螺旋缠绕管换热器相变 流动工艺计算软件开发及应用
0中国勵设备检测研碍鬻叱人蠱宇理丄大書艦与动力工程学院’上海2。⑷
［摘要］提出了一套完整的适用于螺旋缠绕管式换热器相变流动工艺计算模型，并将所建模型应用于具体传热工艺计算。编写了缠绕管式换 热器含相变流动工艺计算软件，介绍了软件设计思路特点并与手动计算方法设计的螺旋缠绕管式换热器进行了对比，两者工艺计算结果相吻合， 设备运行安全可靠，完全满足工艺要求。
［关键词］螺旋缠绕管式换热器；计算模型；工艺软件［中图分类号］TH45； TP391.75 ［文献标识码］A ［文章编号］1007-1865(2019)02-0172-03
Development and Application of Calculation Software for Phase Change Flow in
Spiral Wound Tube Heat Exchanger
Liang Lin 1, Yuan Yuyang 2, Zhang Qing 2
Abstract: A complete set of phase change flow calculation model for spirally wound tube exchanger is presented.The model is applied to the calculation of
specific heat transfer process.A software for calculating phase change flow in spirally wound tube exchanger is developed.This paper introduces the characteristics of the software design and compares it with the spiral-woundheatexchanger designed by the manual calculation method,theresultsagreewell.The operation of the equipment is safe and reliable, and fully meets the technological requirements.
Keywords:spiral-woundheatexchanger ： calculationmodel ： processcalculation
螺旋缠绕管换热器由于其结构紧凑、耐压性高、机组规模大、 热补偿性能好、传热能力强能优点［宀，在天然气、石油化工领域 有广泛的应用⑸。然而目前针对螺旋缠绕管换热器用于具体石化 工业中有相变场合的工艺计算软件极少，大部分螺旋缠绕管换热 器的工艺设计需要采用手工计算，而传统的手工计算除了设计周 期长且步骤繁琐之外，往往容易出现人为的计算误差甚至错误， 因此有必要设计一款螺旋缠绕管换热器计算软件，以提高其工艺 设计的效率和准确性。
螺旋缠绕管换热器中换热元件的尺寸排布间距及排布方式等 关键参数直接影响换热器传热面积及传热系数的计算。本文中针 对螺旋缠绕管换热器每层换热管进行编程迭代数值计算，形成完 整工艺计算软件。凭借该工艺计算软件设计核算某化工企业有相 变流动缠绕管换热器，并比较工艺软件计算结果与手工计算结果 以验证工艺计算软件的准确与可靠性。
1螺旋缠绕式换热器管壳侧传热及压降特性
计算
计算管程和壳程的传热系数与压力降是设计螺旋缠绕管式换 热器的关键步骤。给出其计算关联式如下：
Re cr = 2300(1+ 8.6严)
§ = dj D co i
⑵
其中4为管子内径，°"为管子缠绕直径。
Schmidt ⑹将缠绕管内部流动的Re 分为三个区域。各区域强 化传热和流动阻力系数/的关联式为：
100 < Re 厶 < Re ”
Nu = 3.65 +
, 、 (0.5+0.2903<!J 0194)
0.08(1+ 0.8決J Re, Pr l/3
/ = (1 + 0.14 严 r J 心))£
Re cr < Re £ < 22000
= 0.023[l +14.8(1+ J)^,/3]
(0.8-0.22<S 011
Re 厶 Pr l/3
,28800/°a )o.3164
⑶
(4)
⑸
(6)
Re, >22000
N “ = 0.023［l + 3.6(l -巧尸尊r 0.8 p 1/3Ke,
(7)
/ = ［1 + 0.0823(1 + 5)5°朋 Re 0'25］0.3164
孙 (8)
