CN117113564A - 一种分段板式换热器设计方法 - Google Patents

一种分段板式换热器设计方法 Download PDF

Info

Publication number
CN117113564A
CN117113564A CN202311057129.1A CN202311057129A CN117113564A CN 117113564 A CN117113564 A CN 117113564A CN 202311057129 A CN202311057129 A CN 202311057129A CN 117113564 A CN117113564 A CN 117113564A
Authority
CN
China
Prior art keywords
heat exchange
heat exchanger
exchange unit
temperature
temperature difference
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.)
Pending
Application number
CN202311057129.1A
Other languages
English (en)
Inventor
闫东阳
马光宇
李卫东
张炎
孟迪
孙守斌
刘常鹏
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.)
Angang Steel Co Ltd
Original Assignee
Angang Steel Co Ltd
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 Angang Steel Co Ltd filed Critical Angang Steel Co Ltd
Priority to CN202311057129.1A priority Critical patent/CN117113564A/zh
Publication of CN117113564A publication Critical patent/CN117113564A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/17—Mechanical parametric or variational design
    • 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
    • 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

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Abstract

本发明涉及一种分段板式换热器设计方法，根据冷流体的进出口温度来进行分段，根据温差将换热器分为多段换热单元进行计算，这样可以精确设计各换热单元的结构来满足每段换热单元的换热需求，同时控制板式换热器的体积、压损等参数。可以实现换热器的精细调控，减少换热器的体积，降低换热器的制造成本，降低压损。

Description

一种分段板式换热器设计方法
技术领域
本发明属于涉及换热器技术领域，涉及一种分段板式换热器设计方法。
背景技术
板式换热器作为高效、紧凑、节能的换热设备，已经被广泛应用于化工、医药、食品、电力、机械、供暖、船舶等行业。有些领域，比如航空航天、核能等，对换热器的换热效率、体积等参数要求非常的高，这就需要换热器局部的精细计算。
发明专利CN113742999A公布了一种印刷电路板式换热器的设计方法及装置，该基于换热器的设计换热量和运行条件以及单个肋片的换热面积，确定换热器板片包括的所述肋片的数量；基于人工鱼群算法，确定各所述肋片的位置；基于所述换热器板片的形状特征及所述运行条件，确定各所述肋片的方向。该专利只给出了板式换热器肋片的设计方法，没有考虑板式换热器的整体设计，设计的换热器仍为均匀结构，设计的准确度还是较差。
文章“组合型板翅式换热器热力设计软件的开发”，以Visual Basic6.0为系统开发平台，结合Access建立不同条件下多种流体的物性数据库，利用对数平均温差法设计开发出一套具有可视化操作界面的板翅式换热器热力设计软件。该温差采用对数温差法，采用的整体设计，并没有均匀分段计算，很多结构参数还是人为确定，计算时间较长，换热器设计精确度低。
本发明针对现有的板式换热器设计方法的缺点，提出一种分段板式换热器设计方法，减少人为干预，提高换热器设计的准确度，优化换热器的结构，设计出来的换热器体积小、成本低、换热效率高且流体的压力损失低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种分段板式换热器设计方法，解决了板式换热器热力设计不精确问题。通过温差分段的方法，精确完成了各换热单元的结构参数设计，提升了板式换热器的设计精度，降低换热器的体积，减少换热器的质量，节省制造成本，降低流体压损。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种分段板式换热器设计方法，包括以下步骤：
1)根据冷流体的温差的大小分为n个换热计算单元，当温差小于等于200℃时，以10℃-20℃为一段换热单元；温差大于200℃小于等于400℃时，以20℃-30℃时为一段换热单元；当温差大于400℃时，以20-25段为目标，均匀的将温差划分；
2)给出板式换热器计算参数：冷热流体进口温度Tlin、Thin预期冷流体出口温度Tlout；
3)板式换热器为印刷电路板式换热器，确定其结构参数，包括管径、各换热单元的节距J、偏转角α、长度、强化换热结构及数量；强化换热结构为固定于管壁内外的翅片；
4)求出冷流体进出口温差△t＝Tlout-Tlin，根据温差，分为n个换热单元；根据温差求出各换热单元的冷流体进口温度Tnlin、冷流体出口温度Tnlout；根据热力学第一定律：
Q1＝mcp△tn
求出换热单元的换热量Q1，m为流体质量速度，cp为比热容，△tn为换热单元冷流体进出口温差；
已知热流体进口温度Tnhin，假设热流体出口温度Tjhin，求出相应的比热容cjp；然后根据换热量Q1，比热容cjp，和热流体质量流量mh，求出热流体出口的计算温度Tnhin，然后求出热流体出口的计算温度Tnhin与假设热流体出口温度Tjhin差值的绝对值，如果绝对值小于2，则认为Tnhin＝Tjhin，确定热流体的出口温度为Tnhin；如果绝对值大于2，使假设的热流体出口温度为两个温度的平均值，然后重复上述计算，直到绝对值小于2；
5)对于印刷电路板式换热器，根据节距J、偏转角α求出Nu数和阻力系数f，公式为：
Nu＝0.397*雷诺数^0.54*(节距/管径)^0.97*(偏转角/360)^-0.67；
f＝9.92*雷诺数^-0.63*(节距/管径)^0.23*(偏转角/360)^-0.45；
然后求取换热系数δ，根据求出的冷热流体进出口温度，采用对数平均温差法求出温度Tc，假设换热单元长度Ljn，求出换热面积A；
根据传热方程：
Q2＝AδTc
判断管长Ljn是否满足换热量Q1与Q2误差在3％以内，如果满足则Ljn为该管换热单元长度；如果不满足，则对假设管长Ljn进行调整，如果Q1>Q2，则令Ljn＝Ljn+0.01，如果Q1<Q2，则令Ljn＝Ljn-0.01，直到满足换热量值，则确定该换热单元管长为Ljn；
5)重复上述步骤，直至求出n个换热单元各自管长，输出每一段换热单元长度及各换热单元结构参数，完成板式换热器结构布局；
