冷流体的温升t,t热流体的温降T,t2111 求得R=9，P=0.1，查得温度校正系数=， ,t,,t0.85,0.80,mm1 故选择单壳程单管。 1.3.3 根据热流量估算换热面积 2K由前面流体的物性参数初选传热系数=140W/(m.k)，估算传热面初 积: 579722Q,,,113.8A(1-4) CK,t140，36.4m初初 2 m取A = 114 c 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25mm×2.5mm的碳钢钢管。, u查取流体有相对应的流动速度。故本次设计初选取=30m/s。 i dd换热管外径和内径分别是=0.025m ，=0.020m ，因此所选择换热0i d管平均直径=0.0225m。 m 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: 4 洛阳理工学院毕业设计(论文) W44，4.55S根 (1-5) n,,,189.7022,U,d2.545，3.14，30，0.02ii 需要换热管长度为: A114c (1-6) l,,,7.7m0,nd190，3.14，0.02500 查找换热器设计手册，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。 l 管心距:mm,查表取 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 m t,1.25d,1.25，25,32t,0.0320 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。 t管中心距的长度是:mm S,，6,222 各程相近管的管心距为mm。 44 3.壳体内径确定 求管束中心排管数根 (1-7) n,1.1n,15c0 由壳体计算公式求得: m (1-8) D,t(n,1)，2d,0.032，(15,1)，2，0.025,0.4980c0 取壳体内径500mm 4.折流板确定 此次选用弓形折流板 h,0.25D,0.25，500,125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: h,300mm0 L,0.14500,100折流板数量为:N,,,13.7个 (1-9) Bh3000 取整为14个。 5.接管的确定 (1)壳程流体的进出口接管: u,2接管水的流速为: m/s， 1 5 洛阳理工学院毕业设计(论文) 2壳程的体积流量:=50000/990.2=50.5/h Vm1 4V4，50.51m (1-10) d,,,0.0941,u3.14，2，36001 则圆整后可取管径的规格大小为mm。 ,95*6(2)管程流体的进出口接管: 管程的接管内气体流速:=30m/s， u2 4.55W3s管程的流体的体积流量:/s m,,,1.787V2,2.5451 则管程接管内径为 4V4，1.7872m (1-11) d,,,0.2752,u3.14，302 则圆整后取管径规格为mm。 ,276*6 1.3.5 换热器的校核 1.壳程校核 表面传热系数为: 0.140.550.33C,,,du,,,,,,,pe,,a,0.36,,,, (1-12) 0,,,,,,du,,,,,,ew,, 22,,,3，32，25,,4,,,24,,当量直径为:m (1-13) d,,0.0202e,，25 d250s,hD(1,),0.3，0.5，(1,),0.0328流体流通截面积:(1-14) 00t32 w500001su,,,0.428壳程流体流速:m/s (1-15) 0,s990.2，0.0328，360020 ,0.0202，0.428，990.2du02e,,,14226R壳程雷诺数为: (1-16) 0e,3,0.601，102 壳程普朗特数为: P,3.93r2 壳程热导率为: ,,0.642W/(m,k)2 u粘度校正系数为:因水被加热，故选取(μ/)0.014?1 w 6 洛阳理工学院毕业设计(论文) 2m带入公式(1-12)得:=3379W/(.K) ,0 2.管程校核 表面传热系数为 ,0.80.4i (1-17) ,0.023RePr,idi 流体流速:ui=30m/s 0.02，30，2.545/0.0000215,71690雷诺数:=deui/= (1-18) ,,R11ei 热导率为: ,,0.0408W/(m,k)1 普朗特数:p=0.6666 r1 ,带入公式(1-17)得=302W/(m2.k) i 3.污垢热阻和管壁热阻: ,32换热管管外侧污垢热阻:Rso= 0.26，10，，m.k/w ,32换热管管内侧污垢热阻:Rsi= ，，0.4，10m.k/w ,,换热管热导率为:16.4W/(m.k). 4.总传热系数Kc: bdRdd11si000R (1-19) ,，，，，soka,ddadcmiii0 dd20，25i，0d,,,0.0225m换热管的平均直径: (1-20) m22 2mK,综合以上数据代入公式1-19可得183.33W/(.k)， C5.检查传热面积裕度 2m预估算换热器传热面积为:Ac=114 换热器的传热面积为: Q579722A,,,86.85 (1-21) PKt,190，36.4Cm 故本次设计的面积裕度计算为: AA,cp (1-22) ,,,0.313AP 所得结果在0-0.35之间，属于合理范围。 7 洛阳理工学院毕业设计(论文) 1.3.6 壁温核算 壁温核算由下面公式求得: Tt//,,，mcmh (1-23) t,w1/1/，,,ch 0 t,45Cm 0 T,95Cm 2m ,=,=302W/(.k) ci 2m ,=,=3379W/(.k) h0 t得=90.9?，此数值为传热管的平均壁温，此值近似算作壳体上的温w 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: [13]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。计算公式如下: ，，,,p,,p，,pFNN (1-24) i12tsp 流过直管段的流体因摩擦而引起的管程阻力为: 2,uli,,p (1-25) ,12di 由于Re=71023，根据经验，查得λ=0.04，流速u=30m/s，所以由公式(1-22)得=10307(Pa) ,p1 流过回弯管的流体因摩擦而引起的压力降为: 2,ui,,3(),3435(Pa) (1-26) p22 ,25mm，2.5mmF对于的碳钢钢管，按照经验=1.4。 t 8 洛阳理工学院毕业设计(论文) 由于管程为双管程，故=2。 NP 所以由公式(1-21)得=(10307+3435) ×2×1.4=41229(Pa) ,pi 由于Pa<允许压强降,因此满足要求。 ,P,41229,i 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) ，，,,p,,p，,pFN034ss 流体流过管束的流动的阻力为: 2,uo，， (1-28) 1,,，pFfnN3ocB2 根据管子的排列方式知F=0.5。 ,0.228,0.228500的时候，故5，71690,0.392。 当f,5，RR,ee000 有前面条件:m/s =15 =14 u,2nN0cB故计算可得:=71982.3(Pa) ,p3 流体流过折流板缺口的流动的阻力为: 2,,2hu,o,,3.5,,,pN (1-29) 4B,,2D,,i 22，0.3990.2，2,p,14，(3.5,)，,25507.6有公式可得:(Pa) 40.52流体流过折流板缺口阻力: 总的流体流动阻力为: P,25507.6，71982.3,97489.9<允许降压强 ,0 综合上面的结果，所选择设计的换热器适合。 9 洛阳理工学院毕业设计(论文) 第2章 结构设计与选取 2.1 换热管束 1.换热管的形式 换热管为光管 2.换热管材料 本次设计选用碳钢材料的钢管 3.换热管尺寸和数量 所选换热管的材质为碳钢，换热管常用尺寸规格主要有 ，本次设计采用。,19mm，2mm,,38mm，2.5mm.,25mm，2.5mm,25mm，2.5mm对换热管的长度进行选择是应尽量越短越好，考虑到本次设计选择换热管的长度为4.5米。 4.换热管的排列方式 图2-1 换热管束排列 [4]采用上述图示排列方式可有规律排列换热管且管外的传热系数高。 表2-1换热管的选择 换热管形式 光管 材料 碳钢 MPa弹模量/ 189000 ,25mm，2.5mm 管长/m 排列方式 正三角形 尺寸 4.5 换热管中心距 两侧的管管程的数目32mm 44mm 2 心距 10 洛阳理工学院毕业设计(论文) 2.2 封头的计算 本次设计选标准椭圆封头。 设计主要参数如下: 表2-2封头设计参数 设计温度/? 设计压力许用应力焊缝系数 封头内径封头材料 /MPa /MPa /mm 150 2.75 125 0.85 500 Q235B 封头的厚度计算公式如下: kpDci (2-1) ,,h,,2,,,0.5pc 标准椭圆封头K=1. 2.75，500,,,6.51mm计算厚度为: h2，125，0.85,0.5，2.75 封头的厚度选取有一定的规格要求。经查本次设计换热器内径D,500mm，厚度的选择应最小为10.因此本次设计选取封头的厚度为10mm。 表2-3封头设计设计参数 公称直径 代号类型 曲面高度 封头厚度 内表面积 容积 32,/mm DN/mm H/mm A/ V/m mh 500 EHA 125 10 0.31 0.0022 2.3 管板的计算 管板是连接换热管的，并且同时兼顾着让管子和壳体分开，以免两者流体相混合。 选定管板的材料为16Mn，管板的厚度选择为50mm,总换热管数为190 11 洛阳理工学院毕业设计(论文) 根，壳体内径为500mm 1.