CN115392070A - 一种壳程沸腾管程冷凝的缠绕管式换热器设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种壳程沸腾管程冷凝的缠绕管式换热器设计方法，按照管程进出口温度、壳程进出口温度、管程工质的露点和泡点、壳程工质的露点和泡点，将整个换热器分为管程冷凝‑壳程液相段，管程冷凝‑壳程沸腾段，管程冷凝‑壳程气相段三个部分，并且分别对该缠绕管式换热器三个部分的换热量、管程表面换热系数、壳程表面换热系数、综合换热系数、管程压降、壳程压降、换热面积和轴向有效换热长度进行设计计算；管程自始至终都为冷凝相变的气液混合相态，其管程和壳程的表面换热系数与干度相关，因此，该缠绕管式换热器三个部分均采用有限体积的方法进行设计计算。本发明提出的壳程沸腾管程冷凝的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

一种壳程沸腾管程冷凝的缠绕管式换热器设计方法

技术领域

本发明涉及缠绕管式换热器技术领域，尤其涉及一种壳程沸腾管程冷凝的缠绕管式换热器设计方法。

背景技术

缠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。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，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，均采用缠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，缠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。

缠绕管式换热器的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，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

本发明提供了一种壳程沸腾管程冷凝的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，涉及缠绕管式换热器壳程沸腾和管程冷凝的技术领域，应用了精度高的换热系数计算公式，采用有限体积法的分段计算提高了计算控制精度。

一种壳程沸腾管程冷凝的缠绕管式换热器的设计方法，其特征在于：按照程出口温度、壳程出口温度、管程工质的露点和泡点、壳程工质的露点和泡点，将整个换热器分为管程冷凝-壳程液相段、管程冷凝-壳程沸腾段、管程冷凝-壳程气相段三个部分，并且分别对该缠绕管式换热器三个部分的换热量、管程表面换热系数、壳程表面换热系数、综合换热系数、管程压降、壳程压降、换热面积和轴向有效换热长度进行设计计算。

如果该缠绕管式换热器壳程的出口干度小于1，则整个缠绕管式换热器分为两个部分，分别为管程冷凝-壳程液相段和管程冷凝-壳程沸腾段；如果该缠绕管式换热器壳程的出口干度等于1，则整个缠绕管式换热器分为管程冷凝-壳程液相段、管程冷凝-壳程沸腾段、管程冷凝-壳程气相段三个部分；从壳程入口到壳程工质的泡点位置为管程冷凝-壳程液相段，从壳程工质的泡点位置到露点位置为管程冷凝- 壳程沸腾段，从壳程工质的露点温度到壳程出口为管程冷凝-壳程气相段；管程自始至终都为冷凝相变的气液混合相态，其换热系数与干度相关，因此，该缠绕管式换热器三个部分均采用有限体积的方法进行设计计算；借助编程工具，将该壳程沸腾管程冷凝的缠绕管式换热器设计方法进行耦合，来实现设计计算的高效进行。

根据本发明的壳程沸腾管程冷凝的缠绕管式换热器的设计方法，所述设计方法流程是：第一，输入壳程和管程工质的物性参数；第二，输入换热器设计的额定工况；第三，根据管程进出口温度、壳程进出口温度、管程工质的露点和泡点、壳程工质的露点和泡点，将整个换热器分为管程冷凝-壳程液相，管程冷凝-壳程沸腾，管程冷凝-壳程气相三个部分；第四，布置该缠绕管式换热器的壳程结构和管程的结构，应用有限体积法，将管程冷凝-壳程液相段分为有限个微元体积；第五，根据管程工质在各个分段微元体积中的干度值，分别计算管程三部分的表面换热系数αTTP(i)、αTTP(j)和αTTP(k)；壳程三部分的表面换热系数αSL(i)、αSTP(j)和αSG(k)；根据热阻原理，计算各个分段中微元体积的综合换热系数KL(i)、KTP(j)和KG(k)；第六，根据热平衡，计算管程冷凝-壳程液相段中每个微元体积的换热面积、换热量和轴向长度；利用叠加原理，计算管程冷凝-壳程液相段的换热面积、换热量和轴向长度；第七，根据热平衡，计算管程冷凝-壳程沸腾段中每个微元体积的换热面积、换热量和轴向长度；利用叠加原理，计算管程冷凝-壳程沸腾段的换热面积、换热量和轴向长度；第八，根据热平衡，计算管程冷凝-壳程沸腾段中每个微元体积的换热面积、换热量和轴向长度；利用叠加原理，计算管程冷凝 -壳程沸腾段的换热面积、换热量和轴向长度；第九，将管程冷凝-壳程液相段、管程冷凝-壳程沸腾段、管程冷凝-壳程气相段的换热量和换热面积相加，核算总换热面积Atot、总换热量Qdesign、缠绕段总长度E、壳程泡点位置和露点位置；第十，根据设计计算判定 Qdesign≥Qload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；第十一，管程冷凝-壳程液相段中，壳程的干度为0，管程的干度为大于0小于1，根据每个微元体积所对应的管程的干度，计算管程冷凝-壳程液相段中每个微元体积的管程压降 |ΔP|TTP(i)和壳程压降|ΔP|SL(i)；利用叠加原理，计算管程冷凝- 壳程液相段的管程总压降∑|ΔP|TTP(i)和壳程总压降∑|ΔP|SL(i)；第十二，管程冷凝-壳程沸腾段中，壳程的干度为大于0且小于1，管程的干度大于0且小于1，根据管程冷凝-壳程沸腾段中每个微元体积所对应的壳程和管程的干度，计算管程冷凝-壳程沸腾段中每个微元体积的管程压降|ΔP|TTP(j)和壳程压降|ΔP|STP(j)；利用叠加原理，计算管程冷凝-壳程沸腾段的管程总压降∑|ΔP|TTP(j)和壳程总压降∑|ΔP|STP(j)；第十三，管程冷凝-壳程沸腾段中，壳程的干度为1，管程的干度大于0且小于1，根据每个微元体积所对应的管程的干度，计算管程冷凝-壳程沸腾段中每个微元体积的管程压降|ΔP|TTP(k) 和壳程压降|ΔP|SG(k)；利用叠加原理，计算管程冷凝-壳程沸腾段的管程总压降∑|ΔP|TTP(k)和壳程总压降∑|ΔP|SG(k)；第十四，利用叠加原理，计算该缠绕管式换热器管程的总压降|ΔP|design,tube,tot 和壳程的总压降|ΔP|design,shell,tot；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，第一步所述的壳程和管程工质的物性参数包括壳程工质的比热、导热率、密度、焓值、露点温度和泡点温度，管程工质的比热、导热率、密度、焓值、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Qload、壳程许用压降|ΔP|load,shell、管程允许压降|ΔP|load,tube、许用换热裕量、许用面积余量；第三步所述的结构参数包括：1-筒体内径，DB；2-芯筒外径，DC；3-螺旋缠绕管外径，do；4-同一层缠绕管的管间距，SL；5-缠绕角，ε；6-缠绕段总长度，E；7-内层缠绕直径，Dco,1；8-外层缠绕直径，Dco,2；9- 螺旋缠绕管层间距，ST；21-螺旋缠绕管外径，do；22-螺旋缠绕管内径，di；23-螺旋缠绕管的缠绕导程，Pm。

