CN101414321B - 化工用蒸发式冷却/凝器设计方法 - Google Patents

Abstract

一种化工用蒸发式冷却/凝器的设计方法，根据化工流程中被冷却/凝混合气体计算沿程放热量，即热力计算部分，以及根据上述结果计算相应的冷却/凝器设计参数，即结构设计部分。针对化工领域常见的25种原料气成分建立可扩充物性数据库，针对换热管材料建立相应的可扩充数据库；将冷却/凝过程按进出口温差沿程进行若干等份，对每一段内分别进行热力计算以获得沿程数据分布，并以此结果进行结构设计；将得到的数据输入到输入模块、热力计算模块、结构设计模块由输出模块输出设计结果。本发明采用分段式处理和迭代计算思想，可有效提高计算精度；集成了蒸发式冷却/凝器的热力计算与结构设计过程，可有效降低企业开发周期与成本，提高设计效率。

Description

化工用蒸发式冷却/凝器设计方法

技术领域

本发明属于制冷空调技术领域，具体涉及一种采用沿程分段处理的化工用蒸发式冷却/凝器设计方法。

背景技术

传统的换热器设计历史悠久，设计步骤趋于成熟，相关技术人员已经积累了丰富的设计经验。以管壳式换热器为例，其设计过程已经得到规范化，设计步骤发展非常完善，国内已经出现了针对该种换热器的计算机设计软件并已申请了发明专利(200410066599.5)。蒸发式冷却/凝器作为一种新型的换热设备，具备节水、节能、结构简单紧凑、安装维修方便等优点，与传统设备相比，可使换热效率进一步提高10％以上。

我国在能源利用方面存在严重的利用率低，消耗量过大的问题，尤其体现在占总能耗七成的工业生产部门中。化学工业是我国重要的原材料工业和支柱产业，与钢铁、建材形成高能耗工业前三位，其能耗占全国工业总能耗的15％以上。可以说，要提高我国能源利用率，在很大程度上取决于化工生产中节能技术的推广和使用。蒸发式冷却/凝技术是一种利用汽化潜热的高效换热手段，在化工生产领域的应用可以有效降低成本、提高产品竞争力。

然而，蒸发式冷却/凝器的设计方法目前发展还并不成熟，国内厂家大多依靠经验或参照传统的设计方法进行设计，存在设计效率低下，计算精度不足等缺点。而将其引用于化工领域又会遇到如下困难：被冷却/凝对象为混合气体，各组分随温度降低各自发生凝结，换热系数难以确定，进而使得换热面积不易确定，导致计算得到的结构设计参数可靠度降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用分段式处理和迭代计算方式化工用蒸发式冷却/凝器设计方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

1)根据化工用蒸发式冷却/凝器的原料气成分建立可扩充物性数据库，可扩充物性数据库涵盖化工原料气成分的物性参数；

2)根据换热管材料建立可扩充热物性数据库，该可扩充热物性数据库涵盖工程换热管材的传热参数；

3)根据热力工况输入参数以及结构设计输入参数分别建立工况参数输入与结构参数输入的图形化模块；根据热力计算输出参数与结构设计输出参数分别建立热力计算输出模块与结构设计输出模块；

4)根据热力工况输入参数以及混合气体冷却/凝过程，计算相应的总换热量以及沿程换热量分布；

热力计算过程：

所需计算参数如下：

工质进口温度：                  T₁，(K)

工质出口温度：                  T₂，(K)

进口压力：                      p₁，(MPa)

出口压力：                      p₂，(MPa)

体积流量：                      Q_v，(Nm³/h)

第i成分的体积百分数：           

，(％)

(1)混合工质进出口相态判定具体步骤如下：

(a)根据进口压力p₁及第i成分的体积百分数计算第i成分的分压力

(b)根据进出口温度T₁、T₂分别采用线性插值得到该成分对应的饱和压力 $p_{s,2}^i;$

(c)对第i成分气体进行判定：

若 $p_{s,1}^i>p_{s,2}^i>p_1^i,$ 则该成分发生冷却，进出口工质均为气体；

若 $p_{s,1}^i>p_1^i>p_{s,2}^i,$ 则该成分发生部分冷凝，进口工质为气体、出口工质为过冷液体与饱和气体；

若 $p_1^i>p_{s,1}^i>p_{s,2}^i,$ 则降温过程中该成分在冷凝器进口处发生部分冷凝，部分气体凝结为液体，剩余气体变为饱和气体，在冷凝器内部继续发生相变，出口工质为过冷液体与饱和气体；

(2)第i成分气体的换热量由下式确定：

$Q^i=Q_{m,1}^{i}M(h_1^i-h_2^i)/3600---\left(1\right)$

其中，Qⁱ为该成分对应的换热量，单位为kW；

为该成分的进口气体摩尔流量，单位为kmol/h；M为该成分的分子量，单位为kg/kmol；

与

分别为该成分的进出口气体比焓，单位为kJ/kg，总的换热量为各成分产生的换热量累加：

$Q=\underset{1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{Q}^i,$ m为混合工质物质种类总数　　　　(2)

(3)为获得管热管沿程热量分布并以此进行结构设计，按温度分段热力计算，即按照进出口温度求得温差ΔT：

ΔT＝T₁-T₂    (3)

然后将温差进行n等分，则每一个温度段内的进出口温度为：

T₁ ^j＝T₁-(j-1)(ΔT/n)，j＝1，2，3...，n-1    (4)

T₂ ^j＝T₁ ^j-ΔT/n，j＝1，2，3...，n-1    (5)

针对每一个温度段，返回热力计算步骤(1)～(2)，此处每一温度段内的出口参数，包括压力、流量，也即下一温度段的入口参数，将各个温度段内计算得到的分段换热量Q^j进行累加得到全段总热量Q，即：

n为按温度分段的总段数               (6)

