CN106874661B - 一种换热器系统热力设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种换热器系统热力设计方法，首先确定换热器系统中换热器几何结构参数；再根据换热器和管道的阻力计算公式，分别得到换热器系统内冷流体和热流体的阻力‑流量关系；然后结合换热器系统内冷流体的阻力‑流量关系和冷流体驱动装置的阻力‑流量关系，结合换热器系统内热流体的阻力‑流量关系和热流体驱动装置的阻力‑流量关系，分别得到换热器冷流体和热流体的工作点流量；最后采用换热器冷流体工作点流量和热流体工作点流量，分别代替换热器传统热力设计方法计算步骤或换热器传统优化过程中的冷流体和热流体给定的流量进行热力设计计算。本发明热力设计方法，同时考虑流体驱动装置和换热器系统的阻力‑流量特性，更加符合工程应用。

Description

一种换热器系统热力设计方法
技术领域
本发明涉及一种换热器系统热力设计方法，特别涉及一种换热器及其应用系统与流体驱动装置的耦合热力设计方法。
背景技术
换热器的热力设计通常采用对数平均温差法和效能-传热单元数法，根据要求的热力参数热力设计过程分为校核计算和设计计算。换热器的优化往往采用遗传算法、粒子群算法或蚁群算法等。
上述的换热器热力设计方法和优化过程都是在给定的质量流量、流速或雷诺数的前提条件下进行，在本文中称其为传统热力设计方法和传统优化过程，其主要原因是在换热器的热力设计和优化过程中只考虑换热器本身的特性，而没有同时考虑流体驱动装置特性。在实际的换热器系统中，由于流体驱动装置的阻力特性、换热器的阻力特性和工作流体流量相互影响，进而影响换热器的换热特性，在换热器系统中不同的换热器和流体驱动装置配对很难实现给定的质量流量、流速或雷诺数的条件。例如，以风扇为流体驱动装置的机柜散热系统，换热器的工作点流量由风扇的阻力-流量特性、换热器及机柜散热系统的阻力特性共同决定，换热器的热设计必须考虑工作点流量，而不是用给定的质量流量、流速或雷诺数进行热力设计。
因此，结合流体驱动装置的阻力-流量特性和换热器的阻力特性来确定工作流体流量的换热器系统热力设计方法更符合工程实际。
发明内容
本发明的目的是考虑流体驱动装置的阻力特性、换热器的阻力特性和工作流体流量的相互影响，提出一种符合实际应用的换热器系统热力设计方法。
本发明采用的技术方案包括以下步骤：
1)初步确定换热器系统中换热器几何结构参数；
2)根据换热器的阻力计算公式和连接管道的阻力计算公式得到换热器系统内冷流体的阻力-流量关系式和热流体的阻力-流量关系式根据选定的冷流体驱动装置和热流体驱动装置得到冷流体驱动装置的阻力-流量关系式和热流体驱动装置的阻力-流量关系式
3)得到换热器冷流体工作点流量和换热器热流体工作点流量：换热器系统内冷流体的阻力-流量关系式和冷流体驱动装置的阻力-流量关系式阻力相同时的共同解为换热器冷流体工作点流量，换热器系统内热流体的阻力-流量关系式和热流体驱动装置的阻力-流量关系式阻力相同时的共同解为换热器热流体工作点流量；
4)用换热器冷流体工作点流量和热流体工作点流量，分别代替换热器传统热力设计方法计算步骤中的换热器冷流体恒定流量和热流体恒定流量进行热力设计计算得到满足要求的换热器热力参数及换热器几何结构参数，或者用换热器冷流体工作点流量和热流体工作点流量，分别代替换热器传统优化过程中的换热器冷流体恒定流量和热流体恒定流量进行换热器优化计算得到最优的换热器热力参数及换热器几何结构参数。
所述的步骤4)中的换热器传统热力设计方法计算步骤为效能-传热单元数法校核计算步骤、效能-传热单元数法设计计算步骤、对数平均温差法校核计算步骤或对数平均温差法设计计算步骤。
所述的步骤4)中的换热器传统优化过程中所用的优化算法包括遗传算法、粒子群算法或蚁群算法等。
所述的步骤4)中的换热器传统热力设计方法中的计算步骤为设计计算步骤时需要反复调整换热器几何结构参数并重复所述的步骤2)、3)和4)来完成换热器系统的热力设计。
