CN102261968B - 管壳式换热器节点温度的预测方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明属传热技术领域，公开一种管壳式换热器节点温度的预测方法与装置。本发明涉及一种单管换热管测试装置，基于该装置可获得单根换热管的传热特性，配合本发明提出的管壳式换热器节点温度的预测方法，可确定管壳式换热器管程和壳程流体的节点温度。该方法主要包括以下步骤：根据换热器中折流板间距确定试验换热管段的长度，确定构建壳程筒体所需的筒节数，加工换热管封板并焊接管法兰，组装试验装置；根据换热器的管程和壳程进出口温度确定试验参数，并进行换热管段传热性能试验，建立单管进出口温度以及管外上下游流体温度的映射关系；启动计算机程序，输入换热器设计数据，执行分析命令，待分析结束后，输出换热器内部各节点温度值。

Description

管壳式换热器节点温度的预测方法与装置

技术领域

本发明属传热技术领域。涉及一种单管换热管测试装置，基于该装置可获得单根换热管的传热特性，配合本发明提出的管壳式换热器节点温度的预测方法，可确定管壳式换热器管程和壳程流体的节点温度。

背景技术

管壳式换热器是目前过程工业应用最广的一种换热器。它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流板等部件组成，可采用不锈钢、普通碳钢、紫铜或其它有色金属作为材料。操作时，一种流体由一端封头接管进入，经过换热管，从另一端封头的接管流出，称之为管程；另一种流体由壳体的一个接管进入，从壳体上的另一接管流出，称之为壳程。换热管作为冷热流体传热的关键部件，其结构和型式不断优化。随着新型高效换热管的不断出现，管壳式换热器的应用范围不断扩大。目前强化换热管传热的措施有两类，即（1）改变流体的流动情况以增加流速；（2）改变换热面形状和大小。

增加流速可改变流动状态，提高紊流脉动程度。管壳式换热器中管程、壳程的分程即可提高流速、增加流程长度和湍流程度。此外，按照一定间距在管外设置一些垂直于换热管的圆缺型挡板（折流板），可促使壳程流体充分流经换热管外表面。优化管外流体对管子的冲刷角度可提高壳侧的换热系数，改善换热效果。但设置折流板或增加流速均会增加流动阻力，这要求兼顾提高传热性能和减小压降的要求来确定壳程流体的最佳流速。

改变换热面形状和换热面积大小亦是提高传热性能的有效措施。圆截面换热管是管壳式换热器中使用最为普遍的一种传热元件，但现代工业设备对热负荷的要求越来越高，强化传热技术在换热器中的应用要求十分迫切。在换热管加入内插物就是一种十分有效的提高管内流动雷诺数的方法。内插物不需要外加动力，成本低廉，加工方便，不仅能强化传热，还能实现换热器的在线除垢、防垢。国内外开展了多种类型的内插物研究，自旋弹簧便是其中开展较早的一种，其强化传热和自动除垢效果已获得认可。

为增大换热系数，管壳式换热器的换热管亦可采用各种异形管和肋片管。螺纹翅片管是由厚壁管子通过轧制而成，翅片的外表面积较相同外径的光滑管大2.5-4.8倍。当管壁两侧的流体对流换热系数相差3-5倍时，适合采用螺纹翅片管或肋片管，实际上即便管壁两侧的流体对流换热系数大于这个范围，使用螺纹翅片管或肋片管也能收到良好的效果。针翅管是近年才开发应用的强化传热管型之一，其主要类型包括瑞典Sunrod针翅管和整体针翅管两种。前者适用于石油化工领域的油品换热器以及各类工业加热过程中锅炉或余热锅炉，后者不仅可用于石油化工、电力部门的换热设备，还可用于制冷、空调等行业，强化传热效果显著。

换热管传热特性的研究是管壳式换热器设计的基础。由于结构复杂，对换热器内部流动和传热特性的理论研究多采用数值分析方法。数值模拟具有费用低、速度快、重复性好、能模拟较复杂或较理想工况下的流动现象等优点,还可研究不同操作参数对传热性能的影响规律,获得所有相关变量的详细信息,弥补理论分析和试验测试的不足。

换热管传热特性数值分析的关键在于计算模型的建立。目前常用的模型包括多孔介质模型、实体模型和周期性单元流道模型。采用多孔介质模型过于简化了换热器的内部结构,模拟结果并不能准确反映局部区域的真实流动和传热状况等详细信息,而且部分重要模拟参数与换热器的结构型式、几何尺寸和操作介质有关，故具有一定的局限性。在进行新型壳程支撑结构的流场局部细节的流态分布和强化传热机理研究时,不宜采用多孔介质模型。采用实体模型对换热器的流动和传热特性进行数值模拟,可获得流换热器的传热与流动特性的定性分析结果,但对于大型管壳式换热器，由于换热管数庞大，模型的网格数和计算量异常增加，现有的软件和硬件尚不能满足要求。为此，研究人员提出周期性单元流道模型简化计算方法,忽略了筒体壁面附近布管区流体流动和传热的特殊性对壳程流动和传热总体性能的影响。若换热管布管方式为正方形时,可取4根换热管所包围的流体流动空间为一个“单元流道”计算模型,这样可有效降低纵流壳程换热器的数值模拟难度。然而,单元流道模型适用于换热管束和管束支撑结构呈对称分布的某些纵流壳程换热器,对于不具备上述结构特征的管壳式换热器,如折流板换热器、螺旋板换热器等，则无法这样简化。对于壳体直径较小的管壳式换热器,即使符合单元流道对称性的简化要求,由于筒体壁面附近布管区的流体对壳程流动和传热总体性能的影响较大而不可忽略,单元流道模型模拟结果与实际工况有较大偏差。可见，建立换热管传热性能测试装置以及大型管壳式换热器的内部温度场分析计算方法，对于此类换热器的设计、应用具有重要的工程意义。

在换热管传热性能的试验研究方面，研究人员利用不同的试验平台，获得了一些研究结果。换热管传热性装置基本包括两个回路和三个系统。两个回路为冷介质回路和热介质回路，即换热系统的管程和壳程；三个系统包括热介质储罐及加热系统、冷介质储罐及冷却系统、循环动力系统。

图1所示为一种气-气换热器试验装置。空气经罗茨鼓风机送入储气罐，经过滤器过滤后一部分由旁路排向大气，另一部分作为试验工质经调节阀、涡轮流量计，进入电加热箱加热。热空气经进口混合箱混合后，流经稳定段，进入试验段。在试验段内热空气与管外套管内的冷却水进行逆流换热。换热后的空气经出口混合箱混合后由扩压嘴排入大气。冷却水流程为：水箱中的水经水泵加压后,通过调节阀、涡轮流量计进入试验段套管内，换热后的水流入冷却塔冷却，然后再排入水箱，循环使用。

图2为一种单管传热试验装置。试验装置主要由压缩机、油分离器、贮液罐、质量流量计、电磁膨胀阀、冷凝试验段及蒸发试验段组成。试验段为套管式换热器，其内管为所测试验样管。管内为制冷剂，管外为水，二者逆向流动。试验装置采用高精度温度、压力传感器和数据采集系统，通过变频器调节压缩机频率和电子膨胀阀调节制冷剂流量。

图3为一种单管液-液传热性能试验装置，由单管换热器、流量计、泵、阀门和水箱组成。单管换热器内管为光滑管或波纹管，套管为光滑管。管内走试验工质，管外走冷却水，管内、外流体逆流换热。试验管段出、入口处安装温度测点。试验中，恒温水箱中的工质由泵送入流量计，经换热器管程换热冷却后流回恒温水箱。冷却水经换热器壳程换热升温后排出。

图4为一种针翅管单管试验设备流程图。管程和壳程采用不同温度的自来水作为介质，测温和测压点均靠近针翅管的两端。壳程采用U型管压差计测量压差。

图5所示为管壳式换热器结构的示意图。操作时，冷热流体分别从管程和壳程流进，通过换热管交换冷热流体的热量。根据管壳式换热器的结构特征，其内部温度场具有周期性变化规律，即每一竖排的5根换热管作为一个周期，图5所示的换热管束可分为3个周期。若能获得一个周期的换热管束的温度分布规律，则可获得整个换热器的温度分布规律。

综上所述，强化传热技术的发展促进了装备节能水平的提高，需要建立功能完善、测试精度高的试验装置以测试新型换热管的传热性能。同时，换热装置的大型化也给换热器内部整场温度的确定带来了巨大困难，迫切需要建立实用、简易的温度场预测方法。现有换热器（管）传热性能试验仅能得到管程和壳程进出口的温度和压力，而沿换热管轴向的温度分布规律无法获得。研制功能完善、测试精度高、试验成本低廉的单管换热性能试验装置并建立管壳式换热器温度的预测方法具有重要的工程意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有换热管试验装置功能分散、测试精度低及测试方法落后的缺点，提出新结构，设计一种管壳式换热器节点温度的预测方法，该方法可得到换热器内部各节点温度值。

本发明还提供一种单管换热管测试装置，采用该装置可方便测试相应换热管的传热性能，以便于进一步对管壳式换热器节点温度进行预测。

管壳式换热器节点温度的预测方法，该方法包括以下步骤：

a）根据实际换热器中两块折流板的间距，确定一段测试用换热管的长度，该换热管的壳体采用若干筒节组装而成，确定构建壳程筒体所需的筒节数，并与换热管封板、法兰、输送泵、储液罐及管路连接，组装成单管换热管测试装置，其换热管规格与实际换热器使用的换热管相同；（组装后的壳体内直径为实际换热器中换热管的间距，使用若干筒节组成壳体的目的，就是可以根据试验管段的长度改变壳体的长度，若壳体长，则可使用多一些筒节。以提高试验装置的适用性。）组装后的单管换热管测试装置的换热管的进、出口和壳体的进、出口均装配有温度传感器和电磁阀及流量计，各传感器分别与计算机控制系统连接；

b）根据实际换热器的基本参数确定换热管段传热性能试验的温度参数，实际换热器管程的进口温度t ₁与壳程进口温度T ₁已知，管程的出口温度t ₂与壳程出口温度T ₂通过以下公式推导：

                                     （a）

                                                      

                            （b）

其中，

，，且A为传热面积（m²），H为总传热系数（W·m^-2·K^-1），T ₁，t ₁为壳程、管程流体进口温度（℃），T ₂，t ₂为壳程、管程流体出口温度（℃），q _h ，q _c 为分别为热、冷流体的质量流量（kg·s^-1），c _h ，c _c 为分别为热、冷流体的比热（J·kg^-1·K^-1）；

c）采用单管换热管测试装置进行测试，模拟实际换热器管程、壳程介质和质量流量（计算机控制系统控制电磁阀的开度，从而模拟实际换热器的流量），以上述实际换热器管程的进、出口温度t ₁、t ₂和壳程进、出口温度T ₁、T ₂作为试验参数，将该单管换热管测试装置的管程进口温度在[t ₁，t ₂]间取若干值t _m 作为管程进口温度的试验值；将所述测试装置的壳程出口温度在[T ₁，T ₂]间取若干值T _n 作为壳程出口温度的试验值；试验时，保持t _m 不变，调整壳程进口温度，直到获得的壳程出口温度为T _n 为止，记录对应的壳程进口温度t _m ’和管程出口温度T _n ’；重复试验，获得与不同t _m 和T _n 温度组合对应的t _m ’和T _n ’，建立管程进口温度、壳程出口温度与管程出口温度、壳程进口温度的对应映射关系，由计算机控制系统生成换热管段管程、壳程进、出口温度映射关系表；其中管程和壳程的储液罐通过加热器和冷却器，控制单管换热管测试装置壳程和管程进口的温度，以及壳程和管程出口温度通过温度传感器测量；

（由于加热器、冷却器与试验装置间还有一段管路，为了提高试验精度，以测试装置的管、壳进口温度传感器的测量值为准，调节加热器和冷却的功率，直到测得的管、壳进口温度为预期值为止。

（也即建立了实际换热器中各换热管段的管程进口温度、壳程下游流体温度与管程出口温度、壳程上游流体温度对应映射关系）根据实际换热器的特征，可将整个换热管系统视为由若干换热管段组合而成，每根换热管段的进口温度、壳程进口温度可能出现各种情况。试验的目的是为了得到与换热管段进口温度、壳程出口温度对应的换热管段出口温度以及壳程进口温度，为整个换热器节点温度的迭代计算奠定基础。

壳体是由多个筒节组成的。增加或减少筒节数目可改变壳体长度，从而满足不同长度换热管的试验要求。

d）根据实际换热器的换热管束在水平方向具有周期性特征，取一个周期的换热管束进行温度场分析，该周期的取实际换热器一竖排内的所有换热管，换热管束在竖直方向上的换热管数量与实际换热器相同，而水平方向的换热管数为一，设为一个周期（同一竖直平面内的管束，视为同一周期）；

e）启动计算机程序，输入实际换热器的设计数据（包括壳程和管程介质的比热、入口温度、入口质量流量，以及换热管规格、总数，排列型式、总传热系数。）调用换热管段管程、壳程进出口温度映射关系表，依据实际换热器管各和壳程的进口温度，通过迭代计算，确定所述一个周期的换热管束各换热管段出口温度及其壳程下游流体的温度；其它各周期换热管束的节点温度与所述周期的换热管束一致。

（管壳换热器中壳程流体的流向垂直于换热管，测试装置的相同）

其中步骤e）中，当管程进口温度t _y 、壳程下游流体温度T _x 在映射关系中若找不到完全匹配的t _m 和T _n 值时，则进行插值计算。

其中，取一个竖排的三根换热管（实际换热器一竖排为三根换热管）为一个周期的换热管束，两块折流板将每根换热管分成三段，这九段换热管分别用A、B、C、D、E、F、G、H、I表示，壳程流体流经这九段换热管的次序为I、H、G、F、E、D、C、B、A。

其中，采用迭代方法求解该周期换热管束的节点温度，其中t ₁₁=t ₂₁=t ₃₁和壳程进口温度T _in已知，首先假定一个温度T ₁₁，由t ₁₁和T ₁₁求t ₁₂与T ₂₁；然后再由t ₂₁与T ₂₁求t ₂₂与T ₃₁；如此递进，直到获得换热管段I的温度T ₄₃；如果得到的温度T ₄₃与已知的壳程进口温度T _in的误差超过允许值，则说明假设的温度T ₁₁有误，需要改变T ₁₁继续迭代；如果得到的温度T ₄₃与T _in的误差小于允许值，则说明假设的温度T ₁₁正确，输出各节点温度。

一种单管换热管测试装置，它包括换热管、壳体、输送泵、储液罐及进、出口阀，其特征在于：所述换热管为单根换热管体，所述壳体由包括若干筒节、位于端部的筒节连接封头和封板，所述筒节均由圆管、筒节端部法兰和筒管上、下部接管组成，各筒节经由端部法兰依次连接；所述换热管的进、出口分别经阀门与管程储液罐连接；所述壳体的每个筒节的上接管分别经阀门连接壳程流量分配器，壳程流量分配器与壳程储液罐连接，每个筒节的下接管分别经阀门连接混流器，壳程混流配器与壳程储液罐连接。

该装置的壳体还设有波纹管筒节，它设置在壳体的左侧或右侧，所述波纹管筒节设置在筒节和封头之间，波纹管筒节包括波纹管和端部法兰，波纹管筒节通过端部法兰分别与筒节和封头连接；所述波纹管与壳体筒节之间加装一挡板，该挡板与所述换热管外壁留有间隙。

所述换热管的进、出口处均设有温度传感器和压力传感器；壳体的每节筒体下接管处均设有温度传感器，所述壳程流量分配器和混流器位置均设有温度传感器和压力传感器；壳程储液罐和管程储液罐的出口阀处均设有流量传感器。

所述高温流体储罐配有加热器与温度控制器；所述低温流体储罐配有冷却器与温度控制器。

所述温度传感器均为热电偶传感器；所述压力传感器均压电式压力传感器，所述阀门均为电磁阀；所述流量传感器均为电子涡轮传感器，

所述各温度传感器、压力传感器和流量传感器分别与计算机控制系统的对应信号输入端口连接，所述各阀门分别连接计算机控制系统的对应控制端连接。

所述壳程储液罐为高温流体储罐，管程储液罐为低温流体罐；或壳程储液罐为低温流体罐，管程储液罐为高温流体储罐。

本发明的有益效果：

本发明的单管换热管测试装置不但可根据换热管的长度改变壳体的长度，而且相对于管程流体的流动方向，可设置壳程流体为逆流、顺流和错流，大大增加了试验装置的灵活性。待测试的换热管端部仅需焊接法兰和封板即可与壳程筒节进行组合，换热管安装方便。在壳程筒节端部串联波纹管筒节，可有效弥补筒节的安装误差并减小装置的热应力，提高高温传热试验的可靠性。本发明的换热管传热性能试验装置可作为新型换热管和强化传热技术的试验平台。

本发明的管壳式换热器温度场预测方法以换热管段的传热性能测试数据为基础，通过迭代计算可确定一定管程和壳程进口温度条件下，各换热管段上的进口和出口温度以及其壳程上下游流体的温度，可为管壳式换热器的换热性能评价、热应力分析乃至优化设计提供理论依据。尤其对于管数庞大的大型管壳式换热器，一般解析方法无法得到换热器内部的温度分布规律，而数值方法又因模型巨大的网格数量而无法实施，采用本发明的管壳式换热器节点温度预测方法，仅需对一段换热管进行若干次传热试验，然后采用计算程序即可分析得出换热器内部重要节点的温度场。

附图说明：

图1为一种气-气换热器试验装置流程图。

图2为一种单管冷凝-蒸发性能试验流程图。

图3为一种单管液-液传热性能试验装置示意图。

图4为一种针翅管单管换热试验装置流程图。

图5为管壳式换热器示意图（该图说明换热管束的周期性特征）。

图6为本发明的单管换热管测试装置的示意图。

图7为本发明的单根换热管传热性能试验流程图。

图8为本发明的管壳式换热器流场的温度节点设置示意图。

图9为本发明的管壳式换热器流场的节点温度的求解流程图。

图10为本发明的温度二维插值示意图。

图11为本发明主控程序的流程图。

图12为本发明的实施例1中温度试验点取值示意图。

    图1中：1—进气口；2—罗茨鼓风机；3—储气罐；4—过滤器；5—调节阀；6—涡轮流量计；7—加热器；8—进口混合箱；9—稳定段；10—试验管；11—水套管；12—出口混合箱；

13—扩压嘴；14—冷却塔；15—水泵；16—流量计；17—调节阀。

图2中：1—压缩机；2—冷却水；3—蒸发试验管段；4—电磁膨胀阀；5—流量计；6—贮液罐；7—冷却水；8—冷凝试验段；9—油分离器；T：温度测点 P：压力测点 DP：压差测点 G：流量测点。

图3中：1—恒温水箱；2—加热器；3—泵；4—流量计；5—温度测点；6—温度测点；7—单管换热器；8—温度测点；9—温度测点；10—流量计；11—泵；12—自来水入口；13—水箱。

图4中：1—水冷机组；2—水泵；3—冷冻水进口；4—热电偶；5—自来水出口；6—测压点；7—水槽；8—自来水进口；9—测压点；10—热电偶；11—自来水出口。

图5中：1—壳程出口；2—左管板；3—折流板I；4—折流板II；5—壳程进口；6—换热管（1个周期）；7—右管板。

    图6中：1—换热管进口；2—换热管；3—换热管进口封板；4—壳程左封头；5—第1节筒体；

6—第1节筒体进口；7—第2节筒体；8—第2节筒体进口；9—第3节筒体；10—第3节筒体进口；11—第4节筒体；12—第4节筒体进口；13—挡板；14—波纹管筒节；15—波纹管；16—壳程右封头；17换热管出口；18—换热管进出封板；19—第4节筒体出口；20—第3节筒体出口；21—第2节筒体出口；22—第1节筒体出口。

    图7中：1—管程进口温度传感器；2—管程进口压力传感器；3—管程进口阀门；

4—壳程进口温度传感器；5—壳程进口压力传感器；6—壳程流量分配器；7—第1节筒体进口阀门；8—第2节筒体进口阀门；9—第3节筒体进口阀门；10—第4节筒体进口阀门；11—第1节筒体出口温度传感器；12—第2节筒体出口温度传感器；13—第3节筒体出口温度传感器；

14—第4节筒体出口温度传感器；15—第1节筒体出口阀门；16—第2节筒体出口阀门；

17—第3节筒体出口阀门；18—第4节筒体出口阀门；19—混流器；20—壳程出口温度传感器；21—壳程出口压力传感器；22—管程出口阀门；23—管程出口温度传感器；24—管程出口压力传感器；25—壳程流量传感器；26—管程流量传感器；27—壳程储液罐出口阀；28—管程储液罐出口阀；

29—壳程介质输送泵；30—管程介质输送泵；31—高温流体储罐；32—低温流体储罐；

33—壳程储液罐进口阀；34—管程储液罐进口阀。

具体实施方式

实施例一：本发明的单管换热管测试装置实例：如图6所示

（1）采用组合式筒节5、7、9、11作为壳程壳体。每一个筒节均由圆管、筒节端部法兰、筒节上下部接管组成。圆管内径为待测试换热管2外径的1.5~2倍。筒节与筒节间采用垫片螺栓法兰连接结构进行连接。改变筒节数，即可改变壳程的轴向长度，满足不同长度换热管的测试要求。各部件均采用不锈钢加工，圆管与接管、圆管与法兰，接管与法兰均为焊接。

（2）在筒节一端，连接一个波纹管筒节14。波纹管具有良好的弹性，可对换热管与壳体的热变形及筒节的安装误差进行补偿，以减小换热管与壳体上的热应力。波纹管筒节由波纹管15和端部法兰焊接而成，波纹管筒节可安装在壳体左边或右边。波纹管筒节与壳体筒节采用垫片螺栓法兰连接结构进行连接。

（3）在波纹管筒节和壳体筒节之间加装一挡板14，用于阻止壳程流体流入波纹管筒节。挡板与换热管外壁留有一定间隙，保证换热管与挡板之间可发生自由的相对位移。

（4）采用两个锥形封头4和16对壳体进行密封。一个锥形封头与壳体筒节5连接，另一个锥形封头与波纹管筒节14连接，均采用垫片螺栓法兰连接结构进行连接。封头端部均匀分布螺栓孔（盲孔）用于和换热管进、出口封板进行连接。

（5）待测试换热管需在两端焊接管法兰1和18，用于和管程进、出口管路连接。待测试换热管在两端焊接有两块封板3和17，封板上开通孔，封板与锥形封头采用垫片螺栓法兰连接结构进行连接。

（6）安装完毕后的壳程筒体置于支架上，并保证波纹管筒节可自由伸缩。将法兰1与管程进口管路连接，法兰18与管程出口管路连接，6、8、10、12分别与壳程进口管路连接，19、20、21、22分别与壳程出口管路连接。

实施例二：本发明的换热管传热性能试验实例：如图7所示

（1）本发明的单管换热管测试装置进口与阀门3连接，由温度传感器1和压力传感器2测量管程进口流体的温度和压力；

（2）换热管出口与阀门22连接，由温度传感器23和压力传感器24测量管程出口流体的温度和压力；

（3）壳程筒节的进口管（图6上6、8、10、12）分别与阀门7、8、9、10连接。阀门7、8、9、10经4根软管与壳程流量分配器6连接，4根软管的长度一样，以保证从壳程流量分配器6流出的流体以相同的流量流入壳程进口管。

（4）壳程流量分配器6上设置温度传感器4和压力传感器5，以测量壳程入口流体的温度和压力。

（5）壳程筒节的出口管（图6上22、21、20、19）分别与阀门15、16、17、18连接。阀门15、16、17、18经4根软管与混流器19连接，4根软管的长度一样，以保证从壳程4个出口管流出的流体以相同的流量流入混流器19。

（6）壳程筒节的出口管（图6上22、21、20、19）分别装配温度传感器11、12、13、14，测量绕过换热管后各筒节位置的流体温度。

（7）壳程混流器19上设置温度传感器20和压力传感器21，以测量壳程出口流体的温度和压力。

（8）高温流体储罐31配加热器与温度控制器提供恒温热流体，由泵29泵送，泵出口处安装电磁阀27，阀门27与流量计25连接，再与壳程流量分配器6连接。壳程混流器19经管路与阀门33连接，阀门33连接高温流体储罐的入口管。

（9）低温流体储罐32配冷却器与温度控制器提供恒温冷流体，由泵30泵送，泵出口处安装电磁阀28，阀门28与流量计26连接，再与管程入口管路连接。管程出口管路与阀门34连接，阀门34连接低温流体储罐的入口管。

（10）当管程为低温流体而壳程为高温流体时，可将与阀33连接的壳程出口管路改为与阀34连接，而与阀34连接的管程出口管路改为与阀33连接；并将与阀27连接的壳程进口管路改为与阀28连接，而与阀28连接的管程入口管路与改为阀27连接。

（11）通过调节高温流体储罐31的加热器功率，可调节壳程流体的入口温度。通过调节阀门27，可调节壳程流体的入口流量。通过调节低温流体储罐32的冷却器功率，可调节管程流体的入口温度，通过调节阀门27，可调节管程流体的入口压力。

（12）同时开启阀门7、8、9、10及15、16、17、18，可构造管程和壳程流体错流换热，即两种流动的流动方向相互垂直；若仅开启阀门10和11，可构造管程和壳程流体逆流换热，即两种流动的流动方向相互平行。

（13）温度传感器1、4、11、12、13、14、20、23均为热电偶传感器，数据由计算机控制系统采集；压力传感器2、5、21、24为压电式压力传感器，数据由计算机控制系统采集；所有阀门均为电磁阀，通过计算机控制程序控制阀门的开度；流量传感器为电子涡轮传感器，数据由计算机控制系统采集。

（14）系统安装调试完毕后，管程进出口管路、壳程筒体、壳程流量分配器和混流器均用保温棉裹覆，保证传热系统不与外界发生热交换。

（15）换热管段传热系能测试所得的数据包括：管程进、出口温度t _in、t _out，管程进、出口压力p _in、p _out，壳程进、出口温度T _in、T _out（或4个出口管的温度T _out-1、T _out-2、T _out-3、T _out-4），壳程进、出口压力P _in、P _out。t _out和T _out（或4个出口管的温度T _out-1、T _out-2、T _out-3、T _out-4）由t _in和T _in共同决定，即当t _in和T _in一定时，t _out和T _out（或4个出口管的温度T _out-1、T _out-2、T _out-3、T _out-4）一定。

实施例三、本发明的管壳式换热器节点温度预测实例：如图8所示

（1）根据管壳式换热器的几何特征，换热管束被折流板分成若干段，如图8所示，壳程流体的流动方向与管程流体的流动方向垂直。忽略筒体壁面附近布管区流体流动和传热的特殊性对壳程流动和传热总体性能的影响，壳程流体在水平方向具有周期性特征，故可取一个周期的换热管束进行温度场分析。该周期的换热管束在竖直方向上的换热管数量与实际换热器相同，而水平方向的换热管数为1，即1个周期。

（2）图8所示为2块折流板、3根换热管的换热器示意图。2块折流板将每根换热管分成3段，这9段换热管分别用A、B、C、D、E、F、G、H、I表示。壳程流体流经这9段换热管的次序为I、H、G、F、E、D、C、B、A。

（3）每一段换热管的进出口温度及其外部壳程的上下游流体的温度均与相邻换热管有关。以换热管段E为例，其管程进口温度为t ₂₂，出口温度为t ₂₃，而t ₂₂又是换热管段B的管程出口温度，t ₂₃又是换热管段H的管程进口温度；换热管段E外部壳程上游流体温度为T ₂₂，下游流体温度为T ₃₂，而T ₂₂又是换热管段F外部壳程下游流体温度，T ₃₂又是换热管段D外部壳程上游流体温度。

（4）图9上，T _in为壳程进口温度，已知；t ₁₁、t ₂₁、t ₃₁为管程进口温度，已知，且t ₁₁=t ₂₁=t ₃₁；T ₁₁为壳程出口温度，待求；t ₃₄、t ₂₄、t ₁₄为管程出口温度，待求。

（5）根据本发明的换热管传热性能试验试验流程第（15）条所述，当换热管进口温度与壳程上游流体温度确定时，可确定换热管出口温度及壳程下游流体温度。以换热管段A为例，若已知t ₁₁和T ₂₁，可确定t ₁₂和T ₁₁。但根据换热器的操作条件，除t ₁₁以外，其余3个温度均未知。

（6）采用图9所示的流程求解图8上各节点温度。首先假定一个温度T ₁₁（可采用由公式（a）估算得到的壳程出口温度T ₂作为T ₁₁的初值），由t ₁₁和T ₁₁求t ₁₂与T ₂₁；然后再由t ₂₁与T ₂₁求t ₂₂与T ₃₁。如此递进，直到获得换热管段I的温度T ₄₃。如果得到的温度T ₄₃与已知的壳程进口温度T _in的误差超过允许值，即|T ₄₃-T _in|/T _in>0.05，则说明假设的温度T ₁₁有误，需要改变T ₁₁继续迭代；如果得到的温度T ₄₃与T _in的误差小于允许值，则说明假设的温度T ₁₁正确，输出各节点温度。一个周期的换热管指的是一竖排内的所有换热管，如图5中6所标示的5根换热管就是一个周期，折流板仅是将换热管分成了若干管段，与周期没有关系。这个周期的换热管的左端为管程进口，右端的上方为壳程进口，这两个位置的温度都是已知的，是实际换热器的操作条件。对照图8可知，由这些温度条件就可以通过迭代计算获得所有节点的温度值。

（7）单个换热管段上4个温度的映射关系由试验获得。在本发明所建立的单根换热管传热性能试验装置上，开启图7上的7、8、9、10和及15、16、17、18阀门，可实现管内与管外流体错流（流动方向垂直）的流动方式。试验换热管的长度等于相邻两块折流板的间距。

（8）根据管壳式换热器管程和壳程的实际流速确定试验中单根换热管的管内流速以及壳程流体的流速。由于实际换热器内部各换热管段的管程进口温度与壳程上游流体温度不确定且组合形式各异，因此需要进行多次试验，获得不同管程进口温度与壳程上游流体温度组合对应的管程出口温度与壳程下游流体温度。

（9）估算管程和壳程出口温度。采用式（a）计算热流体的出口温度T ₂，采用式（b）计算热流体的出口温度t ₂。

                                                      

                            （a）

                                                      

                            （b）

其中，

，

，且A为传热面积（m²），H为总传热系数（W·m^-2·K^-1），T ₁，t ₁为热、冷流体进口温度（℃），T ₂，t ₂为热、冷流体出口温度（℃），q _h ，q _c 为分别为热、冷流体的质量流量（kg·s^-1），c _h ，c _c 为分别为热、冷流体的比热（J·kg^-1·K^-1）。

根据估算得到的管程和壳程出口温度，结合已知的管程和壳程进口温度，设置单管换热性能试验的管程进口温度范围[t ₁, t ₂]和壳程出口的温度范围[T ₁, T ₂]。在[t ₁, t ₂]间取若干值t _m 作为管程进口温度的试验值，在[T ₁, T ₂]间取若干值T _n 作为壳程出口温度的试验值。试验时，保持t _m 不变，调整壳程进口温度，直到获得的壳程出口温度为T _n 为止，记录对应的壳程进口温度t _m ’和管程出口温度T _n ’。重复试验，获得与不同t _m 和T _n 温度组合对应的t _m ’和T _n ’，从而建立管程进口温度、壳程下游流体温度与管程出口温度、壳程上游流体温度对应关系，从而满足第（6）条中节点温度推算的要求。

（11）以图10所示的温度矩阵为例说明t _m 、T _n 与t _m ’和T _n ’映射关系的使用方法。对于某一换热管段，如果其管程进口温度t _y 、壳程下游流体温度T _x 能在映射关系中找到完全匹配的t _m 和T _n 值，则管程出口温度和壳程上游流体温度分别取t _m ’和T _n ’，否则需要进行插值计算。图10中，T ₁、T ₂、T ₃、T ₄、T ₅为试验所取的5个T _n 值，t ₁、t ₂、t ₃、t ₄、t ₅为试验所取的5个t _m 值。根据管壳式换热器的温度场特征，若壳程为高温流体，管程为低温流体，则各换热管段内流体始终处于加热状态，故有T _n >t _m 。图10上的黑点表示按其对应的t _m 和T _n 进行了一个试验，并获得了一组t _m ’和T _n ’值。t _y 和T _x 分别为某一迭代步中某一换热管段的管程进口温度和壳程下游流体温度。t _y 和T _x 的交点不落在黑点上（图上的红点），因此需要根据红点周围的4个黑点对应的温度值进行二维插值（t _m 和T _n 方向均需插值）计算。插值方法已经是成熟的方法。

（12）根据图11所示的主控程序流程，启动程序，输入实际换热器的基本参数（包括结构参数、介质物性参数以及操作参数）；估算实际换热器的管程和壳程出口温度；确定换热管段传热性能试验的试验温度；进行换热管段的传热性能试验，获得换热管段进、出口温度及其壳程上、下游流体流体温度的映射关系；利用建立的温度映射关系，迭代计算一个周期换热管束中各换热管段的节点温度；最后输出节点温度并退出程序。

实施例四

一种管壳式换热器设计数据为：壳程介质为导热油，进口温度为220 ℃，质量流量为142 kg·s^-1；管程介质为某种物料，质量流量为132 kg·s^-1，进口温度为20 ℃；换热管材料为316L，规格Φ32×3.5，长5000 mm，共840根，呈正三角形排布，间距48 mm。折流板共4块（从左向右依次标记为1、2、3、4），均匀排布，竖直方向共28排，每排30根。管程和壳程流体的流动方式为逆流。

首先，确定管程和壳程流体的物性和操作参数。壳程介质为导热油，比热2.15 kJ·kg^-1·K^-1，单根换热管外导热油的横向流速为0.28 m·s^-1；管程为某种物料，比热2.50 kJ·kg^-1·K^-1，单根换热管的进口流速为0.42 m·s^-1；总换热面积为422 m²，总传热系数为440 W·m^-2·K^-1，根据式（a）和（b）估算得到管程出口温度为91 ℃，壳程出口温度为143 ℃。以上是迭代计算时需要用到的实际换热器的设计与工作参数。

其次，根据换热器参数和估算得到的管程和壳程出口温度，确定单管段换热试验参数。测试装置的试验介质与实际换热器中的介质一样；换热管试验段长度为1250 mm，考虑到法兰及波纹管筒节的安装要求，实际换热管长度应大于1250 mm；管程流速为0.4 m·s^-1，0.28 m·s^-1；壳程入口流体温度从220 ℃变化到143 ℃，管程流体入口从20 ℃变化到91℃。壳程和管程试验点温度的取值如图12所示。图中黑点表示该点对应的两个温度为一对试验温度，共需进行39次试验。

再次，按照图11所示的试验温度取值，在本发明的换热管传热性能试验装置上进行换热试验，进而获得壳程和管程进、出口温度的映射关系。计算过程中，可能会出现节点温度超出试验温度范围的情况，此时需要补充试验。为了节约成本，可采用试验研究与数值分析相结合的方式获得温度映射关系。表1给出了部分本实施例得到的温度映射关系。

表1  换热器温度映射表（℃）

序号	管程进口温度	壳程进口温度	管程出口温度	壳程出口温度
					1	20	140	36.3	139.3
2	30	150	46.3	149.3
					3	40	160	56.3	159.3
4	50	180	67.6	179.3
					5	60	190	77.6	189.3
6	70	200	87.6	199.3
					7	80	210	97.6	209.3
8	90	220	107.6	219.3
					9	100	220	116.3	219.3

最后，按图9所示的流程，利用试验得到的温度映射关系，由本发明的迭代计算程序计算，得到的换热器内关键节点的温度分布。表2给出了一个周期从上到下各换热管上的节点温度。

表2  换热管节点温度（℃）

换热管序号	进口温度	第1折流板处温度	第2折流板处温度	第3流板处温度	第4折流板处温度	出口温度
							1	20	31.8	44.5	55.7	68.5	77.3
2	20	31.7	43.5	56.6	67.5	78.2
							3	20	31.7	44.6	55.5	68.7	79.7
4	20	31.6	43.5	56.6	70.5	82.6
							5	20	31.5	44.8	55.4	69.2	79.2
6	20	31.5	43.5	54.1	65.4	78
							7	20	31.4	42	53.3	66	77.5
8	20	31.4	42.2	53.1	63.2	72.5
							9	20	31.3	44.2	55.9	68.3	80.1
10	20	31.3	43.9	56.2	70.2	82.9
							11	20	31.2	44.2	55.9	69.5	78.9
12	20	31.2	44	56.1	68	76.6
							13	20	31.1	44.3	55.8	68.4	77.4
14	20	31	44	56.1	68	80.2
							15	20	31	42.4	55.2	69	79.4
16	20	30.9	42.6	54.8	64.7	74.1
							17	20	30.9	42.6	54.8	64.7	74.1
18	20	30.8	42.7	54.3	65.2	78.2
							19	20	30.8	42.7	54.5	65	73.8
20	20	30.7	42.7	53.8	65.6	77.8
							21	20	30.7	42.8	54.1	65.3	78.2
22	20	30.6	42.8	53.1	66.2	77.2
							23	20	30.6	42.9	53.8	65.6	77.9
24	20	30.5	43	52.5	64.3	74.4
							25	20	30.4	43	53.4	63.6	72.8
26	20	30.4	43.1	51.8	62.8	75.9
							27	20	30.3	43.1	53	64.3	74.4
28	20	30.2	43.2	51.3	65.3	78.1

Claims (11)

1.管壳式换热器节点温度的预测方法，该方法包括以下步骤：

a）根据实际换热器中两块折流板的间距，确定一段测试用换热管的长度，该换热管的壳体采用若干筒节组装而成，确定构建壳程筒体所需的筒节数，并与换热管封板、法兰、输送泵、储液罐及管路连接，组装成单管换热管测试装置，其壳体包括若干筒节、位于端部的筒节连接封头和封板，所述筒节均由圆管、筒节端部法兰和筒管上、下部接管组成，各筒节经由端部法兰依次连接；所述换热管的进、出口分别经阀门与管程储液罐连接；所述壳体的每个筒节的上接管分别经阀门连接壳程流量分配器，壳程流量分配器与壳程储液罐连接，每个筒节的下接管分别经阀门连接混流器，壳程混流器与壳程储液罐连接；

其换热管规格与实际换热器使用的换热管相同；组装后的单管换热管测试装置的换热管的进、出口和壳体的进、出口均装配有温度传感器、压力传感器、电磁阀及流量传感器，各传感器分别与计算机控制系统连接；

b）根据实际换热器的基本参数确定换热管段传热性能试验的温度参数，实际换热器管程的进口温度t ₁与壳程进口温度T ₁已知，管程的出口温度t ₂与壳程出口温度T ₂通过以下公式推导： 

                                                   

                                                                

