CN105335586B - 用于换热器设计中建立自动布管模型的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于换热器设计中建立自动布管模型的方法，根据获得的换热器基本数据确定得出布管所需参数，计算出换热器中心到隔板槽的垂直距离；根据网格是否连续，计算隔板槽位置；搭建初步布管模型，根据不同的换热管排列形式，抽象出对应的数学模型，根据选择的分程布置形式特点，在管程所覆盖的象限中按照抽象出的数据模型进行管子排列；初步布管模型自动校核调整，获取最优结构，输出建立的最优通用自动布管的模型。本发明方法操作简单、算法简便、通用性强，基于数值分析与几何图形相结合的方法搭建出来低管程到高管程的通用自动布管模型，并进行无限拟合优化，大大提高了布管准确率。

Description

用于换热器设计中建立自动布管模型的方法

技术领域

本发明涉及计算机辅助设计化工领域，具体涉及用于换热器设计中建立自动布管模型的设计方法，根据换热器基本参数，获得用于浮头式、固定管板式和U型管式换热器的由低到高管程的布管设计的自动布管模型。

背景技术

石油化工行业中，换热器是比较常用的能源交换设备。在换热器的设计过程中，换热管的排布是比较重要的一个环节，布管是否精确直接决定了换热器的换热效果。折流板、支持板的建立也和管子排布紧密联系。管子的排布又是一项非常繁琐的工作，设计人员常根据经验手工布管，先是按照经验值估算排管，然后进行多次试算，以及绘图修改确定，尤其当高管程布管时，容易造成较大误差，使准确性大大降低。因此这种传统设计模式劳动强度大，耗时多，而且准确性较差。

在换热器布管设计中，经过对现有文献的检索发现：现有文献中针对布管的建立的模型设计不够精确与简便，没有考虑网格不连续的情况，以及在布管后的基础上，没有考虑管子排布与折流板和支持板的密切联系。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了用于换热器设计中建立自动布管模型的方法，本发明针对网格连续和网格不连续情况，提出了用于换热器设计中建立自动布管模型的方法，该方法基于数值分析与几何图形相结合的方法搭建出来低管程到高管程的通用自动布管模型，并进行无限拟合优化，通过c++在软件开发平台编程实现从初步布管模型到精确布管模型的转化，实现了布管模型的重构，获得最优布管模型。布管模型建立后，根据布管效果，建立折流板和支持板，折流板切边过管子中心，支持板根据排管形式计算出过管心的八边形和六边形。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

用于换热器设计中建立自动布管模型的方法，包括以下步骤：

根据获得的换热器基本数据确定得出布管所需参数，计算出换热器管板中心到隔板槽的垂直距离；

根据网格是否连续，计算隔板槽位置，其中，网格连续时，进行整张网布管，在整个管板上全部单程布管，布管后计算隔板槽位置，根据得出的换热器管板中心到隔板槽的垂直距离，从管板中心加上相应的垂直距离，进而找到隔板槽起始的位置，再根据隔板槽宽度，即可确定隔板槽位置，计算出单个管板分程处隔板槽的面积，进而单个隔板槽面积求和得到所有分程处隔板槽的面积；

网格不连续时，将管板分开布管，首先根据计算出的中心到隔板槽的垂直距离，得到隔板槽的面积，去掉隔板槽的覆盖区域之后，然后再单独分管程布管；

搭建初步布管模型，根据不同的换热管排列形式，抽象出对应的数学模型，根据选择的分程布置形式特点，在管程所覆盖的象限中按照抽象出的数据模型进行管子排列；

初步布管模型自动校核调整，获取最优结构，输出建立的最优通用自动布管的模型。

进一步的，换热器基本数据包括壳体内径、换热管直径、管程数、换热管排列形式、分程布置形式、隔板槽宽度、隔板槽两侧管心距。

进一步的，网格连续时，根据每个管程的布管面积近似相等的原则，布管限定圆总面积减去隔板槽损失的面积后平均分配各个管程，同时已知管程数、分程布置形式及隔板槽数据，已经确定隔板槽布局，用二分法解方程计算出换热器管板中心到隔板槽的垂直距离，进一步确定隔板槽位置。

