CN110779378A

CN110779378A - 强化换热的方法

Info

Publication number: CN110779378A
Application number: CN201810860325.5A
Authority: CN
Inventors: 郭江峰; 崔欣莹; 淮秀兰; 成克用; 张海燕; 相梦如
Original assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Current assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Priority date: 2018-07-31
Filing date: 2018-07-31
Publication date: 2020-02-11
Anticipated expiration: 2038-07-31
Also published as: CN110779378B

Abstract

本发明提供一种强化换热的方法，包括如下步骤：S1，建立换热器模型，分别得到传热系数和温差的矩阵表达式；S2，根据矩阵表达式得到总体换热量表达式；S3，根据总体换热量表达式获取传热系数与温差之间的关系；S4，根据传热系数与温差之间的关系改变强化换热器的入口条件或结构形式。

Description

强化换热的方法

技术领域

本发明涉及换热器领域，尤其涉及一种强化换热的方法。

背景技术

传统的换热器在设计的时候常常假定流体的物理性质和换热系数变化较小，在常规条件下，常规流体的物理性质变化确实很小，因此，上述假设是可以被工程接收的，误差也比较小。但是，对于物理性质变化较大的流体，如拟临界点附近的超临界流体，由于超临界流体具有许多独特的性质，如粘度小、密度、扩散系数、溶剂化能力等性质随温度和压力变化十分敏感，而且粘度和扩散系数接近气体，而密度和溶剂化能力接近液体，这就导致这类流体的物理性质在传热中不能被忽略，因此，按照传统的换热方法对物性变化较大的流体进行换热往往误差巨大，难以取得良好的效果。

发明内容

为了克服上述问题的至少一个方面，本发明实施例提供一种强化换热的方法，包括如下步骤：S1，建立换热器模型，分别得到传热系数和温差的矩阵表达式；S2，根据矩阵表达式得到总体换热量表达式；S3，根据总体换热量表达式获取传热系数与温差之间的关系；S4，根据传热系数与温差之间的关系改变强化换热器的入口条件。

根据一些实施例，换热器模型包括M×N个换热方格，传热系数U和温差ΔT的矩阵表达式分别为：

其中，i、j、M、N均为正整数，U_i，j表示网格(i，j)的传热系数，ΔT_i，j表示网格(i，j)的温差。

根据一些实施例，总体换热量表达式为：

其中，Q表示总体换热量，*表示哈达马乘积，|| ||_m1表示向量1-范数的拓展，|| ||_F表示F-范数，A表示换热面积，θ_a表示传热系数和温差的平均协同角。

根据一些实施例，步骤S4中，保持热流体和冷流体的温度不变，热流体的质量流率沿第二方向均匀减少，冷流体的质量流率沿第一方向均匀减少。

根据一些实施例，步骤S4中，保持热流体和冷流体的质量流率不变，热流体的温度沿第二方向均匀增加，冷流体的温度沿第一方向均匀减少。

根据一些实施例，步骤S4中，在第二方向上，热流体的质量流率均匀减少，温度均匀增加；在第一方向上，冷流体的质量流率均匀减少，温度均匀减少。

另一方面，本实施例提供一种强化换热的方法，包括如下步骤：S1，建立换热器模型，分别得到热流密度和换热面积的矩阵表达式；S2，根据矩阵表达式得到总体换热量表达式；S3，根据总体换热量表达式得到热流密度与换热面积之间的关系；S4，根据热流密度与换热面积之间的关系改变强化换热器的面积分布条件。

根据一些实施例，总体换热量表达式为：

其中，i、M均为正整数，q_i表示热流密度矩阵，A_i表示换热面积矩阵，β_a表示热流密度和换热面积的平均协同角。

根据一些实施例，步骤S4中，保持总翅片数量不变，增大对角线区域的翅片密度，减少其他区域的翅片密度。

根据一些实施例，步骤S4中，改变同一板面上直通道的通道宽度，使得每个直通道的通道宽度有差异。

根据一些实施例，通道宽度沿垂直于流体流动的方向均匀增大或减小。

与现有技术相比，本发明至少具有以下优点之一：

(1)从矩阵分析方法，推导出了换热器性能不仅取决于参数的数值，而且取决于换热参数在换热器中分布的协同性；

(2)传统认为不均匀入口条件会对换热产生不利影响，从而在设计中尽量避免，而本发明通过巧妙改变入口条件实现传热强化。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1是本发明一个实施例的强化换热的方法的流程示意图；

图2是本发明一个实施例的换热器模型示意图；

图3是表1条件下总体换热量和分布协同角的关系示意图；

图4是表2条件下总体换热量和分布协同角的关系示意图；

图5是同时改变质量流率和入口温度的总体换热量和分布协同角的示意图；

图6是本发明一个实施例的热侧和冷侧直通道示意图；

图7是优化换热面积后的总体换热量和分布协同角的示意图；

图8是翼型翅片通道示意图；

图9是非均匀宽度的直通道分布示意图。

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。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

