内容简介：: (10)申请公布号 CN 102999707 A(43)申请公布日 2013.03.27CN 102999707 A*CN102999707A*(21)申请号 201210519544.X(22)申请日 2012.12.07G06F 19/00(2006.01)(71)申请人张周卫地址 730070 甘肃省兰州市安宁区安宁西路88 号兰州交通大学环境工程学院建环系(72)发明人张周卫汪雅红张小卫(54) 发明名称低温甲醇 - 甲醇缠绕管式换热器设计计算方法(57) 摘要本发明提出了低温甲醇甲醇缠绕管式换热器设计计算方法，主要应用于煤制气、煤制甲醇等煤化工领域，包括 -70低温甲醇洗工艺等气体低温净化、低温液化分离领域。设计计算过程包括基本结构设计及换热工艺计算过程，工艺计算包括确定低温甲醇进出口定性温度、查找定性温度及压力下的甲醇物性参数、计算对数平均温差、计算热负荷、确定换热器规格、确定管道排列方式、计算总传热系数、总传热面积及换热器有效换热高度等主要部分；本发明给出了较完整的低温甲醇甲醇缠绕管式换热器换热工艺计算数学模型，可将此数学模型应用于缠绕管束的换热工艺计算过程，以此设计整套甲醇甲醇缠绕管式换热器。(51)Int.Cl.权利要求书 4 页说明书 7 页附图 1 页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书 4 页说明书 7 页附图 1 页1/4 页21. 低温甲醇甲醇缠绕管式换热器设计计算方法，其特征在于：设计计算方法包括基本结构设计过程及换热工艺计算过程，换热工艺计算过程包括确定低温甲醇进出口定性温度、查找定性温度及压力下的甲醇物性参数、计算对数平均温差、计算热负荷、确定换热器规格、确定管道排列方式、计算总传热系数、计算总传热面积及换热器有效换热高度等主要部分。2. 根据权利要求 1 所述低温甲醇甲醇缠绕管式换热器基本结构设计过程，其特征在于：低温甲醇甲醇缠绕管式换热器主要由管程进口接管（1）、壳体上封头（2）、内置上管箱（3）、内置上管板（4）、壳程出口接管（5）、壳体（6）、上支撑圈（7）、螺旋管束（8）、芯筒（9）、下支撑圈（10）、壳程进口接管（11）、内置下管板（12）、内置下管箱（13）、壳体下封头（14）、管程出口接管（15）等部件构成。3. 根据权利要求 2 所述低温甲醇甲醇缠绕管式换热器基本结构设计过程，其特征在于：低温甲醇甲醇缠绕管式换热器具有独立的内置于壳体内的内置上管箱（3），内置上管箱（3）上部联接管程进口接管（1），下部联接内置上管板（4），内置上管板（4）下部联接螺旋管束（8）；换热器具有独立的内置于壳体内的内置下管箱（13），内置下管箱（13）下部联接管程出口接管（15），上部联接内置下管板（12），内置下管板（12）上部联接螺旋管束（8）；管程进口接管（1）穿透壳体上封头（2）与内置上管箱（3）上部联接，管程出口接管（15）穿透壳体下封头（14）与内置下管箱（13）下部联接。4. 根据权利要求 1 所述低温甲醇甲醇缠绕管式换热器换热工艺计算过程，其特征在于：换热工艺计算过程主要包括以下七个主要部分：（1）低温甲醇进出口定性温度ti (ti 进ti 出)/2式中：ti管程定性温度，；ti 进管程进口温度，；ti 出管程出口温度，；to (to 进to 出)/2式中：to壳程定性温度，；to 进壳程进口温度，；to 出壳程出口温度，；（2）查找定性温度压力下的甲醇物性参数壳程甲醇主要参数：温度、密度、粘度、比热容、导热系数管程甲醇主要参数：温度、密度、粘度、比热容、导热系数（3）计算对数平均温差t (ti 进to 出) (ti 出to 进)/ln(ti 进to 出)/(ti 出to 进)式中：t对数平均温差，；（4）计算甲醇甲醇缠绕管式换热器热负荷 QimiCPiti权利要求书CN 102999707 A22/4 页3式中： Qi管内换热量， kW ；mi管程质量流量， kg /s ；CPi管程内甲醇定压比热， kJ/kg ；ti管内对数平均温差，；（5）确定甲醇甲醇缠绕管式换热器换热器规格壳体直径管排方式：缠绕错列排列缠绕管尺寸管程数管孔间距管板规格管板厚度管子与管板层间距垂直管间距螺旋上升角芯筒直径（6）确定管道排列方式管程热流体体积流量 Vimi/i式中： V i体积流量， m3/s ；mi管程质量流量， kg/s ；i管内甲醇密度， kg/m3；管根数n=4Vi/(di2ui)式中：n管道数量；di管道内径， m ；ui管内流速， m/s ；各层基圆直径：D1D0+2a/2 ；D2D1+2d+2a mm ；D3D2+2d+2a mm ；DjDj-1+2d+2a mm ；式中：权利要求书CN 102999707 A33/4 页4D 0芯筒直径， mm ；D 1第一层基圆直径， mm ；D 2第二层基圆直径， mm ；D 3第三层基圆直径， mm ；Dj第 j 层管道基圆直径， m ；d管道内径， m ；a层间距， m ； Djnj（d+ e） /sin式中：nj第 j 层管道数量；e垂直管间距， m ；管道上升角， m ； nj 3.14Djsin/（d+ e）缠绕圈数wj= lcos/Dj式中：wj缠绕圈数；l管道长度， m ；缠绕后管道分布第一层：层基圆直径D 1管道数n1；第二层：层基圆直径D 2管道数n2；第三层：层基圆直径D 3管道数n3；第 j 层：层基圆直径D j管道数nj；缠绕后按等差数列补足最后一层管道数后，统计实际管道数量nn1+ n2+ n3+ n4+ n5+ n6+nj（7）计算总传热系数、总传热面积及换热器有效换热高度壳侧传热膜系数（根据尾花英朗主编热交换器设计手册进行计算）h0 0.338FtFiFnRe00.16Pr00.333（0/De）式中：h0壳侧传热膜系数， W/ (m2.K) ；Ft管子排列（流道结构）修正系数；Fi管子倾斜修正系数；Fn管子倾斜修正系数；Reo壳侧雷诺数；Pro壳侧普朗特数；0壳侧流体导热系数， W/( m.K) ；De壳侧当量直径， m ；管侧传热膜系数（根据尾花英朗主编热交换器设计手册进行计算）权利要求书CN 102999707 A44/4 页5hii3.65 0.08（1+0.8（Di/Dc）0.9）（Di/ Gi /）i（Cii/i）0.333） /Dii 0.5+0.2903（Di/Dc）0.194，（100 Re （Re）c）；hii0.023（1+14.8（1+Di/Dc）（Di/Dc）0.333）（Di/ Gi /）i（Cii/i）0.333） /Dii 0.8-0.22（Di/Dc）0.1，（（Re）c Re 22000）；hii0.023（1+36（1-Di/Dc）（Di/Dc）0.8）（Di/ Gi /）0.8（Cii/i）0.333） /Di（22000 Re 150000）；（Re）c 2300（1+8.6（Di/Dc）0.45）式中：hi管侧传热膜系数， W/ (m2.K) ；Dc盘管缠绕直径， m ；Di管道内直径， m ；Ci管内流体比热， J/( kg.K) ；i管内流体导热系数， W/( m.K) ；i管内流体粘度系数， Pa.s ；总传热系数K 1/1/h0+1d0/(dihi)+R0+Rid0/di+d0/(dm)式中：K总传热系数， W/（m2.K）；管道厚度， m ；Ri管内污垢系数， (m2.K)/W ；R0管外污垢系数， (m2.K)/W ；总传热量Q Cpmt式中：Q总传热量， W ；m质量流量， kg/s ；t对数平均温差， K ；总传热面积A=Q/Kt每根管长L A/(d0n)换热器有效换热高度HLsin式中：螺旋盘管上升角。