CN102788813A - 一种强化传热管壳式热交换器节能量的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种强化传热管壳式热交换器节能量的测量方法，其特征在：该方法的评价参数是被评热交换器的总传热系数与基准热交换器总传热系数的比值，建立了热交换器评价结构基准，物性基准，流动与传热性能基准，引入基准热交换器与被评热交换器管壳程流量相同以及泵功消耗分别相同的约束条件；基于评价基准与约束条件得到基准热交换器的管程雷诺数、壳程雷诺数计算得到基准热交换器总传热系数值。计算得到的被评价热交换器的评价参数值随流速变化相对较小，说明该参数反映了设备传热性能的固有属性。

Description

一种强化传热管壳式热交换器节能量的测量方法

技术领域

本发明属于热交换器传热技术领域，尤其涉及一种确定管壳式热交换器强化传热所获得的节能量的测量方法。 

背景技术

管壳式热交换器强化传热性能可以提高设备回收热能的数量实现节能，在同样热负荷条件下可减小换热面积，节约材料。强化传热性能的主要途径是采用螺纹管、波纹管、波节管等强化传热元件或改变壳程结构从而提高介质的湍流程度，但在强化传热的同时也增加了介质流动的阻力，引起了与之配套的循环泵的电力消耗增加，单方面强调提高传热系数将以巨大的电力消耗为代价。因此，管壳式热交换器强化传热性能的测量方法应综合考虑热能回收效益、泵功消耗相互制约的关系。 

已有报道的热交换器性能测量方法较多，大致可概括为两类，一是以热力学第一定律为基础，建立的评价参数包括K/ΔP、ΔP/NTU、Q/ΔP，其中，K、ΔP、NTU、Q分别表示被评热交换器的总传热系数、总压降，传热单元数，热负荷，上述测量参数中包含的总传热系数、热负荷均是反映总体性能热力学参数而压降则或为管程或为壳程，不能直接反映设备总体性能。工程实际中，多分别对比总传热系数、管程压降、壳程压降相对大小以判断强化传热性能效果，由于涉及到管程压降、壳程压降、总传热系数等三个参数不能进行直接比较，导致无法量化由强化传热措施而获得的节能量的多少，此外，以上参数值均随流速变化而发生较大变化，不能反映设备固有 属性。二是基于热力学第二定律，代表性的测量参数有(火用)、熵产单元数等，该类方法反映了设备的热力学完善程度，由于热交换器工程设计过程所涉及到的热动力学参数主要以温度、流量、压降、热负荷、传热系数为主，极少基于热力学第二定律参数进行热交换器设计，使得该类方法与热交换器设计过程无法融合不能有效指导产品设计，不能确定节约的热能、换热面积、泵功消耗引起的电能的多少。 

发明内容

为克服上述技术难点，本发明目的在于提供一种强化传热管壳式热交换器节能量的测量方法。 

为实现上述目标，本发明采取的技术方案在于，提供一种强化传热管壳式热交换器节能量的测量方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤： 

(一)测试被评热交换器的流动性能，回归得到描述设备流动性能的管程欧拉方程式和壳程欧拉方程式； 

(二)测试被评热交换器在以上流速条件下的传热性能，获得在该测试条件下的总传热系数； 

(三)引入基准热交换器，确定其结构、介质物性、流动与传热特性； 

(四)计算被评热交换器在上述管程测试流速时候欧拉数；计算基准热交换器在与被评热交换器管程流速相同时的管程欧拉数；计算基准热交换器与被评热交换器在管程泵功消耗相同约束条件下的管程折算雷诺数； 

(五)计算被评热交换器在上述壳程测试流速时候欧拉数；计算基准热交换器在与被评热交换器壳程流速相同时的壳程欧拉数；计算基准热交换器 与被评热交换器在壳程泵功消耗相同约束条件下的壳程折算雷诺数； 

(六)计算基准热交换器管程在折算雷诺数下的对流传热系数，计算基准热交换器管程在折算雷诺数下的对流传热系数； 

(七)计算基准热交换器总传热系数，并计算热交换器强化传热性能评价参数值。 

在上述第(一)步骤中，测试并回归实验数据得到的被评热交换器管程欧拉方程式和壳程欧拉方程式分别为： 

${\mathrm{Eu}}_t^E\left({\mathrm{Re}}_t^E\right)=B_t^E\·{\left({\mathrm{Re}}_t^E\right)}^F---\left(1\right)$

${\mathrm{Eu}}_s^E\left({\mathrm{Re}}_s^E\right)=B_s^E\·{\left({\mathrm{Re}}_s^E\right)}^G---\left(2\right)$

