2-4型管壳式换热器的显式传热计算方法技术

一种2‑4型管壳式换热器的显式传热计算方法，包括以下步骤：步骤1.计算出热容流率之比R；步骤2.计算出G参数；步骤3.计算D参数；步骤4计算出2‑4型管壳式换热器的有效因子P

Explicit heat transfer calculation method of 2-4 shell and tube heat exchanger

【技术实现步骤摘要】
2-4型管壳式换热器的显式传热计算方法
本专利技术涉及换热器的传热计算方法，尤其涉及一种2-4型管壳式换热器的显式传热计算方法。技术背景换热器是化工、石油、钢铁、汽车、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。尤其在化工生产中，换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用甚为广泛。其中管壳式换热器是最典型的间壁式换热器，它是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，在工业上的应用有着悠久的历史，而且至今仍在所有的换热器中占据主导地位。传统的传热计算方法主要是两种，对数平均温差法(LMTD法)和传热效率-传热单元数法(ε-NTU法)。当换热器中的冷热物流进口温度或者其他操作条件发生变化时，如果采用对数平均温差法，需要通过试算法假设出口温度，从相应的温差修正系数图中查询得到温差修正系数FT，再根据纯逆流对数平均温差与温差修正系数计算平均传热温差，再校核热负荷是否前后一致，计算过程繁琐，精度差、效率低，不便使用；如果采用传热效率-传热单元数法，则需要已知传热效率与传热单元数之间的函数关系，对纯逆流、并流换热以外的各种流动型式，传热效率-传热单元数之间的解析关系难以获得，无法使用。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种2-4型管壳式换热器的显式传热计算方法，本方法基于热量守恒关系和传热过程方程，对各种参数之间的关系进行数学推导，从而建立了一种不依赖出口温度的显式传热计算方法，特别适合于操作型传热问题的求解。为了解决上述技术问题本专利技术所采用的技术方案是：一种2-4型管壳式换热器的显式传热计算方法，包括以下步骤：步骤1.已知热流的热容流率CPH和冷流的热容流率CPC的比值，根据公式(1)计算出热容流率之比R：其中，CPH为热流体的热容流率，即质量流量与比热容的乘积；CPC为冷流体的热容流率，即质量流量与比热容的乘积；步骤2.已知冷流的热容流率CPC,总传热系数U,传热面积A,热容流率之比R和换热器串联的个数NSHELLS，根据公式(2)计算出G参数：其中，U为总传热系数；A为传热面积；NSHELLS为串联的换热器壳体个数；步骤3.已知步骤2中计算出的G参数和步骤1中计算出的热容流率之比R，根据公式(3)计算D参数：步骤4.已知步骤2中计算出的G参数，步骤3中计算出的D参数和步骤1中计算出的热容流率之比R，根据公式(4)计算出2-4型管壳式换热器的有效因子P2-4：步骤5.已知2-4型管壳式换热器的有效因子P2-4和热容流率之比R两个参数，根据公式(5)求出温差修正系数FT，对2-4型管壳式换热器，FT的表达式为：其中，R≠1；针对不同的流型，FT表达式不同；步骤6.根据总传热系数U，传热面积A，热容流率之比R，冷流体的热容流率CPC和温差修正系数FT,根据公式(6)求出X参数：步骤7.已知热冷物流的进口温度TH1、TC1、热容流率之比R和步骤6计算得到的X参数，根据公式(7)和(8)求出热、冷物流的出口温度TH2，TC2：(R-1)TH1+R(X-1)TC1+(1-RX)TH2＝0(7)(X-1)TH1+X(R-1)TC1+(1-RX)TC2＝0(8)其中，TH1为热流体的入口温度；TH2为热流体的出口温度；TC1为冷流体的入口温度；TC2为冷流体的出口温度。对操作型传热问题，已知进口温度TH1和TC1以及U、A、CPH和CPC，则联立公式(7)和(8)，就可以求解出口温度TH2和TC2；步骤8.根据热平衡方程，根据热流体的热容流率CPH或冷流体的热容流率CPC，热/冷物流的进出口温度TH1，TH2或者TC1，TC2，采用公式(9)求解换热器的传热量Q：Q＝CPH(TH1-TH2)或Q＝CPC(TC2-TC1)(9)。本专利技术提供了一种新的显式传热计算方法，在不知道冷、热物流的出口温度的情况下，求解2-4型管壳式换热器的传热问题。该方法可避免试算、查图等繁琐的计算步骤，并减少了计算过程的误差，计算效率高，特别适合于求解操作型传热问题。