CN109614712A - 一种螺旋缠绕管式换热器换热分析系统 - Google Patents

一种螺旋缠绕管式换热器换热分析系统 Download PDF

Info

Publication number
CN109614712A
CN109614712A CN201811520914.5A CN201811520914A CN109614712A CN 109614712 A CN109614712 A CN 109614712A CN 201811520914 A CN201811520914 A CN 201811520914A CN 109614712 A CN109614712 A CN 109614712A
Authority
CN
China
Prior art keywords
heat exchanger
module
pipe
tube
level
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201811520914.5A
Other languages
English (en)
Inventor
陈小辉
李琳
叶圣
李勇
冼有泽
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Northeastern University China
Original Assignee
Northeastern University China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Northeastern University China filed Critical Northeastern University China
Priority to CN201811520914.5A priority Critical patent/CN109614712A/zh
Publication of CN109614712A publication Critical patent/CN109614712A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2113/00—Details relating to the application field
    • G06F2113/14—Pipes
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/08—Thermal analysis or thermal optimisation

Abstract

本发明属于软件开发技术领域，公开了一种螺旋缠绕管式换热器换热分析系统及分析方法；螺旋缠绕管式换热器换热分析系统包括初始界面模块、缠绕管式换热器设计计算模块、缠绕管式换热器结构计算模块、单极换热器模块、多极换热器模块、单股流计算模块、双股流计算模块、三股流计算模块、四股流计算模块、二级双股流计算模块、三级双股流计算模块、三级三股流计算模块、四级双股流计算模块。本发明简化了工艺计算和设计计算，极大缩短了同类换热器产品的换热工艺设计周期，提高了缠绕管式换热器的设计效率。

Description

一种螺旋缠绕管式换热器换热分析系统
技术领域
本发明属于软件开发技术领域，尤其涉及一种螺旋缠绕管式换热器换热分析系统。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：
液化天然气系统的工艺流程冷却、冷凝和液化，基于多股流交叉换热的主低温换热器为最重要的换热装置。同时，虽然在某些工艺流程中板翅式换热器还未被完全替代，但是占主导地位的主低温换热设备已经是缠绕管式换热器。缠绕管式换热器相对于普通的列管式换热器拥有巨大的优势，它具有结构紧凑、空间利用效率高、占用空间小、换热面积更大、换热效率、能耗少、运行费用省、结垢倾向低、喘流度高等许多性能优势。缠绕管式换热器适用温度范围更广、能够适应热冲击、能够消除自身热应力。因为自身的结构比较特殊，所以流场充分发展，根本不存在流动死区这种说法。目前，螺旋缠绕管换热器的研发、设计和制造一直被国外一些企业垄断，国内只有购买国外产品，螺旋缠绕管换热器在国内无法实现生产和开发，国内技术不成熟，设计中没有参考标准和依据。螺旋缠绕管换热器不仅具有广阔的市场潜力和不断上升的空间，而且为了实现国内和国内的技术，对进一步研究更高效的螺旋缠绕管换热器具有重要意义。但是目前没有一个得到大家认可的换热工艺设计计算方法，也没有完善的行业的通用设计标准。随着工艺流程或热物性参数不同，换热工艺计算存在许多差异，成为缠绕管式换热器设计标准化过程中的绊脚石。
综上所述，现有技术存在的问题是：目前缠绕管式换热器的工艺计算必须有专业人员进行分析设计，因此本权利通过设计一种类似过程设备强度计算软件SW6，使更多的工作人员能快速准确的设计一台缠绕管式换热器。
目前换热工艺复杂，设计效率较低，随着工艺流程或热物性参数的不同，换热工艺的计算存在许多差异，没有公认的换热器工艺设计计算方法，缺少缠绕管式换热器设计标准。
螺旋缠绕管式换热器是一种主低温换热器。换热过程中有关参数的计算不准确：换热工艺流程不同，换热管的缠绕方式不同，几何结构尺寸的确定方法不一致，特别是在传统的缠绕方式中多股进料时各股管束的规格及缠绕方式不一致，相关几何参数的计算结果不稳定。壳程流体不同的流动方式和内部缠绕管束复杂的几何结构，对壳程流体流场和温度场变化的影响还不清楚；相变过程、相变段的不确定性和两项流的复杂性和可变性等许多因素，造成壳程流体与内部管束群换热机理复杂，传热介质的热物理参数不易计算，表面对流换热系数不易确定。单股流、双股流和多股流换热器的换热功能是单一的，由于进料股数增多，换热过程越复杂，设计计算周期越长，产品开发率越低。在有限元分析方法的仿真研究中，缠绕管式换热器模型文件非常庞大，不能进行综合分析。这些问题给缠绕管式换热器的系列化和标准化带来了困难。
