专利名称：管壳式换热器节点温度的预测方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明属传热技术领域。涉及一种单管换热管测试装置，基于该装置可获得单根换热管的传热特性，配合本发明提出的管壳式换热器节点温度的预测方法，可确定管壳式换热器管程和壳程流体的节点温度。
背景技术：
管壳式换热器是目前过程工业应用最广的一种换热器。它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流板等部件组成，可采用不锈钢、普通碳钢、紫铜或其它有色金属作为材料。操作时，一种流体由一端封头接管进入，经过换热管，从另一端封头的接管流出，称之为管程； 另一种流体由壳体的一个接管进入，从壳体上的另一接管流出，称之为壳程。换热管作为冷热流体传热的关键部件，其结构和型式不断优化。随着新型高效换热管的不断出现，管壳式换热器的应用范围不断扩大。目前强化换热管传热的措施有两类，即(1)改变流体的流动情况以增加流速；(2)改变换热面形状和大小。增加流速可改变流动状态，提高紊流脉动程度。管壳式换热器中管程、壳程的分程即可提高流速、增加流程长度和湍流程度。此外，按照一定间距在管外设置一些垂直于换热管的圆缺型挡板(折流板)，可促使壳程流体充分流经换热管外表面。优化管外流体对管子的冲刷角度可提高壳侧的换热系数，改善换热效果。但设置折流板或增加流速均会增加流动阻力，这要求兼顾提高传热性能和减小压降的要求来确定壳程流体的最佳流速。改变换热面形状和换热面积大小亦是提高传热性能的有效措施。圆截面换热管是管壳式换热器中使用最为普遍的一种传热元件，但现代工业设备对热负荷的要求越来越高，强化传热技术在换热器中的应用要求十分迫切。在换热管加入内插物就是一种十分有效的提高管内流动雷诺数的方法。内插物不需要外加动力，成本低廉，加工方便，不仅能强化传热，还能实现换热器的在线除垢、防垢。国内外开展了多种类型的内插物研究，自旋弹簧便是其中开展较早的一种，其强化传热和自动除垢效果已获得认可。 为增大换热系数，管壳式换热器的换热管亦可采用各种异形管和肋片管。螺纹翅片管是由厚壁管子通过轧制而成，翅片的外表面积较相同外径的光滑管大2. 5-4. 8倍。当管壁两侧的流体对流换热系数相差3-5倍时，适合采用螺纹翅片管或肋片管，实际上即便管壁两侧的流体对流换热系数大于这个范围，使用螺纹翅片管或肋片管也能收到良好的效果。针翅管是近年才开发应用的强化传热管型之一，其主要类型包括瑞典Simrod针翅管和整体针翅管两种。前者适用于石油化工领域的油品换热器以及各类工业加热过程中锅炉或余热锅炉，后者不仅可用于石油化工、电力部门的换热设备，还可用于制冷、空调等行业，强化传热效果显著。换热管传热特性的研究是管壳式换热器设计的基础。由于结构复杂，对换热器内部流动和传热特性的理论研究多采用数值分析方法。数值模拟具有费用低、速度快、重复性好、能模拟较复杂或较理想工况下的流动现象等优点，还可研究不同操作参数对传热性能的影响规律，获得所有相关变量的详细信息，弥补理论分析和试验测试的不足。
换热管传热特性数值分析的关键在于计算模型的建立。目前常用的模型包括多孔介质模型、实体模型和周期性单元流道模型。采用多孔介质模型过于简化了换热器的内部结构，模拟结果并不能准确反映局部区域的真实流动和传热状况等详细信息，而且部分重要模拟参数与换热器的结构型式、几何尺寸和操作介质有关，故具有一定的局限性。在进行新型壳程支撑结构的流场局部细节的流态分布和强化传热机理研究时，不宜采用多孔介质模型。采用实体模型对换热器的流动和传热特性进行数值模拟，可获得流换热器的传热与流动特性的定性分析结果，但对于大型管壳式换热器，由于换热管数庞大，模型的网格数和计算量异常增加，现有的软件和硬件尚不能满足要求。为此，研究人员提出周期性单元流道模型简化计算方法，忽略了筒体壁面附近布 管区流体流动和传热的特殊性对壳程流动和传热总体性能的影响。若换热管布管方式为正方形时，可取4根换热管所包围的流体流动空间为一个“单元流道”计算模型，这样可有效降低纵流壳程换热器的数值模拟难度。 然而，单元流道模型适用于换热管束和管束支撑结构呈对称分布的某些纵流壳程换热器， 对于不具备上述结构特征的管壳式换热器，如折流板换热器、螺旋板换热器等，则无法这样简化。对于壳体直径较小的管壳式换热器，即使符合单元流道对称性的简化要求，由于筒体壁面附近布管区的流体对壳程流动和传热总体性能的影响较大而不可忽略，单元流道模型模拟结果与实际工况有较大偏差。可见，建立换热管传热性能测试装置以及大型管壳式换热器的内部温度场分析计算方法，对于此类换热器的设计、应用具有重要的工程意义。在换热管传热性能的试验研究方面，研究人员利用不同的试验平台，获得了一些研究结果。换热管传热性装置基本包括两个回路和三个系统。两个回路为冷介质回路和热介质回路，即换热系统的管程和壳程；三个系统包括热介质储罐及加热系统、冷介质储罐及冷却系统、循环动力系统。

图1所示为一种气_气换热器试验装置。空气经罗茨鼓风机送入储气罐，经过滤器过滤后一部分由旁路排向大气，另一部分作为试验工质经调节阀、涡轮流量计，进入电加热箱加热。热空气经进口混合箱混合后，流经稳定段，进入试验段。在试验段内热空气与管外套管内的冷却水进行逆流换热。换热后的空气经出口混合箱混合后由扩压嘴排入大气。 冷却水流程为水箱中的水经水泵加压后，通过调节阀、涡轮流量计进入试验段套管内，换热后的水流入冷却塔冷却，然后再排入水箱，循环使用。图2为一种单管传热试验装置。试验装置主要由压缩机、油分离器、贮液罐、质量流量计、电磁膨胀阀、冷凝试验段及蒸发试验段组成。试验段为套管式换热器，其内管为所测试验样管。管内为制冷剂，管外为水，二者逆向流动。试验装置采用高精度温度、压力传感器和数据采集系统，通过变频器调节压缩机频率和电子膨胀阀调节制冷剂流量。图3为一种单管液-液传热性能试验装置，由单管换热器、流量计、泵、阀门和水箱组成。单管换热器内管为光滑管或波纹管，套管为光滑管。管内走试验工质，管外走冷却水， 管内、外流体逆流换热。试验管段出、入口处安装温度测点。试验中，恒温水箱中的工质由泵送入流量计，经换热器管程换热冷却后流回恒温水箱。冷却水经换热器壳程换热升温后排出。图4为一种针翅管单管试验设备流程图。管程和壳程采用不同温度的自来水作为介质，测温和测压点均靠近针翅管的两端。壳程采用U型管压差计测量压差。
图5所示为管壳式换热器结构的示意图。操作时，冷热流体分别从管程和壳程流进，通过换热管交换冷热流体的热量。根据管壳式换热器的结构特征，其内部温度场具有周期性变化规律，即每一竖排的5根换热管作为一个周期，图5所示的换热管束可分为3个周期。若能获得一个周期的换热管束的温度分布规律，则可获得整个换热器的温度分布规律。综上所述，强化传热技术的发展促进了装备节能水平的提高，需要建立功能完善、 测试精度高的试验装置以测试新型换热管的传热性能。同时，换热装置的大型 化也给换热器内部整场温度的确定带来了巨大困难，迫切需要建立实用、简易的温度场预测方法。现有换热器(管)传热性能试验仅能得到管程和壳程进出口的温度和压力，而沿换热管轴向的温度分布规律无法获得。研制功能完善、测试精度高、试验成本低廉的单管换热性能试验装置并建立管壳式换热器温度的预测方法具有重要的工程意义。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有换热管试验装置功能分散、测试精度低及测试方法落后的缺点，提出新结构，设计一种管壳式换热器节点温度的预测方法，该方法可得到换热器内部各节点温度值。本发明还提供一种单管换热管测试装置，采用该装置可方便测试相应换热管的传热性能，以便于进一步对管壳式换热器节点温度进行预测。管壳式换热器节点温度的预测方法，该方法包括以下步骤
a)根据实际换热器中两块折流板的间距，确定一段测试用换热管的长度，该换热管的壳体采用若干筒节组装而成，确定构建壳程筒体所需的筒节数，并与换热管封板、法兰、输送泵、储液罐及管路连接，组装成单管换热管测试装置，其换热管规格与实际换热器使用的换热管相同；(组装后的壳体内直径为实际换热器中换热管的间距，使用若干筒节组成壳体的目的，就是可以根据试验管段的长度改变壳体的长度，若壳体长，则可使用多一些筒节。 以提高试验装置的适用性。)组装后的单管换热管测试装置的换热管的进、出口和壳体的进、出口均装配有温度传感器和电磁阀及流量计，各传感器分别与计算机控制系统连接；
b)根据实际换热器的基本参数确定换热管段传热性能试验的温度参数，实际换热器管程的进口温度G与壳程进口温度T1已知，管程的出口温度 2与壳程出口温度T2通过以下公式推导
权利要求
1.管壳式换热器节点温度的预测方法，该方法包括以下步骤a)根据实际换热器中两块折流板的间距，确定一段测试用换热管的长度，该换热管的壳体采用若干筒节组装而成，确定构建壳程筒体所需的筒节数，并与换热管封板、法兰、输送泵、储液罐及管路连接，组装成单管换热管测试装置，其换热管规格与实际换热器使用的换热管相同；组装后的单管换热管测试装置的换热管的进、出口和壳体的进、出口均装配有温度传感器、电磁阀及流量计，各传感器分别与计算机控制系统连接；b)根据实际换热器的基本参数确定换热管段传热性能试验的温度参数，实际换热器管程的进口温度G与壳程进口温度T1已知，管程的出口温度 2与壳程出口温度T2通过以下公式推导 其中，=esjl，且j为传热面积(m2)，"为总传热系数(ff.m^.r1), T1, G为壳程、管程流体进口温度rc)，T2, 2为壳程、管程流体出口温度 (0C), qh, qc为分别为热、冷流体的质量流量(kg · S-1), Ch, Cc为分别为热、冷流体的比热 (J · kg-1 · K-1)；c)采用单管换热管测试装置进行测试，模拟实际换热器管程、壳程介质和质量流量，以上述实际换热器管程的进、出口温度、、t2和壳程进、出口温度T\、T2作为试验参数，将该单管换热管测试装置的管程进口温度在[ ” 2]间取若干值G作为管程进口温度的试验值； 将所述测试装置的壳程出口温度在[/；，T2]间取若干值7；作为壳程出口温度的试验值；试验时，保持G不变，调整壳程进口温度，直到获得的壳程出口温度为7；为止，记录对应的壳程进口温度tj和管程出口温度Tn'；重复试验，获得与不同tm和Tn温度组合对应的tj和 /；’，建立管程进口温度、壳程出口温度与管程出口温度、壳程进口温度的对应映射关系，由计算机控制系统生成换热管段管程、壳程进、出口温度映射关系表；其中管程和壳程的储液罐通过加热器和冷却器调温，单管换热管测试装置壳程和管程进口的温度，以及壳程和管程出口温度均通过温度传感器测量；d)根据实际换热器的换热管束在水平方向具有周期性特征，取一个周期的换热管束进行温度场分析，该周期取换热器一竖排内的所有换热管，换热管束在竖直方向上的换热管数量与实际换热器相同，而水平方向的换热管数为一；e)启动计算机程序，输入实际换热器的设计数据，调用换热管段管程、壳程进出口温度映射关系表，依据实际换热器管程和壳程的进口温度，通过迭代计算，确定所述一个周期的换热管束各换热管段出口温度及其壳程下游流体的温度；其它各周期换热管束的节点温度与所述周期的换热管束一致。
2.根据权利要求1所述的管壳式换热器节点温度的预测方法，其中，实际换热器一个竖排为三根换热管，取它为一个周期的换热管束，两块折流板将每根换热管分成三段，这九段换热管分别用A、B、C、D、E、F、G、H、I表示，壳程流体流经这九段换热管的次序为I、H、G、 F、E、D、C、B、A。
3.根据权利要求2所述的管壳式换热器节点温度的预测方法，其中，采用迭代方法求解该周期换热管束的节点温度，其中管程进口温度为in=i21=i31和壳程进口温度rin已知， 首先假定一个温度Tn,由tn和Tn求tl2与T21 ；然后再由t2l与T21求t22与r31 ；如此递进， 直到获得换热管段ι的温度r43 ；如果得到的温度T143与已知的壳程进口温度τ\η的误差超过允许值，则说明假设的温度rn有误，需要改变继续迭代；如果得到的温度T143与Tin的误差小于允许值，则说明假设的温度Tn正确，输出各节点温度。
4.根据权利要求1所述的管壳式换热器节点温度的预测方法，其中步骤e)中，当管程进口温度 ,、壳程下游流体温度Tx在映射关系中若找不到完全匹配的tm和Tn值时，则进行插值计算。
5.一种单管换热管测试装置，它包括换热管、壳体、输送泵、储液罐及进、出口阀，其特征在于所述换热管为单根换热管体，所述壳体由包括若干筒节、位于端部的筒节连接封头和封板，所述筒节均由圆管、筒节端部法兰和筒管上、下部接管组成，各筒节经由端部法兰依次连接；所述换热管的进、出口分别经阀门与管程储液罐连接；所述壳体的每个筒节的上接管分别经阀门连接壳程流量分配器，壳程流量分配器与壳程储液罐连接，每个筒节的下接管分别经阀门连接混流器，壳程混流配器与壳程储液罐连接。
6.根据权利要求5所述的单管换热管测试装置，其特征在于该装置的壳体还设有波纹管筒节，它设置在壳体的左侧或右侧，所述波纹管筒节设置在筒节和封头之间，波纹管筒节包括波纹管和端部法兰，波纹管筒节通过端部法兰分别与筒节和封头连接；所述波纹管与壳体筒节之间加装一挡板，该挡板与所述换热管外壁留有间隙。
7.根据权利要求5所述的单管换热管测试装置，其特征在于所述换热管的进、出口处均设有温度传感器和压力传感器；壳体的每节筒体下接管处均设有温度传感器，所述壳程流量分配器和混流器位置均设有温度传感器和压力传感器；壳程储液罐和管程储液罐的出口阀处均设有流量传感器。
8.根据权利要求5所述的单管换热管测试装置，其特征在于所述高温流体储罐配有加热器与温度控制器；所述低温流体储罐配有冷却器与温度控制器；所述温度传感器均为热电偶传感器；所述压力传感器均压电式压力传感器，所述阀门均为电磁阀；所述流量传感器均为电子涡轮传感器。
9.根据权利要求5所述的单管换热管测试装置，其特征在于所述各温度传感器、压力传感器和流量传感器分别与计算机控制系统的对应信号输入端口连接，所述各阀门分别连接计算机控制系统的对应控制端连接。
10.根据权利要求5所述的单管换热管测试装置，其特征在于所述壳程储液罐为高温流体储罐，管程储液罐为低温流体罐；或壳程储液罐为低温流体罐，管程储液罐为高温流体储罐。
全文摘要
本发明属传热技术领域。公开一种管壳式换热器节点温度的预测方法与装置。本发明涉及一种单管换热管测试装置，基于该装置可获得单根换热管的传热特性，配合本发明提出的管壳式换热器节点温度的预测方法，可确定管壳式换热器管程和壳程流体的节点温度。该方法主要包括以下步骤根据换热器中折流板间距确定试验换热管段的长度，确定构建壳程筒体所需的筒节数，加工换热管封板并焊接管法兰，组装试验装置；根据换热器的管程和壳程进出口温度确定试验参数，并进行换热管段传热性能试验，建立单管进出口温度以及管外上下游流体温度的映射关系；启动计算机程序，输入换热器设计数据，执行分析命令，待分析结束后，输出换热器内部各节点温度值。
文档编号G01K13/02GK102261968SQ20111015867
公开日2011年11月30日 申请日期2011年6月14日 优先权日2011年6月14日
发明者周剑锋, 李洋, 董金善, 邵春雷, 顾伯勤, 黄星路 申请人:南京工业大学