壳体的横截面积 壳体内径横截面积: 2,Da= (2-2) 4 23.14，5002得a= ,196250mm4 横截面积: (2-3) ，，A,,,D，,sss 2得 ，，A,3.14，10，500，10,16014mms 2..管子参数 换热管管壁金属横截面积参考下面公式进行计算: ,22,,，，add (2-4) i04 2mm得a=176.6 管板上开孔面积计算公式: 2n,d0 (2-5) ,a14 2190，3.14，252a,,93218.75mm得 14 U型管管束模数参考下面的计算公式: enak, (2-6) LD 189000，190，176.6k,MPa得=2818.5 4500，500 换热管子的旋转半径: 122，，i,d，d,2, (2-7) t4 122，，i,25,25,2，2.5,8mm得 4 12 洛阳理工学院毕业设计(论文) 系数c的计算公式: 2,2，e (2-8) c,, 223.14189000，，由公式2-8的: =143.89MPa c,180U型换热管的许用应力为: L4500 (2-9) l,,,2250mmcr22 l2250cr当281.25>，故U型换热管的许用应力为: ,,c,143.89MPai8 2E,,,,, (2-10) 2，，2l/lcr代入数据得:16564.13MPa 3.换热管管板参数以及系数 管板开孔后的面积为: 2,d0 (2-11) ,,，AAn14 23.14，252A,196250,156，,119712.2mm由公式2-8的: 14管板布管区的面积为: 2A,0.866nt，a三角形排列: (2-12) t 2代入数据的: A,0.866，156，32，32，6725,145063.mmt 管板布管区的当量直径为: 4Atd, (2-13) t, 145063，4d,,429.7mm代入数据的: t3.14 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。 13 洛阳理工学院毕业设计(论文) 表2-4管板的尺寸表 公称 螺栓 螺栓 质量D D1 D2 D4 D5=D6 b b1 d 直径 规格 孔数 /kg 500 630 590 490 543 500 40 33 M16 23 24 48.5 2.4 管箱的计算 管箱的主要作用是让流体可以均匀的进来和出去。 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 设计温度设计压力许用应力焊缝系数 管箱内径 o/MPa /MPa /mm /c Q235B 150 1.76 125 0.85 500 其计算公式如下: PDci,, (2-14) 1,,2,,,Pc 1.76，500,,,4.18mm计算厚度为: 12，125，0.85,1.76 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 名义厚度 圆整后取值 管箱厚度 有效厚度 ,/(mm) e/(mm) /(mm) /(mm) /(mm) ,,,3241 7.18 4.78 5 20 6.4 14 洛阳理工学院毕业设计(论文) 2.5 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 设计温度设计压力许用应力焊缝系数 管箱内径 o/MPa /MPa /mm / c Q235B 150 1.76MPa 125MPa 0.85 500mm 计算壳体壁厚: pDci,C,， (2-15) 22,,p,,c 1.76，500,,,4.15mm计算厚度: 2，125，0.85,1.76 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 15 洛阳理工学院毕业设计(论文) 表2-8拉杆直径的选取 换热管外径d 14,d<25 25,d,5710,d,14 拉杆直径do 10 12 16 由表2-8可知，本次取拉杆直径为16mm。 2.拉杆数量的确定 表2-9拉杆数量选用表 <400 400~700~900~1300~1500~1800~2000~ 700 900 1300 1500 1800 2000 2300 10 4 6 10 12 16 18 24 32 12 4 4 8 10 12 14 18 24 16 4 4 6 6 8 10 12 16 由拉杆直径和公称直径查表可得，拉杆数量为4。 3.拉杆的尺寸 表2-10拉杆尺寸的选取 拉杆螺纹公直径 dll拉杆径d b nab ,4010 10 13 1.5 ,5012 12 15 2.0 ,6016 16 20 2.0 表2-11即为拉杆尺寸的主要设计: 表2-11拉杆尺寸的确定 ll 形式 规格 数量 拉杆螺纹公称直ab d径/mm n 拉杆定距管 ,6016mm 4 16mm 20mm 16 洛阳理工学院毕业设计(论文) 2.7 折流板的计算 图2-2折流板结构图 本次选用弓形折流板 1.折流挡板的选取 依据前面设计部分计算所求的壳体内径大小选择并确定折流板间距为 [1]300mm。折流板厚度按照国标GB151选取。 表2-12折流挡板的选取 挡板的形式 单弓形 折流板材料 Q235A 折流板间距规格折流板厚度/mm 300 5 /mm 2.8 法兰的选择 法兰可分为平焊和长劲两类法兰。 平焊法兰中的甲型适用于公称压力为0.25~1.6MPa，的范围，适用于 [6]公称直径为DN200~300mm。 0.25~4.0MPa,工作温度为,20~350乙型适用于公称压力为?，适用公 [6]300~3000mm称直径为DN 法兰的选择如下表所示: 17 洛阳理工学院毕业设计(论文) 表2-13法兰的选取 类型 法兰材D/mm D1/mm D2/mm D3/mm D3/mm /mm d/mm , 料 甲型法Q235A 615 580 550 540 537 30 18 兰 2.9 支座的选择 [6]本次设计采用卧式容器支座中的鞍式支座。 1.选择依据 其在换热器上的布置应遵循如下原则: 当管长L>3m时。取L1=(0.5~0.7) 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 允许 支座 底板 腹板 筋板 垫板 螺栓 b,直径/ 载荷/ 高度/ 间距/ l/ b/ , ,/ 弧 b ,33111244mm KN mm mm 长 mm mm mMm m m m 500 60 200 380 120 8 8 96 8 480 200 6 260 其中支座的质量为9kg，材料为Q235A。 18 洛阳理工学院毕业设计(论文) 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。 基本数据 工艺计算 否 面积裕度校核 是否 压降校核 是 换热器结构 数据汇总 图3-1程序设计流程 3.2 编辑程序 3.2.1 VB的基本界面 19 洛阳理工学院毕业设计(论文) 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: 20 洛阳理工学院毕业设计(论文) 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: 21 洛阳理工学院毕业设计(论文) 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 Single c = Val(Form2.Combo4.Text) d = Val(Form2.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") text End Sub 2.换热管长度的预算: Private Sub Command20_Click() Dim pAs Single, qAs Single, lAs Single, m As Single, t As Single p = Text4.Text q= Text23.Text 22 洛阳理工学院毕业设计(论文) l= Text5.Text m = a * 1000 / b / 3.14 / d Text22. = Format(r, "0.00") text 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 Single p = Val(Form5.Combo1.Text) q = Val(Text2.Text) l= (a - 100) / b - 1 Text3. = e text End Sub 3.2.4 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: 23 洛阳理工学院毕业设计(论文) 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 Single p= Val(Text1.) text q= Val(Text5.) text l = Val(Text3.) text m= Val(Form2.Text12.) text t = 0.36 * d * (b ^ 0.55) * (c ^ (1 / 3)) / a Text7. = Format(t, "0000") text End Sub 2.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 24 洛阳理工学院毕业设计(论文) Single, vAs Single a = 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 / a3 x = a5 * a1 / a6 / 1000 / 16.5 c = 1 / a8 v= 1 / (o + p + a11 + a + s) Text15. = Format(d, "0.00") text End Sub 3.2.5 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 25 洛阳理工学院毕业设计(论文) 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 Single p = Val(Form2.Text8.Text) q = Val(Form2.Text1.Text) l= Val(Form7.Text12.Text) m = a1 a= Val(Form7.Text7.Text) s = a3 d = (w / e + q / t) / (1 / r + 1 / y) Text1. = Format(u, "0.0") text End Sub 2.