进一步的，网格不连续时，单独分管程布管时按照各个基础形状和组合图形进行排管，基础形状分为矩形、梯形两种，组合图形是两种基础形状的组合，基础性状只是涉及到单象限的，组合图形主要涉及到跨象限的图形。

进一步的，搭建初步布管模型：在计算中采用数值分析与几何图形特点相结合来处理不同的换热管排列形式及分程布置形式的布管，正方形排列、转正方形排列、三角形排列和正三角形排列这四种排列形式有不同的几何特点，根据这四种几何特点，抽象出数学模型；根据选择的分程布置形式特点，在管程所覆盖的象限中按照抽象出的数据模型进行管子排列。

进一步的，根据初步管子排布结果，计算出实际顶部空间高度和底部空间高度，实际顶部空间高度指的是最上面一排换热管外壁到壳体的最顶部的距离，实际底部空间高度指的是最下面一排换热管外壁到壳体的最底部的距离，同时，还根据需求在布管区精确设置拉杆位置和档管位置，搭建完成初步布管模型。

进一步的，布管模型自动校核调整，获取最优结构，由获取的初步布管模型，统计出当前每个管程的布管误差，然后将参数调整一个步幅，比较调整后误差和调整前误差值，判断是在上升区间还是下降区间，当为上升区间时，减小不一个步幅，当为下降区间时，增加一个步幅，采用无限拟合最优结果方式直到找到位于上升区间和下降区间之间的最优解。

进一步的，根据调整后的布管模型建立出合适的折流板和支持板：根据输出的布管模型，创建折流板并自动调整，使折流板的切边过管子中心；创建支持板，根据管子排布情况自动调整：当支持板为正方形和转正方形布管时，根据折流板流通面积计算出支持板各边都过管子中心的八边形；当为三角形和转正三角形排布时，计算出支持板各边过管子中心的六边形，此种支持板起到了折流和支持的作用。

进一步的，所述输出的布管模型用于浮头式、固定管板式和U型管式换热器的由低到高管程的布管。

本发明的有益效果：

本发明方法操作简单、算法简便、通用性强，基于数值分析与几何图形相结合的方法搭建出来低管程到高管程的通用自动布管模型，并进行无限拟合优化，大大提高了布管准确率。解决了当前传统布管模式人工强度较大，准确率较低的问题，可以很好的满足换热器设计中各种布管需求。

本发明输出建立的最优通用自动布管的模型是得出的最优布管模型，以此最优结果进行布管，提高换热器设计的结构稳定性和换热效率。

附图说明

图1寻找最优解基本步骤；

图2支持板切边八边形说明图；

图3获取最优布管模型流程图；

图4本发明的整体流程示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图4所示，在换热器布管设计面模型基础上，根据换热器设计中的布管基本信息，通过数值分析与几何图形结合确定得出布管所需参数；根据网格是否连续，计算隔板槽位置；初步搭建布管模型；初步布管模型自动校核调整，获取最优结构。根据布管效果，建立折流板和支持板，折流板切边自动调整到过管子中心，支持板根据排管形式计算出过管心的八边形和六边形。本方法具有操作简单、算法简便、通用性强，准确率高，可以很好的满足换热器设计中各种布管需求。

更为详细的实施例子：

步骤1.用户通过界面区交互操作区输入基本信息，包括壳体内径、换热管直径、管程数、换热管排列形式、分程布置形式、隔板槽宽度、隔板槽两侧管心距等；

步骤2.根据步骤1中获得的布管基本信息，计算得出布管中的重要参数实施步骤：步骤1中通过用户交互的操作方式获取用户需求的基本信息，计算机根据这些基本信息运用二分法计算出布管中的重要参数，即布管从中心到每块隔板槽的垂直距离即隔板槽靠近中心那一侧的位置，根据每个管程的布管面积近似相等的原则，布管限定圆总面积减去隔板槽损失的面积后平均分配各个管程。GB151中管程的布置形式是固定的，根据每种管程的布置形式进行几何运算，在这里计算采用的是二分法求解出各隔板槽的垂直距离。由于布管结构的对称性，只需计算出对称隔板槽中的其中一个即可，将计算后的参数数据存储。