解决上述技术问题的难度和意义：在工艺过程中有缠绕方式不同，相关物理参数不明确，使用的材料不同。是否发生相变过程造成壳体的换热机理发生变化，传热系数不易计算，传热面积很难估计。单级换热器的换热功能太单一，多股换热器进料股数太多导致换热过程太长，换热机理不明确。因此产品开发率低。在有限元分析方法的仿真研究中，缠绕管式换热器模型文件非常复杂，不能进行综合分析。这些问题给缠绕管式换热器的标准化造成巨大的困难。在此形势下解决缠绕管式换热器的自行设计国产化、系列化具有十分重要的意义。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种螺旋缠绕管式换热器换热分析系统及分析方法。
本发明是这样实现的，一种螺旋缠绕管式换热器换热分析方法，包括：
缠绕管的选择计算、流体介质物性参数计算、管道排列与配管方法计算、几何参数计算、传热系数计算、管壳程压力损失、结构设计计算；
将所有的设计计算结果保存在Excel表格中，由Matlab调用Microsoft Excel的Worksheet对象，并访问在Excel应用程序中的从属对象属性和方法，对计算结果进行分析和比较。
进一步，所述缠绕管的选择计算包括：
在同一个换热器中应使用相同规格的管子，管壁厚公式：
式中，δ：管道的管壁厚；pc：工况下的工作压力；d0：管道外径；Φ：焊缝系数；[δ]t：对应温度许用应力，值取和中的较小值；多股和多级的换热器有很多根管子，根据每根管子的参数，计算出每根管子的厚壁，选取最大的厚壁作为最终的规格标准；
(1)单股管束的确定
①假设管内流速vi，根据选取好的管子规格和流体流量来假设管内流速vi；
②求得理论所需管束：
式中：Gi：体积流量，m3/h；
vi：流体流速，m/s；
ρi：流体密度，Kg/m3；
(2)多股和多级的管子根数的确定，多股和多级需分别计算每种介质管子数s1、s2……sn；
①各种介质的管内流速vi，根据选取好的管子规格和流体流量来假设管内流速v1、v2……vn；
②求得理论所需各种介质的管束：
式中：Gi：体积流量，m3/h；
vi：流体流速，m/s；
ρi：流体密度，Kg/m3
由各管内流体参数计算出s1、s2……sn。
进一步，所述传热系数计算包括：
(1)壳侧导热系数，求解流体的换热系数时，利用Gilli公式计算：
式中，Fi为传热管倾斜修正系数；Fn为管排修正系数；为管子布置修正系数；雷诺数普朗特数而其它物性参数λ、ρ、μ、C均取进、出口的对数平均值；
(2)管内导热系数及传热系数，从层流向紊流过渡的临界雷诺数：
式中，Dc：第i层的平均直径，m：
如果100<Re<(Re)c，则选用公式：
如果150000<Re，则选用公式：
所以每个管子的总传热系数为：
其中，Kn为总传热系数W/(m2·K)；Rd0为外侧的污垢热阻，m2℃/W；Rdi为内侧的污垢热阻m2℃/W；δ为壁厚m；dm为管子对数平均直径mm。
进一步，所述管壳程压力损失计算包括：
(1)管内压力损失的计算，选用公式：
式中，ΔPt：管内压力损失，Kg/㎡；
ρ：管内流体密度，Kg/m3；
Y：管长，m；
gc：重力换算系数1.27×108；
fi：摩擦因数。
当100<RenRe<(Re)c选用公式：
因此每各管内压力损失为：
当150000<Re；
选用公式：
因此每各管内压力损失为：
(2)壳侧压力损失的计算，壳侧压力损失的计算采用Gilli模型来进行计算，壳侧压力损失计算公式：
式中，ρ：流体密度，Kg/m3；
ΔPS：壳侧压力损失，Kg/m2；
n：管排数。
本发明的另一目的在于提供一种计算机程序，所述计算机程序运行所述螺旋缠绕管式换热器换热分析方法。
本发明的另一目的在于提供一种终端，所述终端至少搭载实现所述螺旋缠绕管式换热器换热分析方法的控制器。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的螺旋缠绕管式换热器换热分析方法。
本发明的另一目的在于提供一种实现所述螺旋缠绕管式换热器换热分析方法的螺旋缠绕管式换热器换热分析系统，所述螺旋缠绕管式换热器换热分析系统包括：
初始界面模块、缠绕管式换热器设计计算模块、缠绕管式换热器结构计算模块、单极换热器模块、多极换热器模块、单股流计算模块、双股流计算模块、三股流计算模块、四股流计算模块、二级双股流计算模块、三级双股流计算模块、三级三股流计算模块、四级双股流计算模块；
通过初始界面模块进入缠绕管式换热器设计计算模块、缠绕管式换热器结构计算模块，通过缠绕管式换热器设计计算模块进入单极换热器模块、多极换热器模块；
通过单极换热器模块进入单股流计算模块、双股流计算模块、三股流计算模块、四股流计算模块；
通过多极换热器模块进入二级双股流计算模块、三级双股流计算模块、三级三股流计算模块、四级双股流计算模块。
进一步，单股流计算模块、双股流计算模块、三股流计算模块、四股流计算模块、二级双股流计算模块、三级双股流计算模块、三级三股流计算模块、四级双股流计算模块，其特征在于，单股流计算模块、双股流计算模块、三股流计算模块、四股流计算模块、二级双股流计算模块、三级双股流计算模块、三级三股流计算模块、四级双股流计算模块均包括各自的设计参数输入单元、管束排列计算单元、传热系数和压力损失计算单元；
通过管束排列计算单元输入相关设计参数，计算管排，确定布管方式；
通过管束排列计算单元输入相关设计参数，计算管排，确定布管方式；
通过传热系数和压力损失计算单元输入相关设计参数，计算管程导热系数、总传热系数、总传热面积、管子长度、换热器高度、管程允许压损失及壳侧导热系数和壳侧允许压力损失，并生成报告书导出部分计算结果。
进一步，缠绕管式换热器结构计算模块包括内筒强度计算单元和封头强度计算单元；
通过内筒强度计算单元输入几何参数和物理参数，计算获得内筒校核的数据；
