CN108595761B

CN108595761B - 基于体积最小化的翘式换热器设计方法及装置

Info

Publication number: CN108595761B
Application number: CN201810245805.0A
Authority: CN
Inventors: 朱伟平; 龚领会; 徐鹏; 王坤祥; 邹龙辉; 贾启明; 李金峰
Original assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Current assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Priority date: 2018-03-23
Filing date: 2018-03-23
Publication date: 2021-11-16
Anticipated expiration: 2038-03-23
Also published as: CN108595761A

Abstract

本发明涉及一种基于体积最小化的翘式换热器设计方法及装置，该设计方法包括：确定各股流所用的翅片尺寸；计算出各股流的焓变，根据各股流的焓变确定各股流的通道数；确定各股流的有效宽度；根据各股流的有效宽度、质量流量、翅片尺寸和通道数，并链接物性数据库，计算出各股流的换热系数，并初步确定各股流的有效长度和各股流的所得压损；计算各股流预设的允许压损与所得压损的比值，根据各比值中的最小值修正各股流的通道数，直到为预设值时，最终确定各股流的有效长度。该设计方法及装置只需输入换热器内各股流的质量流量，进出口及抽气点的温度和压力等相关参数，即可设计出体积小、重量轻并满足其效能和压损要求的换热器。

Description

基于体积最小化的翘式换热器设计方法及装置

技术领域

本发明涉及换热器领域，具体而言，涉及一种基于体积最小化的翘式换热器设计方法及装置。

背景技术

近年来在诸多领域对低温制冷系统的需求增长迅速，目前的低温制冷装置已应用于航空航天、核能利用、医疗仪器、基础物理研究等领域并在其中起到重要作用。低温板翅式换热器作为低温制冷系统的关键部件，其体积直接决定了低温冷箱的体积从而关系到整个低温制冷系统的体积。若换热器体积过大，则整个低温冷箱乃至整个低温制冷系统的体积必然过大，从而给整个系统的运输、安装与调试带来诸多不便，而当前我国所设计的低温制冷机和液化器所存在的问题恰恰是冷箱体积过大，如我国在2010年研制的每小时产液量为40L的L40氦液化器冷箱体积比德国40年前生产的L140氦液化器冷箱体积还大，如图1所示。因此在满足效能和压损的条件下设计出尽可能小的换热器就成为了低温制冷系统设计的关键技术问题之一。

目前已有的换热器优化设计方法，包括熵产分析方法、火用分析法、火积耗散分析法、场协同分析法、J/f比值法(或J/f1/3比值法)等，均是从使换热器的物理性能即使换热器拥有更大的效能和更小的压损入手，用这样的优化方法设计换热器可提高低温制冷系统的制冷量或液化率，而实际的低温制冷系统设计中，制冷量或液华率是给定的，因而流程中各换热器的效能和压损要求也是给定的，单纯增加换热器的效能、减小换热器的压损并没有意义(甚至片面追求换热器效能会使透平入口温度降低，从而使透平因脱离设计工况而效率降低，从而使整机效率降低)，而是要在满足流程给定的换热器效能和压损条件下设计出体积最小的换热器，因而迫切要求提出一种新的、基于体积最小化的结构优化方法。

目前已有的换热器设计软件，包括Muse(Aspen-Platefin)、Fluent(Anasys-Fluent)、COMSOL等，其中比较专业的软件是Muse，而其他多为流体力学和传热学计算软件。对于流体力学和传热学计算软件，需要人为给定换热器的工质、流量、进口参数和结构尺寸，算出换热器的出口参数和换热器内温度、压力分布，这实际是一种校核计算软件；对于Muse等换热器专业设计软件，虽然可根据所需流程参数直接设计换热器，但采用的方法是常规设计法或者熵产优化法等而不是根据基于体积最小化的优化方法设计的，因此所设计出的并不是满足流程要求条件下体积最小的换热器。更重要的是Muse等换热器设计软件是针对常温和高温工况设计的，其针对的条件是物性参数特别是密度和比热随温度变化相对比较平缓的条件，到了低温条件特别是20K以下，密度、比热等物性参数随温度变化剧烈的时候，Muse软件直接报错，其设计准确度无法保证。

