CN115859561A - 板式换热器的靶向热阻调控优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种板式换热器的靶向热阻调控优化设计方法，可精确调整换热器局部区域的热阻大小，用于调节换热器局部换热面积，进而提高换热器的热交换效率，同时有效控制换热器壁面温度。该方法包括：A对换热器进行分段式热力设计，获得每个换热单元的初步设计参数；B构建热阻分布网络，对每个网格单元的冷、热侧流向局部对流总热阻、局部对流热阻比、间壁导热热阻进行计算，梳理网络单元间热阻串并联关系；C设立优化目标，采用优化算法开展热阻网络调控，实现对局部对流总热阻、局部对流热阻比的调控，达到最优范围；D计算两侧工质的压力损失，获得最佳参数设计方案。

Description

板式换热器的靶向热阻调控优化设计方法

技术领域

本发明涉及换热器设计领域，特别是一种换热器局部靶向热阻调控优化设计方法。在换热器结构中，可精确调整局部区域的热阻大小，以满足换热器材料、压降等设计需求。

背景技术

换热器是当代工业生产、国防军事、航空航天等领域必不可少的重要设备之一。随着工业发展对换热器重量、体积、紧凑度等要求越发严格，换热器设计裕量越发有限，而要在有限的裕量下达到指标的换热器，需要精准的换热器热力设计方法。目前普遍采用对数平均温差法或效能-传热单元数法等热力设计方法，国内外学者在使用这些方法开展热力设计过程中，往往依据基于集总参数的冷热流体传热过程热阻网络和整体平均热阻，忽略流体热物性流向变化、复杂流道流动不均匀等因素所带来的流向和展向局部热阻变化，导致设计准确度普遍不高，为满足换热需求，往往采取预留足够传热面积裕量(裕量通常在20％以上)的保守设计思路，造成换热器体积、重量和制造成本的增加且常常无法运行在最佳热力状态。因此，有必要改变基于集总参数热阻网络和整体平均热阻的传统热力设计方法，研究考虑局部流向和展向热阻差异的间壁式换热器精准调控设计方法。

专利CN110895635A公开了一种高精度的基于热阻网络的叠层芯片结温预测模型，该模型针对芯片里的各个组件计算热阻，然后代入热阻网络中，再与仿真值进行比较，得到误差以验证模型准确性。然而该方法并未涉及局部热阻调整的方法，且使用范围仅限于芯片，且容易因结构的变化而失效；

专利CN111259596A公开了一种基于有限体积理论的管壳式热交换器全三维耦合模拟方法，该方法对CFD的软件进行了二次开发，通过拼接面方法将二次管侧网格及其二次侧进出口区网格连通。借助用户自定义函数，建立了一二次侧网格间的映射关系；计算热交换器一二次侧网格控制体流场信息，计算对应网格控制体间的换热量；利用CFD软件的用户自定函数将换热量返回给能量方程源项；最后利用CFD软件进行迭代计算。这种设计对局部流场信息的捕捉有较高的精度，但由于CFD软件所需的网格和几何结构固定，该方法不适用于换热器的设计优化；

因此，对于板式换热器，仍然存在局部流向和展向热阻变化而导致的设计结果与实际偏移的问题；此外，由于材料限制，高温换热器在设计时必须考虑局部最极端的温度，以防止换热器损坏。然而，尚未公开一种在总体设计的同时可以控制换热器局部温度、压降以适应材料和工质限制的换热器设计方法。

发明内容

本发明解决上述问题的技术方案是：

提出一种板式换热器的靶向热阻调控优化设计方法，在换热器结构中，可精确调整局部区域的热阻大小，以满足换热器材料、压降等设计需求。包括以下步骤：

A.对换热器进行分段式热力设计，根据换热温差、工质物性确定分段数，获得每个换热单元的初步设计参数；

B.构建热阻分布网络，依均匀设计条件获得每个网格单元两侧工质流量、传热面积、间壁厚度等信息，对每个网格单元的冷、热侧流向局部对流热阻、间壁导热热阻、局部对流热阻比进行计算，梳理网络单元间热阻串并联关系；

C.设立优化目标，采用优化算法开展热阻网络调控，以总换热量最高或温度均匀性最佳为目标，通过至少调整两侧工质流量分配、换热器局部换热面积，局部间壁厚度设计参数，实现对局部对流总热阻、局部对流热阻比的调控，达到最优范围；

D.计算两侧工质的压力损失，若尚未达到目标，则在最优总热阻、热阻比的最优范围内调整设计参数，最终满足所有目标的要求，获得最佳参数设计方案。

优选方案进一步包括如下任一技术特征：

所述步骤C中的设计参数在每次调整过程中，需计算流向局部对流总热阻、局部对流热阻比的偏差，且需对以上偏差的范围进行设定。

所述步骤C中的优化算法包括但不限于粒子群算法、人工神经网络算法、遗传算法目标优化方法，也可采用机器学习等最优目标搜寻方式。

该设计方法采用的局部热阻至少考虑了流量、面积、温度差因素的影响，不限制换热器流体通道形式，适用于逆流换热器、顺流换热器、叉流换热器的设计。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