步骤3.根据网格是否连续，计算隔板槽位置实施步骤：用户通过界面交互操作设定网格是否连续。网格不连续时，需要用户选择中心是否布管。

网格连续时，计算机进行整张网布管，然后依据步骤2中获得的基本参数进行分程处理。网格连续是指整张网布管，在整个管板上全部单程布管，布管后计算隔板槽位置，根据得出的换热器管板中心到隔板槽的垂直距离，从管板中心加上相应的垂直距离，进而找到隔板槽起始的位置，在根据隔板槽宽度，即可确定隔板槽位置。根据最新版的GB151中管板分程处面积的计算方法计算出隔板槽的面积，进而单个隔板槽面积求和得到所有分程处隔板槽的面积；

网格不连续时，根据步骤2中获得的基本参数进行隔板槽计算，在整个管板上去掉当前隔板槽及隔板槽两侧管心距所覆盖区域。

去掉隔板槽的覆盖区域之后，然后再单独分管程布管。单独布管时按照各个基础形状和组合图形进行排管。基础形状分为矩形、梯形两种。组合图形为两种基础形状的组合。基础形状只是涉及到单象限的，组合图形主要涉及到跨象限的图形。

实际布管区域为管板上布管限定圆内的布管区域减去隔板槽以及隔板槽两侧管心距所覆盖区域后的剩余区域面积。

步骤4.初步搭建布管模型的实施步骤：

用户在操作界面区域设置分程布置形式，根据设置的分程布置形式几何特点，计算机后台调用共通的数学模型函数，根据参数不同进行布管模型搭建。用户可以在界面操作区域根据需求进行顶部空间和底部空间高度调整，并获取模型搭建后的真实的顶部空间和底部空间值。

用户可以根据需求在图形操作区域设置拉杆和档管，计算机后台直接获得客户所需创建拉杆和档管的精确位置，创建拉杆和档管。

步骤5.建立初步模型后，根据最初布管模型中的管子数据算出平均布管数。采用无限拟合最优结果方式来获取最优解。基本步骤如图1所示，由步骤(4)获取的初步通用数据模型，统计出当前每个管程的布管误差，然后将参数调整一个步幅。比较调整后误差和调整前误差值，判断是在上升区间还是下降区间，当为上升区间时，减小不一个步幅，当为下降区间时，增加一个步幅。直到找到位于上升区间和下降区间的最优解。

计算机后台进行拟合运算，调整步幅后，迭代调用布管函数。重新建模，统计当前管程的误差，算出当前管程的误差，并比较调整，直到无限逼近最优模型。如图3所示，获取最优布管模型。

步骤6.完成所有布管建模后，将布管最优模型输出。

步骤7.根据布管结果建立出合适的折流板和支持板。考虑到折流板和支持板的设置与管子排布有密切关系，根据输出的布管模型，建立折流板并自动调整，使折流板的切边过管子中心。创建支持板，根据管子排布情况进行自动调整，如图2所示，当布管形式为正方形或者转正方形布管时，根据折流板流通面积计算出支持板各边都过管子中心的八边形，当为三角形或者转正三角形排布时，计算出支持板各边过管子中心的六边形，此种支持板起到了折流和支持的作用。

用户可以在界面操作区域设置折流板和支持板的基本参数。计算机后台进行自动切边进行折流板和支持板设置。同时允许用户根据特殊需求在图形操作区域进行切边调整。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.用于换热器设计中建立自动布管模型的方法，其特征是，包括以下步骤：

