基于场协同理论的换热器内流体流动通道及优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于场协同理论的换热器内流体流动通道及优化设计方法，包括换热器(1)、管束(3)以及由管束(3)构成的通道(2)，从水流入口处至水流出口处换热器(1)分为低温烟气侧和高温烟气侧；位于水流入口处前两列的管束(3)、位于水流出口处的后两列管束(3)分别为并联连接；并联后的管束进行串联，得到水流并列入流口和并列出流口；换热器中，当换热器内部水流和烟气流动特性处于稳定工况时，通过改变换热器内部冷热流体温度场间的协同，以实现强化换热的效果。本发明专利技术在换热器换热壁面条件一定时，通过改变换热器内部冷热流体的流动形式来提高换热器的换热能力，强化换热器换热效果；对提高换热器的节能效率有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
基于场协同理论的换热器内流体流动通道及优化设计方法
本专利技术涉及换热器优化技术，特别是涉及优化设计的一种换热器内部流体流动通道优化设计方法。
技术介绍
换热器作为一种能量交换和传递设备，广泛应用于化工、石油、动力、冶炼、建筑暖通等多个领域。其优化设计一直受到各国研究人员的重视。随着工业社会的发展，开发高效的强化换热新技术，也对实现能源的高效利用具有重要的理论和应用价值。换热器的常规强化换热优化设计方法中，主要采用设置各种形式肋片、旋流器或湍流发生器来改变换热器内部换热壁面条件，来提高换热器的换热效率。换热器整体性能的优劣取决于换热器内部冷/热流体的进/出口温差和传热单元数，同时也取决于冷热流体的流动方式比如顺流方式、逆流方式或叉流方式。无论哪种流动方式，换热器内部的冷/热流体在进行热量交换时，温度随着流动发生变化，且冷/热流体间的温度场分布规律和协同程度即温差场的特性从根本上决定着换热器的换热性能。换热过程存在两个温度场即冷流体温度场t(x,y)、热流体温度场T(x,y)。如果把整个换热器分解为若干子换热器，则每个子换热器内部存在换热温差θ(xi,yi)＝T(xi,yi)-t(xi,yi)，从而整个换热器内部则形成一个新的温差场，其中，i表示子换热器的个数，x,y表示温度场坐标。如图1所示，为优化换热器流体通道的场协同原理图。从每个子换热器所处位置可知，左上角处换热器100是换热温差最大的(其均匀性因子数也是最大的)，换热温差沿着主对角线200向两侧延伸，主对角线200上的子换热器的均匀性因子数也会大于两侧的子换热器。将场协同理论应用于顺流和逆流换热器后，可得到这三种换热器的优劣排序。但在现实工程应用中，由于生产工艺、制造水平等因素的限制，大部分高效换热器是采用复合型换热器，它们的理论分析和能效评比较为困难，此时采用换热器内部的流体温差场的协同程度-均匀性因子数，就可很容易的作为评价指标，且定量的分析各种复合型换热器的换热性能。根据场协同理论，冷热流体间场协同程度越好，换热器的换热性能也越优。在上述叉流换热器中，换热温差较大的地方位于冷热流体刚接触的地方，即在换热器的最左侧的管束位置。同理，在换热器分析计算中，换热过程中换热阻力最大的部位位于换热器的冷凝段和高温段。为实现强化换热的整体目标，需有针对性的提高换热阻力最大的部位换热能力，将换热器的冷凝段和高温段的水流流动方式分别进行优化改进。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于场协同理论的换热器内流体流动通道优化方法，根据场协同理论，在换热器换热壁面条件一定时，通过改变换热器内部冷热流体的流动形式来提高换热器的换热能力；即当换热器内部水流和烟气流动特性处于稳定工况时，通过改变换热器内部冷热流体温度场间的协同。本专利技术的一种基于场协同理论的换热器内流体流动通道，包括换热器1、管束3以及由管束3构成的通道2，从水流入口处至水流出口处换热器1分为低温烟气侧和高温烟气侧；位于水流入口处前两列的管束3、位于水流出口处的后两列管束3分别为并联连接；并联后的管束进行串联，得到水流并列入流口和并列出流口；换热器中，当换热器内部水流和烟气流动特性处于稳定工况时，通过改变换热器内部冷热流体温度场间的协同，以实现强化换热的效果。本专利技术的一种基于场协同理论的换热器内流体流动通道的优化设计方法，所述控制方法具体包括以下处理：将管束的前两列和后两列管束分别进行并联连接；然后在将并联后的管束进行串联连接；得到：将水流入口优化设计成为水流并列入流和并列出流的形式，强化低温烟气侧的换热能力；将水流形式也优化设计为并列入口和并列出口形式，提高高温烟气侧烟气和水流之间的换热能力；当换热器内部水流和烟气流动特性处于稳定工况时，通过改变换热器内部冷热流体温度场间的协同，以实现强化换热的效果。