非金屬化工設(shè)備 不透性石墨換熱器傳熱系數(shù)和流阻性能測試方法-編制說明

《非金屬化工設(shè)備不透性石墨換熱器傳熱系數(shù)和流阻性能測試方法》

國家標(biāo)準(zhǔn)編制說明（征求意見稿）

一、工作簡況

（一）任務(wù)來源

本標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)《國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會關(guān)于下達2021年第二批推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)計劃及相關(guān)表標(biāo)

準(zhǔn)外文版計劃的通知》（國標(biāo)委發(fā)【2021】23號）20213485-T-606號計劃制定，由全國非金屬化工

設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（SAC/TC162）歸口。

（二）參加單位和工作組成員

本標(biāo)準(zhǔn)由南通山劍石墨設(shè)備有限公司牽頭起草，參加單位包括上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研

究院，上海藍濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司，上海藍?？苿?chuàng)檢測有限公司，天華化工機械及自動化研究

設(shè)計院有限公司，南通貝思特石墨設(shè)備有限公司，南通星球石墨股份有限公司，華東理工大學(xué)。

參加標(biāo)準(zhǔn)編寫的成員有XXXXX。

不透性石墨換熱器具有優(yōu)良的耐腐蝕性和傳熱性能，被廣泛應(yīng)用于氯堿、制酸、化肥、農(nóng)藥和

有機合成等工業(yè)領(lǐng)域，我國石墨設(shè)備產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的85%。本標(biāo)準(zhǔn)的制訂，主要解決兩個問

題：一是解決由于缺少石墨設(shè)備傳熱系數(shù)的檢測方法標(biāo)準(zhǔn)，無法對我國石墨換熱器的換熱性能作出

準(zhǔn)確的、科學(xué)的檢測和評價，無法對我國石墨換熱器和國外換熱器換熱性能差距大小作出準(zhǔn)確的判

斷和分析的問題；二是解決由于沒有石墨換熱器能效測試方法標(biāo)準(zhǔn)，國家市場監(jiān)督管理總局發(fā)布的

TSGR0010《熱交換器能效測試與評價規(guī)則》無法在石墨設(shè)備制造行業(yè)貫徹實施的問題。為此，標(biāo)

準(zhǔn)編制組作了明確分工和周密的計劃，緊張而有序的開展各項工作，各參編單位負責(zé)的工作具體如

下：

南通山劍石墨設(shè)備有限公司姚松年、上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院任彬和楊宇清、上海

藍濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司周文學(xué)、上海藍?？苿?chuàng)檢測有限公司陳戰(zhàn)楊、南通貝思特石墨設(shè)備有限

公司王濤、南通星球石墨股份有限公司劉仍禮、華東理工大學(xué)張莉等主要負責(zé)標(biāo)準(zhǔn)的文本編寫工

作。由上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院任彬、上海藍濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司周文學(xué)等進行標(biāo)

準(zhǔn)資料的查詢、匯總和標(biāo)準(zhǔn)條文的編寫工作。

南通是我國不透性石墨換熱器的主要產(chǎn)地，為保證試驗所用樣機的廣泛性和代表性，分別選擇

了南通山劍石墨設(shè)備有限公司、南通貝思特石墨設(shè)備有限公司、南通星球石墨股份有限公司等多家

石墨換熱器制造廠制作的樣機，并由上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院任彬和上海藍濱石化設(shè)備

有限責(zé)任公司陳戰(zhàn)楊主要負責(zé)換熱器樣機的試驗驗證工作。

在試驗的方案論證、檢測方法、結(jié)果分析等方面由上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院、南通

山劍石墨設(shè)備有限公司、上海藍濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司、南通貝思特石墨設(shè)備有限公司、華東理

工大學(xué)等研究機構(gòu)和企業(yè)一起進行相關(guān)的分析和討論。

由天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司桑臨春、上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院楊

宇清、上海藍濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司周文學(xué)等進行標(biāo)準(zhǔn)條文的審查工作。

（三）主要工作過程

2021年8月24日，國標(biāo)委發(fā)（2021）23號《國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會關(guān)于下達2021年第二批

推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)計劃及相關(guān)表標(biāo)準(zhǔn)外文版計劃的通知》批準(zhǔn)下達本標(biāo)準(zhǔn)制定計劃。

2021年10月12日，通過視頻會議形式召開了本標(biāo)準(zhǔn)的第一次工作會議，確定了標(biāo)準(zhǔn)工作組

成員及分工；討論通過了標(biāo)準(zhǔn)大綱；確定了標(biāo)準(zhǔn)起草工作計劃。

2022年1月10日至1月11日，在南通市召開了標(biāo)準(zhǔn)工作組第二次工作會議，主要議題是：

逐條討論標(biāo)準(zhǔn)文本內(nèi)容；討論相關(guān)試驗的方案、計劃和實施。

2022年2月至3月，上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院和上海藍?？苿?chuàng)檢測有限公司積極

開展了有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)試驗部署會議，取得了大量的一手試驗數(shù)據(jù)；并按照第二次會議的意見對標(biāo)

