一种换热器的设计方法及换热器

摘要

本申请涉及换热器技术领域，提供一种换热器的设计方法及换热器，在该换热器的设计方法中，将换热器离散为多个换热单元，利用使换热单元密度达到最小化的流道几何参数来确定质量流密度，再利用质量流密度和换热控制方程确定换热单元的长度，以确定换热器的长度和换热器的压降。该换热器的设计方法通过换热控制方程进行设计，而不是依据经验和试验进行，不仅有利于简化换热器的设计过程，还有助于提高换热器的换热效能，而且由于该换热器的设计方法中的换热单元密度满足预设条件，该换热器的设计方法还有利于对换热器进行质量优化。

权利要求

1.一种换热器的设计方法，其特征在于，所述换热器的设计方法包括：将换热器沿流动方向离散为多个换热单元，根据边界条件对所述换热单元建立换热控制方程；

根据所述边界条件，以所述换热单元密度最小化为目标确定所述换热器的流道几何参数；

判断所述换热单元密度是否达到预设条件，若是则根据所述换热单元密度对应的所述流道几何参数确定质量流密度，若否则返回调整所述流道几何参数，并根据调整后的所述流道几何参数和所述边界条件重新确定所述换热单元密度，直至所述换热单元密度达到所述预设条件；

根据所述质量流密度和所述换热控制方程，确定多个所述换热单元的长度，并根据多个所述换热单元的长度确定所述换热器的长度以及所述换热器的压降。

2.根据权利要求1所述的换热器的设计方法，其特征在于，在所述根据所述边界条件，以所述换热单元密度最小化为目标确定所述换热器的流道几何参数之前，还包括：对预设的所述换热器流道几何参数进行调整，使所述流道几何参数通过力学校核。

3.根据权利要求1所述的换热器的设计方法，其特征在于，将所述换热器按照等换热量的方式离散为传热热流量相等的多个所述换热单元。

4.根据权利要求1所述的换热器的设计方法，其特征在于，所述换热器的流道几何参数由所述换热器的整体几何参数确定。

5.根据权利要求4所述的换热器的设计方法，其特征在于，在确定所述换热器的长度以及所述换热器的压降后，该换热器的设计方法还包括：判断所述换热器的长度和所述换热器的压降是否满足设计要求，若是则设计结束，若否则返回调整所述整体几何参数，直至所述换热器的长度和所述换热器的压降满足设计要求。

6.根据权利要求4所述的换热器的设计方法，其特征在于，所述整体几何参数包括流道的直径、换热器的高度和换热器的宽度。

7.根据权利要求1所述的换热器的设计方法，其特征在于，所述边界条件包括所述换热器的流体的工质类型、流体的进出口状态、流体的质量流量、流道的类型、换热器的几何尺寸、换热器的材料、换热器的设计压力、换热器的设计温度、换热器的允许压降。

8.根据权利要求1所述的换热器的设计方法，其特征在于，所述换热单元密度定义为所述换热单元横截面积的固体区域密度的加权平均。

9.根据权利要求1所述的换热器的设计方法，其特征在于，所述预设条件为所述换热单元密度取得极小值。

10.根据权利要求1所述的换热器的设计方法，其特征在于，所述换热控制方程根据所述换热单元的焓值变化确定。

11.一种换热器，其特征在于，所述换热器的长度和压降采用如权利要求1至10任一项所述换热器的设计方法确定。

说明书

一种换热器的设计方法及换热器

技术领域

[0001] 本发明涉及换热器技术领域，尤其涉及一种换热器的设计方法及换热器。

背景技术

[0002] 随着石油化工、海洋工程、核能、光热等领域的不断发展，对于换热器的效能、耐高温、耐高压等能力逐渐提出了的更高要求，结合了化学蚀刻微流道成型技术和扩散焊焊接技术的微通道紧凑式换热器逐渐受到人们的关注。微通道紧凑式换热器利用化学腐蚀在换热板上蚀刻出微细流道，提高传热面积密度，并通过将冷热流道设置为交替排布以实现高效换热。

