一种交叉流印刷电路板式换热器正向设计方法技术

本发明专利技术公开了一种交叉流印刷电路板式换热器正向设计方法，该方法设计对象结构包括换热器芯体、冷热侧接口腔体，其中芯体采用一次侧、二次侧板交替布置；该方法基于规则结构采用标准单元法进行一、三维耦合数值计算，形成一次侧与二次侧任意单元流体温度的数值解，得到换热板组温度分布，并参照温度分布结果对换热板进行参数设计；采用有限元对换热板组最大热应力进行验证，并结合多孔介质模型确定一次侧与二次侧工质流动分布及各流道均匀性；由于整体结构层数叠加方向温度均匀，采用已知的换热板组温度分布进行有限元验证；该专利提供了完整的印刷电路板式换热器性能设计及安全验证流程方法，极大的降低了设计成本，提升了设计效率。计效率。计效率。

【技术实现步骤摘要】
一种交叉流印刷电路板式换热器正向设计方法


[0001]本专利技术专利涉及印刷电路板式换热器领域，具体涉及一种交叉流印刷电路板式换热器正向设计方法。

技术介绍

[0002]印刷电路板式换热器是一种高效、紧凑式换热器，这种换热器具有换热效率高、耐高温、耐高压等优点，是深海浮式液化设备中主换热器的首选，也在核电、火电等领域有广泛的应用。
[0003]在此背景下，近些年来印刷电路板式换热器受到了广泛关注。但针对这种类型的换热器并没有优秀的流程化、模块化设计方法。目前在换热性能设计时没有形成准确的经验公式，且换热器芯体通道数量巨大，难以进行完整的有限元分析，因此通常参考板式换热器经验公式结合局部有限元法进行计算，但局部模型无法对流道均匀性进行评估，进而对由边缘流道冷却流量不足和局部过热等安全隐患无法预测。并且由于结构形式和加工工艺的特点，该方法原理上只能粗略获得如换热面积等换热器通用参数，无法直接得到换热器芯体结构如流道尺寸、间距等直接参数，结果上时常导致出口温度不准确，温度分布存在偏差。同时温度分布的不确定性也会导致结构设计保守，并使设计方通过本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种交叉流印刷电路板式换热器正向设计方法，其特征在于：采用标准单元法对换热器的温度分布进行数值计算；采用多孔介质法对换热器流动分布与压降进行计算；给出了换热器热应力最大值的具体位置及评估方法；该方法设计对象换热器结构包括一次侧换热板(1)、二次侧换热板(2)、上盖板(3)、下盖板(4)、一次侧入口(5)、一次侧出口(6)、二次侧入口(7)及二次侧出口(8)；其中一次侧换热板(1)与二次侧换热板(2)交替布置，流动方向呈90
°
夹角，形成叠加方向周期性变化的温度分布，上盖板(3)和下盖板(4)作为边缘承压件，一次侧入口(5)及一次侧出口(6)结构相同，采用对称设计作为热侧压力边界，二次侧入口(7)及二次侧出口(8)结构相同，采用对称设计作为冷侧压力边界；一次侧换热板(1)与二次侧换热板(2)采用半圆形流道；进行设计时，已知或能够初步评估以下参数：换热器所选结构材料，一次侧与二次侧流体工质设计压力P1和P2、一次侧与二次侧流体工质流量U1和U2、一次侧与二次侧流体工质进口温度T10和T20、一次侧与二次侧流体工质出口温度T1
∞
和T2
∞
，一次侧与二次侧换热板厚度D1与D2，换热器所处空间对一次侧换热板长度的限制尺寸L10，二次侧换热板长度的限制尺寸L20和高度的限制尺寸h0；采用设计方法后得到的计算结果包括：一次侧与二次侧换热板温度分布数值结果，一次侧与二次侧工质在各自流道内的分布均匀性，一次侧与二次侧的工质压降，换热器整体热应力分布，一次侧与二次侧换热板流道长度L1和L2，一次侧与二次侧流道数N1和N2，一次侧与二次侧流道半径r1和r2，一次侧与二次侧流道间距d1和d2，上盖板、下盖板、一次侧与二次侧进口和一次侧与二次侧出口作为压力边界所需的结构厚度E；设计方法在描述过程中使用的英文字母及后方数字编号具有以下规则：英文字母与其表达的定义为一一对应关系，对于流量U，英文字母后的1，2分别表示一次侧与二次侧，U1表示一次侧流量，U2表示二次侧流量；下角标0表示入口或初始值，则U10表示一次侧入口流量，下角标
∞
表示最终值或出口值，则U1
∞
表示一次侧出口流量；对于下述步骤中的标准单元，其命名规则如下：编号No.ij表示一次侧第i条管道和二次侧第j条管道形成的标准单元，与进出口无关的参数：对流换热系数表示为H
ij
，与进出口有关的参数：一次侧入口流量表示为U1
ij
‑1，一次侧出口流量为U1
ij
，二次侧入口流量为U2
i
‑
1j
，二次侧出口流量为U2
ij
，编号U1
ij
‑1也表示No.i j
‑
1单元一次侧出口流量，但由于标准单元具备连续性，No.i j
‑
1单元一次侧出口与No.ij单元一次侧入口为同一位置，因此两者使用同一编号；所述正向设计方法具体包括以下步骤：步骤1，选取标准单元及其尺寸：标准单元为具有一对交叉流动的一次侧流道和二次侧流道上下叠加所形成的单元结构，单个一次侧热板和二次侧热板形成的换热板组结构为多个标准单元正交组合而成；具体尺寸为一次侧流道半径r1＝α1*D1，二次侧流道半径r2＝α2*D2，取l1＝β1*r2作为标准单元一次侧流道截取长度，取l2＝β2*r1作为单元二次侧流道截取长度，纵向高度h＝D1+D2；其中α1、α2和β1、β2分别为标准单元尺寸系数，取值范围为1/2<α1，α2<1，2<β1，β2<5；步骤2，建立标准单元流动换热模型：取No.11单元，根据空间限制的一次换热板长度L10，二次侧换热板长度L20，高度h0，且每个标准单元包括一个一次侧流道，一个二次侧流道，则计算初始一次侧流道数N10＝L10/l1，初始一次侧流道数N20＝L20/l2，初始换热板组
层数为C0＝H0/h，由此得一次侧流量U1
10
＝U1/(N10*C0)，二次侧流量U2
01
＝U2/(N20*C0)，并且对于No.11单元，一次侧与二次侧入口工质温度、压力和物性即为换热器的入口工质温度、压力和物性，以此分别求出一次侧和二次侧入口位置雷诺数Re1和Re2，由于工质物性在单个标准单元内变化小，此处做均匀性假设，即入口位置雷诺数为标准单元内雷诺数，对后续无量纲参数做相同处理；同理求得一次侧和二次侧的普朗特数Pr1和Pr2，依据雷诺数与普朗特数数值范围，选取合适的对流换热系数公式，求得一次侧与二次侧的努塞尔数Nu1和Nu2，进而依据努塞尔数与对流换热系数公式求得一次侧与二次侧对流换热系数H1
11
与H2
11
；总体来看对流换热系数为关于标准单元入口温度T
ij
、标准单元流道半径r，标准单元流道截取长度l，入口流量U
ij
的函数式，即H
ij
＝f(T
ij
，r，l，U
ij

【专利技术属性】
技术研发人员：李昕泽，张大林，李新宇，田文喜，秋穗正，苏光辉，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：