CN112052550B - 一种壳程沸腾螺旋绕管式换热器的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种壳程沸腾的螺旋缠绕管式换热器的设计方法，一种壳程沸腾的螺旋缠绕管式换热器的设计方法，按照工质的泡点和露点，所述壳程分为液相段，沸腾段两部分，或者所述壳程分为液相段，沸腾段，气相段三部分，并且分别对相应分段进行设计计算，确定各段的换热系数、换热量、换热面积和有效换热长度；如果出口段干度小于1，则整个螺旋缠绕管式换热器分为两个部分，分别为液相段和沸腾段；如果出口干度等于1，则整个螺旋缠绕管式换热器分为液相段、沸腾段和气相段三个部分。该螺旋缠绕管式换热器的设计方法有计算精度高、设计方法完备、计算效率高等特点，具有高度的商业价值和市场推广价值。

Description

一种壳程沸腾螺旋绕管式换热器的设计方法

技术领域

本发明涉及一种壳程沸腾的螺旋缠绕管式换热器的设计方法，属于强化换热技术领域。

背景技术

螺旋绕管式换热器具有单位容积的传热面积大，占地面积小，传热系数高，传热温差小，传热效率高，耐高压，热膨胀自行补偿，不易结垢，易实现大型化等特点，也具有实现多种介质同时传热的功能。螺旋绕管式换热器主要应用于空气分离、液化天然气等行业。近年来，随着石油化工、煤化工、液化天然气装置的大型化发展，螺旋绕管式换热器以其传热效率高、结构紧凑等优点得到了大量的使用。如，大型炼油装置的加氢反应器、PX装置的重整反应器后部的高压物料换热器、煤制甲醇装置中甲醇洗换热器、煤制乙二醇装置中反应器后换热器，均采用螺旋绕管式换热器以代替传统折流板式换热器、螺纹锁紧环式换热器、以及板壳式换热器，实现了耐高压、零泄漏的操作运行。因此，螺旋绕管式换热器在石油化工、煤化工等行业有着广泛的市场前景。

螺旋绕管式换热器热力工艺设计与制造关键技术复杂。近十年来，国内有相关企业采用仿造，研制了该类换热器，并得到了工业应用。该类换热器的工艺计算非常复杂，涉及有相变、无相变、单股流、多股流等传热过程。然而，到目前为止，国内还未有成熟的正向设计方法，特别是只是简单的仿造式逆向设计，无论从设计水平以及制造能力均未达到国际水平的核心竞争力。因此，螺旋绕管式换热器热力工艺设计技术的研发，在学术研究、工程应用、重大装备国产化等方面都具有重要的现实意义。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题是，提供了一种壳程沸腾的螺旋缠绕管式换热器的设计方法，其优点在于，该设计方法设正向设计，涉及缠绕管壳程沸腾领域，应用了精度高的换热系数计算公式，采用分段计算提高了计算控制精度。

本发明的技术方案是，一种壳程沸腾的螺旋缠绕管式换热器的设计方法，按照工质的泡点和露点，所述壳程分为液相段，沸腾段两部分，或者所述壳程分为液相段，沸腾段，气相段三部分，并且分别对相应分段进行设计计算，确定各段的换热系数、压降、换热量、换热面积和缠绕段轴向有效换热长度；

如果该螺旋缠绕管式换热器出口干度小于1，则整个螺旋缠绕管式换热器分为两个部分，分别为液相段和沸腾段；如果该螺旋缠绕管式换热器缠绕管出口干度等于1，则整个螺旋缠绕管式换热器分为液相段、沸腾段和气相段三个部分。

从壳程入口到流体工质的泡点温度为液相段，从流体工质的泡点温度到露点温度为沸腾段，从露点温度到壳程出口为气相段。

根据混合物分相模型和克拉贝隆方程等计算壳程工质的露点温度和泡点温度，根据泡点温度、露点温度、出口干度和出口温度等，将壳程分为两个三个部分，

壳程液相段设计算方法能有效而精确地计算出螺旋缠绕管式换热器壳程液相段的换热量、换热面积、有效换热长度等

需要进行迭代计算，借助于编程工具，将该壳程沸腾的螺旋缠绕管式换热器设计方法进行程序化，来实现迭代计算。

根据本发明的壳程沸腾的螺旋缠绕管式换热器的设计方法，优选的是，所述设计方法流程是，开始设计计算，第一，输入工质的物性参数；第二，输入设计的额定工况；第三，根据设计要求，给定结构参数；第四，按照工质的露点温度和泡点温度将壳程分为液相段、沸腾段和气相段三个部分，分别计算三部分对应的换热系数(h_L、h_TP(j)和h_G)；第五，根据热平衡，计算液相段的换热面积、换热量和泡点温度位置；第六，根据热平衡，计算沸腾段的换热面积、换热量和露点温度的位置；第七，根据热平衡，计算气相段的换热面积、换热量；第八，将液相段、气相段和沸腾段的换热量相加，核算总换热面积A_tot、总换热量Q_design、缠绕段总长度E、泡点温度位置和露点温度位置；第九，根据设计计算判定Q_design≥Q_load是否成立，若关系式不成立，重新布置结构，若关系式成立，进行下一步；第十，计算螺旋缠绕管式换热器管程压降和壳程压降，包括：管程压降ΔP_design,tube、壳程总压降ΔP_{design,shell,tot}、壳程液相段压降ΔP_design,L、壳程沸腾相段压降ΔP_design,TP、壳程气相段压降ΔP_design,G；第十一，根据设计计算判定ΔP_{load,shell,tot}≥ΔP_{design,shell,tot}和ΔP_load,tube≥ΔP_design,tube两个条件是否同时成立，若关系式不成立，重新布置结构，若关系式成立，输出结果。