5)热力计算模块针对每一种混合气体成分提供了自动与手动两种相变判定方式；

6)将设计所需参数，包括环境参数、结构参数，结合由热力计算模块得到的沿程换热量分布一同传递至结构设计输入模块；

7)结构设计模块根据输入参数采用迭代计算，内迭代求解换热系数，外迭代在满足换热要求前提下保证压降满足压力损失要求，对混合气体发生部分相变条件下的换热系数求解，即对应内迭代；根据换热量即热力计算提供及换热系数，求解换热面积及相应结构，若解满足换热要求不满足压力要求，调整参数，迭代计算同时满足换热与压力要求的解，即外迭代，热力计算与结构设计模块的计算结果即混合气体以及各组分气体的总换热量及沿程换热量分布，换热管排数与每排根数，配风量、配水量以及换热器外形尺寸，即长、宽、高传送至输出模块；

结构设计模块的计算过程如下：

所需计算参数如下：

工质进口温度：T₁，(K)

工质出口温度：T₂，(K)

操作压力：    p，(Pa)

体积流量：    Q_V，(Nm³/h)

第i成分的体积百分数：

(％)

空气进口比焓：i₁，(kJ/kg)

空气出口比焓：i₂，(kJ/kg)

横断面管长：  l°，(m)

管子内径：                   d_i，(m)

管子外径：                   d_o，(m)

迎面风速：                   w_f，(m/s)

空气进口温度：               T₁ ^G，(K)

空气出口温度：               T₂ ^G，(饱和水温度)(K)

喷淋水温度：                 

(K)

配风系数：                   ε^G，(m³/MJ)

配水系数：                   

(m³/MJ)

计算中使用到的其他参数定义见下：

(1)假设喷淋水温度 $T^{H_{2}O}=303K,$ 并给定初始配风系数、配水系数ε^G＝15m³/MJ， ${\mathrm{\ϵ}}^{H_{2}O}=0.012m^2/\mathrm{MJ};$

(2)采用如下公式计算总换热系数：

$K=\frac{1}{(1/h_i+R_i)\frac{d_o}{d_i}+R_o+R_w\left(\frac{d_o}{d_m}\right)+\frac{1}{h_o}}---\left(7\right)$

式(7)中，h_i为冷却盘管内混合工质换热系数，其计算方法如下：

对于冷凝管内混合工质中冷凝成分，将其定压降温过程分为过热气冷却至饱和气(g-g)、饱和气冷凝为饱和液(g-1)、饱和液冷却至过冷液(1-1)三个阶段分别进行换热系数计算；

(a)过热气体冷却对流换热系数h_i，a采用格林尼斯基公式：

对于气体有：

$c_t={\left(\frac{T_f}{T_w}\right)}^{0.45}$ $(\frac{T_f}{T_w}=0.5~1.5)$

以及公式：

$h_i=\frac{{\mathrm{\λ}}_f}{d_i}N{u}_f---\left(9\right)$

计算得到，其中管内流体定性温度 $t_{f,i}=\frac{t_1+t_2}{2}$ (t₁、t₂分别为冷却器进出口处温度，℃)；管内湍流流动的达尔西阻力系数f＝(1.821g Re-1.64)^-2；

(b)相变换热系数h_i，b采用分段热力计算结果，在一定温度间隔内h_i，2采用下面公式计算：

$\frac{h_{i,b}^j}{h_v^j}=\frac{Q^j}{Q^j-Q_{1h}^j}---\left(10\right)$

其中，表示不凝性气体的对流换热系数，其计算方法与上述(a)部分完全相同；为第j温度段内的潜热换热量；

(c)过冷液对流换热系数h_i，c：其计算方法与上述(a)类似，区别仅在对于液体有：

$c_t={\left(\frac{{\mathrm{Pr}}_f}{{\mathrm{Pr}}_w}\right)}^{0.11}$ $(\frac{{\mathrm{Pr}}_f}{{\mathrm{Pr}}_w}=0.05~20)$

(d)根据换热面积关系可以确定管内混合工质平均对流换热系数h_i：

$\frac{Q}{h_i\mathrm{\Δ}{t}_m}=\frac{Q_a}{h_{i,a}\mathrm{\Δ}{t}_{m,a}}+\frac{Q_b}{h_{i,b}\mathrm{\Δ}{t}_{m,b}}+\frac{Q_c}{h_{i,c}\mathrm{\Δ}{t}_{m,c}}---\left(11\right)$

其中，Q表示总换热量，Q_a表示(a)过程换热量，Q_b表示(b)过程换热量，Q_c表示(c)过程换热量； ${\mathrm{\Δt}}_m=(T_1+T_2)/2-T^{H_{2}O},$ Δt_m，a表示(a)过程中工质与管外水膜的平均温差，Δt_m，b表示(b)过程中工质与管外水膜的平均温差，Δt_m，c表示(c)过程中工质与管外水膜的平均温差；

式(7)中，R_w为冷却盘管导热热阻，采用下式计算得到：

$R_w=\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\λ}}---\left(12\right)$

式(7)中，h_o为管外冷却水的对流换热系数，采用下式计算得到：

$h_o=118{\left(\frac{m}{d_o}\right)}^{\frac{1}{3}}---\left(13\right)$

其中，

式(7)中，R_i与R_o分别为管内外壁污垢热阻，取R_i＝0.002m²·K/W；

(3)冷却水与空气间换热采用传质系数K_oga进行计算，即

$K_{\mathrm{og}}a=3.62\×{10}^4{\left({\mathrm{Re}}_G\right)}^{0.9}{\left({\mathrm{Re}}_{f,o}\right)}^{0.15}{\left(d_o\right)}^{-2.6}{\left(\frac{s_1}{d_o}\right)}^{-1}---\left(14\right)$

