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基于SolidWorks的换热器换热效率模拟分析哈尔滨理工大学学士学位论文 基于SolidWorks的换热器换热效率模拟分析 摘要 换热器是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、航空及其他许多工业部门广泛使用的一种通用工艺设备。换热器不仅能够合理调节工艺介质的温度以满足工艺流程的需要，也是余热、废热回收利用的有效装置。鉴于换热器在工业生产中的重要作用及其能耗较大的现状，改进和提高换热器的性能及传热效率成为节能降耗的重要途径，将产生重要的经济和社会效益。目前，计算机仿真已经成为一种重要的科研方法，我们可以利用计算机仿真进行换热情况的研究。 本论文首先阐述了换热器的发展特点及国内外的研究情况，其次对流体力学分析从基本理论、处理问题的思路步骤和在软件SolidWorks中的应用进行了阐述，并通过SolidWorks对套管式进行三维建模，利用流体分析工具Flow Simulation插件对换热器进行动态分析。从而得到分析数据，数据主要利用图例从对称边界条件、流体子区域、边界条件、固体材料、体积目标说明换热器的换热情况。 应用SolidWorks软件仿真可以降低研究成本，缩短产品的开发周期，提高工作效率。本文通过对换热器的三维建模，有助于了解换热器的基本结构。对换热器的运动仿真及应用Flow Simulation进行仿真的方法可以为换热器安全性和经济效率的后续研究提供了一些参考。 关键词： SolidWorks；Flow Simulation；换热器；三维建模；流体分析 - I - 哈尔滨理工大学学士学位论文 Analysis of heat exchanger efficiency based on the Solidworks flow simulation Abstract Heat exchanger is a universal process equipment of chemical, food, light industry and pharmacy, aerospace, nuclear and many other industrial departments. Heat exchanger not only can be reasonable adjustment process medium temperature to satisfy the need, but also can be process waste heat recovery and utilization device. Since heat exchanger in industrial production have the important role of the status of large energy consumption, improving the efficiency of heat exchanger performance and becoming the important way, energy consumption will produce an important economic and social benefits. At present, the computer simulation has become an important tool, we can use the computer simulation research of stamping safety. This paper elaborates the characteristics and development of heat exchanger and the research situation of physical analysis, secondly, the convection from basic theory, handling problems and application in software SolidWorks are expounded, and through three-dimensional type of casing SolidWorks modeling, Simulation of fluid Flow analysis tool for heat exchanger for dynamic analysis .To analyze data, using data