CN110705047A - 一种带折流板缠绕管式换热器的设计计算方法 - Google Patents

一种带折流板缠绕管式换热器的设计计算方法 Download PDF

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Abstract

一种带折流板缠绕管式换热器的设计计算方法，带折流板缠绕管式换热器包括螺旋缠绕管体、折流板、壳体位于折流板和壳体之间缺口、单流段区域，以及位于壳体内的管板，带折流板缠绕管式换热器的设计计算方法包括：无相变、单流体相变以及双流体相变三种不同条件的设计计算方法，无相变、单流体相变和双流体相变均采用分流段计算方式，而且无相变、单流体相变设计条件分别采用直接加权叠加方式；双流体相变设计条件各流段的传热需采用独立循环迭代计算。本发明能对带折流板缠绕管式换热器进行高效而准确的结构设计计算，并能根据已有换热器结构进一步优化，提高设计效率以及换热器换热性能，节省耗材。

Description

一种带折流板缠绕管式换热器的设计计算方法
技术领域
本发明涉及一种设计计算方法，具体是一种带折流板缠绕管式换热器的设计计算方法。
背景技术
换热器是工业系统中十分重要的一种能量交换设备，随着工业发展，工业系统对蒸发器换热器设备的性能要求日益增加，当前，换热器被广泛用于电厂、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。
缠绕管式换热器是一种高效的换热设备，传统缠绕管式换热器难以设置折流板，因此，目前出现的缠绕管式换热器设计方法是基于无折流板情况，例如专利号CN102999707A“低温甲醇-甲醇缠绕管式换热器设计计算方法”，近年出现了带折流板的新型缠绕管式换热器，能显著提高传统缠绕管式换热器的换热效率，然而，带折流板的新型缠绕管式换热器结构与传统缠绕管式换热器有显著区别，其设计方法也互不相同，因此，如何对带折流板的缠绕管式换热器的进行优化设计计算，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方法合理，设计结构优异，有效提高换热器结构性能的带折流板缠绕管式换热器的设计计算方法，以克服现有技术中的不足之处。
按此目的设计的一种带折流板缠绕管式换热器的设计计算方法，带折流板缠绕管式换热器包括螺旋缠绕管体、折流板、壳体、位于折流板和壳体之间缺口、单流段区域，以及位于壳体内的管板，带折流板缠绕管式换热器的设计计算方法包括：无相变、单流体相变以及双流体相变三种不同条件的设计计算方法，无相变、单流体相变和双流体相变均采用分流段计算方式，而且无相变、单流体相变设计条件分别采用直接加权叠加方式；双流体相变设计条件各流段的传热需采用独立循环迭代计算。
进行无相变、单流体相变条件设计计算时，根据前后流段的传热温差间的线性关系，通过传热温差之比，获得后流段热负荷。因此，可按负荷要求，根据流段温差比值，进行叠加计算。
进行无相变、单流体相变条件设计计算时，拥有多流程的缠绕管式换热器，其后一流程的热负荷根据本流程进口的传热温差与前流程的传热温差之比所获得。
进行无相变、单流体相变条件单流段计算时，采用热负荷迭代法，进行双流体相变条件单流段计算时，采用出口干度迭代法。此外，双流体相变条件下，各流段的传热与压降均需独立循环迭代计算。
设计方法的当量直径计算方法：当量截面积＝(单流段水平投影面积-单层缠绕管水平投影面积)/单层绕管数，进而换算成等面积圆当量直径。
壳程流体流速采用折流板与壳体之间的缺口处流速作为横掠管束计算流速。
采用传热性能与压降性能综合评定的惩罚因子作为带折流板缠绕管式换热器的结构设计优劣判据。
无相变条件的设计计算方法包括第一循环体和第二循环体，计算步骤为：a、设置换热器结构参数以及流体初始参数，b、选择管程和壳程传热模型，c、获取第一流体段的管程传热系数htube、壳程传热系数hshe11，d、首次计算热负荷Q1，以第一流体段的管程传热系数htube或壳程传热系数hshe11为预设值，e、以第一流体段的壳程传热系数hshe11为预设值进入第一循环体的计算，并通过Q1＝Cp1 X m1 X DT1计算该段壳程hshe11流体出口温度Tf1，确定本段壁温Tw，Tw＝Q1/(h1 X F1)+Tf1,m；通过管程传热系数htube的传热温差，获得本段管程热负荷Q2，计算Q1＝Cp2 X m2 X DT2，获取本段管程流体出口温度Tf2，根据Q2＝h2 X F2 X(Tf2,m-Tw)获取热负荷Q2；
