CN109959283B - 高温冷却器热力校核方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高温冷却器热力校核方法及系统，其中方法包括以下步骤：获取冷却器进口参数及冷却器中换热管组的数量，其中每个换热管组包含多排管束；将冷却器进口参数作为第一排管束的入口条件，将每排管束的出口条件作为下一排管束的入口条件，由此逐排计算各排管束的传热与压降。本发明根据换热器内部逐排计算各管束热力特性的思想，可有效减小大温差条件下高温气体定性物性的确定，减小了设计误差；并且可以给出传统换热器热力设计校核方法不能给出的换热器内部的传热、压降以及换热管壁温分布，有利于在换热器方案设计阶段及时发现问题，做出修改和调整。

Description

高温冷却器热力校核方法及系统

技术领域

本发明涉及换热器设计制造技术领域，尤其涉及一种高温冷却器热力校核方法及系统。

背景技术

电弧风洞是高焓(温)气体冷却器在大型电弧风洞中重要的热交换系统，主要作用是将风洞上游经由喷管和扩压器等气体流动控制装置通过变直径截面真空管道输运的高温气体温度(超过6000K)通过热交换原理降低到常温，确保风洞长时间稳定运行和真空系统的安全。与工业标准换热器面临的高温(不超过2000K)、高压换热介质不同，高压空气经电弧加热器电离后，进入冷却器前的离解气体介质具有低密度(真空环境)、高温(最高温度可超过6000K)的特点，热力设计及校核是其中的难点。传统热交换器由于进、出口温差(几百度)较小，通常采用算术平均温差或者对数平均温差的方法确定高温流体的定性参数，这种方法对进、出口温差较大(几千度)引起的高温电离气体物性变化来说，所带来的计算误差是巨大的，显然不适用高温气体冷却器的热力校核设计。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中的至少一部分缺陷，提供一种高温冷却器热力校核方法及系统。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高温冷却器热力校核方法，包括以下步骤：

S1、获取冷却器进口参数及冷却器中换热管组的数量，其中每个换热管组包含多排管束；

S2、将冷却器进口参数作为第一排管束的入口条件，将每排管束的出口条件作为下一排管束的入口条件，由此逐排计算各排管束的传热与压降。

在根据本发明所述的高温冷却器热力校核方法，优选地，所述步骤S1中所述冷却器进口参数包括：热流体参数和冷流体参数。

在根据本发明所述的高温冷却器热力校核方法，优选地，所述热流体参数包括热流体的质量流率、进口焓值和进口压力。

在根据本发明所述的高温冷却器热力校核方法，优选地，所述冷流体参数包括冷流体的质量流率、进口温度和进口压力。

在根据本发明所述的高温冷却器热力校核方法，优选地，所述步骤S2包括：

1)赋管组值i＝1；

2)对于i＝1……、B，分别调取每个换热管组的参数，全部执行完毕后赋予管组值i＝1；其中B为步骤S1中获取的换热管组的数量；

3)对于i＝1，赋管束值j＝1，计算第i组换热管组中第j排管束的传热与压降，并在计算完成后，将当前排输出参数作为下一排输入参数，并执行j＝j+1操作，并继续计算下一排管束的传热与压降，直至第i组换热管组的管束全部计算完毕；执行i＝i+1操作，并继续计算下一组换热管组中各个管束的传热与压降，直至第B组换热管组的管束全部计算完毕。

