CN108956692A - 干度跃变式蒸发器热力性能计算方法及其干度测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种干度跃变式蒸发器热力性能计算方法及其干度测量装置，干度跃变式蒸发器热力性能计算方法首先选用合适的蒸发关联式，并在计算开始时设置蒸发器基本几何尺寸以及管内工作介质的物性参数，管内工作介质的物性参数以管程进口值作为管程计算值，然后进入循环体计算；循环体计算方法包括：第一循环体、第二循环体和第三循环体；第一循环体为管内热力性能计算，第二循环体为管外热力性能计算，第三循环体为管程递进判别循环计算。干度测量装置包括离心管、第一毕托管、第二毕托管和液位传感器；第一毕托管、第二毕托管和液位传感器依流动方向安装在离心管上。本发明能准确计算干度跃变式蒸发器的管内和管外的传热性能以及阻力性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种蒸发器，特别涉及一种干度跃变式蒸发器热力性能计算方法及其干度测量装置。
背景技术
蒸发器是工业系统中十分重要的一种换热设备，随着工业发展，工业系统对蒸发器设备的性能要求日益增加。蒸发器作为热量交换以及运输的主要前端装置，被广泛用于电厂、化工、暖通空调、热泵以及食品等行业的热量运输上，是大量工业设备的核心部件之一。
在高效换热管式蒸发器中，工业上出现了蒸发过程中管内工作介质干度跃变的蒸发器，例如双干度分流蒸发器、气液分离蒸发器等等，此类蒸发器在蒸发过程中管内的两相工质在不同管程交接处，其干度产生不连续的跃变；而在蒸发器单独使用以及其在工业设备上的配置中，蒸发器需进行热力性能的设计计算，此外，两相流体热力性能理论计算和实际测量计算中，换热器管内的两相流体的干度和两相流量测量十分困难，因此怎样对干度跃变式蒸发器的管内与管外热力性能进行计算以及对管工作介质的干度和两相流量进行测量，是本领域技术人员需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种能准确计算干度跃变式蒸发器的管内和管外的传热性能以及阻力性能的干度跃变式蒸发器热力性能计算方法，及一种气相流稳定，性能可靠，利于蒸发器热力性能测量的干度测量装置，以克服现有技术中的不足之处。
按此目的设计的一种干度跃变式蒸发器热力性能计算方法，其特征在于：首先选用合适的蒸发关联式，并在计算开始时设置蒸发器基本几何尺寸以及管内工作介质的物性参数，管内工作介质的物性参数以管程进口值作为管程计算值，然后进入循环体计算；循环体计算方法包括：第一循环体、第二循环体和第三循环体；所述第一循环体为管内热力性能计算，第一循环体中首次计算的出口干度Xout,k1通过假定一个逼近“0”的值进行预设；所述第二循环体为管外热力性能计算，通过预设空气条件的计算与迭代修正，得到管内、外热平衡所需空气进口工况状态；所述第三循环体为管程递进判别循环计算，递进管程的流量和干度可通过理论设定或者通过干度测量装置进行实际测量输入。
所述第一循环体计算中涉及的冷凝温度Ts、管壁温Tk,w以及工作介质质量流量Gk均采用对应的管程进口值作为管程计算值。
所述第一循环体计算中的平均干度Xav,k由进口干度值Xin,k和出口干度值Xout,k1计算获得：
所述第一循环体计算中的热负荷Qk通过改变管壁温Tk,w进行变化计算：
Qk＝Fk×αk×(Tsat-Tk，w)
所述第一循环体计算中通过热负荷Qk的计算获得第二次计算以后的出口干度Xout,k2：
所述第一循环体通过第i-1次和第i次计算的出口干度的比较和赋值，对第一循环体所需的目标出口干度值进行精确的迭代逼近计算；所述管壁温Tk,w在单个管程单个管排中采用恒定值，不同管程以及不同管排的管壁温Tk,w的值根据管程实际热负荷变化。
不同管程热力性能计算所需工作介质质量流量Gk、管程工作介质干度X以及两相流量的实际值通过干度测量装置得到。
所述第二循环体计算中管外工作介质的物性参数以蒸发器管外侧进口处的值为各管程第一排管外侧热力计算的采用值，而且第n排管外侧空气热力计算均以第n-1排管外侧出口时空气的参数进行计算，其中n≥2。
所述第二循环体采用显热法计算空气温升：
ΔTa＝Qk/(cp，ama)
所述第二循环体采用管外侧对流换热计算管外侧对数平均温差：
ΔTm，kl＝Qk/(αaA)