上式中各系数确定如下：Re_f，o＝4m/u_f、Re_G＝d_oG_m/u_G、并可以计算出以下各参数： $s=\frac{Q_m^G}{{\mathrm{\ρ}}^G{w}_f},$

$n=\frac{B}{s_1};$

(4)计算主要结构参数管排数N，则需要对下述两式进行求解，得到Z₁与Z₂：

$Z_1=\frac{1}{{\mathrm{\Ψ}}_2}\·\ln \left[\frac{b_2(i_1-i_1^{*})+({\mathrm{\Ψ}}_1+b_1)(T^{H_{2}O}-T_2)}{b_2(i_2-i_1^{*})+({\mathrm{\Ψ}}_1+b_1)(T^{H_{2}O}-T_2)}\right]---\left(15\right)$

$Z_2=\frac{1}{{\mathrm{\Ψ}}_1}\·\ln \left[\frac{b_2(i_1-i_1^{*})+({\mathrm{\Ψ}}_2+b_1)({t_1}^w-T_2)}{b_2(i_2-i_1^{*})+({\mathrm{\Ψ}}_2+b_1)({t_1}^w-T_2)}\right]---\left(16\right)$

其中，Ψ₁和Ψ₂是下述方程的两个根，

Ψ²+(b₁+b₄)Ψ+(b₁·b₄-b₂·b₃)＝0

其中，参数由式(7)与式(14)的计算结果以及如下各式确定：b₁＝(a₁+a₃)， $a_1=\frac{K\·a\′\·s}{Q_m^i\·c_p^i};$ b₂＝-a₂， $a_2=\frac{K_{\mathrm{og}}a\·s}{Q_m^{H_{2}O}{c}_p^{H_{2}O}};$ b₃＝αa₃， $a_3=\frac{K\·a\′\·s}{Q_m^i\·c_p^i};$ b₄＝αa₂-a₄， $a_4=\frac{K_{\mathrm{og}}a\·s}{Q_m^G},$ $\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{di}*}{\mathrm{dt}};$

(5)判断Z₁与Z₂之差是否小于工程许可值，计算中取|Z₁-Z₂|≤0.02|Z₁+Z₂|作为收敛条件，如果满足收敛条件则用公式 $N=2Z/\sqrt{3}{s}_1$ 得到管排数N，其中z＝(z₁+Z₂)/2，进而计算得到外形几何参数；如果不满足收敛条件，重新假定结构设计部分步骤1中的

按步骤(2)中(a)～(d)的顺序迭代求解各个变量，直到满足内迭代收敛条件为止；

(6)计算冷却/凝盘管进出口压损，利用勃拉休斯公式计算沿程摩擦系数f：

$f=\frac{0.3164}{{\mathrm{Re}}^{0.25}}---\left(17\right)$

利用下面公式计算冷却/凝盘管进出口压损：

$\mathrm{\Δp}=(f\·\frac{l^0\×N}{d_i}+(N-1)\·\mathrm{\ξ})\·\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{V}^2---\left(18\right)$

其中，ξ取值为0.27，如果压损Δp大于工质进出口允许压损，则增大开始输入的配风系数，对步骤(1)～(6)重复计算，直到满足外迭代的压损条件为止；

8)输出模块将热力计算与结构设计模块计算结果以Excel电子表格形式输出。本发明的可扩充物性数据库涵盖氩气、一氧化碳、二氧化碳、氢气、水蒸汽、氮气、氨气、氧气、甲醇、乙醇、二甲醚、空气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、异丁烷、戊烷、己烷、庚烷、辛烷、壬烷、葵烷、乙烯、丙烯，数据内容包含气体名称、化学式、分子量、临界温度、临界压力、三相点温度、饱和温度、饱和压力、比焓、比定压热容、导热系数、粘度、表面张力，数据范围为温度-6.85℃～226.85℃、压力0MPa～100MPa，且所有数据通过外部数据文件导入，通过外部数据文件进行数据扩充；可扩充热物性数据库涵盖铝、不锈钢、黄铜、青铜、10#碳钢、20#碳钢的传热系数，且所有数据通过外部数据文件导入，通过外部数据文件进行数据扩充；沿程换热量分布包括潜热换热量、显热换热量与总换热量，是将气体的冷却/凝过程按进出口温差进行若干等份，对每一段内分别进行热力计算得到的；相变判定方式，在饱和点附近的工况通过手工判定得到的计算结果与自动判定计算结果对照的方式保证结果的可靠性；结构设计模块采用内外双层迭代计算方式求解，计算结果包括，热力参数：压力损失、换热温差、换热管面积、总换热系数；结构参数：换热管排数、每排换热管数；还有配风量参数和配水量参数。

本发明使用方便、集成化程度高、计算精度高、可扩充性强，使有关设计人员迅速高效地完成蒸发式冷却/凝器的设计工作，从而大大降低企业的开发成本与周期、提高设计效率。

具体实施方式

1)根据化工用蒸发式冷却/凝器的原料气成分建立可扩充物性数据库，可扩充物性数据库涵盖氩气、一氧化碳、二氧化碳、氢气、水蒸汽、氮气、氨气、氧气、甲醇、乙醇、二甲醚、空气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、异丁烷、戊烷、己烷、庚烷、辛烷、壬烷、葵烷、乙烯、丙烯，数据内容包含气体名称、化学式、分子量、临界温度、临界压力、三相点温度、饱和温度、饱和压力、比焓、比定压热容、导热系数、粘度、表面张力，数据范围为温度-6.85℃～226.85℃、压力0MPa～100MPa，且所有数据通过外部数据文件导入，通过外部数据文件进行数据扩充；

2)根据换热管材料建立可扩充热物性数据库，该可扩充热物性数据库涵盖铝、不锈钢、黄铜、青铜、10#碳钢、20#碳钢的传热系数，且所有数据通过外部数据文件导入，通过外部数据文件进行数据扩充；