在根据本发明所述的高温冷却器热力校核方法，优选地，所述步骤S2中求解传热与压降的操作包括：

1)利用热流体的进口焓值和进口压力计算高温气体热物性参数；

2)利用冷流体的进口温度和进口压力计算冷流体热物性参数；

3)计算热流体侧和冷流体侧雷诺数；

4)选择热传递模型计算无量纲参数；

5)计算冷流体侧努赛特数；

6)计算空气侧和冷却水侧的传热热阻；

7)利用热平衡方程计算传热速率；

8)利用传热速率、流体进出口焓值或温度条件、对流换热系数分别计算确定换热管壁温度；

9)利用传热速率和热流体侧进口焓值计算得到流出管排的下游出口焓值；

10)利用焓差和质量流率计算冷流体的温升；

11)计算热流体侧压降；

12)计算冷流体侧压降。

本发明还提供了一种高温冷却器热力校核系统，所述系统包括：

参数获取单元，用于获取冷却器进口参数及冷却器中换热管组的数量；每个换热管组包含多排管束；

逐排计算单元，用于将冷却器进口参数作为第一排管束的入口条件，将每排管束的出口条件作为下一排管束的入口条件，由此逐排计算各排管束的传热与压降。

在根据本发明所述的高温冷却器热力校核系统中，优选地，所述参数获取单元获取的所述冷却器进口参数包括：

热流体参数，包括热流体的质量流率、进口焓值和进口压力；和/或

冷流体参数，包括冷流体的质量流率、进口温度和进口压力。

在根据本发明所述的高温冷却器热力校核系统中，优选地，所述逐排计算单元用于执行：

1)赋管组值i＝1；

2)对于i＝1……、B，分别调取每个换热管组的参数，全部执行完毕后赋予管组值i＝1；其中B为步骤S1中获取的换热管组的数量；

3)对于i＝1，赋管束值j＝1，计算第i组换热管组中第j排管束的传热与压降，并在计算完成后，将当前排输出参数作为下一排输入参数，并执行j＝j+1操作，并继续计算下一排管束的传热与压降，直至第i组换热管组的管束全部计算完毕；执行i＝i+1操作，并继续计算下一组换热管组中各个管束的传热与压降，直至第B组换热管组的管束全部计算完毕。

在根据本发明所述的高温冷却器热力校核系统中，优选地，所述逐排计算单元通过以下方法求解传热与压降：

1)利用热流体的进口焓值和进口压力计算高温气体热物性参数；

2)利用冷流体的进口温度和进口压力计算冷流体热物性参数；

3)计算热流体侧和冷流体侧雷诺数；

4)选择热传递模型计算无量纲参数；

5)计算冷流体侧努赛特数；

6)计算空气侧和冷却水侧的传热热阻；

7)利用热平衡方程计算传热速率；

8)利用传热速率、流体进出口焓值或温度条件、对流换热系数分别计算确定换热管壁温度；

9)利用传热速率和热流体侧进口焓值计算得到流出管排的下游出口焓值；

10)利用焓差和质量流率计算冷流体的温升；

11)计算热流体侧压降；

12)计算冷流体侧压降。

实施本发明的高温冷却器热力校核方法及系统，具有以下有益效果：本发明根据换热器内部逐排计算各管束热力特性的思想，可有效减小大温差条件下高温气体定性物性的确定，减小了设计误差，并且可以给出传统换热器热力设计校核方法不能给出的换热器内部的传热、压降以及换热管壁温分布，有利于在换热器方案设计阶段及时发现问题，做出修改和调整。

附图说明

图1为根据本发明第一实施例的高温冷却器热力校核方法的流程图；

图2为根据本发明第二实施例的高温冷却器热力校核方法的流程图；

图3为根据本发明的高温冷却器的管束分布图；

图4为根据本发明优选实施例的高温冷却器热力校核方法中求解传热与压降的具体流程图；

图5为根据本发明第三实施例的高温冷却器热力校核系统的模块框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，为根据本发明第一实施例的高温冷却器热力校核方法的流程图。该高温冷却器又可被称为换热器。如图1所示，该第一实施例提供的方法至少包括以下步骤：

步骤S1：获取冷却器进口参数及冷却器中换热管组的数量B；每个换热管组包含多排管束。优选地，该冷却器进口参数包括热流体参数和冷流体参数。热流体参数包括热流体的质量流率、进口焓值和进口压力。其中热流体为高温气体如空气。冷流体可以为水。冷流体参数包括冷流体的质量流率、进口温度和进口压力。

