折流杆换热器的计算机辅助概念设计方法

摘要:通过对单程折流杆换热器的计算机自动布管方法进行研究，建立了布管设计的一些基本概念，并且给出了充分利用壳程结构特点进行自动布管的算法以及进行结构合理性检查的表达式。利用此结果，可采用计算机高级语言编程技术，建立单程折流杆换热器自动布管以及工艺、机械设计的软件，便于进一步的壳程结构概念设计与方案选择和评价。

折流杆换热器作为一种新型的高效、低阻、防振动和低积垢的管壳式换热器［１，２］，目前在化工、炼油、食品以及热能动力等行业的用途日益扩大。因此，研究折流杆换热器的结构计算原理，采用计算机进行辅助设计越来越显得重要。

与折流板换热器不同，在进行折流杆换热器的工艺计算、达到给定的性能指标要求以及限定管长度或限定壳程直径的情况下进行布管时，管板上的管子布置、计数与壳程折流圈和折流杆结构尺寸都有很大关系，需要顾及到与折流杆有关的各种因素，如折流杆在折流圈上的分布，折流杆的长度和方向，管子的排列形式（正三角形、转三角形、正方形）。另外，在工艺计算中，为了达到给定的传热任务和压力降指标，一般要进行迭代计算，而每一次试算都要重新进行壳程的结构设计和布管，手工计算繁琐费时，也容易产生人为的计算错误。笔者从便于进行计算机辅助结构快速概念设计的角度，对影响设计计算效率的折流杆换热器中计算机自动布管的算法进行了研究，进而研究了利用计算机软件进行壳程结构整体三维造型问题。根据所提出的算法，可以进行单程或多程管壳式折流杆换热器计算机壳程结构方案设计，利用与现有的计算机软件共享数据，可以实现二维布管图的直接输出，从而在进行计算机工艺设计计算过程中，可以直观检查布管图和壳程结构设计的中间结果，在适当建立若干标准数据库的条件下，采用三维实体造型软件（如Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ，ＡｎｓｙｓＰｒｅｐｏｓｔ，Ｐｒｏ／ｅ，ＵＧ／ＣＡＤ等）输出整个折流杆换热器结构方案的三维概念设计模型，用于设计方案评估和结构装配干涉检查，减少设计错误，从而提高设计效率。

１基本计算原理

从折流杆换热器的壳程结构看，壳程的数个折流圈相互转动规定的角度固定在纵向支持杆上，一般在正方形或三角形布管的情形，每４个折流圈完成对管子的一次完整的支持，而三角形布管甚至可以采用６个折流圈完成对管子的完整支撑。因此，要进行正确的布管，首先应保证壳程的管子受到支撑，从而应当正确地选择折流杆的尺寸。又由于管子是支撑在折流杆网上的，因此确定了折流圈、杆的尺寸和分程及内件的布置情况，则管子在管板上的布置情况就完全确定了。

一般在进行折流杆换热器的工艺计算时，根据给定的工艺参数进行的计算往往需要通过试算来确定壳程的总体结构尺寸参数，如壳程内径、传热面积（管子总数和长度）、折流圈总数和间距、壳程长度等，以达到给定的传热性能和流体阻力降要求［３］。每次重新计算一般都要改变总体结构参数和折流圈的参数，从而使管子的布置情况出现变化，如果采用人工计算方式，则势必花费大量重复布置和计算的时间，同时还可能出现人为的计算错误，影响设计的进程和质量。为此，有必要研究采用计算机进行自动布管的算法和确定折流圈、折流杆的结构尺寸的方法。

折流杆结构尺寸的确定依赖于管子的布置，而其中折流杆长度的计算主要是在确定了杆径及管子尺寸后，确定折流杆和管子在壳程横截面上的位置，并采用数学方法求解杆和管子的位置坐标，求出在布管限定圆周上，各折流圈上折流杆的位置及折流圈中被支持的管子数目。在编制计算程序时，用数组的方式将计算的折流杆长度和所能容纳的管子数目存贮起来（编号），以便在工艺计算中采用。

在折流杆换热器中，管子的排列有正方形和三角形排列两种，壳程的分程情况也可以是单程或多程的，而在利用计算机进行管子的布置时，一般是从壳程横截面的中心向外对称布置的。在工艺计算中，有时是在限定管子长度的条件下，通过试算改变壳程的内径进行要求的传热与流体力学计算（计算机程序中的壳程内径通常作为循环变量）；有时是在限定的壳程内径条件下，通过试算改变管子长度进行设计计算（壳程横截面上的结构布置只需计算一次，以后的计算通过增减管长度———循环变量，从而增减折流圈数目进行）；但最常见的是同时改变管子的长度和壳程内径，并通过计算结果判断壳程是否满足理想的长径比范围来确定设计计算的合理性。

