一种空温式气化器的换热区间设计方法与流程

1.本发明涉及换热器技术领域，尤其涉及一种空温式气化器的换热区间设计方法。


背景技术：

2.气化器是一种将过冷气体由液态转化为气态的设备。空温式气化器是利用空气为热交换介质，空气由空温式气化器的顶部向下流动，将冷量带走，实现换热，具有节能型环保效果。基于气体的不同形态，空温式气化器分为过冷段、汽化段以及加热段，过冷段内气体呈液态，汽化段内气体呈气液混合状态，加热段则为气态。过冷段、汽化段以及加热段集成为一台设备。
3.现有技术中，为了达到连续运行的要求，将两台空温式气化器并联，仅一台工作，当空温式气化器的表面结霜或结冰时换热效率大大降低，此时，切换另一台空温式气化器工作。这就要求两台空温式气化器都有较强的工作能力，而空温式气化器的工作能力是跟其管道数量有关，较强的工作能力的空温式气化器体积大、用材多，导致占地面积大和设备成本高。
4.有鉴于此，如何提供一种空温式气化器的换热区间的设计方法，以缩小设备体积是亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提出一种空温式气化器的换热区间的设计方法，对预先设计的管程布局进行验算，以验算值结合环境露点温度计算表面温度高于露点温度的换热面积比例，将该部分换热面积独立出来作为一台气化器，能在很大程度上减少设备材料，缩小设备体积。
6.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
7.一种空温式气化器的换热区间设计方法，包括以下步骤：
8.根据现场占地和介质流量，预先设计气化器的管程的排布和数量；
9.根据管程的排布和数量计算过冷区间、汽化区间和加热区间的介质流速，确定介质流体状态；
10.根据介质与气化器表面的温差、介质的换热系数和气化器的换热性能，计算过冷段区间、汽化段区间和过冷段区间所需的换热面积；
11.根据换热面积反推过冷区间、汽化区间和加热区间的换热管高度，得到预先设计的管程布局；
12.根据预先设计的管程布局，进行验算，得到过冷区间、汽化区间和加热区间的所需换热面积的验算值；
13.根据验算值得出气化器中表面温度高于露点温度的换热面积比例，将该高于露点温度的换热面积单独出来位于第一气化器，剩余的换热面积位于第二气化器；
14.若验算值超过或小于设计的管程布局的换热面积值10％，则重新设计管程布局。
15.进一步的，所述根据介质与气化器表面的温差、介质的换热系数和气化器的换热性能，计算过冷段区间、汽化段区间和过冷段区间所需的换热面积的步骤如下：
16.计算外界温度与介质在气化器各个表面的相对温差t；
17.计算外界空气与气化器的表面换热系数w1；
18.计算气化器材料的热阻和计算翅片的效率η；
19.计算过冷区间、汽化区间和加热区间的介质流体的换热系数w2；
20.计算气化器长时间使用后附着污垢的热阻r；
21.根据t、w1、η、w2和r计算过冷区间、汽化区间和加热区间所需的换热面积。
22.进一步的，所述计算外界温度与介质在气化器各个表面的相对温差t的方法为：
23.根据介质流体的状态选择计算公式，当介质流体状态为液态和气态时以算数平均温差公式，当介质流体状态为气液混合状态时以对数平均温差公式计算；
24.根据上述的温差公式，结合介质流体与外界空气流体的顺流和逆流，计算气化器表面的相对温差t。
25.进一步的，所述设定外界空气与气化器的表面换热系数w1的方法为：首先设定一个经验值，之后在验算时进行修正。
26.进一步的，所述计算气化器材料的热阻和计算翅片的效率η的方法为：根据热传导公式计算气化器材料的热阻，根据换热器翅片效率公式计算翅片的效率η。
27.进一步的，所述根据预先设计的管程布局，进行验算，得到过冷区间、汽化区间和加热区间的所需换热面积的验算值的步骤为：
28.根据预先设计的管程布局计算过冷区间、汽化区间和加热区间的介质流速，确定介质流体状态；
29.根据介质与气化器表面的温差、介质的换热系数和气化器的换热性能，计算过冷段区间、汽化段区间和过冷段区间所需的换热面积，即为验算值。