步骤S2：将冷却器进口参数作为第一排管束的入口条件，将每排管束的出口条件作为下一排管束的入口条件，由此逐排计算各排管束的传热与压降。

请参阅图2，为根据本发明第二实施例的高温冷却器热力校核方法的流程图。如图2所示，该第二实施例提供的方法至少包括以下步骤：

S201、流程开始；

S202、参数输入：热流体的质量流率、进口焓值和进口压力；以及冷流体的质量流率、进口温度和进口压力；例如以下参数：

m_air：高温空气质量流率，单位：kg/s；i_air，in：高温空气进口焓值，单位：kJ/kg；P_air，in：高温空气进口压力，单位：Pa；

Q_water：冷却水质量流率，单位：kg/s；T_water，in：冷却水进口温度，单位：K；P_water，in：冷却水进口压力，单位：Pa；

S203、读入换热管组的数量B；

S204、赋管组值i＝1；

S205、判断管组值i<B+1是否成立，是则转步骤S206，否则转步骤S208；

S206、读入第i组换热管组中管束的排数N_i，换热管组中管束的几何参数以及管束材料物性参数。

其中，物性参数包括：

ρ：密度，kg/m³；Cp：比热容，kJ/(kg·K)；k，导热系数，W/(m·K)；μ：流体粘性系数，kg/(s·m)；h：对流传热系数，W/(m²·K)；T_wall：壁面温度，K；q：传热速率，W/m²；A：传热面积；K：总传热系数。

几何参数包括：

d_in，管束内径，mm；d_out，管束外径，mm；S₁：管间距，mm；S₂：排间距，mm。如图3所示，为根据本发明的高温冷却器的管束分布图。如图中可以看到，在气体流动方向上，依次设置有多排管束。每排管束的排间距为S₂，同一排管束的管间距为S₁。管束外径为d_out，管束内径为d_in(图中未标出)。

S207、执行i＝i+1操作，转步骤S205；

S208、赋管组值i＝1；

S209、判断管组值i<B+1是否成立，是则转步骤S210，否则表示冷却器中全部换热管组的管束均已计算完毕，转步骤S216；

S210、赋管束值j＝1；

S211、判断管组值i<N_i+1是否成立，是则表示第i组换热管组中还有管束未计算，转步骤S212，否则表示第i组换热管组的管束全部计算完毕，转步骤S215对下一组换热管组进行计算；其中N_i为第i组换热管组中管束的排数。

S212、求解第i组换热管组中第j排管束的传热与压降Row_j。

S213、将前排管束的输出参数作为后排管束的输入参数。

S214、执行j＝j+1操作，转步骤S211继续判断第i组换热管组的管束是否全部计算完毕；

S215、执行i＝i+1操作，转步骤S209；

S216、流程结束。

请参阅图4，为根据本发明优选实施例的高温冷却器热力校核方法中求解传热与压降的具体流程图。如图4所示，上述步骤S212可以包括以下步骤：

1)利用热流体即高温空气进口焓值i_air,in和进口压力P_air,in计算高温气体热物性参数；这些参数包括:ρ：密度，kg/m³；Cp：比热容，kJ/(kg·K)；k，导热系数，W/(m·K)；μ：流体粘性系数，kg/(s·m)；

2)利用冷流体(如冷却水)的进口温度T_water，in和冷流体(如冷却水)的进口压力P_water，in计算冷流体热物性参数,这些参数包括ρ：密度，kg/m³；Cp：比热容，kJ/(kg·K)；k，导热系数，W/(m·K)；μ：流体粘性系数，kg/(s·m)；

3)利用计算热流体侧和冷流体侧的雷诺数Re；其中，V为流体速度，m/s；d为换热管直径，m。

4)选择热传递模型计算无量纲参数。无量纲参数包括：努赛特数Nu；普朗特数Pr。

5)计算冷流体侧努赛特数Nu；

6)利用热流体侧(比如高温空气)的对流换热系数h_air，冷流体(比如冷却水)侧的对流换热系数h_water，换热管材料导热系数k_tube，换热管外径d_out，换热管内径d_in，换热管外表面积A_surf,outer和换热管内表面积A_surf,inner分别计算空气侧和冷却水侧的传热热阻。

7)利用热平衡方程计算传热速率q；

8)利用传热速率q、流体进出口焓值或温度条件、对流换热系数(h_air、h_water)分别计算确定换热管壁温度T_wall,outside，T_wall,inside；

9)利用传热速率q和热流体(如高温空气)侧进口焓值i_in计算得到流出管排的下游出口焓值i_out，这个焓值可作为下一管排热流体侧的进口条件(状态2)。

10)利用焓差和质量流率计算冷流体的温升；

11)选择合适的压降模型计算热流体(空气侧)的压降，程序中备选的压降模型包括Holman-Jakob模型(模型I)、Gunter-Shaw模型等4种。

12)使用Darcy-Weisbach方程计算冷流体侧压降。

在获得上述参数后，可以进一步整理热力校核计算数据，分析换热器性能。

本发明还提供了一种高温冷却器热力校核系统。请参阅图5，为根据本发明第三实施例的高温冷却器热力校核系统的模块框图。该高温冷却器热力校核系统可以通过软件和硬件结合来实现。如图5所示，该高温冷却器热力校核系统至少包括：参数获取单元100和逐排计算单元200。