壳程压力降的校核: Private Sub Command9_Click() Dim a As Single b= Val(Text9.) text If b< 170000 Then MsgBox "壳程流体的阻力在允许范围", vbInformation, "合适" Else MsgBox "壳程流体的阻力不在允许范围", vbExclamation, "不合适" End If End Sub 3.3 换热器基本结构的软件设计 -8所示，本窗体的内容主要是将对换热器工艺设计部分中的一如图3 些重要的零件部分以按钮的形式显示，再由弹出来的各个窗体的功能来实 26 洛阳理工学院毕业设计(论文) 现其部件的设计。 图3-7各个零部件的窗体界面 1.换热管的窗体设计 本窗体主要显示的内容包括所选择的换热管的材质、长度以及规格。 图3-8换热管的窗体界面 27 洛阳理工学院毕业设计(论文) 2.封头的窗体设计 窗体中主要是对封头的类型以及规格进行选择。在这个窗体中特地加入图片使得封头的设计尺寸更加直观的显示出来。 封头的设计的顺序是先选择封头的型号，其依据设计初始条件选择满足条件的材料，最终确定封头型号。在这个设计选择的过程中最重要的是对封头的厚度选择确定，编辑相关的公式进行求解的结果与国家标准进行比较，从而选取出满足条件的最优厚度。待这些全部确定以后，点击按钮“查阅封头尺寸表”就可以得到所需要的各所有尺寸。窗口显示的内容如图3-9所示: 图3-9封头的窗体界面 3.管箱以及拉杆的窗体设计 图3-10管箱以及拉杆的窗体界面 28 洛阳理工学院毕业设计(论文) 从图3-10中可以看出本窗体对壳体以及管箱短节的厚度进行计算和选择，由计算求得的结果与查表进行比较选择最优的尺寸。拉杆的形式经过经验选择，然后查表得到所需要相对应的尺寸数据。 4.管板的窗体设计 对于本窗口中管板的设计编辑部分，这部分的计算比较多，不仅仅需要计算并确定尺寸而且还需要校核其是否满足换热器的设计需求。窗体如下图所示: 图3-11管板的窗体界面 5.折流板的窗体设计 本窗体中直接选择图片将折流板的几种形式以及布置方式直接显示出来，而折流板的重要尺寸是通过编辑相应地程序从前面的数据中直接选取出来显示在窗口上。而不是像前面进行手工计算一样，还要花费很多时间去前面寻找数据。窗体的内容显示如下图所示: 29 洛阳理工学院毕业设计(论文) 图3-12折流板的窗体界面 6.支座和法兰的窗体设计 窗体中可以直接显示出法兰的选取，法兰的选择只要是根据不同的公称压力，选择不同的法兰型号。最后参考国家标准选取合适的法兰。 图3-13法兰的窗体界面 3.4换热器的汇总窗体设计 30 洛阳理工学院毕业设计(论文) 本窗体的主要任务是把前面计算的数据和选取的一些国家标准的数据 参数尺寸进行整合在一块，从而能够使得设计者更加快捷方便、直观的知 道所设计数据内容。窗体具体布置如图3-14所示: 图3-14换热器汇总的窗体界面 下面是本窗体设计的部分程序: 1.代码为“显示”按钮的程序编写: Private Sub Command1_Click() Text1. = Form0.Combo4.Text text Text2. = Form0.Combo5.Text text Text3. = Form0.Combo6.Text text Text4. = Form0.Text1.Text text Text5. = Form0.Text8.Text text „„ Text59. = Form12.Text5.Text text End Sub 2.代码为“打印”按钮的程序编写: Private Sub Command2_Click() Open "C:\Users\Administrator\Desktop\新建文本文档.txt" For Output 31 洛阳理工学院毕业设计(论文) As #1 Print #1, Label9.Caption & ":" & Text11. & "?" textPrint #1, Label8.Caption & ":" & Text12. & "?" textPrint #1, Label7.Caption & ":" & Text13. & "MPa" textPrint #1, Label6.Caption & ":" & Text14. & "?" textPrint #1, Label5.Caption & ":" & Text15. & "kg/m3" text„„ Print #1, Label59.Caption & ":" & Text59. & "m" textEnd Sub 32 洛阳理工学院毕业设计(论文) 第4章 关键部件的有限元分析 4.1 U型换热管的有限元分析 在整个设计过程中我们前面的设计前提和要求关于压力要求得知在管程和壳程的设计压力是不同的。所以换热管在整个的工作过程中，肯定会因此产生相应的不太相同的应力。故此时就可以充分发挥ANSYS10.0软件的优势来对析换热管的局部进行应力分析，清楚地知道更容易变形或者遭到破坏的部分，从而及时合理地采取相应的措施进行改善和维修，使得设计的更加的准确，使设计显得更加地合理。 4.1.1 单元类型和材料属性的建立 1.单元类型的建立 GUI:Main >Preprocessor> > MenuElementAdd/Edit/DeleteType 在左下角弹出的对话框中选择Brick 45。 8node 2.材料属性的定义 PreprocessorGUI:Main Menu>> > ModelsMaterialMaterialProps 在左下角弹出的对话框中一次双击选中、Linear、Elastic、StructuralIsotropic，在该对话框中输入材料的属性:EX=200000，PRXY=0.4。 4.1.2换热管模型的建立 PreprocessorModelingMenuCreateAreasCircleGUI:Main >>>>>> Partial Annulus 在左下角弹出的对话框中，依次输入设计好的值。 再对换热管的分析过程中我们采取切一半的方式使得清晰的看到换热管的内外部应力变化，从而对换热管进行评估分析。我们需要知道的是将管子切一半并会不影响压力对管子造成的影响。 建立换热管模型图4-1U如下: 33 洛阳理工学院毕业设计(论文) 图4-1U型换热管模型 4.1.3网格划分 GUI:PreprocessorMain Menu>>Mesh Tool 划分图如下: 图4-2管网格划分 34 洛阳理工学院毕业设计(论文) 4.1.4载荷的施加 1.选择分析的类型 GUI: >> > MainMenuAnalysisNewAnalysisSolutionType在左下角弹出的对话框，选择，单击OK按钮。 Static2.施加约束 GUI: >> MenuPlotAreasUtility GUI: >> >> MainMenuLoadsSolutionStructuralDefineApply On>> DisplacementAreas 分别对U型管换热管的里面、外面和下表面施加约束。 3.施加对称约束 GUI: >> >> MainMenuLoadsSolutionStructuralDefineApply On>> B.C> DisplacementSymmetryAreas在中间弹出的对话框中，选中相对于结构对称面的各个表面，点击确 定即可。 4.施加载荷 GUI:Main Menu>> >> LoadsSolutionStructuralDefineApply On>> AreasPressure 分别选取各个表面，施加选好的设计压力。 5.保存所求数据在提前建好的文件夹中。 6.求解 MainMenuSolveGUI: >>> LS SolutionCurrent Done左上角弹出 ,即是求解完成。 Solutionis 4.1.5查看结果 1.读取结果 SetPostprocMainMenuReadFirstGUI: > > Results> General 2.变形云图的显示 PostprocMainMenuPlotPlotGUI:Results >General > >Contour SoluNodal> 35 洛阳理工学院毕业设计(论文) be在中间弹出的对话框中的 栏中选择DOF ItemtoContoured sum下面子选项的 ，即可显示出变形云图。 vectorDispiacementSolution 图4-3变形云图 3.应力云图的显示 PostprocMainMenuPlotPlotGUI: > > > ResultsGeneralContourSoluNodal> beItemStress在左下角弹出的对话框中的 to 栏中选择下ContouredvonstressMises面的子选项的 ，即可显示应力云图。 36 洛阳理工学院毕业设计(论文) 图4-4应力云图 通过上面的变形云图和应力云图的分析的结果可以了解到的是，管子相对而言有些向外弯曲的变形。我认为造成这一现象出现的原因可能是换热管表面的内侧与外侧的压力大小不一样，才会导致换热管在工作的过程中出现上述情况。 对于上面对图的分析和分析问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 出现的原因，本人认为的解决方案主要是如果这种向外变形地程度比较大，我们能采取的措施就是通过加厚管子来增强管子的强度。