进一步地，第一步所述的工质的物性参数包括工质的比热、导热率、密度、露点温度和泡点温度；第二步所述的设计的额定工况包括：热载荷Q_load、壳程允许压降ΔP_load,shell、管程允许压降ΔP_load,tube、换热裕量、面积余量；第三步所述的结构参数包括：1-筒体内径，D_B；2-芯筒外径，D_C；3-螺旋缠绕管外径，d_o；4-同一层缠绕管的管间距，S_L；5-缠绕角，ε；6-缠绕段总长度，E；7-内层缠绕直径，D_co,1；8-外层缠绕直径，D_co,2；9-螺旋缠绕管层间距，S_T；21-螺旋缠绕管外径，d_o；22-螺旋缠绕管内径，d_i；23-螺旋缠绕管的缠绕导程，P_m。

根据权利要求1所述的壳程沸腾的螺旋缠绕管式换热器的设计方法，优选的是，所述设计方法还包括缠绕管的布置方法。

缠绕管的布置方法，能最大限度的利用壳程空间，为液相段和沸腾段两部分(或液相段、沸腾段和气相段三部分)的设计计算方法提供了基础。

螺旋缠绕管式换热器的缠绕管布置方法，选用相同规格的缠绕管，不同层缠绕管的缠绕角ε相同，径向层间距H_T相同，不同层缠绕管的轴向管间距H_L,m相同，缠绕管管束中各层缠绕管的缠绕直径遵循等差数列；缠绕直径D_co、层间隙B_T、层数m和芯筒直径D_C的几何约束关系为：D_co,m＝D_C+2mB_T+(2m-1)d_o，m≤(D_B-D_C)/2S_T；径向层间距H_T和径向层间隙B_T、第m层的轴向管间距S_L,m和轴向管间隙B_L,m的数学表达式为：S_T＝d_o+B_T，S_L,m＝(d_o+B_L,m)/cos(ε)；每层缠绕管中，缠绕管数量n_m、缠绕角ε、缠绕直径D_co,m、缠绕导程P_m和轴向管间距S_L,m的几何约束条件为：缠绕段的轴向有效长度E和缠绕管缠绕段的总长度L_co的数学表达式为：/>其中，D_B为缠绕直径，D_C为芯筒直径，d_o为管子外径，B_L为同层的每两根缠绕管之间的间隙，S_T为第m层缠绕管与第m+1层缠绕管之间的间距，根据GB/T151,缠绕管的轴向管间距和径向层间距最少为管径的1.25倍；P_m为第m层缠绕管导程；n_m为第m层缠绕管的数量；d_o为缠绕管的外径；ε为缠绕管的缠绕角；N_m为第m层缠绕管的缠绕圈数；P_m为第m层缠绕管的导程；D_co,m第m层缠绕管的缠绕直径。

根据本发明的壳程沸腾的螺旋缠绕管式换热器的设计方法，优选的是，所述壳程液相段和气相段的换热系数计算方法均采用单相螺旋绕管式换热器壳程Gilli公式，液相段的换热系数计算方法为：：其中Re_L,eff＝(u_L,effd_o)/μ_L,Pr_L＝(c_Lμ_L)/λ_L；

式中，Re_L,eff：壳程液相单相流动的雷诺数；Pr_L：壳程液相的普朗特数；

气相段的换热系数计算方法为：其中Re_G,eff＝(u_G,effd_o)/μ_G,Pr_G＝(c_Gμ_G)/λ_G；

式中，Re_G,eff：壳程气相单相流动的雷诺数；Pr_G：壳程气相的普朗特数；

螺旋绕管式换热器壳程单相换热公式的适用范围为Re_L,eff(Re_G,eff)＝2000～10⁶，Pr_L(Pr_G)＝0.1～10；d_o为缠绕管外径；λ_L为螺旋缠绕管式换热器壳程液相段的导热系数,W·(m·K)^-1；λ_G为螺旋缠绕管式换热器壳程气相段的导热系数，W·(m·K)^-1；u_L,eff为液相段的有效流速；u_G,eff为气相段的有效流速；μ_L为缠绕管式换热壳程液相段的粘度，Pa·s^-1；μ_G为缠绕管式换热壳程气相段的粘度，Pa·s^-1；c_L为缠绕管式换热壳程液相段的比热，J·(kg·K)^-1；c_G为螺旋绕管式换热器壳程气相段的比热，J·(kg·K)^-1；F_i为缠绕角修正系数；F_n为管排布置修正系数；为缠绕管管束的有效管子布置修正系数；

