基于HTRI计算管式电加热器的加热性能及管表温度的方法

摘要

本发明公开了基于HTRI计算管式电加热器的加热性能及管表温度的方法，涉及管式电加热器设计技术领域，包括步骤1、确定管式电加热器的主体结构因素及加热介质；步骤2、确定管式电加热器的计算结构为直管，热侧设置为管程，且管、壳两侧均为全逆流换热。本发明提供的基于HTRI计算管式电加热器的加热性能及管表温度的方法可有效地检测管式电加热器的加热性能合格与否，同时还能准确计算管式电加热器的管表温度，保证出厂的管式电加热器符合使用要求，从而保证其加热效果可靠，能够满足预期目的。

权利要求

1.基于HTRI计算管式电加热器的加热性能及管表温度的方法，其特征在于：包括以下步骤步骤1、确定管式电加热器的主体结构因素及加热介质；

步骤2、确定管式电加热器的计算结构为直管，热侧设置为管程，且管、壳两侧均为全逆流换热；

步骤3、预设管侧进口温度，温度为加热管材料使用温度上限或设定的断电保护温度，另预设出口温度，其比进口温度低50；

步骤4、输入壳侧介质进口压力和允许压降，管侧压力为1000KPa，气相分率均为1；

步骤5、输入待检测的介质壳侧的进出口内径，并输入电加热管根数，另输入管壁壁厚和管板的长度，长度为管板到出口侧封头的距离；

步骤6、输入折流板间距；

步骤7、按实际介质填写壳侧介质的组分，并将热流体的传热系数定义为9999；

步骤8.1、预设电加热器表面负荷为P，对P进行计算，得到计算结果，如果计算结果中换热余量小于0，则说明该加热器设计不合理，需增大换热面积，或增加折流板以提高传热系数；

步骤8.2、使计算的换热余量大于0，此时计算结果中读取壳程平均传热系数为hs，加热管表面和壳侧介质的温差 降低管侧进出口温度，使计算结果中的管、壳侧的对数温差大于Δt，且壳侧出口处的加热管表面温度与壳侧出口介质温度加上Δt的结果相当；

步骤9、读取计算结果，算例中壳侧传热系数92.29，大于所需传热系数48.21；

步骤10、壳侧计算压降，其数值比允许压降低即可；

步骤11、设定的电加热管表面负荷为P，壳侧对流传热系数hs，得到管表与介质的温差Δt＝P/hs，即管表最大温度＝介质加热的最高温度+Δt；

所述步骤11中

hs取计算结果中靠近壳程出口一段的壳侧换热系数，设P为 h＝97.28，Δt＝P/h＝20000/97.28＝205.5921，此时加热管表面实际最大温度为150+Δt＝355.5921℃。

2.根据权利要求1所述的基于HTRI计算管式电加热器的加热性能及管表温度的方法，其特征在于：所述主体结构因素包括有管式电加热器的进出口的方位、折流板的数量、电加热器的壳体剖面直径和布管方式及加热管的管间距。

3.根据权利要求1所述的基于HTRI计算管式电加热器的加热性能及管表温度的方法，其特征在于：所述管式电加热器内的布管方式为正方形布管。

说明书

基于HTRI计算管式电加热器的加热性能及管表温度的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及管式电加热器设计技术领域，特别是涉及基于HTRI计算管式电加热器的加热性能及管表温度的方法。

背景技术

[0002] 管式电加热器目前的设计计算方法仅能计算所需功率，而无法准确计算设计功率所产生的热量能否被加热介质所吸收带走，造成余量过大，或温度超过最高允许限制导致加热失效，且目前的设计方法粗糙、仅依靠经验、无法定量计算，使传统管式电加热器制造成本和运行成本过大，或者加热效果不可靠，甚至是不能满足预期目的的根本原因。因此准确计算电加热器的加热性能及管表温度的方法是目前所需的。

发明内容

[0003] 本发明的主要目的是为了提供基于HTRI计算管式电加热器的加热性能及管表温度的方法，可有效地计算电加热器加热性能和管表温度。

[0004] 本发明的目的可以通过采用如下技术方案达到：

[0005] 基于HTRI计算管式电加热器的加热性能及管表温度的方法，包括以下步骤[0006] 步骤1、确定管式电加热器的主体结构因素及加热介质；

[0007] 步骤2、确定管式电加热器的计算结构为直管，热侧设置为管程，且管、壳两侧均为全逆流换热；

[0008] 步骤3、预设管侧进口温度，温度为加热管材料使用温度上限或设定的断电保护温度，另预设出口温度，其比进口温度低50；

[0009] 步骤4、输入壳侧介质进口压力和允许压降，管侧压力为1000KPa，气相分率均为1；

[0010] 步骤5、输入待检测的介质壳侧的进出口内径，并输入电加热管根数，另输入管壁壁厚和管板的长度，长度为管板到出口侧封头的距离；

[0011] 步骤6、输入折流板间距；

[0012] 步骤7、按实际介质填写壳侧介质的组分，并将热流体的传热系数定义为9999；

[0013] 步骤8.1、预设电加热器表面负荷为P，对P进行计算，得到计算结果，如果计算结果中换热余量小于0，则说明该加热器设计不合理，需增大换热面积，或增加折流板以提高传热系数；

[0014] 步骤8.2、使计算的换热余量大于0，此时计算结果中读取壳程平均传热系数为hs，加热管表面和壳侧介质的温差 降低管侧进出口温度，使计算结果中的管、壳侧的对数温差大于Δt，且壳侧出口处的加热管表面温度与壳侧出口介质温度加上Δt的结果相当；

[0015] 步骤9、读取计算结果，算例中壳侧传热系数92.29，大于所需传热系数48.21；

[0016] 步骤10、壳侧计算压降，其数值比数据表中要求的压降低即可；

[0017] 步骤11、设定的电加热管表面负荷为P，壳侧对流传热系数hs，得到管表与介质的温差Δt＝P/hs，即管表最大温度＝介质加热的最高温度+Δt。

[0018] 优选的，所述步骤11中

[0019] hs取计算结果中靠近壳程出口一段的壳侧换热系数，设P为 h＝97.28，Δt＝P/h＝20000/97.28＝205.5921，此时加热管表面实际最大温度为150+Δt＝355.5921℃。

[0020] 优选的，所述主体结构因素包括有管式电加热器的进出口的方位、折流板的数量、电加热器的壳体剖面直径和布管方式及加热管的管间距。

[0021] 优选的，所述管式电加热器内的布管方式为正方形布管。

[0022] 本发明的有益技术效果：本发明提供的基于HTRI计算管式电加热器的加热性能及管表温度的方法可有效地检测管式电加热器的加热性能合格与否，同时还能准确计算管式电加热器的管表温度，保证出厂的管式电加热器符合使用要求，从而保证其加热效果可靠，能够满足预期目的。

附图说明

[0023] 图1为按照本发明的实施例的直管计算，热介质设置为管程，逆流换热操作示意图；

[0024] 图2为按照本发明的实施例的管侧压力写1000KPa，气相分率都是1操作示意图；

[0025] 图3为按照本发明的实施例的步骤6操作示意图；

[0026] 图4为按照本发明的实施例的按实际介质填写冷物料的组分操作示意图；

[0027] 图5为按照本发明的实施例的步骤7操作示意图；

[0028] 图6为按照本发明的实施例的传热计算示意图；

[0029] 图7为按照本发明的实施例的管表最大温度计算示意图；

[0030] 图8为按照本发明的实施例的热分析验证示意图；

[0031] 图9为按照本发明的实施例的热分析验证示意图；

[0032] 图10为按照本发明的实施例的热分析验证示意图；

[0033] 图11为按照本发明的实施例的热分析验证示意图。

具体实施方式

[0034] 为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

[0035] 如图1‑图11所示，本实施例提供的管式电加热器的加热性能及管表温度的计算方法，包括以下步骤：

[0036] 步骤1、确定管式电加热器的主体结构因素及加热介质，当加热介质是气体时，一般应上进下出，加热介质为液体时，一般下进上出，

[0037] 进出口在同一侧时，为提高换热系数，应最少设置一块折流板，进出口相对时，应最少设置两块折流板；

[0038] 若压降要求非常严格，设置折流板压降无法满足要求，可在保证换热效果的前提下，采用支撑网型式对加热管进行支撑，同时结构尽量细长，管间距减小；

[0039] 所述主体结构因素包括有进出口的方位、折流板的数量、电加热器的壳体剖面直径和布管方式及加热管的管间距，其中布管方式为正方形布管，对流体流动的均匀性和计算的准确性都有益，管间距在满足最小弯曲半径的要求下，综合考虑换热效果和压降，缩小间距，设备直径减小，流通面积减小，流速加大；