因此，迫切需要提出一种新的，基于体积最小化的结构优化方法并据此设计出一款新的低温板翅式换热器优化设计软件，以实现低温制冷和液化系统中真空冷箱内低温板翅式换热器的体积最小化设计。

发明内容

本发明实施例提供了一种基于体积最小化的翘式换热器设计方法及装置，以至少解决现有换热器无法满足体积小、重量轻并符合效能和压损要求的技术问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种基于体积最小化的翘式换热器设计方法，包括：

步骤1.根据各股流的进出口压力和换热温区，确定各股流所用的翅片尺寸；

步骤2.根据各股流的工质种类和热力参数，并链接物性数据库，计算出各股流的焓变，根据各股流的焓变确定各股流的通道数；

步骤3.根据各股流的质量流量和换热器内的最大流量，确定各股流的有效宽度；

步骤4.根据各股流的有效宽度、质量流量、翅片尺寸和通道数，并链接物性数据库，计算出各股流的换热系数，并根据各股流的翅片尺寸、焓变、通道数和换热系数，初步确定各股流的有效长度和各股流的所得压损；

步骤5.计算各股流预设的允许压损与所得压损的比值，根据各比值中的最小值修正各股流的通道数；

步骤6.根据修正后的各股流的通道数重复步骤4、5，直到各股流预设的允许压损与所得压损的比值为预设值时，最终确定各股流的有效长度；

步骤7.根据各股流的翅片尺寸、通道数、有效宽度和有效长度确定换热器的流道排列方式。

进一步地，步骤4包括：

步骤4a.根据各股流的有效宽度、翅片尺寸和通道数，确定各股流的通流面积；

步骤4b.根据各股流的质量流量、各股流在各股流节点处的物性参数和通流面积计算出各股流在各股流节点之间的各小段的平均流速，并结合翅片尺寸计算出各股流在各小段的雷诺数；

步骤4c.将各股流在各小段的雷诺数代入准则关系式，结合各股流在各股流节点处的物性参数计算出各小段的J因子和换热系数U，再结合各股流在各股流节点的温度计算出各小段的冷热流体对数平均温差，从而计算出各小段的长度；

步骤4d.根据各股流在各股流节点的温度和各小段的换热系数U，计算出各节点处的平均温度和各小段内的平均导热系数，对各小段内的平均导热系数进行加权处理得到各股流的平均导热系数，从而得到各股流的导热量和漏热率；

步骤4e.根据各股流的漏热率修正各小段的长度，从而初步确定出各股流的有效长度；

步骤4f.将各小段的雷诺数代入准则关系式，结合各股流在各股流节点处的物性参数计算出各小段的F因子，再结合各小段的平均流速计算出各股流的各小段的压损及各股流的所得压损。

进一步地，步骤5包括：

步骤5a.根据各股流的进出口压力及其各小段的压损计算出各股流节点处的压力，计算出各股流在各节点前后所得压力的均方差；

步骤5b.若均方差小于等于0.1，则在此通道数下，比较各股流预设的允许压损与所得压损的比值，取各比值中的最小值修正各股流的通道数，新通道数＝旧通道数/取整[(允许压损/所得压损)∧(1/3)]；

若均方差大于0.1，根据各股流在各节点处的焓变和压力，并链接物性数据库，计算出各股流在各节点处的温度和物性参数，并返回至步骤4b。

进一步地，步骤5还包括：

步骤5c.比较修正后的新通道数与修正前的旧通道数，若一致，则进入步骤6，若否，则根据新通道数返回步骤步骤4a。

进一步地，根据各股流的焓变确定各股流的通道数包括：

根据各股流的焓变的绝对值与各股流的通道数存在正比例关系初步确定各股流的通道数，并判定换热器是否存在相变，若有，则增加存在相变的股流的通道数，若无，则增加进出口压力最小的股流的通道数。