(1)本发明所提供的换热器热力设计方法，首次在换热器热力设计方法中提出热阻网络的概念，相比于传统换热热力设计方法带来的单一设计结构，更关注换热器中各个局部的换热性能差异，以保证所设计的换热结构在每个局部位置达到最优的换热效果和综合性能。

(2)本发明所提供的换热器热力设计方法，可识别并调整局部热阻以满足换热器在局部材料限制、空间限制等特殊设计需求，进而获得具有局部特定结构的定制换热器设计方案，带来更好的适配性和更高的设计精度。。

附图说明

图1是本发明板式换热器的靶向热阻调控优化设计方法的热阻网络的示意图。

其中：

1.固体壁面；2.导热热阻；3.冷流体；4.热流体；5.对流热阻；

图2是图1虚线框所示的一层换热单元的热阻网络示意图。

图3是图2的热阻网络放大图。

图4是本发明板式换热器的靶向热阻调控优化设计方法的流程图。

图5是本发明板式换热器的靶向热阻调控优化设计方法的叉流换热器芯体结构图。

图6是换热器的冷热流体通道图。

图7是换热器的换热单元示意图。

具体实施方式

下面以板式叉流式换热器为例，对该方法的具体实施方式进行描述。本发明提供的一种板式换热器的靶向热阻调控优化设计方法，可以根据设计需求精准调整特定位置的热阻，以满足换热器材料、压降等限制要求。叉流换热器芯体结构如图5所示，冷热流体通道交替布置，冷热流体流动方向呈90°夹角，换热通道采用矩形通道。具体设计实施方式的步骤如下：

1)、在进行设计时，根据温差，工质物性变化情况，沿冷、热流体流向将换热器分为M×N个换热单元。已知或可以估测以下参数，换热板片采用的材料，热流体与冷流体工质的入口温度T_h与T_c，热流体与冷流体工质的出口温度T'_h与T'_c，热流体与冷流体工质的设计压力P_h与P_c，热流体与冷流体工质的入口质量流量G_h与G_c，热通道和冷通道换热板的厚度δ_h与δ_c，热通道和冷通道换热板的最大长度L_h0与L_c0，换热芯体的总高度H₀。通过设计需要确定热通道和冷通道的换热板长度L_h与L_c，热通道和冷通道的通道数N_h与N_c，热通道和冷通道的当量直径D_h与D_c。如图6所示取一组冷热流体通道为例，对每个换热单元进行热力设计。其中每个单元如图7所示，每个单元由一对交叉流动的冷热流体通道构成，本次设计所选取的一组冷热流体通道是多个单元正交组合而成。单元中热通道长度与高度为l_h与H_h，冷通道长度与高度为l_c与H_c，单元总高度为热通道的通道数H＝H_h+H_c+δ_h+δ_c，根据热通道和冷通道换热板的最大长度L_h0与L_c0，可以得出热通道的通道数M＝L_h0/l_c，冷通道的通道数N＝L_c0/l_h，换热单元层数C＝H₀/H。

2)、构建热阻分布网络。热阻网络示意图如图1所示，其一层换热单元的热阻网络示意图如图2所示，热阻网络图如放大图如图3所示。根据图4所示的流程，由步骤1)获得每个网格单元两侧工质流量G_h,xyz，G_c,xyz，传热面积A_h,xyz，A_c,xyz，间壁厚度δ_xyz，下标xyz表示单元的三维位置。并且该单元入口压力温度等参数与换热器入口相同，因此可以求出该单元的冷热侧流体的雷诺数Re_c,xyz与Re_h,xyz，同时可以得到冷热侧流体的普朗特数Pr_c,xyz与Pr_h,xyz。由于单元尺寸较小，可以认为在该单元通道内雷诺数与普朗特数保持不变，根据对流换热系数与努塞尔数的关系式可求出冷热侧流体的对流换热系数h_h,xyz与h_c,xyz：