根据本发明的壳程沸腾管程冷凝的缠绕管式换热器的设计方法，优选的是，合理缠绕管的布置方法，能最大限度的利用壳程空间，为管程冷凝-壳程液相段、管程冷凝-壳程沸腾段、管程冷凝-壳程气相段的设计计算方法提供基础。

缠绕管式换热器的缠绕管布置方法为：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：E＝N·P_m,

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管程冷凝的缠绕管式换热器的设计方法，优选的是，所述管程冷凝-壳程液相段和管程冷凝-气相段中壳程的表面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；

管程冷凝-壳程液相段的壳程液相表面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；

管程冷凝-壳程气相段的壳程气相表面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为缠绕管式换热器壳程液相段的导热系数,W·(m·K)^-1；λ_G为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。

管程冷凝-壳程沸腾段的壳程表面换热系数α_STP的计算方法是：

X为Martinelli数，α_SL,2为管程冷凝-壳程沸腾段壳程工质为纯液相流动时的换热系数，

管程冷凝-壳程沸腾段的壳程纯液相流动雷诺数的计算方法是：

x为干度，μ_L为壳程工质液相的动力粘度；管程冷凝- 壳程沸腾段壳程气相流动时，表面换热系数α_SG的计算方法同纯液相流动时的计算，沸腾段中气相流动的雷诺数的计算方法为：

x为干度，μ_V壳程工质气相的动力粘度。

进一步地，

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；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管程冷凝的缠绕管式换热器的设计方法，优选的是，缠绕管管内存在相变，采用分段计算的方式，缠绕管式换热器管程冷凝表面换热系数的计算选用Boyko’s关联式：

α_TP,tube＝α_L,tubeψ_L,tube

其中，α_L,tube为流动全为液相时，计算得到的管程换热系数，ψ_L,tube为管程纯液相和冷凝两相流的换热修正系数；

缠绕管内部流动换热系数α_L,tube的计算分为三个流动状态，该三个流动状态的强化传热的单相对流关联式如下所示：

(1)100≤Re≤Re_cr

(2)Re_cr＜Re≤22000

(3)20000＜Re≤150000

ψL_,tub_e为缠绕管式换热器管程干度的函数，其数学表达式如下：

其中，x_tube为缠绕管管程的干度；ρ_L,tube为液相的密度；ρ_V,tube为气相的密度。

根据管程进出口温度、壳程进出口温度、管程工质的露点和泡点、壳程工质的露点和泡点，分别将管程冷凝-壳程液相段、管程冷凝-壳程沸腾段、管程冷凝-壳程气相段分成若干个微元体积；根据管程和壳程的焓值变化和热平衡，确定该缠绕管式换热器各个分段的换热量的计算方法。

根据本发明的壳程沸腾管程冷凝的缠绕管式换热器的设计方法，优选的是，管程冷凝-壳程液相段的管程冷凝段总换热量的数学表达式为：ΔH_TTP,a＝∑ΔH_TTP,a(i)＝∑K_L(i)A_TTP,a(i)ΔT_ln,TTP,a(i)，该分段微元体积换热量的数学表达式为：ΔH_TTP,a(i)＝ΔH_TTP,a(i+1)-ΔH_TTP,a(i)＝K_L(i)A_TTP,a(i)ΔT_ln,TTP,a(i)；管程冷凝-壳程沸腾段总换热量的数学表达式为：ΔH_TTP,b＝∑ΔH_TTP,b(j)＝∑K_TP(j)A_TTP,b(j)ΔT_ln,TTP,b(j)，该分段微元体积换热量的数学表达式为：ΔH_TTP,b(j)＝ΔH_TTP,b(j+1)-ΔH_TTP,b(j)＝K_G(j)A_TTP,b(j)ΔT_ln,TTP,b(j)；管程冷凝-壳程液相段总换热量的数学表达式为：ΔH_TTP,c＝∑ΔH_TTP,c(k)＝∑K_L(k)A_TTP,c(k)ΔT_ln,TTP,c(k)，该分段微元体积换热量的数学表达式为：ΔH_TTP,c(k)＝ΔH_TTP,c(k+1)-ΔH_TTP,c(k)＝K_G(k)A_TTP,c(k)Δ_Tln,G,c(k)；

根据分离热阻原理，分别计算管程冷凝-壳程液相段、管程冷凝- 壳程沸腾段、管程冷凝-壳程气相段等三个分段中微元体积的综合换热系数；管程冷凝-壳程液相段和管程冷凝-壳程气相段不存在相变，应用单相流动的Gilli公式计算管程冷凝-壳程液相段和管程冷凝- 壳程气相段中壳程各个微元体积的单相表面换热系数，分别α_SL(i)为和α_SG(k)；管程冷凝-壳程沸腾段的壳程处于沸腾状态，应用Barbe关联式计算管程冷凝-壳程沸腾段壳程的表面换热系数，为α_STP(j)；

则管程冷凝-壳程液相段中每个微元体积的综合换热系数为：

管程冷凝-壳程沸腾段中每个微元体积的综合换热系数为：

管程冷凝-壳程气相段中每个微元体积的综合换热系数为：

根据能量守恒定律可知：

管程冷凝-壳程液相段：

ΔH_TTP,a＝ΔH_SL,a＝∑ΔH_TTP,a(i)＝∑ΔH_SL,a(i)＝∑K_L(i)A_TTP,a(i)ΔT_ln,TTP,a(i)

