一种换热器的不确定性设计方法技术

一种换热器的不确定性设计方法，对换热器设计中涉及各项不确定因素的影响大小进行敏感性分析；可以考虑包括物理模型、气动热力参数、几何尺寸偏差、加工误差、装配精度等诸多方面不确定因素带来的影响；既可以计算单一不确定因素的影响，也可以计算多种不确定因素产生的综合影响；可以根据实际需求，只找出其中的主要影响因素以减小计算量；同时考虑各主要影响因素，进行不确定性计算；建立换热器设计的置信度与换热面积的定量关系。所设计换热器既避免了在实际工作过程中的性能不达标，又尽可能减少换热器带来的重量的增加，有效节约了成本。既满足了航空航天领域对换热器性能的高要求，又能广泛应用在其它各领域中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，属于传热

技术介绍
换热器是将热量从一种载热介质传递给另一种载热介质的装置。由于各行业对换热器性能的需求不同，因此逐渐产生了多种形式的换热器，广泛应用于石油、化工、冶金、电力、船舶、集中供暖、制冷空调、机械、食品、制药等领域，航空航天领域对高可靠性的轻质换热器也有着迫切的需求。在换热器设计中，大多数设计参数本身存在不确定性，如工作流体的气动热力参数，换热单元的尺寸、固体材料的导热性，流体的热物理性质等，所用传热关系式也同样存在不确定性。而在传统的设计方法中，各设计参数的随机性都被忽略不计，这些随机变量被它们的名义值或期望值代替。这意味着，传统的换热器设计方法在设计时仅仅考虑了设计点的工况，利用设计点参数计算总换热量、平均温差等，最后求出总换热面积。因此换热器在实际工作中如果遇到工作状况与设计点不同的情况，往往出现性能不达标的现象。这时，换热器有可能无法完成设计任务，严重的情况下甚至会危害到安全。有些设计人员在利用传统设计方法完成设计后，乘以一个保险系数以保证换热器有富裕的工作面积。但是，保险系数的选取完全取决于设计人员的主观判断，不能保证换热器能够完成设计任务；即使能，这种盲目的增加也会导致换热器尺寸和重量过大，使制造和维护成本大幅提高，造成不必要的浪费。尤其对航空航天领域而言，重量是十分重要的参数指标，所以不仅要避免换热器在实际工作过程中的性能不达标，还要尽可能减少换热器带来的重量的增加。
技术实现思路
本专利技术技术解决问题:克服了传统换热器设计方法仅能考虑设计点的弊端，所设计换热器避免了在实际工作过程中遇到的性能不达标的现象。本专利技术技术解决方案:，步骤如下:(I)首先根据所设计换热器的工作温度、压力、流体性质、固体材料、周围环境，列举出所涉及的所有不确定因素，包括气动热力参数、物理模型、几何尺寸偏差、加工误差、装配精度；(2)利用不确定性分析手段，对第一步列出的各项不确定因素的影响大小分别进行敏感性分析，其具体步骤如下:首先给定待分析的单项不确定因素的分布规律，并给出换热面积与待分析不确定因素的函数关系，之后进入反复模拟阶段，在每次模拟中为不确定因素选取一个随机值，计算与该值相对应的换热面积，待模拟次数足够后，就得到了换热面积的集合，统计其概率密度分布就可以得到换热面积对该项不确定因素的敏感性，而后可对所有不确定因素都重复此项处理，即得到了各项不确定因素的影响敏感性；(3)根据步骤(2)中的得到的敏感性分析结果，将各项不确定因素的影响敏感性按照从大到小降序排列，即可筛选出其中的主要影响因素，出于减小计算量的考虑，选取出若干项敏感性最强的影响因素，作为换热器不确定性设计中的主要影响因素；(4)依据步骤(3)中的筛选出的主要影响因素，需要考虑其综合影响进行不确定性设计，得到换热器设计的置信度与换热面积的定量关系，其具体步骤如下:首先分别给定主要影响因素中每一项的分布规律，并给出换热面积与不确定因素的函数关系，之后进入反复模拟阶段，在每次模拟中都为每一不确定因素选取一个随机值，计算此次模拟中相对应的换热面积，待模拟次数足够后，就得到了换热面积的集合，统计其累积概率密度分布就可得到了换热器设计的置信度与换热面积的函数关系；(5)利用步骤⑷中的得到的设计置信度与换热面积的函数关系，可以使设计置信度与换热面积实现一一对应，设计置信度所对应的换热面积作为最终的设计结果。所述步骤(I)中的气动热力参数包括流体的温度、压力、流量及物性参数，物性参数包括定压比热、导热系数、动力粘度、密度。所述步骤(I)中的物理模型包括:流体换热与流动参数的关联式、换热器中流体混合与非混合的界定因素，或为其中多种的组合应用。所述步骤(3)中的选取出5-8项敏感性最强的影响因素，作为换热器不确定性设计中的主要影响因素。所述步骤(5)中选取95%设计置信度所对应的换热面积作为最终的设计结果。