进一步地，增加存在相变的股流的通道数的数量及增加进出口压力最小的股流的通道数的数量均为1个以上。

进一步地，预设值为1.2。

进一步地，步骤1包括：

根据各股流的进出口压力和换热温区，利用优化算法确定各股流所用的翅片尺寸，优化算法包括场协同优化法、J/F因子比值法和/或遗传算法。

进一步地，链接的物性数据库包括但不限于NIST物性数据库。

进一步地，步骤7包括：

根据各股流的翅片尺寸、通道数、有效宽度和有效长度并使用局部热平衡法确定换热器的流道排列方式。

根据本发明实施例的另一个方面，提供了一种基于体积最小化的翘式换热器设计装置，包括：

翅片尺寸确定单元，用于根据各股流的进出口压力和换热温区，确定各股流所用的翅片尺寸；

通道数确定单元，用于根据各股流的工质种类和热力参数，并链接物性数据库，计算出各股流的焓变，根据各股流的焓变确定各股流的通道数；

宽度确定单元，用于根据各股流的质量流量和换热器内的最大流量，确定各股流的有效宽度；

长度及压损初步确定单元，用于根据各股流的有效宽度、质量流量、翅片尺寸和通道数，并链接物性数据库，计算出各股流的换热系数，并根据各股流的翅片尺寸、焓变、通道数和换热系数，初步确定各股流的有效长度和各股流的所得压损；

修正单元，用于计算各股流预设的允许压损与所得压损的比值，根据各比值中的最小值修正各股流的通道数；

长度确定单元，用于将修正后的各股流的通道数输入至长度及压损初步确定单元重新确定，直到各股流预设的允许压损与所得压损的比值为预设值时，最终确定各股流的有效长度；

流道排列确定单元，用于根据各股流的翅片尺寸、通道数、有效宽度和有效长度确定换热器的流道排列方式。

进一步地，长度及压损初步确定单元包括：

通流面积确定单元，用于根据各股流的有效宽度、翅片尺寸和通道数，确定各股流的通流面积；

雷诺数确定单元，用于根据各股流的质量流量、各股流在各股流节点处的物性参数和通流面积计算出各股流在各股流节点之间的各小段的平均流速，并结合翅片尺寸计算出各股流在各小段的雷诺数；

小段长度确定单元，用于将各股流在各小段的雷诺数代入准则关系式，结合各股流在各股流节点处的物性参数计算出各小段的J因子和换热系数U，再结合各股流在各股流节点的温度计算出各小段的冷热流体对数平均温差，从而计算出各小段的长度；

导热量和漏热率确定单元，用于根据各股流在各股流节点的温度和各小段的换热系数U，计算出各节点处的平均温度和各小段内的平均导热系数，对各小段内的平均导热系数进行加权处理得到各股流的平均导热系数，从而得到各股流的导热量和漏热率；

有效长度确定单元，用于根据各股流的漏热率修正各小段的长度，从而初步确定出各股流的有效长度；

压损确定单元，用于将各小段的雷诺数代入准则关系式，结合各股流在各股流节点处的物性参数计算出各小段的F因子，再结合各小段的平均流速计算出各股流的各小段的压损及各股流的所得压损。

进一步地，修正单元包括：

均方差确定单元，用于根据各股流的进出口压力及其各小段的压损计算出各股流节点处的压力，计算出各股流在各节点前后所得压力的均方差；

判定单元，用于判定若均方差小于等于0.1，则在此通道数下，比较各股流预设的允许压损与所得压损的比值，取各比值中的最小值修正各股流的通道数，新通道数＝旧通道数/取整[(允许压损/所得压损)∧(1/3)]；若均方差大于0.1，根据各股流在各节点处的焓变和压力，并链接物性数据库，计算出各股流在各节点处的温度和物性参数，并将各股流在各节点处的温度和物性参数输入至雷诺数确定单元。