所述第二循环体采用第i-1次和第i次计算的管外侧对数平均温差的值作为比较判定条件：
所述循环体计算还包括第四循环体，第四循环体为目标总热负荷判别循环计算，当第一循环体、第二循环体以及第三循环体进行初步计算后所获得的蒸发器总热负荷与目标总热负荷不符时，则返回第一循环体进一步修正各管程的管壁温Tk,w,重新进行热力迭代计算，直至总热负荷与目标总热负荷相符。
上述的干度测量装置，其特征在于：包括离心管、第一毕托管、第二毕托管和液位传感器；所述第一毕托管、第二毕托管和液位传感器依流动方向安装在离心管上；所述第一毕托管安装在距离离心管的进口≥1/4管长的位置上，和/或液位传感器安装在距离离心管的出口≥1/4管长的位置上。
所述离心管呈水平设置的圆弧状，离心管的上管壁和/或下管壁呈平面状，离心管的前壁面和/或后壁面呈圆弧状，上管壁、下管壁、前壁面和后壁面共同构成环形截面流道；所述第一毕托管和/或第二毕托管呈“L”型；其中，第一毕托管的测量头设置于靠近前管壁侧，第二毕托管的测量头设置于靠近后管壁侧。
所述液位传感器设置于离心管上，液位传感器平行于上管壁与下管壁之间的管截面中心轴，且以后管壁的中心为起点、以前管壁的中心为终点进行设置。
本发明能对干度发生跃变的蒸发器的蒸发过程进行高效而准确的管内热力性能计算以及管外热力性能计算，并提出一种相应的干度测量装置对管内两相流体的干度和两相流量进行有效地测量，进一步优化了传统干度跃变式蒸发器热力性能计算方法；本发明能根据已知热负荷计算出干度跃变式蒸发器所需的结构尺寸，具有设计效率提高，节省耗材等特点。其中，干度测量装置具有气相流稳定，性能可靠，利于蒸发器热力性能测量等特点。
附图说明
图1为本发明一实施例中干度跃变式蒸发器热力性能计算方法的示意图；
图2为本发明一实施例中第一循环体的示意图；
图3为本发明一实施例中第二循环体的示意图；
图4为本发明一实施例中干度测量装置的结构图；
图5为图4中A-A方向的截面图。
图6为本发明一实施例中液位传感器与干度测量装置的组装剖视图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。
参见图1-图3，本干度跃变式蒸发器热力性能计算方法，对干度跃变式蒸发器的热力性能进行分管程和分管程逐一循环计算，即对干度跃变式蒸发器的管内传热系数和阻力压降进行逐个管程和逐个管排的单独迭代计算；首先选用合适的蒸发关联式，并在计算开始时设置蒸发器基本几何尺寸以及管内工作介质的物性参数，管内工作介质的物性参数以管程进口值作为管程计算值，然后进入循环体计算；单个管程和单个管排的循环体计算方法包括：第一循环体11、第二循环体12、第三循环体13第四循环体14；第一循环体11为管内热力性能计算，第一循环体11中首次计算的出口干度Xout,k1通过假定一个逼近“0”的值进行预设；第二循环体12为管外热力性能计算，通过预设空气条件的计算与迭代修正，得到管内、外热平衡所需空气进口工况状态；第三循环体13为管程递进判别循环计算，递进管程的流量和干度可通过理论设定或者通过干度测量装置2进行实际测量输入；第四循环体14为目标总热负荷判别循环计算，当第一循环体11、第二循环体12以及第三循环体13进行初步计算后所获得的蒸发器总热负荷与目标总热负荷不符时，则返回第一循环体11进一步修正各管程的管壁温Tk,w,重新进行热力迭代计算，直至总热负荷与目标总热负荷相符。通过第一循环体11、第二循环体12、第三循环体13第四循环体14获得干度跃变式蒸发器的平均管内蒸发传热系数、流动阻力总压降以及管外侧换热系数。
进一步说，第一循环体11计算中涉及的冷凝温度Ts、管壁温Tk,w以及工作介质质量流量Gk均采用对应的管程进口值作为管程计算值。
进一步说，第一循环体11计算中的平均干度Xav,k由进口干度值Xin,k和出口干度值Xout,k1计算获得：
第一循环体11计算中的热负荷Qk通过改变管壁温Tk,w进行变化计算：
Qk＝Fk×αk×(Tsat-Tk，w)
第一循环体11计算中通过热负荷Qk的计算获得第二次计算以后的出口干度Xout,k2：
进一步说，第一循环体11通过第i-1次和第i次计算的出口干度的比较和赋值，对第一循环体11所需的目标出口干度值进行精确的迭代逼近计算；此时，根据设定的管内工作介质工况和目标热负荷，获得本管程管内蒸发传热系数αk的初步值。管壁温Tk,w在单个管程单个管排中采用恒定值，不同管程以及不同管排的管壁温Tk,w的值根据管程实际热负荷变化。