準(zhǔn)文本進行了修改完善，形成了起草組討論稿（第一稿）。

2022年4月19日至20日通過視頻會議形式召開了第三次標(biāo)準(zhǔn)工作組會議，召集了多名行業(yè)

內(nèi)的專家對標(biāo)準(zhǔn)討論稿進行預(yù)審。5月5日，工作組根據(jù)專家的預(yù)審意見修改了起草組討論稿（第

一稿），形成了征求意見稿，報送全國非金屬化工設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員TC162秘書處。

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二、標(biāo)準(zhǔn)編制原則和主要內(nèi)容

不透性石墨換熱器具有優(yōu)良的耐腐蝕性和傳熱性能，廣泛應(yīng)用于氯堿、制酸、化肥等領(lǐng)域。傳

熱系數(shù)是評價換熱器效能優(yōu)劣的一項關(guān)鍵指標(biāo)，由于沒有適用于石墨設(shè)備傳熱系數(shù)的檢測標(biāo)準(zhǔn)，無

法對我國石墨換熱器的換熱性能作出準(zhǔn)確的、科學(xué)的檢測和評價，也無法對我國石墨換熱器和國外

換熱器換熱性能差距大小、以及影響因素作出準(zhǔn)確的判斷和分析。2019年，國家市場監(jiān)督管理總

局發(fā)布了TSGR0010《熱交換器能效測試與評價規(guī)則》，但由于沒有石墨換熱器能效測試方法標(biāo)

準(zhǔn)，該法規(guī)在石墨設(shè)備制造行業(yè)無法貫徹實施。，為提升我國產(chǎn)品質(zhì)量和性能，促進行業(yè)發(fā)展，趕

超國外產(chǎn)品的需要，也為配套、支撐相關(guān)技術(shù)法規(guī)，貫徹實施技術(shù)法規(guī)，促進石墨換熱器行業(yè)高質(zhì)

量、節(jié)能、綠色發(fā)展的需要，特制定該項標(biāo)準(zhǔn)。

（一）標(biāo)準(zhǔn)編制原則

標(biāo)準(zhǔn)制訂遵循以下原則：

1.規(guī)范性

本文件是按GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的

要求進行編制。

2.一致性

標(biāo)準(zhǔn)條款、要求、試驗方法等與現(xiàn)行有效的國內(nèi)外產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范基本保持一致。

3.適用性

充分考慮了石墨換熱器的類型和實際的使用工況，確保該方法可測試出浮頭列管式、圓塊孔式

和矩形塊孔式石墨換熱器在各類使用工況下的傳熱系數(shù)和流阻性能。

4.可操作性

本文件對測試系統(tǒng)、測量儀器、測試流程、測試結(jié)果計算、測試報告、不確定度計算等都作了

詳細、明確的規(guī)定，完整性和可操作性較強。

（二）標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容

本標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容包括:第1章范圍；第2章規(guī)范性引用文件；第3章術(shù)語和定義；第4章

符號和縮略語；第5章測試系統(tǒng)；第6章測量儀器及方法；第7章測試流程；第8章測試結(jié)果

計算；第9章測試報告；附錄A不確定度計算。

（三）主要條款說明

本文件規(guī)定了不透性石墨換熱器傳熱系數(shù)和流阻性能測試方法的術(shù)語和定義、測試系統(tǒng)、測量

儀器及方法、測試流程、測試結(jié)果計算、測試報告、不確定度計算。本文件適用于各種類型的石墨

換熱器。

本文件為制定標(biāo)準(zhǔn)，在確保與現(xiàn)有其它標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)性的前提下，也體現(xiàn)了石墨換熱器一些特性，

如換熱器的結(jié)構(gòu)，石墨材料的強度、導(dǎo)熱系數(shù)等。主要條款說明如下。

1.范圍

根據(jù)目前企業(yè)的現(xiàn)狀和市場需求，規(guī)定了石墨換熱器的測試工況為液-液無相變、汽-液冷凝和

液-汽蒸發(fā)，規(guī)定了石墨換熱器類型的為浮頭列管式、圓塊孔式和矩形塊孔式，覆蓋了市場主流產(chǎn)

品。

根據(jù)目前國內(nèi)石墨設(shè)備檢測現(xiàn)狀，規(guī)定了采用的試驗介質(zhì)為冷熱水、冷熱油和蒸汽，其他介質(zhì)

因試驗現(xiàn)場存儲困難，對測試系統(tǒng)有腐蝕，國內(nèi)檢測機構(gòu)都不采用。

2.規(guī)范性引用文件

GB/T151是針對金屬管殼式熱交換器的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，本標(biāo)準(zhǔn)采用了其計算溫差矯正系數(shù)的方

法。GB/T27698.1-2011是針對金屬換熱器傳熱與流阻性能的測試標(biāo)準(zhǔn)，本標(biāo)準(zhǔn)采用了其中的物性

參數(shù)表及對溫度、壓力、流量測量儀表的部門要求。

3.術(shù)語和定義

考慮到塊孔式換熱器不像列管式、板式換熱那樣有均勻的壁厚，為了能夠通過試驗擬合出單側(cè)

