如何用HRTI进行计算.doc

如何用HTRI 进行特型管换热器传热计算田朝阳，刘 丰，刘世平（江苏中圣高科技产业有限公司，江苏 南京 211112）田朝阳：如何用HTRI 进行特型管换热器传热计算摘 要：HTRI 软件为国际上公认用于换热设备的工艺计算软件之一。本文通过示例介绍如何应用HTRI 软件进行特型管换热器传热计算的方法及要点。关键词：HTRI；换热器；特型管；传热计算前言HTRI 是美国传热研究公司（Heart Transfer ResearchInc.）开发的一套专门用于换热器设计的软件。全球有数百家合作研究机构及会员，我公司于2008 年成为HTRI 会员。HTRI 在传热机理、两相流、振动、污垢、模拟及测试技术方面取得了大量的研究成果，积累了换热器设计的丰富经验1。HTRI 软件中含有9 种换热器功能模块，各个换热器工艺设计计算模块计算精度准确，不仅节省了人力，提高了效率，在换热设计中得到广泛应用。HTRI 软件不仅有光滑管计算模块，同时也有带专利权属的强化管计算模块，但强化管模块直接应用还存在多方面的问题。HTRI 本身的计算程序不能进行二次开发，如何利用Xist 模块进行特型管换热工艺计算。本文将以波纹管换热器传热设计说明利用HTRI 进行特型管换热器工艺计算。1 特型管文献2中所列的特型管是在普通换热管（光管）的基础上经过特殊的工艺加工而成的具有特定结构型式的管子。通过对换热管（光管）表面进行改进，提高流体的流动状态，改变流体的流速与方向，破坏层流底层，消除壁面与介质之间的温度梯度，提高管内管外的对流传热系数，大大强化换热器的传热效率，设备经济节能。本文中所述的波纹管一般适用于两侧介质为单相或两相的工况条件。2 管壳式换热器数学模型从HTRI 的数学模型可以看出，HTRI 计算光管的传热系数与压力降的关联式都与特型管有很大的不同。我们可以从这两者之中分析出共性的部分和非共性的部分，通过一种等效处理方法使光管与特型管在计算时形成一定的关联。利用HTRI 软件方便进行特型管换热器的传热设计，满足生产工艺需要。2.1 HTRI 光管内传热数学模型3HTRI 软件中光管管内传热系数计算公式为：(1)hi为传热系数， Pr 为普朗特数，Gx为质量流率，Cp 为流体比热容，j 为传热因子。2.2 波纹管管内传热数学模型文献4提供了一种波纹管管内传热系数计算公式为：Nu为努塞尔数，Re 为雷诺数，Pr为普朗特数，为导热系数2.3 HTRI 光管管内压降数学模型3HTRI 软件中光管管内压力降计算公式为：2012 年 第3 期2012 年3 月化学工程与装备Chemical Engineering & Equipment88 田朝阳：如何用HTRI 进行特型管换热器传热计算(5)f 是摩擦因子，L 为换热管长度，D 为换热管内径，G为质量流率，为介质密度。2.4 波纹管管内压力降数学模型文献4提供了一种波纹管的管内压力降计算公式为：(6)(7)L 为换热管长度、di 为换热管内径，Gi为质量流率，为介质密度，Re为雷诺数，i为管程壁温校正因子。考虑到管程与壳程在数据处理上的方法是一样的，所以本文仅以管程传热与压降数学模型为例。壳程传热与压降数学模型可查阅文献3、文献4。3 模型分析及处理HTRI 换热器计算软件虽然没有提供给用户二次开发功能，但在Tubes 树型菜单下提供了一个如图1 所示FJ Curves输入框。用户可以通过输入f 因子与j 因子来实现各种特型管管内管外传热系数与压力降的计算。从图1 上可以看出f因子与j 因子有两种输入模式。图1 FJ Curves 输入框第一种模式需输入三种雷诺数下对应的f、j 因子。令公式(1)分别与公式(2)、公式(3)、公式(4)相等，计算出相应雷诺数下的j 因子。同理，令公式(5)分别与公式(6)、公式(7)相等可以计算出相应雷诺数下的f 因子。然后分别输入三个不同雷诺数下对应f 因子与j 因子，软件自身会根据用户输入自动拟合出需要的数据。第二种模式是直接输入常数a 与常数b。