式中 

F， 

G均为试验测试回归系数， 是被评热交换器在测试流速为 

时的管程雷诺数， 是被评热交换器在流速为 

的壳程雷诺数。 

测试被评热交换器的传热性能，获得在该测试条件下的总传热系数w/m²·℃。 

所述基准热交换器的结构、介质物性、流动与传热特性分别如下： 

关于结构特征 

传热元件为光滑圆管，传热管材质和尺寸分别与被评热交换器传热管相同： 

$L_t^R=L_t^E,d_t^R=d_t^E,d_o^R=d_o^E$

$d_i^R=d_i^E$ λ^R＝λ^E                                (3) 

分别是基准热交换器与被评热交换器管的长度， 

分别是基准热交换器的当量直径、管外径、管内径与管壁导热系数。 

分别是被评热交换器管的当量直径、管外径、管内径和导热系数。基准热交换器壳程结构特征是不设置折流板并有如下关系： 

$L_s^R=L_s^E{d}_s^E=d_s^E---\left(4\right)$

分别是基准热交换器与被评热交换器壳程有效长度， 

分别是基准热交换器与被评热交换器管的当量直径； 

关于介质物性 

管程介质的导热系数 

动力粘度 

定压比热容 

分别与被评热交换器管程的导热系数 

动力粘度 

定压比热容 

对应相同即： 

${\mathrm{\λ}}_t^R={\mathrm{\λ}}_t^E,{\mathrm{\μ}}_t^R={\mathrm{\μ}}_t^E,{\mathrm{cp}}_t^R={\mathrm{cp}}_t^E---\left(5\right)$

基准热交换器壳程介质的导热系数 动力粘度 

定压比热容与 与被评热交换器壳程介质导热系数 

动力粘度 

定压比热容与 

对应相同即： 

${\mathrm{\λ}}_s^R={\mathrm{\λ}}_s^E,{\mathrm{\μ}}_s^R={\mathrm{\μ}}_s^E,{\mathrm{cp}}_s^R={\mathrm{cp}}_s^E---\left(6\right)$

被评热交换器管、壳程介质物性定性温度由介质进出口温度平均值确定； 

关于流动与传热特性： 

基准热交换器管程流动特性的欧拉方程 

与传热特性方程 

${\mathrm{Eu}}_t^R\left({\mathrm{Re}}_t^R\right)=2\×0.0791\×(L_t^R/d_t^R)\·{\left({\mathrm{Re}}_t^R\right)}^{-0.25}---\left(7\right)$

表示基准热交换器在与被评热交换器存在前述约束条件下的管程雷诺数 

$h_t^R\left({\mathrm{Re}}_t^R\right)=0.023\·{\mathrm{\λ}}_t^R/d_t^R\·{\left({\mathrm{Re}}_t^R\right)}^{0.8}\·{\left({\mathrm{Pr}}_t^R\right)}^n---\left(8\right)$

式中，当被评热交换器管程介质被加热时取n＝0.4，被冷却时取n＝0.3； 

基准热交换器壳程流动特性的欧拉方程 

与传热特性方程 

${\mathrm{Eu}}_s^R\left({\mathrm{Re}}_s^R\right)=2\×0.0791\·(L_s^R/d_s^R)\·{\left({\mathrm{Re}}_s^R\right)}^{-0.25}---\left(9\right)$

$h_s^R=0.023\·{\mathrm{\λ}}_s^R/d_s^R\·{\left({\mathrm{Re}}_s^R\right)}^{0.8}\·{\left({\mathrm{Pr}}_s^R\right)}^n---\left(10\right)$

式中， 

表示基准热交换器在与被评热交换器存在前述约束条件下的壳程雷诺数；当被评热交换器壳程介质被加热时取n＝0.4，被冷却时取n＝0.3。 

按(11)式计算被评热交换器在管程流速为 

时的雷诺数 

并将其代入(1)式计算被评热交换器在流速时的管程欧拉数 

代入(7)式计算基准热交换器在与被评热交换器管程流速相同时的管程欧拉数 

再按(12)式确定基准热交换器在与被评热交换器管程泵功消耗约束条件下的管程折算雷诺数 

${\mathrm{Re}}_t^E=\frac{d_t^E\·u_t^E\·{\mathrm{\ρ}}_t^E}{{\mathrm{\μ}}_t^E}---\left(11\right)$

${\mathrm{Re}}_t^R={\mathrm{Re}}_t^E\·{\left[\frac{{\mathrm{Eu}}_t^E\left({\mathrm{Re}}_t^E\right)}{{\mathrm{Eu}}_t^R\left({\mathrm{Re}}_t^E\right)}\right]}^{\frac{1}{1.75}}---\left(12\right).$