与现有技术相比，本专利技术能够达成的积极的技术效果如下：1、在换热器换热壁面条件一定时，通过改变换热器内部冷热流体的流动形式来提高换热器的换热能力，强化换热器换热效果；2、不仅可以提高换热器内部冷热流体之间热量交换效率，还可以降低换热器内部水流流动阻力，进而降低水泵输送能耗，这对提高换热器的节能效率有重要意义。附图标记图1为优化换热器流体通道的场协同原理图；图2为传统逆向叉流换热器内部流体流动示意图；图3为本专利技术的一种基于场协同理论的叉流换热器内流体流动优化通道结构示意图；附图标记：1、换热器，2、通道，3、管束。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步的详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。如图2所示，为传统叉流换热器内部流体流动示意图。冷流体(温度为tin)采用顺流流动方式进入换热器1，依次从低温烟气侧开始流过换热器中的每个通道2，最后从高温烟气侧流出。热流体(温度为Tin)采用和冷流体相交叉流动的方式，从高温烟气侧进入换热器1，依次流经换热器1的通道外壁面。此时位于换热器1最左侧的管束3的冷热流体温差值大于左侧第二层管束的冷热流体温差值，且依次大于后面各层管束的冷热流体温差值，并且在每层管束的水流方向上，温差也在发生变化。二维叉流换热器的均匀性因子数计算公式为：其中，W、L为换热器宽、高，t(x,y)、T(x,y)分别为冷流体温度、热流体温度；对于叉流换热器，冷热流体温度分布十分复杂，在此假设冷流体一侧热容量大，且液体流动过程中发生混合，热流体一侧热容量小，则换热器的传热效率计算公式为：其中，Cr＝(Gc)min/(Gc)max为换热器热容流量(水当量)比；(Gc)min、(Gc)max分别为小热容当量和大热容当量；NTU＝KA(Gc)min为换热器的传热单元数；K为传热系数，单位是W/(m2K)；A为换热器的传热面积，单位是m2。微元叉流换热器的传热单元数计算公式为：其中，K为传热系数(单位是W/(m2K))，A为换热器的传热面积(单位是m2)。微元换热器的传热单元数与叉流换热器的传热单元数相同，得到叉流换热器的均匀性因子数Φt计算公式如下：叉流换热器被均匀划分为多个子换热器，每个换热器内部的温度分布是不均匀的，它们之间的场协同数也相差很大。在此假设冷热流体的热容量比Cr＝4，传热单元数NTU＝3时，针对图2中均匀分布的叉流换热器，利用上述计算公式计算得到换热器的均匀性因子为0.027。如图3所示，为本专利技术的一种基于场协同理论的叉流换热器内流体流动优化通道结构示意图，为优化后的通道模型。根据场协同理论，优化后的逆向叉流换热器是将图2中的管束前两列和后两列管束分别进行并联连接，然后在将并联后的管束进行串联连接得到的。将水流入口优化设计成为水流并列入流和并列出流的形式，能够强化低温烟气侧的换热能力；将水流形式也优化设计为并列入口和并列出口形式，能够提高高温烟气侧烟气和水流之间的换热能力。其中，换热器水流入口处温度较低，低温烟气侧在此处发生冷凝现象；优化后的冷凝段和高温段的换热器部分换热能力将得到提高，从而使得换热器整体换热能力得到提高。即当换热器内部水流和烟气流动特性处于稳定工况时，通过改变换热器内部冷热流体温度场间的协同，以实现强化换热的效果。优化后的换热器，在换热温差较大的前端进行了换热面积的加密处理，在后端的冷凝段也进行了加密换本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于场协同理论的换热器内流体流动通道，包括换热器(1)、管束(3)以及由管束(3)构成的通道(2)，从水流入口处至水流出口处换热器(1)分为低温烟气侧和高温烟气侧；其特征在于，位于水流入口处前两列的管束(3)、位于水流出口处的后两列管束(3)分别为并联连接；并联后的管束进行串联，得到水流并列入流口和并列出流口；所述换热器中，当换热器内部水流和烟气流动特性处于稳定工况时，通过改变换热器内部冷热流体温度场间的协同，以实现强化换热的效果。

【技术特征摘要】
1.一种基于场协同理论的换热器内流体流动通道，包括换热器(1)、管束(3)以及由管束(3)构成的通道(2)，从水流入口处至水流出口处换热器(1)分为低温烟气侧和高温烟气侧；其特征在于，位于水流入口处前两列的管束(3)、位于水流出口处的后两列管束(3)分别为并联连接；并联后的管束进行串联，得到水流并列入流口和并列出流口；所述换热器中，当换热器内部水流和烟气流动特性处于稳定工况时，通过改变换热器内部冷热流体温度场间的协同，以实现强化换热的效果。2.一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：尤学一，曹为学，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12