CN113283199B - 含相变的空气预冷器设计方法、装置、计算机系统及存储介质 - Google Patents

含相变的空气预冷器设计方法、装置、计算机系统及存储介质 Download PDF

Info

Publication number
CN113283199B
CN113283199B CN202110719183.2A CN202110719183A CN113283199B CN 113283199 B CN113283199 B CN 113283199B CN 202110719183 A CN202110719183 A CN 202110719183A CN 113283199 B CN113283199 B CN 113283199B
Authority
CN
China
Prior art keywords
air
coolant
phase change
precooler
flow
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110719183.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113283199A (zh
Inventor
焦帅祥
汪元
魏铭
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National University of Defense Technology
Original Assignee
National University of Defense Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National University of Defense Technology filed Critical National University of Defense Technology
Priority to CN202110719183.2A priority Critical patent/CN113283199B/zh
Publication of CN113283199A publication Critical patent/CN113283199A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113283199B publication Critical patent/CN113283199B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/28—Design optimisation, verification or simulation using fluid dynamics, e.g. using Navier-Stokes equations or computational fluid dynamics [CFD]
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
    • G06F2111/10—Numerical modelling
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2113/00—Details relating to the application field
    • G06F2113/08—Fluids
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/08—Thermal analysis or thermal optimisation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces

Abstract

本发明提出一种含相变的空气预冷器设计方法、装置、计算机系统及存储介质，给定空气进口温度、压力和流量以及冷却剂进口温度以及压力，给定含相变的空气预冷器的空气温降；根据空气流量、空气比热容以及空气温降得到空气换热量；确定空气通道的表面传热系数、冷却剂通道的表面传热系h以及两相冷却剂通道平均传热系数，进而计算预冷器总传热系数；根据空气预冷器其冷却剂相变前、相变过程中以及相变后的传热平均温差以及换热量，计算空气预冷器的冷热流体平均温差；根据预冷器总传热系数以及冷热流体平均温差得到有效换热面积，以确定含相变的空气预冷器的最终结构。本发明可以最大限度的发挥冷却剂的换热潜力。