6)然后求出相应的体积、重量、压损参数，根据多目标优化原则判断设计的换热器是否满足设计需求，如果不满足设计需求，则调整各换热单元结构参数，直至符合多目标优化原则。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出一种分段板式换热器设计方法，由于板式换热器为逆流式换热器，所以根据冷流体的进出口温度来进行分段，根据温差将换热器分为多段换热单元进行计算，这样可以精确设计各换热单元的结构来满足每段换热单元的换热需求，同时控制板式换热器的体积、压损等参数。可以实现换热器的精细调控，减少换热器的体积，降低换热器的制造成本，降低压损。
附图说明
图1是本发明计算流程图。
图2板式换热管分段计算结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步说明，以下实施例用于具体说明本发明内容，这些实施例仅为本发明内容的一般描述，并不对本发明内容进行限制。
见图1、图2，一种分段板式换热器设计方法，包括以下步骤：
1)为了精准设计板式换热器，提出根据冷流体温差进行分段计算的方法。根据冷流体的温差的大小分为n个换热计算单元，为了达到计算精准的目的，当温差小于等于200℃时，以10℃-20℃为一段换热单元；温差大于200℃小于等于400℃时，以20℃-30℃时为一段换热单元；当温差大于400℃时，以20-25段为目标，均匀的将温差划分；板式换热器进行分段设计计算。实现换热器的精细调控，减少换热器的体积，降低换热器的制造成本，降低压强损；
2)给出板式换热器计算参数：冷热流体进口温度Tlin、Thin预期冷流体出口温度Tlout；
3)板式换热器为印刷电路板式换热器，确定其结构参数，包括管径、各换热单元的节距、偏转角、长度、管壁内外固定的翅片及翅片数量；
4)求出冷流体进出口温差△t＝Tlout-Tlin，根据温差，分为n个换热单元；根据温差求出各换热单元的冷流体进出口温度Tnlin、Tnlout；根据热力学第一定律：
Q1＝mcp△tn
求出换热单元的换热量Q1，m为流体质量速度，cp为比热容，△tn为换热单元冷流体进出口温差；已知热流体进口温度Tnhin，假设热流体出口温度Tjhin，求出相应的比热容cjp；然后根据换热量Q1，比热容cjp，和热流体质量流量mh，求出热流体出口的计算温度Tnhin，然后求出热流体出口的计算温度Tnhin与假设热流体出口温度Tjhin差值的绝对值，如果绝对值小于2，则认为Tnhin＝Tjhin，确定热流体的出口温度为Tnhin；如果绝对值大于2，使假设的热流体出口温度为两个温度的平均值，然后重复上述计算，直到绝对值小于2；
5)然后根据确定的节距和偏转角求出Nu数和阻力系数f，公式为：
Nu＝0.397*雷诺数^0.54*(节距/管径)^0.97*(偏转角/360)^-0.67；
f＝9.92*雷诺数^-0.63*(节距/管径)^0.23*(偏转角/360)^-0.45；
然后求取换热系数δ，根据求出的冷热流体进出口温度，采用对数平均温差法求出温度Tc，假设换热单元长度Ljn，求出换热面积A；
根据传热方程：
Q2＝AδTc
判断管长Ljn是否满足换热量Q1与Q2误差在3％以内，如果满足则Ljn为该管换热单元长度；如果不满足，则对假设管长Ljn进行调整，如果Q1>Q2，则令Ljn＝Ljn+0.01，如果Q1<Q2，则令Ljn＝Ljn-0.01，直到满足换热量值，则确定该换热单元管长为Ljn；
5)重复上述步骤，直至求出n个换热单元各自管长，输出每一段换热单元长度及各换热单元结构参数，完成板式换热器结构布局；
6)然后求出相应的体积、重量、压损参数，根据多目标优化原则判断设计的换热器是否满足设计需求，如果不满足设计需求，则调整各换热单元结构参数，直至符合多目标优化原则。
实施例：
基于核能发电换热器的印刷电路板式换热器为例，氦气为热流体，流量为0.00002kg/h，氢气为冷流体，为流量为0.00003kg/h，热流体入口温度为900℃，预期冷流体(空气)出口温度为600℃，氢气体入口温度为200℃，冷流体侧压损不超过2500pa。冷流体温差400℃，为了提高计算精确度，将板式换热器分为20段，每一段温差在20℃。求出每一段的冷流体进出口温差。确定管径为0.06mm，偏转角为15°，节距为25，求出总长度为0.502m。