由(13)式计算被评热交换器壳程流速为 时的雷诺数 

并将其代入(2)式计算被评热交换器在上述流速时的壳程欧拉数 

将 

代入(9)式计算计算基准热交换器在与被评热交换器壳程流速相同时的壳程欧拉数 

再按(14)式确定基准热交换器在与被评热交换器壳程泵功消耗相同约束条件下的壳程折算雷诺数 

${\mathrm{Re}}_s^E=\frac{d_s^E\·u_s^E\·{\mathrm{\ρ}}_s^E}{{\mathrm{\μ}}_s^E}---\left(13\right)$

${\mathrm{Re}}_s^R={\mathrm{Re}}_s^E\·{\left[\frac{{\mathrm{Eu}}_s^E\left({\mathrm{Re}}_s^E\right)}{{\mathrm{Eu}}_s^R\left({\mathrm{Re}}_s^E\right)}\right]}^{\frac{1}{1.75}}---\left(14\right)$

将(12)式计算得的到折算管程雷诺数 代入(8)式计算基准热交换器管程对流传热系数 

将(14)式计算得到得壳程折算雷诺数 

代入(10)式计算基准热交换器壳程对流传热系数 

将计算得到的管、壳程对流传热系数代入下式计算基准热交换器总传热系数K^R并计算热交换器强化传热性能评价参数值η： 

$K^R={[\frac{1}{h_t^R}\frac{d_o^R}{d_i^R}+\frac{b^R}{{\mathrm{\λ}}^R}\frac{d_o^R}{d_m^R}+\frac{1}{h_s^R}]}^{-1}---\left(15\right)$

η＝K^E/K^R×100％                            (16)。 

上述测量方法将管程泵功消耗、壳程泵功消耗、结构与尺寸对强化传热性能影响的参数统一到一个平台上，建立基准热交换器，引入“管程泵功消耗相同”与“壳程泵功消耗相同”的双约束条件，评价参数是待测热交换器与基准热交换器的总传热系数的比值，满足了评价方法应具有的可比较性、可溯源、可对比的要求。 

附图说明

图1为本发明强化传热管壳式热交换器节能量的测量方法的实施例的流程示意图； 

图2a为本发明强化传热管壳式热交换器节能量的测量方法的实施例的确定被评热交换器的管程雷诺数的流程示意图； 

图2b为本发明强化传热管壳式热交换器节能量的测量方法的实施例的确定被评热交换器的管程欧拉方程的流程示意图； 

图2c为本发明强化传热管壳式热交换器节能量的测量方法实施例的确定基准热交换器在与被评热交换器管程流速相同时的管程欧拉数的流程示意图； 

图2d为本发明强化传热管壳式热交换器节能量的测量方法实施例的确定基准热交换器在约束条件下的管程折算雷诺数的流程示意图； 

图3a为本发明强化传热管壳式热交换器节能量的测量方法实施例的确定被评热交换器的壳程雷诺数的流程示意图； 

图3b为本发明强化传热管壳式热交换器节能量的测量方法实施例的确定被评热交换器的壳程欧拉方程的流程示意图； 

图3c为本发明强化传热管壳式热交换器节能量的测量方法实施例的确定基准热交换器在与被评热交换器壳程流速相同时的壳程欧拉数的流程示意图； 

图3d为本发明强化传热管壳式热交换器节能量的测量方法实施例的确定基准热交换器在约束条件下的壳程折算雷诺数的流程示意图； 

图4a为本发明强化传热管壳式热交换器节能量的测量方法实施例的确定基准热交换器管程对流传热系数的流程示意图； 

图4b本发明强化传热管壳式热交换器节能量的测量方法实施例的确定基准热交换器壳程对流传热系数的流程示意图； 

图5为本发明强化传热管壳式热交换器节能量的测量方法实施例的计算基准热交换器总传热系数及计算热交换器强化传热性能评价参数值的流程示意图。 

图6为其为本发明强化传热管壳式热交换器节能量的测量方法的被评热 交换器壳程流速、热交换器总传热系数、被评热交换器与基准热交换器总传热系数的比值的折线图。 

具体实施方式：

下面结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。 

实施例： 

管壳式热交换器传热元件为螺纹管，壳程布置有折流板，管材质为10#碳钢，管程介质为水，壳程介质为水，有效换热面积为7.76m²。 

本发明为一强化传热管壳式热交换器节能量的测量方法，请参阅图1所示，其为本发明强化传热管壳式热交换器节能量的测量方法的实施例的流程示意图，共需要七个步骤，每个步骤具体如下： 