Description

含相变的空气预冷器设计方法、装置、计算机系统及存储介质
技术领域
本发明空气预冷器设计技术领域，尤其是涉及一种含相变的空气预冷器设计方法、装置、计算机系统及存储介质。
背景技术
对于组合发动机空气及其深度预冷技术而言，预冷器低阻高效换热是一个永恒的话题。根据换热公式，随着有效换热面积的提高，预冷器的换热能力也会相应增大，但是随之带来的是发动机质量的增加。对于预冷发动机而言，虽然有结构简单等诸多优势，但是如何在尽量小的质量增加范围内达到需要的换热效能，是亟待解决的问题。此外，对于超声速强预冷涡轮发动机而言，预冷器是使高温来流大幅降温的核心部件。因此有必要针对换热器展开结构换热设计方法及其应用研究。
目前的板式预冷器设计可以由平均温差法、效率-传热单元数法等设计方法对预冷器进行设计，但是上述设计方法大多是基于单相换热的设计方法。相变换热对于预冷器的应用来说具有巨大的潜力，通常情况下，两相换热的换热系数远远大于相同工况下的单相换热系数。
因此提出一种空气相变预冷器的设计方法，对空气相变预冷器的发展有着十分重要的作用。
发明内容
针对现有技术存在的技术问题，本发明提出一种含相变的空气预冷器设计方法、装置、计算机系统及存储介质。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
含相变的空气预冷器设计方法，包括以下步骤：
第一步：给定空气进口温度、压力和流量以及冷却剂进口温度以及压力，给定含相变的空气预冷器的空气温降ΔTair；
第二步：根据空气流量、空气比热容以及空气温降得到空气换热量Qair＝maircp,airΔTair；
第三步：确定空气通道的表面传热系数hair、冷却剂通道的表面传热系数h以及两相冷却剂通道平均传热系数htp；
第四步：计算预冷器总传热系数K；
1/K＝1/hair+1/htp+δ/k
其中δ是空气预冷器的空气通道与冷却剂通道之间的间壁厚度，k是空气预冷器的空气通道与冷却剂通道之间的间壁材料的导热系数。
第五步：根据空气预冷器其冷却剂相变前、相变过程中以及相变后的传热平均温差以及换热量，计算空气预冷器的冷热流体平均温差ΔT；
第六步：根据冷热流体平均温差ΔT，计算有效换热面积A＝Qair/(KΔT)；
第七步：根据有效换热面积即可用于确定含相变的空气预冷器的最终结构。
作为本发明的进一步限定，本发明还包括根据空气换热量，确定含相变的空气预冷器在给定空气流量下对应的临界冷却剂流量，其中临界冷却剂流量是指空气预冷器的冷却剂足量，冷却剂完全汽化为氮气，空气刚好冷却到冷却剂相变温度，记此时的冷却剂流量为该给定空气流量下对应的临界冷却剂流量；
Qair＝maircp,airΔTair；
Qair＝Qcoolant；
Qcoolant＝mcoolantcp,coolant-L(Tcoolant-sat-Tcoolant-in)+mcoolanthfg；
其中Qair表示空气换热量；mair表示给定的空气流量；cp,air表示空气比热容；Qcoolant表示冷却剂换热量；mcoolant表示冷却剂流量(待求)；cp,coolant-L表示冷却剂液态时比热容；Tcoolant-in表示冷却剂进口温度；Tcoolant-sat表示给定冷却剂进口压力下的冷却剂相变温度；hfg表示给定冷却剂进口压力下的冷却剂相变潜热。
作为本发明的进一步限定，还包括根据给定空气流量，确定不同的冷却剂流量与空气出口温度的对应关系；
Qair＝maircp,airΔTair；
Qair＝Qcoolant；
Qcoolant＝mcoolantcp,coolant-L(Tcoolant-sat-Tcoolant-in)+mcoolanthfg；
ΔTair＝Tair-in-Tair-out；
联立以上四个公式，得到不同的冷却剂流量mcoolant与空气出口温度Tair-out的对应关系。
进一步地，根据含相变的空气预冷器的空气温降ΔTair，确定含相变的空气预冷器在给定空气流量下对应的理想冷却剂流量，其中理想冷却剂流量是指空气预冷器的冷却剂适量，冷却剂完全汽化为氮气，氮气进一步升温，氮气出口温度等于空气出口温度，记此时的冷却剂流量为该给定空气流量下对应的理想冷却剂流量，理想冷却剂流量小于临界冷却剂流量；
Qair＝maircp,airΔTair；
Qair＝Qcoolant；
Qcoolant＝mcoolantcp,coolant-L(Tcoolant-sat-Tcoolant-in)+mcoolanthfg+mcoolantcp,coolant-g(Tcoolant-out-Tcoolant-sat)；
ΔTair＝Tair-in-Tair-out；
Tair-out＝Tcoolant-out；
其中cp,coolant-g表示冷却剂液态时比热容；
联立以上五个公式，所求得的mcoolant为理想冷却剂流量。
进一步地，本发明第三步中空气通道的表面传热系数hair通过下式求得：
Figure GDA0003521812980000031
其中，Reair和Prair分别为空气通道的雷诺数和普朗特数；
进一步地，本发明第三步中两相冷却剂通道平均传热系数htp通过以下方法求得：
对两相冷却剂通道，干度取0～1，设定初始干度，初始干度按照设定精度(如取0.001)进行递增，可得到两相冷却剂通道传热系数随干度的变化情况，把干度从0到1对应的两相冷却剂通道传热系数进行平均，得到两相冷却剂通道平均传热系数htp：
Figure GDA0003521812980000041
其中h是冷却剂通道的表面传热系数，冷却剂通道的表面传热系数h可按Klimenko[1982]关联式求得。
进一步地，本发明第五步中，分别确定空气预冷器其冷却剂相变前、相变过程中以及相变后的传热平均温差，对空气预冷器其冷却剂相变前、相变过程中以及相变后的换热量进行加权平均，得到空气预冷器的冷热流体平均温差ΔT，
Figure GDA0003521812980000042
Figure GDA0003521812980000043
Figure GDA0003521812980000044
Figure GDA0003521812980000045
Figure GDA0003521812980000046
Figure GDA0003521812980000047
ΔTmax1＝Tout-Tcoolant-in