所述的换热器系统热力设计方法还适用于求得冷流体热容量Cc和热流体热容量Ch的情况下，从换热器6个独立热力参数中已知3个得到其余参数的换热器系统热力设计方法。所述的换热器6个独立热力参数为换热器冷热流体进出口温度Tci、Tco、Thi和Tho，换热面积与总传热系数的乘积UA，以及换热量Q。
相对于现有的技术，本发明的优点体现在：
本发明提供的换热器系统热力设计方法综合考虑给定热力参数、流体驱动装置性能和换热器流动换热性能。而现有的换热器热力设计方法单独考虑换热器的特性，在给定的质量流量、流速或雷诺数的前提条件下进行，无法综合考虑换热器与流体驱动装置之间的相互作用。本发明提供的换热器系统热力设计方法结合换热器系统阻力-流量特性与流体驱动装置阻力-流量特性，得出换热器冷流体工作点流量和换热器热流体工作点流量，并代入传统的换热器热力设计方法进行热力设计，因此，本发明提供的换热器系统热力设计方法更加符合换热器的工程应用。
附图说明
图1是本发明换热器系统热力设计方法流程图。
图2是本发明效能-传热单元数法校核计算的流程图。
图3是本发明效能-传热单元数法设计计算的流程图。
图4是本发明对数平均温差法校核计算的流程图。
图5是本发明对数平均温差法设计计算的流程图。
具体实施方式
本发明所提到的换热器系统热力设计方法包括以下步骤，参考图1所示：
1)初步确定换热器系统中换热器几何结构参数；
2)根据换热器的阻力计算公式和连接管道的阻力计算公式得到换热器系统内冷流体的阻力-流量关系式和热流体的阻力-流量关系式根据选定的冷流体驱动装置和热流体驱动装置得到冷流体驱动装置的阻力-流量关系式和热流体驱动装置的阻力-流量关系式
3)得到换热器冷流体工作点流量和换热器热流体工作点流量：换热器系统内冷流体的阻力-流量关系式和冷流体驱动装置的阻力-流量关系式阻力相同时的共同解为换热器冷流体工作点流量，换热器系统内热流体的阻力-流量关系式和热流体驱动装置的阻力-流量关系式阻力相同时的共同解为换热器热流体工作点流量；
4)用换热器冷流体工作点流量和热流体工作点流量，分别代替换热器传统热力设计方法计算步骤中的换热器冷流体恒定流量和热流体恒定流量进行热力设计计算得到满足要求的换热器热力参数及换热器几何结构参数，或者用换热器冷流体工作点流量和热流体工作点流量，分别代替换热器传统优化过程中的换热器冷流体恒定流量和热流体恒定流量进行换热器优化计算得到最优的换热器热力参数及换热器几何结构参数。
所述的步骤4)中的换热器传统热力设计方法计算步骤为效能-传热单元数法校核计算步骤、效能-传热单元数法设计计算步骤、对数平均温差法校核计算步骤或对数平均温差法设计计算步骤。
所述的步骤4)中的换热器传统优化过程中所用的优化算法包括遗传算法、粒子群算法或蚁群算法等。
实施例
1.所述的换热器传统热力设计方法计算步骤为效能-传热单元数法校核计算时具体实施方法如下，参照图2所示：
已知条件，热力参数包括换热器几何结构参数、换热器的流动换热特性、冷流体进口温度Tci和热流体进口温度Thi，冷流体驱动装置和热流体驱动装置。
1)根据给定的换热器系统中换热器几何结构参数，计算换热器的换热面积A；
2)根据换热器的阻力计算公式和连接管道的阻力计算公式得到换热器系统内冷流体的阻力-流量关系式和热流体的阻力-流量关系式根据选定的冷流体驱动装置和热流体驱动装置得到冷流体驱动装置的阻力-流量关系式和热流体驱动装置的阻力-流量关系式
3)得到换热器冷流体工作点流量和换热器热流体工作点流量：换热器系统内冷流体的阻力-流量关系式和冷流体驱动装置的阻力-流量关系式阻力相同时的共同解为换热器冷流体工作点流量，换热器系统内热流体的阻力-流量关系式和热流体驱动装置的阻力-流量关系式阻力相同时的共同解为换热器热流体工作点流量；
4)根据换热器冷流体工作点流量和热流体工作点流量计算冷流体热容量Cc、热流体热容量Ch，进而可以计算得到最小热容量Cmin、最大热容量Cmax和热容比C*；
根据换热面积A，由冷流体工作点流量和热流体工作点流量及换热器的换热特性可以得到换热器总传热系数U，进而从公式
得到传热单元数NTU，再由相应的效能-传热单元数关系曲线或公式得到效能ε；
由公式