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：对2-4型管壳式换热器的传热问题，如果已知热流体的热容流率CPH，冷流体的热容流率CPC，总传热系数U，传热面积A，热冷物流的进口温度TH1和TC1和换热器串联的个数NSHELLS，无需试凑、查图等繁杂的操作，可以直接求解出热、冷流体的出口温度TH2和TC2、换热器的温差修正系数、平均传热温差以及换热器的热负荷大小。附图说明：图1是2-4型管壳式换热器示意图。图2是对数平均温差法中使用的温差修正系数FT图。具体实施方式：为了更好的说明本专利技术的应用效果，现对该方法结合具体应用实例进行说明。下面结合实例对本专利技术作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本专利技术的理解，而对其不起任何限定作用。参照图1和图2，一种2-4型管壳式换热器的显式传热计算方法，包括以下步骤：步骤1.已知热流的热容流率CPH和冷流的热容流率CPC的比值，根据公式(1)计算出热容流率之比R：其中，CPH为热流体的热容流率，即质量流量与比热容的乘积；CPC为冷流体的热容流率，即质量流量与比热容的乘积；步骤2.已知冷流的热容流率CPC,总传热系数U,传热面积A,热容流率之比R和换热器串联的个数NSHELLS，根据公式(2)计算出G参数：其中，U为总传热系数；A为传热面积；NSHELLS为串联的换热器壳体个数；步骤3.已知步骤2中计算出的G参数和步骤1中计算出的热容流率之比R，根据公式(3)计算D参数：步骤4.已知步骤2中计算出的G参数，步骤3中计算出的D参数和步骤1中计算出的热容流率之比R，根据公式(4)计算出2-4型管壳式换热器的有效因子P2-4：步骤5.已知2-4型管壳式换热器的有效因子P2-4和热容流率之比R两个参数，根据公式(5)求出温差修正系数FT，对2-4型管壳式换热器，FT的表达式为：其中，R≠1；针对不同的流型，FT表达式不同：步骤6.根据总传热系数U，传热面积A，热容流率之比R，冷流体的热容流率CPC和温差修正系数FT,根据公式(6)求出X参数：步骤7.已知热冷物流的进口温度TH1、TC1、热容流率之比R和步骤6计算得到的X参数，根据公式(7)和(8)求出热、冷物流的出口温度TH2，TC2：(R-1)TH1+R(X-1)TC1+(1-RX)TH2＝0(7)(X-1)TH1+X(R-1)TC1+(1-RX)TC2＝0(8)其中，TH1为热流体的入口温度；TH2为热流体的出口温度；TC1为冷流体的入口温度；TC2为冷流体的出口温度。对操作型传热问题，已知进口温度TH1和TC1以及U、A、CPH和CPC，则联立公式(7)和(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种2-4型管壳式换热器的显式传热计算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：/n步骤1.已知热流的热容流率CP

【技术特征摘要】
1.一种2-4型管壳式换热器的显式传热计算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1.已知热流的热容流率CPH和冷流的热容流率CPC的比值，根据公式(1)计算出热容流率之比R：



其中，CPH为热流体的热容流率，即质量流量与比热容的乘积；CPC为冷流体的热容流率，即质量流量与比热容的乘积；
步骤2.已知冷流的热容流率CPC,总传热系数U,传热面积A,热容流率之比R和换热器串联的个数NSHELLS，根据公式(2)计算出G参数：



其中，U为总传热系数；A为传热面积；NSHELLS为串联的换热器壳体个数；
步骤3.已知步骤2中计算出的G参数和步骤1中计算出的热容流率之比R，根据公式(3)计算D参数：



步骤4.已知步骤2中计算出的G参数，步骤3中计算出的D参数和步骤1中计算出的热容流率之比R，根据公式(4)计算出2-4型管壳式换热器的有效因子P2-4：



步骤5.已知2-4型管壳式换热器的有效因子P2-4和热容流率之比R两个参数，根据公式(5)求出温差修正系数FT，对2-4型管壳式换热器，FT的表...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋宁，徐新杰，范伟，徐英杰，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33