本专利技术与现有方法相比的优点:克服了传统设计方法中仅能考虑设计点的弊端；通过换热器的不确定性设计，够反映换热器设计的置信度与换热面积的定量关系；既避免了换热器在实际工作过程中性能不达标的现象，又尽可能地减少了换热器重量的增加，有效节约成本；适用范围广泛，可用于多个领域的换热器中的多种不确定因素的设计，满足了航空航天领域对换热器性能的高要求，又能广泛应用在其它各领域中。。【附图说明】图1为换热器设计传统方法流程图；图2为本专利技术的换热器不确定性设计方法流程图；图3为对各不确定因素进行敏感性分析的方法流程图；图4为气动热力参数不确定性因素的敏感性；图5为考虑各主要影响因素综合影响进行不确定性设计的方法流程图；图6为通过不确定性设计建立的置信度与换热面积的函数关系图。具体实施方案实施例:用于某型预冷器设计，其中主流为空气，冷却介质为氦。设计要求该换热器的一种工质为空气，流量为150kg/s，经过换热器后空气温降为250K。空气压力为0.5MPa，入口温度为750K ;使用氦作为冷却工质，压力为15MPa，温度为300K。如果根据传统设计方法，设计时仅能考虑设计点工作状态，其流程如图1所示。首先得到在设计点时两种工质的物性参数，空气物性参数为:密度2.39kg/m3，比热容1082.6J/(kg*K)，动力粘度3.5E-5，导热系数0.052。氦物性参数为:密度18kg/m3，比热容5181.8J/ (kg*K)，动力粘度2.4E-5，导热系数0.19。总换热量为40.6MW，计算得所需氦流量为52kg/s，温升为150K，换热器平均温差为246.6K。换热单元形式为圆管，氦在圆管内流动，圆管外径2_，壁厚为0.5_。根据流量与流通面积分别计算空气与氦的流动速度，由此确定管外的换热系数为1563，管内的换热系数为17564。最后计算出所需换热面积为103.87m2。而使用本专利技术的不确定性设计方法，则可以根据该预冷器的工作环境，考虑包括物理模型、气动热力参数、几何尺寸偏差和加工误差等多方面的不确定因素，其流程如图2所示。(I)首先列举出所涉及的不确定因素，在本实施例中，物理模型不确定性包括对换热器中流体混合与非混合的界定、流体换热与流动参数的关联式等，在此仅考虑流体换热与流动参数关联式的不确定性。气动热力参数的不确定性是指换热器的工作状态偏离设计点导致的工作流体的气动热力参数的改变，包括内、外侧工作流体的温度、流当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种换热器的不确定性设计方法，其特征在于实现步骤如下：(1)首先根据所设计换热器的工作温度、压力、流体性质、固体材料、周围环境，列举出所涉及的所有不确定因素，包括气动热力参数、物理模型、几何尺寸偏差、加工误差、装配精度；(2)利用不确定性分析手段，对第一步列出的各项不确定因素的影响大小分别进行敏感性分析，其具体步骤如下：首先给定步骤(1)中的待分析的单项不确定因素的分布规律，并给出换热面积与待分析不确定因素的函数关系，之后进入反复模拟阶段，在每次模拟中为不确定因素选取一个随机值，计算与该值相对应的换热面积，待模拟次数足够后，就得到了换热面积的集合，统计换热面积的概率密度分布就可以得到换热面积对该项不确定因素的敏感性，而后对所有不确定因素都重复此项处理，即得到了各项不确定因素的影响敏感性；(3)根据步骤(2)中的得到的敏感性分析结果，将各项不确定因素的影响敏感性按照从大到小降序排列，即筛选出其中的主要影响因素，出于减小计算量的考虑，选取出若干项敏感性最强的影响因素，作为换热器不确定性设计中的主要影响因素；(4)依据步骤(3)中的筛选出的主要影响因素，需要考虑步骤(3)中的筛选出的主要影响因素的综合影响进行不确定性设计，得到换热器设计的置信度与换热面积的定量关系，具体步骤如下：首先分别给定主要影响因素中每一项的分布规律，并给出换热面积与不确定因素的函数关系，之后进入反复模拟阶段，在每次模拟中都为每一不确定因素选取一个随机值，计算此次模拟中相对应的换热面积，待模拟次数足够后，就得到换热面积的集合，统计换热面积的累积概率密度分布就得到换热器设计的置信度与换热面积的函数关系；(5)利用步骤(4)中的得到的设计置信度与换热面积的函数关系，使设计置信度与换热面积实现一一对应，设计置信度所对应的换热面积作为最终的设计结果。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：邹正平，陈懋章，武翼飞，刘火星，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11