通过封头强度计算单元输入几何参数和物理参数，计算获得封头校核的数据。
本发明的另一目的在于提供一种液化天然气换热器运行设备，所述液化天然气换热器运行设备至少搭载所述的螺旋缠绕管式换热器换热分析系统。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本权利通过设计一种类似过程设备强度计算软件SW6，使更多的工作人员能快速准确的设计一台缠绕管式换热器。本发明简化了工艺计算和设计计算，极大缩短了同类换热器产品的换热工艺设计周期，提高了缠绕管式换热器的设计效率。
本发明简化了缠绕管式换热器的系列化设计和开发过程，可以节约投资成本，减少社会资源浪费和环境污染。开发换热器计算软件也是换热工艺中重要的一环，其目的是缩短这一系列产品的研发周期，并且实现平台数据共享。
附图说明
图1是本发明实施例提供的螺旋缠绕管式换热器换热分析系统示意图。
图2是本发明实施例提供的螺旋缠绕管式换热器换热分析方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种螺旋缠绕管式换热器换热分析系统，本发明是这样实现的，螺旋缠绕管式换热器换热分析系统包括初始界面模块1、缠绕管式换热器设计计算模块2、缠绕管式换热器结构计算模块3、单极换热器模块4、多极换热器模块5、单股流计算模块6、双股流计算模块7、三股流计算模块8、四股流计算模块9、二级双股流计算模块10、三级双股流计算模块11、三级三股流计算模块12、四级双股流计算模块13。
通过初始界面模块1进入缠绕管式换热器设计计算模块2、缠绕管式换热器结构计算模块3；
通过缠绕管式换热器设计计算模块2进入单极换热器模块4、多极换热器模块5；
通过单极换热器模块4进入单股流计算模块6、双股流计算模块7、三股流计算模块8、四股流计算模块9；
通过多极换热器模块5进入二级双股流计算模块10、三级双股流计算模块11、三级三股流计算模块12、四级双股流计算模块13；
单股流计算模块6、双股流计算模块7、三股流计算模块8、四股流计算模块9、二级双股流计算模块10、三级双股流计算模块11、三级三股流计算模块12、四级双股流计算模块13都包含各自的设计参数输入单元14、管束排列计算单元15、传热系数和压力损失计算单元16；
通过设计参数输入单元14输入相关设计参数，设定管道规格初值，若满足承压条件则继续计算，否则重新设定管子规格；
通过管束排列计算单元15输入相关设计参数，计算管排，确定布管方式；
通过传热系数和压力损失计算单元16输入相关设计参数，计算管程导热系数、总传热系数、总传热面积、管子长度、换热器高度、管程允许压损失及壳侧导热系数和壳侧允许压力损失，并生成报告书导出部分计算结果；
缠绕管式换热器结构计算模块3包括内筒强度计算单元17和封头强度计算单元18；
通过内筒强度计算单元17输入几何参数和物理参数，计算获得内筒校核的数据；
通过封头强度计算单元18输入几何参数和物理参数，计算获得封头校核的数据。
本发明简化了工艺计算和设计计算，极大缩短了同类换热器产品的换热工艺设计周期，提高了缠绕管式换热器的设计效率。
图2，本发明实施例提供的螺旋缠绕管式换热器换热分析方法，包括：
计算功能：可以实现缠绕管式换热器系列下多种类型的计算，其中计算版块又包括缠绕管的选择计算、流体介质物性参数计算、管道排列与配管方法计算、几何参数计算、传热系数计算、管壳程压力损失、结构设计计算等；
计算结果保存功能：将所有的设计计算结果保存在Excel表格中，由Matlab调用Microsoft Excel的Worksheet对象，并访问在Excel应用程序中的从属对象属性和方法，以便应用人员对计算结果进行分析和比较。
具体有：
根据缠绕管式换热器内换热股数的不同，将其分成以下形式：管程走单股介质，管程走双股介质，管程走三股介质及复杂的多股介质和多级多股介质。综合考虑了缠绕管式换热器的物性参数、几何参数、缠绕管的布置以及程序语言实现的可能性，对不同类型下缠绕管式换热器的设计计算分别设计了不同的算法。以单股流缠绕管式换热器换热工艺计算为例，其主体流程图如图1所示。
缠绕管的选择计算：
在同一个换热器中应使用相同规格的管子，方便换热器在出现损坏的情况下进行更换管道。管壁厚公式：
式中，δ：管道的管壁厚；pc：工况下的工作压力；d0：管道外径；Φ：焊缝系数；[δ]t：对应温度许用应力，其值取和中的较小值。多股和多级的换热器有很多根管子，根据每根管子的参数，计算出每根管子的厚壁，选取最大的厚壁作为最终的规格标准。
a.单股管束的确定
①假设管内流速vi，根据选取好的管子规格和流体流量来假设管内流速vi。
②求得理论所需管束
式中：Gi：体积流量，m3/h；
vi：流体流速，m/s；
ρi：流体密度，Kg/m3
b.多股和多级的管子根数的确定，多股和多级需分别计算每种介质管子数s1、s2……sn。
①假设各种介质的管内流速vi，根据选取好的管子规格和流体流量来假设管内流速v1、v2……vn。
②求得理论所需各种介质的管束
式中：Gi：体积流量，m3/h；
vi：流体流速，m/s；
ρi：流体密度，Kg/m3
由各管内流体参数计算出s1、s2……sn。
流体介质物性参数计算:
各种流体介质的基本物性参数是通过查找工艺手册或标准获得的，比如密度和粘度等。在设计缠绕管式换热器时，根据种流体介质的基本物性参数，需计算管内导热系数及传热系数和壳侧导热系数。
管道排列与配管方法计算:
多股和多级需分别计算每种介质管子数s1、s2……sn，其次计算出每种介质所需要的管缠层数，再计算缠绕管上升距离、缠绕管上升角和芯筒直径。
几何参数计算:
首先需计算换热管的尺寸、确定管子数、管缠层数、缠绕管上升距离、缠绕管上升角和芯筒直径，其次计算筒体、封头、接管以及其它附件尺寸。
传热系数计算:
a.壳侧导热系数，求解流体的换热系数时，一般利用Gilli公式计算。