本文主要限于讨论实际应用最广泛的单壳程情况。

& nbsp; ２单程折流杆换热器布管

２．１布管设计方法

进行折流杆换热器自动布管方法的研究，其目的是在壳程结构限定的某个圆周内，通过采用适合于计算机编程处理的算法，确定各种情况下的折流杆束中心线的方程，通过结构干涉判断准则，求解不同的类型的方程组，确定各类折流杆的几何位置参数、各个折流杆的长度以及计数；确定可以布置管子的几何位置参数，管心坐标以及进行管子计数。然后根据所建立的这些数据，完成传热和流体力学计算所需的布管周边长度和布管限定圆的计算，最后利用计算机绘制壳程截面的结构布置简图，输出以供设计人员检查结构设计的中间结果或者利用计算机软件实现干涉的自动检查，决定是否改变参数进行下一轮叠代计算。因此，得到的结构参数和工艺参数都是完成传热和流体力学计算所必须的，对整个折流杆换热器的性能有决定性的影响。

解决折流杆换热器的布管问题，首先要进行壳程结构分析，然后考虑用理论方程描述不同类型的折流杆代表的直线束以及折流圈的曲线方程，最后利用壳程结构参数，循环求取布管空间中的管子坐标，并进行干涉检查和符合设计条件的管子计数，同时建立不同类型的折流杆结构数据和管子结构数据，最终这些数据用于绘制壳程和管程的布置图。

２．２布管情况的分类

一般而言，正三角形布管可以将管子在壳程截面上的布置看成是正六边形从圆心向外逐步扩展形成的几何图形，正六边形的顶点就是管子的中心，考虑到六边形扩展的中心位置，可以将布管设计分成两种情况，即壳程中心布置有管子和壳程中心没有管子两种情况，简称为中心布管（图１）和中心不布管（图２）。实际上，中心布管意味着布管计算从壳程中心的管子开始，而中心不布管则意味着壳程中心有折流杆通过，而布管从中心折流杆两边的管子开始，组成第１个正六边形。实际布管计算表明，这两种布管方式产生的管子总数是不同的。

２．３管束纵向的壳程结构类型

从正三角形布管的管间通道的情况，可以得知这种布管方式的折流杆布置有３种类型，即水平布置的折流杆、正向６０°角布置的折流杆、负向６０°角布置的折流杆。从实现管子沿着管长度的完整支撑的角度看，实际上上述３种类型的折流杆中任意两种或两种以上的组合，都可以实现管束的完整支撑，都可以作为待选的折流杆换热器壳程结构概念设计方案，图３给出了几种支承方案的三维造型：ａ是由水平和负向６０°两种折流杆形成的壳程结构；ｂ是由水平、正负６０°３种折流杆形成的壳程交替支撑结构；ｃ是由水平和正向６０°两种折流杆形成的壳程交替支撑结构；ｄ是由正负６０°两种折流杆形成的壳程交替支撑结构。从图３中可见，ａ、ｂ、ｃ３种支撑情况，都分别需要４个折流圈完成管束的一组完整支撑，而ｄ中则需要有６个折流圈才能完成对管子的一组完整支撑，但在正方形管子布置的情形，折流杆只能有一种唯一的布置方式，即水平折流杆和垂直折流杆的交替支撑方式，４个折流圈完成对管束的一组完整支撑。可见，三角形布管的折流杆换热器的壳程结构设计类型具有比正方形折流杆换热器更加灵活多变的特点。