from the symmetrical boundary conditions, and illustrations area, fluid boundary conditions, the solid material, the volume of the heat exchanger that goal. Application of SolidWorks software simulation studies to reduce costs, shorten product development cycles, improving work efficiency. Based on the three-dimensional modeling of the heat exchanger, heat exchanger can understand the basic structure of the heat exchanger . The motion simulation of - II - 哈尔滨理工大学学士学位论文 heat flow and application simulation method of simulation for safety and economic efficiency of heat exchanger follow-up study provides some reference. Key words：SolidWorks; Flow Simulation; heat exchanger; three-dimensional modeling；fluid analysis - III - 哈尔滨理工大学学士学位论文 目录 摘要 . I Abstract . II 第1章 绪论 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 国内、外研究现状 . 1 1.3 研究内容、目的及意义 . 5 第2章 建模仿真方法 . 7 2.1 三维建模 . 7 2.2 SolidWorks 软件简介 . 8 2.2.1 系统简介 . 8 2.2.2 系统要求 . 9 2.3 Solidworks软件建模 . 10 2.4 模拟仿真 . 12 第3章 换热器的建模 . 13 3.1 换热器模型的建立 . 13 3.1.1 模型的简化 . 13 3.1.2 建模方案 . 13 3.1.3 换热器主要零件模型的建立 . 14 3.1.4 换热器盖体的建立 . 17 3.2 换热器模型的装配 . 18 3.2.1 装配体基本操作方法 . 18 3.2.2 换热器的装配 . 18 第4章 应用Flow Simulation进行数值模拟及验证 . 21 4.1 套管式换热器换热系数的计算公式 . 21 4.2 创建Flow Simulation数值仿真项目 . 21 4.2.1 创建项目 . 21 4.2.2 定义流体子区域 . 23 4.3 定义边界条件 . 25 4.3.1 定义边界范围 . 25 4.3.2 定义固体材料 . 26 4.3.3 定义体积目标 . 26 4.4 验证数据及观察图形 . 27 4.4.1 运行计算 . 27 - IV - 哈尔滨理工大学学士学位论文 4.4.2 观察目标 . 27 4.4.3 创建切面云图 . 28 4.4.4 显示流动迹线 . 29 4.4.5 表面参数计算 . 30 4.4.6 计算热交换系数 . 31 4.4.7 定义参数显示范围 . 32 结论 . 34 致谢 . 35 参考文献 . 36 附录 . 38 - V - 哈尔滨理工大学学士学位论文 第1章 绪论 1.1 课题背景 换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。套管换热器是使两种或多种流体之间进行能量交换的设备，是化工、制冷等系统中广泛应用的换热器。其具有结构紧凑、耐高压、传热强度大的特点，被大量应用于冷热水机组。 目前套管式换热器占据着换热器市场37%，在电厂热力系统、冶金、炼钢、制冷、化学等工业中应用极为广泛，并在这些行业中发挥着重要的作用。套管式换热器性能的高低对于这些高耗能行业的节能具有重要的意义，同时也是这些行业节能战略的重要突破点。因此，套管式换热器多年以来一直是人们关注的焦点，他们通过不同的方法来提高换热器的换热性能。许多企业在家用空调设计时会采用套管换热器与翅片管换热器配合使用，以提高系统整机效能。只有准确地预测换热器性能，掌握换热器的换热效率，才能进一步优化设计并提高系统的性能。