壳程沸腾段的换热系数h_TP的计算方法是：h_L为沸腾段为纯液相流动时的换热系数，/>纯液相流动雷诺数的计算方法是：X为Martinelli数，x为干度；

沸腾段中气相流动时，换热系数同纯液相流动时候的计算，沸腾段中气相流动的雷诺数的计算方法是：

根据混合物分相模型和克拉贝隆方程计算相应子分段温度下的气液相平衡，计算得到各个子分段的干度值，判断各个子分段选用哪个计算式。

进一步地，

Re_LO＜1 000，Re_VO＜1 000时，Martinelli数的计算方法为：

Re_LO＜1 000，Re_VO＞2 000时，Martinelli数的计算方法为：

Re_LO＞2 000，Re_VO＜1 000时，Martinelli数的计算方法为：

Re_LO＞2 000，Re_VO＞2 000时，Martinelli数的计算方法为：x为干度。

式中，ρ_VO为壳程气相密度；ρ_LO为壳程液相密度；μ_VO为壳程气相动力粘度；μ_LO为壳程液相动力粘度。

根据混合物分相模型和克拉贝隆方程计算相应子分段温度下的气液相平衡，计算得到各个子分段的干度值，判断各个子分段选用哪个计算式。

根据本发明的壳程沸腾的螺旋缠绕管式换热器的设计方法，优选的是，

缠绕管管内没有相变，液相段的加权平均换热系数的计算方法如下：

气相段换热系数的计算方法如下：

液相段、沸腾段和气相段的总换热系数的计算方法有所不同；螺旋缠绕管式换热器的缠绕管从内层到外层的换热系数大小不同，不同层缠绕管数量也不同。

所述液相段换热量的计算方法为：ΔH_L＝H_B-H_in＝mc_co,LΔT_co,L＝K_LA_LΔT_ln,L

气相段换热量的计算方法为：ΔH_G＝H_out-H_D＝mc_co,GΔT_co,G＝K_GA_GΔT_ln,G。

液相段和气相段的根据壳程各个温度分界点(露点、泡点、沸腾段的各个温度分界点)的焓值变化和热量平衡，确定该螺旋缠绕管式换热器的壳程液相段和气相段的换热量的计算方法。

根据本发明的壳程沸腾的螺旋缠绕管式换热器的设计方法，优选的是，

沸腾段存在相变，沸腾段采用分段设计计算方法，将沸腾段按照温度和焓值的变化分成若干子段，沸腾段换热量的计算方法：ΔH_TP＝H_D-H_B＝mc_co,TPΔT_co,TP＝∑ΔH_TP(j)；

沸腾段中的每一子分段的热量计算方法为：

ΔH_TP(j)＝H_TP(j+1)-H_TP(j)＝mc_co,TPΔT_co,TP(j)＝K_TP(j)A_TP(j)ΔT_ln,TP(j)；

沸腾段管程的加权平均换热系数的计算方法为：

沸腾段的总换热系数的计算方法为：

H_B为泡点温度所对应的焓值，H_D为露点温度所对应的焓值，H_in为进口温度对应的焓值，H_out为出口温度对应的焓值，ΔH_L为液相段对应的焓变，ΔH_G为气相段对应的焓变，ΔH_TP为沸腾段对应的焓变，ΔH_TP(j)为沸腾段中的每一子分段焓变，H_TP(j)为沸腾段中各个温度分界点的焓值。

根据本发明的壳程沸腾的螺旋缠绕管式换热器的设计方法，优选的是，

液相段、沸腾段和气相段的换热面积的计算方法依次为：

A_L＝ΔH_L/(K_L·ΔT_ln,L)

A_G＝ΔH_G/(K_G·ΔT_ln,G)

A_TP,tot＝∑A_TP(j)＝ΔH_TP(j)/[K_TP(j)·ΔT_ln,TP(j)]

A_L为液相段的换热面积；A_G为气相段的换热面积；A_TP,tot为沸腾段的总换热面积；A_TP(j)为沸腾段中每一子分段的换热面积。

优选的是，缠绕管布置方法是，选用相同规格的缠绕管，不同层缠绕管的缠绕角ε相同，径向层间距H_T相同，不同层缠绕管的轴向管间距H_L,m相同，缠绕管管束中各层缠绕管的缠绕直径遵循等差数列；缠绕直径D_co,m、层间隙B_T、层数m和芯筒外径D_C的几何约束关系是：D_co,m＝D_C+2mB_T+(2m-1)d_o，m≤(D_B-D_C)/2S_T；

径向层间距H_T和径向层间隙B_T、第m层的轴向管间距S_L,m和轴向管间隙B_L,m的数学表达式是：S_T＝d_o+B_T，S_L,m＝(d_o+B_L,m)/cos(ε)；

每层缠绕管中，缠绕管数量n_m、缠绕角ε、第m层缠绕管的缠绕直径D_co,m、缠绕导程P_m和轴向管间距S_L,m的几何约束条件是：

缠绕段的轴向有效换热长度E和第m层缠绕管缠绕段的总长度L_co,m的数学表达式为：E＝N·P_m,

其中，D_B为筒体内径，D_C为芯筒外径，d_o为管子外径，B_L为同层的每两根缠绕管之间的间隙，S_T为第m层缠绕管与第m+1层缠绕管之间的间距；P_m为第m层缠绕管导程；n_m为第m层缠绕管的数量；d_o为缠绕管的外径；ε为缠绕管的缠绕角；N_m为第m层缠绕管的缠绕圈数；P_m为第m层缠绕管的导程；D_co,m第m层缠绕管的缠绕直径。

