[发明专利]一种壳程冷凝管程沸腾的缠绕管式换热器设计方法

权利要求书

1.一种壳程冷凝管程沸腾的缠绕管式换热器设计方法，其特征在于，按照工质的泡点和露点，所述缠绕管式换热器的壳程和管程分为液相段和冷凝段两部分，或者所述壳程分为液相段、冷凝段和气相段三部分，并且分别对相应分段进行设计计算，确定各段的换热系数、压降、换热量、换热面积和缠绕段轴向有效换热长度；

如果该缠绕管式换热器程出口段干度小于1，则整个缠绕管式换热器分为两个部分，分别为气相段和冷凝段；如果出口干度等于0，则整个缠绕管式换热器分为液相段、冷凝段和气相段三个部分；如果出口干度等于1，则壳程为单一气相段；

该设计方法包括以下步骤：

S1：输入工质的物性参数；

S2：输入设计的额定工况；

S3：根据设计要求，给定结构参数；

S4：按照工质的露点温度和泡点温度将壳程分为液相段、冷凝段和气相段三个部分，分别计算三部分对应的换热系数h_L、h_TP(j)和h_G；

S5：根据热平衡，计算液相段的换热面积、换热量和泡点温度位置；

S6：根据热平衡，计算冷凝段的换热面积、换热量和露点温度的位置；

S7：根据热平衡，计算气相段的换热面积、换热量；

S8：将液相段、气相段和冷凝段的换热量相加，核算总换热面积Atot、总换热量Qdesign、缠绕段总长度E、泡点温度位置和露点温度位置；

S9：根据设计计算判定Q_design≥Q_load是否成立，若关系式不成立，重新布置结构，若关系式成立，进行下一步；

S10：计算螺旋缠绕管式换热器管程压降和壳程压降，包括：管程压降ΔP_design,tube、壳程总压降ΔP_{design,shell,tot}、壳程液相段压降ΔP_design,L、壳程冷凝相段压降ΔP_design,TP、壳程气相段压降ΔP_design,G；

S11：根据设计计算判定ΔP_{load,shell,tot}≥Δ_{Pdesign,shell,tot}和Δ_Pload,tube≥ΔP_design,tube两个条件是否同时成立，若关系式不成立，重新布置结构，若关系式成立，输出结果；

所述S1步骤中工质的物性参数包括工质的比热、导热率、密度、露点温度和泡点温度；所述S2步骤设计的额定工况包括：热载荷Q_load、壳程允许压降ΔP_load,shell、管程允许压降ΔP_load,tube、换热裕量、面积余量；所述S3步骤的结构参数包括：1-筒体内径，DB；2-芯筒外径，DC；3-螺旋缠绕管外径，do；4-同一层缠绕管的管间距，SL；5-缠绕角，ε；6-缠绕段总长度，E；7-内层缠绕直径，Dco,1；8-外层缠绕直径，Dco,2；9-螺旋缠绕管层间距，ST；21-螺旋缠绕管外径，do；22-螺旋缠绕管内径，di；23-螺旋缠绕管的缠绕导程，Pm；

所述设计方法还包括缠绕管的布置方法，所述缠绕管的布置方法为：选用相同规格的缠绕管，不同层缠绕管的缠绕角ε相同，径向层间距H_T相同，不同层缠绕管的轴向管间距H_L,m相同，缠绕管管束中各层缠绕管的缠绕直径遵循等差数列；缠绕直径D_co、层间隙B_T、层数m和芯筒直径D_C的几何约束关系为：

D_co,m＝D_C+2mB_T+(2m-1)d_o，m≤(D_B-D_C)/2S_T；径向层间距H_T和径向层间隙B_T、第m层的轴向管间距S_L,m和轴向管间隙B_L,m的数学表达式为：S_T＝d_o+B_T，S_L,m＝(d_o+B_L,m)/cos(ε)；每层缠绕管中，缠绕管数量n_m、缠绕角ε、缠绕直径D_co,m、缠绕导程P_m和轴向管间距S_L,m的几何约束条件为：缠绕段的轴向有效长度E和缠绕管缠绕段的总长度L_co的数学表达式为：E＝N·P_m,其中，D_B为缠绕直径，D_C为芯筒直径，d_o为管子外径，B_L为同层的每两根缠绕管之间的间隙，S_T为第m层缠绕管与第m+1层缠绕管之间的间距，根据GB/T151,缠绕管的轴向管间距和径向层间距最少为管径的1.25倍；P_m为第m层缠绕管导程；n_m为第m层缠绕管的数量；d_o为缠绕管的外径；ε为缠绕管的缠绕角；N_m为第m层缠绕管的缠绕圈数；P_m为第m层缠绕管的导程；D_co,m第m层缠绕管的缠绕直径；

所述壳程液相段和气相段的换热系数计算方法均采用相变Two-Resistance Model对冷凝相变过程进行分析，冷凝相变过程能量关系的数学表达式为Q_t＝h_conA(T_V-T_wall)，Q_L＝h_cfA(T_i-T_wall)＝h_LA(T_i-T_L)+Q_L,i，Q_V＝h_VA(T_i-T_V)+Q_V,i，Q_VL＝＝h_VLA(T_V-T_L)

其中，Q_t为冷凝过程的总换热量；Q_L为冷凝液的吸热量；Q_V为气相的放热量；Q_VL为气液交界面的换热量；h_con为冷凝过程总传热系数；h_L为冷凝过程液相的换热系数；h_V为冷凝过程气相传热系数；h_VL为气液相界面换热系数，换热系数对应的数学关系如下所示：冷凝过程总传热系数h_con的数学表达式为：

