CN113378404B - 一种换热器用分段热工计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明所涉及的换热器冷热侧介质流动形式为顺流或拟流,介质的物性随压力和温度的变化存在较大差异。针对上述换热器,本发明的技术方案是提供了一种换热器用分段热工计算方法,其特征在于,包括以下步骤:初步布置换热器冷热侧介质的流动结构形式参数;根据给定热平衡参数,按照热平衡计算式求出冷热侧进出口温度中待定的温度;进行第1段换热器至第N段换热器的设计计算。本发明可以应用于介质随温度和压力变化范围较大的换热器热工设计过程,属于一种全新的分段计算方法,运用该方法,换热器的设计精度将会大大提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种换热器分段热工计算方法,用于计算介质物性随压力和温度变化比较剧烈的换热过程设计,属于换热器传热研究领域。
背景技术
目前针对于换热器的总体设计方法主要是对数平均温差法(出自杨世铭、陶文铨编著的《传热学》第四版),该方法的主要步骤如下:
步骤(1):初步布置换热器的布管结构参数(包括换热管规格和数量、节距、壳程流动形式等),计算相应的传热系数K。
步骤(2):根据给定热平衡参数,按照热平衡计算式求出冷热侧进出口温度中待定的温度。
步骤(3):由冷热侧介质的4个进出口温度确定总体对数平均温差Δtm,计算时注意保持修正系数Ψ具有合适的数值。
步骤(4):由传热方程式Q=KAΔtm计算换热器所需的换热面积A,并核算冷热侧的流体阻力是否满足设计要求,式中,Q为换热器的总换热量。
步骤(5):如果冷热侧流动阻力过大,则需重新布置换热器的布管结构参数,从步骤(1)开始重新计算。
使用对数平均法需满足两个前提:第一)传热系数在整个换热面上不变;第二)冷热侧介质的比热在整个换热面上不变。当冷热侧介质的物性如密度、比热、导热系数和动力粘度等随温度的上升/下降变化较大时,该方法便不再适用。
史美中、王中铮编著的《热交换器原理与设计》中提到一种分段计算方法,该方法属于一种分段计算方法,仅适用于介质的比热随温度变化的情况。具体步骤如下:
步骤(1):初步布置换热器的布管结构参数(包括换热管规格和数量、节距、壳程流动形式等)。
步骤(2):在已知冷热侧介质的比热随温度的变化关系时,换热器的换热过程用图1表示。
步骤(3):将Q-t曲线分段,每段可以近似取为直线关系,计算出各个小段的换热量ΔQi。
步骤(4):按具体情况用对数平均的方法或算数平均的方法求出各段的平均温差Δti。
步骤(5):分别计算各段冷热侧的定性温度,查询各段管壳程介质的物性,如:密度、比热、导热系数和动力粘度等。
步骤(6):根据传热计算公式,分别计算冷热侧的换热系数,汇总得到每个小段的总体换热系数ΔKi。
步骤(7):由各段的传热方程式Qi=KiAiΔti计算换热器所需的换热面积Ai,将各段的换热面积汇总得到换热器的总体换热面积,并核算冷热侧的流体阻力是否满足设计要求。
步骤(8)如果冷热侧流动阻力过大,则需重新布置换热器的布管结构参数,从步骤(1)开始重新计算。
发明内容
本发明的目的是:针对以随温度和压力变化较大的物性为换热介质的换热器提出一种分段计算方法。
为了达到上述目的,本发明的技术方案是提供了一种换热器用分段热工计算方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1、初步布置换热器冷热侧介质的流动结构形式参数;
步骤2、根据给定热平衡参数,按照热平衡计算式求出冷热侧进出口温度中待定的温度;
