CN110376239A - 油水工质管壳式换热器能效定量的测量方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种油水工质管壳式换热器能效定量的测量方法，方法包括：测量待标定的油水工质管壳式换热器在标准工况下的传热性能，以得到标准状况下的壳侧的传热系数h_o；测量所述油水工质管壳式换热器在标准工况下的流动性能，以得到标准状况下壳侧工质流经热交换器所产生的压降Δp；计算所述油水工质管壳式换热器标准工况下的能效指标h_o/Δp^0.304；当能效指标h_o/Δp^0.304＜a时为低能效等级，当能效指标b＞h_o/Δp^0.304≥a时为中等能效水平等级，当能效指标h_o/Δp^0.304≥b时为高能效水平等级其中，a和b为常数。

Description

油水工质管壳式换热器能效定量的测量方法

技术领域

本发明属于热交换器技术领域，特别是涉及一种油水工质管壳式换热器能效 定量的测量方法。

背景技术

热交换器是热电、石油化工、动力能源、城市集中供热、机械轻工等领域中应用十分广泛的热能交 换设备，通常占设备总投资的30％-40％，在热电厂中甚至能达到整个电厂总投资额的70％左右，因此开 展热交换器能效和节能技术标准的研究对于节能减排，提升能量利用效率具有重要的意义。

管壳式换热器又称列管式换热器。是以封闭在壳体中管束的壁面作为换热面 的间壁式换热器。这种换热器具有结构简单、造价低、流通截面较宽、易于清洗 水垢等优点；但传热系数低、占地面积大。其可用各种结构材料(主要是金属材 料)制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的换热器类型，在当前的工 业体系中扮演着重要的作用。

管壳式换热器的主要由壳体、管束、折流板(挡板)、管板、管箱、连接法 兰、接管、膨胀节等部件组成。管箱和壳体上装有流体进、出口接管。沿着管长 方向常常装有一系列垂直于管束的折流板。进行换热时，一种流体由管箱或封头 的进口管进入，通过平行管束的管内，从另一端管箱或封头出口接管流出；另一 种流体则由壳体的接管进入，在壳体与管束间的空隙处流过，而由另一接管流出。 一般以管束的外表面积作为换热面积。

能效是能源利用效率的简称。能效是对耗能设备的能源利用效率或耗能设备 在一定时间内的能源消耗等进行检测、计算，给出所处水平。能效的相关研究可 归纳为基于热力学第一定律的方法和基于热力学第二定律的方法。基于热力学第 一定律的指标有单一性能法，横向比较法，纵向比较法。这些指标物理概念清晰， 在换热器性能对比中得到了较多应用。基于热力学第二定律的指标有熵方法，方法等，反映了交换器工作过程的热力学完善程度，并能反映热交换器工作过程 中能量的合理利用程度。

热交换器类型众多、适用工况与热力参数也千变万化。迄今，国内外没有确 定管壳式热交换器或其他类型热交换器能效水平及其等级的相关标准，学术界及 行业界也没有普遍认可的能效方法或指标，常用的指标仅能从能量利用的某一个 方面来衡量其热性能，缺乏严谨的理论推导，难以比较不同换热器之间或换热器 强化传热前后性能的高低，如果应用以上提到的指标或者方法，将导致能效结果 缺乏实际意义。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此 可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种油水工质管壳式换热器能效定 量的测量方法，其能够真实地反映管壳式热交换器的能效水平。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现：

一种油水工质管壳式换热器能效定量的测量方法包括如下步骤：

第一步骤：测量待标定的油水工质管壳式换热器在标准工况下的传热性能， 以得到标准状况下的壳侧的传热系数h_o，单位：W·m^-2·k^-1；

第二步骤：测量所述油水工质管壳式换热器在标准工况下的流动性能，以得 到标准状况下壳侧工质流经热交换器所产生的压降Δp；

第三步骤，计算所述油水工质管壳式换热器标准工况下的能效指标 h_o/Δp^0.304；

第四步骤：当能效指标h_o/Δp^0.304＜a时为低能效等级，当能效指标 b＞h_o/Δp^0.304≥a时为中等能效水平等级，当能效指标h_o/Δp^0.304≥b时为高能效水 平等级其中，a和b为常数。

