(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210918221.1 (22)申请日 2022.08.01 (71)申请人 郑州轻工业大 学 地址 450000 河南省郑州市高新 技术产业 开发区科 学大道136号 (72)发明人 韩勇　朱有健　马寒阳　吴学红　 张瑞达　李绪丰　邓聪　杨伟　 李嘉妮　吴泳钢　 (74)专利代理 机构 成都佳划信知识产权代理有 限公司 5126 6 专利代理师 楚鸿艳 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 17/18(2006.01) F28D 7/02(2006.01)G06F 119/08(2020.01) (54)发明名称 一种无相变多股流缠绕管式换热器设计方 法 (57)摘要 本发明公开了一种无相变多股流缠绕管式 换热器设计方法， 管程为多种不同的工质， 壳程 为单一种工质； 根据管程各个工质的进出口温 度、 壳程工质进出口温度、 管程各个工质 物性参 数、 壳程工质物性参数、 管程各个工质的热载荷、 壳程工质的热载荷； 按照从内到外的顺序， 将该 缠绕管式换热器的管程工质的数量分为若干部 分， 管程各个部分热载荷之和为壳程热载荷； 分 别对该缠绕管式换热器所分成的各个部分的管 程表面换热系数、 壳程表面换热系数、 综合换热 系数、 管程压降、 壳程压降、 换热面积、 轴向有效 换热长度和总管长进行设计计算； 该无相变多股 流缠绕管式换热器的管程有多种工质同时换热， 且各种工质相互之间不混合， 因此， 按照管程工 质的种类分为若干部分， 各个部分均采用微元法 对换热量进行设计计算。 本发明提出的无相变多 股流缠绕管式换热器设计方法有计算精度高、 设计方法完备、 计算效率高等特点， 具有高度的商 业价值和市场推广价 值。 权利要求书3页 说明书13页 附图4页 CN 115391995 A 2022.11.25 CN 115391995 A 1.一种无相变多股流缠绕管式换热器设计方法， 其特征在于， 管程为多种不同的工质， 壳程为单一种工质； 利用壳程工质的热载荷对管程各个工质同时进行加热(或冷却)； 根据 管程各个工质的进 出口温度、 壳程工质进 出口温度、 管程各个工质物性参数、 壳程工质物 性 参数、 管程各个工质的热载荷、 壳程工质的热载荷， 将该 缠绕管式换热器的计算分为若干部 分， 管程各个部分热载荷之和为壳程热载荷； 分别对该缠绕管式换热器所分成的各个部分 的管程表面换热系数、 壳程表面换热系数、 综合换热系数、 管程压降、 壳程压降、 换热面积、 轴向有效换 热长度和总管长进行设计 计算。 2.根据权利要求1所述的一种无相变多股流缠绕管式换热器设计方法， 其特征在于， 该 缠绕管式换 热器设计 计算包括以下步骤： S1： 输入壳程和管程工质的物性 参数； S2： 输入换 热器设计的额定 工况； S3： 根据管程各个工质的进出口温度、 壳程工质进出口温度、 管程各个工质物性参数、 壳程工质物性参数、 管程各个工质的热载荷、 壳程工质的热载荷， 将该缠绕管式换热器的管 程工质的数量分为若干 部分， 管程各个部分热 载荷之和为壳程热 载荷； S4： 布置该缠绕管式换热器的壳程结构和管程的结构， 采用冒泡排序的方法， 按照管程 各个工质的比热 大小从内到 外进行排序； S5： 采用最小方差公平分配法， 公平分配该无相变多股流缠绕管式换热器的管程各个 工质分配的缠绕管的层数； S6： 根据管程各个工质的物性和该无相变多股流缠绕管式换热器的结构布置， 分别计 算管程各个工质的表面换热系数αT(i)、 壳程的表面 换热系数αS； 根据热阻原理， 计 算各个工 质对应的综合换 热系数K(i)； S7： 采用微元法将该无相变多股流缠绕管式换热器的各个部分进行均分离散； 跟据热 