3)根据热力工况输入参数以及结构设计输入参数分别建立工况参数输入与结构参数输入的图形化模块；根据热力计算输出参数与结构设计输出参数分别建立热力计算输出模块与结构设计输出模块；

4)根据热力工况输入参数以及混合气体冷却/凝过程，计算相应的总换热量以及沿程换热量分布，该沿程换热量分布包括潜热换热量、显热换热量与总换热量，是将气体的冷却/凝过程按进出口温差进行若干等份，对每一段内分别进行热力计算得到的；

热力计算过程：

所需计算参数如下：

工质进口温度：            T₁，(K)

工质出口温度：            T₂，(K)

进口压力：                p₁，(MPa)

出口压力：                p₂，(MPa)

体积流量：                Q_v，(Nm³/h)

第i成分的体积百分数：     

(％)

(1)混合工质进出口相态判定具体步骤如下：

(a)根据进口压力p₁及第i成分的体积百分数

计算第i成分的分压力

(b)根据进出口温度T₁、T₂分别采用线性插值得到该成分对应的饱和压力

$p_{s,2}^i;$

(c)对第i成分气体进行判定：

若 $p_{s,1}^i>p_{s,2}^i>p_1^i,$ 则该成分发生冷却，进出口工质均为气体；

若 $p_{s,1}^i>p_1^i>p_{s,2}^i,$ 则该成分发生部分冷凝，进口工质为气体、出口工质为过冷液体与饱和气体；

若 $p_1^i>p_{s,1}^i>p_{s,2}^i,$ 则降温过程中该成分在冷凝器进口处发生部分冷凝，部分气体凝结为液体，剩余气体变为饱和气体，在冷凝器内部继续发生相变，出口工质为过冷液体与饱和气体；

(2)第i成分气体的换热量由下式确定：

$Q^i=Q_{m,1}^{i}M(h_1^i-h_2^i)/3600---\left(1\right)$

其中，Qⁱ为该成分对应的换热量，单位为kW；为该成分的进口气体摩尔流量，单位为kmol/h；M为该成分的分子量，单位为kg/kmol；与

分别为该成分的进出口气体比焓，单位为kJ/kg。总的换热量为各成分产生的换热量累加：

$Q=\underset{1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{Q}^i,$ m为混合工质物质种类总数    (2)

(3)为获得管热管沿程热量分布并以此进行结构设计，按温度分段热力计算，即按照进出口温度求得温差ΔT：

ΔT＝T₁-T₂    (3)

然后将温差进行n等分，则每一个温度段内的进出口温度为：

T₁ ^j＝T₁-(j-1)(ΔT/n)，j＝1，2，3...，n-1    (4)

T₂ ^j＝T₁ ^j-ΔT/n，j＝1，2，3...，n-1    (5)

针对每一个温度段，返回热力计算步骤(1)～(2)，此处每一温度段内的出口参数，包括压力、流量，也即下一温度段的入口参数。将各个温度段内计算得到的分段换热量Q^j进行累加得到全段总热量Q，即：

$Q=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}^j,$ n为按温度分段的总段数    (6)

5)热力计算模块针对每一种混合气体成分提供了自动与手动两种相变判定方式；该相变判定方式在饱和点附近的工况通过手工判定得到的计算结果与自动判定计算结果对照的方式保证结果的可靠性；

6)将设计所需参数，包括环境参数、结构参数、其它参数，结合由热力计算模块得到的沿程换热量分布一同传递至结构设计输入模块；

7)结构设计模块根据输入参数采用迭代计算，该结构设计模块采用内外双层迭代计算方式求解，计算结果包括，热力参数：压力损失、换热温差、换热管面积、总换热系数；结构参数：换热管排数、每排换热管数；其它参数：配风量、配水量；内迭代求解换热系数，外迭代在满足换热要求前提下保证压降满足压力损失要求，对混合气体发生部分相变条件下的换热系数求解，即对应内迭代；根据换热量即热力计算提供及换热系数，求解换热面积及相应结构，若解满足换热要求不满足压力要求，调整参数，迭代计算同时满足换热与压力要求的解，即外迭代，热力计算与结构设计模块的计算结果即混合气体以及各组分气体的总换热量及沿程换热量分布，换热管排数与每排根数，配风量、配水量以及换热器外形尺寸，即长、宽、高传送至输出模块；

结构设计计算过程：

所需计算参数如下：

工质进口温度：              T₁，(K)

工质出口温度：              T₂，(K)

操作压力：                  p，(Pa)

体积流量：                  Q_v，(Nm³/h)

第i成分的体积百分数：       

(％)

空气进口比焓：              i₁，(kJ/kg)

空气出口比焓：              i₂，(kJ/kg)

横断面管长：                l°，(m)

管子内径：                  d_i，(m)

管子外径：                  d_o，(m)

迎面风速：                  w_f，(m/s)

空气进口温度：              T₁ ^G，(K)

空气出口温度：              T₂ ^G，(饱和水温度)(K)

喷淋水温度：                

(K)

配风系数：                  ε^G，(m³/MJ)

配水系数：                  

(m³/MJ)

计算中使用到的其他参数定义见下：

(1)假设喷淋水温度(如 $T^{H_{2}O}=303K$ )，并给定初始配风系数、配水系数(如ε^G＝15m³/MJ， ${\mathrm{\ϵ}}^{H_{2}O}=0.012m^2/\mathrm{MJ}$ )。

(2)采用如下公式计算总换热系数：

$K=\frac{1}{(1/h_i+R_i)\frac{d_o}{d_i}+R_o+R_w\left(\frac{d_o}{d_m}\right)+\frac{1}{h_o}}---\left(7\right)$