根据现有实验表明，在实际运行过程中，换热器的各种条件不会一成不变，时刻处于不稳定状态。如何控制换热器运行在最佳工况，需要对换热器的动态特性进行研究1。 同时，从外部环境来看，近年来，能源资源问题日趋严重，随着人们对可持续发展重要性的认识，节能意识的不断提高，就对换热效率提出了更高的要求。作为重要的能量交换设备的换热器，它的效率的提高无疑对于能源的有效利用有重要意义2。 传统的换热器设计方法往往由于经验估算精度差，样机的设计修改、制作与测试的次数较多，而造成开发周期过长、开发费用巨大，并且很难使开发的产品达到最节能、节材的设计效果。而采用计算机仿真的方法，以换热器内部传热传质机理为理论依据，在计算机上建立换热器模型，可以减少对实际样机测试的依赖程度，这将大大提高对换热器性能预测的快速性和准确性，所以已经成为现代产品设计的主要发展方向3。 1.2 国内、外研究现状 尽管计算机及其应用技术已经深入换热器研究开发的各个方面，特别是CFD技术大大促进和推动了换热器研究设计技术的升级发展，但是实验研究依然在换热器研究开发过程中扮演着重要角色，将理论分析、实验研究、CFD数值模拟三者结合以相互补充，是研究换热器问题的理想而有效的手段。换热器研究开发和设计中往往需要必要的实验环节，对数值模拟- 1 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 结果的准确性和精度进行验证，甚至需要根据实验数据与数值模拟数据的对比结果，修正和调整数值模拟的方法，诸如网格尺寸和划分方法、物理模型和控制参数的选取等，以期在数值模拟的计算速度、准确性、稳定性和精度等方面获得最佳方案。因为以上因素在换热器数值模拟过程中极其关键，不同的网格尺寸和划分方法、尤其是物理模型和控制参数的不同选取方案，数值模拟的结果往往是有所差别的；又如目前较为常用的、用于换热器壳程数值模拟的多孔介质模型，涉及到的分布阻力、分布热源等重要参数，若根据经验来确定，不易把握其准确性，只能通过实验确定。在无法通过经验或理论分析等方式预估换热器内流体流场和温度场的真实特性时，如在进行新的换热器结构开发和性能测试过程中，实验验证将是确保数值模拟结果准确性和精度的必要手段。由于换热器内部结构的复杂性，长期以来换热器包括管壳式换热器的研究和开发都是采用实验的方法，建立实验模型，测量实验数据，进行数据处理，然后回归出换热器的传热与流动阻力等计算关联式，并将其应用于换热器的工程设计中。很显然，实验方法具有直观、真实、可靠的特点，对于认识和探索换热器内的流动及换热特性都能起到非常重要的作用。换热器的种类是很多的，弄清换热器种类对换热器模拟来说也是十分重要的4。 1换热器的发展及特点 二十世纪XX年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。XX年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。XX年代末，瑞典又制造出第一台板壳式换热器，用于纸浆工厂。在此期间，为了解决强腐蚀性介质的换热问题，人们对新型材料制成的换热器开始注意。XX年代左右，由于空间技术和尖端科学的迅速发展，迫切需要各种高效能紧凑型的换热器，再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展，换热器制造工艺得到进一步完善，从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。自XX年代开始，为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要，典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。XX年代中期，为了强化传热，在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。换热器是化工，石油，动力，食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位.在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用更加广泛。换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类即：间壁式、混合式和蓄热式。在三类换热器中间壁式换热器应用最多5。 (1) 间壁式换热器 夹套式换热器：这种换热器是在容器外壁安装夹套制成,结构简单；但其加热面受容器壁面限制，传热系数也不高.