根据获得的换热器基本数据确定得出布管所需参数，计算出换热器管板中心到隔板槽的垂直距离；

根据网格是否连续，计算隔板槽位置，其中，网格连续时，进行整张网布管，在整个管板上全部单程布管，布管后计算隔板槽位置，根据得出的换热器管板中心到隔板槽的垂直距离，从管板中心加上相应的垂直距离，进而找到隔板槽起始的位置，再根据隔板槽宽度，即可确定隔板槽位置，计算出单个管板分程处隔板槽的面积，进而单个隔板槽面积求和得到所有分程处隔板槽的面积；

网格不连续时，将管板分开布管，首先根据计算出的中心到隔板槽的垂直距离，得到隔板槽的面积，在整个管板上去掉当前隔板槽及隔板槽两侧管心距所覆盖区域之后，然后再单独分管程布管；

搭建初步布管模型，根据不同的换热管排列形式，抽象出对应的数学模型，根据选择的分程布置形式特点，在管程所覆盖的象限中按照抽象出的数据模型进行管子排列；

初步布管模型自动校核调整，获取最优结构，输出建立的最优通用自动布管的模型。

2.如权利要求1所述的用于换热器设计中建立自动布管模型的方法，其特征是，换热器基本数据包括壳体内径、换热管直径、管程数、换热管排列形式、分程布置形式、隔板槽宽度及板槽两侧管心距。

3.如权利要求1所述的用于换热器设计中建立自动布管模型的方法，其特征是，网格连续时，根据每个管程的布管面积近似相等的原则，布管限定圆总面积减去隔板槽损失的面积后平均分配各个管程，同时已知管程数、分程布置形式及隔板槽数据，已经确定隔板槽布局，用二分法解方程计算出换热器管板中心到隔板槽的垂直距离，进一步确定隔板槽位置。

4.如权利要求1所述的用于换热器设计中建立自动布管模型的方法，其特征是，网格不连续时，单独分管程布管时按照各个基础形状和组合图形进行排管，基础形状分为矩形、梯形两种，组合图形是两种基础形状的组合，基础形状只是涉及到单象限的，组合图形主要涉及到跨象限的图形。

5.如权利要求1所述的用于换热器设计中建立自动布管模型的方法，其特征是，搭建初步布管模型：在计算中采用数值分析与几何图形特点相结合来处理不同的换热管排列形式及分程布置形式的布管，正方形排列、转正方形排列、三角形排列和转正三角形排列这四种排列形式有不同的几何特点，根据这四种几何特点，抽象出数学模型；根据选择的分程布置形式特点，在管程所覆盖的象限中按照抽象出的数据模型进行管子排列。

6.如权利要求5所述的用于换热器设计中建立自动布管模型的方法，其特征是，根据初步管子排布结果，计算出实际顶部空间高度和底部空间高度，实际顶部空间高度指的是最上面一排换热管外壁到壳体的最顶部的距离，实际底部空间高度指的是最下面一排换热管外壁到壳体的最底部的距离，同时，还根据需求在布管区精确设置拉杆位置和档管位置，搭建完成初步布管模型。

7.如权利要求1所述的用于换热器设计中建立自动布管模型的方法，其特征是，布管模型自动校核调整，获取最优结构，由获取的初步布管模型，统计出当前每个管程的布管误差，然后将参数调整一个步幅，比较调整后误差和调整前误差值，判断是在上升区间还是下降区间，当为上升区间时，减小一个步幅，当为下降区间时，增加一个步幅，采用无限拟合最优结果方式直到找到位于上升区间和下降区间之间的最优解。

8.如权利要求1所述的用于换热器设计中建立自动布管模型的方法，其特征是，根据调整后的布管模型建立出合适的折流板和支持板：根据输出的布管模型，创建折流板并自动调整，使折流板的切边过管子中心；创建支持板，根据管子排布情况自动调整：当支持板为正方形和转正方形布管时，根据折流板流通面积计算出支持板各边都过管子中心的八边形；当为三角形和转正三角形排布时，计算出支持板各边过管子中心的六边形，此种支持板起到了折流和支持的作用。

9.如权利要求1-8任一所述的用于换热器设计中建立自动布管模型的方法，其特征是，所述输出的布管模型用于浮头式、固定管板式和U型管式换热器的由低到高管程的布管。