根据关联式可计算得到每层缠绕管单相流的努塞尔数，即通 过下式计算每层缠绕管内单相流的传热系数。
二Nu 入"tube 」 1
a > (9)
其中人为管内流体导热系数。
壳程换热系数用Gilli 公式E 计算：
0』38乡冗必F ”
式中，凡⑷为有效管子布置修正系数，厅为缠绕角修正系数,
&为管排布置修正系数，血为壳程流体导热系数，/为管子外
径。
壳程压力损失用下式计算：
= Ca g tfGC “2 X “ Pshe “U 為5
(ID
式中，乞側切为有效流速，G'Mw 为有效质量流量，G 为缠绕
角修正系数，©为管排布置修正系数，①为有效管子布置修正系
数，圮为流动方向上的管排数。
本文采用分相流动方法计算管内两相流时的传热与流动阻力
系数【8］，其中对于两相流传热系数的计算需要先计算液相单相流 动时的传热系数，后再乘两相流系数即可：
式中，饥，沁-为两相流传热系数；他为只有液相时的传热系 数；X 为 Martinelli 数。
两相流动压降计算表达式：
［收稿日期］2018-11-28
［作者简介］梁琳(1970-)，女，北京人，双学士，主要研究方向为压力容器先进设计与制造技术
。
=刊旳，
（⑶
式中，•和（V ），分别为两相流动压降和液相流动压降，
甲为压降乘数。
2螺旋缠绕管式换热器工艺软件设计思路及 特点
螺旋缠绕管式换热器工艺计算包釆用VB6.0编写，其凭借简 单易懂的GUI 系统能够实现相当复杂的工程设计需求，本软件通 过VB 6.0建立程序的GUI 系统将工艺输入可视化，使用API 库 将程序与Microsoft Excel 进行数据对接，实现结果的输出、显示 等工作。
螺理缠绕管换热器几何参数由筒体内径、芯筒外径、管子内
径、管子外径、换热器有效长度、管间距、层间距、缠绕角等组 成。已知这些参数后，通过几何关系的构建可以计算并获得最多 的管子数，达到最大有效换热面积，对提高换热效果有着积极的 影响。根据提供的设计工况以及管子排布方式可以分别计算岀壳 程换热系数以及每层缠绕管的换热系数，这种算法的好处在于能 同时适用单股流和多股流工况，分别得到每层缠绕管的换热量后 累加并与额定换热量进行比较，满足条件以后再进行压力校核。 图1为程序框图。
3计算实例
本文根据某化工企业150万吨/年连续重整-芳怪抽提装置中 螺旋缠绕管换热器设计为实例，通过与手工计算对比来验证该软 件的准确与否。给出其110%操作负荷下工艺流程为：壳程物料是 氢气与油气混合物，其进出口温度为丁如『=495 J
j 严96.5 9 ，其中壳程物料进口流量M = 246935 kg h\全部为
气相，经冷凝后岀口为气液混合物。管程介质是氢气与石脑油混 合物，进出口温度为, 7；s=463 -C，其进口为流量
A/= 246737 kg-h'1的气液混合物。给出壳程流体和管程流体进出
口温度下的物性参数如表1所示。
该螺旋缠绕管换热器选用304钢作为换热管材料，卧式布置， 其结构参数由经验选定见表2，结构简图如图2所示。
图1程序框图
Fig. 1 Program flowchart
表1物性参数 Tab. 1 Physical properties
物性
管程进口
（氢气，石脑油混合物）
管程出口
（氢气，石脑油混合物）
壳程进口
（氢气，油气混合物）壳程出口
（氢气，油气混合物）气态液态气态
液态
气态
液态气态液态
导热系数/(Wm-'-K-1)
0.0650.11070.1610.1870.063
0」137
密度/(kg-nr 3) 3.42679.79 3.29 1.36
1.91791.5
比热/(J-kgK)
3」72 2.298
3.59 3.666 2.812 2.009动力粘度/（mPas ）0.0139
0.2576
0.0219
0.0238
0.0143
0.3082
表2缠绕管换热器几何尺寸
Tab.2 Spiral-wo u n d heatexchanger geometry
项目名称取值筒体内径
3400mm
芯筒外径400mm 管子内径15mm 管子外径
19mm
换热器有效长度
11869mm 管间距22mm 层间距22mm
缠绕角
30°缠绕方向
交替缠绕
4软件计算
选定上述工艺条件以后，进行螺旋缠绕管式换热器计算软件 的数据输入，步骤如下：
（1）软件启动：本软件采用Visual Basic6.0编写，启动软件， 主界面如图3所示，当图3各项输入完毕后单击下一步补充数据， 全部条件输入完毕后进行计算可将部分结果显示在图40
ft asIKKWaKSTr
-
□ X
管程工艺条件
ADiUt
|
x
£□4«
| %
I
I 0
rx 僮也I
| kg/<
I
I
kF*