为提高传热系数且使釜内液体- 2 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 受热均匀，可在釜内安装搅拌器.当夹套中通入冷却水或无相变的加热剂时，亦可在夹套中设置螺旋隔板或其它增加湍动的措施，以提高夹套一侧的给热系数.为补充传热面的不足，也可在釜内部安装蛇管。夹套式换热器广泛用于反应过程的加热和冷却。 沉浸式蛇管换热器：这种换热器是将金属管弯绕成各种与容器相适应的形状，并沉浸在容器内的液体中。蛇管换热器的优点是结构简单，能承受高压,可用耐腐蚀材料制造；其缺点是容器内液体湍动程度低，管外给热系数小。为提高传热系数,容器内可安装搅拌器。 喷淋式换热器：这种换热器是将换热管成排地固定在钢架上，热流体在管内流动，冷却水从上方喷淋装置均匀淋下，故也称喷淋式冷却器。喷淋式换热器的管外是一层湍动程度较高的液膜，管外给热系数较沉浸式增大很多。另外，这种换热器大多放置在空气流通之处,冷却水的蒸发亦带走一部分热量，可起到降低冷却水温度，增大传热推动力的作用。因此。和沉浸式相比，喷淋式换热器的传热效果大有改善。 套管式换热器：是由直径不同的直管制成的同心套管，并由U形弯头连接而成.在这种换热器中，一种流体走管内，另一种流体走环隙，两者皆可得到较高的流速,故传热系数较大。另外，在套管换热器中,两种流体可为纯逆流，对数平均推动力较大。套管换热器结构简单，能承受高压，应用亦方便(可根据需要增减管段数目)。特别是由于套管换热器同时具备传热系数大，传热推动力大及能够承受高压强的优点，在超高压生产过程(例如操作压力为3000大气压的高压聚乙烯生产过程)中所用的换热器几乎全部是套管式。 管壳式换热器：是最典型的间壁式换热器,它在工业上的应用有着悠久的历史，而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。 (2)混合式换热器：混合式热交换器是依靠冷、热流体直接接触而进行传热的，这种传热方式避免了传热间壁及其两侧的污垢热阻，只要流体间的接触情况良好，就有较大的传热速率。故凡允许流体相互混合的场合，都可以采用混合式热交换器，例如气体的洗涤与冷却、循环水的冷却、汽-水之间的混合加热、蒸汽的冷凝等等。它的应用遍及化工和冶金企业、动力工程、空气调节工程以及其它许多生产部门中。 (3)蓄热式换热器：蓄热式换热器用于进行蓄热式换热的设备。内装固体填充物，用以储蓄热量。一般用耐火砖等砌成火格子。换热分两个阶段进行。第一阶段，热气体通过火格子，将热量传给火格子而贮蓄起来。第二阶段，冷气体通过火格子，接受火格子所储蓄的热量而被加热。这两个阶段交替进行。通常用两个蓄热器交替使用，即当热气体进入一器时，冷气体进入另一器。常用于冶金工业，如炼钢平炉的蓄热室。也用于化学工业，如煤气炉中的空气预热器或燃烧室，人造石油厂中的蓄热式裂化炉。蓄热式换热器一般用于对介质混合要求比较低的- 3 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 场合6。 模拟换热器的动态过程必须要求仿真软件具有如下的特性： 要求空调换热器仿真的基础模型和算法必须具备一定的通用性，以模拟不同工质、不同结构的空调换热器的性能，并能够正确反映换热器在不同工况下的性能。 为最大程度发挥仿真技术的实用价值，在软件的开发过程必须兼顾稳定、速度和精度。现有的换热器仿真大多对模型做了各种简化，有些忽略了管壁的轴向导热，有些忽略了翅片间相互导热，有些忽略了流体压降等。很遗憾的是，目前也没有一个通用的换热器模型能够同时适用于蒸发器和冷凝器两种工况，并综合考虑析湿工况和湿表面工况对换热器性能的影响。而现有求解换热器模型的算法一般分为两种，一种是通过质量来调整流体压力，另一种是通过质量流量来调整流体压力。前者侧重于换热器整体性能参数的求解，但无法准确描述参数的沿程变化，所以在求解换热器动态分布参数模型的时候，大量学者在都采用了后一种算法。但该算法的稳定性很大程度上受压力迭代初值的影响，在压力迭代初值假设偏离真实压力较大的情况下，算法的稳定性会恶化7。 管壳式换热器的研究也是最早开始于实验研究。从XX年起，Begrelni和Culmu便开始了管壳式换热器的实验研究，观察了管束排列、折流板切割高度及间距、泄漏、旁路对壳侧压降和换热的影响，得到了大量实验数据。XX年，Gupat首次利用跟踪粒子较粗略地显示了玻璃换热器壳侧流动情况。XX年，Li采用流场可视化技术进行研究。下弓形折流板换热器第一个折流板隔段的流体流动现象，并以传质类比传热的方法分析了其传热规律。XX年，Klade等利用流场可视化技术研究了针翅表面强化管。工况下用于紧凑式换热器的强化传热，验证了该强化表面管的强化传热性能。