管程冷凝-壳程沸腾段：

ΔH_TTP,b＝ΔH_STP,b＝∑ΔH_TTP,b(j)＝∑ΔH_STP,b(j)＝∑K_TP(j)A_TTP,b(j)ΔT_ln,TTP,b(j)

管程冷凝-壳程气相段：

ΔH_TTP,c＝ΔH_SG,c＝∑ΔH_TTP,c(k)＝∑ΔH_SG,c(k)＝∑K_G(k)A_TTP,c(k)ΔT_ln,TTP,c(k)

根据本发明的壳程沸腾管程冷凝的缠绕管式换热器的设计方法，优选的是，已求得管程冷凝-壳程液相段、管程冷凝-壳程沸腾段、管程冷凝-壳程气相段等三个分段中微元体积的换热量和综合换热系数，则管程冷凝-壳程液相段、管程冷凝-壳程沸腾段、管程冷凝-壳程气相段的换热面积的计算方法如下所示:

管程冷凝-壳程液相段的换热面积为：

A_TTP,a＝∑A_TTP,a(i)＝∑ΔH_TTP,a(i)/K_L(i)ΔT_ln,TTP,a(i)

管程冷凝-壳程沸腾段的换热面积为：

A_TTP,b＝∑A_TTP,b(j)＝∑ΔH_TTP,b(j)/K_TP(j)ΔT_ln,TTP,b(j)

管程冷凝-壳程气相段的换热面积为：

A_TTP,c＝∑A_TTP,c(k)＝ΣΔH_TTP,c(k)/K_G(k)ΔT_ln,TTP,b(k)

则该缠绕管式换热器的总换热面积为：

A_Total＝A_TTP,a+A_TTP,b+A_TTP,c

根据本发明的壳程沸腾管程冷凝的缠绕管式换热器的设计方法，优选的是，该缠绕管式换热器的管程内部自始至终存在相变，应用有限体积法，分别计算管程冷凝-壳程液相段、管程冷凝-壳程沸腾段、管程冷凝-壳程气相段中管程的每个微元体积内与干度相关的流动压降，分别为：|ΔP_TTP,a|＝∑|ΔP|_TTP,a(i)，|ΔP_TTP,b|＝Σ|ΔP|_TTP,b(j)，|ΔP|_TTP,c＝Σ|ΔP|_TTP,c(k)。

根据叠加原理，该缠绕管式换热器管程压降为管程冷凝-壳程液相段、管程冷凝-壳程沸腾段、管程冷凝-壳程气相段管程压降之和，计算公式为：|ΔP|_{sign,tube,tot}＝|ΔP|_TTP,a+|ΔP|_TTP,b+|ΔP|_TTP,c。

根据本发明的壳程沸腾管程冷凝的缠绕管式换热器的设计方法，优选的是，管程冷凝-壳程液相段、管程冷凝-壳程沸腾段、管程冷凝 -壳程气相段中管程的每个微元体积内与干度相关的流动压降的计算选用Fuchs关联式，数学表达式为

其中，dp_tp,tube为气液两相流压降；dp_L,tube为纯液相时的压降；dp_V,tube为纯气相时的压降；

为缠绕管内气液两相流阻力计算系数；

dp_L,tube和dp_V,tube的数学表达式如下：

根据本发明的壳程沸腾管程冷凝的缠绕管式换热器的设计方法，优选的是，管程冷凝-壳程液相段和管程冷凝-壳程气相段的壳程不存在相变，应用单相流动的Gilli公式计算管程冷凝-壳程液相段和管程冷凝-壳程气相段中壳程各个微元体积的单相流动压降，分别为： |ΔP|_SL＝∑|ΔP|_SL(i)，|ΔP|_SG＝∑|ΔP|_SG(k)；管程冷凝-壳程沸腾段的壳程存在相变，应用两相流压降计算方法，计算管程冷凝-壳程沸腾段中壳程两相流压降的计算方法为：|ΔP|_STP＝∑|ΔP|_STP(j)。

管程冷凝-壳程液相段和管程冷凝-壳程气相段的壳程中的每个微元体积压降的计算方法为：

和

其中，u_L,eff＝G_L,eff/ρ_L，u_G,eff＝G_G,eff/ρ_G，

管程冷凝-壳程沸腾段中壳程的总压的计算方法为： |ΔP|_STP＝∑|ΔP|_STP(j)；每个微元体积内与干度相关的流动压降|ΔP|_STP(j)的计算方法为：

ΔP_tp＝ΔP_tp,s+ΔP_tp,m+ΔP_tp,f

ΔP_tp,s的计算方法为：

ΔP_tp,s＝ρ_tpgΔL(sinθ)

ΔP_tp,m的计算方法为：

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

ΔP_tp,f的计算方法为：

壳程工质两相流等效物性的计算方法为：

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

的计算方法为：

Y的计算方法为：

ΔP_LO的计算方法为：

根据叠加原理，该缠绕管式换热器壳程总压降为管程冷凝-壳程液相段、管程冷凝-壳程沸腾段、管程冷凝-壳程气相段的壳程压降之和，计算公式为：|ΔP|_SL+|ΔP|_STP+|ΔP|_SG＝∑|ΔP|_SL(i)+∑|ΔP|_STP(j)+∑|ΔP|_SG(k)；

本发明的有益效果为：

本发明提供了一种壳程沸腾管程冷凝缠绕管式换热器的设计方法；首先，提供了一种管程冷凝表面换热系数的计算方法；其次，根据管程进出口温度、壳程进出口温度、管程工质的露点和泡点、壳程工质的露点和泡点，分别将管程冷凝-壳程液相段、管程冷凝-壳程沸腾段、管程冷凝-壳程气相段；第三，管程自始至终都为冷凝相变的气液混合相态，其管程和壳程的表面换热系数与干度相关，三个部分均采用有限体积的方法进行计算，分别对该缠绕管式换热器三个部分分解为有限个微元体积；第四，根据管程工质和壳程工质的气液混合相态的焓值变化和热平衡，设计计算管程冷凝-壳程液相段、管程冷凝-壳程沸腾段、管程冷凝-壳程气相段等三个部分中各个微元体积的换热量、管程表面换热系数、壳程表面换热系数、综合换热系数、换热面积和轴向有效换热长度；第五，利用叠加原理，计算整个换热器的换热量、管程表面换热系数、壳程表面换热系数、综合换热系数、换热面积和轴向有效换热长度；第六，提供了一种管程气液两相流压降的计算方法；第七，提供了一种壳程两相流压降的计算方法；该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为缠绕管式换热器结构示意图(两层缠绕管)；