进一步地，修正单元还包括：

比较单元，用于比较修正后的新通道数与修正前的旧通道数，若一致，则将新通道数输入至长度确定单元，若否，则将新通道数返回输入至通流面积确定单元。

进一步地，通道数确定单元包括：

焓变确定单元，用于根据各股流的工质种类和热力参数，并链接物性数据库，计算出各股流的焓变；

相变判定单元，用于根据各股流的焓变的绝对值与各股流的通道数存在正比例关系初步确定各股流的通道数，并判定换热器是否存在相变，若有，则增加存在相变的股流的通道数，若无，则增加进出口压力最小的股流的通道数。

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种存储介质，存储介质包括存储的程序，其中，在程序运行时控制存储介质所在设备实施上述任意一项设计方法。

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种处理器，处理器用于运行程序，其中，程序运行时执行实施上述任意一项设计方法。

在本发明实施例中，为解决现有低温制冷机和液化器中冷箱内板翅式换热器体积过大的问题，本发明的目的之一在于提供一种基于体积最小化的翘式换热器设计方法及装置，该设计方法及装置，只需输入换热器内各股流的质量流量，进出口及抽气点的温度和压力等相关参数，即可设计出体积小、重量轻并满足其效能和压损要求的换热器。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为我国2010年设计的L40He液化器与德国L140He液化器对比图；

图2为本发明基于体积最小化的翘式换热器设计方法的流程图；

图3为本发明基于体积最小化的翘式换热器设计装置的模块图；

图4为本发明实施例3的优化设计结果图；

图5为本发明实施例4的优化设计结果图；

图6为本发明实施例5的优化设计结果图；

图7为本发明实施例6的优化设计结果图；

图8为本发明实施例7的优化设计结果图；

图9为本发明设计方法应用在L40He液化器的前后效果对比图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例1

根据本发明实施例，提供了一种基于体积最小化的翘式换热器设计方法，参见图2，包括：

该设计方法包括翅片尺寸的优化设计，各股流流道数与流道排列方式的优化设计，有效宽度与有效长度的优化设计，抽气位置的优化设计等。首先，该设计方法以体积最小化为目的而非以效能最大化、压损最小化为目的，对换热器进行结构、体积优化而非物理优化，即以最小的体积实现流程所给定的效能、压损要求；其次，该设计方法不仅适用于20K以上温区，还适用于20K以下温区(20K为液氢温区)，是低温板翅式换热器的通用优化方法。本发明的优化设计方法只需输入流程给定的各股流流量和热力参数即可自动链接物性数据库(优选为NIST物性数据库)，一键化、可视化计算出翅片尺寸、各股流流道数、有效宽度、有效长度和抽气位置等换热器的结构尺寸。

下面以具体实施例对本发明进行详细说明，步骤4具体包括：

作为优选，步骤5具体包括：

作为优选，步骤5具体还包括：

作为优选，根据各股流的焓变确定各股流的通道数包括：

作为优选，增加存在相变的股流的通道数的数量及增加进出口压力最小的股流的通道数的数量均为1个以上，通常增加1条通道，也可以多加，增加数量不限。

作为优选，允许压损与所得压损的比值为预设值的数值为1.2。

作为优选，步骤1具体包括：

作为优选，步骤7包括：

实施例2

根据本发明实施例的另一个方面，提供了一种基于体积最小化的翘式换热器设计装置，参见图3，包括：

在本发明实施例中的设计装置，只需输入换热器内各股流的质量流量，进出口及抽气点的温度和压力等相关参数，即可设计出体积小、重量轻并满足其效能和压损要求的换热器。

下面以具体实施例对本发明进行详细说明，长度及压损初步确定单元包括：

作为优选，修正单元具体包括：

作为优选，修正单元具体还包括：

作为优选，通道数确定单元具体包括：

该设计方法和设计装置所对应的软件(商业板翅式换热器设计软件)使用方法为在输入模块或附加输入文件中输入流程所需参数，然后点击计算按钮，即可在输出模块及附加输出文件中得到优化设计结果即换热器的确切尺寸。下面以一些具体实施例进行详细说明：

