[发明专利]一种螺旋折流板管壳式换热器的设计方法

权利要求书

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，则估算出布管圆直径，根据布管圆直径估算换热管数目，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；

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：

螺旋折流板管壳式换热器壳侧平均换热系数：

其中： 

Nu_lam＝0.664Re^0.5Pr^0.33

d₂——管外径/mm

λ_s——壳侧流体的导热系数/W/(mK)；

上述公式适用范围：10＜Re＜10⁶，10＜Pr＜10³，n_rc＞10，螺旋角在5-45度之间；

其中：n_rc＝n_rp(n_p-1)，n_rp为管排数，n_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：

进出口接管压降损失大小为：

ΔP_nozzle＝1.5×0.5×ρv²

换热器壳侧总压降：

ΔP_all＝ΔP_tn+ΔP_nozzle+ΔP_t0

其中： ——流体横掠管排数；

λ₂₂——流体横掠理想管束阻力因子；

H_s——螺距/mm； 

l_t0——有效管长/mm；

v——接管内流体流速/m/s；

ρ——流体密度/kg/m³；

上述公式中Y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：Y₂，Z₂为热物性影响因子；

Y₃为单管扩充到管束的影响因子；

Y₄层流下逆温度梯度修正因子；Re数大于100时不考虑，取为1；

Y₇，Z₃管束与壳体旁路流修正因子；

Y₈，Z₅进出口折流板间距影响修正因子；

Y₉，Z₆横流特性变化因子；只与螺旋角度有关；

Y₁₀，Z₇湍流增强因子；只与螺旋角度有关；

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％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。