其中，Cp1为壳程流体定压比热容:J/(kg·K)，m1为壳程流体质量流量：kg/s，DT1为壳程流体进出口温度变化：K，Cp2为管程流体定压比热容:J/(kg·K)，m2为管程流体质量流量：kg/s，DT2为管程流体进出口温度变化：K，h1为壳程表面传热系数W/(m2·K)，F1为管外传热面积：m2，Tf1,m为壳程流体平均温度：K，h2为管程表面传热系数W/(m2·K)，Tf2,m为管程流体平均温度：K；
计算(Q2-Q1)/Q1的绝对值，若(Q2-Q1)/Q1的绝对值≤0.5％或1％时，则获得本段管程传热系数htube和壳程传热系数hshe11，选择管程和壳程压降模型；再进入第二循环体的计算，首先对带折流板缠绕管式换热器的流体段数k进行判断，若k＝kmax时，则获得带折流板缠绕管式换热器的总热负荷和总压降；最后进行设计判断，采用惩罚因子作为带折流板缠绕管式换热器优劣判据，PF＝[G X Dh X Tm/(4X htOt)]X(1/ρl-1/ρv)X(dp/dz)，其中G为截面质量流量：kg/(m2s)，Dh为水力直径：m，htOt为换热器总换热系数：W/(m2·K)，ρl为液相密度：kg/m3，ρv为气相密度：kg/m3，dp为压降变化：Pa，dz为压降梯度：Pa，kmax为带折流板缠绕管式换热器的最大流体段数。
若(Q2-Q1)/Q1的绝对值＞0.5％或1％时，则判断Q2≤Q1，若Q2≤Q1，则调小Q1，然后重新进入第一循环体的计算，该循环计算至(Q2-Q1)/Q1的绝对值≤0.5％或1％；若Q2＞Q1，则调大Q1，然后重新进入第一循环体的计算，该循环计算至(Q2-Q1)/Q1的绝对值≤0.5％或1％。
若k＜kmax，计算另一流体段k+n的热负荷，n≥1，k+n的热负荷计算为；Qk+n＝QK-1X(Tf1，i，k-1-Tf1，o，k-1)X[(Tf1，o，k-1-Tf2，o，k-1)/(Tf1，i，k-1-Tf2，i，k-1)]；然后进行总热负荷以及总压降叠加计算：
Figure BDA0002203253150000031
Figure BDA0002203253150000032
直至计算的流体段数为所需最大流体段数为kmax，再采用惩罚因子作为带折流板缠绕管式换热器优劣判据；
其中，Qtot为带折流板缠绕管式换热器的总热负荷：W，DPtot为带折流板缠绕管式换热器的总压降:Pa，Tf1，i，k-1为第k-1段壳程流体进口温度：K，Tf1，o，k-1为第k-1段壳程流体出口温度：K，Tf2，o，k-1为第k-1段管程流体出口温度，Tf2，i，k-1为第k-1段管程流体进口温度：K。
单流体相变的设计计算方法包括第三循环体和第四循环体，计算步骤为：a、设置换热器结构参数以及流体初始参数，b、选择管程和壳程传热模型，c、预设带折流板缠绕管式换热器第一流体段的出口干度为X1，然后进入第三循环体计算，d、获取获取第一流体段的管程传热系数htube、壳程传热系数hshe11，e、计算第一流体段壳程热负荷Q1，Q1＝h1g X m XDx；确定本段壁温Tw，Tw＝Q1/(h1 X F1)+Tf1，通过管程传热系数htube的传热温差，获得本段管程热负荷Q2，计算Q1＝Cp2 X m2 X DT2，获取本段管程流体出口温度Tf2，根据Q2＝h2X F2X(Tf2,m-Tw)获取热负荷Q2；
其中，h1g为流体相变潜热：J/kg，m为质量流量：kg/s，Dx为干度变化，Cp2为管程流体定压比热容:J/(kg·K)，m2为管程流体质量流量：kg/s，DT2为管程流体进出口温度变化：K，h1为壳程表面传热系数W/(m2·K)，F1为管外传热面积：m2，Tf1为壳程流体两相温度：K，h2为管程表面传热系数W/(m2·K)，Tf2,m为管程流体平均温度：K。
计算(Q2-Q1)/Q1的绝对值，若(Q2-Q1)/Q1的绝对值＜0.5％或1％时，则获得本段管程传热系数htube和壳程传热系数hshe11，选择管程和壳程压降模型；再进入第二循环体的计算，则获得本段管程传热系数htube和壳程传热系数hshe11，选择管程和壳程压降模型；再进入第四循环体的计算，首先对带折流板缠绕管式换热器的流体段数k进行判断，若k＝kmax时，则获得带折流板缠绕管式换热器的总热负荷和总压降，最后进行设计判断，采用惩罚因子作为带折流板缠绕管式换热器优劣判据，PF＝[G X Dh X Tm/(4X htOt)]X(1/ρl-1/ρv)X(dp/dz)，其中G为kg/(m2s)，Dh为水力直径：m，htOt为换热器总换热系数：W/(m2·K)，ρl为液相密度：kg/m3，ρv为气相密度：kg/m3，dp为压降变化：Pa，dz为单位长度：m，kmax为带折流板缠绕管式换热器的最大流体段数。
若(Q2-Q1)/Q1的绝对值＞0.5％或1％时，则判断Q2≤Q1，若Q2≤Q1，则调小X1，然后重新进入第三循环体(8)的计算，该循环计算至(Q2-Q1)/Q1的绝对值≤0.5％或1％；若Q2＞Q1，则调大X1，然后重新进入第三循环体(8)的计算，该循环计算至(Q2-Q1)/Q1的绝对值≤0.5％或1％。