ΔTmin1＝Tair-1-Tcoolant-sat
Figure GDA0003521812980000048
Figure GDA0003521812980000049
ΔTmax2＝Tair-2-Tcoolant-sat
ΔTmin2＝Tair-in-Tout
其中Q1、Q2、Q3分别为相变前、相变过程中、相变后的换热量；mcoolant、mair分别为冷却剂流量、空气流量；cp,L、cp,g、cp,air分别为液态冷却剂比热容、气态冷却剂比热容和空气比热容；Tair-in、Tair-out分别为空气进口温度、空气出口温度；Tcoolant-in、Tcoolant-out分别为冷却剂进口温度、冷却剂出口温度；Tcoolant-sat为冷却剂相变温度；ΔTm1、ΔTm2、ΔTm3分别为相变前、相变过程中、相变后的传热平均温差；ΔTmax1、ΔTmin1分别为相变前的温差最大、最小值；ΔTmax2、ΔTmin2分别为相变后的温差最大、最小值；Tair-1、Tair-2分别是冷却剂相变开始时刻以及相变结束时刻对应的空气温度。
本发明还提出一种含相变的空气预冷器设计装置，包括：
输入模块，用于确定空气进口温度、压力和流量以及冷却剂进口温度以及压力，确定含相变的空气预冷器的空气温降ΔTair；
第一计算模块，用于根据空气流量、空气比热容以及空气温降得到空气换热量；
第二计算模块，用于确定空气通道的表面传热系数hair、冷却剂通道的表面传热系数h以及两相冷却剂通道平均传热系数htp；
第三计算模块，用于计算预冷器总传热系数K；
1/K＝1/hair+1/htp+δ/k
其中δ是空气预冷器的空气通道与冷却剂通道之间的间壁厚度，k是空气预冷器的空气通道与冷却剂通道之间的间壁材料的导热系数；
第四计算模块，用于根据空气预冷器其冷却剂相变前、相变过程中以及相变后的传热平均温差以及换热量，计算空气预冷器的冷热流体平均温差ΔT；
第五计算模块，用于根据冷热流体平均温差ΔT，计算有效换热面积A＝Qair/(KΔT)；
输出模块，输出用于确定含相变的空气预冷器的最终结构的有效换热面积。
进一步地，还包括第六计算模块，用于根据空气换热量，确定含相变的空气预冷器在给定空气流量下对应的临界冷却剂流量，其中临界冷却剂流量是指空气预冷器的冷却剂足量，冷却剂完全汽化为氮气，空气刚好冷却到冷却剂相变温度，记此时的冷却剂流量为该给定空气流量下对应的临界冷却剂流量。
进一步地，还包括第七计算模块，用于根据给定空气流量，确定不同的冷却剂流量与空气出口温度的对应关系。
进一步地，还包括第八计算模块，用于根据含相变的空气预冷器的空气温降ΔTair，确定含相变的空气预冷器在给定空气流量下对应的理想冷却剂流量，其中理想冷却剂流量是指空气预冷器的冷却剂适量，冷却剂完全汽化为氮气，氮气进一步升温，氮气出口温度等于空气出口温度，记此时的冷却剂流量为该给定空气流量下对应的理想冷却剂流量，理想冷却剂流量小于临界冷却剂流量。
本发明提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一种含相变的空气预冷器设计方法的步骤。
本发明通过一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一种含相变的空气预冷器设计方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明解决了包含相变的预冷器设计过程中的平均温差计算方法问题，从而得到合理的平均温差。
(2)本发明提出了一种系统的包含相变的空气换热器的设计方案，开发出潜热的潜力在换热器设计方面的应用，可以极大增强换热器的换热效率。
(3)本发明提出了在给定的空气流量情况下，空气出口温度和平均温差与冷却剂流量的对应关系。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为一实施例中顺流时冷、热流体的温度变化示意图；
图3为一实施例中逆流、交叉流动时冷、热流体的温度变化示意图；
图4为一实施例中出口温度与冷却剂流量的关系图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
对于含相变的空气预冷器在设计之前进行预冷器相变情况进行分析：
第一种情况：冷却剂足量，冷却剂未发生相变；
第二种情况：冷却剂足量，冷却剂完全相变(汽化)，空气刚好冷却到冷却剂相变温度；记此时的冷却剂流量为该高温空气流量的临界冷却剂流量；
第三种情况：冷却剂适量，冷却剂完全汽化为氮气，氮气进一步升温，氮气出口温度达到高温空气出口温度，这是最理想状态；此时的冷却剂流量小于临界冷却剂流量；
第四种情况：冷却剂适量，冷却剂完全汽化为氮气，氮气进一步升温，氮气出口温度低于高温空气出口温度；此时的冷却剂流量小于临界冷却剂流量，大于第三种情况的冷却剂流量。
参照图1，本实施例提供一种含相变的空气预冷器设计方法，包括以下步骤：
第一步：给定空气进口温度、压力和流量以及冷却剂进口温度以及压力，给定含相变的空气预冷器的空气温降ΔTair；
第二步：根据空气流量、空气比热容以及空气温降得到空气换热量Qair＝maircp,airΔTair；
第三步：确定空气通道的表面传热系数hair、冷却剂通道的表面传热系数h以及两相冷却剂通道平均传热系数htp；
对于空气通道，其的表面传热系数hair通过下述关联式计算(不限于此关联式，空气关联式均可)：
Figure GDA0003521812980000071
其中，Reair和Prair分别为空气通道的雷诺数和普朗特数。
对于冷却剂通道，其表面传热系数可按Klimenko[1982]关联式(不限于此关联式，对应冷却剂的冷却剂相变关联式均可)进行计算：
Figure GDA0003521812980000081
Figure GDA0003521812980000082
b＝[σ/g(ρL-ρV)]0.5
Figure GDA0003521812980000083
Figure GDA0003521812980000084
Pe*＝qb/(hfgρVa)
Kp＝p/[σg(ρL-ρV)]0.5
Figure GDA0003521812980000085
