Detail publikace

Software pro tvorbu a úpravy geometrií tepelných výměníků se svazkem trubek v plášti

LÉTAL, T.

Český název

Software pro tvorbu a úpravy geometrií tepelných výměníků se svazkem trubek v plášti

Anglický název

Software Tool for Creating and Modifying Parametric Shell and Tube Heat Exchanger Geometry

Typ

článek ve sborníku ve WoS nebo Scopus

Jazyk

en

Originální abstrakt

This paper presents software for creation and manipulation of parametric shell and tube heat exchanger geometry. Presented software is a key part in developing software for mechanical design or check of shell and tube heat exchangers according to (EN 13445 Unfired pressure vessels, 2009), which will also have optimization capabilities. Presented software is using only freely available open source software. A shell and tube heat exchanger can be described by a group of parameters. Structural analysis methods evaluate individual components separately, but they usually require (among other things) thorough knowledge of surrounding components geometries. In case of checking an already manufactured exchanger, a user has to input all the necessary parameters into software for structural analysis just once, and evaluate the design very efficiently. However, in case of design, where the final geometry is not known yet, a designer has to check multiple designs while adjusting some parameters and keeping track of their dependencies. The last task could be simplified if the exchanger geometry was modelled as a parametric assembly with automatic update procedure for changing dependent parameters. Shell and tube heat exchanger geometry can be easily represented as an assembly of parts, such as shells, heads, flanges, tubes, tubesheets, baffles, saddle supports, etc. Most of these part classes have a few shape types which are not developed further. Such parts can be prepared in a database as parametric models. Afterwards, the model of exchanger geometry can be easily assembled using these parametric parts and constraints. Currently there is no software which would be able to optimize mechanical design of shell and tube heat exchangers according to (EN 13445 Unfired pressure vessels, 2009). Since in general, the strength of a component depends on surrounding components, single components cannot be optimized separately. There is obvious need for parametric model tailored for purposes of heat exchanger mechanical design optimization. Parametric geometric assembly is a key part of the model. Presented software used history-based multi-level assembly design. Parts and subassemblies are absolutely positioned in local subassembly coordinate systems. Items in assembly tree are ordered and their defining parameters may depend on the parameters of previous items. Parameters and low level connections can be visualised as an acyclic directed graph. Software was created in the Python programming language. Libraries PythonOCC and wxPython were used for creating geometry and graphical user interface respectively. A user can add, modify or delete parts of predefined types and high level connections between them. When modifying a part, user is allowed to directly change only independent parameters. Thanks to PythonOCC, created geometry can be easily exported to standard STEP format and therefore can be used in other software e.g. for FEM or CFD analyses.

Český abstrakt

Článek popisuje software pro tvorbu a práci s parametrickým modelem geometrie výměníku se svazkem trubek v plášti, jehož cílem je usnadnit návrh a kontrolu těchto zařízení a to zejména po pevnostní stránce. Důraz je kladen také na využívání volně dostupných softwarů, které výrazně usnadňují implementaci uvažovaných řešení. Tepelný výměník se svazkem trubek v plášti lze popsat souborem mnoha parametrů. Metody hodnocení pevnosti jednotlivých prvků vyžadují mimo jiné podrobnou znalost geometrie jednotlivých prvků a jejich okolí. To není problém při kontrolním pevnostním výpočtu, kdy jsou všechny parametry známé a je třeba je zadat jenom jednou. Při návrhu výměníku je však třeba parametry měnit, což může vzhledem k provázanosti parametrů vyžadovat změny závislých parametrů a nové ověření pevnosti všech změněných uzlů. Parametry geometrie jsou provázány a změna jednoho z nich může způsobit změnu dalších a nutnost přehodnocení pevnosti více prvků. Práci s parametry geometrie lze významně usnadnit tvorbou virtuálního modelu výměníku, který kromě uchování parametrů zařízení zajistí také aktualizace závislých parametrů. Pro možnost automatizace hodnocení pevnosti upraveného návrhu výměníku je třeba vytvořit jeho virtuální model, který kromě uchování parametrů zařízení zajistí také aktualizace závislých parametrů. Důležitou součástí virtuálního modelu výměníku je jeho geometrie. Tu lze nejjednodušeji reprezentovat jako sestavu, která je složena z prvků a vazeb. Velká část prvků výměníku je již po tvarové stránce ustálená a neprochází téměř žádným vývojem. Prvky této kategorie jsou v softwaru předdefinovány a lze je snadno vkládat do sestavy, upravovat jejich parametry a vazby s jinými prvky. Nejnáročnější problém řešené implementace představuje propojení jednotlivých prvků vazbami a aktualizace těchto vazeb. Prototyp softwaru pro práci s parametrickým modelem byl vytvořen v jazyce Python. Protože není snadné vytvořit parametrický model geometrie od základu, bylo při jeho implementaci a testování využito volně dostupných knihoven, zejména PythonOCC a wxPython. PythonOCC umožňuje tvorbu geometrických prvků (B-Rep) a manipulaci s nimi. Knihovna wxPython byla využita pro tvorbu grafického rozhraní, ve kterém je možné zobrazovat 3d model sestavy výměníku a nastavovat jeho parametry. Další práce bude zaměřena zejména na vylepšování systému vazeb mezi prvky, a to tak, aby umožňoval snadnější úpravy sestavy výměníku. Předmětem navazující práce bude doplnění datového modelu výměníku o další nezbytné parametry, jakou jsou materiály, provozní média a provozní podmínky. V budoucnu budou také implementovány různé metody hodnocení výměníku a optimalizační algoritmy, které budou úzce propojeny s datovým modelem výměníku.

