[发明专利]一种大型变物性管壳式换热器的设计计算方法

说明书

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Icem、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。

技术领域

本发明涉及管壳式换热领域，特别涉及一种大型变物性管壳式换热器的设计计算方法。

背景技术

管壳式换热器又称列管式换热器。是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构简单、造价低、流通截面较宽、易于清洗水垢；但传热系数低、占地面积大。常见的管壳式换热器一般为金属管壳式换热器，通过将多根金属管焊接到金属管板上，并在壳程设置折流板，实现管程流体和壳程流体的换热。

大型管壳式换热器一般可以包括几百根到几千根金属管，现有管壳式换热器的设计一般包括换热经验公式设计和数值模拟仿真设计。换热经验公式设计首先根据管程流体的物性和管程的流动几何条件计算管程的换热系数，然后根据壳程流体的物性和壳程的流动几何条件计算壳程的换热系数，进而根据两侧的换热系数计算整体换热面积。数值模拟仿真设计首先建立管壳式换热器的流固模型，通过计算两侧流体的流动换热和流固耦合换热，根据数值模拟的换热结果对管壳式换热器结构进行设计。

现有换热经验公式设计方法和数值模拟仿真设计方法存在如下问题：

1、换热经验公式设计方法对于壳程有折流板的工况而言，由于壳程流体流动相比管内流动更为复杂，换热经验公式准确性较低。

2、换热经验公式设计方法由于采用整体平均物性计算出一个整体换热系数，无法考虑到变物性流体的局部变化的换热系数，使得设计准确性降低。

3、数值模拟仿真设计方法对于大型管壳式换热器而言，管程流动计算和壳程流动计算需要相当大的计算量，计算时间及成本相对较高。

发明内容

本发明提供一种大型变物性管壳式换热器的设计计算方法，通过结合管程经验关联式的计算和壳程的数值模拟仿真计算，一方面利用换热经验公式计算管程内的变物性流体沿程换热系数，另一方面利用数值模拟方法计算壳程的流动换热情况，最后基于热通量相等计算管壁上的节点耦合换热，将管程内的换热和壳程内的换热耦合起来，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。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明主要包括三部分内容：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。其中，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，采用管内流动换热系数经验关联式，逐一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。

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，模型包括换热管固体区域和壳程流体域；

步骤2)利用Icem、Workbench等网格划分软件对换热管固体区域和壳程流体域进行网格划分，创建计算节点；