其中a为导温系数；KS:表面无量纲参数；Kp:无量纲无量纲压力；ρL:液态冷却剂密度；ρV:气态冷却剂密度；σ:表面张力；G：质量通量；Pe*:派特莱特数；Bo*:毕涡数；NuL:液态努赛尔数；Nu:努赛尔数；h:冷却剂通道表面传热系数；g:重力加速度；x:干度；cp:比热容；P:压力；hfg：相变潜热。
对于两相冷却剂通道，干度取0～1，设定初始干度，初始干度按照设定精度(如取0.001)进行递增，可得到两相冷却剂通道传热系数随干度的变化情况，把干度从0到1对应的两相冷却剂通道传热系数进行平均，得到两相冷却剂通道平均传热系数htp：
Figure GDA0003521812980000091
其中h是冷却剂通道的表面传热系数，冷却剂通道的表面传热系数h可按Klimenko[1982]关联式求得。
第四步：计算预冷器总传热系数K；
1/K＝1/hair+1/htp+δ/k
其中δ是空气预冷器的空气通道与冷却剂通道之间的间壁厚度，k是空气预冷器的空气通道与冷却剂通道之间的间壁材料的导热系数。
第五步：根据空气预冷器其冷却剂相变前、相变过程中以及相变后的传热平均温差以及换热量，计算空气预冷器的冷热流体平均温差ΔT。
由于冷却剂在换热过程中涉及相变问题，对平均温差影响较大，故需要对平均温差进行重新定义与计算；
对于交叉流动的空气预冷器，其冷热流体平均温差的计算按逆流方式进行计算，其顺、逆流时温度分布情况如图2和3所示。
本发明第五步中，分别确定空气预冷器其冷却剂相变前、相变过程中以及相变后的传热平均温差，对空气预冷器其冷却剂相变前、相变过程中以及相变后的换热量进行加权平均，得到空气预冷器的冷热流体平均温差ΔT，计算公式如下(以逆流为例进行计算，顺流、交叉流动同理可得总平均温差ΔT)：
Figure GDA0003521812980000092
Figure GDA0003521812980000093
Figure GDA0003521812980000094
Figure GDA0003521812980000095
Figure GDA0003521812980000096
Figure GDA0003521812980000101
ΔTmax1＝Tout-Tcoolant-in
ΔTmin1＝Tair-1-Tcoolant-sat
Figure GDA0003521812980000102
Figure GDA0003521812980000103
ΔTmax2＝Tair-2-Tcoolant-sat
ΔTmin2＝Tair-in-Tout
其中Q1、Q2、Q3分别为相变前、相变过程中、相变后的换热量；mcoolant、mair分别为冷却剂流量、空气流量；cp，L、cp，g、cp，air分别为液态冷却剂比热容、气态冷却剂比热容和空气比热容；Tair-in、Tair-out分别为空气进口温度、空气出口温度；Tcoolant-in、Tcoolant-out分别为冷却剂进口温度、冷却剂出口温度；Tcoolant-sat为冷却剂相变温度；ΔTm1、ΔTm2、ΔTm3分别为相变前、相变过程中、相变后的传热平均温差；ΔTmax1、ΔTmin1分别为相变前的温差最大、最小值；ΔTmax2、ΔTmin2分别为相变后的温差最大、最小值；Tair-1、Tair-2分别是冷却剂相变开始时刻以及相变结束时刻对应的空气温度。
对于前面提到的第三种情况，冷却剂(气态)出口温度与空气出口温度相同(理想情况下)，对于给定的空气进口流量，可以得到一个出口温度与冷却剂流量的关系，如图4示例：图4中空气进口流量0.2kg/s，冷却剂为液氮，这对以后的预冷器设计有很强的指导意义。
第六步：根据冷热流体平均温差ΔT，计算有效换热面积A＝Qair/(KΔT)；
根据有效换热面积即可用于确定含相变的空气预冷器的最终结构，适用于多种预冷器形式。
本发明经过技术论证和数值模拟，方案可行。按照换热器分段加权法、冷却剂需求准则进行相变换热器设计，可以最大限度的发挥冷却剂的换热潜力。
在本发明另一实施例中，提供一种含相变的空气预冷器设计方法，其除了包括通过前述七个步骤获得有效换热面积之外，还包括根据空气换热量，确定含相变的空气预冷器在给定空气流量下对应的临界冷却剂流量，其中临界冷却剂流量是指空气预冷器的冷却剂足量，冷却剂完全汽化为氮气，空气刚好冷却到冷却剂相变温度，记此时的冷却剂流量为该给定空气流量下对应的临界冷却剂流量，计算公式如下
Qair＝maircp,airΔTair；
Qair＝Qcoolant；
Qcoolant＝mcoolantcp,coolant-L(Tcoolant-sat-Tcoolant-in)+mcoolanthfg；
其中Qair表示空气换热量；mair表示给定的空气流量；cp,air表示空气比热容；Qcoolant表示冷却剂换热量；mcoolant表示冷却剂流量(待求)；cp,coolant-L表示冷却剂液态时比热容；Tcoolant-in表示冷却剂进口温度；Tcoolant-sat表示给定冷却剂进口压力下的冷却剂相变温度；hfg表示给定冷却剂进口压力下的冷却剂相变潜热。
在本发明另一实施例中，提供一种含相变的空气预冷器设计方法，其除了包括通过前述七个步骤获得有效换热面积之外，还包括根据给定空气流量，确定不同的冷却剂流量与空气出口温度的对应关系，方法如下：
Qair＝maircp,airΔTair；
Qair＝Qcoolant；
Qcoolant＝mcoolantcp,coolant-L(Tcoolant-sat-Tcoolant-in)+mcoolanthfg；
ΔTair＝Tair-in-Tair-out；
联立以上四个公式，得到不同的冷却剂流量mcoolant与空气出口温度Tair-out的对应关系。
在本发明另一实施例中，提供一种含相变的空气预冷器设计方法，其除了包括通过前述七个步骤获得有效换热面积之外，还包括根据含相变的空气预冷器的空气温降ΔTair，确定含相变的空气预冷器在给定空气流量下对应的理想冷却剂流量，其中理想冷却剂流量是指空气预冷器的冷却剂适量，冷却剂完全汽化为氮气，氮气进一步升温，氮气出口温度等于空气出口温度，记此时的冷却剂流量为该给定空气流量下对应的理想冷却剂流量，理想冷却剂流量小于临界冷却剂流量；计算方法如下：
Qair＝maircp,airΔTair；
Qair＝Qcoolant；
Qcoolant＝mcoolantcp,coolant-L(Tcoolant-sat-Tcoolant-in)+mcoolanthfg+mcoolantcp,coolant-g(Tcoolant-out-Tcoolant-sat)；