式中，Fi为传热管倾斜修正系数；Fn为管排修正系数；为管子布置修正系数；雷诺数普朗特数而其它物性参数λ、ρ、μ、C均取进、出口的对数平均值。
b.管内导热系数及传热系数，从层流向紊流过渡的临界雷诺数：
式中，Dc：第i层的平均直径，m。
如果100<Re<(Re)c，则选用公式：
如果150000<Re，则选用公式：
所以每个管子的总传热系数为：
其中，Kn为总传热系数W/(m2·K)；Rd0为外侧的污垢热阻，m2℃/W；Rdi为内侧的污垢热阻m2℃/W；δ为壁厚m；dm为管子对数平均直径mm。
管壳程压力损失:
b.管内压力损失的计算，参考相关手册[8]，选用适当的公式：
式中，ΔPt：管内压力损失，Kg/㎡；
ρ：管内流体密度，Kg/m3；
Y：管长，m；
gc：重力换算系数1.27×108；
fi：摩擦因数。
当100<RenRe<(Re)c可以选用公式：
因此每各管内压力损失为：
当150000<Re
可以选用公式：
因此每各管内压力损失为：
c.壳侧压力损失的计算，壳侧压力损失的计算采用Gilli模型来进行计算，壳侧压力损失计算公式：
式中，ρ：流体密度，Kg/m3；
ΔPS：壳侧压力损失，Kg/m2；
n：管排数。
在本发明的优选实施例中，单股多级换热器工艺计算
(1)如果选择单股流计算界面
①选择一个管道规格，输入部分相关设计参数，点击计算求出壁厚。若壁厚小于初始选择的管道壁厚，则继续下一步计算，如果壁厚大于初始值需要更换管道的参数，重复上一步操作；
②点击数据输入，选择管束和壳程计算，即进入了管束排列计算界面，输入流体参数和排列参数，计算得出管束、实际管束、壳程直径、壳程有效面积等结果；
③点击数据输入，选择传热系数和压力损失，输相关设计参数，计算总传热系数计算管程导热系数、总传热系数、总传热面积、管子长度、换热器高度、管程允许压损失及壳侧导热系数和壳侧允许压力损失，并点击生成报告书导出用户所需要的计算结果；
(2)如果选择双股流计算界面
①选择一个管道规格，输入部分相关设计参数，点击计算求出最大壁厚。若壁厚小于初始选择的管道壁厚，则继续下一步计算，如果壁厚大于初始值需要更换管道的参数，重复上一步操作；
②点击数据输入，选择管束和壳程计算，即进入了管束排列计算界面，输入流体参数和排列参数，计算得出管束、实际管束、壳程直径、壳程有效面积等结果；
③点击数据输入，选择传热系数和压力损失，输相关设计参数，计算出每根管道的管程导热系数、总传热系数、总传热面积、管子长度、换热器高度、管程允许压损失及壳侧导热系数和壳侧允许压力损失，并点击生成报告书导出用户所需要的计算结果；
(3)如果选择三股流计算界面
①选择一个管道规格，输入部分相关设计参数，点击计算求出最大壁厚。若壁厚小于初始选择的管道壁厚，则继续下一步计算，如果壁厚大于初始值需要更换管道的参数，重复上一步操作；
②点击数据输入，选择管束和壳程计算，即进入了管束排列计算界面，输入流体参数和排列参数，计算得出管束、实际管束、壳程直径、壳程有效面积等结果；
③点击数据输入，选择传热系数和压力损失，输相关设计参数，计算出每根管道的管程导热系数、总传热系数、总传热面积、管子长度、换热器高度、管程允许压损失及壳侧导热系数和壳侧允许压力损失，并点击生成报告书导出用户所需要的计算结果；
(4)如果选择四股流计算界面
①选择一个管道规格，输入部分相关设计参数，点击计算求出最大壁厚。若壁厚小于初始选择的管道壁厚，则继续下一步计算，如果壁厚大于初始值需要更换管道的参数，重复上一步操作；
②点击数据输入，选择管束和壳程计算，即进入了管束排列计算界面，输入流体参数和排列参数，计算得出管束、实际管束、壳程直径、壳程有效面积等结果；
③点击数据输入，选择传热系数和压力损失，输相关设计参数，计算出每根管道的管程导热系数、总传热系数、总传热面积、管子长度、换热器高度、管程允许压损失及壳侧导热系数和壳侧允许压力损失，并点击生成报告书导出用户所需要的计算结果。
在本发明的优选实施例中，多股多级换热器工艺计算
(1)如果选择二级双股流计算界面
①选择一个管道规格，输入部分相关设计参数，点击计算求出最大壁厚。若壁厚小于初始选择的管道壁厚，则继续下一步计算，如果壁厚大于初始值需要更换管道的参数，重复上一步操作；
②点击数据输入，选择管束和壳程计算，即进入了管束排列计算界面，输入流体参数和排列参数，计算得出管束、实际管束、壳程直径、壳程有效面积等结果；
③点击数据输入，选择传热系数和压力损失，输相关设计参数，计算出每根管道的管程导热系数、总传热系数、总传热面积、管子长度、换热器高度、管程允许压损失及壳侧导热系数和壳侧允许压力损失，并点击生成报告书导出用户所需要的计算结果；
(2)如果选择
①输入部分相关设计参数，点击计算求出最大壁厚。若壁厚小于初始选择的管道壁厚，则继续下一步计算，如果壁厚大于初始值需要更换管道的参数，重复上一步操作；
②点击数据输入，选择管束和壳程计算，即进入了管束排列计算界面，输入流体参数和排列参数，计算得出管束、实际管束、壳程直径、壳程有效面积等结果；
③点击数据输入，选择传热系数和压力损失，输相关设计参数，计算出每根管道的管程导热系数、总传热系数、总传热面积、管子长度、换热器高度、管程允许压损失及壳侧导热系数和壳侧允许压力损失，并点击生成报告书导出用户所需要的计算结果；
在本发明的优选实施例中，缠绕管式换热器结构计算界面
①从初始界面点击缠绕管式换热器结构计算界面进入了内筒的强度计算界面，输入一些几何参数和物理参数，点击计算获得内筒校核的数据；
②点击菜单栏，选择二级菜单封头强度计算进入封头强度计算界面，输入一些几何参数和物理参数，点击计算获得封头校核的数据。
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。
以三级双股缠绕管式换热器为例列举以下实施例：
具体实施例一：
设计参数
三级双股缠绕管式换热器管内流动介质以天然气为例，相关参数见表1：
表1工艺数据表
