[發明專利]一種垂直螺旋盤管外膜狀凝結換熱的計算方法

有效

• 申請號: 201510036836.1
• 申請日: 2015-01-25
• 公開（公告）號: CN104615872B
• 公開（公告）日: 2018-03-30
• 發明（設計）人: 周恩澤;王永琳
• 申請（專利權）人: 青島理工大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 青島高曉專利事務所(普通合伙)37104
• 代理人: 黃曉敏

技術領域

本發明屬于換熱器技術領域，涉及一種垂直螺旋盤管外膜狀凝結換熱的計算方法。

背景技術

冷凝器作為換熱設備，廣泛的應用于暖通空調、能源動力、石油化工等各行業，鑒于我國高能耗的現狀以及換熱器在工業生產中的重要作用，其強化換熱和能效的提升一直是相關行業與學術界努力的目標。垂直螺旋盤管式冷凝器是一種高效節能，結構緊湊的換熱器，目前已經被廣泛的關注與應用。垂直螺旋盤管換熱器的綜合傳熱系數應該包括：管內水的對流換熱，管壁間的導熱，殼程側制冷劑的膜狀凝結換熱以及水垢油膜等產生的熱阻。

由于垂直螺旋盤管的特殊結構，殼程側膜狀凝結換熱系數理論基礎薄弱，尚無公認的可靠算法。目前常用的膜狀凝結換熱模型有：豎壁膜狀凝結計算模型(參見Nusselt W.DieDesWasserdampfes.Z.Vereines Deutsch.Ing.1916，60:541-546,569-575)、水平單管膜狀凝結換熱模型(參見Yilbas B S,Altuntop N.Condensation Heat Transfer ofFreon-21on Plain Horizontal Tubes[J].Indian Journal of Technology,1990,28：100-106.)、水平管束計算模型等(參見馬志先.水平管束膜狀凝結換熱試驗與理論研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2012)及水平螺旋盤管膜狀凝結換熱模型(參見肖岷，章燕謀.水平螺旋盤管換熱的理論研究[J].動力機械與工程物理.西安交通大學出版社.)等。根據垂直螺旋盤管結構特點及換熱機理分析，與其換熱模型比較接近的為水平螺旋盤管及水平管束兩種。

西安交通大學的肖岷，章燕謀對于水平螺旋盤管外膜狀凝結熱展開了理論研究并通過實驗驗證。理論研究的方法主要是根據螺旋盤管結構建立動態曲線坐標系，在曲線坐標中找到液膜力的平衡及能量守恒關系式，給出液膜厚度的表達式。通過電導法實驗測出液膜的厚度。經驗證理論模型與實驗誤差在20％以內。哈工大的馬志先等人，在國內外研究的基礎上，通過理論與實驗相結合的方法確定出水平管束的膜狀凝結換熱模型。明確了本體凝液、遷移凝液、作用凝液的概念及對換熱影響的計算模型。上述兩種方法針對各自的結構計算都是合理的，但針對垂直螺旋盤管結構卻存在問題。水平螺旋盤管結構雖考慮了螺旋形式，但沒有考慮垂直方向的液膜累積對換熱的影響，而液膜隨著盤管深度的增加，累積現象不可避免，對換熱的影響很大，直接應用必然會導致誤差。對于水平管束模型，提出了遷移凝液的概念，考慮了液膜累積的影響，但水平管與螺旋盤管相比必然存在差別，直接計算同樣會產生誤差。

現有的膜狀凝結換熱模型都沒有考慮垂直螺旋盤管結構液膜累積的特殊問題，計算結果與實際結果都會產生很大誤差。為提高垂直螺旋盤管冷凝器換熱系數計算的準確性，滿足此種冷凝器推廣應用的需要，本發明提出了一種適用于垂直螺旋盤管式換熱器殼程側換熱的計算模型。以垂直螺旋結構的特殊性，找出首層凝液厚度的計算方法。再根據液膜累積效應，計算出整體的綜合傳熱系數平均值。

發明內容

本發明的目的在于提供一種垂直螺旋盤管外膜狀凝結換熱的計算方法，解決了現有的膜狀凝結換熱模型都沒有考慮垂直螺旋盤管結構液膜累積的特殊問題，計算結果與實際結果都會產生很大誤差的問題。

本發明所采用的技術方案是按照以下步驟進行：

步驟1：將笛卡爾坐標系轉化為動態直角坐標系：動態直角坐標系隨著盤管上的點不斷變化，但動態直角坐標系的建立均沿著螺旋盤管的中心軸線，其中X₁軸沿螺旋管中心方向，X₂X₃軸位于螺旋管截面上，X₃過截面頂點，其中P₀點為該截面的圓心，即P₀點為坐標系X₁X₂X₃的原點，P點為螺旋管表面的任一點；

步驟2：分析液膜力和能量的平衡關系，找出液膜速度切平面法向量的表達式，計算出液膜速度方向的表達式：

φ是液膜速度的方向與管截面(X₂X₃面)的夾角。速度的方向應為

步驟3：在液膜流動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關系式：

力的平衡關系式為：

能量平衡關系式為：Q_導＝Q_潛