若k＜kmax，计算另一流体段k+n的热负荷，n≥1，k+n的热负荷计算为；Qk+n＝QK-1X(Tf1，i，k-1-Tf1，o，k-1)X[(Tf1，o，k-1-Tf2，o，k-1)/(Tf1，i，k-1-Tf2，i，k-1)]；然后进行总热负荷以及总压降叠加计算：
Figure BDA0002203253150000041
Figure BDA0002203253150000051
直至计算的流体段数为所需最大流体段数为kmax，再采用惩罚因子作为带折流板缠绕管式换热器优劣判据；
其中，Qtot为带折流板缠绕管式换热器的总热负荷，DPtot为带折流板缠绕管式换热器的总压降，Tf1，i，k-1为第k-1段壳程流体进口温度：K，Tf1，o，k-1为第k-1段壳程流体出口温度：K，Tf2，o，k-1为第k-1段管程流体出口温度：K，Tf2，i，k-1为第k-1段管程流体进口温度：K。
双流体相变的设计计算方法包括第五循环体，计算步骤为：a、设置换热器结构参数以及流体初始参数，b、选择管程和壳程传热模型，c、预设带折流板缠绕管式换热器第一流体段的出口干度为X1，获取第一流体段的壳程传热系数hshe11，然后进入第五循环体计算，再获取第一流体段的管程传热系数htube，d、计算第一流体段壳程热负荷Q1，Q1＝h1g X m XDx；e、确定本段壁温Tw，Tw＝Q1/(h1 X F1)+Tf1，根据Q1计算管程本段出口干度X2，并根据X2计算管程本段传热系数h2，根据Q2＝h2 X F2 X(Tf2-Tw)获取计算第一流体段壳程热负荷Q2；
其中，h1g为流体相变潜热：J/kg，m为质量流量：kg/s，Dx为干度变化，h1为壳程表面传热系数W/(m2·K)，F1为管外传热面积：m2，Tf1为壳程流体两相温度：K，F2为管内传热面积：m2，h2为管程表面传热系数W/(m2·K)，Tf2为管程流体两相温度：K；
计算(Q2-Q1)/Q1的绝对值，若(Q2-Q1)/Q1的绝对值＜0.5％或1％时，则获得本段管程传热系数htube和壳程传热系数hshe11，选择管程和壳程压降模型；然后对带折流板缠绕管式换热器的流体段数k进行判断，若k＝kmax时，则获得带折流板缠绕管式换热器的总热负荷和总压降；最后进行设计判断，采用惩罚因子作为带折流板缠绕管式换热器优劣判据，PF＝[G X Dh X Tm/(4X htOt)]X(1/ρl-1/ρv)X(dp/dz)，其中G为截面质量流量：kg/(m2s)，Dh为水力直径：m，htOt为换热器总换热系数：W/(m2·K)，ρl为液相密度：kg/m3，ρv为气相密度：kg/m3，dp为压降变化：Pa，dz为单位长度：m，kmax为带折流板缠绕管式换热器的最大流体段数。
若(Q2-Q1)/Q1的绝对值＞0.5％或1％时，则判断Q2≤Q1，若Q2≤Q1，则调小X1，然后重新进入第五循环体的计算，该循环计算至(Q2-Q1)/Q1的绝对值≤0.5％或1％；若Q2＞Q1，则调大X1，然后重新进入第五循环体的计算，该循环计算至(Q2-Q1)/Q1的绝对值≤0.5％或1％
若k＜kmax，则需要再次进入第五循环体的计算，计算每个流体段的热负荷与压降，即各流段的传热与压降均需独立循环迭代计算，直至计算的流体段数为所需最大流体段数为kmax；然后进行总热负荷以及总压降叠加计算：
Figure BDA0002203253150000061
Figure BDA0002203253150000062
再采用惩罚因子作为带折流板缠绕管式换热器优劣判据。
本发明的折流板缠绕管式换热器的设计计算方法，能对带折流板缠绕管式换热器进行高效而准确的结构设计计算，并能根据已有换热器结构进一步优化，提高设计效率以及换热器换热性能，节省耗材。
本发明依据分流段计算以及加权叠加的方式，对带折流板缠绕管式换热器的热力性能进行分流段计算，并依据不同流段间温差线性关系进行流段叠加计算。
本发明设置换热器的结构参数，高、低温流体的初始参数后，分无相变、单流体相变以及双流体相变三种情况。其中，无相变、单流体相变采用热负荷迭代和热平衡原理，并通过前后流段流体的传热温差间的线性关系计算后续流段负荷和压降，然后叠加总负荷和总压降；双流体相变采用出口干度迭代和热平衡原理进行全流程迭代。最后采用结合传热与压降综合影响的惩罚因子对结构的优劣进行判定。本发明的计算方法能高效而准确地计算带折流板缠绕管式换热器的热力性能，从而有效获得优化的带折流板缠绕管式换热器结构，提高设计效率，节省耗材。
附图说明
图1为本发明的带折流板缠绕管式换热器结构图。
