[发明专利]一种垂直螺旋盘管外膜状凝结换热的计算方法

说明书

技术领域

本发明属于换热器技术领域，涉及一种垂直螺旋盘管外膜状凝结换热的计算方法。

背景技术

冷凝器作为换热设备，广泛的应用于暖通空调、能源动力、石油化工等各行业，鉴于我国高能耗的现状以及换热器在工业生产中的重要作用，其强化换热和能效的提升一直是相关行业与学术界努力的目标。垂直螺旋盘管式冷凝器是一种高效节能，结构紧凑的换热器，目前已经被广泛的关注与应用。垂直螺旋盘管换热器的综合传热系数应该包括：管内水的对流换热，管壁间的导热，壳程侧制冷剂的膜状凝结换热以及水垢油膜等产生的热阻。

由于垂直螺旋盘管的特殊结构，壳程侧膜状凝结换热系数理论基础薄弱，尚无公认的可靠算法。目前常用的膜状凝结换热模型有：竖壁膜状凝结计算模型(参见Nusselt W.DieDesWasserdampfes.Z.Vereines Deutsch.Ing.1916，60:541-546,569-575)、水平单管膜状凝结换热模型(参见Yilbas B S,Altuntop N.Condensation Heat Transfer ofFreon-21on Plain Horizontal Tubes[J].Indian Journal of Technology,1990,28：100-106.)、水平管束计算模型等(参见马志先.水平管束膜状凝结换热试验与理论研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012)及水平螺旋盘管膜状凝结换热模型(参见肖岷，章燕谋.水平螺旋盘管换热的理论研究[J].动力机械与工程物理.西安交通大学出版社.)等。根据垂直螺旋盘管结构特点及换热机理分析，与其换热模型比较接近的为水平螺旋盘管及水平管束两种。

西安交通大学的肖岷，章燕谋对于水平螺旋盘管外膜状凝结热展开了理论研究并通过实验验证。理论研究的方法主要是根据螺旋盘管结构建立动态曲线坐标系，在曲线坐标中找到液膜力的平衡及能量守恒关系式，给出液膜厚度的表达式。通过电导法实验测出液膜的厚度。经验证理论模型与实验误差在20％以内。哈工大的马志先等人，在国内外研究的基础上，通过理论与实验相结合的方法确定出水平管束的膜状凝结换热模型。明确了本体凝液、迁移凝液、作用凝液的概念及对换热影响的计算模型。上述两种方法针对各自的结构计算都是合理的，但针对垂直螺旋盘管结构却存在问题。水平螺旋盘管结构虽考虑了螺旋形式，但没有考虑垂直方向的液膜累积对换热的影响，而液膜随着盘管深度的增加，累积现象不可避免，对换热的影响很大，直接应用必然会导致误差。对于水平管束模型，提出了迁移凝液的概念，考虑了液膜累积的影响，但水平管与螺旋盘管相比必然存在差别，直接计算同样会产生误差。

现有的膜状凝结换热模型都没有考虑垂直螺旋盘管结构液膜累积的特殊问题，计算结果与实际结果都会产生很大误差。为提高垂直螺旋盘管冷凝器换热系数计算的准确性，满足此种冷凝器推广应用的需要，本发明提出了一种适用于垂直螺旋盘管式换热器壳程侧换热的计算模型。以垂直螺旋结构的特殊性，找出首层凝液厚度的计算方法。再根据液膜累积效应，计算出整体的综合传热系数平均值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种垂直螺旋盘管外膜状凝结换热的计算方法，解决了现有的膜状凝结换热模型都没有考虑垂直螺旋盘管结构液膜累积的特殊问题，计算结果与实际结果都会产生很大误差的问题。

本发明所采用的技术方案是按照以下步骤进行：

步骤1：将笛卡尔坐标系转化为动态直角坐标系：动态直角坐标系随着盘管上的点不断变化，但动态直角坐标系的建立均沿着螺旋盘管的中心轴线，其中X₁轴沿螺旋管中心方向，X₂X₃轴位于螺旋管截面上，X₃过截面顶点，其中P₀点为该截面的圆心，即P₀点为坐标系X₁X₂X₃的原点，P点为螺旋管表面的任一点；

步骤2：分析液膜力和能量的平衡关系，找出液膜速度切平面法向量的表达式，计算出液膜速度方向的表达式：

φ是液膜速度的方向与管截面(X₂X₃面)的夹角。速度的方向应为

步骤3：在液膜流动速度方向的切平面上存在力的平衡及能量的守恒，液膜上力及能量的平衡关系式：

力的平衡关系式为：

能量平衡关系式为：Q_导＝Q_潜