第一步，a1：测试被评热交换器的流动性能，回归得到描述设备流动性能的管程欧拉方程式和壳程欧拉方程式。第二步，a2：测试被评热交换器在以上流速条件下的传热性能，获得在该测试条件下的总传热系数。第三步，a3：引入基准热交换器，确定其结构、介质物性、流动与传热特性。第四步，a4：计算被评热交换器在上述测试管程流速时候欧拉数；计算基准热交换器在与被评热交换器管程流速相同时的管程欧拉数；计算基准热交换器与被评热交换器在管程泵功消耗相同约束条件下的管程折算雷诺数。第五步，a5：计算被评热交换器在上述壳程测试流速时候欧拉数；计算基准热交换器在与被评热交换器壳程流速相同时的壳程欧拉数；计算基准热交换器与被评热交换器在壳程泵功消耗相同约束条件下的壳程折算雷诺数。第六步，a6：计算 基准热交换器管程在折算雷诺数下的对流传热系数。第七步，a7：计算基准热交换器总传热系数，并计算热交换器强化传热性能评价参数值。 

现结合附图对各步骤进行具体说明。 

第一步：a1：测试被评热交换器的流动性能，回归得到描述设备流动性能的管程欧拉方程式和壳程欧拉方程式。 

采用下述公式计算得到描述设备流动性能的管程欧拉方程式和壳程欧拉方程式，被评热交换器的管程流速为 

壳程流速 

时，回归得到描述设备流动性能的管程欧拉方程式 

和壳程欧拉方程式 

${\mathrm{Eu}}_t^E\left({\mathrm{Re}}_t^E\right)=B_t^E\·{\left({\mathrm{Re}}_t^E\right)}^F=53\×{\left(21563.45\right)}^{-0.0966}---\left(1\right)$

${\mathrm{Eu}}_s^E\left({\mathrm{Re}}_s^E\right)=B_s^E\·{\left({\mathrm{Re}}_s^E\right)}^G=433\×{\left(8964.77\right)}^{-0.2967}---\left(2\right)$

是被评热交换器在流速为 

时的管程雷诺数， 

是被评热交换器在流速为 

时的壳程雷诺数，其将在第四步骤中确定，并由第四步骤回归计算得到所述描述设备流动性能的管程欧拉方程式和壳程欧拉方程式。 

第二步：测试被评热交换器在以上流速条件的传热性能，获得总传热系数K^E＝1604.9w/m²·℃。 

第三步：a3：引入基准热交换器，确定其结构、介质物性、流动与传热特性。 

关于结构特征：传热元件为光滑圆管，传热管材质和尺寸分别与被评热交换器传热管相同： 

$L_t^R=L_t^E=1430\mathrm{mm},d_t^R=d_t^E=15\mathrm{mm},d_o^R=d_o^E=19\mathrm{mm}$

$d_i^R=d_i^E=15\mathrm{mm}$ λ^R＝λ^E＝45w/m·℃                                (3) 

分别是基准热交换器与被评热交换器管的长度。 

分别是基准热交换器的当量直径、管外径、管内径与管壁导热系数。 

分别是被评热交换器管的当量直径、管外径、管内径和导热系数。 

基准热交换器壳程结构特征是不设置折流板并有如下关系： 

$L_s^R=L_s^E=1370\mathrm{mm},d_s^E=d_s^E=33.4\mathrm{mm}---\left(4\right)$

分别是基准热交换器与被评热交换器壳程有效长度， 分别是基准热交换器与被评热交换器管的当量直径。 

关于介质物性：基准热交换器管程介质的导热系数 动力粘度 

定压比热容与 

分别与被评热交换器管程的导热系数 

动力粘度 

定压比热容 

对应相同即： 

基准热交换器壳程介质的导热系数 

动力粘度 

与被评热交换器壳程介质导热系数 

动力粘度 定压比热容与 

对应相同即： 

被评热交换器管、壳程介质物性定性温度由介质进出口温度平均值确定。 

关于流动与传热特性： 

描述基准热交换器管程流动特性的欧拉方程 与传热特性方程 

分别为： 

${\mathrm{Eu}}_t^R\left({\mathrm{Re}}_t^R\right)=2\×0.0791\×(L_t^R/d_t^R)\·{\left({\mathrm{Re}}_t^R\right)}^{-0.25}---\left(7\right)$

$h_t^R\left({\mathrm{Re}}_t^R\right)=0.023\·{\mathrm{\λ}}_t^R/d_t^R\·{\left({\mathrm{Re}}_t^R\right)}^{0.8}\·{\left({\mathrm{Pr}}_t^R\right)}^n---\left(8\right)$

式中， 

表示基准热交换器在与被评热交换器存在前述约束条件下的管程雷诺数；当被评热交换器管程介质被加热时取n＝0.4，被冷却时取n＝0.3； 

基准热交换器壳程流动特性的欧拉方程 

与传热特性方程 

${\mathrm{Eu}}_s^R\left({\mathrm{Re}}_s^R\right)=2\×0.0791\·(L_s^R/d_s^R)\·{\left({\mathrm{Re}}_s^R\right)}^{-0.25}---\left(9\right)$