进一步说，不同管程热力性能计算所需工作介质质量流量Gk、管程工作介质干度X以及两相流量的实际值通过干度测量装置2得到。
进一步说，第二循环体12计算中管外工作介质的物性参数以蒸发器管外侧进口处的值为各管程第一排管外侧热力计算的采用值，而且第n排管外侧空气热力计算均以第n-1排管外侧出口时空气的参数进行计算，其中n≥2。
进一步说，第二循环体12采用显热法计算空气温升：
ΔTa＝Qk/(cp，ama)；
第二循环体12采用管外侧对流换热计算管外侧对数平均温差：
ΔTm，kl＝Qk/(αaA)
第二循环体12采用第i-1次和第i次计算的管外侧对数平均温差的值作为比较判定条件：
第二循环体12中，取未符合判据条件下的第i次对数平均温差的值ΔTm,k1,i为目标值修正进口空气温度Tai：
ΔTm，k1，i＝ΔTa×ln(Tw-Tai)/(Tw-Tai-ΔTa)
进一步说，当本循环判据条件成立时，基于管内外热平衡，获得本管程管外空气所需的进口工况以及空气传热系数αa的初步值；此时，选用两相流动压降模型，进行一管程管内压降计算。
进一步说，第三循环体13为管程递进判别循环计算，当第一循环体11和第二循环体12结束时，以设定管程数为判据条件，对第一循环体11和第二循环体12进行管程递进循环计算；其中，递进管程的流量和干度可通过理论设定或者通过干度测量装置进行实际测量输入。
参见图4-图6，上述干度测量装置包括离心管21、第一毕托管22、第二毕托管23和液位传感器24；当两相流体进入离心管21时，由于气、液相密度差以及离心力的共同作用，液相沿着离心管的外侧流动，形成有一定液高的、较稳定的液相流；而气相则被液相挤至离心管21的内侧流动，形成较稳定的、流道有一定高度的气相流，此时两相流在离心管21中作稳定的分层流动；随后第一毕托管22测量气相流速、第二毕托管23测量液相流速；当离心管21的截面尺寸已知时，则两相流的流量与干度可被准确测量。为减少离心管21中仪器间的相互影响，第一毕托管22、第二毕托管23和液位传感器24依流动方向安装在离心管21上，且各仪器间保留一定距离。为减少仪器受离心管21的进口效应以及出口流道改变的影响，第一毕托管22安装在距离离心管21的进口215≥1/4管长的位置上，和/或液位传感器24安装在距离离心管21的出口216≥1/4管长的位置上。
进一步说，离心管21呈水平设置的圆弧状，；离心管21的上管壁211和下管壁212呈平面状、有利于液位和气位的测量，离心管21的前壁面213和后壁面214呈圆弧状、有利于减少两相流体在离心管流动过程的扰动，以及强化管体的承压能力和抗变形能力；第一毕托管22和第二毕托管23呈“L”型；其中，第一毕托管22的测量头设置于靠近前管壁213侧，第二毕托管23的测量头设置于靠近后管壁214侧。
进一步说，液位传感器24设置于离心管21上，液位传感器24平行于上管壁211与下管壁212之间的管截面中心轴c，且以后管壁214的中心为起点、以前管壁213的中心为终点进行设置。
上述为本发明的优选方案，显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域的技术人员应该了解本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (10)
1.一种干度跃变式蒸发器热力性能计算方法，其特征在于：首先选用合适的蒸发关联式，并在计算开始时设置蒸发器基本几何尺寸以及管内工作介质的物性参数，管内工作介质的物性参数以管程进口值作为管程计算值，然后进入循环体计算；循环体计算方法包括：第一循环体(11)、第二循环体(12)和第三循环体(13)；所述第一循环体(11)为管内热力性能计算，第一循环体(11)中首次计算的出口干度Xout,k1通过假定一个逼近“0”的值进行预设；所述第二循环体(12)为管外热力性能计算，通过预设空气条件的计算与迭代修正，得到管内、外热平衡所需空气进口工况状态；所述第三循环体(13)为管程递进判别循环计算，递进管程的流量和干度可通过理论设定或者通过干度测量装置(2)进行实际测量输入。
2.根据权利要求1所述干度跃变式蒸发器热力性能计算方法，其特征在于：所述第一循环体(11)计算中涉及的冷凝温度Ts、管壁温Tk,w以及工作介质质量流量Gk均采用对应的管程进口值作为管程计算值。