応 16JWB I K-m2/W
营程物性參敷（进口）| |
側 I I I I
|
| |管程務性參数（出口）
kg/m3
| 1
1 |
ttat5<5j )1 N/gK)
W/gK)
•c
壳程物性參数（出口）
| | k «^a3
I I
I |
秃程工艺条件
AOU |
P
am#
| x
(迸出a l I | s
I
I s
进口圧力/允许®l I
I kP»
汚 S 3® I Km2/w
图2螺旋缠绕管式换热器
Fig.2 Spiral-woundheatexcha n ger
图3轶件界面1
Fig.3Software interface
1
o.(assvsawEiS计
基本参数
秃体内径|mm
-□X 计算结果
传热计算
i芯简夕陷|mm总传热系数|W/（m2-K）管道内径|mm传热系数（洁净）|W/（m2K）'管道外径|mm面积余量|%
| mm计算传热面积|m2
vb软件开发层间距|mm换热畳|kW 缆毎I養子数畳 [
换热器有效长度|mm MW长|mm 壁面导热系数|W/（mK）对数平，鴻差|P
缠绕方式
「同砌绕「交豳绕
压降计尊
洗程压降 |矶
壳程允许压降|kPa
窗1压降|kPa
管程允许压隆（kPa
计算导出结果
基本参数
严mm
芯简网|400mm
簣道内径mm
咖卜径F
-
mm
簣间距mm
信间距F-mm
缠绕角F--
换热器有效长度|11869mm
壁面导無系数F-W/(mK)
缠绕方式
「同向级绕“交習级绕
计算结果
传热计尊
总传热系数|422.6W/(m2-K)
传热系数（洁净）严7W/(m2-K)
面积余量严%
计算传热面积(129924m2
换热量[914095kW
簣子数量柠72
单根竇长|380»mm
对数平悯差
压隆计篦
|18.68X
充程压降[37,904kPa
充程允许压降严kPa
養程压隆|19.224kPa
管程允许压降I30kPa
图6计算结果
Fig.6The calculation results
图4软件界面2
Fig.4Software interface?
at绕骨式换热n規格褰
（2）参数输入：主要包含以下各项，①工艺条件：介质名称、
入口温度、出口温度、进口及出口的气液两相流量、允许压降、
污垢热阻等。②物性参数：操作条件下物料气液两相的密度、粘
度、比热、导热系数、露点、泡点等。③换热器基本参数：壳体
内径、芯筒外径、管道内径、管道外径、管间距、层间距、缠绕
角、换热器有效长度、壁面导热系数及缠绕方式等。输入完毕后
如图5、图6（左半部分）所示。
（5
管程工艺条件管程性參数《进口）
介质名称
入口血•c 出口蛊废F-X 蒯》醴/岀）凌*F'kg/. *«*(■»/»)»!
|257?|ee st kg/.进口压力/允许珈产01*kPa
Km2/W 壳程工艺条件
介厉名称
入口舷严X 出口浴度門-C
r体随/出>»■j6858I5*48kg/>进口劭/允许血严0I50h>.3?««/»)p42I6"kg/n>3
比热（*v»）p lre H/»glQ
SWiMVPW屮065i"W/(mK)
U点朋点|>»e•c
壳程愉性參数（进口）
E«(*t/»)I136]kg/m3
«««/»)P02381mF”
F咖
1W/(mK)
-
□
竇程物性參数（出口）
誉度（气/液）—kg/m3
»««/»)00219I
卩“\M/fkg-K)
劭屮■«>W/(m-K)
壳程出口）
密庚（％/»）P
««<^/»)P
12F009M/(kgK) U点/泡点阿~尸—x
下-步
图5数据输入
Fig.5Data input
（3）结果输出：包括总换热系数、管内外换热系数、管内外流动压降、计算换热面积、换热量、面积余量、对数平均温差、管子数量、单根管子长度等各项结果见图6，详细结果见图7。
/：»!??«Company
f?JL L ockkxl
SewceafUnit E-201r\>OvrReference
Item No Yow Reference
Date Rev No—Job No
3400；H960mm BEM6-1V5.S Ver?■.1井京1*<X 86积129924m2AB.'f!1129924m2|ft-i Sfe a*-'112i157
KM*
V«險辭
S<t k»'h24S835248737 3梅（进;"出口）*妙24C03S-106M792773246737
礫kg.'h0472够1539M0 <*'»：9h0000
at C4馅96.587463 "■遨点C me4121tJ5836.21 *.*♦ktfm3 1.36!191I79153*29797032?