其中，参数获取单元100用于获取冷却器进口参数及冷却器中换热管组的数量；每个换热管组包含多排管束。

逐排计算单元200用于将冷却器进口参数作为第一排管束的入口条件，将每排管束的出口条件作为下一排管束的入口条件，由此逐排计算各排管束的传热与压降。

所述参数获取单元获取的所述冷却器进口参数包括：

热流体参数，包括热流体的质量流率、进口焓值和进口压力；和/或

冷流体参数，包括冷流体的质量流率、进口温度和进口压力。

优选地，逐排计算单元200用于执行：

1)赋管组值i＝1；

2)对于i＝1、……、B，分别调取每个换热管组的参数，全部执行完毕后赋予管组值i＝1；其中B为步骤S1中获取的换热管组的数量；

3)对于i＝1，赋管束值j＝1，计算第i组换热管组中第j排管束的传热与压降，并在计算完成后，将当前排输出参数作为下一排输入参数，并执行j＝j+1操作，并继续计算下一排管束的传热与压降，直至第i组换热管组的管束全部计算完毕；执行i＝i+1操作，并继续计算下一组换热管组中各个管束的传热与压降，直至第B组换热管组的管束全部计算完毕。

优选地，逐排计算单元200通过以下方法求解传热与压降：

1)利用热流体的进口焓值和进口压力计算高温气体热物性参数；

2)利用冷流体的进口温度和进口压力计算冷流体热物性参数；

3)计算热流体侧和冷流体侧雷诺数；

4)选择热传递模型计算无量纲参数；

5)计算冷流体侧努赛特数；

6)计算空气侧和冷却水侧的传热热阻；

7)利用热平衡方程计算传热速率；

8)利用传热速率、流体进出口焓值或温度条件、对流换热系数分别计算确定换热管壁温度；

9)利用传热速率和热流体侧进口焓值计算得到流出管排的下游出口焓值；

10)利用焓差和质量流率计算冷流体的温升；

11)计算热流体侧压降；

12)计算冷流体侧压降。

在软件上，本发明可以通过一个适用于高温气体冷却器热力校核设计的主程序和运用逐排求解思想计算传热和压降的子程序，以及计算高温空气物性的子程序来实现。

综上所述，本发明提供了一种高温冷却器热力校核的方法，不仅适用于大型电弧风洞高温气体冷却器的热力校核设计分析，也适用于常规管壳式换热器的热力分析，也可用于管壳式换热器多级传热分配的热力设计优化；本方法不仅适用于高温空气和水作为冷却介质的换热器热力校核设计计算，也适用于拓展到其他高温气体和冷却介质的换热器热力校核设计计算。

本发明具有以下特点：

1)本发明对高温冷却器的进口参数采用了焓值、气体流量以及进口压力，而不是通常的进口温度、气体流量以及进口压力，也就是说运用焓值代替温度作为冷却器内高温气体(超过2000K)的输入参数，能更准确的描述电弧风洞高温空气冷却器进口参数的基本特征。

2)本发明热力校核计算中根据高温冷却器布置的换热管束数目，提出了将冷却器进口参数作为第一排管束的入口条件，第一排管束的出口条件作为第二排管束的入口条件，这种根据高温冷却器内部逐排计算各管束热力特性的思想，可有效减小大温差条件下高温气体定性物性的确定，减小了设计误差。

3)本发明可以在计算结果中给出高温冷却器内部各管束的传热与压降分布，避免了传统换热器设计校核计算中只能给出总换热与压降情况，无法给出换热器内部传热与压降分布细节。因此，本发明有利于发现换热不均匀区，在设计阶段及时对高温冷却器的总体设计方案布局做出调整和修正。

4)本发明设计能给出高温冷却器内部各管束的壁温数据分布，这在传统设计方法中是不可能实现的。有利于发现局部过热管束布置，在设计阶段对管束布置方案和管束选择(材质、几何参数)及时做出设计修改。

5)本发明能给出高温(超过6000K)空气的热物性参数计算方法，传统空气换热器仅能给出2000K以下的热物性数据。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种高温冷却器热力校核方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取冷却器进口参数及冷却器中换热管组的数量，其中每个换热管组包含多排管束；所述冷却器进口参数包括：热流体参数和冷流体参数；所述热流体参数包括热流体的质量流率、进口焓值和进口压力；所述冷流体参数包括冷流体的质量流率、进口温度和进口压力；