Anglický abstrakt

This paper presents software for creation and manipulation of parametric shell and tube heat exchanger geometry. Presented software is a key part in developing software for mechanical design or check of shell and tube heat exchangers according to (EN 13445 Unfired pressure vessels, 2009), which will also have optimization capabilities. Presented software is using only freely available open source software. A shell and tube heat exchanger can be described by a group of parameters. Structural analysis methods evaluate individual components separately, but they usually require (among other things) thorough knowledge of surrounding components geometries. In case of checking an already manufactured exchanger, a user has to input all the necessary parameters into software for structural analysis just once, and evaluate the design very efficiently. However, in case of design, where the final geometry is not known yet, a designer has to check multiple designs while adjusting some parameters and keeping track of their dependencies. The last task could be simplified if the exchanger geometry was modelled as a parametric assembly with automatic update procedure for changing dependent parameters. Shell and tube heat exchanger geometry can be easily represented as an assembly of parts, such as shells, heads, flanges, tubes, tubesheets, baffles, saddle supports, etc. Most of these part classes have a few shape types which are not developed further. Such parts can be prepared in a database as parametric models. Afterwards, the model of exchanger geometry can be easily assembled using these parametric parts and constraints. Currently there is no software which would be able to optimize mechanical design of shell and tube heat exchangers according to (EN 13445 Unfired pressure vessels, 2009). Since in general, the strength of a component depends on surrounding components, single components cannot be optimized separately. There is obvious need for parametric model tailored for purposes of heat exchanger mechanical design optimization. Parametric geometric assembly is a key part of the model. Presented software used history-based multi-level assembly design. Parts and subassemblies are absolutely positioned in local subassembly coordinate systems. Items in assembly tree are ordered and their defining parameters may depend on the parameters of previous items. Parameters and low level connections can be visualised as an acyclic directed graph. Software was created in the Python programming language. Libraries PythonOCC and wxPython were used for creating geometry and graphical user interface respectively. A user can add, modify or delete parts of predefined types and high level connections between them. When modifying a part, user is allowed to directly change only independent parameters. Thanks to PythonOCC, created geometry can be easily exported to standard STEP format and therefore can be used in other software e.g. for FEM or CFD analyses.

Klíčová slova česky

tepelný výměník se svazkem trubek v plášti, geometrie, software

Klíčová slova anglicky

shell and tube heat exchanger, geometry, software

Rok RIV

2014

Vydáno

23.08.2014

Nakladatel

Aidic Servizi S.r.l.

Místo

Milan, Italy

ISBN

978-88-95608-30-3

ISSN

2283-9216

Kniha

Proceedings of the 17th Conference on Process Integration, Modelling and Optimisation for Energy Saving and Pollution Reduction PRES 2014

Ročník

39

Strany od–do

1345–1350

Počet stran

6

BIBTEX


@inproceedings{BUT109324,
  author="Tomáš {Létal},
  title="Software Tool for Creating and Modifying Parametric Shell and Tube Heat Exchanger Geometry",
  booktitle="Proceedings of the 17th Conference on Process Integration, Modelling and Optimisation for Energy Saving and Pollution Reduction PRES 2014",
  year="2014",
  volume="39",
  month="August",
  pages="1345--1350",
  publisher="Aidic Servizi S.r.l.",
  address="Milan, Italy",
  isbn="978-88-95608-30-3",
  issn="2283-9216"
}