步骤3、将换热器从热侧进口或冷侧出口开始分为N段,每段的换热量相同,则第i段换热器的换热量Qi=Q/N,其中,i=1,…,N,Q为换热器的总换热量;从第1段换热器开始,热侧各段进出口的温度值分别为T0至TN,冷侧各段进出口的温度值分别为t0至tN;
步骤4、从热侧进口第1段换热器开始进行换热计算,将第1段换热器热侧介质的定性压力看作热侧进口压力P0,将第1段换热器冷侧介质的定性压力初定为pN,则第1段换热器热侧介质的定性温度看作热侧进口温度T0,第1段换热器冷侧介质的定性温度看作冷侧出口温度tN;
步骤5、根据第1段换热器冷热侧介质的定性压力和温度,分别求取冷热侧介质的比定压热容,再根据各段的换热量Qi,求出第1段换热器冷侧介质的进口温度tN-1和热侧介质的进口温度T1;
步骤6、求出第1段换热器冷热侧介质的平均温差Δt1;
步骤7、根据第1段换热器冷热侧介质的定性压力和温度,求取各侧的物性,依据换热器冷热侧介质质量流量和流动结构形式参数,分别计算冷热侧介质的Re和Pr,Re表示冷热介质流动雷诺数,Pr表示冷热侧介质普朗特数;并运用相应的换热计算公式分别计算第1段换热器冷热侧介质的换热系数,综合考虑第1段换热器的金属热阻和污垢热阻,得到第1段换热器的单段总体换热系数K1;
步骤8、根据第1段换热器的换热量Qi、平均温差Δt1和单段总体换热系数K1,计算出第1段换热器所需的换热面积A1,并进一步求取第一段换热器的长度L1;
步骤9、根据阻力计算公式,分别计算第1段换热器冷热侧介质的流动阻力;
步骤10、将第1段的热侧定性压力减去第1段的热侧流动阻力作为第2段的定性压力P2,第1段的冷侧定性压力加上第1段的冷侧流动阻力作为第2段的定性压力p2,第1段热侧的出口温度作为第2段热侧的定性温度,第1段冷侧的进口温度作为第2段冷侧的定性温度;
重复步骤5至步骤9,依次进行第3段换热器至第N段换热器的设计计算;
步骤11、计算完成后,将通过迭代计算求出的热侧出口温度TN和冷侧进口温度t0与换热器原热平衡数据提供的相应温度进行对比:
若ΔTN和Δt0的值与冷热侧的温升/降比值均在1%以内,则认为初定的分段数N合理,进入步骤12,其中,ΔTN为热侧出口温度TN与换热器原热平衡数据提供的相应温度的差值,Δt0为冷侧进口温度t0与换热器原热平衡数据提供的相应温度的差值;
若ΔTN和Δt0的值与冷热侧的温升/降比值不在1%以内,则进一步增加N的数值大小,重复步骤3至步骤10,直到ΔTN和Δt0的值与冷热侧的温升/降比值在1%以内,进入步骤12;
步骤12、将换热器冷热侧各段的压力降叠加,将冷侧出口压力的迭代计算值与初定的冷侧出口压力值进行对比:
若冷侧出口压力的迭代计算值与初定的冷侧出口压力值的比值在0.95~1.05之间,则认为换热器分段计算完成;若冷侧出口压力的迭代计算值与初定的冷侧出口压力值的比值不在0.95~1.05之间,则以该迭代计算的冷侧出口压力值作为第1段换热器冷侧介质的定性压力初定为pN,重新进行步骤4至步骤11,直到冷侧出口压力的迭代计算值与初定的冷侧出口压力值的比值在0.95~1.05之间。
优选地,步骤6中,用对数平均的方法或算数平均的方法求出第1段冷热侧介质的平均温差Δt1。
本发明可以应用于介质随温度和压力变化范围较大的换热器热工设计过程,属于一种全新的分段计算方法,运用该方法,换热器的设计精度将会大大提高。
附图说明
图1为换热器管壳程换热过程的Q-t图,图中,Q为换热器的总换热量,t1、t2为冷侧进出口的温度,t4、t3为热侧进出口的温度,ΔQi为一小段的换热量,Δti为一小段的平均温差;
