[发明专利]一种管内超临界流体气化-管外膜状冷凝传热计算方法

权利要求书

1.一种管内超临界流体气化-管外膜状冷凝传热计算方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、输入传热工艺参数与水平换热管参数，包括：

管内流体的组分及其含量、入口温度T_b⁽¹⁾、入口压力P_b⁽¹⁾、质量通量G_b、拟临界温度T_pc，其中管内流体的入口压力大于管内流体的临界压力；

管外流体的组分及其含量、饱和温度T_sat；

换热管的内直径d_i、外直径d_o、长度L、导热系数k_w、单列换热管束中沿竖直方向的换热管排数N_eff；

S2、根据换热管长度划分N个相等长度的传热微元，每个传热微元长度为dL＝L/N；所述传热微元数目N满足：管内流体进出换热管温度差/N≤20K；

假设所述换热管外壁面过冷度ΔT_sub的初值记为ΔT_sub,0，所述ΔT_sub,0取0.5～20K；

S3、计算传热微元j外壁面温度、管外冷凝传热系数及热负荷初值，其中，j＝1,2,…,N

根据换热管外壁面过冷度初值ΔT_sub,0，按公式(1)～(3)计算传热微元j外壁面温度T_wo、管外冷凝传热系数h_o及热负荷dQ的初值，并分别记为T_wo,0^(j)、h_o,0^(j)与dQ₀^(j)：

T_wo＝T_sat-ΔT_sub (1)

dQ＝h_oΔT_subπd_odL (3)

式中：g为重力加速度；

ρ_L、ρ_V、k_L、r、μ_L分别为管外流体在饱和温度T_sat下的液相密度、汽相密度、液相导热系数、蒸发焓、液相粘度；

m为管束效应修正系数，按如下方式进行取值：

在换热器样机中选取具有X排换热管的单列换热管束，按照GB/T27698.2-2011汽-液冷凝器用热交换器的测试程序，测试每根换热管内流体的进出口温度、压力和流量，管外流体的进出口温度、压力和流量，并计算沿竖直方向自上而下布置的第1排换热管外的冷凝传热系数h_o⁽¹⁾与第M排换热管外的冷凝传热系数h_o^(M)，其中X>M，按公式(4)回归得到m值：

h_o^(M)＝h_o⁽¹⁾·[M^1-m-(M-1)^1-m] (4)

S4、计算传热微元j内壁面温度、管内超临界流体传热系数

根据传热微元j外壁面温度初值T_wo,0^(j)和热负荷初值dQ₀^(j)，按公式(5)计算内壁面温度T_wi^(j)；根据传热微元j的入口温度T_b^(j)、入口压力P_b^(j)，按公式(6)计算管内超临界流体传热系数h_i^(j)：

式中：

T_b以管内流体在传热微元j入口处的温度T_b^(j)代入；

ρ_b、C_pb、k_b、μ_b、H_b分别以管内流体在传热微元j入口温度T_b^(j)、入口压力P_b^(j)下的密度、定压比热、导热系数、粘度和焓值代入；

ρ_wi、H_wi分别以管内流体在传热微元j内壁面温度T_wi^(j)、入口压力P_b^(j)下的密度和焓值代入；

S5、核算传热微元j热负荷

根据传热微元j内壁面温度T_wi^(j)、管内超临界流体传热系数h_i^(j)，按公式(7)核算传热微元j的热负荷dQ^(j)：

dQ＝h_i(T_wi-T_b)πd_idL (7)

式中，T_b以管内流体在传热微元j入口处的温度T_b^(j)代入；

S6、更新传热微元j外壁面温度、管外冷凝传热系数

以核算后的传热微元j热负荷dQ^(j)代入公式(1)～(3)，求解更新后的传热微元j外壁面温度T_wo^(j)、管外冷凝传热系数h_o^(j)；

S7、判断传热微元j传热计算是否收敛

根据传热微元j热负荷的初值dQ₀^(j)与核算值dQ^(j)，按公式(8)计算相对误差ε：

若ε≤0.001，则传热微元j传热计算收敛，进入S8；

否则，返回S4，依据更新后的外壁面温度和热负荷，重新计算内壁面温度、管内超临界流体传热系数；

S8、计算传热微元j管内流体压力降

根据传热微元j的入口温度T_b^(j)、入口压力P_b^(j)，按公式(9)～(10)计算传热微元j管内流体压力降ΔP_b，并记为ΔP_b^(j)：

式中：f为直管摩擦阻力系数；

R为U形换热管的弯曲半径；当采用直换热管时，取R＝0；

S9、计算传热微元j管内流体出口压力与温度

根据传热微元j入口处管内流体的压力P_b^(j)和流经传热微元j的压力降ΔP_b^(j)，按公式(11)计算传热微元j出口处管内流体的压力P_b^(j+1)；根据传热微元j入口处管内流体的焓值H_b^(j)，按公式(12)计算传热微元j出口处管内流体的焓值H_b^(j+1)：

根据传热微元j出口处管内流体的焓值H_b^(j+1)和压力P_b^(j+1)，通过查询物质理化性能手册或采用热力学方程计算方法，得到传热微元j出口处管内流体的温度T_b^(j+1)；

S10、判断是否计算至最后一个传热微元，即当前j值是否等于N

若是，则进入步骤S12；若否，则进入步骤S11；

S11、进行下一传热微元的传热计算

进入下一传热微元j+1，并执行步骤S3-S10；

S12、完成传热计算。