ΔTair＝Tair-in-Tair-out；
Tair-out＝Tcoolant-out；
其中cp,coolant-g表示冷却剂液态时比热容；
联立以上五个公式，所求得的mcoolant为理想冷却剂流量。
在本发明一实施例中提出一种含相变的空气预冷器设计装置，包括：
输入模块，用于确定空气进口温度、压力和流量以及冷却剂进口温度以及压力，确定含相变的空气预冷器的空气温降ΔTair；
第一计算模块，用于根据空气流量、空气比热容以及空气温降得到空气换热量；
第二计算模块，用于确定空气通道的表面传热系数hair、冷却剂通道的表面传热系数h以及两相冷却剂通道平均传热系数htp；
第三计算模块，用于计算预冷器总传热系数K；
1/K＝1/hair+1/htp+δ/k
其中δ是空气预冷器的空气通道与冷却剂通道之间的间壁厚度，k是空气预冷器的空气通道与冷却剂通道之间的间壁材料的导热系数；
第四计算模块，用于根据空气预冷器其冷却剂相变前、相变过程中以及相变后的传热平均温差以及换热量，计算空气预冷器的冷热流体平均温差ΔT；
第五计算模块，用于根据冷热流体平均温差ΔT，计算有效换热面积A＝Qair/(KΔT)；
输出模块，输出用于确定含相变的空气预冷器的最终结构的有效换热面积。
在本发明另一实施例中，含相变的空气预冷器设计装置还包括第六计算模块，用于根据空气换热量，确定含相变的空气预冷器在给定空气流量下对应的临界冷却剂流量，其中临界冷却剂流量是指空气预冷器的冷却剂足量，冷却剂完全汽化为氮气，空气刚好冷却到冷却剂相变温度，记此时的冷却剂流量为该给定空气流量下对应的临界冷却剂流量。
在本发明另一实施例中，含相变的空气预冷器设计装置还包括第七计算模块，用于根据给定空气流量，确定不同的冷却剂流量与空气出口温度的对应关系。
在本发明另一实施例中，含相变的空气预冷器设计装置还包括第八计算模块，用于根据含相变的空气预冷器的空气温降ΔTair，确定含相变的空气预冷器在给定空气流量下对应的理想冷却剂流量，其中理想冷却剂流量是指空气预冷器的冷却剂适量，冷却剂完全汽化为氮气，氮气进一步升温，氮气出口温度等于空气出口温度，记此时的冷却剂流量为该给定空气流量下对应的理想冷却剂流量，理想冷却剂流量小于临界冷却剂流量。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.含相变的空气预冷器设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：给定空气进口温度、压力和流量以及冷却剂进口温度以及压力，给定含相变的空气预冷器的空气温降ΔTair；
第二步：根据空气流量、空气比热容以及空气温降得到空气换热量Qair＝maircp,airΔTair，其中Qair表示空气换热量；mair表示给定的空气流量；cp,air表示空气比热容；
第三步：确定空气通道的表面传热系数hair、冷却剂通道的表面传热系数h以及两相冷却剂通道平均传热系数htp；
第四步：计算预冷器总传热系数K；
1/K＝1/hair+1/htp+δ/k
其中δ是空气预冷器的空气通道与冷却剂通道之间的间壁厚度，k是空气预冷器的空气通道与冷却剂通道之间的间壁材料的导热系数；
第五步：根据空气预冷器其冷却剂相变前、相变过程中以及相变后的传热平均温差以及换热量，计算空气预冷器的冷热流体平均温差ΔT；
第六步：根据冷热流体平均温差ΔT，计算有效换热面积A＝Qair/(KΔT)；
第七步：根据有效换热面积即可用于确定含相变的空气预冷器的最终结构。
2.根据权利要求1所述的含相变的空气预冷器设计方法，其特征在于，还包括根据空气换热量，确定含相变的空气预冷器在给定空气流量下对应的临界冷却剂流量，其中临界冷却剂流量是指空气预冷器的冷却剂足量，冷却剂完全汽化为氮气，空气刚好冷却到冷却剂相变温度，记此时的冷却剂流量为该给定空气流量下对应的临界冷却剂流量；
Qair＝maircp,airΔTair；
Qair＝Qcoolant；
Qcoolant＝mcoolantcp,coolant-L(Tcoolant-sat-Tcoolant-in)+mcoolanthfg；
其中Qair表示空气换热量；mair表示给定的空气流量；cp,air表示空气比热容；Qcoolant表示冷却剂换热量；mcoolant表示冷却剂流量；cp,coolant-L表示冷却剂液态时比热容；Tcoolant-in表示冷却剂进口温度；Tcoolant-sat表示给定冷却剂进口压力下的冷却剂相变温度；hfg表示给定冷却剂进口压力下的冷却剂相变潜热。
3.根据权利要求1所述的含相变的空气预冷器设计方法，其特征在于，还包括根据给定空气流量，确定不同的冷却剂流量与空气出口温度的对应关系；
Qair＝maircp,airΔTair；
Qair＝Qcoolant；
Qcoolant＝mcoolantcp,coolant-L(Tcoolant-sat-Tcoolant-in)+mcoolanthfg；
ΔTair＝Tair-in-Tair-out；
联立以上四个公式，得到不同的冷却剂流量mcoolant与空气出口温度Tair-out的对应关系，其中Qcoolant表示冷却剂换热量；mcoolant表示冷却剂流量；cp,coolant-L表示冷却剂液态时比热容；Tcoolant-in表示冷却剂进口温度；Tcoolant-sat表示给定冷却剂进口压力下的冷却剂相变温度；hfg表示给定冷却剂进口压力下的冷却剂相变潜热；Tair-in表示空气进口温度。
4.根据权利要求1所述的含相变的空气预冷器设计方法，其特征在于，还包括根据含相变的空气预冷器的空气温降ΔTair，确定含相变的空气预冷器在给定空气流量下对应的理想冷却剂流量，其中理想冷却剂流量是指空气预冷器的冷却剂适量，冷却剂完全汽化为氮气，氮气进一步升温，氮气出口温度等于空气出口温度，记此时的冷却剂流量为该给定空气流量下对应的理想冷却剂流量，理想冷却剂流量小于临界冷却剂流量；
Qair＝maircp,airΔTair；
Qair＝Qcoolant；
Qcoolant＝mcoolantcp,coolant-L(Tcoolant-sat-Tcoolant-in)+mcoolanthfg+mcoolantcp,coolant-g(Tcoolant-out-Tcoolant-sat)；