所述的一种油水工质管壳式换热器能效定量的测量方法中，所述标准工况包 括温度热流体50℃，冷流体30℃，流速均为1m/s。

所述的一种油水工质管壳式换热器能效定量的测量方法中，能效指标 h_o/Δp^0.304包括代表管壳式换热器的结构参数对能效指标的影响的第一部分 和代表壳侧工质物性参数对管壳式换热器换热的影响的第二部 分其中，N_b为挡板数，D_e为壳侧当量直径，单位：m，λ为壳侧工质 导热系数，单位：W·m^-1·k^-1，ρ为壳侧工质密度，单位：kg/m³，μ为壳侧工 质动力粘度系数，单位：N·s/m²。。

所述的一种油水工质管壳式换热器能效定量的测量方法中，结构参数包括挡 板数与壳侧当量直径。

所述的一种油水工质管壳式换热器能效定量的测量方法中，高能效等级占比 为25％，中等能效水平等级占比为50％，低能效水平等级占比为30％。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明通过测量并计算标准工况下管壳式换热器运行过程中的效能指标能 够真实地反映管壳式热交换器的能效水平。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加 清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了 能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的 具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和 益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施 方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅 是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的 前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

在附图中：

图1为本发明一个实施例的油水工质管壳式换热器能效定量的测量方法的 步骤示意图；

图2为本发明一个实施例的油水工质管壳式换热器能效定量的测量方法的 能效指标的概率密度分布曲线及高、中、低能效水平的划分示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发 明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述 的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且 能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。 本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本 说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能 上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含” 或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述 为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非 用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进 一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

如图1所示的根据本发明的油水工质管壳式换热器能效定量的测量方法，一 种油水工质管壳式换热器能效定量的测量方法包括如下步骤：

第一步骤(S1)：测量待标定的油水工质管壳式换热器在标准工况下的传热 性能，以得到标准状况下的壳侧的传热系数h_o，单位：W.m^-2·k^-1；

第二步骤(S2)：测量所述油水工质管壳式换热器在标准工况下的流动性能， 以得到标准状况下壳侧工质流经热交换器所产生的压降Δp，单位：Pa；

第三步骤(S3)，计算所述油水工质管壳式换热器标准工况下的能效指标 h_o/Δp^0.304；

第四步骤(S4)：当能效指标h_o/Δp^0.304＜a时为低能效等级，当能效指标 b＞h_o/Δp^0.304≥a时为中等能效水平等级，当能效指标h_o/Δp^0.304≥b时为高能效水 平等级其中，a和b为常数。

本发明中，在管壳式换热器中热交换器总传热系数可采用下式：

式中：

h_i，h_o——管、壳两侧对流换热系数/W·m^-2·k^-1；

d_i，d_o——管子内、外径/m；

λ_w——管材料导热系数/W·m^-1·k^-1

若管壳式换热器壳侧流体对流换热系数h_o远小于管侧流体对流换热系数h_i时，换热过程热阻主要体现在壳侧，若忽略管壁厚度带来的导热热阻，此时可近 似认为：

k≈h_o (2)

因此能用壳侧工质的换热情况近似体现管壳式换热器整体的换热情况。对于 管壳式换热器的壳侧，努塞尔数和压降的实验关联式为：

式中(均以壳侧流动为准)：

Nu_shell——努塞尔数；

Re_shell——雷诺数；

Pr——普朗特数；

Δp_shell——壳侧压降/Pa；

f_shell——壳侧摩擦因子；

G_s——壳侧最小流道面积下的质量流量/kg/m²·s；

——壳侧总流量/kg/s

D_s——壳侧当量直径/m；

D_o——壳侧外径/m；

D_e——水力当量直径/m

N_b——挡板数；

P_t——管中心间距/m；

L_b——挡板间距/m；

μ——动力粘度系数/N·S/m²；

μ_w——冷凝液动力粘度系数/N.S/m²；

ρ——工质密度/kg/m³；

A_s——外壳与管束间隙面积/m；

——管外壳间隔/m；

因此，计算能效指标：

若要使能效指标的大小与流速呈无相关或弱相关关系，速度指数项 0.55-1.81n需在零附近，因此指数n的取值为：

n≈0.304 (11)

则能效指标可写为：

在所述的一种以油-水为工质的管壳式换热器的能效定量方法中，能效指标 h_o/Δp^0.304可具体分为两部分：第一部分代表了管壳式换热器的 结构参数(挡板数与壳侧当量直径)对能效指标的影响；第二部分则代 表了壳侧工质物性参数(密度，动力粘度系数与导热系数)对管壳式换热器换热 的影响，满足传热学规律。

综上，本发明的管壳式换热器能效定量方法与指标h_o/Δp^0.304，基于热交换器 及传热元件性能测试方法GB/T27698-2011要求下壳侧换热工质传热系数与壳侧 流动压降数据。h_o/Δp^0.304主要与换热器结构与换热工质热物性有关，受流速与传 热面积的影响小，能够反映管壳式换热器固有的能效属性，且基于该能效指标， 可以根据其概率密度分布规律实现能效等级的划分。