如果这种方法还是没有效果，就只能通过重新对罐子的材料和规格进行选择，达到最终能够正常的使用。 4.2 管板的有限元分析 分析管板我们可以知道，管板主要受到内外表面的压力，以及管板上 37 洛阳理工学院毕业设计(论文) 加的孔对管板造成的破坏。 4.2.1设定单元类型和材料属性 1.设定单元类型 GUI:Main >> > MenuPreprocessorElementAdd/Edit/DeleteType 在左下角弹出的对话框中选择 45。 Brick8node 2.材料属性的定义 GUI:Main >> > MenuPreprocessorModelsMaterialMaterialProps 在左下角弹出的对话框中一次双击选中、、、LinearElasticStructural ，在该对话框中输入材料的属性:EX=192000，PRXY=0.5。 Isotropic 4.2.2创建管板模型 图4-5管板模型 PreprocessorModelingMenuCreateAreasCircleGUI:Main >>>>>> Partial Annulus 38 洛阳理工学院毕业设计(论文) 和前面换热管的步骤是一样的，只需按照尺寸画即可。 4.2.3网格的划分 GUI: >> MainMenuPreprocessorMeshTool 图4-6网格划分 4.2.4载荷的施加 1.施加约束 MainMenuLoadsGUI: >> >> SolutionStructuralDefineApply OnDisplacementAreas>> 对管板的上下两个表面和开孔的地方施加约束。 2.施加载荷 MainMenuLoadsGUI: >Solution> >>Structural DefineApply OnAreas>> Pressure 39 洛阳理工学院毕业设计(论文) 在左下角弹出的对话框中分别对约束过的各个面施加载荷。 3.保存所求数据。 4.2.5查看结果 1.变形云图 GUI: > > > PostprocMainMenuPlotPlotResultsGeneralContour> SoluNodal be在左下角弹出的对话框中的 栏中选择DOF ItemtoContoured sum下面子选项的 ，显示出变形云图。 vectorDispiacementSolution 图4-7变形图 2.应力云图 PostprocMainMenuPlotPlotResultsGUI: >General > > Contour SoluNodal> 40 洛阳理工学院毕业设计(论文) be在左下角弹出的对话框中的 栏中选择下ItemStresstoContoured von面的子选项的 ，显示出应力云图。 stressMises 图4-8应力云图 通过上面的变形云图和应力云图的分析的结果可以了解到的是，管子相对而言有些向外弯曲的变形。我认为造成这一现象出现的原因可能是换热管表面的内侧与外侧的压力大小不一样，才会导致换热管在工作的过程中出现上述情况。 对于上面对图的分析和分析问题出现的原因，本人认为的解决方案主要是如果这种向外变形地程度比较大，我们能采取的措施就是通过加厚管子来增强管子的强度。如果这种方法还是没有效果，就只能通过重新对罐子的材料和规格进行选择，达到最终能够正常的使用。 41 洛阳理工学院毕业设计(论文) 结 论 本次设计的题目是对U型管式换热器软件开发设计及关键部件有限元分析。在整个设计的过程中，前期通过网络、图书馆等能够获取的资源进行查阅并搜集整理大量资料，之后进行的就是换热器的整体设计计算过程。手工设计计算的工作内容主要是包括:计算流体的定性温度查找物性参数、换热器的面积估算、热流量和换热管长度选取等工艺设计过程，根据计算所得的数据对换热器进行合理的选择。最后就是根据算的的结果校核压力降和壁温判断其合理性，最终确定各个结构件尺寸参数。第二部分就是在手工计算的基础上利用vb软件本身的多窗口创建便利性，能够直接将计算出来的数据以及查取的数据输入到vb程序中进行窗体程序编码。最后利用ANSYS10.0软件自身的优势来分析换热器主要部件(管板和折流板)的应力分析图，来判断容易遭到破坏的部分，从而采取相应的措施能准确的进行改善和维修。 在对换热器的整个工艺设计过程中，不仅充分的利用了教学资源，还充分地发挥了计算机便利性的特点，通过不断的学习深入了解和熟练掌握了此类换热器的整个工作流程和设计流程，明白了充分的准备是成功的必不可少条件。 但在整个设计的过程中也存在以下问题:对于设计的题目的实物没有接触过，不能做到有实质性地了解和深刻的认识，所以很难十分清楚准确的理解其结构组成成分和相应的工作流程，这在一定程度上影响了本次设计的进度和准确性;另外VB与分析软件ANSYS不能直接构建起联系，在一定程度上增加了设计所花的时间等。 在这个设计的过程中，本人最大的收获是我通过对U型管式换热器的结构组成成分以及工艺设计的过程，对整个过程有了很深的理解;对于平常用的极少的VB和ANSYS软件，也有了一定的理解和认识。明白了只要愿意付出时间和实际行动，“成功”也不是遥不可及。 42 洛阳理工学院毕业设计论文 谢 辞 时光荏苒，转眼四年的大学生活即将画上句号，即将到了说再见的时候。在这四年的大学生活里对每个人的影响是巨大的。我们由刚进入大学校园时的懵懂无知，到现在走出校园时的成熟稳重;在这段弥足珍贵的生活里我获得的不仅仅是丰富专业的知识，更为重要的是学会走入社会一种为人处事的方式。在这四年大学生活里，最需要感谢的就是每一位老师的辛勤付出，在学习和生活上给与我们最大的帮助，这令我的心里满怀感激之情。 首先，在此非常感谢本次设计指导老师余炳辉老师的指导与帮助。余老师在论题的选择、思路的设计和论文的编写等各个环节都密切关注、尽心尽力的提供帮助。及时与我进行沟通和交流，对我遇到的问题和困难耐心地指导，可以这样说这篇论文的完成离不开老师付出。在生活中老师也是平易近人，我们的交流显得格外的轻松。在此，向余老师致以深深的敬意和由衷的感谢。 其次，在此还要感谢所有的老师，感谢这四年的辛勤付出。专业知识的学习和巩固离不开你们的帮助和教导。 四年的大学生活转瞬即逝，但这弥足珍贵的大学生活将会是我人生中最美好的回忆。在今后的生活和工作当中我将已更加饱满的情怀和更加积极的心态面对。无论遇到什么样的困难，都坚强地走下去～ 最后，我要对本文进行审阅和参加本人论文答辩的各位师长表示衷心地感谢～ 43 洛阳理工学院毕业设计论文 参考文献 [1] 陈敏恒, 丛德滋, 方图南. 化工原理(上册). 北京: 化学工业出版社, 2008. [2] 钱颂文. 换热器设计手册. 北京: 化学工业出版社, 2002.8 [3] 陈敏恒, 丛德滋, 方图南. 化工原理( 下册 数学七年级下册拔高题下载二年级下册除法运算下载七年级下册数学试卷免费下载二年级下册语文生字表部编三年级下册语文教材分析 ). 北京: 化学工业出版社, 2008. [4] 薛晓萍, 韩育. visual basic程序设计. 北京: 中国科学技术出版社, 2009. [5] 王松汉. 石油化工设计手册(第1卷)石油化工基础数据. 北京: 化学工业出版社, 2002. [6] 王松汉. 石油化工设计手册(第3卷)化工单元过程. 北京: 化学工业出版社, 2002. [7] 涂伟萍, 陈佩珍, 程达芳. 化工过程及设备设计. 北京: 化学工业出版社, 2000. [8] 郑津洋, 董其伍, 桑芝富. 过程设备设计, 第2版. 北京: 化学工业出版社, 2005. [9] 贾绍义, 柴诚敬. 化工原理课程设计. 天津: 天津科学技术出版社, 2002. [10] 卢焕章等. 石油化工基础数据手册. 北京: 化学工业出版社, 1993. [11] 王志文, 蔡仁良. 化工容器设计. 北京: 化学工业出版社, 2005. [12] 付家新, 王为国, 肖稳发. 化工原理课程设计. 北京: 化学工业出版社, 2010. [13] 方书起. 化工设备课程设计指导. 北京: 化学工业出版社, 2010.8. [14] 马江权, 冷一欣. 化工原理壳程设计. 北京: 中国石化出版社, 2009. [15] 陈英南, 常用化工单元设备的设计. 上海: 华东理工大学出版社, 1993. [16] 中华人民共和国国家标准. 管式换热器. GB151-1999[S]. 北京: 44 洛阳理工学院毕业设计论文 中国标准出版社, 2000. [17] 林卓然. VB语言程序设计(第二版). 北京: 电子工业出版社, 2009. [18] 沈建蓉, 单贵. 大学VB程序设计实践教程. 上海: 复旦大学出版社, 2007. [19] 李红云, 孙雁. ANSYS10.0基础及工程应用.北京: 机械工业出版社, 2008. [20] 李功祥，陈兰英.常用化工单元设备设计.广州:华南理工大学出版社，2008. 45 洛阳理工学院毕业设计论文 外文资料翻译 外文资料翻译 The fixed tube plate exchanger design Plate heat exchanger manufacturing and technological progress, plate type of increase, raising the plate heat exchanger of the various pracesses of adaptation. The NUT，small?tm the plate heat exchanger to meet the district cooling and heat. pump units evaporator, condenser requirements. from the above analysis know,?tm is the driving force of heat transfer, if ?tm small, means that the driver of small, to achieve the heat transfer between the two fluid, we must increase heat transfer Coefficient, increasing heat transfer area, in order to Heat to make up too large, is the only increase heat transfer coefficient K. Shallow plate of corrugated Beijing, Beijing is the heat transfer equipment manufacturers limited liability company developed a new type of plat。