具体实施例二：
管子规格确定
无论是单股、多股还是多级的选材方法和布管方式都基本相同。首先，根据系统压力和腐蚀裕量选择管道，管径不宜过大，不易弯曲，耐应力腐蚀，壁厚不宜过厚或过薄，为了考虑胀管连接端的可靠性，应尽可能选择规格已标准化的管道的直径和长度，特别是当同一个工艺流程内有各种不同的热交换器时，应尽可能选用相同的规格的管子，以方便维护和更换管道。普通不锈钢钢管壁厚公式：
式中，δ：传热管管壁厚；pc：工作压力；d0：传热管外径；Φ：焊缝系数；[δ]t：管材在相应温度下的许用应力，其值取和中的较小值。
查相关手册：传热管外径d0＝12mm；弹性极限δb＝260Mpa；焊缝系数Φ＝1.0；屈服极限δs＝260Mpa；传热管厚度δ＝2mm；弹性安全系数nb＝4.0；屈服安全系数ns＝1.5；则
di＝d0-2δ＝12-2×2＝8mm
取
具体实施例三：
管子壁厚计算
管子实际需求厚度：
(1)合成气
δε＝C+δ＝1.3+0.137＝1.437mm；
因为δε＜δ，所以所选的换热管规格合格。
(2)天然气
δε＝C+δ＝1.3+0.486＝1.786mm；
因为δε＜δ，所以所选的换热管规格合格。
(3)氮气
δε＝C+δ＝1.3+0.078＝1.378mm；
因为δε＜δ，所以所选的换热管规格合格。
(4)天然气
δε＝C+δ＝1.3+0.472＝1.772mm；
因为δε＜δ，所以所选的换热管规格合格。
(5)甲烷
δε＝C+δ＝1.3+0.078＝1.378mm；
因为δε＜δ，所以所选的换热管规格合格。
(6)天然气
δε＝C+δ＝1.3+0.460＝1.760mm；
因为δε＜δ，所以所选的换热管规格合格
具体实施例四：
管子根数的确定
(1)假设换热管流体介质的流速分别为：
v1＝2m/s v2＝3m/s v3＝2m/s v4＝2m/s v5＝3m/sv6＝2m/s；
(2)计算各流体介质所需管子根数
①合成气
②天然气
③氮气
④天然气
⑤甲烷
⑥天然气
总管子数：SZ＝337+279+366+388+279+348＝1997；
具体实施例五：
螺旋缠绕管式换热器壳程有效面积计算：
无论是单股、多股还是多级有效面积计算的过程基本相似，因为多级的换热器每一级的管束层外径都相同，所以计算多级有效面积只用算第一层的情况。
式中：Dzw为最外层缠绕管束的直径；An为内筒截面积；Ax为芯筒截面积；Ag为缠绕管层间隙投影面积；Ay为有效面积，De为有效面积对应直径。计算得到数据表2：
表2管束和壳程计算
管1实际管束 管2实际管束 管3实际管束 管4实际管束 管5实际管束
342 296 390 390 296
管6实际管束 缠绕角 壳程直径m 壳程有效面积㎡ 平均直径m
390 16.01 0.2837 0.0632 0.69
根据相关手册及计算得：
层间距Cj＝3mm；管间距gj＝1；首层管数a1＝30；相邻两层缠绕管根数之差y＝2；
具体实施例六：螺旋缠绕管式换热器传热计算
(1)传热系数公式为：
其中，Fi为传热管倾斜修正系数；Fn为管排修正系数；为管子布置修正系数；雷诺数普朗特数而其它物性参数λ、ρ、μ、C均取进、出口的对数平均值。
(2)总传热系数计算
从层流向紊流过渡的临界雷诺数：(Re)c＝2300[1+8.6(Di/Dc)0.45]，式中，Dc：i层缠绕管的平均直径，m：
如果100<Re<(Re)c，则选用公式：
如果150000<Re，则选用公式：
所以每个管子的总传热系数为：
其中，Kn为总传热系数；Rd0为管外壁的污垢热阻；Rdi为管内壁的污垢热阻；δ为管壁厚度；dm为管子平均直径。
(3)总传热面积和管有效高度计算Qn＝Cp·m·ΔT，则式中，Δtm1为每种介质的平均温差；Δt1为高温流体入口温度与低温流体出口温度温差；Δt2为高温流体出口温度与低温流体入口温度温差；
得各种介质的换热面积为：
有效高度：Hn＝Lnsinα；
式中，Sn：每种介质的实际管束；α为缠绕角。
(4)压力损失计算
查阅相关手册，选用公式：式中，ΔPt为管内侧压力损失；ρ为管内侧流体的密度；Y为传热管长；gc为力换算系数，值为1.27×108；fi为摩擦系数。
从层流向紊流过度的临界雷诺数：
(Re)c＝2300[1+8.6(Di/Dc)0.45]；
当100<RenRe<(Re)c，可以选用公式：
因此每各管内压力损失为：
当150000<Re，可以选用公式：
因此每各管内压力损失为：
根据(1)～(4)的公式计算得到下列数据表3：
表3传热系数
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种螺旋缠绕管式换热器换热分析方法，其特征在于，所述螺旋缠绕管式换热器换热分析方法包括：
缠绕管的选择计算；
流体介质物性参数计算；各种流体介质的基本物性参数是通过查找工艺手册或标准获得的，比如密度和粘度；在设计缠绕管式换热器时，根据种流体介质的基本物性参数，需计算管内导热系数及传热系数和壳侧导热系数；
管道排列与配管方法计算，多股和多级需分别计算每种介质管子数s1、s2……sn，其次计算出每种介质所需要的管缠层数，再计算缠绕管上升距离、缠绕管上升角和芯筒直径；
几何参数计算，首先需计算换热管的尺寸、确定管子数、管缠层数、缠绕管上升距离、缠绕管上升角和芯筒直径，其次计算筒体、封头、接管以及其它附件尺寸；
传热系数计算；
管壳程压力损失；
结构设计计算，根据用户给定设定条件，计算压力、温度和设备选用材料等，计算筒体和封头尺寸以及接管和其它附件尺寸；
将所有的设计计算结果保存在Excel表格中，由Matlab调用Microsoft Excel的Worksheet对象，并访问在Excel应用程序中的从属对象属性和方法，对计算结果进行分析和比较。
2.如权利要求1所述的螺旋缠绕管式换热器换热分析方法，其特征在于，所述缠绕管的选择计算包括：
在同一个换热器中应使用相同规格的管子，管壁厚公式：