图2为换热器分段示意。
具体实施方式
下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解,在阅读了本发明讲授的内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明所涉及的换热器冷热侧介质流动形式为顺流或拟流,介质的物性随压力和温度的变化存在较大差异。本实施例以冷热侧介质拟流为例,针对该新型分段热工计算方法进行说明,具体包括以下步骤:
步骤1、初步布置换热器冷热侧介质的流动结构形式参数,包括流道规格和数量、节距等。
步骤2、根据给定热平衡参数,按照热平衡计算式求出冷热侧进出口温度中待定的温度。
步骤3、如图2所示,将换热器从热侧进口或冷侧出口开始分为N段,每段的换热量相同,则第i段换热量Qi=Q/N,其中,i=1,…,N,Q为换热器的总换热量。从第1段开始,热侧各段进出口的温度值分别为T0至TN,冷侧各段进出口的温度值分别为t0至tN。
步骤4、从热侧进口第1段开始进行换热计算,如果各分段足够小,则第1段热侧介质的定性压力可以看作热侧进口压力P0,第1段冷侧介质的定性压力初定为pN,则第1段热侧介质的定性温度可以看作热侧进口温度T0,第1段冷侧介质的定性温度可以看作冷侧出口温度tN。
步骤5、根据第1段冷热侧介质的定性压力和温度,分别求取冷热侧介质的比定压热容,再根据各段的换热量Qi,求出第1段冷侧介质的进口温度tN-1和热侧介质的进口温度T1。
步骤6、用对数平均的方法或算数平均的方法求出第1段冷热侧介质的平均温差Δt1。
步骤7、根据第1段冷热侧介质的定性压力和温度,求取各侧的密度、动力粘度和导热系数等物性,依据换热器冷热侧介质质量流量和流动结构形式参数,分别计算冷热侧介质的Re和Pr,Re表示冷热介质流动雷诺数,Pr表示冷热侧介质普朗特数。并运用相应的换热计算公式分别计算第1段冷热侧介质的换热系数,综合考虑第1段的金属热阻和污垢热阻,得到第1段换热器的单段总体换热系数K1。
步骤8、根据第1段换热器的换热量Qi、平均温差Δt1和单段总体换热系数K1,可以计算出第1段换热器所需的换热面积A1,并进一步求取第一段换热器的长度L1。
步骤9、根据阻力计算公式,分别计算第1段换热器冷热侧介质的流动阻力。
步骤10、将第1段的热侧定性压力减去第1段的热侧流动阻力作为第2段的定性压力P2,第1段的冷侧定性压力加上第1段的冷侧流动阻力作为第2段的定性压力p2,第1段热侧的出口温度作为第2段热侧的定性温度,第1段冷侧的进口温度作为第2段冷侧的定性温度。重复步骤5至步骤9,依次进行第3段换热器至第N段换热器的设计计算。
步骤11、计算完成后,将通过迭代计算求出的热侧出口温度TN和冷侧进口温度t0与换热器原热平衡数据提供的相应温度进行对比,若ΔTN和Δt0的值与冷热侧的温升/降比值均在1%以内,则认为初定的分段数N合理,ΔTN为热侧出口温度TN与换热器原热平衡数据提供的相应温度的差值,Δt0为冷侧进口温度t0与换热器原热平衡数据提供的相应温度的差值。若比值不在1%以内,则应该进一步增加N的数值大小,重复步骤3至步骤10,直到满足收敛要求。
步骤12、将换热器冷热侧各段的压力降叠加,将冷侧出口压力的迭代计算值与初定的冷侧出口压力值进行对比,若二者比值在0.95~1.05之间,则可认为换热器分段计算完成,若否,则应该以该迭代计算的冷侧出口压力值作为第1段冷侧介质的定性压力初定为pN,重新进行步骤4至步骤11,直到满足收敛要求。
Claims (2)