the heat transfer coefficient of about 7000W/m2?K，is the level of the flat corrugated board two times, is chevron Corrugated sheets of 1.5 times, in the regional cooling, the detection of?tm is about 1.2. As in ice storage of ethylene glycol and chilled water use in the heat exchanger,?tm is about 1.5. Plate evaporator, condenser plate Beijing, Beijing is also the heat transfer equipment manufacturers limited liability companies adapt to the development of a new type of heat pump units in the heat exchanger. And the shell-and-evaporator, compared to the condenser, which has the following advantages;unit volume in the evaporator plate, the plate condenser is a heat transfer area of shell and tube heat exchanger of three times the plate evaporator heat transfer coefficient About 1000一1200W/m2?K, the condenser plate heat transfer coefficient of about 1500一2000 W/m2?Kare shell heat exchanger two to three times the plate on the evaporator used to Refrigerant distributor of liquid evenly distributed devices, when the 46 洛阳理工学院毕业设计论文 evaporator plate a few more, maybe uneven distribution of liquid refrigerant and can not take full advantage of all the heat and evaporation area, evaporation temperature lower than the calculated design temperature. After a distributor overcome these problems. Detection of data an the relevant units, evaporator plate, the plate condenser in the heat transfer coefficient?tm about 2.5~3?，in 1500~2000 W/m2 between the resistance and small, satisfying the heat pump units requirements. Communicating chamber is a heat exchanger appurtenance which intersects the shell or heads of the heat exchanger and forms an integral part of the pressure-containing envelope. For external bolting and for components exposed to both shell-side and tube-side fluids, the design temperature shall be the shell-side or tube-side design temperature, whichever is the more severe. If cladding (including weld overlay) is used, the full thickness of the cladding shall be used as corrosion allowance unless specified otherwise by the purchaser. The thickness of bonded cladding shall be at least 2,5 mm (0,1 in). Weld overlay shall have sufficient thickness to provide the specified chemical composition to a depth of at least 1,6 mm (1/16 in). The fixed shell support of removable-bundle heat exchangers shall be designed to withstand a longitudinal force equal to 150 % of the bundle mass applied at the heat exchanger bundle centreline. The shear stress for supports shall not exceed 40 % of the yield strength of the material.Horizontal heat exchangers shall be provided with two or more saddles designed to support the heat exchanger units under all specified conditions. Design of the saddles shall be as follows: a) Saddles shall be attached to saddle-bearing plates; b) The bearing surface of the saddles shall be at least one-third of the circumference of the shell; c) Saddle-bearing plates shall have the same nominal chemical composition as the shell and shall be continuously welded directly to the heat exchanger shells; d) The saddle-bearing plates shall be provided with vent holes 6 mm (1/4 in) in diameter, located at the vertical centreline; e) Saddle-bearing plates shall be at least 6 mm (1/4 in) thick and 47 洛阳理工学院毕业设计论文 shall have all corners rounded to a radius of at least 25 mm (1 in). The lower shells of stacked removable-bundle heat exchangers shall be designed to carry the superimposed load without suffering distortion that could cause binding of the tube bundles. For horizontal heat exchangers, slotted holes shall be provided in the baseplate of all but one of the saddles, to allow for longitudinal movement due to thermal expansion or contraction. The width of the slot shall be equal to the anchor bolt diameter plus 8 mm (5/16 in). The length of the slot shall be equal to the anchor bolt diameter, plus the allowance for longitudinal movement, plus 8 mm (5/16 in). If a bonnet is provided, the design of the heat exchanger shall permit full hydrostatic testing on