图2为本发明的带折流板缠绕管式换热器的无相变流体结构设计计算方法线框图。
图3为本发明的带折流板缠绕管式换热器的单流体相变结构设计计算方法线框图。
图4为本发明的带折流板缠绕管式换热器的双流体相变结构设计计算方法线框图。
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。
第一实施例
参见图1-图2，一种带折流板缠绕管式换热器的设计计算方法，带折流板缠绕管式换热器包括螺旋缠绕管体1、折流板2、壳体3、位于折流板2和壳体3之间缺口4、单流段区域5，以及位于壳体3内的管板11，带折流板缠绕管式换热器的设计计算方法包括：无相变、单流体相变以及双流体相变三种不同条件的设计计算方法，无相变、单流体相变和双流体相变均采用分流段计算方式，而且无相变、单流体相变设计条件分别采用直接加权叠加方式；双流体相变设计条件各流段的传热需采用独立循环迭代计算。
以无相变为例：首次计算的热负荷Q1，以壳程或者管程为预设值，本实施例以壳程预设为例，通过假定一个经验值进行预设；工作介质的物性参数以流段进口处作为计算值，通过比热容计算第一流体段壳程流体出口温度Q1＝Cp1 X m1 X(Tf1，o-Tf，i)，通过对流传热解析式计算第一流体段管壁温Tw，，Tw＝Q1/(h1 X F1)+Tf1,m；再通过管程传热温差，获得第一流体段管内热负荷Q2(Q2与假定的Q1值不同)，Q2＝h2 X F2 X(Tf2,m-Tw)，管程和壳程传热平衡应约束在≤1％，本实施例采用0.5％，通过当次循环热平衡的管程与壳程热负荷的相对大小，作为调整迭代热负荷的依据；
当Q2≤Q1，按步调小Q1，继续迭代至符合约束条件。
当Q2≥Q1，按步调大Q1，继续迭代至符合约束条件。
利用压降模型，可获得壳程和管程流段压降。
特别地，所述设计方法中壳程所用特征长度Dh(当量直径)的计算,以一个单流段区域5的水平投影面积为总面积Aj，具体计算如下：
当量截面积A＝(单流段总投影面积Aj-单层缠绕管水平投影面积At)/单层绕管数，进而换算成等面积圆当量直径Dh。
特别地，所述设计方法中壳程流体流速Vshell采用折流板与壳体之间的缺口处流速作为横掠管束计算流速。
利用流体段数作为第二流段及后面流体段热负荷叠加计算循环，从第二流体段开始，第K流段的热负荷计算方法为：Qk+n＝QK-1X(Tf1，i，k-1-Tf1，o，k-1)X[(Tf1，o，k-1-Tf2，o，k-1)/(Tf1，i，k-1-Tf2，i，k-1)]；进行热负荷以及总压降叠加计算：然后采用惩罚因子作为带折流板缠绕管式换热器结构优劣判据。
具体地：无相变条件的设计计算方法包括第一循环体6和第二循环体7，计算步骤为：a、设置换热器结构参数以及流体初始参数，b、选择管程和壳程传热模型，c、获取第一流体段的管程传热系数htube、壳程传热系数hshe11，d、首次计算热负荷Q1，以第一流体段的管程传热系数htube或壳程传热系数hshe11为预设值，e、以第一流体段的壳程传热系数hshe11为预设值进入第一循环体6的计算，并通过Q1＝Cp1 X m1 X DT1计算该段壳程hshe11流体出口温度Tf1，确定本段壁温Tw，Tw＝Q1/(h1 X F1)+Tf1,m；通过管程传热系数htube的传热温差，获得本段管程热负荷Q2，计算Q1＝Cp2 X m2 X DT2，获取本段管程流体出口温度Tf2，根据Q2＝h2 XF2 X(Tf2,m-Tw)获取热负荷Q2；
其中，Cp1为壳程流体定压比热容:J/(kg·K)，m1为壳程流体质量流量：kg/s，DT1为壳程流体进出口温度变化：K，Cp2为管程流体定压比热容:J/(kg·K)，m2为管程流体质量流量：kg/s，DT2为管程流体进出口温度变化：K，h1为壳程表面传热系数W/(m2·K)，F1为管外传热面积：m2，Tf1,m为壳程流体平均温度：K，h2为管程表面传热系数W/(m2·K)，Tf2,m为管程流体平均温度：K；
计算(Q2-Q1)/Q1的绝对值，若(Q2-Q1)/Q1的绝对值≤0.5％或1％时，则获得本段管程传热系数htube和壳程传热系数hshe11，选择管程和壳程压降模型；再进入第二循环体的计算，首先对带折流板缠绕管式换热器的流体段数k进行判断，若k＝kmax时，则获得带折流板缠绕管式换热器的总热负荷和总压降；最后进行设计判断，采用惩罚因子作为带折流板缠绕管式换热器优劣判据，PF＝[G X Dh X Tm/(4X htOt)]X(1/ρl-1/ρv)X(dp/dz)，其中G为截面质量流量：kg/(m2s)，Dh为水力直径：m，htOt为换热器总换热系数：W/(m2·K)，ρl为液相密度：kg/m3，ρv为气相密度：kg/m3，dp为压降变化：Pa，dz为压降梯度：Pa，kmax为带折流板缠绕管式换热器的最大流体段数。
