专利名称：一种螺旋折流板管壳式换热器的设计方法
技术领域：
本发明涉及一种换热器的设计方法，具体涉及一种螺旋折流板管壳式 换热器的设计方法。
背景技术：
管壳式换热器是炼油、化工、环保、能源、电力等工业中一种重要的 设备。其中使用历史最为悠久的为弓形折流板管壳式换热器。虽然弓形折 流板管壳式换热器属于换热器行业使用量最大的一种管壳式换热器，但是
由于其结构特点，存在沿程压降较大；易出现流动死区；易结垢并且易诱 导换热管振动等缺点，长久以来一直有研究者不断对其结构进行改良，但 是都未能脱离其基本结构。
90年代初，由捷克科学家Lutcha, Stehlik， Nemcansky以及Kral等 首次提出螺旋折流板管壳式管壳式换热器，并对其做了系统的实验研究， 研究表明，螺旋折流板管壳式换热器具有压降低、振动小、结塘少，以及 综合换热性能好等优点。并通过实验研究分析了螺旋折流板的主要几何参 数对其压降及换热性能的影响。但是随后美国ABB公司买断了其相关研究 成果，对于该换热器的详细性能分析和设计方法在公开发表的文献中都只 给出了非常有限的信息。
目前为止，管壳式换热器中最为成熟的设计方法为针对弓形折流板换 热器的Bell-Delaware方法，该方法的详细实施过程已普遍见于各类换热 器手册之中。基于这一方法，美国传热协会(HTRI)和英国传质传热协会(HTFS)各自开发出了相关商用软件，广泛应用于换热器行业，形成行业垄 断地位，取得了巨大的商业效益。
对于螺旋折流板管壳式换热器的设计而言，无论国内外均未见有公开 发表的相关文献资料，更未见有相关的商用软件，这些都给螺旋折流板管 壳式换热器的设计制造以及推广应用带来很大的困难，所以总结出一套有 效的设计计算方法具有很重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种使用单相介质及光管的单壳程多管程螺 旋折流板管壳式换热器的壳侧阻力及换热关联式，并基于Bell-Delaware 方法，提出根据已知的过程参数进行螺旋折流板管壳式换热器的设计方 法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是
1) 根据已知热力参数确定热负荷；
2) 根据介质的腐蚀性、粘度、结垢性确定换热器内管束布置形式；
3) 根据换热器进出口温度及换热器内管束布置形式计算对数平均温 差，并计算出所需的各物性参数；
4) 预估换热器的总传热系数，并根据已知的热负荷初算换热器所需 的传热面积；
5) 选定管子有效换热长度或者换热器壳内径，若固定有效管长则根 据初算的传热面积直接得到所需的换热管数目，然后估算布管圆直径随之 确定壳径，反之，如果已知壳内径，则可估算出出布管圆直径，根据布管 圆直径可以估算换热管数目，最后根据初算的换热面积计算出所需管长；
6) 根据设计要求初选折流板螺旋角及搭接比例，根据已知参数计算
出壳侧流速，管侧流速以及两侧Re数，随后，计算出各修正因子涉及到 的几何参数及工艺参数，从而确定换热及压降修正因子；
7) 根据得到的换热和压降修正因子，计算得到初选的换热器在当前 几何参数下的壳侧换热系数和压降，
8) 根据Gnielinski公式和Wdsbach-Darcy公式计算管侧换热系数及压
降；
9) 计算出当前设计参数下换热器所达到的热负荷，当该热负荷较之 实际工艺所需热负荷有10-15%左右的余度及换热器两侧压降均满足许用 压降要求时即设计完毕，当前几何参数下的换热器既为满足工艺要求的换 热器；若不满足则调整预估总传热系数，并重复步骤(4) — (9)直至符 合要求。
目前螺旋折流板换热器的设计大多是参考从前的实验结果及已使用 中的设备采用人为预估和猜测放大余量的方法来进行的，设计过程效率 低，准确度不高，缺乏可靠的依据，并且通常过分放大余量来保证设计能 够完满完成，导致所设计出的换热器性能与所需达到的性能差距较大，原 料和成本浪费比较严重。而根据本发明中的设计方法，可以更准确而高效 的设计出满足给定热负荷任务所需的换热器，设计效率和准确度高，所设 计的换热器性能更贴近设计任务所要求达到的性能，大大减少原料与成本 浪费。
具体实施例方式
本发明总结出使用单相介质及光管的单壳程多管程螺旋折流板管壳 式换热器的壳侧阻力及换热关联式，并基于Bell-Delaware方法，提出根据 已知的过程参,行螺旋皿板管^换热器的工艺几何参数设计的，法。根据相关文献资料所总结的阻力及换热关联式如下 螺旋折流板管壳式换热器壳侧平均Nu数
<formula>formula see original document page 7</formula>
螺旋折流板管壳式换热器壳侧平均换热系数
<formula>formula see original document page 7</formula>
其中:
<formula>formula see original document page 7</formula>
-壳侧流体的导热系数/W/(m K); 上述公式适用范围10<i e<106， 10</V<103， "re>10,螺旋角在545 度之间。
其中"r。- ("p-l)， 为管排数，"p为折流板数。
螺旋折流板管壳式换热器壳侧阻力关联式
单位螺距下不考虑旁路流时流体螺旋流过管束的压降
考虑旁路流动时，整体螺旋折流板管壳式换热器管束区压降 进出口区压降
化《％ 进出口接管压降损失大小为
换热器壳侧总压降
其中——流体横掠管排数；
42——流体横掠理想管束阻力因子； A-螺j g/匪；
/,。~W效管^/mm; v——接管内流体流^I/m/s; P——^t体密度/kg/m35 上述公式中^系列均为对换热系数的修正因子，Z系列为对压降的修 正因子。
其中^， Z2为热物性影响因子；
K为单管扩充到管束的影响因子；
j;层流下逆温度梯度修正因子；Re数大于100时不考虑，取为1;
K， Z3管束与壳体旁路流修正因子；
S, 25进出口折流板间距影响修正因子；
K, Z6横流特性变化因子；只与螺旋角度有关；
K。， Z7湍流增强因子；只与螺旋角度有关。
其具体球程如下
1) 根据已知热力参数确定热负荷；
2) 根据介质的腐蚀性、粘度、结垢性确定换热器内管束布置形式；
3) 根据换热器进出口温度及换热器内管束布置形式计算对数平均温 差，并计算出所需的各物性参数；4) 预估换热器的总传热系数，并根据已知的热负荷初算换热器所需 的传热面积；
5) 选定管子有效换热长度或者换热器壳内径，若固定有效管长则根 据初算的传热面积直接得到所需的换热管数目，然后估算布管圆直径随之 确定壳径，反之，如果已知壳内径，则可估算出出布管圆直径，根据布管 圆直径可以估算换热管数目，最后根据初算的换热面积计算出所需管长；
6) 根据设计要求初选折流板螺旋角及搭接比例，根据已知参数计算 出壳侧流速，管侧流速以及两侧Re数，随后，计算出各修正因子涉及到 的几何参数及工艺参数，从而确定换热及压降修正因子；
7) 根据得到的换热和压降修正因子，计算得到初选的换热器在当前 几何参数下的壳侧换热系数和压降，
8) 根据Gnidinski公式和Weisbach-Darcy公式计算管侧换热系数及压
降；
9) 计算出当前设计参数下换热器所达到的热负荷，当该热负荷较之 实际工艺所需热负荷有10-15%左右的余度及换热器两侧压降均满足许用 压降要求时即设计完毕，当前几何参数下的换热器既为满足工艺要求的换 热器；若不满足则调整预估总传热系数，并重复步骤(4) 一 (9)直至符 合要求。
在对该设计方法进行校核验证时，选用了经过实验测定的五台螺旋折 流板管壳式换热器作为算例，根据实验测量的过程参数进行设计及阻力和 换热性能的预测，将计算结果与换热器的实际几何参数及实测压降和换热 系数进行了比较，其中压降和总传热系数的计算误差在20-30%之内，其 精度完全满足工程需要。
权利要求
1、一种螺旋折流板管壳式换热器的设计方法，其特征在于1)根据已知热力参数确定热负荷；2)根据介质的腐蚀性、粘度、结垢性确定换热器内管束布置形式；3)根据换热器进出口温度及换热器内管束布置形式计算对数平均温差，并计算出所需的各物性参数；4)预估换热器的总传热系数，并根据已知的热负荷初算换热器所需的传热面积；5)选定管子有效换热长度或者换热器壳内径，若固定有效管长则根据初算的传热面积直接得到所需的换热管数目，然后估算布管圆直径随之确定壳径，反之，如果已知壳内径，则可估算出出布管圆直径，根据布管圆直径可以估算换热管数目，最后根据初算的换热面积计算出所需管长；6)根据设计要求初选折流板螺旋角及搭接比例，根据已知参数计算出壳侧流速，管侧流速以及两侧Re数，随后，计算出各修正因子涉及到的几何参数及工艺参数，从而确定换热及压降修正因子；7)根据得到的换热和压降修正因子，计算得到初选的换热器在当前几何参数下的壳侧换热系数和压降，8)根据Gnielinski公式和Weisbach-Darcy公式计算管侧换热系数及压降；9)计算出当前设计参数下换热器所达到的热负荷，当该热负荷较之实际工艺所需热负荷有10-15％左右的余度及换热器两侧压降均满足许用压降要求时即设计完毕，当前几何参数下的换热器既为满足工艺要求的换热器；若不满足则调整预估总传热系数，并重复步骤(4)-(9)直至符合要求。
全文摘要
一种螺旋折流板管壳式换热器的设计方法，首先，通过参考螺旋折流板管壳式换热器使用与螺旋折流板管壳式换热器几何结构参数有关的修正因子对流体掠过理想管束的阻力及换热关联式进行修正后获得了计算螺旋折流板管壳式换热器壳侧压降及换热系数的方法，随后在此基础上，采用弓形折流板管壳式换热器设计所广泛使用的Bell-Delaware设计方法，提出了根据已知的热力参数，进行螺旋折流板管壳式换热器工艺几何参数设计的方法。根据本发明中的设计方法，可以更准确而高效的设计出满足给定热负荷任务所需的换热器，设计效率和准确度高，所设计的换热器性能更贴近设计任务所要求达到的性能，大大减少原料与成本浪费。
文档编号F28D7/10GK101338984SQ20081015056
公开日2009年1月7日 申请日期2008年8月8日 优先权日2008年8月8日
发明者何雅玲, 张剑飞, 陶文铨 申请人:西安交通大学