其中λ_c,xyz,λ_h,xyz分别为冷、热侧流体的导热系数，Re_c,xyz，Re_h,xyz,，Pr_c,xyz,，Pr_h,xyz分别为冷、热流体的雷诺数和普朗特数，x为特征长度；根据热平衡可算出该单元中间隔板的壁温T_w,xyz，从而可计算出单元冷热侧换热量Q_h,xyz＝A_h,xyzh_h,xyz(T_h,xyz-T_w,xyz)＝A_c,xyzh_c,xyz(T_c,xyz-T_w,xyz)。通过计算得到该单元的局部对流总热阻R_total,xyz＝1/(A_h,xyzh_c,xyz)+1/(A_{c, xyz}h_h,xyz)，间壁导热热阻R_cond,xyz＝δ_xyz/(λA_xyz)(其中λ为换热器所使用材料的导热系数)，进而计算出该单元的总换热系数K_xyz，由公式Q＝K_xyzA_xyzΔT可以得到单的冷热侧换热温差，从而求得该单元冷热侧流体出口温度。用相同的方法可以求出每一个单元的进出口温度，进而可以通过计算得到任意一个单元的局部对流总热阻、间壁导热热阻、局部对流热阻比。每个换热单元的进口参数，是上一个换热单元的出口参数，以此实现整个换热器的联系。

3)、以入口段温度不得超过T_max(焊接材料所能承受的最高温度)为限制条件，以总换热量Q_total＝∑Q_xyz＝∑(K_xyzA_xyzΔT_xyz)最高为优化目标，采用遗传算法算法开展热阻网络调控。其中K_xyz为每个单元中的总换热系数，K_xyz＝1/(1/h_c,xyz(G_c,xyz)+λ/δ_xyz+1/h_h,xyz(G_h,xyz))，以两侧工质流量分配G_c,xyz，G_h,xyz，换热器局部换热面积A_xyz，局部间壁厚度δ_xyz为优化参数，调整热阻网络布局。调整工质流量分配的方式为修改通道截面积；修改换热面积的方式为在通道内增加或减少扰流部件。温度均匀性的评价方法为：

该数值越小，则换热器温度均匀性越好。其中/>

为换热器的平均温度。以该指标作为优化目标，即可得到温度均匀性最好的设计结果。

4)、计算冷侧工质的压力损失ΔP_c＝∑ΔP_c,xyz，热侧工质压力损失ΔP_h＝∑ΔP_h,xyz，若尚未达到目标，则继续调整设计参数，最终满足所有目标的要求，获得最佳参数设计方案。设计参数在每次调整过程中，需计算网络单元流向局部对流总热阻偏差

及局部对流热阻比的偏差/>

其中t，t-1分别代表本次迭代和上一步迭代结果。设定一个范围y＝10％，如果ΔR_total或ΔR_ratio大于该误差，则说明设计参数调整不当，热阻增大过多，继续调整，直到压力和热阻均满足要求。

优选的，所述步骤4)中的设计参数在每次调整过程中，需计算流向局部对流总热阻、局部对流热阻比的偏差，且需对以上偏差的范围进行设定。

优选的，所述步骤3)中的优化算法包括但不限于粒子群算法、人工神经网络算法、遗传算法等目标优化方法，也可采用机器学习等最优目标搜寻方式。

优选的，该方法采用的局部热阻考虑了流量、面积、温度差等因素的影响，不限制换热器流体通道形式，适用于逆流换热器、顺流换热器、叉流换热器的设计。

本发明的实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (4)

1.一种板式换热器的靶向热阻调控优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.对换热器进行分段式热力设计，根据换热温差、工质物性确定分段数，获得每个换热单元的初步设计参数；

B.构建热阻分布网络，依均匀设计条件获得每个网格单元两侧工质流量、传热面积、间壁厚度信息，对每个网格单元的冷、热侧流向局部对流总热阻、局部对流热阻比、间壁导热热阻进行计算，梳理网络单元间热阻串并联关系；

C.设立优化目标，采用优化算法开展热阻网络调控，以总换热量最高或温度均匀性最佳为目标，通过至少调整两侧工质流量分配、换热器局部换热面积，局部间壁厚度设计参数，实现对局部对流总热阻、局部对流热阻比的调控，达到最优范围；

D.计算两侧工质的压力损失，若尚未达到目标，则在最优总热阻、热阻比的最优范围内调整设计参数，最终满足所有目标的要求，获得最佳参数设计方案。

2.根据权利要求1所述的一种板式换热器的靶向热阻调控优化设计方法，其特征在于：所述步骤C中的设计参数在每次调整过程中，需计算流向局部对流总热阻、局部对流热阻比的偏差，且需对以上偏差的范围进行设定。

3.根据权利要求1所述的一种板式换热器的靶向热阻调控优化设计方法，其特征在于：所述步骤C中的优化算法包括但不限于粒子群算法、人工神经网络算法、遗传算法目标优化方法，也可采用机器学习最优目标搜寻方式。

4.根据权利要求1所述的一种板式换热器的靶向热阻调控优化设计方法，其特征在于：该方法采用的局部热阻至少考虑了流量、面积、温度差因素的影响，不限制换热器流体通道形式，适用于逆流换热器、顺流换热器、叉流换热器的设计。

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