美国PhiniPs石油公司于XX年代首先研制成功了折流杆换热器，经较大范围的实验测试，得到了折流杆换热器设计的准数关系式。 董其伍、刘敏珊等研究了纵流式换热器在气一气、气一液等介质无相变、有相变工况下流体流动与传热性能，并得到了目前已用于工程设计的湍流状态下传热系数准数关联式和流动阻力准数关联式。钱颂文等对三种纵流式管束支撑结构进行了实验研究，证明采用变截面扭曲管、绕丝管和光管的混合管束自支撑结构，管程和壳程的传热同时得到强化。罗运禄等对五种支撑条件下气流纵向冲刷和一种弓形折流板支撑气流横向冲刷横纹槽管束的流动和传热性能进行了实验研究，发现横纹槽管束的最佳支撑结构为空心环或弹性波形薄片。曾舟华等对各种异形孔板与弓形折流板进行了对比实验研究，得到了相对于弓形折流板的最佳孔板形式。近年来，激光多谱勒测速仪L粒子图像测速仪等先进实验和测试仪器在流体力学学科的深入应用，为换热器实验研究提供了强有力的实验手段，极大地提高了换热器的实验测试能力，进一步推动了换热器实验研究向着- 4 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 高精度、高效率和数控化方向发展。实验研究固然有其优点，但实验研究周期长、实验过程费用较高，受多方面因素限制，实验模型经过简化后，与工程应用中换热器原型尺寸和结构差别往往较大，难以完全相似，不可避免地存在着原始缺陷与误差，难以进行放大设计和优化设计，且测量误差的存在对测量仪器及测量人员的测量经验都有较高的要求。因此随着换热器向着大型化、高参数化不断发展，单纯依靠实验研究方式已不能很好地适应换热器的研究和开发需要。除实验方法之外，人们越来越认识到寻求一种节省投资、减少浪费且方便可行的研究和开发方式对于进一步深入研究换热器的重要性。基于一定实验数据的数值模拟是获得复杂物理问题详细解的一种节约投资、减少浪费、方便可行的途径8,9,10。 Solidworks是基于Windows平台的三维实体特征建模软件系统，是微机版参数化特征造型软件的新秀，利用了多种流行技术，如草图生成器与面向对象技术，且系统具有可扩展性和集成能力，采用Parasolid作为几何平台和DCM作为约束管理模块，底层功能得到了专业机构的支持，技术相对成熟，具有很强的稳定性。采用特征树和装配树来直观管理产品的设计过程，有严密的几何和尺寸约束关系，清除区分欠约束和全约束，零件、装配图和二维图全程共享关联性约束，它的设计数据100%可以编辑，尺寸、相互关系和几何轮廓形状可以随时修改；Solidworks具有特征管理器，复杂零部件的细节和局部设计安排条理清晰明了，操作简单；Solidworks的全相关技术使得零部件之间和零部件与图纸之间的更新完全同步；Solidworks能自动进行动态约束检查，具有强劲复杂曲面造型能力，能设计表面形状复杂的船体曲面和各种曲面零件；Solidworks既可以先设计立体的饭金零件也可以按零件的平面展开图进行设计。由于以上特点，Solidworks已成为目前微机平台上的主流三维机械设计软件。 2换热系数的计算方法：使用flow simulation来测定逆流式热交换器的效率，并观察里面的温度和流体模式。通过流体和温度样式，可以使用flow simulation来直接决定热交换器效率。设计师能借此理解整个物理过程的情况下改善他们的设计。最方便了解热交换器性能的方法就是两侧从高温流体到另一低温流体的过程中，转移了多少热“效率”。如果在所有流体的初始温度是已知的，那么效率就可以决定。因此，只要指定入口温度，就可以很容易的得到出口温度11。 1.3 研究内容、目的及意义 本课题要利用计算流体力学软件，通过对管壳式换热器内流体流动和换热进行数值模拟，计算出换热器内的流动和换热系数的大小。具体的任务如下： 1选择套管式换热器进行性能研究，对它们的物理意义和应用范围进- 5 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 行研究，从中选出适用于供热系统中换热器的评价参数。 2应用SolidWorks软件对换热器主要部分进行三维建模，再利用转配过程组成一个完整的套管式换热器。 3通过研究模拟得到的可视化速度场、温度场、压力场，可以清楚地看到壳侧流体复杂的运动和换热，分析比较不同的折流板结构下壳侧流体的流动和换热情况。 4对套管式换热器的热效率进行优化。 - 6 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 第2章 建模仿真方法 2.1 三维建模 建立系统模型的过程。又称模型化。建模是研究系统的重要手段和前提。凡是用模型描述系统的因果关系或相互关系的过程都属于建模。