S2、将冷却器进口参数作为第一排管束的入口条件，将每排管束的出口条件作为下一排管束的入口条件，由此逐排计算各排管束的传热与压降；

所述步骤S2包括：

1)赋管组值i＝1；

2)对于i＝1……、B，分别调取每个换热管组的参数，全部执行完毕后赋予管组值i＝1；其中B为步骤S1中获取的换热管组的数量；

3)对于i＝1，赋管束值j＝1，计算第i组换热管组中第j排管束的传热与压降，并在计算完成后，将当前排输出参数作为下一排输入参数，并执行j＝j+1操作，并继续计算下一排管束的传热与压降，直至第i组换热管组的管束全部计算完毕；执行i＝i+1操作，并继续计算下一组换热管组中各个管束的传热与压降，直至第B组换热管组的管束全部计算完毕；

所述步骤S2中求解传热与压降的操作包括：

1)利用热流体的进口焓值和进口压力计算高温气体热物性参数；该高温气体热物性参数包括:密度、比热容、导热系数和流体粘性系数；

2)利用冷流体的进口温度和进口压力计算冷流体热物性参数；该冷流体热物性参数包括：密度、比热容、导热系数和流体粘性系数；

3)计算热流体侧和冷流体侧雷诺数；

4)选择热传递模型计算无量纲参数；该无量纲参数包括：努赛特数和普朗特数；

5)计算冷流体侧努赛特数；

6)计算热流体侧和冷流体侧的传热热阻；

7)利用热平衡方程计算传热速率；

8)利用传热速率、流体进出口焓值或温度条件、对流换热系数分别计算确定换热管壁温度；

9)利用传热速率和热流体侧进口焓值计算得到流出管排的下游出口焓值；

10)利用焓差和质量流率计算冷流体的温升；

11)计算热流体侧压降；

12)计算冷流体侧压降。

2.一种高温冷却器热力校核系统，其特征在于，所述系统包括：

参数获取单元，用于获取冷却器进口参数及冷却器中换热管组的数量；每个换热管组包含多排管束；所述冷却器进口参数包括：热流体参数和冷流体参数；所述热流体参数包括热流体的质量流率、进口焓值和进口压力；所述冷流体参数包括冷流体的质量流率、进口温度和进口压力；

逐排计算单元，用于将冷却器进口参数作为第一排管束的入口条件，将每排管束的出口条件作为下一排管束的入口条件，由此逐排计算各排管束的传热与压降；

所述逐排计算单元用于执行：

1)赋管组值i＝1；

2)对于i＝1……、B，分别调取每个换热管组的参数，全部执行完毕后赋予管组值i＝1；其中B为参数获取单元获取的换热管组的数量；

3)对于i＝1，赋管束值j＝1，计算第i组换热管组中第j排管束的传热与压降，并在计算完成后，将当前排输出参数作为下一排输入参数，并执行j＝j+1操作，并继续计算下一排管束的传热与压降，直至第i组换热管组的管束全部计算完毕；执行i＝i+1操作，并继续计算下一组换热管组中各个管束的传热与压降，直至第B组换热管组的管束全部计算完毕；

所述逐排计算单元通过以下方法求解传热与压降：

1)利用热流体的进口焓值和进口压力计算高温气体热物性参数；该高温气体热物性参数包括：密度、比热容、导热系数和流体粘性系数；

2)利用冷流体的进口温度和进口压力计算冷流体热物性参数；该冷流体热物性参数包括：密度、比热容、导热系数和流体粘性系数；

3)计算热流体侧和冷流体侧雷诺数；

4)选择热传递模型计算无量纲参数；该无量纲参数包括：努赛特数和普朗特数；

5)计算冷流体侧努赛特数；

6)计算热流体侧和冷流体侧的传热热阻；

7)利用热平衡方程计算传热速率；

8)利用传热速率、流体进出口焓值或温度条件、对流换热系数分别计算确定换热管壁温度；

9)利用传热速率和热流体侧进口焓值计算得到流出管排的下游出口焓值；

10)利用焓差和质量流率计算冷流体的温升；

11)计算热流体侧压降；

12)计算冷流体侧压降。