２．４布管的算法

２．４．１中心布管

对于６０°方向折流杆（图１），利用对称性可以简化计算，将第１根管子定义为中心管子左侧的第１根折流杆，则：

可只计一个半圆上的杆长，然后利用通过圆心的６０°管排中心线为对称轴的特点，得出另一半圆周的杆长以及其他结构数据。

对于６０°负向折流杆，令角度β为负值，带入式（１）计算，得到第２种类型的折流杆以及其他数据。

对于０°水平方向折流杆，利用下列公式，得到第３种类型的折流杆及 其管子的布置数据。折流杆直线方程为：

２．４．２中心不布管

对于６０°方向折流杆，当中心不布管（图２）时，由于中心必有一根折流杆通过，故对于通过中心的折流杆有下列表达式：

同样可以利用以通过圆心的６０°方向折流杆中心线的对称特性，求取另外一半与圆周上的管心坐标，管子计数以及折流杆坐标、折流杆计数等结构设计数据。

对于６０°负向折流杆，令角度β为负值，带入式（３）计算，得到第２种类型的折流杆以及其他数据。

对于０°水平方向折流杆，利用式（２），得到第３种类型的折流杆及其管子布置数据。

由于折流杆结构布置以通过中心的特定方向为对称，故可以利用对称性简化计算程序的编制。

对于单程折流杆换热器，其壳程的结构特点是折流圈维持完整形状，折流杆均与折流圈中心圆相交，每一根折流杆与折流圈有两个交点。因此，直接将所建立的折流杆端点坐标数据用于折流杆长度计算。

３边界管子计数与边界干涉检查

管子计数仍然可以利用结构的对称性。例如，可以选择壳程圆心作为坐标原点，根据管子中心距ｔ、管子外径ｄ０、折流杆直径ｄｒ以及布管的角度β等参数，采用逐根计算管子中心并结合边界干涉检查的方法，通过循环计算，确定管子数目。最终根据对称性得到全部管子数目。

边界管子干涉检查主要确定所排列的管子是否越界，它是确定布管区最外层管子位置的重要依据。当最外层管子的圆心坐标，加上管子外半径与指定的管子外表面和折流圈内径之间隙，超过了折流圈的内半径限定的圆区域，则管子出现越界的干涉。否则，还需继续进行管子布置。管子越界的干涉检查利用下式进行：

在式（４）中，如果Ｇ＞０，则表明最外层管子的外表面已经越过了折流圈内径范围，这根管子将无法满足计数条件，说明不符合布管条件；如果Ｇ≤０，则表明当前计数的管子满足不干涉条件，因此可以计入布管的管子数目中。

４应用实例

本实例以某工厂将折流板管壳式换热器改进为折流杆管壳式换热器的概念设计为例，采用的高级编程语言为ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ６．０［４］，以Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ三维造型软件为二次开发平台，软件的工艺计算采用Ｆｏｒｔｒａｎ高级语言完成，在Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ开发环境［５］中，利用ＶＢ调用由Ｆｏｒｔｒａｎ语言编制的折流杆换热器工艺计算和自动布管与结构设计计算程序产生的数据文件提取实体模型数据，再通过调用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ中的绘图和建模库函数，生成相应的管板、管束、折流杆的三维实体模型和装配体模型。在模型满足工艺条件，并且在软件对模型进行制造装配方面的干涉检查合格后，从三维模型生成二维结构图形。

图４给出了计算机自动设计软件的结构概念设计部分界面。在限定壳程内径条件下，变动管子长度以满足传热和流体力学参数的要求，输出的中心布管的壳程结构概念设计结果，壳程内径设定为４００ｍｍ，换热管选择为１９ｍｍ&ti mes;２ｍｍ的标准无缝钢管，折流杆直径６ｍｍ，折流圈的尺寸为１２ｍｍ，根据换热器设计规范选择管心距，再根据折流杆的结构尺寸计算实际布管后的管心距数据。由于折流圈采用纵向支持杆支撑定位，因此不再需要拉杆。自动布管程序生成的内容包括，管板上管子的二维布置、各类折流圈的几何结构尺寸、各类折流杆的尺寸数据以及整个壳程上折流圈的布置，折流杆换热器的工艺计算和结构模型概念设计的程序界面如图５所示。由自动造型软件生成的三维实体模型简图如图６所示，其中以简洁的方式给出了折流圈、折流杆与管子、管板的装配关系，并且显示了主要装配件———折流圈的结构简图，便于在初步设计时快速察看主要的装配关系是否正确，有利于快速修改。图８给出了在确定局部装配关系合理的情况下，最终形成的壳程管束三维造型图，图７给出了软件可以同步显示的壳程横截面上管子布置图，采用二维模式表达。

５结束语

本文通过探讨单程折流杆换热器的计算机自动布管以及壳程结构三维造型的概念设计问题，给出了常用的单程折流杆换热器的壳程布管计算方法，建立了进行折流杆换热器壳程布管设计的一些基本原则以及管子越界干涉检查判断准则。根据本文的结果，采用常用的任意一种计算机高级语言编制程序，可以完成折流杆换热器的自动计算机布管、若干传热计算和水力工艺计算的关键几何参数的确定，进而可以利用三维ＣＡＤ造型软件的二次开发功能进行工艺计算、壳程结构方案的选型及评价，大大加快了折流杆换热器的设计进程。