ΔTair＝Tair-in-Tair-out；
Tair-out＝Tcoolant-out；
其中Qcoolant表示冷却剂换热量；mcoolant表示冷却剂流量；cp,coolant-L表示冷却剂液态时比热容；Tcoolant-in表示冷却剂进口温度；Tcoolant-sat表示给定冷却剂进口压力下的冷却剂相变温度；hfg表示给定冷却剂进口压力下的冷却剂相变潜热；Tair-in表示空气进口温度；Tcoolant-out表示冷却剂出口温度；cp,coolant-g表示冷却剂液态时比热容；
联立以上五个公式，所求得的mcoolant为理想冷却剂流量。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的含相变的空气预冷器设计方法，其特征在于，第三步中空气通道的表面传热系数hair通过下式求得：
Figure FDA0003534285700000031
其中，Reair和Prair分别为空气通道的雷诺数和普朗特数。
6.根据权利要求5所述的含相变的空气预冷器设计方法，其特征在于，第三步中两相冷却剂通道平均传热系数htp通过以下方法求得：
对两相冷却剂通道，干度取0～1，设定初始干度，初始干度按照设定精度进行递增，得到两相冷却剂通道传热系数随干度的变化情况，把干度从0到1对应的两相冷却剂通道传热系数进行平均，得到两相冷却剂通道平均传热系数htp：
Figure FDA0003534285700000032
其中h是冷却剂通道的表面传热系数。
7.根据权利要求1、2、3、4或6所述的含相变的空气预冷器设计方法，其特征在于，第五步中，先分别确定空气预冷器其冷却剂相变前、相变过程中以及相变后的传热平均温差，然后对空气预冷器其冷却剂相变前、相变过程中以及相变后的换热量进行加权平均，得到空气预冷器的冷热流体平均温差ΔT：
Figure FDA0003534285700000033
Figure FDA0003534285700000034
Figure FDA0003534285700000035
Figure FDA0003534285700000036
Figure FDA0003534285700000041
Figure FDA0003534285700000042
ΔTmax1＝Tout-Tcoolant-in
ΔTmin1＝Tair-1-Tcoolant-sat
Figure FDA0003534285700000043
Figure FDA0003534285700000044
ΔTmax2＝Tair-2-Tcoolant-sat
ΔTmin2＝Tair-in-Tout
其中Q1、Q2、Q3分别为相变前、相变过程中、相变后的换热量；mcoolant、mair分别为冷却剂流量、空气流量；hfg表示给定冷却剂进口压力下的冷却剂相变潜热；cp，L、cp，g、cp，air分别为液态冷却剂比热容、气态冷却剂比热容和空气比热容；Tair-in、Tair-out分别为空气进口温度、空气出口温度；Tcoolant-in、Tcoolant-out分别为冷却剂进口温度、冷却剂出口温度；Tcoolant-sat为冷却剂相变温度；ΔTm1、ΔTm2、ΔTm3分别为相变前、相变过程中、相变后的传热平均温差；ΔTmax1、ΔTmin1分别为相变前的温差最大、最小值；ΔTmax2、ΔTmin2分别为相变后的温差最大、最小值；Tair-1、Tair-2分别是冷却剂相变开始时刻以及相变结束时刻对应的空气温度。
8.含相变的空气预冷器设计装置，其特征在于，包括：
输入模块，用于确定空气进口温度、压力和流量以及冷却剂进口温度以及压力，确定含相变的空气预冷器的空气温降ΔTair；
第一计算模块，用于根据空气流量、空气比热容以及空气温降得到空气换热量；
第二计算模块，用于确定空气通道的表面传热系数hair、冷却剂通道的表面传热系数h以及两相冷却剂通道平均传热系数htp；
第三计算模块，用于计算预冷器总传热系数K；
1/K＝1/hair+1/htp+δ/k
其中δ是空气预冷器的空气通道与冷却剂通道之间的间壁厚度，k是空气预冷器的空气通道与冷却剂通道之间的间壁材料的导热系数；
第四计算模块，用于根据空气预冷器其冷却剂相变前、相变过程中以及相变后的传热平均温差以及换热量，计算空气预冷器的冷热流体平均温差ΔT；
第五计算模块，用于根据冷热流体平均温差ΔT，计算有效换热面积A＝Qair/(KΔT)；
输出模块，输出用于确定含相变的空气预冷器的最终结构的有效换热面积。
9.根据权利要求8所述的含相变的空气预冷器设计装置，其特征在于，还包括：
第六计算模块，用于根据空气换热量，确定含相变的空气预冷器在给定空气流量下对应的临界冷却剂流量，其中临界冷却剂流量是指空气预冷器的冷却剂足量，冷却剂完全汽化为氮气，空气刚好冷却到冷却剂相变温度，记此时的冷却剂流量为该给定空气流量下对应的临界冷却剂流量；
第七计算模块，用于根据给定空气流量，确定不同的冷却剂流量与空气出口温度的对应关系；
第八计算模块，用于根据含相变的空气预冷器的空气温降ΔTair，确定含相变的空气预冷器在给定空气流量下对应的理想冷却剂流量，其中理想冷却剂流量是指空气预冷器的冷却剂适量，冷却剂完全汽化为氮气，氮气进一步升温，氮气出口温度等于空气出口温度，记此时的冷却剂流量为该给定空气流量下对应的理想冷却剂流量，理想冷却剂流量小于临界冷却剂流量。
10.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1、2、3、4或6所述的含相变的空气预冷器设计方法的步骤。
11.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1、2、3、4或6所述的含相变的空气预冷器设计方法的步骤。
CN202110719183.2A 2021-06-28 2021-06-28 含相变的空气预冷器设计方法、装置、计算机系统及存储介质 Active CN113283199B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110719183.2A CN113283199B (zh) 2021-06-28 2021-06-28 含相变的空气预冷器设计方法、装置、计算机系统及存储介质