$h_s^R=0.023\·{\mathrm{\λ}}_s^R/d_s^R\·{\left({\mathrm{Re}}_s^R\right)}^{0.8}\·{\left({\mathrm{Pr}}_s^R\right)}^n---\left(10\right)$

式中， 

表示基准热交换器在与被评热交换器存在前述约束条件下的壳程雷诺数；当被评热交换器壳程介质被加热时取n＝0.4，被冷却时取n＝0.3。 

第四步：a4：计算被评热交换器在上述测试管程流速时的欧拉数；计算基准热交换器在与被评热交换器管程流速相同时的管程欧拉数；计算基准热交换器与被评热交换器在管程泵功消耗相同约束条件下的管程折算雷诺数。 

请参阅图2a所示，本发明强化传热管壳式热交换器节能量的测量方法的实施例的确定被评热交换器的管程雷诺数的流程示意图，具体流程为：a411：确定被评热交换器的当量直径，a412：确定被评热交换器管程介质的动力粘度，a413：确定被评热交换器的管程流速，a414：确定基准热交换器管程介质的密度，之后进行a415：确定被评热交换器的管程雷诺数。 

结合上述步骤，按(11)式计算被评热交换器在管程流速为 时的雷诺数 

${\mathrm{Re}}_t^E=\frac{d_t^E\·u_t^E\·{\mathrm{\ρ}}_t^E}{{\mathrm{\μ}}_t^E}=21563.45---\left(11\right).$

将上述所得雷诺数 

代入(1)式计算 

请参阅图2b所示，其为本发明强化传热管壳式热交换器节能量的测量方法的实施例的确定被评热交换器的管程欧拉方程的流程示意图，具体流程为：a11：确定被评热交换器的管程流速，a12：确定实验回归系数，结合上述a415：确定被评热交换器的管程雷诺数，之后进行a14：确定被评热交换器的管程欧拉方程。 

将上述所得雷诺数 

代入(7)式计算 

请参阅图2c所示，其为本发明强化传热管壳式热交换器节能量的测量方法实施例的确定基准 热交换器在与被评热交换器管程流速相同时的管程欧拉数的流程示意图，具体流程为：a311：确定基准热交换器的长度，a312：确定基准热交换器的当量直径，结合上述a415：确定被评热交换器的管程雷诺数，之后进行a314：确定基准热交换器在与被评热交换器管程流速相同时的管程欧拉数。 

结合上述计算结果，再按(12)式确定基准热交换器在约束条件下的管程雷诺数 

请参阅图2d所示，其为本发明强化传热管壳式热交换器节能量的测量方法实施例的确定基准热交换器在约束条件下的管程折算雷诺数的流程示意图，具体流程为：a14：确定被评热交换器的管程欧拉方程，a415：确定被评热交换器的管程雷诺数，a314：确定基准热交换器在与被评热交换器管程流速相同时的管程欧拉数，之后进行：a416：确定基准热交换器在与被评热交换器管程泵功消耗约束条件下的管程折算雷诺数，计算结果为： 

${\mathrm{Re}}_t^R={\mathrm{Re}}_t^E\·{\left[\frac{{\mathrm{Eu}}_t^E\left({\mathrm{Re}}_t^E\right)}{{\mathrm{Eu}}_t^R\left({\mathrm{Re}}_t^E\right)}\right]}^{\frac{1}{1.75}}=21563.45\×{\left[\frac{20.21}{1.24}\right]}^{\frac{1}{1.75}}=106047.2---\left(12\right)$

第五步：a5：计算被评热交换器在上述壳程测试流速时的欧拉数；计算基准热交换器在与被评热交换器壳程流速相同时的壳程欧拉数；计算基准热交换器与被评热交换器在壳程泵功消耗相同约束条件下的壳程折算雷诺数。 

请参阅图3a所示，本发明强化传热管壳式热交换器节能量的测量方法的实施例的确定被评热交换器的壳程雷诺数的流程示意图，具体流程为：a511：确定被评热交换器管的当量直径，a512：确定被评热交换器壳程介质的动力粘度，a513：确定被评热交换器的壳程流速，a514：确定基准热交换器壳程介质的密度，之后进行a515：计算被评热交换器的壳程雷诺数。 

结合上述步骤，按(13)式计算被评热交换器壳程流速为 

时的雷诺数 

${\mathrm{Re}}_s^E=\frac{d_s^E\·u_s^E\·{\mathrm{\ρ}}_s^E}{{\mathrm{\μ}}_s^E}=8964.77---\left(13\right)$

将上述所得雷诺数 

代入(2)式计算 请参阅图3b所示，其为本发明强化传热管壳式热交换器节能量的测量方法的实施例的确定被评热交换器的管程欧拉方程的流程示意图，具体流程为：a15：确定被评热交换管的壳程流速，a16：确定实验回归系数，结合a515：确定被评热交换器的壳程雷诺数，之后进行a18：确定被评热交换器的壳程欧拉方程。 