[0040] 步骤2、确定计算模式和结构形式对应为Rating、AEM，因使用热介质代替电流发热，电流加热没有方向性，故虽然加热管为U型管结构，还是应采用直管结构计算，热侧设置为管程，管、壳两侧为全逆流换热，如图1所示，根据数据表要求输入壳侧介质的流量及进出口温度，管侧采用热介质模拟的电加热丝发热；

[0041] 步骤3、预设管侧进口温度，温度为加热管最大允许温度，最大允许温度即加热管材料使用温度上限或设定的断电保护温度，另预设出口温度，其比进口温度低50℃；

[0042] 步骤4、按数据表输入壳侧介质进口压力和允许压降，注意区分绝压还是表压，管侧压力写1000KPa，气相分率均为1；

[0043] 步骤5、输入待检测的介质壳侧的进出口内径，并输入电加热管根数，这里为管子的数量，即U型加热管数量的两倍，另输入管壁壁厚和管板的长度，长度为管板到出口侧封头的距离；

[0044] 步骤6、输入折流板间距，如采用支撑网选用Rod型式，单弓形选用Single·segmental，大小圈选用Double·segmental，如有支撑网和折流板组合使用的情况，无视支撑网，只需按折流板的实际结构和间距设置折流板参数；

[0045] 步骤7、按实际介质填写壳侧介质的组分，这里需注意区分是摩尔分率还是质量分率，其中热侧介质直接选空气，并在Control‑Safety中将热流体的传热系数定义为9999，以降低热侧热阻的影响；

[0046] 步骤8、预设电加热器表面负荷为P，运行软件，如果计算结果中overdesign小于0，则说明该加热器设计不合理，需增大换热面积，或增加折流板以提高传热系数，使换热余热大于0，即计算结果中的overdesign大于0，此时计算结果中读取壳程平均传热系数为hs，加热管表面和壳侧介质的温差 降低管侧进出口温度，使计算结果中的管、壳侧的对数温差EMTD稍大于Δt，且壳侧出口处的加热管表面温度SkinTem与壳侧出口介质温度加上Δt的结果相当；

[0047] 步骤9、读取计算结果，主要关注壳侧的传热系数与所需传热系数的关系，算例中壳侧传热系数92.29，大于所需传热系数48.21，加热器设计可以满足使用要求，加热器一般要留30％以上余量，因为软件只能计算三角形和正方形布管，如果设计结构采用其他布管形式，实际壳侧流经加热管的流场会比计算模型的不均匀；

[0048] 步骤10、壳侧计算压降，其数值比业主的工艺数据表中要求的压降低即满足要求；

[0049] 步骤11、设定的电加热管表面负荷为P，壳侧对流传热系数hs，得到管表与介质的温差Δt＝P/hs，即管表最大温度＝介质加热的最高温度+Δt。

[0050] 只需关注最高温度，因温度最高的位置在介质出口处，hs取计算结果中靠近壳程出口一段的壳侧换热系数，设P为 h＝97.28，Δt＝P/h＝20000/97.28＝205.5921，此时加热管表面实际最大温度为150+Δt＝355.5921℃。

[0051] 热分析验证：

[0052] 建立五根U型加热管的模型，材质采用不锈钢，管表热流量 表面对流传热系数 环境温度150℃，如图8，仿真计算结果与解析计算结果一致，如图9。

[0053] 采用盘径5mm的加热室，氧化镁填充的模型计算，氧化镁导热系数设置为边界设置如图10，计算结果一致，如图11。

[0054] 在本实施例中，如图1所示，气相分率如果是加热气体就全部写1，液体全部写0。

[0055] 综上所述，在本实施例中，本实施例提供的基于HTRI计算管式电加热器的加热性能及管表温度的方法可有效地检测管式电加热器的加热性能合格与否，同时还能准确计算管式电加热器的管表温度，保证出厂的管式电加热器符合使用要求，从而保证其加热效果可靠，能够满足预期目的。

[0056] 以上所述，仅为本发明进一步的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。