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110719183.2A CN113283199B (zh) 2021-06-28 2021-06-28 含相变的空气预冷器设计方法、装置、计算机系统及存储介质

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113283199A CN113283199A (zh) 2021-08-20
CN113283199B true CN113283199B (zh) 2022-04-22

Family

ID=77285811

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110719183.2A Active CN113283199B (zh) 2021-06-28 2021-06-28 含相变的空气预冷器设计方法、装置、计算机系统及存储介质

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113283199B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114151188B (zh) * 2021-12-06 2023-11-03 中国空气动力研究与发展中心空天技术研究所 一种发动机进口空气冷却方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001174099A (ja) * 1999-12-13 2001-06-29 Tokyo Gas Co Ltd 熱交換器、再生器及び吸収冷温水機
AU2006205731A1 (en) * 2005-01-14 2006-07-20 Alfa Laval Vicarb Optimisation of a chemical reaction in an open plate-type reactor
CN101368767A (zh) * 2007-04-29 2009-02-18 东北电力大学 采用并联正、逆制冷循环的工质的间接空气冷却方法和系统
CN106548812A (zh) * 2016-11-25 2017-03-29 中国核动力研究设计院 一种换热器、反应堆模拟系统及其最大最小非能动运行能力的试验方法
CN108846205A (zh) * 2018-06-15 2018-11-20 中国矿业大学 一种固-液相变储热器的快速性能计算、预测方法及储热器设计方法
CN111274747A (zh) * 2020-02-28 2020-06-12 西安交通大学 运动条件下核动力系统管壳式换热器数值模型建立方法
CN112562879A (zh) * 2020-12-03 2021-03-26 东北大学 一种基于核能的能源梯级利用多元供能系统