权利要求书CN 102999707 A51/7 页6低温甲醇 - 甲醇缠绕管式换热器设计计算方法技术领域0001 本发明涉及低温甲醇甲醇缠绕管式换热器设计计算方法，主要应用于煤制气、煤制甲醇等煤化工领域，包括 -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0002 低温甲醇甲醇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，主要应用于壳程小于 2.8MPa、 +60 -60甲醇与管程小于10MPa、 +60 -60甲醇进行换热等过程，主要由管程进口接管（1）、壳体上封头（2）、内置上管箱（3）、内置上管板（4）、壳程出口接管（5）、壳体（6）、上支撑圈（7）、螺旋管束（8）、芯筒（9）、下支撑圈（10）、壳程进口接管（11）、内置下管板（12）、内置下管箱（13）、壳体下封头（14）、管程出口接管（15）等主要部件构成，主要用于存在较大温差的低温甲醇甲醇流体换热过程。低温甲醇甲醇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，可减少低温甲醇洗等低温净化、液化工艺中的换热设备数量。由于低温甲醇甲醇缠绕管式换热器应用于低温环境，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，因此低温甲醇甲醇缠绕管式换热器难以标准化。此外，由于低温甲醇甲醇缠绕管式换热器螺旋管束（8）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，给低温甲醇甲醇缠绕管式换热器的科学计算过程带来了障碍。为更好地解决低温甲醇甲醇缠绕管式换热器的标准化及科学计算问题，本发明从低温甲醇甲醇缠绕管式换热器基本结构设计及换热工艺设计计算出发，结合国内外一些成熟的计算方法，给出了一种低温甲醇甲醇缠绕管式换热器的简捷设计计算方法。发明内容0003 低温甲醇甲醇缠绕管式换热器设计计算方法，包括基本结构设计过程及换热工艺计算过程，换热工艺计算过程包括确定低温甲醇进出口定性温度、查找定性温度及压力下的甲醇物性参数、计算对数平均温差、计算热负荷、确定换热器规格、确定管道排列方式、计算总传热系数、计算总传热面积及换热器有效换热高度等主要部分。 0004 本发明的技术解决方案：一、换热器基本结构设计低温甲醇甲醇缠绕管式换热器主要由管程进口接管（1）、壳体上封头（2）、内置上管箱（3）、内置上管板（4）、壳程出口接管（5）、壳体（6）、上支撑圈（7）、螺旋管束（8）、芯筒（9）、下支撑圈（10）、壳程进口接管（11）、内置下管板（12）、内置下管箱（13）、壳体下封头（14）、管程出口接管（15）等部件构成；换热器具有独立的内置于壳体内的内置上管箱（3），内置上管箱（3）上部联接管程进口接管（1），下部联接内置上管板（4），内置上管板（4）下部说明书CN 102999707 A62/7 页7联接螺旋管束（8）；换热器具有独立的内置于壳体内的内置下管箱（13），内置下管箱（13）下部联接管程出口接管（15），上部联接内置下管板（12），内置下管板（12）上部联接螺旋管束（8）；管程进口接管（1）穿透壳体上封头（2）与内置上管箱（3）上部联接，管程出口接管（15）穿透壳体下封头（14）与内置下管箱（13）下部联接；二、换热工艺计算过程1. 低温甲醇进出口定性温度ti (ti 进ti 出)/2式中：ti管程定性温度，；ti 进管程进口温度，；ti 出管程出口温度，；to (to 进to 出)/2式中：to壳程定性温度，；to 进壳程进口温度，；to 出壳程出口温度，；2. 查找定性温度压力下的甲醇物性参数壳程甲醇主要参数：温度、密度、粘度、比热容、导热系数管程甲醇主要参数：温度、密度、粘度、比热容、导热系数3. 计算对数平均温差t (ti 进to 出) (ti 出to 进)/ln(ti 进to 出)/(ti 出to 进)式中：t对数平均温差，；4. 