(19)国家知识产权局 (12)发明 专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 202111501904.9 (22)申请日 2021.12.09 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 114048572 A (43)申请公布日 2022.02.15 (73)专利权人 中国华能集团清洁能源技 术研究 院有限公司 地址 102209 北京市昌平区北七家未来科 技城华能人才创新创业基地实验楼A 楼 (72)发明人 蔡浩飞　彭烁　周贤　姚国鹏　 安航　白烨　王会　 (74)专利代理 机构 西安通大专利代理有限责任 公司 6120 0 专利代理师 王艾华(51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/20(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/08(2020.01) (56)对比文件 CN 109657372 A,2019.04.19 CN 112560359 A,2021.0 3.26 付磊等.管壳式换热器流场数值模拟方法研 究. 《现代制造 工程》 .2013,(第01期), 审查员 王玉鹏 (54)发明名称 一种大型变物性管壳式换热器的设计计算 方法 (57)摘要 本发明公开了一种大型变物性管壳式换热 器的设计计算方法， 管程换热计算、 换热管内外 壁面导热计算和壳程流体域换热计算、 整体耦合 换热计算， 管程的换热采用经验公式， 采用Ic em、 Workbench等网格划分软件， 沿换热管长度方向 在换热管内壁面上划分出多个计算节 点， 在每个 内壁面节点方向上， 计算节点上的换热系数； 壳 程换热系数通过在壳程流体域划分计算网格， 采 用数值模拟仿真计算的方式进行壳程的流动换 热求解； 换热管内外壁面导热计算通过金属的导 热原理进行计算； 最后， 通过换热管内外壁面的 热通量相等， 求解上述换热关系， 获得计算节点 处的内外 换热情况。 本发明实现了大型变物性管 壳式换热器管程内的简化仿真计算和 壳程流动 换热的准确计算。 权利要求书2页 说明书3页 附图1页 CN 114048572 B 2022.12.13 CN 114048572 B 1.一种大型变物性管壳式换热器的设计计算方法， 包括三部分内容： 管程换热计算、 换 热管(3)内外壁面导热计算和壳程流体域(7)换热计算、 整体耦合换热计算， 其特征在于， 管 程的换热采用经验公式， 考虑管内流体沿程物性的变化， 针对流动方向上不同位置处， 采用 Icem、 Workbench等网格划分软件， 沿换热管(3)长度方向在换热管(3)内壁面上划分出多个 计算节点， 在每个内壁面节点方向上， 采用管内流动换热系数经验关联式， 逐一计算节点 (6)上的换热系数； 壳程换热系数通过在壳程流体域(7)划分计算网格， 采用数值模拟仿真 计算的方式进行壳程的流动换热求解； 换热管(3)内外壁面导热计算通过金属的导热原理 进行计算； 最后， 通过换热管(3)内外壁面的热通量相等， 求解上述换热关系， 获得计算节 点 (6)处的内外换 热情况； 具体步骤如下： 步骤1)利用UG、 Solidworks等软件建立大型换热器模型， 模型包括换热管(3)固体区域 和壳程流体域(7)； 步骤2)利用Icem、 Workbench等网格划分软件对换热管(3)固体区域和壳程流体域(7) 进行网格划分， 创建计算节点； 步骤3)将换热管(3)固体区域和壳程流体域(7)的网格文件导入Fluent或CFX等计算流 体软件； 步骤4)编写换热管(3)内的管内流动换热计算程序， 将该程序导入Fluent或CFX软件， 同时设置好壳程 流体入口参数、 流体物性、 固体物性 等参数； 步骤5)计算 开始时， 首 先假定换 热管(3)内壁 面上各个计算节点(6)的温度； 步骤6)利用管内流动换热系数经验关联式， 从管程流体入口开始， 结合当前的换热管 (3)内壁面计算节 点(6)温度和流体主流 温度， 计算换热管(3)内壁面上各个计算节 点(6)的 换热系数； 步骤7)基于各个计算节点的换热系数、 当前换热管(3)内壁面计算节点温度和流体主 流温度， 计算换 热管(3)内壁 面上各个计算节点(6)的热流密度； 步骤8)各个换热管(3)内壁面计算节点(6)的流体主流温度通过管程流体入 口焓减去 前面计算节点上的热流总和计算； 步骤9)换热管(3)的导热计算和壳程流体域(7)的流动换热计算直接采用Fluent 或CFX 对换热管(3)和壳程流体域(7)上的控制方程进行求解， 获得基于壳程流体域(7)流动换热 计算的换 热管(3)内壁 面上各个计算节点(6)的热流密度； 步骤10)步骤7)和步骤9)计算出的换热管(3)内壁面上各个计算节点(6)的热流密度应 该相等， 如果不相等， 利用步骤9)计算的换热管(3)内壁面上各个计算节点(6)的热流密度 对换热管(3)内壁面计算节 点(6)温度进行修正， 重复进行步骤5)到步骤10)， 直到步骤 7)和 步骤9)计算的换热管(3)内壁面上各个计算节 点(6)的热流密度相等， 完成管壳式换热器的 流动换热计算。 2.根据权利要求1所述的一种大型变物性管壳式换热器的设计计算方法， 其特征在于， 步骤4)中， 计算 程序包括换 热系数经验关联式计算、 管程 流体入口参数。 3.根据权利要求1所述的一种大型变物性管壳式换热器的设计计算方法， 其特征在于， 步骤5)中， 温度为管程 流体入口温度和壳程 流体入口温度的平均值。 4.根据权利要求1所述的一种大型变物性管壳式换热器的设计计算方法， 其特征在于，权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114048572 B 2步骤4)中， 编写的管内流动换 热计算程序通过编译方式嵌入到fluent软件中。 5.根据权利要求1所述的一种大型变物性管壳式换热器的设计计算方法， 其特征在于， 步骤6)中， 换热管内壁面上各计算节点的换热系数由程序利用换热系数经验关联式进行计 算。 6.根据权利要求1所述的一种大型变物性管壳式换热器的设计计算方法， 其特征在于， 步骤2)中， 计算节点沿轴向流动方向均匀分布。 7.根据权利要求1所述的一种大型变物性管壳式换热器的设计计算方法， 其特征在于， 步骤6)中， 管内流动换 热系数经验关联式应选用与当前 换热管尺寸相近的实验关联式。 8.根据权利要求1所述的一种大型变物性管壳式换热器的设计计算方法， 其特征在于， 步骤7)中， 换 热管入口处内壁 面计算节点的流体主流温度采用管程 流体入口温度。 9.根据权利要求1所述的一种大型变物性管壳式换热器的设计计算方法， 其特征在于， 步骤4)中， 变物性流体的物性设置通过将nist数据库的数据拟合为多段线性方程导入软 件。 10.根据权利要求1所述的一种大型变物性管壳式换热器的设计计算方法， 其特征在 于， 步骤9)中， 控制方程包括 流体连续 性方程、 动量方程和能量方程。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114048572 B 3