本发明提供了一种壳程沸腾的螺旋缠绕管式换热器的设计方法，该设计方法提供了一种缠绕管的布置方法，能最大限度的利用壳程空间；其次，按照工质的泡点和露点，该设计方法将壳程分为液相段和沸腾段两部分(或液相段、沸腾段和气相段三部分)，并且分别对该液相段和沸腾段两部分(或液相段、沸腾段和气相段三部分)进行设计计算；液相段采用单相对流传热计算方法，确定液相段的换热面积、换热量、有效长度等；沸腾段的设计方法采用有限分段计算方法，按照工质从泡点到露点的气液相平衡原理，将沸腾段分为若干段，分别计算各个分段中对应的干度；按照各个分段中的热平衡原理，计算各个子分段的长度，确定沸腾段的换热面积、换热量、有效长度等；气相段采用单相对流传热计算方法，确定气相段的换热面积、换热量、有效长度等；该螺旋缠绕管式换热器的设计方法有计算精度高、设计方法完备、计算效率高等特点，具有高度的商业价值和市场推广价值。

附图说明

图1为螺旋缠绕管式换热器结构示意图(两层缠绕管)；

图2是图1A-A向视图。

图3是图1B-B向视图。

图4为螺旋缠绕管结构示意图。

图5为图4的侧视图。

图6为壳程沸腾螺旋缠绕管式换热器壳程分成液相段、沸腾段和气相段三部分示意图.

图7为沸腾段的子分段计算区域示意图。

图8为壳程沸腾螺旋缠绕管式换热器的设计流程图。

图中，1-筒体内径，D_B；2-芯筒外径，D_C；3-螺旋缠绕管外径，d_o；4-同一层缠绕管的管间距，S_L；5-缠绕角，ε；6-缠绕段总长度，E；7-内层缠绕直径，D_co,1；8-外层缠绕直径，D_co,2；9-螺旋缠绕管层间距，S_T；21-螺旋缠绕管外径，d_o；22-螺旋缠绕管内径，d_i；23-螺旋缠绕管的缠绕导程，P_m；31-管程出口；32-管程和壳程之间的间壁；33-壳程进口；34-壳程液相段；35-泡点温度位置点；36-壳程沸腾段；37-露点温度位置点；38-壳程气相段；39-壳程出口；40-管程进口。

具体实施方式

一种壳程沸腾的螺旋缠绕管式换热器的设计方法中，根据缠绕管的结构特点，缠绕管及其管束存在一定的几何约束关系，该设计方法以此几何约束关系为基础，提供了螺旋缠绕管式换热器的缠绕管布置方法，选用相同规格的缠绕管，不同层缠绕管的缠绕角ε相同，径向层间距H_T相同，不同层缠绕管的轴向管间距H_L,m相同，缠绕管管束中各层缠绕管的缠绕直径遵循等差数列；缠绕直径D_co,m、层间隙B_T、层数m和芯筒外径D_C的几何约束关系如式(1)所示；，径向层间距H_T和径向层间隙B_T、第m层的轴向管间距S_L,m和轴向管间隙B_L,m的数学表达式如式(2)所示；每层缠绕管中，缠绕管数量n_m、缠绕角ε、第m层缠绕管的缠绕直径D_co,m、缠绕导程P_m和轴向管间距S_L,m的几何约束条件如式(3)所示；缠绕段的轴向有效换热长度E和第m层缠绕管缠绕段的总长度L_co,m的数学表达式如式(4)所示；其中，D_B为筒体内径，D_C为芯筒外径，d_o为管子外径，B_L为同层的每两根缠绕管之间的间隙，S_T为第m层缠绕管与第m+1层缠绕管之间的间距，根据GB/T151,缠绕管的轴向管间距和径向层间距最少为管径的1.25倍；P_m为第m层缠绕管导程；n_m为第m层缠绕管的数量；d_o为缠绕管的外径；ε为缠绕管的缠绕角；N_m为第m层缠绕管的缠绕圈数；P_m为第m层缠绕管的导程；D_co,m第m层缠绕管的缠绕直径。

D_co,m＝D_C+2mB_T+(2m-1)d_o，m≤(D_B-D_C)/2S_T (1)

S_T＝d_o+B_T，S_L,m＝(d_o+B_L,m)/cos(ε) (2)

一种壳程沸腾的螺旋缠绕管式换热器的设计方法中，根据混合物分相模型和克拉贝隆方程等计算壳程工质的露点温度和泡点温度，根据泡点温度、露点温度、出口干度和出口温度等，将壳程分为两个三个部分，如果出口段干度小于1，则整个螺旋缠绕管式换热器分为两个部分，分别为液相段和沸腾段；如果出口干度等于1，则整个螺旋缠绕管式换热器分为液相段、沸腾段和气相段三个部分；从壳程入口到流体工质的泡点温度为液相段，从流体工质的泡点温度到露点温度为沸腾段，从露点温度到壳程出口为气相段；壳程液相段和气相段的换热系数计算方法均采用单相螺旋绕管式换热器壳程Gilli公式，液相段的换热系数计算方法如式(5)所示，气相段的换热系数计算方法如式(7)所示；螺旋绕管式换热器壳程单相换热公式的适用范围为Re_L,eff(Re_G,eff)＝2000～10⁶，Pr_L(Pr_G)＝0.1～10；d_o为缠绕管外径；λ_L为螺旋缠绕管式换热器壳程液相段的导热系数,W·(m·K)^-1；λ_G为螺旋缠绕管式换热器壳程气相段的导热系数，W·(m·K)^-1；u_L,eff为液相段的有效流速；u_G,eff为气相段的有效流速；μ_L为缠绕管式换热壳程液相段的粘度，Pa·s^-1；μ_G为缠绕管式换热壳程气相段的粘度，Pa·s^-1；c_L为缠绕管式换热壳程液相段的比热，J·(kg·K)^-1；c_G为螺旋绕管式换热器壳程气相段的比热，J·(kg·K)^-1；F_i为缠绕角修正系数；F_n为管排布置修正系数；为缠绕管管束的有效管子布置修正系数。