[0003] 然而，目前微通道紧凑式换热器的设计方法尚未成熟，其设计过程多是依据经验和试验进行的，不仅设计过程复杂，而且换热器的体积功率比和换热效能较差。

发明内容

[0004] 本申请实施例提供了一种换热器的设计方法及换热器，该换热器的设计方法不仅能够简化换热器的设计过程，还有助于提高换热器的换热效能。

[0005] 第一方面，本申请提供一种换热器的设计方法，其特征在于，换热器的设计方法包括：将换热器沿流动方向离散为多个换热单元，根据边界条件对换热单元建立换热控制方程；根据边界条件，以换热单元密度最小化为目标确定所述换热器的流道几何参数；判断换热单元密度是否达到预设条件，若是则根据换热单元密度对应的流道几何参数确定质量流密度，若否则返回调整流道几何参数，并根据调整后的流道几何参数和边界条件重新确定换热单元密度，直至换热单元密度达到预设条件；根据质量流密度和换热控制方程，确定多个换热单元的长度，并根据多个换热单元的长度确定换热器的长度以及换热器的压降。

[0006] 本申请一些实施例所提供的换热器，在根据所述边界条件，以所述换热单元密度最小化为目标确定所述换热器的流道几何参数之前，还包括：对预设的换热器流道几何参数进行调整，使所述流道几何参数通过力学校核。本申请一些实施例所提供的换热器，将换热器按照等换热量的方式离散为传热热流量相等的多个换热单元。

[0007] 本申请一些实施例所提供的换热器，换热器的流道几何参数由换热器的整体几何参数确定。

[0008] 本申请一些实施例所提供的换热器，在确定换热器的长度以及换热器的压降后，该换热器的设计方法还包括：判断换热器的长度和换热器的压降是否满足设计要求，若是则设计结束，若否则返回调整整体几何参数，直至换热器的长度和换热器的压降满足设计要求。

[0009] 本申请一些实施例所提供的换热器，整体几何参数包括流道的直径、换热器的高度和换热器的宽度。

[0010] 本申请一些实施例所提供的换热器，边界条件包括换热器的流体的工质类型、流体的进出口状态、流体的质量流量、流道的类型、换热器的几何尺寸、换热器的材料、换热器的设计压力、换热器的设计温度、换热器的允许压降。

[0011] 本申请一些实施例所提供的换热器，换热单元密度定义为换热单元横截面积的固体区域密度的加权平均。

[0012] 本申请一些实施例所提供的换热器，预设条件为换热单元密度取得极小值。

[0013] 本申请一些实施例所提供的换热器，换热控制方程根据换热单元的焓值变化确定。

[0014] 第二方面，本申请一些实施例提供一种换热器，该换热器的长度和压降采用前述任一技术方案所提供的换热器的设计方法确定。

[0015] 本公开的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：

[0016] 本申请提供一种换热器的设计方法，在该换热器的设计方法中，将换热器离散为多个换热单元，利用使换热单元密度达到最小化的流道几何参数来确定质量流密度，再利用质量流密度和换热控制方程确定换热单元的长度，以确定换热器的长度和换热器的压降。该换热器的设计方法通过换热控制方程进行设计，而不是依据经验和试验进行，不仅有利于简化换热器的设计过程，还有助于提高换热器的换热效能，而且由于该换热器的设计方法中的换热单元密度满足预设条件，该换热器的设计方法还有利于对换热器进行质量优化。

[0017] 本申请提供一种换热器，由于该换热器的长度和压降采用上述技术方案所提供的换热器的设计方法确定，该换热器不仅质量较为优化，而且具有较高的换热效能。

附图说明

[0018] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0019] 图1是本发明实施例提供的一种换热器的设计方法的流程示意图；