式中，δ：管道的管壁厚；pc：工况下的工作压力；d0：管道外径；Φ：焊缝系数；[δ]t：对应温度许用应力，值取和中的较小值；多股和多级的换热器有很多根管子，根据每根管子的参数，计算出每根管子的厚壁，选取最大的厚壁作为最终的规格标准；
(1)单股管束的确定
①假设管内流速vi，根据选取好的管子规格和流体流量来假设管内流速vi；
②求得理论所需管束：
式中：Gi：体积流量，m3/h；
vi：流体流速，m/s；
ρi：流体密度，Kg/m3；
(2)多股和多级的管子根数的确定，多股和多级需分别计算每种介质管子数s1、s2……sn；
①各种介质的管内流速vi，根据选取好的管子规格和流体流量来假设管内流速v1、v2……vn；
②求得理论所需各种介质的管束：
式中：Gi：体积流量，m3/h；
vi：流体流速，m/s；
ρi：流体密度，Kg/m3
由各管内流体参数计算出s1、s2……sn。
3.如权利要求1所述的螺旋缠绕管式换热器换热分析方法，其特征在于，所述传热系数计算包括：
(1)壳侧导热系数，求解流体的换热系数时，利用Gilli公式计算：
式中，Fi为传热管倾斜修正系数；Fn为管排修正系数；为管子布置修正系数；雷诺数普朗特数而其它物性参数λ、ρ、μ、C均取进、出口的对数平均值；
(2)管内导热系数及传热系数，从层流向紊流过渡的临界雷诺数：
(Re)c＝2300[1+8.6(Di/Dc)0.45]；
式中，Dc：第i层的平均直径，m：
如果100<Re<(Re)c，则选用公式：
如果150000<Re，则选用公式：
所以每个管子的总传热系数为：
其中，Kn为总传热系数W/(m2·K)；Rd0为外侧的污垢热阻，m2℃/W；Rdi为内侧的污垢热阻m2℃/W；δ为壁厚m；dm为管子对数平均直径mm。
4.如权利要求1所述的螺旋缠绕管式换热器换热分析方法，其特征在于，所述管壳程压力损失计算包括：
(1)管内压力损失的计算，选用公式：
式中，ΔPt：管内压力损失，Kg/㎡；
ρ：管内流体密度，Kg/m3；
Y：管长，m；
gc：重力换算系数1.27×108；
fi：摩擦因数。
(Re)c＝2300[1+8.6(Di/Dc)0.45]；
当100<RenRe<(Re)c选用公式：
因此每各管内压力损失为：
当150000<Re；
选用公式：
因此每各管内压力损失为：
(2)壳侧压力损失的计算，壳侧压力损失的计算采用Gilli模型来进行计算，壳侧压力损失计算公式：
式中，ρ：流体密度，Kg/m3；
ΔPS：壳侧压力损失，Kg/m2；
n：管排数。
5.一种计算机程序，其特征在于，所述计算机程序运行权利要求1～4任意一项所述螺旋缠绕管式换热器换热分析方法。
6.一种终端，其特征在于，所述终端至少搭载实现权利要求1～4任意一项所述螺旋缠绕管式换热器换热分析方法的控制器。
7.一种实现权利要求1所述螺旋缠绕管式换热器换热分析方法的螺旋缠绕管式换热器换热分析系统，其特征在于，所述螺旋缠绕管式换热器换热分析系统包括：
初始界面模块：包括缠绕管式换热器设计计算和结构计算，用于实现缠绕管式换热器设计计算，进行工艺计算；选择单股或多股缠绕管换热器设计计算；
缠绕管式换热器设计计算模块、缠绕管式换热器结构计算模块、单极换热器模块、多极换热器模块、单股流计算模块、双股流计算模块、三股流计算模块、四股流计算模块、二级双股流计算模块、三级双股流计算模块、三级三股流计算模块、四级双股流计算模块；
通过初始界面模块进入缠绕管式换热器设计计算模块、缠绕管式换热器结构计算模块，通过缠绕管式换热器设计计算模块进入单极换热器模块、多极换热器模块；
通过单极换热器模块进入单股流计算模块、双股流计算模块、三股流计算模块、四股流计算模块；
通过多极换热器模块进入二级双股流计算模块、三级双股流计算模块、三级三股流计算模块、四级双股流计算模块。
8.如权利要求7所述的螺旋缠绕管式换热器换热分析系统，其特征在于，单股流计算模块、双股流计算模块、三股流计算模块、四股流计算模块、二级双股流计算模块、三级双股流计算模块、三级三股流计算模块、四级双股流计算模块，其特征在于，单股流计算模块、双股流计算模块、三股流计算模块、四股流计算模块、二级双股流计算模块、三级双股流计算模块、三级三股流计算模块、四级双股流计算模块均包括各自的设计参数输入单元、管束排列计算单元、传热系数和压力损失计算单元；
通过管束排列计算单元输入相关设计参数，计算管排，确定布管方式；
通过管束排列计算单元输入相关设计参数，计算管排，确定布管方式；
通过传热系数和压力损失计算单元输入相关设计参数，计算管程导热系数、总传热系数、总传热面积、管子长度、换热器高度、管程允许压损失及壳侧导热系数和壳侧允许压力损失，并生成报告书导出部分计算结果。
9.如权利要求7所述的螺旋缠绕管式换热器换热分析系统，其特征在于，缠绕管式换热器结构计算模块包括内筒强度计算单元和封头强度计算单元；
通过内筒强度计算单元输入几何参数和物理参数，计算获得内筒校核的数据；
通过封头强度计算单元输入几何参数和物理参数，计算获得封头校核的数据。
10.一种液化天然气换热器运行设备，其特征在于，所述液化天然气换热器运行设备至少搭载权利要求7～9所述的螺旋缠绕管式换热器换热分析系统。
CN201811520914.5A 2018-12-12 2018-12-12 一种螺旋缠绕管式换热器换热分析系统 Pending CN109614712A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811520914.5A CN109614712A (zh) 2018-12-12 2018-12-12 一种螺旋缠绕管式换热器换热分析系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811520914.5A CN109614712A (zh) 2018-12-12 2018-12-12 一种螺旋缠绕管式换热器换热分析系统