流道的傳熱關(guān)聯(lián)式，標(biāo)準(zhǔn)起草組給出了“當(dāng)量壁厚”的定義。由于塊孔式換熱器橫孔傳熱面積與縱

孔傳熱面積不相等，有時甚至相差較大，不能像列管式換熱器那樣以換熱管外傳熱面積作為換熱器

的傳熱面積，因此定義了“公稱換熱面積”。

4

4.符號和縮略語

本部分對標(biāo)準(zhǔn)中出現(xiàn)的所有符號和縮略語都給出了解釋，以方便標(biāo)準(zhǔn)使用者理解本標(biāo)準(zhǔn)。

5.測試系統(tǒng)

通過對國內(nèi)換熱器性能測試標(biāo)準(zhǔn)及文獻的調(diào)研分析，標(biāo)準(zhǔn)提出了液-液無相變、汽-液冷凝和汽

-液、液-汽蒸發(fā)工況下的測試系統(tǒng)，考慮到石墨換熱器的承壓能力，各測試系統(tǒng)均安裝了安全閥。

5.1無相變測試系統(tǒng)

無相變測試系統(tǒng)是為換熱器樣機提供溫度的冷、熱介質(zhì)，同時冷、熱介質(zhì)的溫度和流速均可以

調(diào)節(jié)。冷介質(zhì)的溫度通過控制冷卻器中冷水流速進行控制，冷卻器中冷水溫度通過控制冷卻塔風(fēng)機

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。熱介質(zhì)的溫度通過控制加熱器中蒸汽流速進行控制。冷、熱介質(zhì)的流速均通過控制冷、

熱水泵的頻率進行調(diào)節(jié)。

5.2冷凝測試系統(tǒng)

冷凝測試系統(tǒng)是為換熱器樣機提供干度可調(diào)節(jié)的汽-液兩相流蒸汽。蒸汽的干度通過控制預(yù)冷

器傳熱量進行控制。當(dāng)干度為1時系統(tǒng)用于測試換熱器樣機的冷凝能力，當(dāng)干度不為1時系統(tǒng)用于

擬合換熱器樣機的冷凝傳熱關(guān)聯(lián)式。

5.3蒸發(fā)測試系統(tǒng)

蒸發(fā)測試系統(tǒng)是為換熱器樣機提供干度可調(diào)節(jié)的汽-液兩相流飽和水。飽和水的干度通過控制

預(yù)熱器傳熱量進行控制。當(dāng)干度為0時系統(tǒng)用于測試換熱器樣機的蒸發(fā)能力，當(dāng)干度不為1時系統(tǒng)

用于擬合換熱器樣機的蒸發(fā)傳熱關(guān)聯(lián)式。

6.測量儀器及方法

要獲取石墨換熱器的熱工性能，除了需要測量冷熱介質(zhì)的熱工參數(shù)如溫度、壓力、流量等，還

需要測量出換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以獲取傳熱面積、流道截面積、當(dāng)量直徑等關(guān)鍵中間參數(shù)。