Re_L,eff＝(u_L,effd_o)/μ_L,Pr＝(c_Lμ_L)/λ_L (6)

Re_G,eff＝(u_G,effd_o)/μ_G,Pr＝(c_Gμ_G)/λ_G (8)

一种壳程沸腾的螺旋缠绕管式换热器的设计方法中，其核心设计计算方法为壳程沸腾段的换热系数、换热面积、换热量、压降等的计算方法。其中，壳程沸腾段的换热系数的h_TP计算方法如式(9)所示。

一种壳程沸腾的螺旋缠绕管式换热器的设计方法中，h_L为沸腾段为纯液相流动时的换热系数，计算方法同式(5)相同；然而，雷诺数的计算方法却不同，纯液相流动的雷诺数的计算方法如式(11)所示。

一种壳程沸腾的螺旋缠绕管式换热器的设计方法中，X为Martinelli数。首先，计算混合相中气相和液相的雷诺数，沸腾段中液相流动的雷诺数的计算方法如式(11)所示；沸腾段中气相流动的雷诺数的计算方法如式(10)所示；其次，根据液相流动的雷诺数Re_LO和气相流动的雷诺数Re_VO的范围，Martinelli数的计算方法有相应的公式，Re_LO＜1 000，Re_VO＜1 000时，Martinelli数的计算方法如式(12)所示；Re_LO＜1 000，Re_VO＞2 000时，Martinelli数的计算方法如式(13)所示；Re_LO＞2 000，Re_VO＜1 000时，Martinelli数的计算方法如公式(14)所示；Re_LO＞2 000，Re_VO＞2 000时，Martinelli数的计算方法如式(15)所示；式(12)～(15)中，x为干度，根据混合物分相模型和克拉贝隆方程计算相应子分段温度下的气液相平衡，计算得到各个子分段的干度值，判断各个子分段选用哪个计算式。

一种壳程沸腾的螺旋缠绕管式换热器设计方法中，管程的流体工质为高温高压液体，管程不存在相变；定义缠绕管内层流和湍流分界的临界雷诺数，临界雷诺数Re_cr的计算方法如式(16)所示，δ＝d_i/D_co，d_i为缠绕管内径，D_co为缠绕管的缠绕直径。管程的雷诺数的计算如式(17)所示。

Re_cr＝2300(1+8.6δ^0.45) (16)

一种壳程沸腾的螺旋缠绕管式换热器设计方法中，管程的流动状态根据临界雷诺数分为三个计算区间，每一区间都有相对应的计算公式；当100≤Re_co≤Re_cr时，管程换热系数的计算方法如式(18)所示；当Re_cr＜Re_co≤22000时，管程换热系数的计算方法如式(19)所示；当Re_cr＜Re_co≤22000时，管程换热系数的计算方法如式(20)所示。

一种壳程沸腾的螺旋缠绕管式换热器设计方法中，液相段、沸腾段和气相段的总换热系数的计算方法有所不同；螺旋缠绕管式换热器的缠绕管从内层到外层的换热系数大小不同，不同层缠绕管数量也不同；缠绕管管内没有相变，液相段的加权平均换热系数的计算方法如式(21)～(22)所示；气相段换热系数的计算方法如式(23)～(24)所示。

一种壳程沸腾的螺旋缠绕管式换热器设计方法中，液相段和气相段的根据壳程各个温度分界点(露点、泡点、沸腾段的各个温度分界点)的焓值变化和热量平衡，确定该螺旋缠绕管式换热器的壳程液相段和气相段的换热量的计算方法；液相段换热量的计算方法如式(25)所示；气相段换热量的计算方法如式(26)所示。

ΔH_L＝H_B-H_in＝mc_co,LΔT_co,L＝K_LA_LΔT_ln,L (25)

ΔH_G＝H_out-H_D＝mc_co,GΔT_co,G＝K_GA_GΔT_ln,G (26)

一种壳程沸腾的螺旋缠绕管式换热器设计方法中，沸腾段存在相变，沸腾段采用分段设计计算方法，将沸腾段按照温度和焓值的变化分成若干子段，沸腾段换热量的计算方法如式(27)所示，沸腾段中的每一子分段的热量计算方法如式(28)所示；沸腾段管程的加权平均换热系数的计算方法如式(29)所示；沸腾段的总换热系数的计算方法如式(30)所示；H_B为泡点温度所对应的焓值，H_D为露点温度所对应的焓值，H_in为进口温度对应的焓值，H_out为出口温度对应的焓值，ΔH_L为液相段对应的焓变，ΔH_G为气相段对应的焓变，ΔH_TP为沸腾段对应的焓变，ΔH_TP(j)为沸腾段中的每一子分段焓变，H_TP(j)为沸腾段中各个温度分界点的焓值。

ΔH_TP＝H_D-H_B＝mc_co,TPΔT_co,TP＝∑ΔH_TP(j) (27)

ΔH_TP(j)＝H_TP(j+1)-H_TP(j)＝mc_co,TPΔT_co,TP(j)＝K_TP(j)A_TP(j)ΔT_ln,TP(j) (28)

一种壳程沸腾的螺旋缠绕管式换热器设计方法中，液相段、沸腾段和气相段的换热面积的计算方法如式(31)～(33)所示；A_L为液相段的换热面积；A_G为气相段的换热面积；A_TP,tot为沸腾段的总换热面积；A_TP(j)为沸腾段中每一子分段的换热面积。

