專利名稱：一種螺旋折流板管殼式換熱器的設計方法
技術領域：
本發明涉及一種換熱器的設計方法，具體涉及一種螺旋折流板管殼式 換熱器的設計方法。
背景技術：
管殼式換熱器是煉油、化工、環保、能源、電力等工業中一種重要的 設備。其中使用歷史最為悠久的為弓形折流板管殼式換熱器。雖然弓形折 流板管殼式換熱器屬于換熱器行業使用量最大的一種管殼式換熱器，但是
由于其結構特點，存在沿程壓降較大；易出現流動死區；易結垢并且易誘 導換熱管振動等缺點，長久以來一直有研究者不斷對其結構進行改良，但 是都未能脫離其基本結構。
90年代初，由捷克科學家Lutcha, Stehlik， Nemcansky以及Kral等 首次提出螺旋折流板管殼式管殼式換熱器，并對其做了系統的實驗研究， 研究表明，螺旋折流板管殼式換熱器具有壓降低、振動小、結塘少，以及 綜合換熱性能好等優點。并通過實驗研究分析了螺旋折流板的主要幾何參 數對其壓降及換熱性能的影響。但是隨后美國ABB公司買斷了其相關研究 成果，對于該換熱器的詳細性能分析和設計方法在公開發表的文獻中都只 給出了非常有限的信息。
目前為止，管殼式換熱器中最為成熟的設計方法為針對弓形折流板換 熱器的Bell-Delaware方法，該方法的詳細實施過程已普遍見于各類換熱 器手冊之中。基于這一方法，美國傳熱協會(HTRI)和英國傳質傳熱協會(HTFS)各自開發出了相關商用軟件，廣泛應用于換熱器行業，形成行業壟 斷地位，取得了巨大的商業效益。
對于螺旋折流板管殼式換熱器的設計而言，無論國內外均未見有公開 發表的相關文獻資料，更未見有相關的商用軟件，這些都給螺旋折流板管 殼式換熱器的設計制造以及推廣應用帶來很大的困難，所以總結出一套有 效的設計計算方法具有很重要的意義。

發明內容
本發明的目的在于提供一種使用單相介質及光管的單殼程多管程螺 旋折流板管殼式換熱器的殼側阻力及換熱關聯式，并基于Bell-Delaware 方法，提出根據已知的過程參數進行螺旋折流板管殼式換熱器的設計方 法。
為達到上述目的，本發明采用的技術方案是
1) 根據已知熱力參數確定熱負荷；
2) 根據介質的腐蝕性、粘度、結垢性確定換熱器內管束布置形式；
3) 根據換熱器進出口溫度及換熱器內管束布置形式計算對數平均溫 差，并計算出所需的各物性參數；
4) 預估換熱器的總傳熱系數，并根據已知的熱負荷初算換熱器所需 的傳熱面積；
5) 選定管子有效換熱長度或者換熱器殼內徑，若固定有效管長則根 據初算的傳熱面積直接得到所需的換熱管數目，然后估算布管圓直徑隨之 確定殼徑，反之，如果已知殼內徑，則可估算出出布管圓直徑，根據布管 圓直徑可以估算換熱管數目，最后根據初算的換熱面積計算出所需管長；
6) 根據設計要求初選折流板螺旋角及搭接比例，根據已知參數計算
出殼側流速，管側流速以及兩側Re數，隨后，計算出各修正因子涉及到 的幾何參數及工藝參數，從而確定換熱及壓降修正因子；
7) 根據得到的換熱和壓降修正因子，計算得到初選的換熱器在當前 幾何參數下的殼側換熱系數和壓降，
8) 根據Gnielinski公式和Wdsbach-Darcy公式計算管側換熱系數及壓
降；
9) 計算出當前設計參數下換熱器所達到的熱負荷，當該熱負荷較之 實際工藝所需熱負荷有10-15%左右的余度及換熱器兩側壓降均滿足許用 壓降要求時即設計完畢，當前幾何參數下的換熱器既為滿足工藝要求的換 熱器；若不滿足則調整預估總傳熱系數，并重復步驟(4) — (9)直至符 合要求。
目前螺旋折流板換熱器的設計大多是參考從前的實驗結果及已使用 中的設備采用人為預估和猜測放大余量的方法來進行的，設計過程效率 低，準確度不高，缺乏可靠的依據，并且通常過分放大余量來保證設計能 夠完滿完成，導致所設計出的換熱器性能與所需達到的性能差距較大，原 料和成本浪費比較嚴重。而根據本發明中的設計方法，可以更準確而高效 的設計出滿足給定熱負荷任務所需的換熱器，設計效率和準確度高，所設 計的換熱器性能更貼近設計任務所要求達到的性能，大大減少原料與成本 浪費。
具體實施例方式
本發明總結出使用單相介質及光管的單殼程多管程螺旋折流板管殼 式換熱器的殼側阻力及換熱關聯式，并基于Bell-Delaware方法，提出根據 已知的過程參,行螺旋皿板管^換熱器的工藝幾何參數設計的，法。根據相關文獻資料所總結的阻力及換熱關聯式如下 螺旋折流板管殼式換熱器殼側平均Nu數
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螺旋折流板管殼式換熱器殼側平均換熱系數
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其中:
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-殼側流體的導熱系數/W/(m K); 上述公式適用范圍10<i e<106， 10</V<103， "re>10,螺旋角在545 度之間。
其中"r。- ("p-l)， 為管排數，"p為折流板數。