若冷凝相变的质量为m_VL，Q_L,i为相变质量对应液相的吸热量；Q_V,i为相变质量对应的气相放热量，冷凝相变质量所对应的能量关系的数学表达式为：

Q_V,i＝m_VL(i_V(T_i)-i_V(T_V))＝h_V,iA(T_i-T_V)Q_L,i＝m_VL(i_L(T_i)-i_L(T_L))＝h_L,iA(T_i-T_L)

Q_VL,i＝m_VL(i_V(T_V)-i_L(T_L))＝h_VL,iA(T_V-T_L)，|Q_iL|＝|Q_Vi|＝|Q_VL,i|

根据以上热量平衡，可以得到气液相界面温度的数学表达式为：

冷凝相变的质量为m_VL的数学表达式如下所示：

冷凝相变的质量m_VL所对应的冷凝相变换热系数的数学表达式为：

如果冷凝后温度变化不大，即，饱和冷凝，根据Lavieville的研究，在此情况下液相的热阻为0，此时h_L和h_L,i的取值为h_L→∞,h_L,i→∞，对应的关系的数学表达式如下所示：

T_i＝T_L＝T_S，h_VL,i＝h_V,i，i_L(T_i)＝i_L(T_L)＝i_L(T_S)

可知，饱和冷凝的热量平衡关系的数学表达式为：

Q_t＝h_conA(T_V-T_wall)＝h_LA(T_S-T_wall)，Q_V＝h_VA(T_V-T_S)-Q_VS＝(h_V+h_VS,i)A(T_V-T_S)

冷凝相变的能量关系式为：

|Q_VS,i|＝|Q_SL,i|＝|Q_VL,i|＝h_VL,iA(T_V-T_L)，

换热系数对应的数学关系为：h_VL,i＝h_V,i,h_VL＝h_V+h_VL,i

饱和冷凝过程总传热系数h_con的数学表达式为：

其中，h_con为工质冷凝总传热系数；h_L为工质冷凝液膜传热系数；h_V为工质气相传热系数；h_VL,i为工质冷凝相变传热系数；

所述缠绕式换热器管程的流动沸腾属于对流沸腾，缠绕式换热器管程的沸腾换热系数的计算选用改进Chen公式，对流沸腾换热系数(h_TP,tube)的数学表达式如下：h_TP,tube＝S·h_b+F·h_c

式中，h_b为池沸腾换热系数；h_c为液相对流换热系数；S为池沸腾换热修正因子；F为对流换热修正因子；S和F的计算方法如下：

F＝2.35·(X^-1+0.213)^0.736，

Re_tp,tube为缠绕管内气液混合相流动的等效Reynolds数，其数学表达式如下：

其中，G_tube为管程面积质量流量，G_tube＝m_tube/A_tube；A_tube为管程的横截面的面积，对于截面是圆管，μ_L,tube为管程液相动力粘度；x_tube为管程的干度，改进Chen公式中，池沸腾换热系数h_b的数学表达式如下：

其中，λ_L,tube为工质液相导热系数；c_L,tube为工质液相定压比热容；ρ_L,tube为工质液相的密度；ρ_V,tube为工质气相的密度；μ_L,tube为工质液相的动力粘度；q_LV,tube为工质相变潜热；ΔT_sat,tube为工质的过热度，ΔT_sat,tube＝T_tube-T_sat,tube；Δp_sat,tube为工质的气液压力差，Δp_sat,tube＝p_tube-p_sat,tube；改进Chen公式中，液相对流换热系数h_c的数学表达式如下：

其中，d_i为缠绕管式换热器管程内径；λ_L,tube为工质液相导热系数；x_tube为管程的干度；Re_L,tube为管程液相分相Reynolds数；Pr_L,tube为管程工质液相的Prandtl数；D_co为管程的缠绕直径；

所述冷凝段存在相变，冷凝段采用分段设计计算方法，将冷凝段按照温度和焓值的变化分成若干子段，冷凝段换热量的计算方法：

ΔH_TP＝HD-H_B＝mc_co,TPΔT_co,TP＝∑ΔH_TP(j)；

冷凝段中的每一子分段的热量计算方法为：

ΔH_TP(j)＝H_TP(j+1)-H_TP(j)＝mc_co,TPΔT_co,TP(j)＝K_TP(j)A_TP(j)ΔT_ln,TP(j)；

冷凝段管程的加权平均换热系数的计算方法为：

冷凝段的总换热系数的计算方法为：

H_B为泡点温度所对应的焓值，H_D为露点温度所对应的焓值，H_in为进口温度对应的焓值，H_out为出口温度对应的焓值，ΔH_L为液相段对应的焓变，ΔH_G为气相段对应的焓变，ΔH_TP为冷凝段对应的焓变，ΔH_TP(j)为冷凝段中的每一子分段焓变，H_TP(j)为冷凝段中各个温度分界点的焓值；

液相段、冷凝段和气相段的换热面积的计算方法依次为：

A_L＝ΔH_L/(K_L·ΔT_ln,L)

A_G＝ΔH_G/(K_G·ΔT_ln,G)

A_TP,tot＝∑A_TP(j)＝ΔH_TP(j)/[K_TP(j)·ΔT_ln,TP(j)]

A_L为液相段的换热面积；A_G为气相段的换热面积；A_TP,tot为冷凝段的总换热面积；A_TP(j)为冷凝段中每一子分段的换热面积。