若(Q2-Q1)/Q1的绝对值＞0.5％或1％时，则判断Q2≤Q1，若Q2≤Q1，则调小Q1，然后重新进入第一循环体6的计算，该循环计算至(Q2-Q1)/Q1的绝对值≤0.5％或1％；若Q2＞Q1，则调大Q1，然后重新进入第一循环体6的计算，该循环计算至(Q2-Q1)/Q1的绝对值≤0.5％或1％。
若k＜kmax，计算另一流体段k+n的热负荷，n≥1，k+n的热负荷计算为；Qk+n＝QK-1X(Tf1，i，k-1-Tf1，o，k-1)X[(Tf1，o，k-1-Tf2，o，k-1)/(Tf1，i，k-1-Tf2，i，k-1)]；然后进行总热负荷以及总压降叠加计算：
Figure BDA0002203253150000091
Figure BDA0002203253150000092
直至计算的流体段数为所需最大流体段数为kmax，再采用惩罚因子作为带折流板缠绕管式换热器优劣判据；
其中，Qtot为带折流板缠绕管式换热器的总热负荷：W，DPtot为带折流板缠绕管式换热器的总压降:Pa，Tf1，i，k-1为第k-1段壳程流体进口温度：K，Tf1，o，k-1为第k-1段壳程流体出口温度：K，Tf2，o，k-1为第k-1段管程流体出口温度，Tf2，i，k-1为第k-1段管程流体进口温度：K。
第二实施例
参见图3，一种带折流板缠绕管式换热器的设计计算方法不同于第一实施例之处在于：以单流体相变的设计计算方法优化带折流板缠绕管式换热器的结构性能。
首先在循环中应预设相变流体的出口干度X1(以壳程相变为例)，从而获得管程传热系数htube以及壳程传热系数hshell。
具体地：单流体相变的设计计算方法包括第三循环体8和第四循环体9，计算步骤为：a、设置换热器结构参数以及流体初始参数，b、选择管程和壳程传热模型，c、预设带折流板缠绕管式换热器第一流体段的出口干度为X1，然后进入第三循环体8计算，d、获取获取第一流体段的管程传热系数htube、壳程传热系数hshe11，e、计算第一流体段壳程热负荷Q1，Q1＝h1g X m X Dx；确定本段壁温Tw，Tw＝Q1/(h1 X F1)+Tf1，通过管程传热系数htube的传热温差，获得本段管程热负荷Q2，计算Q1＝Cp2 X m2 X DT2，获取本段管程流体出口温度Tf2，根据Q2＝h2 X F2 X(Tf2,m-Tw)获取热负荷Q2；
其中，h1g为流体相变潜热：J/kg，m为质量流量：kg/s，Dx为干度变化，Cp2为管程流体定压比热容:J/(kg·K)，m2为管程流体质量流量：kg/s，DT2为管程流体进出口温度变化：K，h1为壳程表面传热系数W/(m2·K)，F1为管外传热面积：m2，Tf1为壳程流体两相温度：K，h2为管程表面传热系数W/(m2·K)，Tf2,m为管程流体平均温度：K。
计算(Q2-Q1)/Q1的绝对值，若(Q2-Q1)/Q1的绝对值＜0.5％或1％时，则获得本段管程传热系数htube和壳程传热系数hshe11，选择管程和壳程压降模型；再进入第二循环体7的计算，则获得本段管程传热系数htube和壳程传热系数hshe11，选择管程和壳程压降模型；再进入第四循环体9的计算，首先对带折流板缠绕管式换热器的流体段数k进行判断，若k＝kmax时，则获得带折流板缠绕管式换热器的总热负荷和总压降，最后进行设计判断，采用惩罚因子作为带折流板缠绕管式换热器优劣判据，PF＝[G X Dh X Tm/(4X htOt)]X(1/ρl-1/ρv)X(dp/dz)，其中G为kg/(m2s)，Dh为水力直径：m，htOt为换热器总换热系数：W/(m2·K)，ρl为液相密度：kg/m3，ρv为气相密度：kg/m3，dp为压降变化：Pa，dz为单位长度：m，kmax为带折流板缠绕管式换热器的最大流体段数。
若(Q2-Q1)/Q1的绝对值＞0.5％或1％时，则判断Q2≤Q1，若Q2≤Q1，则调小X1，然后重新进入第三循环体8的计算，该循环计算至(Q2-Q1)/Q1的绝对值≤0.5％或1％；若Q2＞Q1，则调大X1，然后重新进入第三循环体8的计算，该循环计算至(Q2-Q1)/Q1的绝对值≤0.5％或1％。
若k＜kmax，计算另一流体段k+n的热负荷，n≥1，k+n的热负荷计算为；Qk+n＝QK-1X(Tf1，i，k-1-Tf1，o，k-1)X[(Tf1，o，k-1-Tf2，o，k-1)/(Tf1，i，k-1-Tf2，i，k-1)]；然后进行总热负荷以及总压降叠加计算：
Figure BDA0002203253150000101
直至计算的流体段数为所需最大流体段数为kmax，再采用惩罚因子作为带折流板缠绕管式换热器优劣判据；