Q＝εCmin(Thi-Tci)
得到换热量Q，进一步可以得到冷流体出口温度Tco和热流体出口温度Tho。
2.所述的换热器传统热力设计方法计算步骤为效能-传热单元数法设计计算时具体实施方法如下，参照图3所示：
已知条件，热力参数包括要求的换热量Q、换热器的流动换热特性、冷流体进口温度Tci和热流体进口温度Thi，冷流体驱动装置和热流体驱动装置。
1)初步确定换热器系统中换热器几何结构参数，计算换热器的换热面积A0；
2)根据换热器的阻力计算公式和连接管道的阻力计算公式得到换热器系统内冷流体的阻力-流量关系式和热流体的阻力-流量关系式根据选定的冷流体驱动装置和热流体驱动装置得到冷流体驱动装置的阻力-流量关系式和热流体驱动装置的阻力-流量关系式
3)得到换热器冷流体工作点流量和换热器热流体工作点流量：换热器系统内冷流体的阻力-流量关系式和冷流体驱动装置的阻力-流量关系式阻力相同时的共同解为换热器冷流体工作点流量，换热器系统内热流体的阻力-流量关系式和热流体驱动装置的阻力-流量关系式阻力相同时的共同解为换热器热流体工作点流量；
4)根据换热器冷流体工作点流量和热流体工作点流量计算冷流体热容量Cc、热流体热容量Ch，进而可以计算得到最小热容量Cmin、最大热容量Cmax和热容比C*；
由公式
得到效能ε，再由相应的效能-传热单元数关系曲线或公式得到传热单元数NTU；
由冷流体工作点流量和热流体工作点流量及换热器的换热特性可以得到换热器总传热系数U，进而从公式
得到所需的换热面积A；
比较所需的换热面积A和所述步骤1)确定的换热面积A0，如果两者非常接近设计过程结束，否则调整换热器几何参数，计算换热面积A0并重复所述的步骤2)、3)和4)，直到两者非常接近设计过程结束。
3.所述的换热器传统热力设计方法计算步骤为对数平均温差法校核计算时具体实施方法如下，参照图4所示：
已知条件，热力参数包括换热器几何结构参数、换热器的流动换热特性、冷流体进口温度Tci和热流体进口温度Thi，冷流体驱动装置和热流体驱动装置。
1)根据换热器系统中换热器几何结构参数，计算换热器的换热面积A；
2)根据换热器的阻力计算公式和连接管道的阻力计算公式得到换热器系统内冷流体的阻力-流量关系式和热流体的阻力-流量关系式根据选定的冷流体驱动装置和热流体驱动装置得到冷流体驱动装置的阻力-流量关系式和热流体驱动装置的阻力-流量关系式
3)得到换热器冷流体工作点流量和换热器热流体工作点流量：换热器系统内冷流体的阻力-流量关系式和冷流体驱动装置的阻力-流量关系式阻力相同时的共同解为换热器冷流体工作点流量，换热器系统内热流体的阻力-流量关系式和热流体驱动装置的阻力-流量关系式阻力相同时的共同解为换热器热流体工作点流量；
4)根据换热器冷流体工作点流量和热流体工作点流量计算冷流体热容量Cc和热流体热容量Ch；
假设，冷流体出口温度Tco或热流体出口温度Tho，并计算得到另一个，由冷热流体进出口温度Tci、Tco、Thi和Tho，计算得到对数平均温差△Tm；
根据换热面积A，由冷流体工作点流量和热流体工作点流量及换热器的换热特性可以得到换热器总传热系数U，进而从公式
Qht＝UAΔTm
得到换热量Qht，再由热平衡公式
Qhb＝Ch(Thi-Tho)＝Cc(Tco-Tci)
得到换热量Qhb，比较上述两个公式得到的换热量Qht和Qhb，如果两者非常接近设计过程结束，否则流体出口温度假设不合理，应调整流体出口温度，重复上述假设后的步骤直到两者非常接近设计过程结束。
4.所述的换热器传统热力设计方法计算步骤为对数平均温差法设计计算时具体实施方法如下，参照图5所示：
已知条件，热力参数包括要求的换热量Q、换热器的流动换热特性、冷流体进口温度Tci和热流体进口温度Thi，冷流体驱动装置和热流体驱动装置。
1)初步确定换热器系统中换热器几何结构参数，计算换热器的换热面积A0；
2)根据换热器的阻力计算公式和连接管道的阻力计算公式得到换热器系统内冷流体的阻力-流量关系式和热流体的阻力-流量关系式根据选定的冷流体驱动装置和热流体驱动装置得到冷流体驱动装置的阻力-流量关系式和热流体驱动装置的阻力-流量关系式