A_L＝ΔH_L/(K_L·ΔT_ln,L) (31)

A_G＝ΔH_G/(K_G·ΔT_ln,G) (32)

A_TP,tot＝∑A_TP(j)＝ΔH_TP(j)/[K_TP(j)·ΔT_ln,TP(j)] (33)

一种壳程沸腾的螺旋缠绕管式换热器设计方法中，壳程流体的流动分为液相段、沸腾段和气相段三部分，液相段和气相段的单相流动压降计算公式如式(34)和式(35)所示；其中，适用范围：Re＝2000～10⁶,Pr＝0.1～10；U_L,eff(U_G,eff)为壳程有效流速；G_L,eff(G_G,eff)为有效质量流量；C_i：缠绕角修正系数；C_n：管排布置修正系数；为有效管子布置修正系数；N_a为流动方向上的管排数；n为流动方向上的缠绕管数量；N_n为缠绕管的管缠绕圈数)。

一种壳程沸腾的螺旋缠绕管式换热器设计方法中，两相流(液相和气相同时存在)总压降的数学表达式如式(37)所示；净水压头ΔP_s的计算如式(38)所示；动压头ΔP_m的计算如式(39)所示；其中，θ为倾角；x为干度；ρ_VO为气相密度；ρ_LO为液相密度；G_t为流体总的面积质量流量；u_LO为液相的速度；u_VO为气相速度。

ΔP_tp＝ΔP_tp,s+ΔP_tp,m+ΔP_tp,f (37)

ΔP_tp,s＝ρ_tpgΔL(sinθ) (38)

ΔP_tp,m＝G_t{[(1-x)u_LO+xu_VO]_out-[(1-x)u_LO+xu_VO]_in} (39)

ρ_tp＝xρ_VO+(1-x)ρ_LO，u_LO＝(1-x)G_t/ρ_LO，u_VO＝xG_t/ρ_LO (40)

一种壳程沸腾的螺旋缠绕管式换热器设计方法中，摩擦压降ΔP_f的计算方法如式(41)～(44)所示；其中，w为阻力系数计算式中的指数，取为0.25。B为经验系数，其取值与面积质量流量G_t和系数Y相关。

一种壳程沸腾的螺旋缠绕管式换热器设计方法中，壳程总压降ΔP_shell,tot的计算方法如式(45)所示。

ΔP_shell,tot＝ΔP_L+ΔP_G+ΔP_TP (45)

一种壳程沸腾的螺旋缠绕管式换热器设计方法中，管程流体没有相变，管程压降的计算方法如式(46)所示，压降的计算主要在于阻力系数的计算；管程的流动状态根据临界雷诺数分为三个计算区间，每一区间的阻力系数都有相对应的计算公式；当100≤Re_co≤Re_cr时，管程换热系数的计算方法如式(47)所示；当Re_cr＜Re_co≤22000时，管程换热系数的计算方法如式(48)所示；当Re_cr＜Re_co≤22000时，管程换热系数的计算方法如式(49)所示。

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一种壳程沸腾的螺旋缠绕管式换热器设计方法中，设计方法的具体实现需要进行迭代计算，借助于编程工具，将该壳程沸腾的螺旋缠绕管式换热器设计方法进行程序化，来实现迭代计算。

一种壳程沸腾的螺旋缠绕管式换热器设计方法主要包括壳程沸腾的螺旋缠绕管式换热器的液相段、沸腾段和气相段的换热系数、换热量、换热面积和压降的设计计算；借助于编程工具，将该壳程沸腾的螺旋缠绕管式换热器设计方法进行程序化，来实现壳程沸腾的螺旋缠绕管式换热器设计计算。

本发明所涉及的一种壳程沸腾的螺旋缠绕管式换热器设计方法的设计流程图如图8所示；开始设计计算，第一，输入工质的物性参数，包括工质的比热、导热率、密度、露点温度和泡点温度等等；第二，输入设计的额定工况，包括：热载荷Q_load、壳程允许压降ΔP_load,shell、管程允许压降ΔP_load,tube、换热裕量、面积余量等等；第三，根据设计要求，按照式(1)～式(4)的几何约束关系，给定初步的结构，包括：1-筒体内径，D_B；2-芯筒外径，D_C；3-螺旋缠绕管外径，d_o；4-同一层缠绕管的管间距，S_L；5-缠绕角，ε；6-缠绕段总长度，E；7-内层缠绕直径，D_co,1；8-外层缠绕直径，D_co,2；9-螺旋缠绕管层间距，S_T；21-螺旋缠绕管外径，d_o；22-螺旋缠绕管内径，d_i；23-螺旋缠绕管的缠绕导程，P_m；第四，按照工质的露点温度和泡点温度将壳程分为液相段、沸腾段和气相段三个部分，分别计算三部分对应的换热系数(h_L、h_TP(j)和h_G)；第五，根据热平衡，计算液相段的换热面积、换热量和泡点温度位置；第六，根据热平衡，计算沸腾段的换热面积、换热量和露点温度的位置；第七，根据热平衡，计算气相段的换热面积、换热量；第八，将液相段、气相段和沸腾段的换热量相加，核算总换热面积A_tot、总换热量Q_design、缠绕段总长度E、泡点温度位置和露点温度位置；第九，根据设计计算判定Q_design≥Q_load是否成立，若关系式不成立，重新布置结构，若关系式成立，进行下一步；第十，计算螺旋缠绕管式换热器管程压降和壳程压降，包括：管程压降ΔP_design,tube、壳程总压降ΔP_{design,shell,tot}、壳程液相段压降ΔP_design,L、壳程沸腾相段压降ΔP_design,TP、壳程气相段压降ΔP_design,G；第十一，根据设计计算判定ΔP_{load,shell,tot}≥ΔP_{design,shell,tot}和ΔP_load,tube≥ΔP_design,tube两个条件是否同时成立，若关系式不成立，重新布置结构，若关系式成立，输出结果。