其中，Qtot为带折流板缠绕管式换热器的总热负荷，DPtot为带折流板缠绕管式换热器的总压降，Tf1，i，k-1为第k-1段壳程流体进口温度：K，Tf1，o，k-1为第k-1段壳程流体出口温度：K，Tf2，o，k-1为第k-1段管程流体出口温度：K，Tf2，i，k-1为第k-1段管程流体进口温度：K。
其它未述部分均同于第一实施例，这里不再详述。
第三实施例
参见图4，一种带折流板缠绕管式换热器的设计计算方法不同于第一实施例之处在于：以双流体相变的设计计算方法优化带折流板缠绕管式换热器的结构性能。
双流体相变的设计计算方法包括第五循环体10，计算步骤为：a、设置换热器结构参数以及流体初始参数，b、选择管程和壳程传热模型，c、预设带折流板缠绕管式换热器第一流体段的出口干度为X1，获取第一流体段的壳程传热系数hshe11，然后进入第五循环体10计算，再获取第一流体段的管程传热系数htube，d、计算第一流体段壳程热负荷Q1，Q1＝h1g Xm X Dx；e、确定本段壁温Tw，Tw＝Q1/(h1 X F1)+Tf1，根据Q1计算管程本段出口干度X2，并根据X2计算管程本段传热系数h2，根据Q2＝h2 X F2 X(Tf2-Tw)获取计算第一流体段壳程热负荷Q2；
其中，h1g为流体相变潜热：J/kg，m为质量流量：kg/s，Dx为干度变化，h1为壳程表面传热系数W/(m2·K)，F1为管外传热面积：m2，Tf1为壳程流体两相温度：K，F2为管内传热面积：m2，h2为管程表面传热系数W/(m2·K)，Tf2为管程流体两相温度：K；
计算(Q2-Q1)/Q1的绝对值，若(Q2-Q1)/Q1的绝对值＜0.5％或1％时，则获得本段管程传热系数htube和壳程传热系数hshe11，选择管程和壳程压降模型；然后对带折流板缠绕管式换热器的流体段数k进行判断，若k＝kmax时，则获得带折流板缠绕管式换热器的总热负荷和总压降；最后进行设计判断，采用惩罚因子作为带折流板缠绕管式换热器优劣判据，PF＝[G X Dh X Tm/(4X htOt)]X(1/ρl-1/ρv)X(dp/dz)，其中G为截面质量流量：kg/(m2s)，Dh为水力直径：m，htOt为换热器总换热系数：W/(m2·K)，ρl为液相密度：kg/m3，ρv为气相密度：kg/m3，dp为压降变化：Pa，dz为单位长度：m，kmax为带折流板缠绕管式换热器的最大流体段数。
若(Q2-Q1)/Q1的绝对值＞0.5％或1％时，则判断Q2≤Q1，若Q2≤Q1，则调小X1，然后重新进入第五循环体10的计算，该循环计算至(Q2-Q1)/Q1的绝对值≤0.5％或1％；若Q2＞Q1，则调大X1，然后重新进入第五循环体10的计算，该循环计算至(Q2-Q1)/Q1的绝对值≤0.5％或1％
若k＜kmax，则需要再次进入第五循环体10的计算，计算每个流体段的热负荷与压降，即各流段的传热与压降均需独立循环迭代计算，直至计算的流体段数为所需最大流体段数为kmax；然后进行总热负荷以及总压降叠加计算：
Figure BDA0002203253150000121
Figure BDA0002203253150000122
再采用惩罚因子作为带折流板缠绕管式换热器优劣判据。
其它未述部分均同于第一实施例，这里不再详述。
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)

1.一种带折流板缠绕管式换热器的设计计算方法，带折流板缠绕管式换热器包括螺旋缠绕管体(1)、折流板(2)、壳体(3)、位于折流板(2)和壳体(3)之间缺口(4)、单流段区域(5)，其特征是带折流板缠绕管式换热器的设计计算方法包括：无相变、单流体相变以及双流体相变三种不同条件的设计计算方法，无相变、单流体相变和双流体相变均采用分流段计算方式，而且无相变、单流体相变设计条件分别采用直接加权叠加方式；双流体相变设计条件各流段的传热需采用独立循环迭代计算。
2.根据权利要求1所述带折流板缠绕管式换热器的设计计算方法，其特征是无相变条件的设计计算方法包括第一循环体(6)和第二循环体(7)，计算步骤为：a、设置换热器结构参数以及流体初始参数，b、选择管程和壳程传热模型，c、获取第一流体段的管程传热系数htube、壳程传热系数hshe11，d、首次计算热负荷Q1，以第一流体段的管程传热系数htube或壳程传热系数hshe11为预设值，e、以第一流体段的壳程传热系数hshe11为预设值进入第一循环体(6)的计算，并通过Q1＝Cp1 X m1 X DT1计算该段壳程hshe11流体出口温度Tf1，确定本段壁温Tw，Tw＝Q1/(h1 X F1)+Tf1,m；通过管程传热系数htube的传热温差，获得本段管程热负荷Q2，计算Q1＝Cp2 X m2 X DT2，获取本段管程流体出口温度Tf2，根据Q2＝h2 X F2 X(Tf2,m-Tw)获取热负荷Q2；