式(7)中，h_i为冷却盘管内混合工质换热系数，其计算方法如下：

对于冷凝管内混合工质中冷凝成分，将其定压降温过程分为过热气冷却至饱和气(g-g)、饱和气冷凝为饱和液(g-1)、饱和液冷却至过冷液(1-1)三个阶段分别进行换热系数计算；

(a)过热气体冷却对流换热系数h_i，1采用格林尼斯基公式：

对于气体有：

$c_t={\left(\frac{T_f}{T_w}\right)}^{0.45}$ $(\frac{T_f}{T_w}=0.5~1.5)$

以及公式：

$h_i=\frac{{\mathrm{\λ}}_f}{d_i}N{u}_f---\left(9\right)$

计算得到，其中管内流体定性温度 $t_{f,i}=\frac{t_1+t_2}{2}$ (t₁、t₂分别为冷却器进出口处温度，℃)；管内湍流流动的达尔西阻力系数f＝(1.821g Re-1.64)^-2。

(b)相变换热系数h_i，2采用分段热力计算结果，在一定温度间隔内h_i，2采用下面公式计算：

$\frac{h_{i,b}^j}{h_v^j}=\frac{Q^j}{Q^j-Q_{1h}^j}---\left(10\right)$

其中，

表示不凝性气体的对流换热系数，其计算方法与上述(a)部分完全相同；

为第j温度段内的潜热换热量。

(c)过冷液对流换热系数h_i，c：其计算方法与上述(a)类似，区别仅在对于液体有：

$c_t={\left(\frac{{\mathrm{Pr}}_f}{{\mathrm{Pr}}_w}\right)}^{0.11}$ $(\frac{{\mathrm{Pr}}_f}{{\mathrm{Pr}}_w}=0.05~20)$

(d)根据换热面积关系可以确定管内混合工质平均对流换热系数h_i：

$\frac{Q}{h_i\mathrm{\Δ}{t}_m}=\frac{Q_a}{h_{i,a}\mathrm{\Δ}{t}_{m,a}}+\frac{Q_b}{h_{i,b}\mathrm{\Δ}{t}_{m,b}}+\frac{Q_c}{h_{i,c}\mathrm{\Δ}{t}_{m,c}}---\left(11\right)$

其中，Q表示总换热量，Q_a表示(a)过程换热量，Q_b表示(b)过程换热量，Q_c表示(c)过程换热量； ${\mathrm{\Δt}}_m=(T_1+T_2)/2-T^{H_{2}O},$ Δt_m，a表示(a)过程中工质与管外水膜的平均温差，Δt_m，b表示(b)过程中工质与管外水膜的平均温差，Δt_m，c表示(c)过程中工质与管外水膜的平均温差。

式(7)中，R_w为冷却盘管导热热阻，采用下式计算得到：

$R_w=\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\λ}}---\left(12\right)$

式(7)中，h_o为管外冷却水的对流换热系数，采用下式计算得到：

$h_o=118{\left(\frac{m}{d_o}\right)}^{\frac{1}{3}}---\left(13\right)$

其中，

式(7)中，R_i与R_o分别为管内外壁污垢热阻，取R_i＝0.002m²·K/W。

(3)冷却水与空气间换热采用传质系数K_oga进行计算，即

$K_{\mathrm{og}}a=3.62\×{10}^4{\left({\mathrm{Re}}_G\right)}^{0.9}{\left({\mathrm{Re}}_{f,o}\right)}^{0.15}{\left(d_o\right)}^{-2.6}{\left(\frac{s_1}{d_o}\right)}^{-1}---\left(14\right)$

上式中各系数确定如下：Re_f，o＝4m/u_f、Re_G＝d_oG_m/u_G、

并可以计算出以下各参数： $s=\frac{Q_m^G}{{\mathrm{\ρ}}^G{w}_f},$ $n=\frac{B}{s_1}.$

(4)计算主要结构参数管排数N，则需要对下述两式进行求解，得到Z₁与Z₂：

$Z_1=\frac{1}{{\mathrm{\Ψ}}_2}\·\ln \left[\frac{b_2(i_1-i_1^{*})+({\mathrm{\Ψ}}_1+b_1)(T^{H_{2}O}-T_2)}{b_2(i_2-i_1^{*})+({\mathrm{\Ψ}}_1+b_1)(T^{H_{2}O}-T_2)}\right]---\left(15\right)$

$Z_2=\frac{1}{{\mathrm{\Ψ}}_1}\·\ln \left[\frac{b_2(i_1-i_1^{*})+({\mathrm{\Ψ}}_2+b_1)({t_1}^w-T_2)}{b_2(i_2-i_1^{*})+({\mathrm{\Ψ}}_2+b_1)({t_1}^w-T_2)}\right]---\left(16\right)$

其中，Ψ₁和Ψ₂是下述方程的两个根，

Ψ²+(b₁+b₄)Ψ+(b₁·b₄-b₂·b₃)＝0

其中，参数由式(7)与式(14)的计算结果以及如下各式确定：b₁＝(a₁+a₃)， $a_1=\frac{K\·a\′\·s}{Q_m^i\·c_p^i};$ b₂＝-a₂， $a_2=\frac{K_{\mathrm{og}}a\·s}{Q_m^{H_{2}O}{c}_p^{H_{2}O}};$ b₃＝αa₃， $a_3=\frac{K\·a\′\·s}{Q_m^i\·c_p^i};$ b₄＝αa₂-a₄， $a_4=\frac{K_{\mathrm{og}}a\·s}{Q_m^G},$ $\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{di}*}{\mathrm{dt}}.$

(5)判断Z₁与Z₂之差是否小于工程许可值，计算中取|Z₁-Z₂|≤0.02|Z₁+Z₂|作为收敛条件。如果满足收敛条件则用公式 $N=2Z/\sqrt{3}{s}_1$ 得到管排数N，其中Z＝(Z₁+Z₂)/2，进而计算得到外形几何参数；如果不满足收敛条件，重新假定结构设计部分步骤1中的按步骤(2)中(a)～(d)的顺序迭代求解各个变量，直到满足收敛条件为止(内迭代)。