将上述所得雷诺数 

代入(9)式计算 请参阅图3c所示，其为本发明强化传热管壳式热交换器节能量的测量方法实施例的确定基准热交换器在与被评热交换器壳程流速相同时的壳程欧拉数的流程示意图，具体流程为：a331：确定基准热交换器的壳程有效长度，a332：确定基准热交换器管的当量直径，结合a515：确定被评热交换器的壳程雷诺数，之后进行a334：确定基准热交换器在与被评热交换器壳程流速相同时的壳程欧拉数。 

再按(14)确定基准热交换器在约束条件下的管程雷诺数 

请参阅图3d所示，其为本发明强化传热管壳式热交换器节能量的测量方法实施例的确定基准热交换器在约束条件下的壳程折算雷诺数的流程示意图，具体流程为：a18：确定被评热交换器的壳程欧拉方程式，a515：确定被评热交换器的壳程雷诺数，a334：确定基准热交换器在与被评热交换器壳程流速相同时的壳程欧拉数，a516：确定基准热交换器在与被评热交换器壳程泵功消耗约束条件下的壳程折算雷诺数，计算结果为： 

${\mathrm{Re}}_s^R={\mathrm{Re}}_s^E\·{\left[\frac{{\mathrm{Eu}}_s^E\left({\mathrm{Re}}_s^E\right)}{{\mathrm{Eu}}_s^R\left({\mathrm{Re}}_s^E\right)}\right]}^{\frac{1}{1.75}}=8964.77\×{\left[\frac{29.09}{0.67}\right]}^{\frac{1}{1.75}}=77539.7---\left(14\right)$

第六步：a6：计算基准热交换器管程和壳程在折算雷诺数下的对流传热系数。 

将(12)式计算得雷诺数 

代入(8)式计算基准热交换器管程对流传 热系数，请参阅图4a所示，其为本发明强化传热管壳式热交换器节能量的测量方法实施例的确定基准热交换器管程对流传热系数的流程示意图，具体流程为：a321：确定基准热交换器的管壁导热系数，a312：确定基准热交换器的当量直径，a323：确定基准热交换器管程介质的普朗特数，a416：确定基准热交换器在与被评热交换器管程泵功消耗约束条件下的管程折算雷诺数，之后进行a325：确定基准热交换器管程对流传热系数，其计算结果为： 

将(14)式计算得雷诺数代入(10)式计算基准热交换器壳程对流传热系数，请参阅图4b所示，其为本发明强化传热管壳式热交换器节能量的测量方法实施例的确定基准热交换器壳程对流传热系数的流程示意图，具体流程为：a341：确定基准热交换器的壳程介质导热系数，a342：确定基准热交换器管的当量直径，a344：确定基准热交换器壳程介质的普朗特数，a516：确定基准热交换器在与被评热交换器壳程泵功消耗约束条件下的壳程折算雷诺数，计算结果为： 

第七步：a7：计算基准热交换器总传热系数，并计算热交换器强化传热性能评价参数值，请参阅图5所示，其为本发明强化传热管壳式热交换器节能量的测量方法实施例的计算基准热交换器总传热系数及计算热交换器强化传热性能评价参数值的流程示意图，其具体流程为：a711：确定基准热交换器的管外径，a713：确定基准热交换器的传热管平均直径，a712：确定基准热交换器换热管管壁厚度，a345：确定基准热交换器壳程对流传热系数，a325：确定基准热交换器管程对流传热系数，a716：确定基准热交换器的管内径，a717：确定基准热交换器管程介质的导热系数，上述小步骤结合进行a718：计算基准热交换器总传热系数。 

其中，所述基准热交换器总传热系数K^R计算式为： 

得到所述基准热交换器总传热系数K^R后，结合：a719：计算被评热交换器总传热系数，进行a71：计算基准热交换器强化传热性能评价参数值。 

所述热交换器强化传热性能评价参数值η计算式为： 

η＝K^E/K^R＝1604.9/1435.7＝1.12                    (16)。 

此即为本评价管壳式热交换器强化传热性能的方法的最终结果。 

请参阅表1，其为本发明螺纹管流动与传热性能测试数据表，实验时，测量参数为：管程流速、壳程流速、热侧进口温度、热侧出口温度、冷侧进口温度和热侧出口温度，测试时，保持管程流速不变，壳程流速先增大在减小，经历一个周期，其它温度参数相应进行测试，所得总传热系数为表中所示。 