下表为制冷剂R-134a在缠绕管内被热水加热至沸腾的算例，其中R-134a在壳程流动，热水在管内流动，其设计工况和物性如表1所示，通过本发明的设计方法及公式的计算结果如表2所示。

表1.绕管换热器内物性和工质的设计工况

表.2.绕管换热器计算结果

本发明所涉及的一种壳程沸腾的螺旋缠绕管式换热器设计方法中，按照工质从泡点到露点的气液相平衡原理，将沸腾段分为若干段，分别计算各个分段中对应的干度；按照各个分段中的热平衡原理，计算各个子分段的长度，确定沸腾段的换热面积、换热量、有效长度等；气相段采用单相对流传热计算方法，确定气相段的换热面积、换热量、有效长度等；该螺旋缠绕管式换热器的设计方法有计算精度高、设计方法完备、计算效率高等特点，具有高度的商业价值和市场推广价值。

Claims (4)

1.一种壳程沸腾的螺旋缠绕管式换热器的设计方法，其特征在于：按照工质的泡点和露点，所述壳程分为液相段，沸腾段两部分，或者所述壳程分为液相段，沸腾段，气相段三部分，并且分别对相应分段进行设计计算，确定各段的换热系数、压降、换热量、换热面积和缠绕段轴向有效换热长度；

如果该螺旋缠绕管式换热器出口干度小于1，则整个螺旋缠绕管式换热器分为两个部分，分别为液相段和沸腾段；如果该螺旋缠绕管式换热器缠绕管出口干度等于1，则整个螺旋缠绕管式换热器分为液相段、沸腾段和气相段三个部分；

所述壳程液相段和气相段的换热系数计算方法均采用单相螺旋绕管式换热器壳程Gilli公式，液相段的换热系数计算方法为：其中Re_L,eff＝(u_L,effdo)/μ_L,Pr_L＝(c_Lμ_L)/λ_L；

式中，Re_L,eff：壳程液相单相流动的雷诺数；Pr_L：壳程液相的普朗特数；

气相段的换热系数计算方法为：其中Re_G,eff＝(u_G,effd_o)/μ_G,Pr_G＝(c_Gμ_G)/λ_G；

式中，Re_G,eff：壳程气相单相流动的雷诺数；Pr_G：壳程气相的普朗特数；

螺旋绕管式换热器壳程单相换热公式的适用范围为Re_L,eff(Re_G,eff)＝2000～10⁶，Pr_L(Pr_G)＝0.1～10；d_o为缠绕管外径；λ_L为螺旋缠绕管式换热器壳程液相段的导热系数,W·(m·K)^-1；λ_G为螺旋缠绕管式换热器壳程气相段的导热系数，W·(m·K)^-1；u_L,eff为液相段的有效流速；u_G,eff为气相段的有效流速；μ_L为缠绕管式换热壳程液相段的粘度，Pa·s^-1；μ_G为缠绕管式换热壳程气相段的粘度，Pa·s^-1；c_L为缠绕管式换热壳程液相段的比热，J·(kg·K)^-1；c_G为螺旋绕管式换热器壳程气相段的比热，J·(kg·K)^-1；F_i为缠绕角修正系数；F_n为管排布置修正系数；为缠绕管管束的有效管子布置修正系数；

壳程沸腾段的换热系数h_TP的计算方法是：h_L为沸腾段为纯液相流动时的换热系数，/>纯液相流动雷诺数的计算方法是：X为Martinelli数，x为干度；

沸腾段中气相流动时，换热系数同纯液相流动时候的计算，沸腾段中气相流动的雷诺数的计算方法是：

Re_LO＜1000，Re_VO＜1000时，Martinelli数的计算方法为：

Re_LO＜1000，Re_VO＞2000时，Martinelli数的计算方法为：

Re_LO＞2000，Re_VO＜1000时，Martinelli数的计算方法为：

Re_LO＞2000，Re_VO＞2000时，Martinelli数的计算方法为：x为干度；

式中，ρ_VO为壳程气相密度；ρ_LO为壳程液相密度；μ_VO为壳程气相动力粘度；μ_LO为壳程液相动力粘度；

缠绕管管内没有相变，液相段的加权平均换热系数的计算方法如下：

气相段换热系数的计算方法如下：

所述液相段换热量的计算方法为：ΔH_L＝H_B-H_in＝mc_co,LΔT_co,L＝K_LA_LΔT_ln,L

气相段换热量的计算方法为：ΔH_G＝H_out-H_D＝mc_co,GΔT_co,G＝K_GA_GΔT_ln,G；

沸腾段存在相变，沸腾段采用分段设计计算方法，将沸腾段按照温度和焓值的变化分成若干子段，沸腾段换热量的计算方法：ΔH_TP＝H_D-H_B＝mc_co,TPΔT_co,TP＝∑ΔH_TP(j)；