计算甲醇甲醇缠绕管式换热器热负荷 QimiCPiti式中： Qi管内换热量， kW ；mi管程质量流量， kg /s ；CPi管程内甲醇定压比热， kJ/kg ；ti管内对数平均温差，； 5. 确定甲醇甲醇缠绕管式换热器换热器规格壳体直径管排方式：缠绕错列排列缠绕管尺寸管程数管孔间距管板规格管板厚度管子与管板说明书CN 102999707 A73/7 页8层间距垂直管间距螺旋上升角芯筒直径 6. 确定管道排列方式管程热流体体积流量 Vimi/i式中： V i体积流量， m3/s ；mi管程质量流量， kg/s ；i管内甲醇密度， kg/m3；管根数n=4Vi/(di2ui)式中：n管道数量；di管道内径， m ；ui管内流速， m/s ；各层基圆直径：D1D0+2a/2 ；D2D1+2d+2a mm ；D3D2+2d+2a mm ；DjDj-1+2d+2a mm ；式中：D 0芯筒直径， mm ；D 1第一层基圆直径， mm ；D 2第二层基圆直径， mm ；D 3第三层基圆直径， mm ；Dj第 j 层管道基圆直径， m ；d管道内径， m ；a层间距， m ； Djnj（d+ e） /sin式中：nj第 j 层管道数量；e垂直管间距， m ；管道上升角， m ； nj 3.14Djsin/（d+ e）缠绕圈数说明书CN 102999707 A84/7 页9wj= lcos/Dj式中：wj缠绕圈数；l管道长度， m ；缠绕后管道分布第一层：层基圆直径D 1管道数n1；第二层：层基圆直径D 2管道数n2；第三层：层基圆直径D 3管道数n3；第 j 层：层基圆直径D j管道数nj；缠绕后按等差数列补足最后一层管道数后，统计实际管道数量nn1+ n2+ n3+ n4+ n5+ n6+nj7. 计算总传热系数、总传热面积及换热器有效换热高度壳侧传热膜系数（根据尾花英朗主编热交换器设计手册进行计算）h0 0.338FtFiFnRe00.16Pr00.333（0/De）式中：h0壳侧传热膜系数， W/ (m2.K) ；Ft管子排列（流道结构）修正系数；Fi管子倾斜修正系数；Fn管子倾斜修正系数；Reo壳侧雷诺数；Pro壳侧普朗特数；0壳侧流体导热系数， W/( m.K) ；De壳侧当量直径， m ；管侧传热膜系数（根据尾花英朗主编热交换器设计手册进行计算）hii3.65 0.08（1+0.8（Di/Dc）0.9）（Di/ Gi /）i（Cii/i）0.333） /Dii 0.5+0.2903（Di/Dc）0.194，（100 Re （Re）c）；hii0.023（1+14.8（1+Di/Dc）（Di/Dc）0.333）（Di/ Gi /）i（Cii/i）0.333） /Dii 0.8-0.22（Di/Dc）0.1，（（Re）c Re 22000）；hii0.023（1+36（1-Di/Dc）（Di/Dc）0.8）（Di/ Gi /）0.8（Cii/i）0.333） /Di（22000 Re 150000）；（Re）c 2300（1+8.6（Di/Dc）0.45）式中：hi管侧传热膜系数， W/ (m2.K) ；Dc盘管缠绕直径， m ；Di管道内直径， m ；Ci管内流体比热， J/( kg.K) ；i管内流体导热系数， W/( m.K) ；说明书CN 102999707 A95/7 页10i管内流体粘度系数， Pa.s ；总传热系数K 1/1/h0+1d0/(dihi)+R0+Rid0/di+d0/(dm)式中：K总传热系数， W/（m2.K）；管道厚度， m ；Ri管内污垢系数， (m2.K)/W ；R0管外污垢系数， (m2.K)/W ；总传热量Q Cpmt式中：Q总传热量， W ；m质量流量， kg/s ；t对数平均温差， K ；总传热面积A=Q/Kt每根管长L A/(d0n)换热器有效换热高度HLsin式中：螺旋盘管上升角；甲醇甲醇缠绕管式换热器壳体及其它辅助部件可参照 GB150、 GB151 等设计标准进行设计计算；换热器压降可参照尾花英朗主编的热交换器设计手册中有关公式进行计算。