3)得到换热器冷流体工作点流量和换热器热流体工作点流量：换热器系统内冷流体的阻力-流量关系式和冷流体驱动装置的阻力-流量关系式阻力相同时的共同解为换热器冷流体工作点流量，换热器系统内热流体的阻力-流量关系式和热流体驱动装置的阻力-流量关系式阻力相同时的共同解为换热器热流体工作点流量；
4)根据换热器冷流体工作点流量和热流体工作点流量计算冷流体热容量Cc和热流体热容量Ch；
由热平衡公式
Q＝Ch(Thi-Tho)＝Cc(Tco-Tci)
得到冷流体出口温度Tco和热流体出口温度Tho，由冷热流体进出口温度Tci、Tco、Thi和Tho，计算得到对数平均温差△Tm；
由冷流体工作点流量和热流体工作点流量及换热器的换热特性可以得到换热器总传热系数U，进而从公式
得到所需的换热面积A；
比较所需的换热面积A和所述步骤1)确定的换热面积A0，如果两者非常接近设计过程结束，否则调整换热器几何参数，计算换热面积A0并重复所述的步骤2)、3)和4)，直到两者非常接近设计过程结束。
除上述实施例外，本发明还适用于换热器系统热力设计的如下情形：即求得冷流体热容量Cc和热流体热容量Ch的情况下，从换热器6个独立热力参数中已知3个得到其余参数的换热器系统热力设计方法。所述的换热器6个独立热力参数为换热器冷热流体进出口温度Tci、Tco、Thi和Tho，换热面积与总传热系数的乘积UA，以及换热量Q。

Claims (5)

1.一种换热器系统热力设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)初步确定换热器系统中换热器几何结构参数；
2)根据换热器的阻力计算公式和连接管道的阻力计算公式得到换热器系统内冷流体的阻力-流量关系式和热流体的阻力-流量关系式根据选定的冷流体驱动装置和热流体驱动装置得到冷流体驱动装置的阻力-流量关系式和热流体驱动装置的阻力-流量关系式
3)得到换热器冷流体工作点流量和换热器热流体工作点流量：换热器系统内冷流体的阻力-流量关系式和冷流体驱动装置的阻力-流量关系式阻力相同时的共同解为换热器冷流体工作点流量，换热器系统内热流体的阻力-流量关系式和热流体驱动装置的阻力-流量关系式阻力相同时的共同解为换热器热流体工作点流量；
4)用换热器冷流体工作点流量和热流体工作点流量，分别代替换热器传统热力设计方法计算步骤中的换热器冷流体恒定流量和热流体恒定流量进行热力设计计算得到满足要求的换热器热力参数及换热器几何结构参数，或者用换热器冷流体工作点流量和热流体工作点流量，分别代替换热器传统优化过程中的换热器冷流体恒定流量和热流体恒定流量进行换热器优化计算得到最优的换热器热力参数及换热器几何结构参数。
2.根据权利要求1所述的换热器系统热力设计方法，其特征在于，所述的步骤4)中的换热器传统热力设计方法计算步骤为效能-传热单元数法校核计算步骤、效能-传热单元数法设计计算步骤、对数平均温差法校核计算步骤或对数平均温差法设计计算步骤。
3.根据权利要求1所述的换热器系统热力设计方法，其特征在于，所述的步骤4)中的换热器传统优化过程中所用的优化算法包括遗传算法、粒子群算法或蚁群算法。
4.根据权利要求1所述的换热器系统热力设计方法，其特征在于，所述的步骤4)中的换热器传统热力设计方法中的计算步骤为设计计算步骤时需要反复调整换热器几何结构参数并重复所述的步骤2)、3)和4)来完成换热器系统的热力设计。
5.根据权利要求1所述的换热器系统热力设计方法，其特征在于，所述的设计方法还适用于求得冷流体热容量Cc和热流体热容量Ch的情况下，从换热器6个独立热力参数中已知3个得到其余参数的换热器系统热力设计方法,所述的换热器6个独立热力参数为换热器冷热流体进出口温度Tci、Tco、Thi和Tho，换热面积与总传热系数的乘积UA，以及换热量Q；
其中Tci表示冷流体进口的温度、Tco表示冷流体出口的温度、Thi表示热流体进口的温度和Tho表示热流体出口的温度。
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