其中，Cp1为壳程流体定压比热容:J/(kg·K)，m1为壳程流体质量流量：kg/s，DT1为壳程流体进出口温度变化：K，Cp2为管程流体定压比热容:J/(kg·K)，m2为管程流体质量流量：kg/s，DT2为管程流体进出口温度变化：K，h1为壳程表面传热系数W/(m2·K)，F1为管外传热面积：m2，Tf1,m为壳程流体平均温度：K，h2为管程表面传热系数W/(m2·K)，Tf2,m为管程流体平均温度：K；
计算(Q2-Q1)/Q1的绝对值，若(Q2-Q1)/Q1的绝对值≤0.5％或1％时，则获得本段管程传热系数htube和壳程传热系数hshe11，选择管程和壳程压降模型；再进入第二循环体(7)的计算，首先对带折流板缠绕管式换热器的流体段数k进行判断，若k＝kmax时，则获得带折流板缠绕管式换热器的总热负荷和总压降；最后进行设计判断，采用惩罚因子作为带折流板缠绕管式换热器优劣判据，PF＝[G X Dh X Tm/(4 X htOt)]X(1/ρl-1/ρv)X(dp/dz)，其中G为截面质量流量：kg/(m2s)，Dh为水力直径：m，htOt为换热器总换热系数：W/(m2·K)，ρl为液相密度：kg/m3，ρv为气相密度：kg/m3，dp为压降变化：Pa，dz为压降梯度：Pa，kmax为带折流板缠绕管式换热器的最大流体段数。
3.根据权利要求2所述带折流板缠绕管式换热器的设计计算方法，其特征是若(Q2-Q1)/Q1的绝对值＞0.5％或1％时，则判断Q2≤Q1，若Q2≤Q1，则调小Q1，然后重新进入第一循环体(6)的计算，该循环计算至(Q2-Q1)/Q1的绝对值≤0.5％或1％；若Q2＞Q1，则调大Q1，然后重新进入第一循环体(6)的计算，该循环计算至(Q2-Q1)/Q1的绝对值≤0.5％或1％。
4.根据权利要求2所述带折流板缠绕管式换热器的设计计算方法，其特征是若k＜kmax，计算另一流体段k+n的热负荷，n≥1，k+n的热负荷计算为；Qk+n＝QK-1X(Tf1，i，k-1-Tf1，o，k-1)X[(Tf1，o，k-1-Tf2，o，k-1)/(Tf1，i，k-1-Tf2，i，k-1)]；然后进行总热负荷以及总压降叠加计算：
Figure FDA0002203253140000021
Figure FDA0002203253140000022
直至计算的流体段数为所需最大流体段数为kmax，再采用惩罚因子作为带折流板缠绕管式换热器优劣判据；
其中，Qtot为带折流板缠绕管式换热器的总热负荷：W，DPtot为带折流板缠绕管式换热器的总压降:Pa，Tf1，i，k-1为第k-1段壳程流体进口温度：K，Tf1，o，k-1为第k-1段壳程流体出口温度：K，Tf2，o，k-1为第k-1段管程流体出口温度，Tf2，i，k-1为第k-1段管程流体进口温度：K。
5.根据权利要求1所述带折流板缠绕管式换热器的设计计算方法，其特征是单流体相变的设计计算方法包括第三循环体(8)和第四循环体(9)，计算步骤为：a、设置换热器结构参数以及流体初始参数，b、选择管程和壳程传热模型，c、预设带折流板缠绕管式换热器第一流体段的出口干度为X1，然后进入第三循环体(8)计算，d、获取获取第一流体段的管程传热系数htube、壳程传热系数hshe11，e、计算第一流体段壳程热负荷Q1，Q1＝h1g X m X Dx；确定本段壁温Tw，Tw＝Q1/(h1 X F1)+Tf1，通过管程传热系数htube的传热温差，获得本段管程热负荷Q2，计算Q1＝Cp2 X m2 X DT2，获取本段管程流体出口温度Tf2，根据Q2＝h2 X F2 X(Tf2,m-Tw)获取热负荷Q2；
其中，h1g为流体相变潜热：J/kg，m为质量流量：kg/s，Dx为干度变化，Cp2为管程流体定压比热容:J/(kg·K)，m2为管程流体质量流量：kg/s，DT2为管程流体进出口温度变化：K，h1为壳程表面传热系数W/(m2·K)，F1为管外传热面积：m2，Tf1为壳程流体两相温度：K，h2为管程表面传热系数W/(m2·K)，Tf2,m为管程流体平均温度：K；
计算(Q2-Q1)/Q1的绝对值，若(Q2-Q1)/Q1的绝对值＜0.5％或1％时，则获得本段管程传热系数htube和壳程传热系数hshe11，选择管程和壳程压降模型；再进入第二循环体(7)的计算，则获得本段管程传热系数htube和壳程传热系数hshe11，选择管程和壳程压降模型；再进入第四循环体(9)的计算，首先对带折流板缠绕管式换热器的流体段数k进行判断，若k＝kmax时，则获得带折流板缠绕管式换热器的总热负荷和总压降，最后进行设计判断，采用惩罚因子作为带折流板缠绕管式换热器优劣判据，PF＝[G X Dh X Tm/(4 X htOt)]X(1/ρl-1/ρv)X(dp/dz)，其中G为kg/(m2s)，Dh为水力直径：m，htOt为换热器总换热系数：W/(m2·K)，ρl为液相密度：kg/m3，ρv为气相密度：kg/m3，dp为压降变化：Pa，dz为单位长度：m，kmax为带折流板缠绕管式换热器的最大流体段数。