the shell side with the bonnet removed. Structural bracing shall not be used to retain pressure. For a vertical heat exchanger unit where the stationary tubesheet is at the bottom, a suitable means of holding the bundle in place shall be provided. If collar bolts or drilled-and-tapped holes are used, at least four shall be provided and their location shall be identified. The thickness of ferritic transverse baffles and support plates shall be not less than twice the specified shell-side corrosion allowance. Transverse baffles and support plates shall have notches that are 10 mm (3/8 in) high to facilitate drainage. If required by TEMA standards (RCB-4.61), impingement protection shall be provided by a plate baffle or rods on the tube bundle, a distributor belt, or another means agreed upon by the purchaser and the vendor. If an impingement plate baffle is used, it shall extend at least 25 mm (1 in) beyond the projection of the nozzle bore. If an impingement plate is used, the shell entrance and bundle entrance areas (as defined by TEMA Standards) shall be not less than the flow area of the inlet nozzle. The nominal thickness of the impingement plate baffle shall be not less than 6 mm (1/4 in). The impingement plate shall be adequately supported, by welding to at least two spacers, to avoid mechanical damage due to vibration. Perforated impingement plates shall not be used. Bypass sealing devices (such as seal bars, dummy tubes or tie-rods) as shown in Figure 2 shall 48 洛阳理工学院毕业设计论文 be used for non-isothermal service if bypass clearances exceed 16 mm (5/8 in) and shall be located as follows: a) if the distance between baffle-cut edges is six tube pitches or less, a single seal, located approximately halfway between the baffle cuts, shall be provided; b) if the distance between baffle-cut edges exceeds six tube pitches, multiple seals shall be provided. A seal shall be located every five to seven tube pitches between the baffle cuts, with the outermost seals not more than 75 mm (3 in) from each baffle-cut edge. Internal bypass seals shall be installed so that the clearance to the nearest tube does not exceed the nominal clearance between tubes. Bypass sealing devices shall either be located to minimize obstruction of mechanical cleaning lanes or shall be readily removable. Unless otherwise agreed, continous cleaning lanes shall be maintained for square (90?) and rotated-square (45?) pitch. The nominal thickness of seal strips shall be the nominal thickness of the transverse baffles or 6 mm (1/4 in), whichever is less. Bypass seal strips shall be attached to the transverse baffles by continuous welds on one side of each baffle. Peripheral bypass seal strips shall not restrict the bundle inlet or outlet flows. For all removable bundles with a mass of more than 5 450 kg (12 000 lb), a continuous sliding surface shall be provided to facilitate bundle removal. If skid bars are used, they shall be welded to the transverse baffles and support plates to form a continuous sliding surface. kid bars shall protrude 0,8 mm (1/32 in) beyond the outside diameter of baffle and support plates. The leading and trailing edges of skid bars and seal strips shall be provided with a radius or a bevel to prevent damage to the shell when inserting or removing the bundle. Unless otherwise specified by the purchaser, the tube-to-tubesheet joint shall be expanded only. If welded joints are specified, the joint shall be welded by one of the following methods: a) strength-welded only; b) strength-welded and expanded; c) seal-welded and expanded. Flanged connections shall be of one of the following types: a) forged or centrifugally-cast long welding neck (integrally flanged); b) pipe welded to a 49 洛阳理工学院毕业设计论文 forged or centrifugally-cast welding-neck flange; c) pipe welded to a forged slip-on flange. Slip-on flanges shall not be used under any of the following conditions: a) if the pressure exceeds 2 070 kPa (20,7 bar) (300 psi) gauge; b) if the design temperature exceeds 400 ?C (750 ?F); c) if the corrosion allowance exceeds 3 mm (1/8 in); d) if hydrogen is present at a partial pressure exceeding 690 kPa (6,9 bar) (100 psi) absolute; e) in cyclic service, if the pressure design code requires fatigue analysis. Integrally reinforced nozzles shall be designed