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110120693A1 (en) * 2006-07-14 2011-05-26 Az Evap, Llc Integrated evaporative cooler and flat plate air to air heat exchanger
WO2014150004A1 (en) * 2013-03-15 2014-09-25 Olive Tree Patents 1 Llc Thermal recovery system and method

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001174099A (ja) * 1999-12-13 2001-06-29 Tokyo Gas Co Ltd 熱交換器、再生器及び吸収冷温水機
AU2006205731A1 (en) * 2005-01-14 2006-07-20 Alfa Laval Vicarb Optimisation of a chemical reaction in an open plate-type reactor
CN101368767A (zh) * 2007-04-29 2009-02-18 东北电力大学 采用并联正、逆制冷循环的工质的间接空气冷却方法和系统
CN106548812A (zh) * 2016-11-25 2017-03-29 中国核动力研究设计院 一种换热器、反应堆模拟系统及其最大最小非能动运行能力的试验方法
CN108846205A (zh) * 2018-06-15 2018-11-20 中国矿业大学 一种固-液相变储热器的快速性能计算、预测方法及储热器设计方法
CN111274747A (zh) * 2020-02-28 2020-06-12 西安交通大学 运动条件下核动力系统管壳式换热器数值模型建立方法
CN112562879A (zh) * 2020-12-03 2021-03-26 东北大学 一种基于核能的能源梯级利用多元供能系统

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Flow and Heat Transfer Experimental Investigation and Numerical Simulation of Single-Phase Liquid Nitrogen in Micro-Tube at Low Temperature and High Pressure;Liu K X 等;《Journal of Nanoelectronics and Optoelectronics》;20180630;第886-896页 *
SABRE空气预冷器流动与换热数值研究;魏鑫 等;《火箭推进》;20191015;第1-10页 *
空气预冷发动机及微小通道流动传热研究综述;汪元 等;《宇航学报》;20160131;第11-20页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN113283199A (zh) 2021-08-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zohuri Compact heat exchangers
CN113283199B (zh) 含相变的空气预冷器设计方法、装置、计算机系统及存储介质
Zubair et al. Second-law-based thermoeconomic optimization of two-phase heat exchangers
Fan et al. General and unique issues at multiple scales for supercritical carbon dioxide power system: A review on recent advances
Lei et al. Computational and experimental investigation of condensation flow patterns and heat transfer in parallel rectangular micro-channels
Awad et al. Thermodynamic optimization
Yang et al. Experimental investigation on the heat transfer behavior of water in offset strip fin channels
Chen et al. Dynamic characteristics of an integrated cooling system comprising vapor compression and thermosyphon loop for electronics cooling
Park et al. An improved numerical analysis of the transient oil de-congealing process in a heat exchanger under low temperature conditions
Sanaye et al. Thermal modeling of mini-channel and laminated types evaporator in mobile air conditioning system
Minazzo et al. Air-Cooled Closed Loop Thermosyphon Cooling System Experimental Campaign: Effects of Working Fluid, Heat Load and Air Flow Rate
du Plessis et al. An experimental investigation of the air-side pressure drop through a bare tube bundle
Darici et al. Determination of heat transfer rate & pressure drop performance of an intercooler for heavy duty engines
Qureshi et al. Effect of Water Cost on Optimal Control of a Chiller Plant with Variable-Speed Cooling Tower Fans.
Yang et al. Comparative Numerical Study on Global Heat Transfer Process in Micro-Channel Gas Coolers with Different Structures
Efimov-Soini et al. Method of the Finned Pipe Heat Exchanger Modelling using Porous Medium
Paeng et al. Theoretical and numerical analyses of a ceramic monolith heat exchanger
Amalfi et al. Flow Boiling and Condensation Within an Ultra-Compact Microchannel Heat Exchanger
Salim et al. A Study of a Heat Exchanger Sizing of a Gas Turbine Inlet Air Cooling for Power Enhancement
Liu et al. Experimental study of a novel in-tube spray evaporative condenser for geothermal power generation
Xu et al. Finite Element Analysis and Experimental Study on the Thermal Resistance Characteristics of Motor Coolers.
Korzeń et al. Mathematical modeling of unsteady response of plate and fin heat exchanger to sudden change in liquid flow rate
Berman et al. Intensification of the heat-transfer process in an air-cooled plate-ribbed heat exchanger
Guo et al. Experimental Study on the Frosting and Heat Transfer Performance of Three Rows of Variable Pitch Finned Coils
Tomić et al. The analysis of the matrix heat exchanger effectiveness

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant