[发明专利]一种带折流板缠绕管式换热器的设计计算方法

权利要求书

1.一种带折流板缠绕管式换热器的设计计算方法，带折流板缠绕管式换热器包括螺旋缠绕管体(1)、折流板(2)、壳体(3)、位于折流板(2)和壳体(3)之间缺口(4)、单流段区域(5)，其特征是带折流板缠绕管式换热器的设计计算方法包括：无相变、单流体相变以及双流体相变三种不同条件的设计计算方法，无相变、单流体相变和双流体相变均采用分流段计算方式，而且无相变、单流体相变设计条件分别采用直接加权叠加方式；双流体相变设计条件各流段的传热需采用独立循环迭代计算；无相变条件的设计计算方法包括第一循环体(6)和第二循环体(7)，计算步骤为：a、设置换热器结构参数以及流体初始参数，b、选择管程和壳程传热模型，c、获取第一流体段的管程传热系数h_tube、壳程传热系数h_she11，d、首次计算热负荷Q1，以第一流体段的管程传热系数h_tube或壳程传热系数h_she11为预设值，e、以第一流体段的壳程传热系数h_she11为预设值进入第一循环体(6)的计算，并通过Q1＝Cp1×m1×DT1计算该段壳程h_she11流体出口温度T_f1，确定本段壁温Tw，Tw＝Q1/(h1×F1)+T_f1,m；通过管程传热系数h_tube的传热温差，获得本段管程热负荷Q2，计算Q1＝Cp2×m2×DT2，获取本段管程流体出口温度T_f2，根据Q2＝h2×F2×(T_f2,m-Tw)获取热负荷Q2；

其中，Cp1为壳程流体定压比热容:J/(kg·K)，m1为壳程流体质量流量：kg/s，DT1为壳程流体进出口温度变化：K，Cp2为管程流体定压比热容:J/(kg·K)，m2为管程流体质量流量：kg/s，DT2为管程流体进出口温度变化：K，h1为壳程表面传热系数W/(m²·K)，F1为管外传热面积：m²，T_f1,m为壳程流体平均温度：K，h2为管程表面传热系数W/(m²·K)，T_f2,m为管程流体平均温度：K；

计算(Q2-Q1)/Q1的绝对值，若(Q2-Q1)/Q1的绝对值≤0.5％或1％时，则获得本段管程传热系数h_tube和壳程传热系数h_she11，选择管程和壳程压降模型；再进入第二循环体(7)的计算，首先对带折流板缠绕管式换热器的流体段数k进行判断，若k＝k_ma×时，则获得带折流板缠绕管式换热器的总热负荷和总压降；最后进行设计判断，采用惩罚因子作为带折流板缠绕管式换热器优劣判据，PF＝[G×D_h×T_m/(4×h_tOt)]×(1/ρl-1/ρv)×(dp/dz)，其中G为截面质量流量：kg/(m²s)，D_h为水力直径：m，h_tOt为换热器总换热系数：W/(m²·K)，ρl为液相密度：kg/m³，ρv为气相密度：kg/m³，dp为压降变化：Pa，dz为压降梯度：Pa，k_ma×为带折流板缠绕管式换热器的最大流体段数；

单流体相变的设计计算方法包括第三循环体(8)和第四循环体(9)，计算步骤为：a、设置换热器结构参数以及流体初始参数，b、选择管程和壳程传热模型，c、预设带折流板缠绕管式换热器第一流体段的出口干度为×1，然后进入第三循环体(8)计算，d、获取第一流体段的管程传热系数h_tube、壳程传热系数h_she11，e、计算第一流体段壳程热负荷Q1，Q1＝h_1g×m×D×；确定本段壁温Tw，Tw＝Q1/(h1×F1)+T_f1，通过管程传热系数h_tube的传热温差，获得本段管程热负荷Q2，计算Q1＝Cp2×m2×DT2，获取本段管程流体出口温度T_f2，根据Q2＝h2×F2×(T_f2,m-Tw)获取热负荷Q2；

其中，h_1g为流体相变潜热：J/kg，m为质量流量：kg/s，D×为干度变化，Cp2为管程流体定压比热容:J/(kg·K)，m2为管程流体质量流量：kg/s，DT2为管程流体进出口温度变化：K，h1为壳程表面传热系数W/(m²·K)，F1为管外传热面积：m²，T_f1为壳程流体两相温度：K，h2为管程表面传热系数W/(m²·K)，T_f2,m为管程流体平均温度：K；

计算(Q2-Q1)/Q1的绝对值，若(Q2-Q1)/Q1的绝对值＜0.5％或1％时，则获得本段管程传热系数h_tube和壳程传热系数h_she11，选择管程和壳程压降模型；再进入第二循环体(7)的计算，则获得本段管程传热系数h_tube和壳程传热系数h_she11，选择管程和壳程压降模型；再进入第四循环体(9)的计算，首先对带折流板缠绕管式换热器的流体段数k进行判断，若k＝k_ma×时，则获得带折流板缠绕管式换热器的总热负荷和总压降，最后进行设计判断，采用惩罚因子作为带折流板缠绕管式换热器优劣判据，PF＝[G×D_h×T_m/(4×h_tOt)]×(1/ρl-1/ρv)×(dp/dz)，其中G为kg/(m²s)，D_h为水力直径：m，h_tOt为换热器总换热系数：W/(m²·K)，ρl为液相密度：kg/m³，ρv为气相密度：kg/m³，dp为压降变化：Pa，dz为单位长度：m，k_ma×为带折流板缠绕管式换热器的最大流体段数；

双流体相变的设计计算方法包括第五循环体(10)，计算步骤为：a、设置换热器结构参数以及流体初始参数，b、选择管程和壳程传热模型，c、预设带折流板缠绕管式换热器第一流体段的出口干度为×1，获取第一流体段的壳程传热系数h_she11，然后进入第五循环体(10)计算，再获取第一流体段的管程传热系数h_tube，d、计算第一流体段壳程热负荷Q1，Q1＝h_1g×m×D×；e、确定本段壁温Tw，Tw＝Q1/(h1×F1)+T_f1，根据Q1计算管程本段出口干度×2，并根据×2计算管程本段传热系数h2，根据Q2＝h2×F2×(T_f2-Tw)获取计算第一流体段壳程热负荷Q2；

其中，h_1g为流体相变潜热：J/kg，m为质量流量：kg/s，D×为干度变化，h1为壳程表面传热系数W/(m²·K)，F1为管外传热面积：m²，T_f1为壳程流体两相温度：K，F2为管内传热面积：m²，h2为管程表面传热系数W/(m²·K)，T_f2为管程流体两相温度：K；

计算(Q2-Q1)/Q1的绝对值，若(Q2-Q1)/Q1的绝对值＜0.5％或1％时，则获得本段管程传热系数h_tube和壳程传热系数h_she11，选择管程和壳程压降模型；然后对带折流板缠绕管式换热器的流体段数k进行判断，若k＝k_ma×时，则获得带折流板缠绕管式换热器的总热负荷和总压降；最后进行设计判断，采用惩罚因子作为带折流板缠绕管式换热器优劣判据，PF＝[G×D_h×T_m/(4×h_tOt)]×(1/ρl-1/ρv)×(dp/dz)，其中G为截面质量流量：kg/(m²s)，D_h为水力直径：m，h_tOt为换热器总换热系数：W/(m²·K)，ρl为液相密度：kg/m³，ρv为气相密度：kg/m³，dp为压降变化：Pa，dz为单位长度：m，k_ma×为带折流板缠绕管式换热器的最大流体段数。