本发明提供一种强化换热的方法，从矩阵分析方法，推导出了换热器性能不仅取决于参数的数值，而且取决于换热参数在换热器中分布的协同性，从而改变入口条件或换热器内部通道或肋片等分布实现强化换热。

下面结合附图对本发明实施例作进一步的说明。

图1是根据本发明的一个实施例的强化换热的方法的流程示意图。如图1所示，强化换热方法包括：

S1，建立换热器模型，分别得到传热系数和温差的矩阵表达式。

图2是换热器模型示意图。如图2所示，换热器模型可以包括M×N个换热方格，M、N均为正整数，为了描述的方便，M个换热方格对应的方向称为X方向，N个换热方格对应的方向称为Y方向，这样，每个换热方格对应有一个坐标点，例如(1，1)、(1、2)......(M，N)。热流体流动的方向为X正方向，冷流体流动的方向为Y正方向。

整个换热器模型的传热系数U和温差ΔT的矩阵表达式如下：

式子中，U_i，j表示换热方格(i，j)的传热系数，ΔT_i，j表示换热方格(i，j)的温差，i、j、M、N均为正整数，且1≤i≤M，1≤j≤N。

S2，根据矩阵表达式得到总体换热量表达式。

根据上述传热系数U和温差ΔT的矩阵表达式，结合赫尔德不等式，总体换热量Q的表达式如下：

式子中，Q表示总体换热量，*表示哈达马乘积，|| ||_m1表示向量1-范数的拓展，||||_F表示F-范数，A表示换热面积。

S3，根据总体换热量表达式获取传热系数与温差之间的关系；

结合不等式成立的物理意义，

||U||_F||ΔT||_F cosθ_a＝||(U*AT)||_m1

上述总体换热量的表达式可以进一步转换为：

其中，θ_a表示传热系数和温差的平均协同角。

从上式可以看出，总体换热量不仅与传热系数和温差各自的数值有关，还与两者之间的关系有关，平均协同角可以看作是两个二维矩阵间分布匹配性程度的一种度量值，平均协同角越小意味着两个矩阵间的元素的匹配性越好。平均协同角θ_a可以由下式得到：

因此，可以看出，强化换热除了提高传热系数和温差的数值以外，还可以通过改善两者分布的匹配性来实现。传热系数与温差的匹配性越好则强化换热的效果越好。

S4，根据关系表达式改变强化换热器的入口条件或结构形式。入口条件包括入口质量流率和入口温度。

既然传热系数与温差的匹配性越好，强化换热的效果越好，则需要寻找影响传热系数与温差匹配性的条件。

可以保持入口温度均匀分布，改变流体的质量流率。例如可以保持冷流体质量流率不变、增加或者减少热流体的质量流率，或者可以保持热流体质量流率不变、增加或者减少冷流体的质量流率，或者可以保持冷、热流体质量流率均不变，一共进行了9组实验，具体数据见表1：

表1 入口温度均匀分布，质量流率变化表

图3是表1条件下总体换热量与分布协同角的示意图。将上表中各项情形得到的数据汇总，得到图3。图3中Q_tot表示总体换热量，θ_a表示分布协同角。根据图3所示，总体换热量与分布协同角呈反比，即分布协同角越小，总体换热量越大。

对于case3、case5和case7，热流体的质量流率保持不变，冷流体的质量流率分别为均匀增加、不变和减少。参见图3，以case5对应的总体换热量为基准，case3的总体换热量减少，case7的总体换热量增加，也即是，当热流体不变，冷流体的质量流率均匀增大时，总体换热量减少；当热流体不变，冷流体的质量流率均匀减少时，总体换热量增加。也即是，在热流体不变的情况下，总体换热量与冷流体质量流率增加的数值成反比。

对于case4、case5和case6，冷流体的质量流率保持不变，热流体的质量流率分别为均匀增加、不变和减少。参见图3，以case5对应的总体换热量为基准，case4的总体换热量减少，case6的总体换热量增加，也即是，当冷流体不变，热流体的质量流率均匀增大时，总体换热量减少；当冷流体不变，热流体的质量流率均匀减少时，总体换热量增加。也即是，在冷流体不变的情况下，总体换热量与热流体质量流率增加的数值成反比。

根据优选的实施例，为了对换热性能有较大幅度的强化，可以保持热流体和冷流体的温度不变，将热流体的质量流率沿第二方向均匀减少，冷流体的质量流率沿第一方向均匀减少。本实施例中的第二方向指Y方向，第一方向指X方向。另外，case8和case9的数据显示，冷、热流体的质量流率减小的幅度越大，换热量就越高。因此，在一定范围内，可以将热流体的质量流率沿第二方向均匀减少的幅度设置得尽可能高，冷流体的质量流率沿第一方向均匀减少的幅度设置得尽可能高。