0005 方案所涉及的原理问题：首先，甲醇甲醇缠绕管式换热器主要应用于煤化工领域或低温甲醇洗工艺技术包，一般的缠绕管式换热器采用整体大管板（4）及大管板（12）与筒体（6）直接焊接的方法固定管板（4）及管板（12）及管束，或采用管板（4）及管板（12）与封头（2）及封头（14）形成管箱（3）及管箱（13）并采用整体管板（4）及整体管板（12）的形式，一旦换热器管束出现破裂等时，由于管束（8）、管板（4）及管板（12）及筒体（6）焊接为一体，往往需要破坏整体管板（4）及管板（12）与壳体（6）的焊接部分进入壳体内部检修，导致换热器管束（8）不易检修，更换管束（8）难道增大，同时这种办法容易损坏管板（4）及管板（12），管板（4）及管板（12）损坏后需要重新更换管板（4）及管板（12）并固定管束（8），给检修带来很大难度。此外，整体管板（4）及管板（12）与壳体（6）焊接形式增加了加工制造及组装的难度，内部焊缝焊接要求很高，容易导致焊缝泄漏。本发明采用内置管板（4）及内置管板（12）的方法，即可先加工制造管束（8），管束（8）加工制造后再安装上独立管箱（3）及下独立管箱（13），安装完管箱（3）及管箱（13）后，通过内置管箱（3）及管箱（13）两端的接管（1）及接管（15）再分别与壳体（6）两端封头（2）及封头（14）联接，避免了加工制造超大管板（4）及管板（12）及超大管板说明书CN 102999707 A106/7 页11（4）及管板（12）与筒体（6）及封头（2）及封头（14）的全焊接导致的不易拆除的问题，便于加工制造及检修过程。其次，由于甲醇甲醇缠绕管式换热器在低温换热过程中存在相变及多相流流动过程，换热过程中物理参数变化幅度较大，一般换热设计方法均难以准确计算，目前还没有系统的、标准的缠绕管式换热器设计计算方法。本发明根据传热学及流体力学基本原理，应用对数平均值法、螺旋管束等差排列计算方法，并将所得参数应用于总传热系数计算过程，计算过程中结合尾花英朗主编热交换器设计手册中有关缠绕管式换热器管侧及壳侧传热膜数计算方法计算总传热系数，并最终确定换热器整体管束及换热器有效换热高度。甲醇甲醇缠绕管式换热器换热工艺设计计算方法已通过基础设计参数修正过程，可应用于复杂缠绕管束的数学建模过程，并将所建数学模型应用于螺旋缠绕管式换热器的换热工艺设计计算过程，获得甲醇甲醇缠绕管式换热器复杂管束结构参数及相关换热计算模型，以此设计整个甲醇甲醇缠绕管式换热器，使甲醇甲醇缠绕管式换热器有一个确定的设计计算方法，有利于甲醇甲醇缠绕管式换热器的标准化过程。0006 本发明的技术特点：本发明提出了低温甲醇甲醇缠绕管式换热器基本设计结构，采用独立内置上管箱（3）、独立内置下管箱（13）及上管板（4）、下管板（12）的办法以便于换热器的加工制造及维修过程；本发明应用七步法完成换热器主要换热工艺计算过程，即确定低温甲醇进出口定性温度、查找定性温度压力下的甲醇物性参数、计算对数平均温差、计算换热器热负荷、确定换热器基本规格、确定管道排列方式、计算总传热系数、总传热面积及换热器有效换热高度等主要换热工艺计算过程，得到甲醇甲醇缠绕管式换热器复杂管束模型及关键参数设计计算方法；计算过程中细化甲醇甲醇管程及壳程的速度计算过程，应用对数平均值法确定进出口定性温度；给出了计算甲醇甲醇缠绕管式换热器有效换热高度的数学模型；提出一套较完整的甲醇甲醇缠绕管式换热器换热工艺计算模型，可将甲醇甲醇缠绕管式换热器的缠绕方法应用于建模过程，并将所建数学模型应用于传热工艺计算过程，以此设计整个甲醇甲醇缠绕管式换热器，使甲醇甲醇缠绕管式换热器有一个确定的设计计算方法。附图说明0007 图 1 所示为低温甲醇甲醇缠绕管式换热器主要部件构成图具体实施方式0

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