本部分采納了GB/T27698.1-2011的要求，同時增加了對影響測試結(jié)果的環(huán)境效應(yīng)的測量，也

增加了對溫度、流量、壓力（差）測量的其他要求。

7.測試流程

本部門先規(guī)定了各工況的測試過程需要測量的物理量，再詳細規(guī)定了各工況下的測試程序。無

相變工況下的核心流程是固定熱側(cè)流體流速為1.0m/s，冷流體的流速從0.5m/s～l.5m/s變化；固

定熱側(cè)流體流速為1.0m/s,冷流體的流速從0.5m/s～l.5m/s變化。冷凝工況下的核心流程是固定蒸

汽流量后，由預(yù)冷器來調(diào)節(jié)測試樣機進口干度從1~0變化，在每一種干度下冷流體的流速從0.5

m/s～l.5m/s變化。蒸發(fā)工況下的核心流程是固定飽和水流量后，由預(yù)熱器來調(diào)節(jié)測試樣機進口干

度從0~1變化，在每一種干度下熱流體的流速從0.5m/s～l.5m/s變化。

8.測試結(jié)果計算

本部分規(guī)定了物性參數(shù)確定、總傳熱系數(shù)和壓力降計算、不確定度計算、曲線圖繪制、確定單

側(cè)傳熱和流阻性能的要求。物性參數(shù)通過查GB/T27698.1-2011附錄A獲得，主要物性參數(shù)包括定

壓比熱容、密度、動力粘度、汽化潛熱，石墨材料的導(dǎo)熱系數(shù)無法查表獲得，只能參考GB/T8722

測定獲得?？倐鳠嵯禂?shù)和壓力降按照標(biāo)準(zhǔn)中表1~表3可直接計算獲得。繪制曲線圖目的是為石墨

換熱器設(shè)計時提供可視化的工具圖。

確定單側(cè)傳熱性能首先需要明確傳熱關(guān)聯(lián)式的基本形式，無相變工況Nu數(shù)主要與Re數(shù)和Pr

數(shù)相關(guān)，同時由于冷、熱流道幾何不相似，無法采用GB/T27698.1-2011中的等流速法，只能采用

威爾遜圖解法。冷凝工況Nu數(shù)主要與Re數(shù)和干度x相關(guān)，在每一個流量、干度下采用威爾遜圖解

法獲得該工況下的傳熱系數(shù)，再改變蒸汽流量和干度進而獲取不同流量、干度下的傳熱關(guān)聯(lián)式。蒸

發(fā)工況Nu數(shù)主要與Re數(shù)和馬丁利尼數(shù)Xtt相關(guān)，在每一個流量、干度下采用威爾遜圖解法獲得該

工況下的傳熱系數(shù)，再改變飽和水流量和干度進而獲取不同流量、干度下的傳熱關(guān)聯(lián)式。

確定單側(cè)流阻性能時Eu數(shù)可直接計算獲得，再進一步擬合為關(guān)聯(lián)式。

9.測試報告

本部分規(guī)定了測試報告需要包含的內(nèi)容，根據(jù)這些內(nèi)容可以方便機構(gòu)和委托方溯源，進一部保

證了測試的可靠性。企業(yè)則可根據(jù)報告內(nèi)容對產(chǎn)品進行設(shè)計或優(yōu)化升級。

附錄A.不確定度計算

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為使測試結(jié)果更精確，同時為更好地配套TSGR0010-2019。本附錄規(guī)定了傳熱系數(shù)和壓力降

不確定的計算公式，在得到最終結(jié)果前還給了中間物理量傳熱量、對數(shù)平均溫度及其靈敏度的不確

定計算公式。

三、主要試驗（或驗證）情況分析

為驗證本標(biāo)準(zhǔn)的正確性與可行性，編制組制定了詳細的試驗方案，按照該標(biāo)準(zhǔn)提出的技術(shù)要

求，設(shè)計、制造出換熱器樣品，然后按照標(biāo)準(zhǔn)要求進行試驗和模擬驗證。為保證取樣的多元性和真

實性，本次試驗工作采用多家取樣，專業(yè)檢測機構(gòu)進行檢測和模擬的方法。

制作石墨換熱器試驗樣機的企業(yè)有：南通山劍石墨設(shè)備有限公司、南通貝思特石墨設(shè)備有限公

司、南通星球石墨股份有限公司。最后統(tǒng)一送至上海藍?？苿?chuàng)檢測有限公司（國家熱交換器產(chǎn)品質(zhì)

量檢驗檢測中心）進行檢測，由華東理工大學(xué)進行模擬。

以下為本次對圓塊孔式石墨換熱器傳熱系數(shù)和壓力降的檢測與分析結(jié)果。

1.試驗結(jié)果

圓塊孔的尺寸如圖所示，試驗采用的無相變測試系統(tǒng)，冷流體入口溫度控制在30±1℃，熱流

體入口溫度控制在60±1℃，熱流體走管程，冷流體走殼程。試驗時固定冷流體側(cè)流速為1m/s，熱

流體流速從0.5m/s變化到1.5m/s。通過威爾遜圖解法可得到管程流體的傳熱關(guān)聯(lián)式：

0.7890.3(1)

Nuhe,=??0.0256RehPr

通過直接測量法得到管程流體的流阻關(guān)聯(lián)式：

?0.284(2)

Euhe,=17.892?Reh

圖1圓塊孔尺寸

2.模擬結(jié)果

采用AnsysFluent軟件對該熱交換器進行建模，采用四面體網(wǎng)格進行計算區(qū)域的離散化，并用

不同結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格獲取網(wǎng)格無關(guān)解。將管程入口邊界設(shè)置為速度入口，設(shè)定進口溫度、流速大小與方

向以及湍流強度和水力半徑；將管程出口邊界設(shè)置為壓力出口，設(shè)定出口靜壓、湍流強度以及回流

溫度；管程壁面定義為恒壁溫邊界，設(shè)定合適的溫度值，無滑移，無滲透。采用的流體介質(zhì)為不可

壓縮流體，采用RNGk-ε湍流模型應(yīng)對旋流對傳熱和流動的影響；采用Simple算法設(shè)置速度和壓

力的耦合條件，能量、動量以及湍流等方程的離散求解均采用二階迎風(fēng)格式。設(shè)置湍動能和湍動能

耗散率的殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)為10-4，其余殘差設(shè)置在10-5以下。最終也得到了管程流體的傳熱和流阻關(guān)

聯(lián)式：

0.8210.3(3)

Nuhs,=??0.0187RehPr

6

?0.272(4)

Euhs,=14.923?Reh

試驗得到的關(guān)聯(lián)式與模擬得到關(guān)聯(lián)式比對結(jié)果如圖所示，試驗值與模擬值兩者誤差在±5%以

內(nèi)，說明標(biāo)準(zhǔn)中的方法能否準(zhǔn)備獲取圓塊孔式石墨換熱器的傳熱系數(shù)和壓力降。

圖2傳熱性能對比圖3流阻性能對比

四、標(biāo)準(zhǔn)中涉及專利的情況

本標(biāo)準(zhǔn)不涉及專利。

五、技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)推進、應(yīng)用推廣和預(yù)期達到的經(jīng)濟效益等情況

1.技術(shù)創(chuàng)新

1）、通過大量的試驗以及對試驗數(shù)據(jù)的匯總、處理、比對、研究，掌握了不透性石墨換熱器流

動與傳熱的內(nèi)在規(guī)律，為石墨換熱器設(shè)計選型提供了有力的數(shù)據(jù)支撐；

2）、通過數(shù)值模擬掌握了流體Re數(shù)、Pr數(shù)及換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對傳熱、流阻性能及綜合性能

的影響規(guī)律，獲得了換熱器較優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)及相應(yīng)的最佳使用工況，為石墨換熱器優(yōu)化設(shè)計提供理

論基礎(chǔ)。

2.產(chǎn)業(yè)推進、應(yīng)用推廣

不透性石墨換熱器具有優(yōu)良的耐腐蝕性和傳熱性能，廣泛應(yīng)用于氯堿、制酸、化肥等領(lǐng)域。但

目前尚缺乏性能測試的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致國內(nèi)企業(yè)無法獲取準(zhǔn)確的傳熱及壓降準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式，引起熱工計算

不合理、面積冗余度高、傳熱效率低，在與外資品牌競爭時處于不利地位。同時換熱器是一種能量

消耗裝備，對其進行能效評價，是行業(yè)乃至政府急切解決的問題。在能效評價前，需要按照性能測

試標(biāo)準(zhǔn)測定出傳熱系數(shù)和壓力降。

本標(biāo)準(zhǔn)的制定，既可為TSGR00102-2019《熱交換器能效測試與評價規(guī)則》的貫徹實施提供配

套標(biāo)準(zhǔn)，從而推動高效換熱器逐步淘汰低效產(chǎn)品，助力國家節(jié)能減排戰(zhàn)略；又可幫助企業(yè)提高設(shè)計

能力，提高民族品牌面對外資品牌的競爭力。

3.預(yù)期達到的經(jīng)濟效益

本標(biāo)準(zhǔn)通過建立不透性石墨換熱器性能測試的方法，有助于制造企業(yè)掌握換熱器內(nèi)部的流動和

傳熱機理，有助于制造企業(yè)提高產(chǎn)品的熱工設(shè)計能力，有助于提升國內(nèi)不透性石墨換熱器的品牌形

象。目前國內(nèi)熱交換器產(chǎn)業(yè)的市場規(guī)模約為800億元，提高石墨換熱器領(lǐng)域的民族品牌市場占有

率，對國內(nèi)企業(yè)具有很高的經(jīng)濟效益。

六、采用國際標(biāo)準(zhǔn)和國外先進標(biāo)準(zhǔn)情況，與國際、國外同類標(biāo)準(zhǔn)水平的對比情況，國內(nèi)外關(guān)鍵

指標(biāo)對比分析情況

本標(biāo)準(zhǔn)未采用國際標(biāo)準(zhǔn)（未查到同類國際、國外標(biāo)準(zhǔn)，未測試國外的樣品、樣機）。

本標(biāo)準(zhǔn)水平為國內(nèi)先進水平。

七、與現(xiàn)行相關(guān)法律、法規(guī)、規(guī)章及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，特別是強制性國家標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)性

本文件與我國現(xiàn)行法律、法規(guī)和強制性國家標(biāo)準(zhǔn)是相互協(xié)調(diào)的，與其他標(biāo)準(zhǔn)之間不存在沖突和

不協(xié)調(diào)的情況。

八、重大分歧意見的處理經(jīng)過和依據(jù)

無重大分歧意見。

7

九、標(biāo)準(zhǔn)性質(zhì)的建議說明

建議作為推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布實施。

十、貫徹標(biāo)準(zhǔn)的要求和措施建議

（包括組織措施、技術(shù)措施、過渡辦法、實施日期等）

為更好的貫徹實施本標(biāo)準(zhǔn)，將召開標(biāo)準(zhǔn)的宣貫會議，由主編單位介紹標(biāo)準(zhǔn)的編制原則和主要技

術(shù)內(nèi)容，保證本標(biāo)準(zhǔn)的正確應(yīng)用實施及提高該行業(yè)的技術(shù)水平，發(fā)揮本標(biāo)準(zhǔn)的作用。

十一、廢止現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的建議

無。

十二、其他應(yīng)予說明的事項

無。

標(biāo)準(zhǔn)起草組：XXX

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非金屬化工設(shè)備

不透性石墨換熱器傳熱系數(shù)和流阻性能

測試方法

編制說明

征求意見稿

二〇二二年五月

《非金屬化工設(shè)備不透性石墨換熱器傳熱系數(shù)和流阻性能測試方法》

國家標(biāo)準(zhǔn)編制說明（征求意見稿）

一、工作簡況

（一）任務(wù)來源

本標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)《國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會關(guān)于下達2021年第二批推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)計劃及相關(guān)表標(biāo)

準(zhǔn)外文版計劃的通知》（國標(biāo)委發(fā)【2021】23號）20213485-T-606號計劃制定，由全國非金屬化工

設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（SAC/TC162）歸口。

（二）參加單位和工作組成員

本標(biāo)準(zhǔn)由南通山劍石墨設(shè)備有限公司牽頭起草，參加單位包括上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研

究院，上海藍濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司，上海藍海科創(chuàng)檢測有限公司，天華化工機械及自動化研究

設(shè)計院有限公司，南通貝思特石墨設(shè)備有限公司，南通星球石墨股份有限公司，華東理工大學(xué)。

參加標(biāo)準(zhǔn)編寫的成員有XXXXX。

不透性石墨換熱器具有優(yōu)良的耐腐蝕性和傳熱性能，被廣泛應(yīng)用于氯堿、制酸、化肥、農(nóng)藥和

有機合成等工業(yè)領(lǐng)域，我國石墨設(shè)備產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的85%。本標(biāo)準(zhǔn)的制訂，主要解決兩個問

題：一是解決由于缺少石墨設(shè)備傳熱系數(shù)的檢測方法標(biāo)準(zhǔn)，無法對我國石墨換熱器的換熱性能作出

準(zhǔn)確的、科學(xué)的檢測和評價，無法對我國石墨換熱器和國外換熱器換熱性能差距大小作出準(zhǔn)確的判

斷和分析的問題；二是解決由于沒有石墨換熱器能效測試方法標(biāo)準(zhǔn)，國家市場監(jiān)督管理總局發(fā)布的

TSGR0010《熱交換器能效測試與評價規(guī)則》無法在石墨設(shè)備制造行業(yè)貫徹實施的問題。為此，標(biāo)

準(zhǔn)編制組作了明確分工和周密的計劃，緊張而有序的開展各項工作，各參編單位負責(zé)的工作具體如

下：

南通山劍石墨設(shè)備有限公司姚松年、上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院任彬和楊宇清、上海

藍濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司周文學(xué)、上海藍?？苿?chuàng)檢測有限公司陳戰(zhàn)楊、南通貝思特石墨設(shè)備有限

公司王濤、南通星球石墨股份有限公司劉仍禮、華東理工大學(xué)張莉等主要負責(zé)標(biāo)準(zhǔn)的文本編寫工

作。由上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院任彬、上海藍濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司周文學(xué)等進行標(biāo)

準(zhǔn)資料的查詢、匯總和標(biāo)準(zhǔn)條文的編寫工作。

南通是我國不透性石墨換熱器的主要產(chǎn)地，為保證試驗所用樣機的廣泛性和代表性，分別選擇

了南通山劍石墨設(shè)備有限公司、南通貝思特石墨設(shè)備有限公司、南通星球石墨股份有限公司等多家

石墨換熱器制造廠制作的樣機，并由上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院任彬和上海藍濱石化設(shè)備

有限責(zé)任公司陳戰(zhàn)楊主要負責(zé)換熱器樣機的試驗驗證工作。

在試驗的方案論證、檢測方法、結(jié)果分析等方面由上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院、南通

山劍石墨設(shè)備有限公司、上海藍濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司、南通貝思特石墨設(shè)備有限公司、華東理

工大學(xué)等研究機構(gòu)和企業(yè)一起進行相關(guān)的分析和討論。

由天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司桑臨春、上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院楊

宇清、上海藍濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司周文學(xué)等進行標(biāo)準(zhǔn)條文的審查工作。

（三）主要工作過程

2021年8月24日，國標(biāo)委發(fā)（2021）23號《國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會關(guān)于下達2021年第二批

推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)計劃及相關(guān)表標(biāo)準(zhǔn)外文版計劃的通知》批準(zhǔn)下達本標(biāo)準(zhǔn)制定計劃。

2021年10月12日，通過視頻會議形式召開了本標(biāo)準(zhǔn)的第一次工作會議，確定了標(biāo)準(zhǔn)工作組

成員及分工；討論通過了標(biāo)準(zhǔn)大綱；確定了標(biāo)準(zhǔn)起草工作計劃。

2022年1月10日至1月11日，在南通市召開了標(biāo)準(zhǔn)工作組第二次工作會議，主要議題是：

逐條討論標(biāo)準(zhǔn)文本內(nèi)容；討論相關(guān)試驗的方案、計劃和實施。

2022年2月至3月，上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院和上海藍?？苿?chuàng)檢測有限公司積極

開展了有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)試驗部署會議，取得了大量的一手試驗數(shù)據(jù)；并按照第二次會議的意見對標(biāo)

準(zhǔn)文本進行了修改完善，形成了起草組討論稿（第一稿）。

2022年4月19日至20日通過視頻會議形式召開了第三次標(biāo)準(zhǔn)工作組會議，召集了多名行業(yè)

內(nèi)的專家對標(biāo)準(zhǔn)討論稿進行預(yù)審。5月5日，工作組根據(jù)專家的預(yù)審意見修改了起草組討論稿（第

一稿），形成了征求意見稿，報送全國非金屬化工設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員TC162秘書處。

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二、標(biāo)準(zhǔn)編制原則和主要內(nèi)容

不透性石墨換熱器具有優(yōu)良的耐腐蝕性和傳熱性能，廣泛應(yīng)用于氯堿、制酸、化肥等領(lǐng)域。傳

熱系數(shù)是評價換熱器效能優(yōu)劣的一項關(guān)鍵指標(biāo)，由于沒有適用于石墨設(shè)備傳熱系數(shù)的檢測標(biāo)準(zhǔn)，無

法對我國石墨換熱器的換熱性能作出準(zhǔn)確的、科學(xué)的檢測和評價，也無法對我國石墨換熱器和國外

換熱器換熱性能差距大小、以及影響因素作出準(zhǔn)確的判斷和分析。2019年，國家市場監(jiān)督管理總

局發(fā)布了TSGR0010《熱交換器能效測試與評價規(guī)則》，但由于沒有石墨換熱器能效測試方法標(biāo)

準(zhǔn)，該法規(guī)在石墨設(shè)備制造行業(yè)無法貫徹實施。，為提升我國產(chǎn)品質(zhì)量和性能，促進行業(yè)發(fā)展，趕

超國外產(chǎn)品的需要，也為配套、支撐相關(guān)技術(shù)法規(guī)，貫徹實施技術(shù)法規(guī)，促進石墨換熱器行業(yè)高質(zhì)

量、節(jié)能、綠色發(fā)展的需要，特制定該項標(biāo)準(zhǔn)。

（一）標(biāo)準(zhǔn)編制原則

標(biāo)準(zhǔn)制訂遵循以下原則：

1.規(guī)范性

本文件是按GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的

要求進行編制。

2.一致性

標(biāo)準(zhǔn)條款、要求、試驗方法等與現(xiàn)行有效的國內(nèi)外產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范基本保持一致。

3.適用性

充分考慮了石墨換熱器的類型和實際的使用工況，確保該方法可測試出浮頭列管式、圓塊孔式

和矩形塊孔式石墨換熱器在各類使用工況下的傳熱系數(shù)和流阻性能。

4.可操作性

本文件對測試系統(tǒng)、測量儀器、測試流程、測試結(jié)果計算、測試報告、不確定度計算等都作了

詳細、明確的規(guī)定，完整性和可操作性較強。

（二）標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容

本標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容包括:第1章范圍；第2章規(guī)范性引用文件；第3章術(shù)語和定義；第4章

符號和縮略語；第5章測試系統(tǒng)；第6章測量儀器及方法；第7章測試流程；第8章測試結(jié)果

計算；第9章測試報告；附錄A不確定度計算。

（三）主要條款說明

本文件規(guī)定了不透性石墨換熱器傳熱系數(shù)和流阻性能測試方法的術(shù)語和定義、測試系統(tǒng)、測量

儀器及方法、測試流程、測試結(jié)果計算、測試報告、不確定度計算。本文件適用于各種類型的石墨

換熱器。

本文件為制定標(biāo)準(zhǔn)，在確保與現(xiàn)有其它標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)性的前提下，也體現(xiàn)了石墨換熱器一些特性，

如換熱器的結(jié)構(gòu)，石墨材料的強度、導(dǎo)熱系數(shù)等。主要條款說明如下。

1.范圍

根據(jù)目前企業(yè)的現(xiàn)狀和市場需求，規(guī)定了石墨換熱器的測試工況為液-液無相變、汽-液冷凝和

液-汽蒸發(fā)，規(guī)定了石墨換熱器類型的為浮頭列管式、圓塊孔式和矩形塊孔式，覆蓋了市場主流產(chǎn)

品。

根據(jù)目前國內(nèi)石墨設(shè)備檢測現(xiàn)狀，規(guī)定了采用的試驗介質(zhì)為冷熱水、冷熱油和蒸汽，其他介質(zhì)

因試驗現(xiàn)場存儲困難，對測試系統(tǒng)有腐蝕，國內(nèi)檢測機構(gòu)都不采用。

2.規(guī)范性引用文件

GB/T151是針對金屬管殼式熱交換器的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，本標(biāo)準(zhǔn)采用了其計算溫差矯正系數(shù)的方

法。GB/T27698.1-2011是針對金屬換熱器傳熱與流阻性能的測試標(biāo)準(zhǔn)，本標(biāo)準(zhǔn)采用了其中的物性

參數(shù)表及對溫度、壓力、流量測量儀表的部門要求。

3.術(shù)語和定義

考慮到塊孔式換熱器不像列管式、板式換熱那樣有均勻的壁厚，為了能夠通過試驗擬合出單側(cè)

流道的傳熱關(guān)聯(lián)式，標(biāo)準(zhǔn)起草組給出了“當(dāng)量壁厚”的定義。由于塊孔式換熱器橫孔傳熱面積與縱

孔傳熱面積不相等，有時甚至相差較大，不能像列管式換熱器那樣以換熱管外傳熱面積作為換熱器

的傳熱面積，因此定義了“公稱換熱面積”。

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4.符號和縮略語

本部分對標(biāo)準(zhǔn)中出現(xiàn)的所有符號和縮略語都給出了解釋，以方便標(biāo)準(zhǔn)使用者理解本標(biāo)準(zhǔn)。

5.測試系統(tǒng)

通過對國內(nèi)換熱器性能測試標(biāo)準(zhǔn)及文獻的調(diào)研分析，標(biāo)準(zhǔn)提出了液-液無相變、汽-液冷凝和汽

-液、液-汽蒸發(fā)工況下的測試系統(tǒng)，考慮到石墨換熱器的承壓能力，各測試系統(tǒng)均安裝了安全閥。

5.1無相變測試系統(tǒng)

無相變測試系統(tǒng)是為換熱器樣機提供溫度的冷、熱介質(zhì)，同時冷、熱介質(zhì)的溫度和流速均可以

調(diào)節(jié)。冷介質(zhì)的溫度通過控制冷卻器中冷水流速進行控制，冷卻器中冷水溫度通過控制冷卻塔風(fēng)機

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。熱介質(zhì)的溫度通過控制加熱器中蒸汽流速進行控制。冷、熱介質(zhì)的流速均通過控制冷、

熱水泵的頻率進行調(diào)節(jié)。

5.2冷凝測試系統(tǒng)

冷凝測試系統(tǒng)是為換熱器樣機提供干度可調(diào)節(jié)的汽-液兩相流蒸汽。蒸汽的干度通過控制預(yù)冷

器傳熱量進行控制。當(dāng)干度為1時系統(tǒng)用于測試換熱器樣機的冷凝能力，當(dāng)干度不為1時系統(tǒng)用于

擬合換熱器樣機的冷凝傳熱關(guān)聯(lián)式。

5.3蒸發(fā)測試系統(tǒng)

蒸發(fā)測試系統(tǒng)是為換熱器樣機提供干度可調(diào)節(jié)的汽-液兩相流飽和水。飽和水的干度通過控制

預(yù)熱器傳熱量進行控制。當(dāng)干度為0時系統(tǒng)用于測試換熱器樣機的蒸發(fā)能力，當(dāng)干度不為1時系統(tǒng)

用于擬合換熱器樣機的蒸發(fā)傳熱關(guān)聯(lián)式。

6.測量儀器及方法

要獲取石墨換熱器的熱工性能，除了需要測量冷熱介質(zhì)的熱工參數(shù)如溫度、壓力、流量等，還

需要測量出換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以獲取傳熱面積、流道截面積、當(dāng)量直徑等關(guān)鍵中間參數(shù)。

本部分采納了GB/T27698.1-2011的要求，同時增加了對影響測試結(jié)果的環(huán)境效應(yīng)的測量，也

增加了對溫度、流量、壓力（差）測量的其他要求。

7.測試流程

本部門先規(guī)定了各工況的測試過程需要測量的物理量，再詳細規(guī)定了各工況下的測試程序。無

相變工況下的核心流程是固定熱側(cè)流體流速為1.0m/s，冷流體的流速從0.5m/s～l.5m/s變化；固

定熱側(cè)流體流速為1.0m/s,冷流體的流速從0.5m/s～l.5m/s變化。冷凝工況下的核心流程是固定蒸

汽流量后，由預(yù)冷器來調(diào)節(jié)測試樣機進口干度從1~0變化，在每一種干度下冷流體的流速從0.5

m/s～l.5m/s變化。蒸發(fā)工況下的核心流程是固定飽和水流量后，由預(yù)熱器來調(diào)節(jié)測試樣機進口干

度從0~1變化，在每一種干度下熱流體的流速從0.5m/s～l.5m/s變化。

8.測試結(jié)果計算

本部分規(guī)定了物性參數(shù)確定、總傳熱系數(shù)和壓力降計算、不確定度計算、曲線圖繪制、確定單

側(cè)傳熱和流阻性能的要求。物性參數(shù)通過查GB/T27698.1-2011附錄A獲得，主要物性參數(shù)包括定

壓比熱容、密度、動力粘度、汽化潛熱，石墨材料的導(dǎo)熱系數(shù)無法查表獲得，只能參考GB/T8722

測定獲得?？倐鳠嵯禂?shù)和壓力降按照標(biāo)準(zhǔn)中表1~表3可直接計算獲得。繪制曲線圖目的是為石墨

換熱器設(shè)計時提供可視化的工具圖。

確定單側(cè)傳熱性能首先需要明確傳熱關(guān)聯(lián)式的基本形式，無相變工況Nu數(shù)主要與Re數(shù)和Pr

數(shù)相關(guān)，同時由于冷、熱流道幾何不相似，無法采用GB/T27698.1-2011中的等流速法，只能采用

威爾遜圖解法。冷凝工況Nu數(shù)主要與Re數(shù)和干度x相關(guān)，在每一個流量、干度下采用威爾遜圖解

法獲得該工況下的傳熱系數(shù)，再改變蒸汽流量和干度進而獲取不同流量、干度下的傳熱關(guān)聯(lián)式。蒸

發(fā)工況Nu數(shù)主要與Re數(shù)和馬丁利尼數(shù)Xtt相關(guān)，在每一個流量、干度下采用威爾遜圖解法獲得該

工況下的傳熱系數(shù)，再改變飽和水流量和干度進而獲取不同流量、干度下的傳熱關(guān)聯(lián)式。

確定單側(cè)流阻性能時Eu數(shù)可直接計算獲得，再進一步擬合為關(guān)聯(lián)式。

9.測試報告

本部分規(guī)定了測試報告需要包含的內(nèi)容，根據(jù)這些內(nèi)容可以方便機構(gòu)和委托方溯源，進一部保

證了測試的可靠性。企業(yè)則可根據(jù)報告內(nèi)容對產(chǎn)品進行設(shè)計或優(yōu)化升級。

附錄A.不確定度計算

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