[0020] 图2是本发明实施例提供的一种换热器的设计方法中的换热单元的换热模型示意图；

[0021] 图3是本发明实施例提供的一种换热器的设计方法中的换热单元的结构示意图。

[0022] 图中：1、热流道；2、中间壁；3、冷流道。

具体实施方式

[0023] 下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。

[0024] 需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

[0025] 下面结合附图，对本申请具体实施方式所提供的换热器的设计方法及换热器的技术方案进行进一步描述。

[0026] 本申请实施例提供一种换热器的设计方法，如图1所示，该换热器的设计方法包括如下步骤：

[0027] S101，将换热器沿流动方向离散为多个换热单元，根据边界条件对换热单元建立换热控制方程。

[0028] 在微通道紧凑式换热器中，冷侧流道和热侧流道呈周期性叠加排布，其仍然是间壁式的逆流换热器，其传热链由冷侧与热侧的对流换热和中间壁的导热组成。因此，如图2所示，可以提取“热流道1‑中间壁2‑冷流道3”作为一组换热单元构建换热模型。

[0029] 在换热器实际工作过程中，换热器中工质的物理性质会沿流动行程发生变化，传热系数也因此无法保证为常数，所以需要将换热器进行离散处理，根据微分的思想，将换热器沿流动方向离散为多个换热单元，每个换热单元中的传热系数可定义为常数，以便对每个换热单元建立换热控制方程。

[0030] 其中，流动方向可以是换热器中的热侧流体的流动方向或者冷侧流体的流动方向，本领域技术人人员可以根据实际情况对流动方向进行确定。

[0031] 边界条件是指换热控制方程在求解区域边界上所求解的变量或其导数随时间和地点的变化规律。其可以包括流体的工质类型、流体的进出口状态、流体的质量流量、流道的类型、换热器的几何尺寸、换热器的材料、换热器的设计压力、换热器的设计温度、换热器的允许压降。

[0032] 其中，流体的工质类型包括热侧流体的工质类型和冷侧流体的工质类型。流体的进出口状态包括热侧流体在进口处的压力和温度、热侧流体在出口处的压力和温度、冷侧流体在进口处的压力和温度、冷侧流体在出口处的压力和温度。流体的质量流量包括热侧流体的质量流量和冷侧流体的质量流量。流道的类型包括直流道、折流道、S型流道、翼型流道。换热器的整体几何参数包括换热器的高度、换热器的宽度、冷侧流道直径、热侧流道直径。换热器的材料可以指制作换热器所采用的材料。换热器的设计压力可以包括换热器的冷侧流体允许接入的最大压力、换热器的热侧流体允许接入的最大压力。换热器的设计温度可以包括换热器的冷侧流体允许接入的温度范围、换热器的热侧流体允许接入的温度范围。换热器的允许压降可以包括换热器的冷侧流体允许的最大压降、换热器的热侧流体 允许的最大压降。

[0033] 换热控制方程建立的具体过程如下：

[0034] 将换热器沿流动方向离散为多个换热单元，换热单元中热侧流体、冷侧流体和中间壁的换热量分别为：

[0035] （1）

[0036] （2）

[0037] （3）

[0038] 其中，Qh为热侧流体的总换热功率，hh为热侧流体的对流换热系数，Ah为热侧流体的换热面积，Th,b为热侧流体中主流体的温度，Th,w为热侧流体中壁面的温度，Qc为冷侧流体的总换热功率，hc为冷侧流体的对流换热系数，Ac为冷侧流体的换热面积，Tc,w为冷侧流体中壁面的温度，Tc,b为冷侧流体中主流体的温度，Qw为壁面的总换热功率，λ为壁面热导率，A为换热面积，Th,w为热侧流体中壁面的温度，Tc,w为冷侧流体中壁面的温度，t为中间壁的厚度。