图描述的关系各异，所以实现这一过程的手段和方法也是多种多样的。可以通过对系统本身运动规律的分析，根据事物的机理来建模；也可以通过对系统的实验或统计数据的处理,并根据关于系统的已有的知识和经验来建模。还可以同时使用几种方法。 系统建模主要用于三个方面。 1分析和设计实际系统。例如工程界在分析设计一个新系统时，通常先进行数学仿真和物理仿真实验，最后再到现场作实物实验。数学仿真比物理仿真简单、易行。用数学仿真来分析和设计一个实际系统时，必须有一个描述系统特征的模型。对于许多复杂的工业控制过程，建模往往是最关键和最困难的任务。对社会和经济系统的定性或定量研究也是从建模着手的。例如在人口控制论中，建立各种类型的人口模型，改变模型中的某些参量，可以分析研究人口政策对于人口发展的影响。 2预测或预报实际系统的某些状态的未来发展趋势。预测或预报基于事物发展过程的连贯性。例如根据以往的测量数据建立气象变化的数学模型，用于预报未来的气象。 3对系统实行最优控制。运用控制理论设计控制器或最优控制律的关键或前提是有一个能表征系统特征的数学模型。在建模的基础上，再根据极大值原理、动态规划、反馈、解耦、极点配置、自组织、自适应和智能控制等方法，设计各种各样的控制器或控制律12。 系统建模主要用于3个方面对于同一个实际系统，人们可以根据不同的用途和目的建立不同的模型。但建立的任何模型都只是实际系统原型的简化，因为既不可能也没必要把实际系统的所有细节都列举出来。如果在简化模型中能保留系统原型的一些本质特征，那么就可认为模型与系统原型是相似的，是可以用来描述原系统的。因此，实际建模时，必须在模型的简化与分析结果的准确性之间作出适当的折衷，这常是建模遵循的一条原则。现在应用建模和模拟的软件有很多，应用比较多的有CAD、CAE软件。 计算机辅助设计指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作，简称CAD。在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量- 7 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 的计算、分析和比较，以决定最优方案；各种设计信息，不论是数字的、文字的或图形的，都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索；设计人员通常用草图开始设计，将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成；由计算机自动产生的设计结果，可以快速作出图形显示出来，使设计人员及时对设计作出判断和修改；利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作。CAD 能够减轻设计人员的劳动，缩短设计周期和提高设计质量13。 AutoCAD是由美国Autodesk欧特克公司于二十世纪八十年代初为微机上应用CAD技术而开发的绘图程序软件包，经过不断的完善，现已经成为国际上广为流行的绘图工具。从AutoCAD2000开始，该系统又增添了许多强大的功能，如AutoCAD设计中心、多文档设计环境、Internet驱动、新的对象捕捉功能、增强的标注功能以及局部打开和局部加载的功能，从而使AutoCAD系统更加完善14。 CAE是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。其基本思想是将一个形状复杂的连续体的求解区域分解为有限的形状简单的子区域，即将一个连续体简化为由有限个单元组合的等效组合体；通过将连续体离散化，把求解连续体的场变量问题简化为求解有限的单元节点上的场变量值。此时求解的基本方程将是一个代数方程组，而不是原来描述真实连续体场变量的微分方程组，得到的是近似的数值解，求解的近似程度取决于所采用的单元类型、数量以及对单元的插值函数。 2.2 SolidWorks 软件简介 2.2.1 系统简介 Solidworks是基于Windows平台的三维实体特征建模软件系统，是微机版参数化特征造型软件的新秀，利用了多种流行技术，如草图生成器与面向对象技术，且系统具有可扩展性和集成能力，采用Parasolid作为几何平台和DCM作为约束管理模块，底层功能得到了专业机构的支持，技术相对成熟，具有很强的稳定性。采用特征树和装配树来直观管理产品的设计过程，有严密的几何和尺寸约束关系，清除区分欠约束和全约束，零件、装配图和二维图全程共享关联性约束，它的设计数据100%可以编辑，尺寸、相互关系和几何轮廓形状可以随时修改；So