平衡和每种工质的换热量， 分别计算该无相变多股缠绕管式换热器各个工质的所分微元的 换热面积、 换热量和轴向长度； 利用叠加原理， 计算各个工质的换热面积、 轴向长度和换热 管总长度； S8： 根据设计计算判定Qtube,total＝Qshell是否成立， 若关系式不成立， 重新布置结构， 若 关系式成立， 进行 下一步； S9： 根据设计计算判定各个工质对应的轴向长度 是否按照从内向外的顺序由长到短排 列， 关系不成立， 重新布置结构， 若关系成立， 进行 下一步； S10： 根据管程各个工质的物性和结构参数， 分别计算各个管程工质的压降|ΔP|tube (i)； 根据壳程工质的物性和结构参数， 计算壳程工质的压降|ΔP|shell； S11： 根据设计计算判定|ΔP|tube,load(i)≥|ΔP|tube(i)和|ΔP|load,shell≥|ΔP|shell两 个条件是否同时成立， 若关系式不成立， 重新布置结构， 若关系式成立， 输出 结果。 3.根据权利要求2所述的一种无相变多股流缠绕管式换热器设计方法， 其特征在于， 布 置该缠绕管式换热器的壳程结构和管程的结构， 采用冒泡排序的方法， 按照管程各个工质 的比热大小从内到外进行排序， 具体为： 比较相邻工质的比热容， 如果第一个比第二个大， 就交换他们两个， 对每一对相 邻元素作同样的工作， 从开始第一对到结尾的最后一对， 针对 所有的元素重复该步骤， 直到没有任何一对数字需要比较， 最后得到管程各个工质的按照 比热大小从内到 外的排列。权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115391995 A 24.根据权利要求2所述的一种无相变多股流缠绕管式换热器设计方法， 其特征在于， 采 用最小方差公平分配法， 公平分配该无相变多股 流缠绕管式换热器的管程各个工质分配的 缠绕管的层数， 计算方法如下: 根据几何设计模。 当壳程尺寸一定时， 缠绕管的层数和每层的缠绕管数量一定。 将层数 一定的缠绕管以 “层”为单位公平分配给每种工质。 因此， 工质分配缠绕管数 的问题转化成 为了有限层数的缠绕管的公平分配给每种工质的数学问题。 假设缠绕管总共有p层,工质的 总数量为k,第i种工质期望分配 缠绕管的层数为pi,实际获得分配的层数为qi,则显然应有 最理想的分配 方案是p/q＝pi/qi,qi＝(q/p)·pi,i＝1,2, …,m； 其中， (p/q)的值不一定 为整数， 对其进行取整,pi＝qi＝int[(q/p) ·pi],这样有很大一部分情况为 pi/qi 是第i种工质期 望获得层数与实际获得层数之比.(p/q)为期望每种工质平均获得层数与实 际每种工质获得层数之比.两者之间会存在一定的差值 ±|(p/q)‑pi/qi|.在此引入最小方 差公平优化模型: 可以认为最小方差原则是希望|(p /q)‑pi/qi|的值不要太大,描述的数学模型的约束条 件做进一 步的合理限制,则有: 即qi只能取qi,0和qi,1其中之一， 可将目标函数Z改写为： 如果存在 如下数学关系： z0,i＝(p/q‑pi/qi,0)2， z1,i＝(p/q‑pi/qi,1)2‑(p/q‑pi/qi,0)2 因此， 可以目标函数Z的计算公式为： Z＝z0+z1， 其中z0是一个常数,求Z的最小值,也就 是求z1的最小值。 因此， 可以得到最小方差公平 分配法的方法可以分为三步： (a)假设第i种 工质分配的层数qi,0； (b)计算第i种工质的z1,i(z1,i＝[(p/q‑pi/qi,1)2‑(p/q‑pi/qi,0)2])， 并 从小到大进行排列； (c)对于剩下的层数q'(q'＝q ‑∑qi,0)， 再依次分配给z1,i值最小的前k'权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115391995 A 3