8*mPa's.0238/0143/X820130i257t021S1
・：建・1845153715773356
kJWK)3668/2812； 2.0063172/2298359
J870631H37M511071«1檜粒m35?a51931282S8A
q■'kPa420382009650830776
徐i#nVs31585
!».»:z-.ftfttW kPa50|37.9&430|19224 <»!>mTKW550200030CO3S Ao based »■««814095kW斑8!?哎孑检，180S C <^Sl>376«污魅422.55027W/(m2"K
«s
任力.'试險F"kPa⑻t730<
&<<t c550520
1
«»*■33
*.i.;mm t750/n ioso r
«i/wa Min11060-!l：Q0
IO九at*
«86272IS单欢2mm,»35OCO mm
Sf1?fS»68H88®mm
1%«内絵400«.»88400mm
号于装覽Plan MS SS321|Wf30靜FffE铮22mm•
1»«13CrMo44片童MOO mm STS
«$«6SSKi
■^51护None
mm
«t»5K mm
U5!苒甘艾乂
矛用！!千WSitB Exp2firv
Sit
RV2-\ii«»17673Ki•747943?0
»»Fbt Metai Jackw Fbe
~¥5:
ASME Code S«VIM Dw1TEMASJSi.R-refinery swvice
296M086318445**218810kj Krt D4*******.5130.557080106450.6«)073307770A2108«
3.9090»53QW7 1.041 1.K511281»73 1.217 1.26!130513« 1.»3 1.437 1.4811525
V5«8 1.813 1.®7 1.701174517891833 1.877t.MI 1.985 2.009 2.063Z0072M1 2.1K
2.2292273 2.317 2.361 2.«6 2.4482483 2.537 2.5812«252669 2.713 2.7572J012845
溷3 2.0331677 3.021 3.0653)00 3.1533187 3.24132853328 3.373(m>
232225272931333537«4244«48SO525557506163056«7072747878K) S3353768«1S3«598100102ItM106106HI113115"711012»12313013213413fl1361411*3146
“714915115315615«1«0182IM
图7详细结果一览
Fig.7Detailed results
将以上结果和以往资料中手动计算的结果进行对比，表中传热系数计算均以管外表面积为基准，结果见表3。通过对比可知，该软件的计算结果与手动计算结果吻合程度较好，证明该软件准确可靠。
（下转第169页
）
妙综地=p X0X卩绿地x(l-举地)X/绿地
2.3.4道路年滞蓄(渗透)雨量W道路
在改造之前每年降雨期间道路上的雨水除了蒸发以外，全部通过雨水口和污水一起流入市政管网，将图书馆周边圆圈范围内的所有道路进行透水性铺装，可以大大增加雨水的收集率，径流系数取0.4，即：
"道路=Px0X0道路x(l—瞬)x/道路
图书馆雨水资源利用量具体计算见表5：
表5沈阳理工大学图书馆雨水资源量表
Tab.5Rainwater Resources Scale of Shenyang Ligong University Library
雨水资源化改造前雨水资源化改造后
P=20%P=50%P-75%P=95%P=20%P=50%P=75%P=95%年降雨/mm790.9664580.6456790.9664580.6456图书馆降水总量/nr，2892724285211091657928927242852110916579雨水资源量/n?2502221006181731434125022210061817314341绿地渗透雨水量/n?42433562311524466956584051074010道路渗透雨水量/rrP00003996335529332304雨水利用量/nP424335623115244610962919580406314雨水利用率/%17.017.017.117.143.843.844.244.0
从表5中可以看出基于海绵城市理念进行城市雨水生态利用系统的设计雨水利用率明显提高，雨水资源化改造后在各种降水频率的雨水利用率均高于43.8%，对于减轻市政排水管网的压力和增加土壤入渗的效果显著。
3结论
根据海绵城市理念，对沈阳理工大学图书馆绿地雨水利用系统进行设计：图书馆绿地采用下凹式绿地，
下凹深度10cm，对于图书馆外围3m宽的人行道(占道路总面积的18%)的不透水的鹅卵石混凝土改成透水性铺装。通过计算，分析了城市绿地不同设置形式的滞蓄暴雨径流效果。结果表明，下凹式绿地即使在有多倍汇水面积条件下，对路面径流的减峰、拦蓄效果也很好，能够改善城市的水环境，减轻城市内涝。进行雨水利用率的计算，通过城市雨水生态利用系统的设计后，雨水利用高于43.8%，雨水利用率明显提高，对于减轻市政排水管网的压力和增加土壤入渗的效果显著。
参考文献
[1]王秋菲，石丹，王盛楠.沈阳市海绵城市的建设思路与对策研究[J].沈阳建筑大学学报(社会科学版)，2016,18(6)：604-608.