图2是图1中A-A向视图；

图3是图1中B-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、管程冷凝缠绕管式换热器壳程分成液相段、沸腾段和气相段三部分，管程存在相变示意图；

图7为沸腾段的子分段计算区域示意图；

图8为壳程沸腾管程冷凝缠绕管式换热器的设计流程图。

图中，1-筒体内径，DB；2-芯筒外径，DC；3-螺旋缠绕管外径， do；4-同一层缠绕管的管间距，SL；5-缠绕角，ε；6-缠绕段总长度， E；7-内层缠绕直径，Dco,1；8-外层缠绕直径，Dco,2；9-螺旋缠绕管层间距，ST；21-螺旋缠绕管外径，do；22-螺旋缠绕管内径，di； 23-螺旋缠绕管的缠绕导程，Pm；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；41-管程气相段；42-管程液相段。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1，参照图1-8，一种壳程沸腾管程冷凝的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)

E＝N·P_m,

一种壳程沸腾管程冷凝的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，按照程出口温度、壳程出口温度、管程工质的露点和泡点、壳程工质的露点和泡点，将整个换热器分为管程冷凝-壳程液相段、管程冷凝-壳程沸腾段、管程冷凝-壳程气相段三个部分。

如果该缠绕管式换热器壳程的出口干度小于1，则整个缠绕管式换热器分为两个部分，分别为管程冷凝-壳程液相段和管程冷凝-壳程沸腾段；如果该缠绕管式换热器壳程的出口干度等于1，则整个缠绕管式换热器分为管程冷凝-壳程液相段、管程冷凝-壳程沸腾段、管程冷凝-壳程气相段三个部分；从壳程入口到壳程工质的泡点位置为管程冷凝-壳程液相段，从壳程工质的泡点位置到露点位置为管程冷凝- 壳程沸腾段，从壳程工质的露点温度到壳程出口为管程冷凝-壳程气相段。

管程冷凝-壳程液相段和管程冷凝-气相段中壳程的表面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；管程冷凝- 液相段中壳程的表面换热系数计算方法如式所示，管程冷凝-气相段中壳程的表面换热系数计算方法如式所示；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为缠绕管式换热器壳程液相段的导热系数,W·(m·K)^-1；λ_G为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；uG_,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)

一种壳程沸腾管程冷凝的缠绕管式换热器的设计方法中，管程冷凝-壳程沸腾段的壳程表面换热系数α_STP的计算方法如式所示。

一种壳程沸腾管程冷凝的缠绕管式换热器的设计方法中，α_SL,2为沸腾段为纯液相流动时的换热系数，计算方法同式相同；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所示。

一种壳程沸腾管程冷凝的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，管程冷凝- 壳程沸腾段的壳程中液相流动的雷诺数的计算方法如式所示；管程冷凝-壳程沸腾段的壳程中气相流动的雷诺数的计算方法如式所示；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＜1000，Re_VO＜1000时， Martinelli数的计算方法如式所示；Re_LO＜1000，Re_VO＞2000时，Martinelli 数的计算方法如式所示；Re_LO＞2000，Re_VO＜1000时，Martinelli数的计算方法如公式所示；Re_LO＞2000，Re_VO＞2000时，Martinelli数的计算方法如式所示；式～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。

一种壳程沸腾管程冷凝的缠绕管式换热器设计方法中，管程的流体工质为气液两相流，管程存在相变；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。管程全液相的雷诺数的计算如式所示。

Re_cr＝2300(1+8.6δ^0.45) (16)

一种壳程沸腾管程冷凝的缠绕管式换热器设计方法中，管程全液相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，管程表面换热系数的计算方法如式所示；当Re_cr＜Re_co≤22000时，管程表面换热系数的计算方法如式所示；当20000＜Re≤150000时，管程表面换热系数的计算方法如式所示。

一种壳程沸腾管程冷凝的缠绕管式换热器设计方法中，缠绕管管内存在相变，采用分段计算的方式，缠绕管式换热器管程冷凝表面换热系数的计算选用Boyko’s关联式：

α_TP,tube＝α_L,tubeψ_L,tube

其中，α_L,tube为流动全为液相时，计算得到的管程换热系数，α_L,tube＝α_co；ψ_L,tube为管程纯液相和冷凝两相流的换热修正系数。

缠绕管内部流动的Re分为三个区域。该三个区域内，强化传热的单相对流关联式～所示:

(1)100≤Re≤Re_cr

(2)Re_cr＜Re≤22000

(3)20000＜Re≤150000

ψ_L,tube定义为缠绕管式换热器管程干度的函数，其数学表达式如式所示：

其中，x_tube为缠绕管管程的干度；ρ_L,tube为液相的密度；ρ_V,tube为气相的密度。

一种壳程沸腾管程冷凝的缠绕管式换热器设计方法中，管程冷凝 -壳程液相段的管程冷凝段总换热量的计算如式所示。

ΔH_TTP,a＝∑ΔH_TTP,a(i)＝∑K_L(i)A_TTP,a(i)ΔT_ln,TTP,a(i) (25)

管程冷凝-壳程液相段的管程冷凝段的分段微元体积换热量的计算如式所示。

ΔH_TTP,a(i)＝ΔH_TTP,a(i+1)-ΔH_TTP,a(i)＝K_L(i)A_TTP,a(i)ΔT_ln,TTP,a(i) (26)

管程冷凝-壳程沸腾段总换热量的计算如式所示。

ΔH_TTP,b＝∑ΔH_TTP,b(j)＝∑K_TP(j)A_TTP,b(j)ΔT_ln,TTP,b(j) (27)

该分段微元体积换热量的计算如式所示。

ΔH_TTP,b(j)＝ΔH_TTP,b(j+1)-ΔH_TTP,b(j)＝K_G(j)A_TTP,b(j)ΔT_ln,TTP,b(j) (28)

管程冷凝-壳程液相段总换热量的计算如式所示。

ΔH_TTP,c＝∑ΔH_TTP,c(k)＝∑K_L(k)A_TTP,c(k)ΔT_ln,TTP,c(k) (29)

该分段微元体积换热量的计算如式所示。

ΔH_TTP,c(k)＝ΔH_TTP,c(k+1)-ΔH_TTP,c(k)＝K_G(k)A_TTP,c(k)ΔT_ln,G,c(k) (30)