其中，

，

，且A为传热面积（m²），H为总传热系数（W·m^-2·K^-1），T ₁，t ₁为壳程、管程流体进口温度（℃），T ₂，t ₂为壳程、管程流体出口温度（℃），q _h ，q _c 为分别为热、冷流体的质量流量（kg·s^-1），c _h ，c _c 为分别为热、冷流体的比热（J·kg^-1·K^-1）；

c）采用单管换热管测试装置进行测试，模拟实际换热器管程、壳程介质和质量流量，以上述实际换热器管程的进、出口温度t ₁、t ₂和壳程进、出口温度T ₁、T ₂作为试验参数，将该单管换热管测试装置的管程进口温度在[t ₁，t ₂]间取若干值t _m 作为管程进口温度的试验值；将所述测试装置的壳程出口温度在[T ₁，T ₂]间取若干值T _n 作为壳程出口温度的试验值；试验时，保持t _m 不变，调整壳程进口温度，直到获得的壳程出口温度为T _n 为止，记录对应的壳程进口温度t _m ’和管程出口温度T _n ’；重复试验，获得与不同t _m 和T _n 温度组合对应的t _m ’和T _n ’，建立管程进口温度、壳程出口温度与管程出口温度、壳程进口温度的对应映射关系，由计算机控制系统生成换热管段管程、壳程进、出口温度映射关系表；其中管程和壳程的储液罐通过加热器和冷却器调温，单管换热管测试装置壳程和管程进口的温度，以及壳程和管程出口温度均通过温度传感器测量；

d）根据实际换热器的换热管束在水平方向具有周期性特征，取一个周期的换热管束进行温度场分析，该周期取换热器一竖排内的所有换热管，换热管束在竖直方向上的换热管数量与实际换热器相同，而水平方向的换热管数为一；

e）启动计算机程序，输入实际换热器的设计数据，调用换热管段管程、壳程进出口温度映射关系表，依据实际换热器管程和壳程的进口温度，通过迭代计算，确定所述一个周期的换热管束各换热管段出口温度及其壳程下游流体的温度；其它各周期换热管束的节点温度与所述周期的换热管束一致。

2.根据权利要求1所述的管壳式换热器节点温度的预测方法，其中，实际换热器一个竖排为三根换热管，取它为一个周期的换热管束，两块折流板将每根换热管分成三段，这九段换热管分别用A、B、C、D、E、F、G、H、I表示，壳程流体流经这九段换热管的次序为I、H、G、F、E、D、C、B、A。

3.根据权利要求2所述的管壳式换热器节点温度的预测方法，其中，采用迭代方法求解该周期换热管束的节点温度，其中管程进口温度为t ₁₁=t ₂₁=t ₃₁和壳程进口温度T _in已知，首先假定一个温度T ₁₁，由t ₁₁和T ₁₁求t ₁₂与T ₂₁；然后再由t ₂₁与T ₂₁求t ₂₂与T ₃₁；如此递进，直到获得换热管段I的温度T ₄₃；如果得到的温度T ₄₃与已知的壳程进口温度T _in的误差超过允许值，则说明假设的温度T ₁₁有误，需要改变T ₁₁继续迭代；如果得到的温度T ₄₃与T _in的误差小于允许值，则说明假设的温度T ₁₁正确，输出各节点温度；其中T ₁₁为假定壳层出口温度，t ₁₂为换热管段F的管程进口温度，t ₂₂为换热管段E的管程进口温度，t ₃₁为换热管段B的温度，T ₂为壳程出口温度；其中温度T ₁₁由所述公式（a）估算得到的壳程出口温度T ₂作为T ₁₁的初值。

4.根据权利要求1所述的管壳式换热器节点温度的预测方法，其中步骤e）中，当管程进口温度t _y 、壳程下游流体温度T _x 在映射关系中若找不到完全匹配的t _m 和T _n 值时，则进行插值计算。

5.一种单管换热管测试装置，它包括换热管、壳体、输送泵、储液罐及进、出口阀，其特征在于：所述换热管为单根换热管体，所述壳体由包括若干筒节、位于端部的筒节连接封头和封板，所述筒节均由圆管、筒节端部法兰和筒管上、下部接管组成，各筒节经由端部法兰依次连接；所述换热管的进、出口分别经阀门与管程储液罐连接；所述壳体的每个筒节的上接管分别经阀门连接壳程流量分配器，壳程流量分配器与壳程储液罐连接，每个筒节的下接管分别经阀门连接混流器，壳程混流器与壳程储液罐连接。

6.根据权利要求5所述的单管换热管测试装置，其特征在于：该装置的壳体还设有波纹管筒节，它设置在壳体的左侧或右侧，所述波纹管筒节设置在筒节和封头之间，波纹管筒节包括波纹管和端部法兰，波纹管筒节通过端部法兰分别与筒节和封头连接；所述波纹管与壳体筒节之间加装一挡板，该挡板与所述换热管外壁留有间隙。

7.根据权利要求5所述的单管换热管测试装置，其特征在于：所述换热管的进、出口处均设有温度传感器和压力传感器；壳体的每节筒体下接管处均设有温度传感器，所述壳程流量分配器和混流器位置均设有温度传感器和压力传感器；壳程储液罐和管程储液罐的出口阀处均设有流量传感器。

8.根据权利要求7所述的单管换热管测试装置，其特征在于：所述温度传感器均为热电偶传感器；所述压力传感器均压电式压力传感器，所述阀门均为电磁阀；所述流量传感器均为电子涡轮传感器。

9.根据权利要求7所述的单管换热管测试装置，其特征在于：所述各温度传感器、压力传感器和流量传感器分别与计算机控制系统的对应信号输入端口连接，所述各阀门分别连接计算机控制系统的对应控制端连接。

10.根据权利要求5所述的单管换热管测试装置，其特征在于：所述壳程储液罐为高温流体储罐，管程储液罐为低温流体储罐；或壳程储液罐为低温流体储罐，管程储液罐为高温流体储罐。

11.根据权利要求10所述的单管换热管测试装置，其特征在于：所述高温流体储罐配有加热器与温度控制器；所述低温流体储罐配有冷却器与温度控制器。

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