Claims (3)

1.一种分段板式换热器设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据冷流体的温差的大小分为n个换热计算单元，当温差小于等于200℃时，以10℃-20℃为一段换热单元；温差大于200℃小于等于400℃时，以20℃-30℃时为一段换热单元；当温差大于400℃时，以20-25段为目标，均匀的将温差划分；
2)给出板式换热器计算参数：冷热流体进口温度Tlin、Thin预期冷流体出口温度Tlout；
3)确定结构参数，包括管径、各换热单元的节距、偏转角、长度、强化换热结构及数量；
4)求出冷流体进出口温差△t＝Tlout-Tlin，根据温差，分为n个换热单元；根据温差求出各换热单元的冷流体进口温度Tnlin、冷流体出口温度Tnlout；根据热力学第一定律：
Q1＝mcp△tn
求出换热单元的换热量Q1，m为流体质量速度，cp为比热容，△tn为换热单元冷流体进出口温差；
已知热流体进口温度Tnhin，假设热流体出口温度Tjhin，求出相应的比热容cjp；然后根据换热量Q1，比热容cjp，和热流体质量流量mh，求出热流体出口的计算温度Tnhin，然后求出热流体出口的计算温度Tnhin与假设热流体出口温度Tjhin差值的绝对值，如果绝对值小于2，则认为Tnhin＝Tjhin，确定热流体的出口温度为Tnhin；如果绝对值大于2，使假设的热流体出口温度为两个温度的平均值，然后重复上述计算，直到绝对值小于2；
5)然后根据确定的节距和偏转角求出Nu数和阻力系数f，公式为：
Nu＝0.397*雷诺数^0.54*(节距/管径)^0.97*(偏转角/360)^-0.67；
f＝9.92*雷诺数^-0.63*(节距/管径)^0.23*(偏转角/360)^-0.45；
然后求取换热系数δ，根据求出的冷热流体进出口温度，采用对数平均温差法求出温度Tc，假设换热单元长度Ljn，求出换热面积A；
根据传热方程：
Q2＝AδTc
判断管长Ljn是否满足换热量Q1与Q2误差在3％以内，如果满足则Ljn为该管换热单元长度；如果不满足，则对假设管长Ljn进行调整，如果Q1>Q2，则令Ljn＝Ljn+0.01，如果Q1<Q2，则令Ljn＝Ljn-0.01，直到满足换热量值，则确定该换热单元管长为Ljn；
5)重复上述步骤，直至求出n个换热单元各自管长，输出每一段换热单元长度及各换热单元结构参数，完成板式换热器结构布局；
6)然后求出相应的体积、重量、压损参数，根据多目标优化原则判断设计的换热器是否满足设计需求，如果不满足设计需求，则调整各换热单元结构参数，直至符合多目标优化原则。
2.根据权利要求1所述的一种分段板式换热器设计方法，其特征在于，所述板式换热器为印刷电路板式换热器。
3.根据权利要求1所述的一种分段板式换热器设计方法，其特征在于，所述的强化换热结构为翅片。
CN202311057129.1A 2023-08-22 2023-08-22 一种分段板式换热器设计方法 Pending CN117113564A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311057129.1A CN117113564A (zh) 2023-08-22 2023-08-22 一种分段板式换热器设计方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311057129.1A CN117113564A (zh) 2023-08-22 2023-08-22 一种分段板式换热器设计方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN117113564A true CN117113564A (zh) 2023-11-24

Family

ID=88812156

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202311057129.1A Pending CN117113564A (zh) 2023-08-22 2023-08-22 一种分段板式换热器设计方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN117113564A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. Recent development and application of several high-efficiency surface heat exchangers for energy conversion and utilization
CN110944492B (zh) 液冷流道仿生优化设计方法
Yin et al. Performance analysis of a novel Two-stage automobile thermoelectric generator with the Temperature-dependent materials
CN110610037B (zh) 逆流式回热器热力仿真方法
Xi et al. Study on heat transfer performance of steam-cooled ribbed channel using neural networks and genetic algorithms
Sarmiento et al. Thermal performance of diffusion-bonded compact heat exchangers
CN109766589A (zh) 一种管翅式换热器非均匀迎面风速下性能评价方法
Wang et al. Anti-freezing water flow rates of various sectors for natural draft dry cooling system under wind conditions
CN114385960A (zh) 一种基于能量平均温度的间壁式换热器性能计算方法
CN111428184B (zh) 一种板翅式换热器芯体尺寸计算方法
CN110059372A (zh) 一种基于差分进化算法的管壳式换热器的多目标设计方法
CN117113564A (zh) 一种分段板式换热器设计方法
CN110705047A (zh) 一种带折流板缠绕管式换热器的设计计算方法
Mehregan et al. Thermal and economic optimization of an intercooler of three-stage compressor
CN117113567A (zh) 一种自适应板式换热器设计方法
Chahartaghi et al. Minimization of entransy dissipations of a finned shell and tube heat exchanger
CN117113566A (zh) 一种板式换热器结构推演设计方法
CN113619810B (zh) 基于缩比试验模型进行飞机燃油散热系统缩比试验的方法
CN112035957A (zh) 一种空空中冷器性能预测方法
CN117216891A (zh) 一种管式换热器设计方法
CN117113570A (zh) 一种管长可调叉流式换热器设计方法
CN220456497U (zh) 一种高导热性塑料储能换热器
CN115292846B (zh) 一种基于传热的冷却塔建模方法
CN116680838B (zh) 一种板翅式换热器的传热计算方法
Gu et al. Shell-side flow study and structural optimization of a double helical-like flow heat exchanger

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