[0039] 由于在换热单元中有 ，代入 中，进行化简可得：

[0040] （4）

[0041] 其中，根据冷侧流体的进出口状态和热侧流体的进出口状态计算换热器的总换热功率，再将换热器按照等换热量的方式离散为传热热流量相等的换热单元，通过焓值计算每个换热单元的热力参数，Q为每个换热单元的换热量，hh为热侧流体的对流换热系数，hc为冷侧流体的对流换热系数。将换热器按照等换热量的方式离散为传热热流量相等的换热单元可以指每个换热单元的工质焓变相等而实际长度未知。

[0042] 在第i个换热单元中，由比焓查表可得冷侧流体中壁面的温度Tc,（w i），热侧流体中壁面的温度Th,（w i），定义主流体中心温度为换热单元的截面平均温度，则[0043] （5）

[0044] （6）

[0045] 其中, 为第i个换热单元中热侧流体中主流体的温度， 为第i个换热单元中冷侧流体中主流体的温度。

[0046] S102，对预设的换热器流道几何参数进行调整。

[0047] 也就是说，先预设换热器的流道几何参数，再对预设的换热器流道几何参数进行调整。

[0048] 在一些实施例中，换热器的流道几何参数是指对换热器的力学性能有影响的参数，此类参数通常包括多个，本领域技术人员可以根据实际情况选择相应的流道几何参数。在一些实施例中，预设的换热器的流道几何参数可以包括换热器的板厚、流道直径、流道节距等。

[0049] 调整的过程如下：

[0050] 对预设的换热器流道几何参数进行力学校核，若换热器流道几何参数通过力学校核，则对预设的换热器流道几何参数的调整量为零；若换热器流道几何参数不通过力学校核，则增大预设的换热器流道几何参数重新进行力学校核，直至换热器流道几何参数通过力学校核。

[0051] 在本申请的一些实施例中，对换热器流道几何参数的力学校核可以包括采用薄壁圆柱切应力校核公式等力学校核标准对换热器的板厚、流道直径、流道节距等流道几何参数进行校核。

[0052] 示例性地，在对换热器流道几何参数的校核中，可以包括流道直径与流道节距需要满足如下关系：

[0053] （7）

[0054] 其中，p为流道节距， d为流道直径，∆P为流道节距，S为换热器的许用应力。

[0055] 示例性地，在对换热器流道几何参数的校核中，可以包括换热器的板厚与流道节距需要满足如下关系：

[0056] （8）

[0057] 其中，tp为流道节距； d为流道直径； S为换热器的许用应力； Pi为流道内部压力差；P0为流道外部压力差，通常情况下P0的值取0。

[0058] 根据上述力学设计准则迭代计算出若干组通过校核的换热器流道几何参数作为预设的换热器流道几何参数。

[0059] S103，根据所述边界条件，以所述换热单元密度最小化为目标确定所述换热器的流道几何参数。

[0060] 也就是说，利用前述方案获得若干组流道几何参数和边界条件来确定换热单元密度。在本申请的一些实施例中，换热单元密度定义为换热单元横截面积的固体区域密度的加权平均，则

[0061] （9）

[0062] 其中，为换热单元横截面积的固体区域密度的加权平均， 为冷侧流体的密度，tc为冷侧的板厚，Dc为冷侧流道的等效直径，sc为冷侧流道的节距， 为热侧流体的密度，th为热侧的板厚，Dh为热侧流道的等效直径，sh为热侧流道的节距，换热单元的结构如图3所示。

[0063] S104，判断换热单元密度是否达到预设条件，若是则根据换热单元密度对应的流道几何参数确定质量流密度，若否则返回调整流道几何参数，并根据调整后的流道几何参数和边界条件重新确定换热单元密度，直至换热单元密度达到预设条件。

[0064] 在一些实施例中，预设条件可以为换热单元密度取极小值。若换热单元密度取极小值，则根据此时换热单元密度所对应的流道几何参数确定质量流密度；若换热单元密度不能取极小值，则返回调整流道几何参数，根据调整后的流道几何参数和边界条件重新确定换热单元密度，直至换热单元密度取极小值。其中，质量流密度为单个流道的质量流密度，确定质量流密度的具体方法为：先根据对应的流道几何参数计算流道板的对数和单层流道板中流道的个数，以确定单个流道的中流体的流速，则

[0065] （10）

[0066] 其中，G为单个流道的质量流密度，为换热单元密度，u为单个流道的中流体的流速。

[0067] S105，根据质量流密度和换热控制方程，确定多个换热单元的长度，并根据多个换热单元的长度确定换热器的长度以及换热器的压降。

[0068] 其中，根据质量流密度确定换热单元的长度的方式如下：

[0069] 确定换热单元的雷诺数Re、普朗特数Pr，并由关系式确定的努赛尔数Nu；

[0070] （11）

[0071] （12）

[0072] 其中，G为单个流道的质量流密度，为换热单元密度，u为单个流道的中流体的流速，D为流道的等效直径，μ为流体的黏度，cp为比热容，λ为流体热导率。

[0073] （13）

[0074] 其中，Nu为努赛尔数，h为对流换热系数；D为流道的等效直径；λ为流体热导率；f为特定的经验关系式，其取决于流道的具体结构，例如，对于直流道，有：

[0075]   （14）

[0076] 其中，Nu为努赛尔数；B为常数，可由试验测量计算得出； 为换热单元主流体的雷诺数，其中C为常数，可由试验测量计算得出； 为普朗特数，其中D为常数，可由试验测量计算得出。

[0077] 对于折角15°的折流道，有：

[0078]   （15）

[0079] 其中，Nu为努赛尔数；E为常数，可由试验测量计算得出； 为换热单元主流体的雷诺数，其中F为常数，可由试验测量计算得出； 为普朗特数，其中G为常数，可由试验测量计算得出。

[0080] 由式（13）可得对流换热系数h，在式（4）中，由于每个换热单元的换热量Q可知，每个换热单元的热侧主流体和冷侧主流体的温差可由式（3）可知，因此可得出每个换热单元的面积A，除以换热单元已知的宽度就可以进一步得到每个换热单元的长度，将所有换热单元的长度相加即可得到换热器的长度。

[0081] 确定换热器的压降的方式为，根据换热器的长度确定换热器的沿程阻力，进一步确定换热器的压降。

[0082] 换热器的沿程阻力通过下式获得：

[0083] （16）

[0084] 其中，∆Pf为换热器的沿程阻力，f为范宁摩擦系数，L换热器的长度，为换热单元密度，ub为单个流道的中流体的流速，Deq为流道的等效直径。

[0085] 其中，对于直流道，范宁摩擦系数f为：

[0086]  层流： （17）

[0087] 湍流： （18）

[0088] 对于折角15°的折流道，范宁摩擦系数f为：

[0089] 层流： （19）

[0090] 湍流： （20）

[0091] 在上式中， Reb为换热单元主流体的雷诺数。

[0092] S106，判断换热器的长度和换热器的压降是否满足设计要求，若是则设计结束，若否则返回调整整体几何参数，直至换热器的长度和换热器的压降满足设计要求。

[0093] 其中，流道几何参数的调整方式为，先调整换热器的整体几何参数，通过整体几何参数的调整来进一步调整流道几何参数。

[0094] 设计要求可以是技术人员对换热器的长度和换热器的压降等换热器参数的预先要求，本领域技术人员可以根据实际情况制定设计要求。

[0095] 本申请实施例还提供一种换热器，该换热器采用上述技术方案所提供的换热器的设计方法设计。由于该换热器的长度和压降采用上述技术方案所提供的换热器的设计方法确定，该换热器不仅质量较为优化，而且具有较高的换热效能。

[0096] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。应理解，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揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。