根据分离热阻原理，分别计算管程冷凝-壳程液相段、管程冷凝- 壳程沸腾段、管程冷凝-壳程气相段等三个分段中微元体积的综合换热系数；管程冷凝-壳程液相段和管程冷凝-壳程气相段不存在相变，应用单相流动的Gilli公式计算管程冷凝-壳程液相段和管程冷凝-壳程气相段中壳程各个微元体积的单相表面换热系数，分别α_SL(i)为和α_SG(k)；管程冷凝-壳程沸腾段的壳程处于沸腾状态，应用Barbe关联式计算管程冷凝-壳程沸腾段壳程的表面换热系数，为α_STP(j)；

则管程冷凝-壳程液相段中每个微元体积的综合换热系数如式所示。

管程冷凝-壳程沸腾段中每个微元体积的综合换热系数如式所示。

管程冷凝-壳程气相段中每个微元体积的综合换热系数如式所示。

根据能量守恒定律，可计算管程冷凝-壳程液相段、管程冷凝-壳程沸腾段、管程冷凝-壳程气相段等各个分段的换热量。

管程冷凝-壳程液相段换热量的计算如式所示。

ΔH_TTP,a＝ΔH_SL,a＝∑ΔH_TTP,a(i)＝∑ΔH_SL,a(i)＝∑K_L(i)A_TTP,a(i)ΔT_ln,TTP,a(i)(34)

管程冷凝-壳程沸腾段换热量的计算如式所示。

ΔH_TTP,b＝ΔH_STP,b＝∑ΔH_TTP,b(j)＝∑ΔH_STP,b(j)＝∑K_TP(j)A_TTP,b(j)ΔT_ln,TTP,b(j)(35)

管程冷凝-壳程气相段换热量的计算如式所示。

ΔH_TTP,c＝ΔH_SG,c＝∑ΔH_TTP,c(k)＝∑ΔH_SG,c(k)＝∑K_G(k)A_TTP,c(k)ΔT_ln,TTP,c(k)(36)

一种壳程沸腾管程冷凝的缠绕管式换热器设计方法中，已求得管程冷凝-壳程液相段、管程冷凝-壳程沸腾段、管程冷凝-壳程气相段等三个分段中微元体积的换热量和综合换热系数，则管程冷凝-壳程液相段、管程冷凝-壳程沸腾段、管程冷凝-壳程气相段的换热面积的计算方法如式

管程冷凝-壳程液相段的换热面积的计算如式所示。

A_TTP,a＝∑A_TTP,a(i)＝∑ΔH_TTP,a(i)/K_L(i)ΔT_ln,TTP,a(i) (37)

管程冷凝-壳程沸腾段的换热面积的计算如式所示。

A_TTP,b＝∑A_TTP,b(j)＝∑ΔH_TTP,b(j)/K_TP(j)ΔT_ln,TTP,b(j) (38)

管程冷凝-壳程气相段的换热面积的计算如式所示。

A_TTP,c＝∑A_TTP,c(k)＝∑ΔH_TTP,c(k)/K_G(k)ΔT_ln,TTP,b(k) (39)

则该壳程沸腾管程冷凝缠绕管式换热器的总换热面积的计算如式所示。

A_Total＝A_TTP,a+A_TTP,b+A_TTP,c (40)

一种壳程沸腾管程冷凝的缠绕管式换热器设计方法中，该缠绕管式换热器的管程内部自始至终存在相变，应用有限体积法，分别计算管程冷凝-壳程液相段、管程冷凝-壳程沸腾段、管程冷凝-壳程气相段中管程的每个微元体积内与干度相关的流动压降，然后，根据叠加原理，计算管程冷凝-壳程液相段、管程冷凝-壳程沸腾段、管程冷凝 -壳程气相段中管程的压降；最后，根据叠加原理，计算该缠绕管式换热器管程总压降计算方法如式～所示。

|ΔP|_{sign,tube,tot}＝|ΔP|_TTP,a+|ΔP|_TTP,b+|ΔP|_TTP,c (41)

|ΔP|_TTP,a＝∑|ΔP|_TTP,a(i) (42)

|ΔP|_TTP,b＝∑|ΔP|_TTP,b(j) (43)

|ΔP|_TTP,c＝∑|ΔP|_TTP,c(k) (44)

管程冷凝-壳程液相段、管程冷凝-壳程沸腾段、管程冷凝-壳程气相段中管程的每个微元体积内与干度相关的流动压降(|ΔP|_TTP,a(i)，|ΔP|_TTP,b(j)和|ΔP|_TTP,c(k)的计算选用Fuchs关联式，数学表达式如式所示。

其中，dp_tp,tube为气液两相流压降；dp_L,tube为纯液相时的压降；dp_V,tube为纯气相时的压降；

为缠绕管内气液两相流阻力计算系数；

dp_L,tube和dp_V,tube的数学表达式如式～所示。

式～中，Fr_L,tube为管程液相的Froud数；ρ_L,tube为管程工质液相的密度；ρ_V,tube为管程工质气相的密度；x_tube为管程工质的干度；a_i，b，c_i为缠绕管式换热器管程阻力计算系数，计算系数如表1所示。

表1.缠绕管式换热器管程阻力计算系数

Fr_L,tube为Froud数，表征流体惯性力和重力相对大小的一个无量纲参数，其数学表达式如式(56)所示：

其中，ρ_L,tube为管程工质液相的密度；g为重力加速度；m_L,tube为液相的质量流量；m_L,tube为管程工质液相的质量流量，m_L,tube＝m_tube(1-x_tube)； d_i为缠绕管式换热器管程内径。

一种壳程沸腾管程冷凝的缠绕管式换热器设计方法中，管程冷凝 -壳程液相段和管程冷凝-壳程气相段的壳程不存在相变，应用单相流动的Gilli公式计算管程冷凝-壳程液相段和管程冷凝-壳程气相段中壳程各个微元体积的单相流动压降，计算公式如式～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；Nn为缠绕管的管缠绕圈数)。

|ΔP|_SL＝∑|ΔP|_SL(i) (50)

|ΔP|_SG＝∑|ΔP|_SG(k) (51)

u_L,eff＝G_L,eff/ρ_L，u_G,eff＝G_G,eff/ρ_G，

一种壳程沸腾管程冷凝的缠绕管式换热器设计方法中，管程冷凝 -壳程沸腾段中壳程的总压的计算方法如式所示；每个微元体积内与干度相关的流动压降|ΔP|_STP(j)的计算方法如式所示。

一种壳程沸腾管程冷凝的缠绕管式换热器设计方法中，净水压头ΔPs的计算如式所示；动压头ΔP_m的计算如式所示；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|_STP＝∑|ΔP|_STP(j) (55)

|ΔP|_STP(j)＝ΔP_tp＝ΔP_tp,s+ΔP_tp,m+ΔP_tp,f (56)

ΔP_tp,s＝ρ_tpgΔL(sinθ) (57)

ΔP_tp,m＝G_t{[(1-x)u_LO+xu_VO]_out-[(1-x)u_LO+xu_VO]_in} (58)

ρ_tp＝xρ_VO+(1-x)ρ_LO，u_LO＝(1-x)G_t/ρ_LO，u_VO＝xG_t/ρ_LO (59)

一种壳程沸腾管程冷凝的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～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。

一种壳程沸腾管程冷凝的缠绕管式换热器设计方法中，壳程总压降ΔP_shell,tot的计算方法如式所示。

ΔP_shell,tot＝ΔP_L+ΔP_G+ΔP_TP (64)

一种壳程沸腾管程冷凝的缠绕管式换热器设计方法中，需要进行迭代计算，借助于编程工具，将该壳程沸腾、管程冷凝的缠绕管式换热器设计方法进行程序化，来实现迭代计算。

一种壳程沸腾管程冷凝的缠绕管式换热器设计方法主要包括：管程冷凝-壳程液相段、管程冷凝-壳程沸腾段、管程冷凝-壳程气相段的换热量、管程表面换热系数、壳程表面换热系数、综合换热系数、管程压降、壳程压降、换热面积和轴向有效换热长度进行设计计算；借助于编程工具，将该壳程沸腾、管程冷凝的缠绕管式换热器设计方法进行程序化，来实现壳程沸腾、管程冷凝的缠绕管式换热器设计计算。

本发明所涉及的一种壳程沸腾管程冷凝的缠绕管式换热器设计方法的设计流程图如图8所示；开始计算；第一，输入壳程和管程工质的物性参数；第二，输入换热器设计的额定工况；第三，根据管程进出口温度、壳程进出口温度、管程工质的露点和泡点、壳程工质的露点和泡点，将整个换热器分为管程冷凝-壳程液相，管程冷凝-壳程沸腾，管程冷凝-壳程气相三个部分；第四，布置该缠绕管式换热器的壳程结构和管程的结构，应用有限体积法，将管程冷凝-壳程液相段分为有限个微元体积；第五，根据管程工质在各个分段微元体积中的干度值，分别计算管程三部分的表面换热系数αTTP(i)、αTTP(j) 和αTTP(k)；壳程三部分的表面换热系数αSL(i)、αSTP(j)和αSG(k)；根据热阻原理，计算各个分段中微元体积的综合换热系数KL(i)、 KTP(j)和KG(k)；第六，根据热平衡，计算管程冷凝-壳程液相段中每个微元体积的换热面积、换热量和轴向长度；利用叠加原理，计算管程冷凝-壳程液相段的换热面积、换热量和轴向长度；第七，根据热平衡，计算管程冷凝-壳程沸腾段中每个微元体积的换热面积、换热量和轴向长度；利用叠加原理，计算管程冷凝-壳程沸腾段的换热面积、换热量和轴向长度；第八，根据热平衡，计算管程冷凝-壳程沸腾段中每个微元体积的换热面积、换热量和轴向长度；利用叠加原理，计算管程冷凝-壳程沸腾段的换热面积、换热量和轴向长度；第九，将管程冷凝-壳程液相段、管程冷凝-壳程沸腾段、管程冷凝- 壳程气相段的换热量和换热面积相加，核算总换热面积Atot、总换热量Qdesign、缠绕段总长度E、壳程泡点位置和露点位置；第十，根据设计计算判定Qdesign≥Qload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；第十一，管程冷凝-壳程液相段中，壳程的干度为0，管程的干度为大于0小于1，根据每个微元体积所对应的管程的干度，计算管程冷凝-壳程液相段中每个微元体积的管程压降|ΔP|TTP(i)和壳程压降|ΔP|SL(i)；利用叠加原理，计算管程冷凝-壳程液相段的管程总压降∑|ΔP|TTP(i)和壳程总压降∑|ΔP|SL(i)；第十二，管程冷凝-壳程沸腾段中，壳程的干度为大于 0且小于1，管程的干度大于0且小于1，根据管程冷凝-壳程沸腾段中每个微元体积所对应的壳程和管程的干度，计算管程冷凝-壳程沸腾段中每个微元体积的管程压降|ΔP|TTP(j)和壳程压降|ΔP|STP(j)；利用叠加原理，计算管程冷凝-壳程沸腾段的管程总压降∑|ΔP|TTP(j) 和壳程总压降∑|ΔP|STP(j)；第十三，管程冷凝-壳程沸腾段中，壳程的干度为1，管程的干度大于0且小于1，根据每个微元体积所对应的管程的干度，计算管程冷凝-壳程沸腾段中每个微元体积的管程压降|ΔP|TTP(k)和壳程压降|ΔP|SG(k)；利用叠加原理，计算管程冷凝-壳程沸腾段的管程总压降∑|ΔP|TTP(k)和壳程总压降∑|ΔP|SG(k)；第十四，利用叠加原理，计算该缠绕管式换热器管程的总压降 |ΔP|design,tube,tot和壳程的总压降|ΔP|design,shell,tot；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2 所示，通过本发明的设计方法及公式的计算结果如表3所示。

表2.物性和工质的设计工况

表3.计算结果

本发明所涉及的一种壳程沸腾管程冷凝的缠绕管式换热器设计方法中，按照程出口温度、壳程出口温度、管程工质的露点和泡点、壳程工质的露点和泡点，将整个换热器分为管程冷凝-壳程液相段，管程冷凝-壳程沸腾段，管程冷凝-壳程气相段三个部分，并且分别对该缠绕管式换热器三个部分的换热量、管程表面换热系数、壳程表面换热系数、综合换热系数、管程压降、壳程压降、换热面积和轴向有效换热长度进行设计计算；管程自始至终都为冷凝相变的气液混合相态，其管程和壳程的表面换热系数与干度相关，因此，该缠绕管式换热器三个部分均采用有限体积的方法进行设计计算。该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。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种壳程沸腾管程冷凝的缠绕管式换热器设计方法，其特征在于，利用管程工质的潜热加热壳程工质至沸腾状态；根据管程出口温度、壳程出口温度、管程工质的露点和泡点、壳程工质的露点和泡点，将整个换热器分为管程冷凝-壳程液相，管程冷凝-壳程沸腾，管程冷凝-壳程气相三个部分；管程自始至终都存在相变，应用有限体积的方法分别对该缠绕管式换热器三个部分的换热量、管程表面换热系数、壳程表面换热系数、综合换热系数、管程压降、壳程压降、换热面积和轴向有效换热长度进行设计计算。

2.根据权利要求1所述的一种壳程沸腾管程冷凝的缠绕管式换热器设计方法，其特征在于，该缠绕管式换热器设计计算包括以下步骤：

S1：输入壳程和管程工质的物性参数；

S2：输入换热器设计的额定工况；

S3：根据管程进出口温度、壳程进出口温度、管程工质的露点和泡点、壳程工质的露点和泡点，将整个换热器分为管程冷凝-壳程液相，管程冷凝-壳程沸腾，管程冷凝-壳程气相三个部分；

S4：布置该缠绕管式换热器的壳程结构和管程的结构，应用有限体积法，将管程冷凝-壳程液相段分为有限个微元体积；

S5：根据管程工质在各个分段微元体积中的干度值，分别计算管程三部分的表面换热系数αTTP(i)、αTTP(j)和αTTP(k)；壳程三部分的表面换热系数αSL(i)、αSTP(j)和αSG(k)；根据热阻原理，计算各个分段中微元体积的综合换热系数KL(i)、KTP(j)和KG(k)；

S6：根据热平衡，计算管程冷凝-壳程液相段中每个微元体积的换热面积、换热量和轴向长度；利用叠加原理，计算管程冷凝-壳程液相段的换热面积、换热量和轴向长度；

S7：根据热平衡，计算管程冷凝-壳程沸腾段中每个微元体积的换热面积、换热量和轴向长度；利用叠加原理，计算管程冷凝-壳程沸腾段的换热面积、换热量和轴向长度；

S8：根据热平衡，计算管程冷凝-壳程气相段中每个微元体积的换热面积、换热量和轴向长度；利用叠加原理，计算管程冷凝-壳程气相段的换热面积、换热量和轴向长度；

S9：将管程冷凝-壳程液相段、管程冷凝-壳程沸腾段、管程冷凝-壳程气相段的换热量和换热面积相加，核算总换热面积Atot、总换热量Qdesign、缠绕段总长度E、泡点位置和露点位置；

S10：根据设计计算判定Qdesign≥Qload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；

S11：管程冷凝-壳程液相段中，壳程的干度为0，管程的干度为大于0小于1，根据每个微元体积所对应的管程的干度，计算管程冷凝-壳程液相段中每个微元体积的管程压降|ΔP|TTP(i)和壳程压降|ΔP|SL(i)；利用叠加原理，计算管程冷凝-壳程液相段的管程总压降∑|ΔP|TTP(i)和壳程总压降∑|ΔP|SL(i)；

S12：管程冷凝-壳程沸腾段中，壳程的干度为大于0且小于1，管程的干度大于0且小于1，根据管程冷凝-壳程沸腾段中每个微元体积所对应的壳程和管程的干度，计算管程冷凝-壳程沸腾段中每个微元体积的管程压降|ΔP|TTP(j)和壳程压降|ΔP|STP(j)；利用叠加原理，计算管程冷凝-壳程沸腾段的管程总压降∑|ΔP|TTP(j)和壳程总压降∑|ΔP|STP(j)；

S13：管程冷凝-壳程沸腾段中，壳程的干度为1，管程的干度大于0且小于1，根据每个微元体积所对应的管程的干度，计算管程冷凝-壳程沸腾段中每个微元体积的管程压降|ΔP|TTP(k)和壳程压降|ΔP|SG(k)；利用叠加原理，计算管程冷凝-壳程沸腾段的管程总压降∑|ΔP|TTP(k)和壳程总压降∑|ΔP|SG(k)；

S14：利用叠加原理，计算该缠绕管式换热器管程的总压降|ΔP|design,tube,tot和壳程的总压降|ΔP|design,shell,tot；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所述的一种壳程沸腾管程冷凝的缠绕管式换热器设计方法，其特征在于，缠绕管内部自始至终存在相变，应用有限体积法，分别计算管程冷凝-壳程液相段、管程冷凝-壳程沸腾段、管程冷凝-壳程气相段中管程的每个微元体积中与干度相关的表面换热系数αTTP(i)、αTTP(j)和αTTP(k)，计算的方法选用Boyko’s关联式：α_TP,tube＝α_L,tubeψ_L,tube,其中，α_L,tube为流动全为液相时，计算得到的管程换热系数，ψ_L,tube为管程纯液相和冷凝两相流的换热修正系数；

缠绕管内部流动换热系数α_L,tube的计算分为三个流动状态，该三个流动状态的强化传热的单相对流关联式如下所示：

(1)100≤Re≤Re_cr

(2)Re_cr＜Re≤22000

(3)20000＜Re≤150000

ψ_L,tube为缠绕管式换热器管程干度的函数，其数学表达式如下：

其中，x_tube为缠绕管管程的干度；ρ_L,tube为液相的密度；ρ_V,tube为气相的密度。

4.根据权利要求2所述的一种壳程沸腾管程冷凝的缠绕管式换热器设计方法，其特征在于，根据管程进出口温度、壳程进出口温度、管程工质的露点和泡点、壳程工质的露点和泡点，分别将管程冷凝-壳程液相段、管程冷凝-壳程沸腾段、管程冷凝-壳程气相段分成若干个微元体积；管程冷凝-壳程液相段的管程冷凝段总换热量的数学表达式为：ΔH_TTP,a＝∑ΔH_TTP,a(i)＝∑K_L(i)A_TTP,a(i)ΔT_ln,TTP,a(i)，该分段微元体积换热量的数学表达式为：ΔH_TTP,a(i)＝ΔH_TTP,a(i+1)-ΔH_TTP,a(i)＝K_L(i)A_TTP,a(i)ΔT_ln,TTP,a(i)；管程冷凝-壳程沸腾段总换热量的数学表达式为：ΔH_TTP,b＝∑ΔH_TTP,b(j)＝∑K_TP(j)A_TTP,b(j)ΔT_ln,TTP,b(j)，该分段微元体积换热量的数学表达式为：ΔH_TTP,b(j)＝ΔH_TTP,b(j+1)-ΔH_TTP,b(j)＝K_G(j)A_TTP,b(j)ΔT_ln,TTP,b(j)；管程冷凝-壳程液相段总换热量的数学表达式为：ΔH_TTP,c＝∑ΔH_TTP,c(k)＝∑K_L(k)A_TTP,c(k)ΔT_ln,TTP,c(k)，该分段微元体积换热量的数学表达式为：ΔH_TTP,c(k)＝ΔH_TTP,c(k+1)-ΔH_TTP,c(k)＝K_G(k)A_TTP,c(k)ΔT_ln,G,c(k)；