表1螺纹管流动与传热性能测试数据 

请参阅图6所示，其为本发明强化传热管壳式热交换器节能量的测量方法的被评热交换器壳程流速、热交换器总传热系数、被评热交换器与基准热 交换器总传热系数的比值的折线图，图6中横坐标表示被评热交换器壳程流速，纵坐标代表热交换器总传热系数(对于红、绿两线)，纵坐标代表被评热交换器与基准热交换器总传热系数的比值(对于蓝色线)。从图6中可以看出，壳程流速在一定范围内逐渐增加时，热交换器总传热系数逐渐增大，而依据本发明获得被评热交换器与基准热交换器总传热系数的比值也逐渐增大，但变化较小，没有随流速变化而发生较大变化，说明该方法反映了设备固有属性。 

本发明强化传热管壳式热交换器节能量的测量方法，评价结果可以量化，以诸如上述表格、折线图的形式表示，能够进行直观比较，将强化传热性能影响的参数统一到一个平台上，具有可比较性、可溯源、可对比的特性。 

以上所述仅为本发明的实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。 

Claims (8)

1.一种强化传热管壳式热交换器节能量的测量方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(一)测试被评热交换器的流动性能，回归得到描述设备流动性能的管程欧拉方程式和壳程欧拉方程式；

(二)测试被评热交换器在以上流速条件下的传热性能，获得在该测试条件下的总传热系数；

(三)引入基准热交换器，确定其结构、介质物性、流动与传热特性；

(四)计算被评热交换器管程在上述测试流速时的欧拉数；计算基准热交换器在与被评热交换器管程流速相同时的管程欧拉数；计算基准热交换器与被评热交换器在管程泵功消耗相同约束条件下的管程折算雷诺数；

(五)计算被评热交换器壳程在上述测试流速时的欧拉数；计算基准热交换器在与被评热交换器壳程流速相同时的壳程欧拉数；计算基准热交换器与被评热交换器在壳程泵功消耗相同约束条件下的壳程折算雷诺数；

(六)计算基准热交换器管程和壳程在折算雷诺数下的对流传热系数。

(七)计算基准热交换器总传热系数，并计算热交换器强化传热性能评价参数值。

2.如权利要求1所述的强化传热管壳式热交换器节能量的测量方法，其特征在于：

在上述第(一)步骤中，采用下述公式计算得到描述设备流动性能的管程欧拉方程式和壳程欧拉方程式：

${\mathrm{Eu}}_t^E\left({\mathrm{Re}}_t^E\right)=B_t^E\·{\left({\mathrm{Re}}_t^E\right)}^F---\left(1\right)$

${\mathrm{Eu}}_s^E\left({\mathrm{Re}}_s^E\right)=B_s^E\·{\left({\mathrm{Re}}_s^E\right)}^G---\left(2\right)$

式中

F，

G是试验测试回归系数，

是被评热交换器在流速为

时的管程雷诺数，

是被评热交换器在流速为

的壳程雷诺数。

3.如权利要求2所述的强化传热管壳式热交换器节能量的测量方法，其特征在于：

测试被评热交换器在以上流速条件的传热性能，获得在该测试条件下的总传热系数w/m²·℃。

4.如权利要求3所述的强化传热管壳式热交换器节能量的测量方法，其特征在于：引入了基准热交换器，其结构、介质物性、流动与传热特性分别如下：

关于结构特征

传热元件为光滑圆管，传热管材质和尺寸分别与被评热交换器传热管相同：

$L_t^R=L_t^E,d_t^R=d_t^E,d_o^R=d_o^E$

$d_i^R=d_i^E$ λ^R＝λ^E                            (3)

分别是基准热交换器与被评热交换器管的长度，

分别是基准热交换器的当量直径、管外径、管内径与管壁导热系数。

分别是被评热交换器管的当量直径、管外径、管内径和导热系数。基准热交换器壳程结构特征是不设置折流板并有如下关系：

$L_s^R=L_s^E{d}_s^E=d_s^E---\left(4\right)$

分别是基准热交换器与被评热交换器壳程有效长度，

分别是基准热交换器与被评热交换器管的当量直径；

关于介质物性

管程介质的导热系数

动力粘度

定压比热容与

分别与被评热交换器管程的导热系数

动力粘度

定压比热容

对应相同即

${\mathrm{\λ}}_t^R={\mathrm{\λ}}_t^E,{\mathrm{\μ}}_t^R={\mathrm{\μ}}_t^E,{\mathrm{cp}}_t^R={\mathrm{cp}}_t^E---\left(5\right)$

基准热交换器壳程介质的导热系数动力粘度与被评热交换器壳程介质导热系数动力粘度

定压比热容与对应相同即：

${\mathrm{\λ}}_s^R={\mathrm{\λ}}_s^E,{\mathrm{\μ}}_s^R={\mathrm{\μ}}_s^E,{\mathrm{cp}}_s^R={\mathrm{cp}}_s^E---\left(6\right)$