可以保持流体的质量流率均匀分布，改变入口温度。例如可以保持冷流体入口温度不变、增加或者减少热流体的入口温度，或者可以保持热流体入口温度不变、增加或者减少冷流体的入口温度，或者可以保持冷、热流体入口温度均不变，一共进行了7组实验，具体数据见表2：

表2 质量流率均匀分布，入口温度变化表

图4是表2条件下总体换热量与分布协同角的示意图。将上表中各项情形得到的数据汇总，得到图4。图4中Q_tot表示总体换热量，θ_a表示分布协同角。根据图4所示，总体换热量与分布协同角也是呈反比，即分布协同角越小，总体换热量越大。

对于case b、case d和case f，热流体的入口温度保持不变，冷流体的入口温度分别为均匀增加、不变和减少。参见图4，以case d对应的总体换热量为基准，case b的总体换热量减少，case f的总体换热量增加，也即是，当热流体不变，冷流体的入口温度均匀增大时，总体换热量减少；当热流体不变，冷流体的入口温度均匀减少时，总体换热量增加。也即是，在热流体不变的情况下，总体换热量与冷流体入口温度增加的数值成反比。

对于case c、case d和case e，冷流体的入口温度保持不变，热流体的入口温度分别为均匀减少、不变和增加。参见图4，以case d对应的总体换热量为基准，case c的总体换热量减少，case e的总体换热量增加，也即是，当冷流体不变，热流体的入口温度均匀增大时，总体换热量增加；当冷流体不变，热流体的入口温度均匀减少时，总体换热量减少。也即是，在冷流体不变的情况下，总体换热量与热流体入口温度增加的数值成正比。

根据优选的实施例，为了对换热性能有较大幅度的强化，可以保持热流体和冷流体的质量流率不变，将热流体的入口温度沿第二方向均匀增加，冷流体的入口温度沿第一方向均匀减少。

根据上述分析，可以知道，在一定条件下，总体换热量与热流体质量流率、入口温度以及冷流体质量流率成正比，与冷流体的入口温度成反比。为了考虑入口温度与质量流率同时变化对总体传热量的影响，同时改变入口温度和质量流率，图5是同时改变质量流率和入口温度的总体换热量和分布协同角的示意图。一共做了3组实验，分别将case1和casea组合、case5和case d组合、case9和case g组合，将三组数据汇总得到图5。如图5所示，总体换热量与分布协同角成反比，分布协同角越小，总体换热量越大，即换热得到强化。

以图5中case5和case d组合的总体换热量为基准，case1和case a组合的总体换热量减小了，case9和case g组合的总体换热量增加了，并且，case9和case g组合的总体换热量的数值比case9或者case g单独的总体换热量大，这也就证明了，质量流率与入口温度这两个因素具有叠加作用，两种因素共同作用下可以实现比单独因素更好的换热效果。根据优选的实施例，在第二方向上，热流体的质量流率均匀减少，温度均匀增加；在第一方向上，冷流体的质量流率均匀减少，温度均匀减少。

图6是热侧和冷侧直通板示意图。如图6所示，左图为热侧通道示意图，热流体从入口通道1出来沿Y方向正向流动，即从左往右传输，传输到直通道3上，在入口通道1和直通道3之间存在很多个导流片(图中未示出)。热流体入口通道1接入在Y轴下方，导流片连接入口通道1和直通道3，通过设置导流片可以实现热流体质量流率在Y方向上小幅度的均匀减少。基于相同的理由，右图为冷侧通道示意图，冷流体从入口通道2出来沿X方向正向流动，即从下往上传输，传输到直通道4上，在入口通道2和直通道4之间存在很多个导流片(图中未示出)。冷流体入口通道2接入在X轴右方，导流片连接入口通道2和直通道4，通过设置导流片可以实现冷流体质量流率在X方向上小幅度的均匀增加，当然，如果想要冷流体质量流率在X方向上小幅度的均匀减小，也可以将冷流体入口通道2接入在X轴左方。

导流区域可以改变流体入口流率，另外，通过集水器、导流片、封头接管位置的改变可以实现入口条件的不均匀，从而实现强化换热。

基于同一构思，本发明还提供一种强化换热的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，建立换热器模型，分别得到热流密度和换热面积的矩阵表达式；S2，根据矩阵表达式得到总体换热量表达式；S3，根据总体换热量表达式得到热流密度与换热面积之间的关系表达式；S4，根据关系表达式改变强化换热器的入口条件面积分布条件。面积分布条件包括换热面积和热流密度。