沸腾段中的每一子分段的热量计算方法为：

ΔH_TP(j)＝H_TP(j+1)-H_TP(j)＝mc_co,TPΔT_co,TP(j)＝K_TP(j)A_TP(j)ΔT_ln,TP(j)；

沸腾段管程的加权平均换热系数的计算方法为：

沸腾段的总换热系数的计算方法为：

H_B为泡点温度所对应的焓值，H_D为露点温度所对应的焓值，H_in为进口温度对应的焓值，H_out为出口温度对应的焓值，ΔH_L为液相段对应的焓变，ΔH_G为气相段对应的焓变，ΔH_TP为沸腾段对应的焓变，ΔH_TP(j)为沸腾段中的每一子分段焓变，H_TP(j)为沸腾段中各个温度分界点的焓值；

所述设计方法还包括缠绕管的布置方法：

选用相同规格的缠绕管，不同层缠绕管的缠绕角ε相同，径向层间距H_T相同，不同层缠绕管的轴向管间距H_L,m相同，缠绕管管束中各层缠绕管的缠绕直径遵循等差数列；缠绕直径D_co,m、层间隙B_T、层数m和芯筒外径D_C的几何约束关系是：D_co,m＝D_C+2mB_T+(2m-1)d_o，m≤(D_B-D_C)/2S_T；

径向层间距H_T和径向层间隙B_T、第m层的轴向管间距S_L,m和轴向管间隙B_L,m的数学表达式是：S_T＝d_o+B_T，S_L,m＝(d_o+B_L,m)/cos(ε)；

每层缠绕管中，缠绕管数量n_m、缠绕角ε、第m层缠绕管的缠绕直径D_co,m、缠绕导程P_m和轴向管间距S_L,m的几何约束条件是：

缠绕段的轴向有效换热长度E和第m层缠绕管缠绕段的总长度L_co,m的数学表达式为：E＝N·P_m,

其中，D_B为筒体内径，D_C为芯筒外径，d_o为管子外径，B_L为同层的每两根缠绕管之间的间隙，S_T为第m层缠绕管与第m+1层缠绕管之间的间距；P_m为第m层缠绕管导程；n_m为第m层缠绕管的数量；d_o为缠绕管的外径；ε为缠绕管的缠绕角；N_m为第m层缠绕管的缠绕圈数；P_m为第m层缠绕管的导程；D_co,m第m层缠绕管的缠绕直径。

2.根据权利要求1所述的壳程沸腾的螺旋缠绕管式换热器的设计方法，其特征在于：所述设计方法流程是，开始设计计算，第一，输入工质的物性参数；第二，输入设计的额定工况；第三，根据设计要求，给定结构参数；第四，按照工质的露点温度和泡点温度将壳程分为液相段、沸腾段和气相段三个部分，分别计算三部分对应的换热系数(h_L、h_TP(j)和h_G)；第五，根据热平衡，计算液相段的换热面积、换热量和泡点温度位置；第六，根据热平衡，计算沸腾段的换热面积、换热量和露点温度的位置；第七，根据热平衡，计算气相段的换热面积、换热量；第八，将液相段、气相段和沸腾段的换热量相加，核算总换热面积A_tot、总换热量Q_design、缠绕段总长度E、泡点温度位置和露点温度位置；第九，根据设计计算判定Q_design≥Q_load是否成立，若关系式不成立，重新布置结构，若关系式成立，进行下一步；第十，计算螺旋缠绕管式换热器管程压降和壳程压降，包括：管程压降ΔP_design,tube、壳程总压降ΔP_{design,shell,tot}、壳程液相段压降ΔP_design,L、壳程沸腾相段压降ΔP_design,TP、壳程气相段压降ΔP_design,G；第十一，根据设计计算判定ΔP_{load,shell,tot}≥ΔP_{design,shell,tot}和ΔP_load,tube≥ΔP_design,tube两个条件是否同时成立，若关系式不成立，重新布置结构，若关系式成立，输出结果。

3.根据权利要求2所述的壳程沸腾的螺旋缠绕管式换热器的设计方法，其特征在于：第一步所述的工质的物性参数包括工质的比热、导热率、密度、露点温度和泡点温度；第二步所述的设计的额定工况包括：热载荷Q_load、壳程允许压降ΔP_load,shell、管程允许压降ΔP_load,tube、换热裕量、面积余量；第三步所述的结构参数包括：筒体内径，D_B；芯筒外径，D_C；同一层缠绕管的管间距，S_L；缠绕角，ε；缠绕段总长度，E；内层缠绕直径，D_co,1；外层缠绕直径，D_co,2；螺旋缠绕管层间距，S_T；螺旋缠绕管外径，d_o；螺旋缠绕管内径，d_i；螺旋缠绕管的缠绕导程，P_m。

4.根据权利要求1所述的壳程沸腾的螺旋缠绕管式换热器的设计方法，其特征在于：液相段、沸腾段和气相段的换热面积的计算方法依次为：

A_L＝ΔH_L/(K_L·ΔT_ln,L)

A_G＝ΔH_G/(K_G·ΔT_ln,G)

A_TP,tot＝ΣA_TP(j)＝ΔH_TP(j)/[K_TP(j)·ΔT_ln,TP(j)]

A_L为液相段的换热面积；A_G为气相段的换热面积；A_TP,tot为沸腾段的总换热面积；A_TP(j)为沸腾段中每一子分段的换热面积。