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: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: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=[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:再采用惩罚因子作为带折流板缠绕管式换热器优劣判据。