(6)计算冷却/凝盘管进出口压损，利用勃拉休斯公式计算沿程摩擦系数f：

$f=\frac{0.3164}{{\mathrm{Re}}^{0.25}}---\left(17\right)$

利用下面公式计算冷却/凝盘管进出口压损：

$\mathrm{\Δp}=(f\·\frac{l^0\×N}{d_i}+(N-1)\·\mathrm{\ξ})\·\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{V}^2---\left(18\right)$

其中，ξ取值为0.27。如果压损Δp大于工质进出口允许压损，则增大开始输入的配风系数，对步骤(1)～(6)重复计算，直到满足压损条件为止(外迭代)。

8)输出模块将热力计算与结构设计模块计算结果以Excel电子表格形式输出。

下面结合具有代表性的甲醇合成段冷凝器设计工况，对本发明的化工用蒸发式冷却/凝器计算机设计方法作进一步说明。

热力计算工况参数为：气体成分及体积含量：氢气73.89％、氮气9.34％、甲烷2.6％、一氧化碳5.4％、二氧化碳3.64％、水蒸汽1.13％、甲醇3.99％；进口参数：温度100℃、压力5.65MPa；出口参数：温度40℃、压力5.60MPa；允许压降0.05MPa；体积流量28670Nm³/h。

结构设计要求参数为，环境参数：海拔高度50m、干球温度30℃、湿球温度25℃；结构参数(差排布置)：纵向间距75mm、横向间距75mm、管长3m、管外径30mm、管内径26mm、管壁热阻0.0002m²K/W、换热管材料为不锈钢；其它参数：配风系数(初值)15m³/MJ、配水系数(初值)0.012m³/MJ、迎风风速3m/s。

具体设计步骤如下：

(1)根据25种化工领域常见的原料气成分建立可扩充物性数据库，内容包括气体名称、化学式、分子量、临界温度、临界压力、三相点温度、饱和温度、饱和压力、比焓、比定压热容、导热系数、粘度、表面张力等。温度与压力的覆盖范围分别为-6.85℃～226.85℃与0MPa～100MPa。

(2)根据换热管材料建立可扩充热物性数据库，内容主要为换热管材料名称与导热系数等。

(3)根据工况输入参数以及结构输入参数在输入界面进行输入操作，程序进行相应的参数传递。

(4)根据热力计算所需参数，在数据库中查找对应比焓值计算得到总换热量为1241.348kW，其中总显热换热量为667.408kW，总潜热换热量为573.940kW。沿程换热量计算采用将气体的冷却/凝过程按进出口温差进行20等份(可在1～20范围内输入任意整数值)，对每一段内分别进行热力计算得到。由于数据量过大，此处仅列出混合气体计算结果，如下表所示：

(5)热力计算模块针对每一种混合气体成分提供了自动与手动两种方式的相变判定方式，可有效避免状态点与饱和点过于接近而产生的误差。此处采用自动判断方式进行，结果显示水蒸汽与甲醇两种成分在降温过程中发生冷凝，冷凝开始的温度段为88℃～85℃。

(6)将结构设计要求参数，包括环境参数、结构参数以及其它参数，结合由热力计算模块得到的沿程换热量分布一同传递至结构设计输入模块中。

(7)结构设计模块根据输入参数对问题进行迭代计算求解，以保证换热能力满足要求的同时压力损失也低于允许压降。计算过程中得到的从管内混合气体至管外水膜的沿程换热系数分布如下：

同时考虑管外侧水膜与空气间的传热传质关系并进行迭代计算，求得最终的总换热系数96.807W/m²K。其他主要计算结果包括，热力参数：压力损失0.009848MPa、换热温差34.000057℃、换热管面积379.918m²；结构参数：换热管排数40、每排换热管数34；其它参数：配风量73806.547m³/h、配水量58.783m³/h等。由上述参数设计得到的蒸发式冷凝器外观尺寸约为长×宽×高＝3.00m×2.60m×2.57m。

(8)热力计算与结构设计模块均制定有完整详细的输入输出参数列表，并采用Excel电子表格形式呈现，方便对数据的进一步分析处理。

Claims (6)

1.一种化工用蒸发式冷却/凝器的设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)根据化工用蒸发式冷却/凝器的原料气成分建立可扩充物性数据库，可扩充物性数据库涵盖化工原料气成分的物性参数；

2)根据换热管材料建立可扩充热物性数据库，该可扩充热物性数据库涵盖工程换热管材的传热参数；

3)根据热力工况输入参数以及结构设计输入参数分别建立工况参数输入与结构参数输入的图形化模块；根据热力计算输出参数与结构设计输出参数分别建立热力计算输出模块与结构设计输出模块；

4)根据热力工况输入参数以及混合气体冷却/凝过程，计算相应的总换热量以及沿程换热量分布；

热力计算过程：

所需计算参数如下：

工质进口温度：        T₁，(K)

工质出口温度：        T₂，(K)

进口压力：            p₁，(MPa)

出口压力：            p₂，(MPa)

体积流量：            Q_v，(Nm³/h)

第i成分的体积百分数：

(％)

(1)混合工质进出口相态判定具体步骤如下：

(a)根据进口压力p₁及第i成分的体积百分数计算第i成分的分压力

(b)根据进出口温度T₁、T₂分别采用线性插值得到该成分对应的饱和压力

(c)对第i成分气体进行判定：

若

则该成分发生冷却，进出口工质均为气体；

若

则该成分发生部分冷凝，进口工质为气体、出口工质为过冷液体与饱和气体；

若

则降温过程中该成分在冷凝器进口处发生部分冷凝，部分气体凝结为液体，剩余气体变为饱和气体，在冷凝器内部继续发生相变，出口工质为过冷液体与饱和气体；

(2)第i成分气体的换热量由下式确定：

$Q^i=Q_{m,1}^{i}M(h_1^i-h_2^i)/3600---\left(1\right)$

其中，Qⁱ为该成分对应的换热量，单位为kW；

为该成分的进口气体摩尔流量，单位为kmol/h；M为该成分的分子量，单位为kg/kmol；与

分别为该成分的进出口气体比焓，单位为kJ/kg，总的换热量为各成分产生的换热量累加：

$Q=\underset{1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{Q}^i,$ m为混合工质物质种类总数          (2)