被评热交换器管、壳程介质物性定性温度由介质进出口温度平均值确定；

关于流动与传热特性

描述基准热交换器管程流动特性的欧拉方程

与传热特性方程分别为：

${\mathrm{Eu}}_t^R\left({\mathrm{Re}}_t^R\right)=2\×0.0791\×(L_t^R/d_t^R)\·{\left({\mathrm{Re}}_t^R\right)}^{-0.25}---\left(7\right)$

$h_t^R\left({\mathrm{Re}}_t^R\right)=0.023\·{\mathrm{\λ}}_t^R/d_t^R\·{\left({\mathrm{Re}}_t^R\right)}^{0.8}\·{\left({\mathrm{Pr}}_t^R\right)}^n---\left(8\right)$

式中，

表示基准热交换器在与被评热交换器存在前述约束条件下的管程雷诺数；当被评热交换器管程介质被加热时取n＝0.4，被冷却时取n＝0.3；

基准热交换器壳程流动特性的欧拉方程

与传热特性方程分别为：

${\mathrm{Eu}}_s^R\left({\mathrm{Re}}_s^R\right)=2\×0.0791\·(L_s^R/d_s^R)\·{\left({\mathrm{Re}}_s^R\right)}^{-0.25}---\left(9\right)$

$h_s^R=0.023\·{\mathrm{\λ}}_s^R/d_s^R\·{\left({\mathrm{Re}}_s^R\right)}^{0.8}\·{\left({\mathrm{Pr}}_s^R\right)}^n---\left(10\right)$

式中，

表示基准热交换器在与被评热交换器存在前述约束条件下的壳程雷诺数；当被评热交换器壳程介质被加热时取n＝0.4，被冷却时取n＝0.3。

5.如权利要求4所述的强化传热管壳式热交换器节能量的测量方法，其特征在于：

按(11)式计算被评热交换器在管程测试流速为

时的雷诺数

并将其代入(1)式计算被评热交换器在流速时的管程欧拉数

将

代入(7)式计算基准热交换器在与被评热交换器管程流速相同时的管程欧拉数

再按(12)式确定基准热交换器在与被评热交换器管程泵功消耗约束条件下的管程折算雷诺数

${\mathrm{Re}}_t^E=\frac{d_t^E\·u_t^E\·{\mathrm{\ρ}}_t^E}{{\mathrm{\μ}}_t^E}---\left(11\right)$

${\mathrm{Re}}_t^R={\mathrm{Re}}_t^E\·{\left[\frac{{\mathrm{Eu}}_t^E\left({\mathrm{Re}}_t^E\right)}{{\mathrm{Eu}}_t^R\left({\mathrm{Re}}_t^E\right)}\right]}^{\frac{1}{1.75}}---\left(12\right).$

6.如权利要求5所述的强化传热管壳式热交换器节能量的测量方法，其特征在于：

由(13)式计算被评热交换器壳程测试流速为

时的雷诺数

并将其代入(2)式计算被评热交换器在上述流速时的壳程欧拉数

将代入(9)式计算基准热交换器在与被评热交换器壳程流速相同时的壳程欧拉数

再按(14)式确定基准热交换器在与被评热交换器壳程泵功消耗相同约束条件下的壳程折算雷诺数

${\mathrm{Re}}_s^E=\frac{d_s^E\·u_s^E\·{\mathrm{\ρ}}_s^E}{{\mathrm{\μ}}_s^E}---\left(13\right)$

${\mathrm{Re}}_s^R={\mathrm{Re}}_s^E\·{\left[\frac{{\mathrm{Eu}}_s^E\left({\mathrm{Re}}_s^E\right)}{{\mathrm{Eu}}_s^R\left({\mathrm{Re}}_s^E\right)}\right]}^{\frac{1}{1.75}}---\left(14\right).$

7.如权利要求6所述的强化传热管壳式热交换器节能量的测量方法，其特征在于：

将(12)式计算得到的折算管程雷诺数

代入(8)式计算基准热交换器管程对流传热系数将(14)式计算得到得壳程折算雷诺数

代入(10)式计算基准热交换器壳程对流传热系数

8.如权利要求7所述的强化传热管壳式热交换器节能量的测量方法，其特征在于：

将(8)式计算得到的管程对流传热系数

将(10)式计算得到得壳程折算雷诺数

代入下式计算基准热交换器总传热系数K^R并计算热交换器强化传热性能评价参数值η，由该值大小确定热交换器节能量的多少。

$K^R={[\frac{1}{h_t^R}\frac{d_o^R}{d_i^R}+\frac{b^R}{{\mathrm{\λ}}^R}\frac{d_o^R}{d_m^R}+\frac{1}{h_s^R}]}^{-1}---\left(15\right)$

η＝K^E/K^R×100％                                (16)。

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