3.根据权利要求2所述干度跃变式蒸发器热力性能计算方法，其特征在于：所述第一循环体(11)计算中的平均干度Xav,k由进口干度值Xin,k和出口干度值Xout,k1计算获得：
所述第一循环体(11)计算中的热负荷Qk通过改变管壁温Tk,w进行变化计算：
Qk＝Fk×αk×(Tsat-Tk，w)
所述第一循环体(11)计算中通过热负荷Qk的计算获得第二次计算以后的出口干度Xout,k2：
4.根据权利要求3所述干度跃变式蒸发器热力性能计算方法，其特征在于：所述第一循环体(11)通过第i-1次和第i次计算的出口干度的比较和赋值，对第一循环体(11)所需的目标出口干度值进行精确的迭代逼近计算；所述管壁温Tk,w在单个管程单个管排中采用恒定值，不同管程以及不同管排的管壁温Tk,w的值根据管程实际热负荷变化。
5.根据权利要求4所述干度跃变式蒸发器热力性能计算方法，其特征在于：不同管程热力性能计算所需工作介质质量流量Gk、管程工作介质干度X以及两相流量的实际值通过干度测量装置(2)得到；所述第二循环体(12)计算中管外工作介质的物性参数以蒸发器管外侧进口处的值为各管程第一排管外侧热力计算的采用值，而且第n排管外侧空气热力计算均以第n-1排管外侧出口时空气的参数进行计算，其中n≥2。
6.根据权利要求5所述干度跃变式蒸发器热力性能计算方法，其特征在于：所述第二循环体(12)采用显热法计算空气温升：
ΔTa＝Qk/(cp，ama)
所述第二循环体(12)采用管外侧对流换热计算管外侧对数平均温差：
ΔTm,kl＝Qk/(αaA)
所述第二循环体(12)采用第i-1次和第i次计算的管外侧对数平均温差的值作为比较判定条件：
7.根据权利要求6所述干度跃变式蒸发器热力性能计算方法，其特征在于：所述循环体计算还包括第四循环体(14)，第四循环体(14)为目标总热负荷判别循环计算，当第一循环体(11)、第二循环体(12)以及第三循环体(13)进行初步计算后所获得的蒸发器总热负荷与目标总热负荷不符时，则返回第一循环体(11)进一步修正各管程的管壁温Tk,w,重新进行热力迭代计算，直至总热负荷与目标总热负荷相符。
8.根据权利要求1-7任一项所述的干度测量装置，其特征在于：包括离心管(21)、第一毕托管(22)、第二毕托管(23)和液位传感器(24)；所述第一毕托管(22)、第二毕托管(23)和液位传感器(24)依流动方向安装在离心管(21)上；所述第一毕托管(22)安装在距离离心管(21)的进口(215)≥1/4管长的位置上，和/或液位传感器(24)安装在距离离心管(21)的出口(216)≥1/4管长的位置上。
9.根据权利要求8所述的干度测量装置，其特征在于：所述离心管(21)呈水平设置的圆弧状，离心管(21)的上管壁(211)和/或下管壁(212)呈平面状，离心管(21)的前壁面(213)和/或后壁面(214)呈圆弧状，上管壁(211)、下管壁(212)、前壁面(213)和后壁面(214)共同构成环形截面流道；所述第一毕托管(22)和/或第二毕托管(23)呈“L”型；其中，第一毕托管(22)的测量头设置于靠近前管壁(213)侧，第二毕托管(23)的测量头设置于靠近后管壁(214)侧。
10.根据权利要求9所述的干度测量装置，其特征在于：所述液位传感器(24)设置于离心管(21)上，液位传感器(24)平行于上管壁(211)与下管壁(212)之间的管截面中心轴(c)，且以后管壁(214)的中心为起点、以前管壁(213)的中心为终点进行设置。
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|---|---|---|---|---|
| CN110705047A (zh) * | 2019-09-16 | 2020-01-17 | 仲恺农业工程学院 | 一种带折流板缠绕管式换热器的设计计算方法 |
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| Publication number | Publication date |
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| CN108956692B (zh) | 2023-06-30 |
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