由软件根据公式(8)与公式(9)计算出f 因子与J 因子。(8)(9)令公式(1)分别与公式(2)、公式(3)、公式(4)相等，得出j 因子与Re 的关系。同理，令公式(5)分别与公式(6)、公式(7)相等，得出f 因子与Re 的关系。然后分别代入公式(8)与公式(9)，求出aj、bj、af、bf。然后输入到图1 对应的栏内，软件会根据输入值自动计算。4 设计计算对比考虑到第二种方法数据处理过程中需要进行线性回归，计算过程比较复杂，本文将以第一种方法输入对应雷诺数下的f 因子与j 因子通过HTRI 软件FJ Curves 计算模块计算进行对比。以文献4例题二为例，管程为介质为单相热贫油，质量流量W=26.3889 kg/s，管程进出口温度为150/60 ，操作压力P=1.47 MPa，结垢热阻r=0.00052 m2k/w。壳程为介质为单相冷富油，质量流量W=26.6667 kg/s，管程进出口温度为30/119 ，操作压力P=1.47 MPa，结垢热阻r=0.00034m2k/w。换热器结构型式2 管程浮头式折流杆换热器。换热器筒体直径700mm，换热管长6m，换热管根数为458 根，折流圈间距100mm，波纹管基管外直径19mm，波高1.2mm，波距12mm。从文献4例题二中可知换热管为光管时管程雷诺数Rei=5330.6。令公式(1)与公式(3)相等，可以算出传热因子ji=0.01，令公式(5)与公式(6)相等，可以算出压降因子fi=0.045。同理可以算出管外传热因子jo，管外压降因子fo。分别将算出传热因子j 与压降因子f 填入图1 对应的框入，HTRI 软件会根据输入的f、j 因子计算出换热器管内、管外的传热系数与压力降及总传热系数(见表1)。表1 为HTRI 与文献4数据对比。从表1 中可以看出HTRI与文献4计算结果相当。由于HTRI 在计算总传热系数是采用分段精确计算法，计算出的总传热系数与文献4有一定的偏差。通过大量实际应用证明，HTRI 这种计算方法能满足工况条件。采用波纹管后换热器台数比采用光管减少两台，管程的压力降较光管约增加200%左右，传热效率提高200%以上。田朝阳：如何用HTRI 进行特型管换热器传热计算 89表1 结果对比换热管 平均温差 管内传热系数 管程总压力降 总传热系数 台数 设计余量 w/m2k KPa w/m2k 台 %文献4 光管 31.87 482.2 123.3 225.3 6 12.1HTRI 光管 31.9 617.5 90.2 197.5 6 0.34文献4 波纹管 30.4 1489.4 258.2 452.0 4 17.0HTRI 波纹管 30.4 1507.8 179.2 402.2 4 11.05 结束语HTRI 提供的F、J 曲线输入f 因子与j 因子功能模块为各种特型管提供了一种方便快捷的计算方法。对于不同规格和形状的特型管传热系数与压力降数学模型都所有不同，通过采用上述的方法来算出不同特型管在不同状况下的f 因子、j 因子，然后输入到HTRI 软件，HTRI 软件能很快计算出满足工艺需要的特型管换热器。本文通过波纹管换热器计算分析表明，用HTRI 进行特型管换热器的计算，其结果完全能够满足工程设计需要。参考文献1 秦叔经, 等. 化工设备设计全书换热器M.2 GB/T24590-2009 高效换热器用特型管S.3 HTRI Design Manual.4 刘 巍, 等. 冷换设备工艺计算手册M.（上接第74 页）（3）加药量仅受泵下悬挂油管数量的限制，可根据加药浓度、产液量，预计作业周期，设计储药管长度，一般选择1020 根油管即可。图3 点滴加药器工艺图4 结论及认识（1）根据生产实际的要求，对不同的油井选择最合理的清蜡方式（物理、化学）非常重要，也是油井稳产的重要因素。（2）随着油田的开发，地层能量下降，产量降低，热洗已不能胜任新的开发条件下的需要，需要其他清防蜡技术替代。（3）对于同一种清蜡方式，也要根据生产实际来选择合理的清蜡工艺（地面、井下），以取得最佳的清蜡效果。（4）在选择清蜡方式和清蜡工艺时