螺旋折流板管殼式換熱器殼側阻力關聯式
單位螺距下不考慮旁路流時流體螺旋流過管束的壓降
考慮旁路流動時，整體螺旋折流板管殼式換熱器管束區壓降 進出口區壓降
化《％ 進出口接管壓降損失大小為
換熱器殼側總壓降
其中——流體橫掠管排數；
42——流體橫掠理想管束阻力因子； A-螺j g/匪；
/,。~W效管^/mm; v——接管內流體流^I/m/s; P——^t體密度/kg/m35 上述公式中^系列均為對換熱系數的修正因子，Z系列為對壓降的修 正因子。
其中^， Z2為熱物性影響因子；
K為單管擴充到管束的影響因子；
j;層流下逆溫度梯度修正因子；Re數大于100時不考慮，取為1;
K， Z3管束與殼體旁路流修正因子；
S, 25進出口折流板間距影響修正因子；
K, Z6橫流特性變化因子；只與螺旋角度有關；
K。， Z7湍流增強因子；只與螺旋角度有關。
其具體球程如下
1) 根據已知熱力參數確定熱負荷；
2) 根據介質的腐蝕性、粘度、結垢性確定換熱器內管束布置形式；
3) 根據換熱器進出口溫度及換熱器內管束布置形式計算對數平均溫 差，并計算出所需的各物性參數；4) 預估換熱器的總傳熱系數，并根據已知的熱負荷初算換熱器所需 的傳熱面積；
5) 選定管子有效換熱長度或者換熱器殼內徑，若固定有效管長則根 據初算的傳熱面積直接得到所需的換熱管數目，然后估算布管圓直徑隨之 確定殼徑，反之，如果已知殼內徑，則可估算出出布管圓直徑，根據布管 圓直徑可以估算換熱管數目，最后根據初算的換熱面積計算出所需管長；
6) 根據設計要求初選折流板螺旋角及搭接比例，根據已知參數計算 出殼側流速，管側流速以及兩側Re數，隨后，計算出各修正因子涉及到 的幾何參數及工藝參數，從而確定換熱及壓降修正因子；
7) 根據得到的換熱和壓降修正因子，計算得到初選的換熱器在當前 幾何參數下的殼側換熱系數和壓降，
8) 根據Gnidinski公式和Weisbach-Darcy公式計算管側換熱系數及壓
降；
9) 計算出當前設計參數下換熱器所達到的熱負荷，當該熱負荷較之 實際工藝所需熱負荷有10-15%左右的余度及換熱器兩側壓降均滿足許用 壓降要求時即設計完畢，當前幾何參數下的換熱器既為滿足工藝要求的換 熱器；若不滿足則調整預估總傳熱系數，并重復步驟(4) 一 (9)直至符 合要求。
在對該設計方法進行校核驗證時，選用了經過實驗測定的五臺螺旋折 流板管殼式換熱器作為算例，根據實驗測量的過程參數進行設計及阻力和 換熱性能的預測，將計算結果與換熱器的實際幾何參數及實測壓降和換熱 系數進行了比較，其中壓降和總傳熱系數的計算誤差在20-30%之內，其 精度完全滿足工程需要。
權利要求
1、一種螺旋折流板管殼式換熱器的設計方法，其特征在于1)根據已知熱力參數確定熱負荷；2)根據介質的腐蝕性、粘度、結垢性確定換熱器內管束布置形式；3)根據換熱器進出口溫度及換熱器內管束布置形式計算對數平均溫差，并計算出所需的各物性參數；4)預估換熱器的總傳熱系數，并根據已知的熱負荷初算換熱器所需的傳熱面積；5)選定管子有效換熱長度或者換熱器殼內徑，若固定有效管長則根據初算的傳熱面積直接得到所需的換熱管數目，然后估算布管圓直徑隨之確定殼徑，反之，如果已知殼內徑，則可估算出出布管圓直徑，根據布管圓直徑可以估算換熱管數目，最后根據初算的換熱面積計算出所需管長；6)根據設計要求初選折流板螺旋角及搭接比例，根據已知參數計算出殼側流速，管側流速以及兩側Re數，隨后，計算出各修正因子涉及到的幾何參數及工藝參數，從而確定換熱及壓降修正因子；7)根據得到的換熱和壓降修正因子，計算得到初選的換熱器在當前幾何參數下的殼側換熱系數和壓降，8)根據Gnielinski公式和Weisbach-Darcy公式計算管側換熱系數及壓降；9)計算出當前設計參數下換熱器所達到的熱負荷，當該熱負荷較之實際工藝所需熱負荷有10-15％左右的余度及換熱器兩側壓降均滿足許用壓降要求時即設計完畢，當前幾何參數下的換熱器既為滿足工藝要求的換熱器；若不滿足則調整預估總傳熱系數，并重復步驟(4)-(9)直至符合要求。
全文摘要
一種螺旋折流板管殼式換熱器的設計方法，首先，通過參考螺旋折流板管殼式換熱器使用與螺旋折流板管殼式換熱器幾何結構參數有關的修正因子對流體掠過理想管束的阻力及換熱關聯式進行修正后獲得了計算螺旋折流板管殼式換熱器殼側壓降及換熱系數的方法，隨后在此基礎上，采用弓形折流板管殼式換熱器設計所廣泛使用的Bell-Delaware設計方法，提出了根據已知的熱力參數，進行螺旋折流板管殼式換熱器工藝幾何參數設計的方法。根據本發明中的設計方法，可以更準確而高效的設計出滿足給定熱負荷任務所需的換熱器，設計效率和準確度高，所設計的換熱器性能更貼近設計任務所要求達到的性能，大大減少原料與成本浪費。
文檔編號F28D7/10GK101338984SQ20081015056
公開日2009年1月7日 申請日期2008年8月8日 優先權日2008年8月8日
發明者何雅玲, 張劍飛, 陶文銓 申請人:西安交通大學