so that standard spanners (wrenches) fit the nuts without interference from nozzle neck reinforcement. Flanged external girth joints Channel and shell external girth joints shall be of through-bolted construction. The nominal clearance between flanges after assembly shall be not less than 3 mm (1/8 in). The clearance between flanges shall extend within the bolt circle to allow flanges to be checked for radial distortion caused by an excessive bolt load. Flanges shall be spot-faced or back-faced to the extent required by ASME B 16.5 or the pressure design code. Hardened washers shall be provided under nuts for all bolts having diameters of 38 mm (1? in) or larger. The washers shall be at least 6 mm (1/4 in) thick. External protective covers shall be provided for thin-wall bellows-type expansion joints in the shell. Internal floating head expansion joints shall have permanent stays to prevent damage during maintenance and hydrostatic testing with the shell cover removed. Stays shall be designed to permit the full movement of which the expansion bellows are capable. Bellows-type expansion joints should be designed for at least 1 000 cycles during normal operation. Gaskets in hydrocarbon service shall be double-jacketed fibre-filled metal, solid metal, serrated metal with soft gasket-seal facing, or spiral-wound fibre-filled metal. A means shall be provided to prevent overcompression of spiral-wound gaskets. The lifting device shall be a weld-on lug or ring provided with a hole not 50 洛阳理工学院毕业设计论文 less than 38 mm (1? in) in diameter. Wherever possible, the lug or ring shall be located at the top of the component, above its centre of gravity; otherwise, two suitably located lugs or rings shall be provided. The lifting device shall be designed to support at least twice the mass of the component. For stacked heat exchangers, two lifting lugs or rings shall be provided on all covers, located at the top, approximately 45? from the vertical centreline. Pulling lugs or tapped holes for the insertion of eyebolts shall be provided on the outer face of the stationary tubesheet to aid removal of the bundle from the shell. Pulling lugs and tapped holes shall be designed for a pulling force equal to at least 150 % of the bundle mass. Each tapped hole shall be fitted with a threaded plug of the same material as the tubesheet face. The exposed section of the plug shall be at least 50 mm (2 in) long. All vertical heat exchangers shall be provided with lifting devices for the entire heat exchanger unit. The lifting devices shall be provided above the centre of gravity of the heat exchanger unit. Nozzles and couplings shall not protrude beyond the inside surface of the shell, channel or head to which they are attached. Gaskets shall not contain asbestos. Material for metal-jacketed, serrated-metal or solid-metal gaskets shall have a corrosion resistance at least equal to that of the gasket contact surface material. Welds attaching insulation support rings need not be continuous. Welds attaching other non-pressure attachments (such as lugs or structural steel supports) shall be continuous. Full-penetration welds shall be used for those components that will be exposed to hydrogen at a partial pressure (absolute) exceeding 690 kPa (6,9 bar) (100 psi). Machined contact surfaces, including any threaded connections, shall be suitably protected to prevent scaling or loss of finish during heat treatment. For stacked heat exchangers, mating nozzle flanges shall not be out of parallel with each other by more than 0,8 mm (1/32 in), measured across any diameter. Separation of mating nozzle flanges shall not exceed 3 mm (1/8 in) after installation of the gasket. Bolts shall be capable of being inserted and removed freely without binding. Shims shall be installed as required between 51 洛阳理工学院毕业设计论文 the supports and shall be tack-welded in place. The magnetic-particle examination method, extent and acceptance criteria shall comply with the pressure design code. For non-magnetic materials, a liquid-penetrant examination shall be used in place of any required magnetic-particle exami nation. The liquid-penetrant examination method and acceptance criteria shall comply with the pressure design code. Weld hardness testing shall be in accordance with the pressure design code, or the following requirements, whichever is the more stringent: a) the weld metal and heat-affected zone of pressure-retaining welds in components shall be tested; b) Examination shall be made after any required postweld heat treatment; c) Brinell hardness limits shall be in accordance with Table 5; d) Hardness shall be determined using a 10 mm diameter ball unless otherwise specified; e) One longitudinal weld, one circumferential weld, and each connection-to-component weld if the connection is DN 50 (NPS 2) or larger, shall be tested; f) If more than one welding procedure is used to fabricate longitudinal or circumferential welds, hardness readings shall be made of welds deposited by each procedure. 52 洛阳理工学院毕业设计论文 固定管板式换热器的设计 板式换热器制造技术的进步，板片种类的增加，提高了板式换热器对各种工艺过程的适应性。 NUT小的板式换热器满足了区域供冷和热泵机组蒸发器、冷凝器的要求。从以上分析.可知，?tm是换热的驱动力，若? tm小，即意味着驱动力小，要实现两种流体之间的换热，必须增大传热系数，增大传热而积，为了使传热而积不至过大，唯一的是增大传热系数K。 浅密波纹板片是北京市京海换热设各制造有限责任公司开发的新型板片，它的传热系数约为7000W/ m2?K，是水平平直波纹板的2倍，是人宇形波纹板的1. 5倍，在区域供冷中时检测的?t约为1.2。在作为冰蓄冷的乙二醇和冷冻水的换热器使用中，?tm约为1. 5。 板式蒸发器、板式冷凝器也是北京市京海换热设备制造有限责任公司开发的适应于热泵机组的新型换热器。与管壳式蒸发器、冷凝器相比，它具有如下优点:单位体积内板式蒸发器、板式冷凝器的传热而积约是管壳式换热器的3倍;板式蒸发器的传热系数约为1000~1200 W / m2?K,板式冷凝器的传热系数约为1500~2000 W / m2?K均为管壳式换热器的2~3倍，在板式蒸发器上采用了使制冷剂液体分布均匀的分配器装置，当蒸发器板片数较多时，可能会出现制冷剂液体分配不均的，不能充分利用所有蒸发传热而积，使蒸发温度低于设计计算温度。采用分配器后即能克服上述问题。有关单位检测数据说明，板式蒸发器、板式冷凝器的传热系数在?tm约为2. 5~3?时，在1500--2000 W/ m2?K 之间，且阻力小，满足了热泵机组的要求。 联通室是与换热器壳体与风投相交且形成一个整体受压区的换热器部件。对外部螺栓和暴露于壳程侧和管程侧流体的部件，设计温度应取壳程侧或管程侧设计温度二者中较苛刻者如果采用复层(包括堆焊层)，除非买方另有规定，复层厚度都用作腐蚀裕量。贴合复层的厚度应至少为2.5mm。堆焊层应具有足够的厚度以达到规定的化学成分，即厚度至少1.6 mm。可抽式管束换热器壳体的固定支座应设计成能承受等于管束施加于换热器管束中心线重量的15a%的纵向力。支座剪切应力应不超过材料屈服强度的 53 洛阳理工学院毕业设计论文 40 % 。卧式换热器应具有两个或多个鞍座，在所有规定工况下支撑换热器。 鞍座设计如下:a)鞍座应连接到鞍座垫板;b)鞍座垫板表面长度应至少为壳体圆周长度的1/3;c)鞍座垫板应具有与壳体相同的公称化学成分，且应直接连续焊到换热器壳体上;d)鞍座垫板垂直中心线上应开一个直径为b mm的排气孔;e)鞍座垫板应至少厚6mm且所有角应倒圆，半径至少为25mm 。 重叠可拆式管束换热器下部壳体应设计成承受超载但不发生能导致管束弯曲的变形。卧式换热器鞍座的底板除一个外，其余都应设置长圆孔，以允许由于热膨胀或收缩引起的纵向移动。长圆孔宽度应等于地脚螺栓直径加8mm，长度应等于地脚螺栓直径加上纵向移动允许量加8mm。如果设置头盖，换热器的设计应允许壳程侧除掉头盖进行充满静水压试验。结构拉撑不应用于承压件。 对固定管板在下部的立式换热器，应提出一种固定管束的合适方法，如果采用带肩螺栓或钻攻丝孔，则至少应设置4个且应标明其位置。铁素体横向折流板和支持板的厚度应不小于2倍规定的壳程侧腐蚀裕量。横向折流板和支持板应具有高10mm的切口以便排液。如果采用防冲挡板，应延伸至超出管孔至少25mm处。如果采用防冲挡板，壳体和管束进口面积(按TEMA标准定义)应不小于进口接管的流通面积。防冲挡板的公称厚度应不小于6rnm防冲挡板应充分支撑，例如至少与两个定距管焊接，以避免由于振动产生机械破坏。不应采用带孔防冲板。如果旁路间隙超过16mm，对非等温操作应采用如图2所示的旁路密封装置(如密封杆、假管或拉杆)且应如下设置: a)如果折流板切口边缘之间距离等于或小于6倍管间距，应在大约折流板切口中间设置一个密封挡板; b)如果折流板切口边缘之间距离超过6倍管间距，应在折流板切口中每5到7管间距长度设置一个密封挡板，折流板切口边缘之间最外层密封不超过75min。 外侧旁路密封应从横向折流板外侧伸进管束，以致最靠近管子之间的间隙不超过管子之间的公称间隙。应设置内旁路密封挡板，以致最靠近管子之间的间隙不超过管子之间的公称间隙。旁路密封挡板应设置成尽可能减少对机械清扫通道的阻碍或易于拆掉的。除非另有规定，对正方形90 54 洛阳理工学院毕业设计论文 度和转角正方形45度管排列应保持连续清扫通道。密封挡板的公称厚度应取横向折流板的公称厚度或6mm二者中较小者。旁路密封挡板应通过与每个折流板一侧的连续焊缝连接到横向折流板上。外侧旁路密封挡板应不限制管束进、出口流体。对于所有质量超过5450kg的可抽式管束，应设置一个连续滑动面以供管束移动。如果采用滑棒，应将其焊到横向折流板或支持板上形成一个连续滑动面。滑道应伸出折流板和支持板外径的0.8倍。滑道和密封带的导向和移动的边缘应倒圆角或斜角，以防止当装入或抽出管束时损害壳体。 管子与管板接头除非买方另有规定，管子与管板接头仅应胀接。如果规定焊接接头，接头应通过下列方法之一焊接:仅强度焊;强度焊加胀接;密封焊加胀接。 法兰连接件应为下列型式之一种:锻造或离心铸造的长焊颈(整体法兰连接)管子焊接到锻造或离心铸造的带颈法兰管子焊接到锻造带颈平焊法兰上。下列任何情况下都不应采用带颈平焊法:如果表压力超过2070kPa;如果设计温度超过40090;如果腐蚀裕量超过3mln( din);如果有氢存在，绝对氢分压超过690kPa;循环操作中，如果压力设计规范要求疲劳分析。 整体补强接管应设计成使标准扳手(转矩扳手)在装螺母时不与加强接管颈相碰。法兰连接的外部环向接头管箱和壳体外部环向接头应为双头螺柱结构。装配后法兰之间的公称间距应不小于3mm。法兰之间的间距应延伸到螺栓圆内以便于检查法兰由于过大的螺栓载荷引起的径向变形。法兰与螺母结合面应局部加工或背面整体加工到ASME B16.5或压力设计规范要求的程度。所有直径为38 mm或更大的螺栓对应的螺母下面都应设置硬化的垫圈，垫圈应至少厚6mm。 对壳体的薄壁波形膨胀节应设置外保护盖。内浮头膨胀节应设置永久的支撑，以免在壳体盖拆掉情况下维修和静水压试验时破坏。支撑应设计成允许膨胀节能够进行全程移动。波形膨胀节应设计成能在正常操作中至少循环1000次。烃介质下的垫片应为内填纤维双面包金属垫、实心金属垫、具有软垫片密封面的锯齿形金属垫或内填纤维缠绕式金属垫。 应规定避免螺旋缠绕垫片过度压缩的办法。起吊构件应为带有一个直径不小于38mm孔的焊在设备上的吊耳或吊环。如有可能，吊耳或吊环应 55 洛阳理工学院毕业设计论文 位于构件的上部，重心以上，否则应设置两个位置合适的吊耳或吊环。起吊构件应设计成能至少支撑2倍的构件重量。对重叠式换热器，在所有浮头盖顶部与垂直中心线大约成45度处设置对称安装两个吊耳或吊环。为便于管束从壳体内抽出，应在固定管板外侧装上耳板或开设环首螺孔。耳板和螺孔应按推拉力至少等于管束质量的50%进行设计;每个螺孔应安装一个与管板面相同材料的丝堵，管堵暴露部分应至少长50mm。所有立式换热器都应设置起吊整台换热器的构件，起吊构件应位于换热器重心以上。 垫片不应含石棉。金属包覆垫、锯齿金属垫或实心金属垫的材料应至少具有与垫片接触面材料相同的抗腐蚀能力。连接保温支撑圈的焊缝不必为连续焊缝。连接其他非受压附件(如吊耳或结构钢支撑)的焊缝应为连续的焊缝。 对暴露在绝对氢分压超过G90kPa的构件，应采用全焊透焊缝。机加工过的接触表面，包括任何螺纹连接件，在热处理过程中，应适当保护避免加工面氧化或烧损。对重叠式换热器，相配的接管法兰通过任一直径测量的不平行值不应超过0.8mm。安装垫片后，所配接管法兰之间的间隙不应超过3mm。螺栓应能顺利地装人和拆出而无变形。支座之间应按要求安装垫板且应点焊定位。 磁粉检测方法、范围和验收准则应遵照压力设计规范。对非磁性材料，应采用液体渗透检测代替所有要求的磁粉检测。液体渗透检测方法和验收准则应遵照压力设计规范。焊缝硬度试验应按照压力设计规范或下列要求，取二者中较严格者:a)构件承压焊缝的焊缝金属和热影响区应进行试验;任何要求的焊后热处理之后应进行检查;c)布氏硬度范围应按照表5;d)除非另有规定，应采用直径为10~的球进行硬度试验;e)如果接管为DN50 ( NPS2)或更大，应测试接管的一条纵焊缝、一条环焊缝及每条接管与壳体的焊缝;f)如果制造的纵或环焊缝采用超过一种焊接工艺进行，则各种工艺进行的熔敷焊缝硬度都应检测。 56 洛阳理工学院毕业设计论文 57