实施例3

设计参数为

Stream

Fluid

qm(g/s)

Tin(K)

pin(bar)

Tout(K)

Pout(bar)

A

Helium

22.4

14.2

9.96

<10

>9.95

B

Helium

40

9.79

1.18

>12.80

>1.16

初始设计的翅片尺寸(mm)

流道排列为：(BA/12)B，有效宽度为270mm，有效长度620mm，有效体积约为20.82L。

由商业板翅式换热器设计软件Aspen Plate-Fin所得出口参数为：

因为传热j,f因子拟合公式均存在约20％的误差，因此压损和有效长度均应留有约20％的余量；低压端压损755.7Pa，放大20％为755.7*1.2＝906.84Pa<2000Pa＝0.02bar满足要求；有效长度为620mm，必须有效长度为620/1.2＝517mm，此时由商业板翅式换热器设计软件Aspen Plate-Fin所得出口参数为：

满足要求。

优化设计的翅片尺寸(mm)

流道排列为：(BA/8)B，有效宽度为200mm，有效长度为508mm，有效体积约8.66L。

由商业板翅式换热器设计软件Aspen Plate-Fin所得出口参数为：

优化后，低压端压损1513Pa，放大20％为1080.6*1.2＝1296.72Pa<2000Pa＝0.02bar满足要求；有效长度为508mm，缩短20％后必须有效长度为508/1.2≈423mm，此时由商业板翅式换热器设计软件Aspen Plate-Fin所得出口参数为：

满足要求。对应优化设计结果见附图4。

实施例4

设计参数为

Stream

Fluid

qm(g/s)

Tin(K)

pin(bar)

Tout(K)

Pout(bar)

A

Helium

22.4

10

9.95

<5.17

>9.94

B

Helium

22.4

4.42

1.2

>9.79

>1.18

初始设计的翅片尺寸(mm)

流道排列为：(BA/12)B，有效宽度为270mm，有效长度为520mm，有效体积约17.47L。

由商业板翅式换热器设计软件Aspen Plate-Fin所得出口参数为：

低压侧压损为180.1Pa，放大20％为180.1*1.2＝216.12Pa；有效长度为520mm，必须有效长度为520/1.2＝433mm，此时由商业板翅式换热器设计软件Aspen Plate-Fin所得出口参数为：

优化设计的翅片尺寸(mm)

流道排列为：(BA/3)B，有效宽度为200mm，有效长度为696mm，有效体积约5.04L。

由商业板翅式换热器设计软件Aspen Plate-Fin所得出口参数为：

低压侧压损为1506.7Pa，放大20％为1440*1.2＝1728Pa<2000Pa，满足要求；有效长度为696mm，必须有效长度为696/1.2＝580mm，此时由商业板翅式换热器设计软件AspenPlate-Fin所得出口参数为：

满足要求。对应优化设计结果见附图5。

实施例5

以上两个换热器均为两股流换热器，而本软件可以对任意股流换热器进行优化设计，接下来以一个三股流换热器为例，其设计参数为

Stream

Fluid

qm(g/s)

Tin(K)

pin(bar)

Tout(K)

Pout(bar)

A

Helium

5.88

39.49

12.87

<14.37

>12.86

B

Helium

18.62

39.49

6.1

<14.37

>6.09

C

Helium

22.88

10.99

1.16

>39.03

>1.14

初始设计的翅片尺寸(mm)

流道排列为：CB CA CB CBC BC AC BC，有效宽度为270mm，有效长度为1200mm，有效体积约为40.71L。

由商业板翅式换热器设计软件Aspen Plate-Fin所得出口参数为：

低压端压损为1498.8Pa，放大20％为1498.8*1.2＝1798.56Pa<2000Pa＝0.02bar，满足要求；必须有效长度为1200/1.2＝1000mm，此时由商业板翅式换热器设计软件AspenPlate-Fin所得出口参数为：