30.进一步的，当所述验算值未超过或小于设计的管程布局的换热面积值10％，且所述设计的管程布局的换热面积值大于所述验算值时，在所述验算值增加换热面积后计算气化器中表面温度高于露点温度的换热面积比例。
31.进一步的，所述气化器中表面温度高于露点温度的换热面积比例的计算方法包括以下步骤：
32.根据验算值确定的换热系数计算过冷区间、汽化区间和加热区间的表面温度，找到表面温度高于当露点温度的区间；
33.利用穷举法，推导表面温度高于露点温度的换热面积比例；
34.将该高于露点温度的换热面积单独出来，并增加安全系数换热面积，作为第一气化器，剩余的换热面积位于气化器；
35.所述第一气化器和所述第二气化器串联，按照介质流体的流动方向，第二气化器位于第一气化器的上游。
36.进一步的，所述重新设计管程布局再次进行验算，直至验算值未超过或小于设计的管程布局的换热面积值10％。
37.本发明提供的技术方案可以包括以下有益效果：
38.本发明的方法中，通过对预先涉及的管程布局进行验算，该验算结果与想要达到
的生产规模相适应，该验算结果结合当地环境的露点温度，计算出表面温度高于露点温度的换热面积比例，该换热面积位于第一气化器，而其余的换热面积位于第二气化器，就这使得第一气化器在工作过程中不结霜或者少结霜，能一直处于工作状态无需停机，因此，减少了两台并联的第二气化器的加热区间，第二气化器仅具有过冷段和汽化段即可，能在很大程度上缩小整个气化设备的体积。
39.采用本发明的方法进行空温式气化器的换热区间设计，可靠性高。
附图说明
40.图1是本发明一个实施例的空温式气化器的换热区间设计方法的流程图。
具体实施方式
41.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
42.在本发明的描述中，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征，用于区别描述特征，无顺序之分，无轻重之分。
43.在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
44.下面结合图1，描述本发明实施例的一种空温式气化器的换热区间设计方法。
45.如图1所示，本发明提供一种空温式气化器的换热区间设计方法，包括以下步骤：
46.根据现场占地和介质流量，预先设计气化器的管程的排布和数量；
47.根据管程的排布和数量计算过冷区间、汽化区间和加热区间的介质流速，确定介质流体状态，具体的，采用化工流速计算公式和雷诺公式进行计算；
48.根据介质与气化器表面的温差、介质的换热系数和气化器的换热性能，计算过冷段区间、汽化段区间和过冷段区间所需的换热面积；
49.根据换热面积反推过冷区间、汽化区间和加热区间的换热管高度，得到预先设计的管程布局；
50.根据预先设计的管程布局，进行验算，得到过冷区间、汽化区间和加热区间的所需换热面积的验算值；
51.根据验算值得出气化器中表面温度高于露点温度的换热面积比例，将该高于露点温度的换热面积单独出来位于第一气化器，剩余的换热面积位于第二气化器；
52.若验算值超过或小于设计的管程布局的换热面积值10％，则重新设计管程布局。
53.本发明的方法中，通过对预先涉及的管程布局进行验算，该验算结果与想要达到的生产规模相适应，该验算结果结合当地环境的露点温度，计算出表面温度高于露点温度的换热面积比例，该换热面积位于第一气化器，而其余的换热面积位于第二气化器，就这使得第一气化器在工作过程中不结霜或者少结霜，能一直处于工作状态无需停机，因此，减少了两台并联的第二气化器的加热区间，第二气化器仅具有过冷段和汽化段即可，能在很大程度上缩小整个气化设备的体积。
54.本发明的方法中，第一气化器在工作程中不结霜或少结霜，就需确保第一气化器在使用过程中其平均表面温度不低于或接近使用现场露点温度，这就需要对前端的第二气
化器的换热能力进行精确的计算，本发明通过增加验算过程，确保第二气化器排出的介质流体温度不会太低，从而保证第一气化器的整体包面温度不至于太低。采用本发明的方法进行空温式气化器的换热区间设计，可靠性高。
55.需要说明的是，本发明的方法为换热区间设计方法，空温式气化器在实际使用的过程中收到环境温度、环境空气流动和气候的影响，其换热能力也在一定程度上出现波动，本发明是基于现场占地和介质流量来进行初步设计的，因此，验算值与设计值的偏差在10％内即能保证正常生产。
56.更进一步说明，第二气化器根据介质与气化器表面的温差、介质的换热系数和气化器的换热性能，计算过冷段区间、汽化段区间和过冷段区间所需的换热面积的步骤如下：
57.计算外界温度与介质在气化器各个表面的相对温差t；
58.计算外界空气与气化器的表面换热系数w1；
59.计算气化器材料的热阻和计算翅片的效率η；
60.计算过冷区间、汽化区间和加热区间的介质流体的换热系数w2；
61.计算气化器长时间使用后附着污垢的热阻r；
62.根据t、w1、η、w2和r计算过冷区间、汽化区间和加热区间所需的换热面积。
63.以上述的技术方法获得各区间所需的换热面积更加精准，具体的，第二气化器计算外界温度与介质在气化器各个表面的相对温差t的方法为：
64.根据介质流体的状态选择计算公式，当介质流体状态为液态和气态时以算数平均温差公式，当介质流体状态为气液混合状态时以对数平均温差公式计算；
65.根据上述的温差公式，结合介质流体与外界空气流体的顺流和逆流，计算气化器表面的相对温差t。
66.具体的，第二气化器设定外界空气与气化器的表面换热系数w1的方法为：首先设定一个经验值，之后在验算时进行修正。
67.具体的，第二气化器计算气化器材料的热阻和计算翅片的效率η的方法为：根据热传导公式计算气化器材料的热阻，根据换热器翅片效率公式计算翅片的效率η。
68.更进一步说明，第二气化器根据预先设计的管程布局，进行验算，得到过冷区间、汽化区间和加热区间的所需换热面积的验算值的步骤为：
69.根据预先设计的管程布局计算过冷区间、汽化区间和加热区间的介质流速，确定介质流体状态；
70.根据介质与气化器表面的温差、介质的换热系数和气化器的换热性能，计算过冷段区间、汽化段区间和过冷段区间所需的换热面积，即为验算值。
71.需要说明的是，该验算过程与设计阶段计算各区换热面积的过程是一致的，这就使得两个计算过程使用的公式和参数保持一致。
72.更进一步说明，当第二气化器验算值未超过或小于设计的管程布局的换热面积值10％，且第二气化器设计的管程布局的换热面积值大于第二气化器验算值时，在第二气化器验算值增加换热面积后计算气化器中表面温度高于露点温度的换热面积比例。由此，当预先的设计值大于验算值，且两者的差值小于设计值的10％时，将验算值增大后才计算位于第一气化器的换热面积，这就能进一步保证第一气化器在工作过程中能不结霜。
73.更进一步说明，第二气化器中表面温度高于露点温度的换热面积比例的计算方法
包括以下步骤：
74.根据验算值确定的换热系数计算过冷区间、汽化区间和加热区间的表面温度，找到表面温度高于当露点温度的区间；
75.利用穷举法，推导表面温度高于露点温度的换热面积比例；
76.将该高于露点温度的换热面积单独出来，并增加安全系数换热面积，作为第一气化器，剩余的换热面积位于气化器；
77.第二气化器第一气化器和第二气化器第二气化器串联，按照介质流体的流动方向，第二气化器位于第一气化器的上游。
78.该第一气化器换热面积的计算方法更加可靠，保证第一气化器在额定工作量的情况下能够连续工作。
79.更进一步说明，第二气化器重新设计管程布局再次进行验算，直至验算值未超过或小于设计的管程布局的换热面积值10％。
80.根据本发明实施例的一种空温式气化器的换热区间设计方法的其他构成等以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。
81.在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
82.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。