[发明专利]一种大型变物性管壳式换热器的设计计算方法

权利要求书

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，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。