上述步骤中，总体换热量的表达式如下：

式子中，i、M均为正整数，q_i表示热流密度矩阵，A_i表示换热面积矩阵，β_a表示热流密度和换热面积的平均协同角。上式表明，总体换热量不仅取决于热流密度与传热面积的数值，而且取决于两者分布的匹配性。优化传热面积可以有效增强换热效果。

图7是优化换热面积后的总体换热量和分布协同角的示意图。如图7所示，A为原始总体传热量和原始平均协同角，B为第一次优化换热面积后的总体传热量和平均协同角，C为第二次优化换热面积后的总体传热量和平均协同角，随着优化换热面积的进行，热流密度和传热面积的协同性越来越好，总体换热量也越来越大。

可以采用以下方式对传热面积进行优化：

可以采用翼型翅片板式换热面，在翼型翅片板式换热面上均匀排列着众多的翅片，并且翅片的大小一致。根据优选的实施例，保持总翅片数量不变，增大热流密度较大的区域的翅片密度，减少热流密度较小的区域的翅片密度。在总换热面积不变的情况下，可以决定剩余大翅片的数量和排列的样式。对于错流式换热器，最大的热流密度是沿对角线分布，因此，可以将小翅片设置在对角线上。在翅片总数量不变的情况下，沿对角线热流密度大的区域多布置翅片以改善热流与面积分布的协同性，从而实现强化换热。图8是翼型翅片通道示意图。如图8所示，小翅片10近似设置在X方向正向和Y方向正向的平分线上，也即是设置在换热器的对角线上，大翅片11均匀排列在其他位置，在换热面积不变的情况下，实现了热流密度与换热面积的协同分布，从而提高了换热效果。

还可以改变同一板面上直通道的通道宽度，使得每个直通道的通道宽度有差异。可以通过改变肋片分布的密度、通道截面的粗细来改变通道宽度。通过改变直通的通道宽度，改变了通道的分布密度，从而实现了局部换热面积和局部热流密度分布协同性的改善。在热流密度大的区域增加通道密度，可以有效实现热流密度和换热面积的协同分布。从而在换热面积不变的情况下，提高了换热效果。在某些优选的实施例中，通道宽度沿垂直于流体流动的方向均匀增大或减小。图9是非均匀宽度的直通道分布示意图。图9中，左图为热侧的直通道示意图，沿Y方向正向直通道的宽度越来越大，也即是密度越来越小；右图为冷侧的直通道示意图，沿X方向正向直通道的宽度越来越大，也即是密度越来越小。因此，沿X方向负向和Y方向负向，热流密度与换热面积的协同性越来越好，换热效果也越来越好。

本发明提供的强化换热的方法，从矩阵分析方法推导出了换热器性能不仅取决于参数的数值，还取决于参数在换热器中分布的协同性，并且以传热系数和温差的协同、热流密度和换热面积的协同分别实现了强化换热，同时本发明的方法不仅局限于这几种参数之间的协同性。传统方法中，认为不均匀的入口条件会对换热产生不良影响，从而在设计中应尽量避免，本发明巧妙设计入口条件的不均匀分布，从而实现了强化换热。

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

1.一种强化换热的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，建立换热器模型，分别得到传热系数和温差的矩阵表达式；

S2，根据所述矩阵表达式得到总体换热量表达式；

S3，根据所述总体换热量表达式获取所述传热系数与所述温差之间的关系；

S4，根据所述传热系数与所述温差之间的关系改变强化换热器的入口条件或结构形式。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述换热器模型包括M×N个换热方格，所述传热系数U和所述温差ΔT的矩阵表达式分别为：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述总体换热量表达式为：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中，保持热流体和冷流体的温度不变，热流体的质量流率沿第二方向均匀减少，冷流体的质量流率沿第一方向均匀减少。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中，保持热流体和冷流体的质量流率不变，热流体的温度沿第二方向均匀增加，冷流体的温度沿第一方向均匀减少。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中，在第二方向上，热流体的质量流率均匀减少，温度均匀增加；在第一方向上，冷流体的质量流率均匀减少，温度均匀减少。

7.一种强化换热的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，建立换热器模型，分别得到热流密度和换热面积的矩阵表达式；

S2，根据所述矩阵表达式得到总体换热量表达式；

S3，根据所述总体换热量表达式获取所述热流密度与所述换热面积之间的关系；

S4，根据所述热流密度与所述换热面积之间的关系改变强化换热器的面积分布条件。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述总体换热量表达式为：

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤S4中，保持总翅片数量不变，增大对角线区域的翅片密度，减少其他区域的翅片密度。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤S4中，改变同一板面上直通道的通道宽度，使得每个直通道的通道宽度有差异。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述通道宽度沿垂直于流体流动的方向均匀增大或减小。