一种壳程冷凝管程沸腾的缠绕管式换热器设计方法技术

本发明专利技术公开了一种壳程冷凝管程沸腾的缠绕管式换热器设计方法,所述缠绕管式换热器的壳程和管程分为液相段和冷凝段两部分，或者所述壳程分为液相段、冷凝段和气相段三部分,其设计方法包括以下步骤，输入工质的物性参数，输入设计的额定工况，根据设计要求，给定结构参数，按照工质的露点温度和泡点温度将壳程分为液相段、冷凝段和气相段三个部分，分别计算三部分对应的换热系数h

【技术实现步骤摘要】
一种壳程冷凝管程沸腾的缠绕管式换热器设计方法
本专利技术涉及缠绕管式换热器
，尤其涉及一种壳程冷凝管程沸腾的缠绕管式换热器设计方法。
技术介绍
螺旋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。螺旋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，螺旋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，均采用螺旋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，螺旋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。螺旋绕管式换热器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。该类换热器的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种壳程冷凝管程沸腾的缠绕管式换热器设计方法，其特征在于，按照工质的泡点和露点，所述缠绕管式换热器的壳程和管程分为液相段和冷凝段两部分，或者所述壳程分为液相段、冷凝段和气相段三部分，并且分别对相应分段进行设计计算，确定各段的换热系数、压降、换热量、换热面积和缠绕段轴向有效换热长度；/n如果该缠绕管式换热器程出口段干度小于1，则整个缠绕管式换热器分为两个部分，分别为气相段和冷凝段；如果出口干度等于0，则整个缠绕管式换热器分为液相段、冷凝段和气相段三个部分；如果出口干度等于1，则壳程为单一气相段。/n

【技术特征摘要】
1.一种壳程冷凝管程沸腾的缠绕管式换热器设计方法，其特征在于，按照工质的泡点和露点，所述缠绕管式换热器的壳程和管程分为液相段和冷凝段两部分，或者所述壳程分为液相段、冷凝段和气相段三部分，并且分别对相应分段进行设计计算，确定各段的换热系数、压降、换热量、换热面积和缠绕段轴向有效换热长度；
如果该缠绕管式换热器程出口段干度小于1，则整个缠绕管式换热器分为两个部分，分别为气相段和冷凝段；如果出口干度等于0，则整个缠绕管式换热器分为液相段、冷凝段和气相段三个部分；如果出口干度等于1，则壳程为单一气相段。


2.根据权利要求1所述的一种壳程冷凝管程沸腾的缠绕管式换热器设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：输入工质的物性参数；
S2：输入设计的额定工况；
S3：根据设计要求，给定结构参数；
S4：按照工质的露点温度和泡点温度将壳程分为液相段、冷凝段和气相段三个部分，分别计算三部分对应的换热系数hL、hTP(j)和hG；
S5：根据热平衡，计算液相段的换热面积、换热量和泡点温度位置；
S6：根据热平衡，计算冷凝段的换热面积、换热量和露点温度的位置；
S7：根据热平衡，计算气相段的换热面积、换热量；
S8：将液相段、气相段和冷凝段的换热量相加，核算总换热面积Atot、总换热量Qdesign、缠绕段总长度E、泡点温度位置和露点温度位置；
S9：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；
S10：计算螺旋缠绕管式换热器管程压降和壳程压降，包括：管程压降ΔPdesign,tube、壳程总压降ΔPdesign,shell,tot、壳程液相段压降ΔPdesign,L、壳程冷凝相段压降ΔPdesign,TP、壳程气相段压降ΔPdesign,G；
S11：根据设计计算判定ΔPload,shell,tot≥ΔPdesign,shell,tot和ΔPload,tube≥ΔPdesign,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所述的一种壳程冷凝管程沸腾的缠绕管式换热器设计方法，其特征在于，所述S1步骤中工质的物性参数包括工质的比热、导热率、密度、露点温度和泡点温度；所述S2步骤设计的额定工况包括：热载荷Qload、壳程允许压降ΔPload,shell、管程允许压降ΔPload,tube、换热裕量、面积余量；所述S3步骤的结构参数包括：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。


4.根据权利要求2所述的一种壳程冷凝管程沸腾的缠绕管式换热器设计方法，其特征在于，所述设计方法还包括缠绕管的布置方法，所述缠绕管的布置方法为：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HT相同，不同层缠绕管的轴向管间距HL,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Dco、层间隙BT、层数m和芯筒直径DC的几何约束关系为：Dco,m＝DC+2mBT+(2m-1)do，m≤(DB-DC)/2ST；径向层间距HT和径向层间隙BT、第m层的轴向管间距SL,m和轴向管间隙BL,m的数学表达式为：ST＝do+BT，SL,m＝(do+BL,m)/cos(ε)；每层缠绕管中，缠绕管数量nm、缠绕角ε、缠绕直径Dco,m、缠绕导程Pm和轴向管间距SL,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Lco的数学表达式为：E＝N·Pm,其中，DB为缠绕直径，DC为芯筒直径，do为管子外径，BL为同层的每两根缠绕管之间的间隙，ST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；Pm为第m层缠绕管导程；nm为第m层缠绕管的数量；do为缠绕管的外径；ε为缠绕管的缠绕角；Nm为第m层缠绕管的缠绕圈数；Pm为第m层缠绕管的导程；Dco,m第m层缠绕管的缠绕直径。


5.根据权利要求2所述的一种壳程冷凝管程沸腾的缠绕管式换热器设计方法，其特征在于，所述壳程液相段和气相段的换热系数计算方法均采用相变的Two-ResistanceModel对冷凝相变过程进行分析，冷凝相变过程能量关系的数学表达式为Qt＝hconA(TV-Twall)，QL＝hcfA(Ti-Twall)＝hLA(Ti-TL)+QL,i，QV＝hVA(Ti-TV)+QV,i，QVL＝＝hVLA(TV-TL)
其中，Qt为冷凝过程的总换热量；QL为冷凝液的吸热量；QV为气相的放热量；QVL为气液交界面的换热量；hcon为冷凝过程总传热系数；hL为冷凝过程液相的换热系数；hV为冷凝过程气相传热系数；hVL为气液相界面换热系数，换热系数对应的数学关系如下所示：冷凝过程总传热系数hcon的数学表达式...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩勇，朱有健，吴学红，张振亚，杨伟，王燕令，曹泷，
申请(专利权)人：郑州轻工业大学，
类型：发明
国别省市：河南;41