满足要求。

优化设计的翅片尺寸(mm)

流道排列为：(CB/2)CA(CB/3)CA CBC AC(BC/3)AC(BC/2)，有效宽度为150mm，有效长度为1001mm，有效体积约为23.09L。

由商业板翅式换热器设计软件Aspen Plate-Fin所得出口参数为：

低压端压损为1415.6Pa，放大20％为1415.6*1.2＝1698.72Pa<2000Pa＝0.02bar，满足要求；有效长度为1001mm，必须有效长度为1001/1.2≈834mm，此时由商业板翅式换热器设计软件Aspen Plate-Fin所得出口参数为：

满足要求。对应优化设计结果见附图6。

此外，该软件还可用于四股及四股以上的换热器的优化设计，这里不赘。

实施例6

以上三个例子均为单相流动，单一工质(均为氦气)；而本软件可用于多工质，有相变的换热器优化设计，举个例子，某三股流换热器，其设计参数为

初始设计的翅片尺寸(mm)

流道排列方式为：(BA/9)C(AB/8)，有效宽度270mm，有效长度1670mm，有效体积约为117.66L。

由商业板翅式换热器设计软件Aspen Plate-Fin所得出口参数为：

低压氦气压损为3804.2Pa，放大20％后为3804.2*1.2＝4565.04Pa略大于4000Pa(0.04bar)，液氮气化侧压损为2148.7Pa，放大20％后为2148.7*1.2＝2578.44<3000Pa＝0.03bar，压损基本满足要求；有效长度为1670mm，必须有效长度为1670/1.2＝1392mm，此时由商业板翅式换热器设计软件Aspen Plate-Fin所得出口参数为：

效能满足要求。

优化设计的翅片尺寸(mm)

流道排列方式为：(BA/12)C(AB/13)，有效宽度为200mm，有效长度为1009mm，有效体积约为68.39L。

由商业板翅式换热器设计软件Aspen Plate-Fin所得出口参数为：

高压氦气侧压损为800.8Pa，放大20％为800.8*1.2＝960.96<1000Pa＝0.01bar，低压氦气压损为2503.8Pa，放大20％为2502.9*1.2＝3004.56<4000Pa＝0.04bar，液氮气化压损为1379.2Pa，放大20％为1380.6*1.2＝1655.04<3000Pa＝0.03bar，满足要求；有效长度为1009mm，必须有效长度为1009/1.2＝840mm，此时由商业板翅式换热器设计软件AspenPlate-Fin所得出口参数为：

满足要求。对应优化设计结果见附图7。

实施例7

上述例子所涉及的换热器各股流均全部从一端流到另一端，未有中间抽气，而实际的氢、氦制冷机和液化器冷箱中的换热器存在中间抽气，对于这种情况，本软件不但可以算出换热器的整体尺寸，还可以算出抽气口的位置。举个例子，某两股流中间抽气换热器的设计参数为

初始设计的翅片尺寸(mm)

流道排列方式为：CBC A CBC A CBC A CBC A CBC A CBC(其中A代表高压氦气中的抽气流道，B代表非抽气流道)，有效宽度为270mm，有效长度为1620mm，A通道有效长度为1200mm，有效体积约50.13L。

由商业板翅式换热器设计软件Aspen Plate-Fin所得出口参数为：

低压侧压损为4638.5Pa，放大20％后为4638.5*1.2＝5566.2Pa略大于5000Pa即0.05bar，压损基本满足要求，有效长度为1620mm，必须有效长度为1200/1.2＝1350mm，A通道有效长度为1200mm，必须有效长度为1200/1.2＝1000mm，此时由商业板翅式换热器设计软件Aspen Plate-Fin所得出口参数为：