5.根据权利要求2所述的一种壳程沸腾管程冷凝的缠绕管式换热器设计方法，其特征在于，根据分离热阻原理，分别计算管程冷凝-壳程液相段、管程冷凝-壳程沸腾段、管程冷凝-壳程气相段等三个分段中微元体积的综合换热系数；管程冷凝-壳程液相段和管程冷凝-壳程气相段不存在相变，应用单相流动的Gilli公式计算管程冷凝-壳程液相段和管程冷凝-壳程气相段中壳程各个微元体积的单相表面换热系数，分别α_SL(i)为和α_SG(k)；管程冷凝-壳程沸腾段的壳程处于沸腾状态，采用Barbe关联式计算管程冷凝-壳程沸腾段壳程的表面换热系数，为α_STP(j)；

则管程冷凝-壳程液相段中每个微元体积的综合换热系数为：

管程冷凝-壳程沸腾段中每个微元体积的综合换热系数为：

管程冷凝-壳程气相段中每个微元体积的综合换热系数为：

6.根据权利要求2所述的一种壳程沸腾管程冷凝的缠绕管式换热器设计方法，其特征在于，已求得管程冷凝-壳程液相段、管程冷凝-壳程沸腾段、管程冷凝-壳程气相段等三个分段中微元体积的换热量和综合换热系数，则管程冷凝-壳程液相段、管程冷凝-壳程沸腾段、管程冷凝-壳程气相段的换热面积的计算方法如下所示:

管程冷凝-壳程液相段的换热面积为：

A_TTP,a＝∑A_TTP,a(i)＝∑ΔH_TTP,a(i)/K_L(i)ΔT_ln,TTP,a(i)

管程冷凝-壳程沸腾段的换热面积为：

A_TTP,b＝∑A_TTP,b(j)＝∑ΔH_TTP,b(j)/K_TP(j)ΔT_ln,TTP,b(j)

管程冷凝-壳程气相段的换热面积为：

A_TTP,c＝∑A_TTP,c(k)＝∑ΔH_TTP,c(k)/K_G(k)ΔT_ln,TTP,b(k)

则该缠绕管式换热器的总换热面积为：

A_Total＝A_TTP,a+A_TTP,b+A_TTP,c

7.根据权利要求2所述的一种壳程沸腾管程冷凝的缠绕管式换热器设计方法，其特征在于，缠绕管内部自始至终存在相变，应用有限体积法，分别计算管程冷凝-壳程液相段、管程冷凝-壳程沸腾段、管程冷凝-壳程气相段中管程的每个微元体积内与干度相关的流动压降，分别为：|ΔP|_TTP,a＝∑|ΔP|_TTP,a(i)，|ΔP|_TTP,b＝∑|ΔP|_TTP,b(j)，|ΔP|_TTP,c＝∑|ΔP|_TTP,c(k)；根据叠加原理，该缠绕管式换热器管程压降为管程冷凝-壳程液相段、管程冷凝-壳程沸腾段、管程冷凝-壳程气相段管程压降之和，计算公式为：|ΔP|_{sign,tube,tot}＝|ΔP|_TTP,a+|ΔP|_TTP,b+|ΔP|_TTP,c；

管程冷凝-壳程液相段、管程冷凝-壳程沸腾段、管程冷凝-壳程气相段中管程的每个微元体积内与干度相关的流动压降|ΔP|_TTP,a(i)，|ΔP|_TTP,b(j)和|ΔP|_TTP,c(k)的计算选用Fuchs关联式，数学表达式为

其中，dp_tp,tube为气液两相流压降；dp_L,tube为纯液相时的压降；dp_V,tube为纯气相时的压降；

为缠绕管内气液两相流阻力计算系数；

dp_L,tube和dp_V,tube的数学表达式如下：

8.根据权利要求2所述的一种壳程沸腾管程冷凝的缠绕管式换热器设计方法，其特征在于，管程冷凝-壳程液相段和管程冷凝-壳程气相段的壳程不存在相变，应用单相流动的Gilli公式计算管程冷凝-壳程液相段和管程冷凝-壳程气相段中壳程各个微元体积的单相流动压降，分别为：|ΔP|_SL＝∑|ΔP|_SL(i)，|ΔP|_SG＝∑|ΔP|_SG(k)；管程冷凝-壳程液相段和管程冷凝-壳程气相段的壳程中的每个微元体积压降的计算方法为：

和

其中，u_L,eff＝G_L,eff/ρ_L，u_G,eff＝G_G,eff/ρ_G，

管程冷凝-壳程沸腾段的壳程存在相变，应用两相流压降计算方法，计算管程冷凝-壳程沸腾段中壳程两相流压降的计算方法为：|ΔP|_STP＝∑|ΔP|_STP(j)；

管程冷凝-壳程沸腾段中壳程的总压的计算方法为：|ΔP|_STP＝∑|ΔP|_STP(j)；每个微元体积内与干度相关的流动压降|ΔP|_STP(j)的计算方法为：

|ΔP|_STP(j)＝ΔP_tp＝ΔP_tp,s+ΔP_tp,m+ΔP_tp,f

ΔP_tp,s的计算方法为：

ΔP_tp,s＝ρ_tpgΔL(sinθ)

ΔP_tp,m的计算方法为：

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

ΔP_tp,f的计算方法为：

壳程工质两相流等效物性的计算方法为：

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

的计算方法为：

Y的计算方法为：

ΔP_LO的计算方法为：

根据叠加原理，该缠绕管式换热器壳程总压降为管程冷凝-壳程液相段、管程冷凝-壳程沸腾段、管程冷凝-壳程气相段的壳程压降之和，计算公式为：|ΔP|_SL+|ΔP|_STP+|ΔP|_SG＝∑|ΔP|_SL(i)+∑|ΔP|_STP(j)+∑|ΔP|_SG(k)。

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