所述的一种油水工质管壳式换热器能效定量的测量方法的一个实施方式中， 所述标准工况包括温度热流体50℃，冷流体30℃，流速均为1m/s。

所述的一种油水工质管壳式换热器能效定量的测量方法的一个实施方式中， 能效指标n_o/Δp^0.304包括代表管壳式换热器的结构参数对能效指标的影响的第一 部分和代表壳侧工质物性参数对管壳式换热器换热的影响的第 二部分

所述的一种油水工质管壳式换热器能效定量的测量方法的一个实施方式中， 结构参数包括挡板数与壳侧当量直径。

所述的一种油水工质管壳式换热器能效定量的测量方法的一个实施方式中， 高能效等级占比为25％，中等能效水平等级占比为50％，低能效水平等级占比为 30％。

为了进一步理解本发明，图2为本发明一个实施例的油水工质管壳式换热器 能效定量的测量方法的能效指标的概率密度分布曲线及高、中、低能效水平的划 分示意图。当图2为的概率密度分布曲线及高、中、低能效水平的划分示意图， 可通过概率密度分布曲线对管壳式换热器能效进行分级。当h_o/Δp^0.304＜a时，管 壳式换热器能效为低能效水平，当b＞h_o/Δp^0.304≥a时，管壳式换热器能效为中等 能效水平，当h_o/Δp^0.304≥b时管壳式换热器能效为高能效水平。

表1为管壳式换热器能效等级划分示例，在表1中查询被评管壳式换热器 在所有管壳式换热器中所处的能效等级。若h_o/Δp^0.304处于低能效水平，意味着该 管壳式换热器不宜作为节能高效设备，应逐步淘汰；若h_o/Δp^0.304处于中等能效水 平，意味着该管壳式换热器可以继续应用；若h_o/Δp^0.304处于高能效水平，意味着 该管壳式换热器宜作为节能高效设备，应大力推广。

表1

能效等级	能效指标范围	所占整体的百分比
			低能效水平	h<sub>o</sub>/Δp<sup>0.304</sup>＜a	30％
中等能效水平	a≤h<sub>o</sub>/Δp<sup>0.304</sup>＜b	50％
			高能效水平	h<sub>o</sub>/Δp<sup>0.304</sup>≥b	20％

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上 述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的， 而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明 权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明 保护之列。

Claims (5)

1.一种油水工质管壳式换热器能效定量的测量方法，其包括如下步骤：

第一步骤(S1)：测量待标定的油水工质管壳式换热器在标准工况下的传热性能，以得到标准状况下的壳侧的传热系数h_o，单位：W·m^-2·k^-1；

第二步骤(S2)：测量所述油水工质管壳式换热器在标准工况下的流动性能，以得到标准状况下壳侧工质流经热交换器所产生的压降△p，单位：Pa；

第三步骤(S3)，计算所述油水工质管壳式换热器标准工况下的能效指标h_o/Δp^0.304；

第四步骤(S4)：当能效指标h_o/Δp^0.304<a时为低能效等级，当能效指标b>h_o/Δp^0.304≥a时为中等能效水平等级，当能效指标h_o/Δp^0.304≥b时为高能效水平等级，其中，a和b为常数。

2.根据权利要求1所述的一种油水工质管壳式换热器能效定量的测量方法，其特征在于，优选的，所述标准工况包括温度热流体50℃，冷流体30℃，流速均为1m/s。

3.根据权利要求1所述的一种油水工质管壳式换热器能效定量的测量方法，其特征在于：能效指标h_o/Δp^0.304包括代表管壳式换热器的结构参数对能效指标的影响的第一部分和代表壳侧工质物性参数对管壳式换热器换热的影响的第二部分其中，N_b为挡板数，D_e为壳侧当量直径，单位：m，λ为壳侧工质导热系数，单位：W·m^-1·k^-1，ρ为壳侧工质密度，单位：kg/m³，μ为壳侧工质动力粘度系数，单位：N·s/m²。

4.根据权利要求3所述的一种油水工质管壳式换热器能效定量的测量方法，其特征在于：结构参数包括挡板数与壳侧当量直径。

5.根据权利要求1所述的一种油水工质管壳式换热器能效定量的测量方法，其特征在于：高能效等级占比为25％，中等能效水平等级占比为50％，低能效水平等级占比为30％。