6.根据权利要求5所述带折流板缠绕管式换热器的设计计算方法，其特征是若(Q2-Q1)/Q1的绝对值＞0.5％或1％时，则判断Q2≤Q1，若Q2≤Q1，则调小X1，然后重新进入第三循环体(8)的计算，该循环计算至(Q2-Q1)/Q1的绝对值≤0.5％或1％；若Q2＞Q1，则调大X1，然后重新进入第三循环体(8)的计算，该循环计算至(Q2-Q1)/Q1的绝对值≤0.5％或1％。
7.根据权利要求5所述带折流板缠绕管式换热器的设计计算方法，其特征是若k＜kmax，计算另一流体段k+n的热负荷，n≥1，k+n的热负荷计算为；Qk+n＝QK-1X(Tf1，i，k-1-Tf1，o，k-1)X[(Tf1，o，k-1-Tf2，o，k-1)/(Tf1，i，k-1-Tf2，i，k-1)]；然后进行总热负荷以及总压降叠加计算：
Figure FDA0002203253140000031
Figure FDA0002203253140000032
直至计算的流体段数为所需最大流体段数为kmax，再采用惩罚因子作为带折流板缠绕管式换热器优劣判据；
其中，Qtot为带折流板缠绕管式换热器的总热负荷，DPtot为带折流板缠绕管式换热器的总压降，Tf1，i，k-1为第k-1段壳程流体进口温度：K，Tf1，o，k-1为第k-1段壳程流体出口温度：K，Tf2，o，k-1为第k-1段管程流体出口温度：K，Tf2，i，k-1为第k-1段管程流体进口温度：K。
8.根据权利要求1所述带折流板缠绕管式换热器的设计计算方法，其特征是双流体相变的设计计算方法包括第五循环体(10)，计算步骤为：a、设置换热器结构参数以及流体初始参数，b、选择管程和壳程传热模型，c、预设带折流板缠绕管式换热器第一流体段的出口干度为X1，获取第一流体段的壳程传热系数hshe11，然后进入第五循环体(10)计算，再获取第一流体段的管程传热系数htube，d、计算第一流体段壳程热负荷Q1，Q1＝h1g X m X Dx；e、确定本段壁温Tw，Tw＝Q1/(h1 X F1)+Tf1，根据Q1计算管程本段出口干度X2，并根据X2计算管程本段传热系数h2，根据Q2＝h2 X F2X(Tf2-Tw)获取计算第一流体段壳程热负荷Q2；
其中，h1g为流体相变潜热：J/kg，m为质量流量：kg/s，Dx为干度变化，h1为壳程表面传热系数W/(m2·K)，F1为管外传热面积：m2，Tf1为壳程流体两相温度：K，F2为管内传热面积：m2，h2为管程表面传热系数W/(m2·K)，Tf2为管程流体两相温度：K；
计算(Q2-Q1)/Q1的绝对值，若(Q2-Q1)/Q1的绝对值＜0.5％或1％时，则获得本段管程传热系数htube和壳程传热系数hshe11，选择管程和壳程压降模型；然后对带折流板缠绕管式换热器的流体段数k进行判断，若k＝kmax时，则获得带折流板缠绕管式换热器的总热负荷和总压降；最后进行设计判断，采用惩罚因子作为带折流板缠绕管式换热器优劣判据，PF＝[GX Dh X Tm/(4 X htOt)]X(1/ρl-1/ρv)X(dp/dz)，其中G为截面质量流量：kg/(m2s)，Dh为水力直径：m，htOt为换热器总换热系数：W/(m2·K)，ρl为液相密度：kg/m3，ρv为气相密度：kg/m3，dp为压降变化：Pa，dz为单位长度：m，kmax为带折流板缠绕管式换热器的最大流体段数。
9.根据权利要求8所述带折流板缠绕管式换热器的设计计算方法，其特征是若(Q2-Q1)/Q1的绝对值＞0.5％或1％时，则判断Q2≤Q1，若Q2≤Q1，则调小X1，然后重新进入第五循环体(10)的计算，该循环计算至(Q2-Q1)/Q1的绝对值≤0.5％或1％；若Q2＞Q1，则调大X1，然后重新进入第五循环体(10)的计算，该循环计算至(Q2-Q1)/Q1的绝对值≤0.5％或1％。
10.根据权利要求8所述带折流板缠绕管式换热器的设计计算方法，其特征是若k＜kmax，则需要再次进入第五循环体(10)的计算，计算每个流体段的热负荷与压降，直至计算的流体段数为所需最大流体段数为kmax；然后进行总热负荷以及总压降叠加计算：
Figure FDA0002203253140000051
再采用惩罚因子作为带折流板缠绕管式换热器优劣判据。
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