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN109614712A true CN109614712A (zh) 2019-04-12

Family

ID=66008021

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811520914.5A Pending CN109614712A (zh) 2018-12-12 2018-12-12 一种螺旋缠绕管式换热器换热分析系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109614712A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112347582A (zh) * 2020-11-07 2021-02-09 保定新胜冷却设备有限公司 变压器风冷却器用弹簧式扰流丝初始尺寸计算方法
CN113221238A (zh) * 2021-06-02 2021-08-06 沪东中华造船(集团)有限公司 一种船舶换热器可靠性评估方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050034467A1 (en) * 2003-08-12 2005-02-17 Varney Brian Wilson Heat exchanger optimization process and apparatus
JP2008129953A (ja) * 2006-11-22 2008-06-05 Denso Techno Corp 管路内流れの圧力損失の評価方法及び装置
CN102332041A (zh) * 2011-08-30 2012-01-25 山东同创汽车散热装置股份有限公司 一种管带式散热器散热性能分析与结构设计系统
CN102810128A (zh) * 2012-08-21 2012-12-05 张周卫 单股流螺旋缠绕管式换热器设计计算方法
CN102855396A (zh) * 2012-08-24 2013-01-02 张周卫 双股流螺旋缠绕管式换热器设计计算方法
CN102999707A (zh) * 2012-12-07 2013-03-27 张周卫 低温甲醇-甲醇缠绕管式换热器设计计算方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050034467A1 (en) * 2003-08-12 2005-02-17 Varney Brian Wilson Heat exchanger optimization process and apparatus
JP2008129953A (ja) * 2006-11-22 2008-06-05 Denso Techno Corp 管路内流れの圧力損失の評価方法及び装置
CN102332041A (zh) * 2011-08-30 2012-01-25 山东同创汽车散热装置股份有限公司 一种管带式散热器散热性能分析与结构设计系统
CN102810128A (zh) * 2012-08-21 2012-12-05 张周卫 单股流螺旋缠绕管式换热器设计计算方法
CN102855396A (zh) * 2012-08-24 2013-01-02 张周卫 双股流螺旋缠绕管式换热器设计计算方法
CN102999707A (zh) * 2012-12-07 2013-03-27 张周卫 低温甲醇-甲醇缠绕管式换热器设计计算方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
张志涌 等: "精通MATLAB 6.5版", vol. 1, 北京航空航天大学出版社, pages: 559 - 561 *
薛佳幸: "《缠绕管式换热器换热工艺研究》", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》, no. 4, 15 April 2016 (2016-04-15), pages 5 - 15 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112347582A (zh) * 2020-11-07 2021-02-09 保定新胜冷却设备有限公司 变压器风冷却器用弹簧式扰流丝初始尺寸计算方法
CN112347582B (zh) * 2020-11-07 2022-11-29 保定新胜冷却设备有限公司 变压器风冷却器用弹簧式扰流丝初始尺寸计算方法
CN113221238A (zh) * 2021-06-02 2021-08-06 沪东中华造船(集团)有限公司 一种船舶换热器可靠性评估方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. Optimal design of a double pipe heat exchanger based on the outward helically corrugated tube
Ponce-Ortega et al. Use of genetic algorithms for the optimal design of shell-and-tube heat exchangers
Ma et al. Study on local thermal–hydraulic performance and optimization of zigzag-type printed circuit heat exchanger at high temperature
