[發明專利]基于體積最小化的翹式換熱器設計方法及裝置

有效

• 申請號: 201810245805.0
• 申請日: 2018-03-23
• 公開（公告）號: CN108595761B
• 公開（公告）日: 2021-11-16
• 發明（設計）人: 朱偉平;龔領會;徐鵬;王坤祥;鄒龍輝;賈啟明;李金峰
• 申請（專利權）人: 中國科學院理化技術研究所
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/27;G06F30/28;G06N3/12;G06F113/08;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 深圳市科進知識產權代理事務所(普通合伙) 44316
• 代理人: 趙勍毅

本發明涉及一種基于體積最小化的翹式換熱器設計方法及裝置，該設計方法包括：確定各股流所用的翅片尺寸；計算出各股流的焓變，根據各股流的焓變確定各股流的通道數；確定各股流的有效寬度；根據各股流的有效寬度、質量流量、翅片尺寸和通道數，并鏈接物性數據庫，計算出各股流的換熱系數，并初步確定各股流的有效長度和各股流的所得壓損；計算各股流預設的允許壓損與所得壓損的比值，根據各比值中的最小值修正各股流的通道數，直到為預設值時，最終確定各股流的有效長度。該設計方法及裝置只需輸入換熱器內各股流的質量流量，進出口及抽氣點的溫度和壓力等相關參數，即可設計出體積小、重量輕并滿足其效能和壓損要求的換熱器。

技術領域

本發明涉及換熱器領域，具體而言，涉及一種基于體積最小化的翹式換熱器設計方法及裝置。

背景技術

近年來在諸多領域對低溫制冷系統的需求增長迅速，目前的低溫制冷裝置已應用于航空航天、核能利用、醫療儀器、基礎物理研究等領域并在其中起到重要作用。低溫板翅式換熱器作為低溫制冷系統的關鍵部件，其體積直接決定了低溫冷箱的體積從而關系到整個低溫制冷系統的體積。若換熱器體積過大，則整個低溫冷箱乃至整個低溫制冷系統的體積必然過大，從而給整個系統的運輸、安裝與調試帶來諸多不便，而當前我國所設計的低溫制冷機和液化器所存在的問題恰恰是冷箱體積過大，如我國在2010年研制的每小時產液量為40L的L40氦液化器冷箱體積比德國40年前生產的L140氦液化器冷箱體積還大，如圖1所示。因此在滿足效能和壓損的條件下設計出盡可能小的換熱器就成為了低溫制冷系統設計的關鍵技術問題之一。

目前已有的換熱器優化設計方法，包括熵產分析方法、火用分析法、火積耗散分析法、場協同分析法、J/f比值法(或J/f1/3比值法)等，均是從使換熱器的物理性能即使換熱器擁有更大的效能和更小的壓損入手，用這樣的優化方法設計換熱器可提高低溫制冷系統的制冷量或液化率，而實際的低溫制冷系統設計中，制冷量或液華率是給定的，因而流程中各換熱器的效能和壓損要求也是給定的，單純增加換熱器的效能、減小換熱器的壓損并沒有意義(甚至片面追求換熱器效能會使透平入口溫度降低，從而使透平因脫離設計工況而效率降低，從而使整機效率降低)，而是要在滿足流程給定的換熱器效能和壓損條件下設計出體積最小的換熱器，因而迫切要求提出一種新的、基于體積最小化的結構優化方法。

目前已有的換熱器設計軟件，包括Muse(Aspen-Platefin)、Fluent(Anasys-Fluent)、COMSOL等，其中比較專業的軟件是Muse，而其他多為流體力學和傳熱學計算軟件。對于流體力學和傳熱學計算軟件，需要人為給定換熱器的工質、流量、進口參數和結構尺寸，算出換熱器的出口參數和換熱器內溫度、壓力分布，這實際是一種校核計算軟件；對于Muse等換熱器專業設計軟件，雖然可根據所需流程參數直接設計換熱器，但采用的方法是常規設計法或者熵產優化法等而不是根據基于體積最小化的優化方法設計的，因此所設計出的并不是滿足流程要求條件下體積最小的換熱器。更重要的是Muse等換熱器設計軟件是針對常溫和高溫工況設計的，其針對的條件是物性參數特別是密度和比熱隨溫度變化相對比較平緩的條件，到了低溫條件特別是20K以下，密度、比熱等物性參數隨溫度變化劇烈的時候，Muse軟件直接報錯，其設計準確度無法保證。

因此，迫切需要提出一種新的，基于體積最小化的結構優化方法并據此設計出一款新的低溫板翅式換熱器優化設計軟件，以實現低溫制冷和液化系統中真空冷箱內低溫板翅式換熱器的體積最小化設計。

發明內容

本發明實施例提供了一種基于體積最小化的翹式換熱器設計方法及裝置，以至少解決現有換熱器無法滿足體積小、重量輕并符合效能和壓損要求的技術問題。

根據本發明實施例的一個方面，提供了一種基于體積最小化的翹式換熱器設計方法，包括：

步驟1.根據各股流的進出口壓力和換熱溫區，確定各股流所用的翅片尺寸；

步驟2.根據各股流的工質種類和熱力參數，并鏈接物性數據庫，計算出各股流的焓變，根據各股流的焓變確定各股流的通道數；