[发明专利]单股流螺旋缠绕管式换热器设计计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种单股流螺旋缠绕管式换热器设计计算方法，主要应用于气体低温液化分离领域，包括-161℃天然气低温液化、-197℃空气低温液化分离、-197℃低温液氮洗工艺、-70℃低温甲醇洗工艺等气体低温净化、低温液化分离技术领域。

背景技术

单股流螺旋缠绕管式换热器是一种换热管道经层层缠绕后形成的一种单管束螺旋盘管型热交换设备，主要由壳体（1）、管束上支撑（2）、管束（3）、芯筒（4）、管束下支撑（5）等主要部件构成，为缠绕管式换热器中最基础的单股流换热器，主要用于管程存在较大温差流体的换热过程。单股流螺旋缠绕管式换热器以其结构紧凑，单位容积具有较大的传热面积，传热管的热膨胀可自行补偿，容易实现大型化，可减少设备台数等优点成为天然气液化、低温空分、低温甲醇洗等低温净化、液化工艺中的重要设备。由于螺旋缠绕管式换热器大多应用于低温环境，体积较大，一般以传热塔的形式出现，最高可达到七、八十米，一般换热器也在二、三十米，内部管道缠绕复杂，没有通用设计标准，也没有统一的换热工艺设计计算方法，随着工艺流程或物性参数特点不同而存在较大差别，因此给螺旋缠绕管式换热器标准化过程带来了困难。此外，由于螺旋缠绕管式换热器管束（3）缠绕方法很多，没有统一的管道缠绕模式及理论设计计算方法用于计算机辅助计算过程，给螺旋缠绕管式换热器的科学计算过程带来了障碍。为更好地解决螺旋缠绕管式换热器的标准化及科学计算问题，本发明从最基础的单股流螺旋缠绕管式换热器换热工艺设计计算出发，给出了一种单股流螺旋缠绕管式换热器的简捷设计计算方法。

发明内容

单股流螺旋缠绕管式换热器设计计算方法，主要包括管程流速计算、壳程流速计算、总传热系数计算及压力校核四个主要过程；管程流速计算完成后，根据已知给定设计参数，确定缠绕管束（3）基本参数、总体管根数及总体管根排列方法；壳体（1）强度计算过程可参照GB150、GB151等现有国家标准设计。

本发明的技术解决方案：

1、管程流速计算

根据已知设计参数包括换热流体流量、进出口温度、进出口压力、设计温度、设计压力、管道材料及规格等计算总体管道数量

n=G_i/[3600πρv_i(d_i/2)²]

式中：

n——管道数量；

G_i——管内质量流量，kg/s；

ρ——流体密度，kg/m³；

v_i——管内流体流速，m/s；

d_i——管道内径，m；

确定螺旋管道规格、径向层间距、轴向管间距及螺旋上升角；确定芯筒（4）直径并按等差数列绕芯筒（4）层层排列管道；第一层排满后以反向螺旋上升角排列第二层管道；第二层管道排满后以正向螺旋上升角排列第三层；第三层管道排满后以反向螺旋上升角排列第四层……正反排列至第i层；第i层排不满时按等差数列补足并形成整体管束（3）；重新统计管束（3）中管道数量并根据统计数量n重新计算管内流速

v_i =G_i/[3600πρ_in (d_i/2)²]

用于计算总传热系数；

2、壳程流速计算

壳程总截面面积

A_总＝π(D/2)²

式中：

D——壳体（1）内径，m²；

芯筒（4）总截面面积

A_芯＝π(d_芯/2)²

式中：

d_芯——芯筒（4）外径，m²；

管道总截面A_管为管道各层沿轴向投影面积之和，即