Alimoradi et al. Numerical investigation of heat transfer intensification in shell and helically coiled finned tube heat exchangers and design optimization
CN109508851B (zh) 一种小型铅基堆超临界二氧化碳循环发电系统综合性能评价方法
Alimoradi et al. Prediction of heat transfer coefficients of shell and coiled tube heat exchangers using numerical method and experimental validation
Omidi et al. Numerical study of heat transfer on using lobed cross sections in helical coil heat exchangers: effect of physical and geometrical parameters
Lu et al. Shell-side thermal-hydraulic performances of multilayer spiral-wound heat exchangers under different wall thermal boundary conditions
Lu et al. Effect of geometrical parameters on flow and heat transfer performances in multi-stream spiral-wound heat exchangers
Yang et al. Numerical investigation on shell-side performances of combined parallel and serial two shell-pass shell-and-tube heat exchangers with continuous helical baffles
CN102564167B (zh) 一种带真空绝热的单股流低温螺旋缠绕管式换热器
Elattar et al. Thermal and hydraulic numerical study for a novel multi tubes in tube helically coiled heat exchangers: Effects of operating/geometric parameters
He et al. Numerical investigation on performance comparison of non-Newtonian fluid flow in vertical heat exchangers combined helical baffle with elliptic and circular tubes
Wang et al. Numerical investigation of shell side performance of a double shell side rod baffle heat exchanger
Li et al. Optimization of high-pressure shell-and-tube heat exchanger for syngas cooling in an IGCC
Jin et al. Thermo-Hydraulic performance of printed circuit heat exchanger as precooler in supercritical CO2 Brayton cycle
Silaipillayarputhur et al. The design of shell and tube heat exchangers–A review
Yang et al. Thermal–hydraulic performance of a novel shell-and-tube oil cooler with multi-fields synergy analysis
CN109614712A (zh) 一种螺旋缠绕管式换热器换热分析系统
CN107665280A (zh) 一种基于性能模拟的换热网络改造优化方法
CN111144054A (zh) 一种氟盐冷却高温堆非能动余热排出系统自然循环特性模化方法
Yang et al. Improvements on flow distribution and heat transfer performance of plate-fin heat exchangers by Qusai-S type header configuration
Shao et al. Study of improvements on flow maldistribution of double tube-passes shell-and-tube heat exchanger with rectangular header
Wang et al. Optimal shape design and performance investigation of helically coiled tube heat exchanger applying MO-SHERPA
Debnath et al. A recent state of art review on heat transfer enhanced characteristics and material selection of SCTHX

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination