含相变管壳式换热器计算机辅助设计

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第一章 绪论

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

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

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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。

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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]。

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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：

1.3 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。

（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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