[2]曾彦钦，张耀煌，胡继峥，等.谈沈阳建筑大学海绵校园改造方案及应用卩].山西建筑，2016,42(13)：129-131.
[3]李阳.沈阳市满融开发区雨洪资源优化利用研究[D].沈阳：沈阳农业大学，2017.
[4]姜月，殷殷，冯爽.沈阳市海绵城市建设实践经验探讨[J].中国市政工程，2016(4)：32-35.
[5]樊慧静，郑银林，齐英.沈阳市东陵区(浑南新区)水资源问题及对策研究[J].水与水技术，2014(03)：58-63.
[6]丁纪闽，杨珏，黄利，等.北方城市下凹式绿地植物选择与配置模式[J].中国水利，2010(17)：20-22.
[7]刘琳琳.城市雨水资源化研究与应用[D].沈阳农业大学，2006.
[8]晋存田，赵树旗，闫肖丽，等.透水砖和下凹式绿地对城市雨洪的影响[J].中国给水排水，2010,26(1)：40-42.
(本文文献格式：王赛楠，尹彤云，秦凯凯，等.基于海绵城市理念的城市雨水生态利用系统的设计[J].广东化工，2019,46(2)：167-169)
(上接第174页)
表3 Tab.3
结果对比Results contrast
项目软件计算手工计算总传热系数/(W/m2-K)422.5427.8
管外传热系数/(W/m2-K)1162.51178.7
管内传热系数/(W/m2K)1421」1447.3
总热负荷/kW91409.591432.3
需要传热面积/m，11600.411446.8
有效传热面积/m?12992.412992.4
面积余量12.0%13.5%
管内压力降/kPa19.22421.637
管外压力降/kPa37.99439.489上述设计用于连续重整-芳绘抽提装置中螺旋缠绕管换热器自投产开车使用以来，设备运行安全稳定，完全满足工艺操作要求。
4结论
对于有相变流动的螺旋缠绕管式换热器的工艺设计计算，本文编写了完整的VB工艺计算程序，通过该程序对螺旋缠绕管式换热器进行设计与改造可大幅减少工作量及手工计算带来的误差。提出了一套完整的适用于单股流和多股流螺旋缠绕管式换热器工艺计算模型，将该模型用于缠绕管式换热器编程迭代数值计算，形成完整的工艺流程设计软件。
将具体工艺参数条件赋予本文编写的工艺计算软件，得到程序数值解与手工计算结果进行对比，验证了该软件的准确性与可靠性。设计设备自投产使用以来，运行安全可靠，完全能够满足工艺生产要求。
参考文献
[1]吴志勇，陈杰，浦晖，等.LNG绕管式换热器结构与流通参数计算[J].煤气与热力，2014,34(03)：42-47.
[2]陈永东，陈学东.我国大型换热器的技术进展[J].机械工程学报，2013, 49(10)：134-143.
[3]王家荣•绕管式换热器在天然气处理装置中的应用[J].油气田地面工程，2011,30(10)：54-55.
[4]Z achar A.Analysis of coiled-tube heat exchangers to improve heat transfer ratewith spirally corrugated wall[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2010,53：3928-3939.
[5]G enic,Srbislav B,et al.Analysis of fouling factor in district heating heat exchangers with parallel helical tube coils.International Journal of Heat and Mass Transfer,2013,57(1)：9-15.
[6]C horowski M.Design and commissioning of vertical test cryostats for XFEL superconducting cavities measurements[R].CEC/ECMC2013.
[7]G illi PV.Heat Transfer and Pressure Drop for Cross Flow through Banks of Multistart Helical Tubes with Uniform Inclinations and Uniform Longitudinal Pitches[J].Nuclear Science and Engineering,1965.22：298-314.
[8]科利尔，魏先英.对流沸腾和凝结[M].北京：科学出版社，1982.
(本文文献格式：梁琳，袁宇阳，张庆•螺旋缠绕管换热器相变流动工艺计算软件开发及应用[J1.广东化工,2019,46(2):172-174)
版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。
发表评论