(3)为获得管热管沿程热量分布并以此进行结构设计，按温度分段热力计算，即按照进出口温度求得温差ΔT：

ΔT＝T₁-T₂                                       (3)

然后将温差进行n等分，则每一个温度段内的进出口温度为：

T₁ ^j＝T₁-(j-1)(ΔT/n)，j＝1，2，3...，n-1         (4)

T₂ ^j＝T₁ ^j-ΔT/n，j＝1，2，3...，n-1               (5)

针对每一个温度段，返回热力计算步骤(1)～(2)，此处每一温度段内的出口参数，包括压力、流量，也即下一温度段的入口参数，将各个温度段内计算得到的分段换热量Q^j进行累加得到全段总热量Q，即：

$Q=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}^j,$ n为按温度分段的总段数                      (6)

5)热力计算模块针对每一种混合气体成分提供了自动与手动两种相变判定方式；

6)将设计所需参数，包括环境参数、结构参数、结合由热力计算模块得到的沿程换热量分布一同传递至结构设计输入模块；

7)结构设计模块根据输入参数采用迭代计算，内迭代求解换热系数，外迭代在满足换热要求前提下保证压降满足压力损失要求，对混合气体发生部分相变条件下的换热系数求解，即对应内迭代；根据换热量即热力计算提供及换热系数，求解换热面积及相应结构，若解满足换热要求不满足压力要求，调整参数，迭代计算同时满足换热与压力要求的解，即外迭代，热力计算与结构设计模块的计算结果即混合气体以及各组分气体的总换热量及沿程换热量分布，换热管排数与每排根数，配风量、配水量以及换热器外形尺寸，即长、宽、高传送至输出模块；

结构设计模块的计算过程如下：

所需计算参数如下：

工质进口温度：              T₁，(K)

工质出口温度：              T₂，(K)

操作压力：                  p，(Pa)

体积流量：                  Q_V，(Nm³/h)

第i成分的体积百分数：(％)

空气进口比焓：               i₁，(kJ/kg)

空气出口比焓：               i₂，(kJ/kg)

横断面管长：                 l°，(m)

管子内径：                   d_i，(m)

管子外径：           d_o，(m)

迎面风速：           w_f，(m/s)

空气进口温度：       T₁ ^G，(K)

空气出口温度：       T₂ ^G，(饱和水温度)(K)

喷淋水温度：

(K)

配风系数：           ε^G，(m³/MJ)

配水系数：(m³/MJ)

计算中使用到的其他参数定义见下：

(1)假设喷淋水温度并给定初始配风系数、配水系数ε^G＝15m³/MJ，

(2)采用如下公式计算总换热系数：

$K=\frac{1}{(1/h_i+R_i)\frac{d_o}{d_i}+R_o+R_w\left(\frac{d_o}{d_m}\right)+\frac{1}{h_o}}---\left(7\right)$

式(7)中，h_i为冷却盘管内混合工质换热系数，其计算方法如下：

对于冷凝管内混合工质中冷凝成分，将其定压降温过程分为过热气冷却至饱和气(g-g)、饱和气冷凝为饱和液(g-1)、饱和液冷却至过冷液(1-1)三个阶段分别进行换热系数计算；

(a)过热气体冷却对流换热系数h_i，a采用格林尼斯基公式：

对于气体有：

$c_t={\left(\frac{T_f}{T_w}\right)}^{0.45}$

以及公式：

$h_1=\frac{{\mathrm{\λ}}_f}{d_i}{\mathrm{Nu}}_f---\left(9\right)$

计算得到，其中管内流体定性温度

(t₁、t₂分别为冷却器进出口处温度，℃)；管内湍流流动的达尔西阻力系数f＝(1.82lg Re-1.64)^-2；

(b)相变换热系数h_i,b采用分段热力计算结果，在一定温度间隔内h_i，2采用下面公式计算：

$\frac{h_{i,b}^j}{h_v^j}=\frac{Q^j}{Q^j-Q_{\ln }^j}---\left(10\right)$

其中，

表示不凝性气体的对流换热系数，其计算方法与上述(a)部分完全相同；

为第j温度段内的潜热换热量；

(c)过冷液对流换热系数h_i，c：其计算方法与上述(a)类似，区别仅在对于液体有：

$c_t={\left(\frac{{\mathrm{Pr}}_f}{{\mathrm{Pr}}_w}\right)}^{0.11}$

(d)根据换热面积关系可以确定管内混合工质平均对流换热系数h_i：

$\frac{Q}{h_i{\mathrm{\Δt}}_m}=\frac{Q_a}{h_{i,a}{\mathrm{\Δt}}_{m,a}}+\frac{Q_b}{h_{i,b}{\mathrm{\Δt}}_{m,b}}+\frac{Q_c}{h_{i,c}{\mathrm{\Δt}}_{m,c}}---\left(11\right)$

其中，Q表示总换热量，Q_a表示(a)过程换热量，Q_b表示(b)过程换热量，Q_c表示(c)过程换热量；

Δt_m，a表示(a)过程中工质与管外水膜的平均温差，Δt_m，b表示(b)过程中工质与管外水膜的平均温差，Δt_m，c表示(c)过程中工质与管外水膜的平均温差；

