(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 20221091823 6.8 (22)申请日 2022.08.01 (71)申请人 郑州轻工业大 学 地址 450000 河南省郑州市高新区科 学大 道136号 (72)发明人 韩勇　杨伟　金听祥　李运泉　 卢伟业　吴学红　冯俊波　李嘉妮　 (74)专利代理 机构 成都佳划信知识产权代理有 限公司 5126 6 专利代理师 楚鸿艳 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) F28D 7/02(2006.01) G06F 119/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01)G06F 113/08(2020.01) G06F 113/14(2020.01) (54)发明名称 一种壳程沸腾管程冷凝的缠绕管式换热器 设计方法 (57)摘要 本发明公开了一种壳程沸腾管程冷凝的缠 绕管式换热器设计方法， 按照管程进出口温度、 壳程进出口温度、 管程工质的露点和泡点、 壳程 工质的露点和泡点， 将整个换热器分为管程冷 凝‑壳程液相段， 管程冷凝 ‑壳程沸腾段， 管程冷 凝‑壳程气相段三个部分， 并且分别对该缠绕管 式换热器三个部分的换热量、 管程表面换热系 数、 壳程表面换热系数、 综合换热系数、 管程压 降、 壳程压降、 换热面积和轴向有效换热长度进 行设计计算； 管程自始至终都为冷凝相变的气液 混合相态， 其管程和壳程的表 面换热系数与干度 相关， 因此， 该缠绕管式换热器三个部分均采用 有限体积的方法进行设计计算。 本发 明提出的壳 程沸腾管程冷凝的缠绕管式换热器的设计方法 有计算精度高、 设计方法完备、 计算效率高等特 点， 具有高度的商业 价值和市场推广价 值。 权利要求书5页 说明书17页 附图3页 CN 115392070 A 2022.11.25 CN 115392070 A 1.一种壳程沸腾管程冷凝的缠绕管式换热器设计方法， 其特征在于， 利用管程工质的 潜热加热壳程工质至沸腾状态； 根据管程出口温度、 壳程出口温度、 管程工质的露点和泡 点、 壳程工质的露点和泡点， 将整个换热器分为管程冷凝 ‑壳程液相， 管程冷凝 ‑壳程沸腾， 管程冷凝 ‑壳程气相三个部 分； 管程自始至终都存在相变， 应用有限体积的方法分别对该 缠 绕管式换热器三个部分的换热量、 管程表面换热系 数、 壳程表面换热系 数、 综合换热系数、 管程压降、 壳程压降、 换 热面积和轴向有效换 热长度进行设计 计算。 2.根据权利要求1所述的一种壳程沸腾管程冷凝的缠绕管式换热器设计方法， 其特征 在于， 该缠绕管式换 热器设计 计算包括以下步骤： S1： 输入壳程和管程工质的物性 参数； S2： 输入换 热器设计的额定 工况； S3： 根据管程进出口温度、 壳程进出口温度、 管程工质的露点和泡点、 壳程工质的露点 和泡点， 将整个换热器分为管程冷凝 ‑壳程液相， 管程冷凝 ‑壳程沸腾， 管程冷凝 ‑壳程气相 三个部分； S4： 布置该缠绕管式换热器的壳程结构和管程的结构， 应用有限体积法， 将管程冷凝 ‑ 壳程液相段分为有限个微元体积； S5： 根据管程工质在各个分段微元体积中的干度值， 分别计算管程三部分的表面换热 系数α TTP(i)、 α TTP(j)和α TTP(k)； 壳程三部分的表面换热系数αSL(i)、 αSTP(j)和αS G(k)； 根据热阻原理， 计算各个分段中微元体积的综合换 热系数KL(i)、 KTP(j)和KG(k)； S6： 根据热平衡， 计算管程冷凝 ‑壳程液相段中每个微元体积的换热面积、 换热量和轴 向长度； 利用叠加原理， 计算管程冷凝 ‑壳程液相段的换 热面积、 换 热量和轴向长度； S7： 根据热平衡， 计算管程冷凝 ‑壳程沸腾段中每个微元体积的换热面积、 换热量和轴 向长度； 利用叠加原理， 计算管程冷凝 ‑壳程沸腾段的换 热面积、 换 热量和轴向长度； S8： 根据热平衡， 计算管程冷凝 ‑壳程气相段中每个微元体积的换热面积、 换热量和轴 向长度； 利用叠加原理， 计算管程冷凝 ‑壳程气相段的换 热面积、 换 热量和轴向长度； S9： 将管程冷凝 ‑壳程液相段、 管程冷凝 ‑壳程沸腾段、 管程冷凝 ‑壳程气相段的换热量 和换热面积相加， 核算总换热面积Atot、 总换热量Qdesign、 缠绕段总长度E、 泡点位置和露 点位置； S10： 根据设计计算判定Qdesi gn≥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； S11： 管程冷凝 ‑壳程液相段中， 壳程的干度 为0， 管程的干度 为大于0小于1， 根据每个微 元体积所对应的管程的干度， 计算管程冷凝 ‑壳程液相段中每个微元体积的管程压降|ΔP| TTP(i)和壳程压降|ΔP|SL(i)； 利用叠加原理， 计算管程冷凝 ‑壳程液相段的管程总压降∑ |ΔP|TTP(i)和壳程总压降∑|ΔP|SL(i)； S12： 管程冷凝 ‑壳程沸腾段中， 壳程的干度为大于0且小于1， 管程的干度大于0且小于 1， 根据管程冷凝 ‑壳程沸腾段中每个微元体积所对应的壳程和管程的干度， 计算管程冷凝 ‑ 壳程沸腾段中每个微元体积的管程压降|ΔP|TTP(j)和壳程压降|ΔP|STP(j)； 利用叠加原 理， 计算管程冷凝 ‑壳程沸腾段的管程总压降∑|ΔP| TTP(j)和壳程总压降∑|ΔP|STP(j)； S13： 管程冷凝 ‑壳程沸腾段中， 壳程的干度 为1， 管程的干度大于0且小于1， 根据每个微 元体积所对应的管程的干度， 计算管程冷凝 ‑壳程沸腾段中每个微元体积的管程压降|ΔP|权　利　要　求　书 1/5 页 2 CN 115392070 A 2TTP(k)和壳程压降|ΔP|SG(k)； 利用叠加原理， 计算管程冷凝 ‑壳程沸腾段的管程总压降∑ |ΔP|TTP(k)和壳程总压降∑|ΔP|SG(k)； S14： 利用叠加原理， 计算该缠绕管式换热器管程的总压降|ΔP|design,tube,tot和壳 程的总压降|ΔP|design,shell,tot； 根据设计计算判定|ΔP|load,shell,tot≥|ΔP| design,sh ell,tot和|ΔP |load,tube≥|ΔP |design,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所述的一种壳程沸腾管程冷凝的缠绕管式换热器设计方法， 其特征 在于， 缠绕管内部自始至终存在相变， 应用有限体积法， 分别计算管程冷凝 ‑壳程液相段、 管 程冷凝‑壳程沸腾段、 管程冷凝 ‑壳程气相段中管程的每个微元体积中与干度相关的表面换 热系数αTTP(i)、 αTTP(j)和αTTP(k)， 计算的方法选用Boyko ’s关联式： αTP,tube＝αL,tube ψL,tube,其中， αL,tube为流动全为液相时， 计算得到的管程换热系数， ψL,tube为管程纯液相和冷 凝两相流的换 热修正系数； 缠绕管内部流动换热系数αL,tube的计算分为三个流动状态， 该三个流动状态的强化传 热的单相对流关联式如下 所示： (1)100≤Re≤Recr (2)Recr＜Re≤22000 (3)20000＜Re≤15 0000 ψL,tube为缠绕管式换 热器管程干度的函数， 其数 学表达式如下： 其中， xtube为缠绕管 管程的干度； ρL,tube为液相的密度； ρV,tube为气相的密度。 4.根据权利要求2所述的一种壳程沸腾管程冷凝的缠绕管式换热器设计方法， 其特征 在于， 根据管程进出口温度、 壳程进出 口温度、 管程工质的露点和泡点、 壳程工质的露点和 泡点， 分别将管程冷凝 ‑壳程液相段、 管程冷凝 ‑壳程沸腾段、 管程冷凝 ‑壳程气相段分成若 干个微元体积； 管程冷凝 ‑壳程液相段的管程冷凝段总换热量的数学表达式为： ΔHTTP,a＝∑ ΔHTTP,a(i)＝∑KL(i)ATTP,a(i)ΔTln,TTP,a(i)， 该分段微元体积换热量的数学表达式为： Δ HTTP,a(i)＝ΔHTTP,a(i+1)‑ΔHTTP,a(i)＝KL(i)ATTP,a(i)ΔTln,TTP,a(i)； 管程冷凝 ‑壳程沸腾段 总换热量的数学表达式为： ΔHTTP,b＝∑ΔHTTP,b(j)＝∑KTP(j)ATTP,b(j)ΔTln,TTP,b(j)， 该分 段微元体积换热量的数学表达式为： ΔHTTP,b(j)＝ΔHTTP,b(j+1)‑ΔHTTP,b(j)＝KG(j)ATTP,b (j)ΔTln,TTP,b(j)； 管程冷凝 ‑壳程液相段总换热量的数学表达式为： ΔHTTP,c＝∑ΔHTTP,c(k) ＝∑KL(k)ATTP,c(k)ΔTln,TTP,c(k)， 该分段微元体积换热量的数学表达式为： ΔHTTP,c(k)＝Δ HTTP,c(k+1)‑ΔHTTP,c(k)＝KG(k)ATTP,c(k)ΔTln,G,c(k)； 5.根据权利要求2所述的一种壳程沸腾管程冷凝的缠绕管式换热器设计方法， 其特征权　利　要　求　书 2/5 页 3 CN 115392070 A 3