1.一种换热器用分段热工计算方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1、初步布置换热器冷热侧介质的流动结构形式参数;
步骤2、根据给定热平衡参数,按照热平衡计算式求出冷热侧进出口温度中待定的温度;
步骤3、将换热器从热侧进口或冷侧出口开始分为N段,每段的换热量相同,则第i段换热器的换热量Qi=Q/N,其中,i=1,…,N,Q为换热器的总换热量;从第1段换热器开始,热侧各段进出口的温度值分别为T0至TN,冷侧各段进出口的温度值分别为t0至tN;
步骤4、从热侧进口第1段换热器开始进行换热计算,将第1段换热器热侧介质的定性压力看作热侧进口压力P0,将第1段换热器冷侧介质的定性压力初定为pN,则第1段换热器热侧介质的定性温度看作热侧进口温度T0,第1段换热器冷侧介质的定性温度看作冷侧出口温度tN;
步骤5、根据第1段换热器冷热侧介质的定性压力和温度,分别求取冷热侧介质的比定压热容,再根据各段的换热量Qi,求出第1段换热器冷侧介质的进口温度tN-1和热侧介质的进口温度T1;
步骤6、求出第1段换热器冷热侧介质的平均温差Δt1;
步骤7、根据第1段换热器冷热侧介质的定性压力和温度,求取各侧的物性,依据换热器冷热侧介质质量流量和流动结构形式参数,分别计算冷热侧介质的Re和Pr,Re表示冷热介质流动雷诺数,Pr表示冷热侧介质普朗特数;并运用相应的换热计算公式分别计算第1段换热器冷热侧介质的换热系数,综合考虑第1段换热器的金属热阻和污垢热阻,得到第1段换热器的单段总体换热系数K1;
步骤8、根据第1段换热器的换热量Qi、平均温差Δt1和单段总体换热系数K1,计算出第1段换热器所需的换热面积A1,并进一步求取第一段换热器的长度L1;
步骤9、根据阻力计算公式,分别计算第1段换热器冷热侧介质的流动阻力;
步骤10、将第1段的热侧定性压力减去第1段的热侧流动阻力作为第2段的定性压力P2,第1段的冷侧定性压力加上第1段的冷侧流动阻力作为第2段的定性压力p2,第1段热侧的出口温度作为第2段热侧的定性温度,第1段冷侧的进口温度作为第2段冷侧的定性温度;
重复步骤5至步骤9,依次进行第3段换热器至第N段换热器的设计计算;
步骤11、计算完成后,将通过迭代计算求出的热侧出口温度TN和冷侧进口温度t0与换热器原热平衡数据提供的相应温度进行对比:
若ΔTN和Δt0的值与冷热侧的温升/降比值均在1%以内,则认为初定的分段数N合理,进入步骤12,其中,ΔTN为热侧出口温度TN与换热器原热平衡数据提供的相应温度的差值,Δt0为冷侧进口温度t0与换热器原热平衡数据提供的相应温度的差值;
若ΔTN和Δt0的值与冷热侧的温升/降比值不在1%以内,则进一步增加N的数值大小,重复步骤3至步骤10,直到ΔTN和Δt0的值与冷热侧的温升/降比值在1%以内,进入步骤12;
步骤12、将换热器冷热侧各段的压力降叠加,将冷侧出口压力的迭代计算值与初定的冷侧出口压力值进行对比:
若冷侧出口压力的迭代计算值与初定的冷侧出口压力值的比值在0.95~1.05之间,则认为换热器分段计算完成;若冷侧出口压力的迭代计算值与初定的冷侧出口压力值的比值不在0.95~1.05之间,则以该迭代计算的冷侧出口压力值作为第1段换热器冷侧介质的定性压力初定为pN,重新进行步骤4至步骤11,直到冷侧出口压力的迭代计算值与初定的冷侧出口压力值的比值在0.95~1.05之间。
2.如权利要求1所述的一种换热器用分段热工计算方法,其特征在于,步骤6中,用对数平均的方法或算数平均的方法求出第1段冷热侧介质的平均温差Δt1。
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