式(7)中，R_w为冷却盘管导热热阻，采用下式计算得到：

$R_w=\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\λ}}---\left(12\right)$

式(7)中，h_o为管外冷却水的对流换热系数，采用下式计算得到：

$h_o=118{\left(\frac{m}{d_o}\right)}^{\frac{1}{3}}---\left(13\right)$

其中，

式(7)中，R_i与R_o分别为管内外壁污垢热阻，取R_i＝0.002m²·K/W；

(3)冷却水与空气间换热采用传质系数K_oga进行计算，即

$K_{\mathrm{og}}a=3.62\×{10}^4{\left({\mathrm{Re}}_G\right)}^{0.9}{\left({\mathrm{Re}}_{f,o}\right)}^{0.15}{\left(d_o\right)}^{-2.6}{\left(\frac{s_1}{d_o}\right)}^{-1}---\left(14\right)$

上式中各系数确定如下：Re_f，o＝4m/u_f、Re_G＝d_oG_m/u_G、

并可以计算出以下各参数：

(4)计算主要结构参数管排数N，则需要对下述两式进行求解，得到Z₁与Z₂：

$Z_1=\frac{1}{{\mathrm{\Ψ}}_2}\·\ln \left[\frac{b_2(i_1-i_1^{*})+({\mathrm{\Ψ}}_1+b_1)(T^{H_{2}O}-T_2)}{b_2(i_2-i_1^{*})+({\mathrm{\Ψ}}_1+b_1)(T^{H_{2}O}-T_2)}\right]---\left(15\right)$

$Z_2=\frac{1}{{\mathrm{\Ψ}}_1}\·\ln \left[\frac{b_2(i_1-i_1^{*})+({\mathrm{\Ψ}}_2+b_1)(t_1^w-T_2)}{b_2(i_2-i_1^{*})+({\mathrm{\Ψ}}_2+b_1)(t_1^w-T_2)}\right]---\left(16\right)$

其中，Ψ₁和Ψ₂是下述方程的两个根，

Ψ²+(b₁+b₄)Ψ+(b₁·b₄-b₂·b₃)＝0

其中，参数由式(7)与式(14)的计算结果以及如下各式确定：b₁＝(a₁+a₃)，b₂＝-a₂， $a_2=\frac{K_{\mathrm{og}}a\·s}{Q_m^{H_{2}O}{c}_p^{H_{2}O}};$ b₃＝αa₃， $a_3=\frac{K\·a^{\′}\·s}{Q_m^i\·c_p^i};$ b₄＝αa₂-a₄， $a_4=\frac{k_{\mathrm{og}}a\·s}{Q_m^G},$ $\mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{di}}^{*}}{\mathrm{dt}};$

(5)判断Z₁与Z₂之差是否小于工程许可值，计算中取|Z₁-Z₂|≤0.02|Z₁+Z₂|作为收敛条件，如果满足收敛条件则用公式

得到管排数N，其中Z＝(Z₁+Z₂)/2，进而计算得到外形几何参数；如果不满足收敛条件，重新假定结构设计部分步骤1中的

按步骤(2)中(a)～(d)的顺序迭代求解各个变量，直到满足内迭代收敛条件为止；

(6)计算冷却/凝盘管进出口压损，利用勃拉休斯公式计算沿程摩擦系数f：

$f=\frac{0.3164}{{\mathrm{Re}}^{0.25}}---\left(17\right)$

利用下面公式计算冷却/凝盘管进出口压损：

$\mathrm{\Δp}=(f\·\frac{l^0\×N}{d_i}+(N-1)\·\mathrm{\ξ})\·\frac{1}{2}{\mathrm{\ρV}}^2---\left(18\right)$

其中，ξ取值为0.27，如果压损Δp大于工质进出口允许压损，则增大开始输入的配风系数，对步骤(1)～(6)重复计算，直到满足外迭代的压损条件为止；

8)输出模块将热力计算与结构设计模块计算结果以Excel电子表格形式输出。

2.根据权利要求1所述的化工用蒸发式冷却/凝器的设计方法，其特征在于：所说的可扩充物性数据库涵盖氩气、一氧化碳、二氧化碳、氢气、水蒸汽、氮气、氨气、氧气、甲醇、乙醇、二甲醚、空气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、异丁烷、戊烷、己烷、庚烷、辛烷、壬烷、葵烷、乙烯、丙烯，数据内容包含气体名称、化学式、分子量、临界温度、临界压力、三相点温度、饱和温度、饱和压力、比焓、比定压热容、导热系数、粘度、表面张力，数据范围为温度-6.85℃～226.85℃、压力0MPa～100MPa，且所有数据通过外部数据文件导入，通过外部数据文件进行数据扩充。

3.根据权利要求1所述的化工用蒸发式冷却/凝器的设计方法，其特征在于：所说的可扩充热物性数据库涵盖铝、不锈钢、黄铜、青铜、10#碳钢、20#碳钢的传热系数，且所有数据通过外部数据文件导入，通过外部数据文件进行数据扩充。

4.根据权利要求1所述的化工用蒸发式冷却/凝器的设计方法，其特征在于：所说的沿程换热量分布包括潜热换热量、显热换热量与总换热量，是将气体的冷却/凝过程按进出口温差进行若干等份，对每一段内分别进行热力计算得到的。

5.根据权利要求1所述的化工用蒸发式冷却/凝器的设计方法，其特征在于：所说的相变判定方式，在饱和点附近的工况通过手工判定得到的计算结果与自动判定计算结果对照的方式保证结果的可靠性。

6.根据权利要求1所述的化工用蒸发式冷却/凝器的设计方法，其特征在于：所说的结构设计模块采用内外双层迭代计算方式求解，计算结果包括，热力参数：压力损失、换热温差、换热管面积、总换热系数；结构参数：换热管排数、每排换热管数；还有配风量参数和配水量参数。