效能满足要求。

优化设计的翅片尺寸(mm)

流道排列方式为(BA/17)B(其中A为高压氦气，B为低压氦气)，A流体有效长度950mm，抽口位置距进口端840mm，抽气和回气口总长150mm，因此B流体总有效长度为950+150＝1100mm，有效体积约为40.30L。

由商业板翅式换热器设计软件Aspen Plate-Fin所得出口参数为：

低压侧压损为3907Pa，放大20％后为3907*1.2＝4688.4<5000Pa＝0.05bar，满足要求；A流体抽气前有效长度为840mm，必须有效长度为840/1.2＝700mm，抽气后有效长度为110mm，必须有效长度为110/1.2＝92mm，抽气和回气口总长150mm，因此B流体必须有效长度为700+92+150＝942mm，此时由商业板翅式换热器设计软件Aspen Plate-Fin所得出口参数为：

满足要求。对应优化设计结果见附图8。实施例3-5体积均减小了40％以上，实施例6,7虽然体积只减小了20-40％左右，但压损从基本满足要求变为了满足要求，而且这些实施例的计算时间从需要几个小时甚至几天的反复试算缩短到只需要1-2分钟。

实施例8

实施例9

按照本发明所提技术方案优化设计出的换热器比按照常规算法设计出的换热器体积大为缩小，因此按照本发明所提技术方案优化设计出的低温制冷机和液化器比按照常规算法设计出的低温制冷机和液化器体积小得多。如按照本发明所提技术方案优化设计出的每小时产液量为40L的L40He液化器体积明显小于按照常规算法设计出的L40He液化器，如图9所示。按照本发明所提技术方案优化设计出的新L40He液化器在设计工况下产液量为46L/h，达到了设计要求的40L/h。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于体积最小化的翘式换热器设计方法，其特征在于，包括：

步骤7.根据各股流的翅片尺寸、通道数、有效宽度和有效长度确定换热器的流道排列方式；

所述步骤4包括：

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，步骤5包括：

3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，步骤5还包括：

4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，根据各股流的焓变确定各股流的通道数包括：

5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，增加存在相变的股流的通道数的数量及增加进出口压力最小的股流的通道数的数量均为1个以上。

6.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述预设值为1.2。

7.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，步骤1包括：

8.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，链接的物性数据库包括但不限于NIST物性数据库。

9.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，步骤7包括：

10.一种基于体积最小化的翘式换热器设计装置，其特征在于，包括：

长度确定单元，用于将修正后的各股流的通道数输入至所述长度及压损初步确定单元重新确定，直到各股流预设的允许压损与所得压损的比值为预设值时，最终确定各股流的有效长度；

流道排列确定单元，用于根据各股流的翅片尺寸、通道数、有效宽度和有效长度确定换热器的流道排列方式；

所述长度及压损初步确定单元包括：

11.根据权利要求10所述的设计装置，其特征在于，所述修正单元包括：

判定单元，用于判定若均方差小于等于0.1，则在此通道数下，比较各股流预设的允许压损与所得压损的比值，取各比值中的最小值修正各股流的通道数，新通道数＝旧通道数/取整[(允许压损/所得压损)∧(1/3)]；若均方差大于0.1，根据各股流在各节点处的焓变和压力，并链接物性数据库，计算出各股流在各节点处的温度和物性参数，并将各股流在各节点处的温度和物性参数输入至所述雷诺数确定单元。

12.根据权利要求11所述的设计装置，其特征在于，所述修正单元还包括：

比较单元，用于比较修正后的新通道数与修正前的旧通道数，若一致，则将新通道数输入至所述长度确定单元，若否，则将新通道数返回输入至所述通流面积确定单元。

13.根据权利要求10所述的设计装置，其特征在于，所述通道数确定单元包括：

14.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序运行时控制所述存储介质所在设备执行权利要求1至9中任意一项所述的设计方法。

15.一种处理器，其特征在于，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行权利要求1至9中任意一项所述的设计方法。