一种有限体积约束下的板式换热器优化速算方法技术

本发明专利技术公开了一种有限体积约束下的板式换热器优化速算方法，该方法包括：在板式换热器紧凑度和冷热两侧流体表面换热系数保持不变，在忽略其他导热热阻的前提下，将已知的冷热侧流体表面换热系数比例代入到本发明专利技术提出的优化算法中，将总热阻对热侧换热面积的偏微分求极值，并依据单调性判定所得是否为极小值，如是即对应于热侧换热面积的最小总热阻，最终确定板式换热器的冷热侧板片数量、板片形状和尺寸等换热器结构参数。本发明专利技术能够在满足换热器给定的约束条件下，准确且高效地计算出冷热侧流体的换热面积和热阻的最优比例，快速优化冷热侧换热面积配置，从而减小换热器总热阻，使换热器能够在有限的体积下获得更好的传热效果。热效果。热效果。

【技术实现步骤摘要】
一种有限体积约束下的板式换热器优化速算方法


[0001]本专利技术涉及一种板式换热器的优化方法，特别涉及一种有限体积约束下的板式换热器优化速算方法。

技术介绍

[0002]目前板式换热器主要包括标准板片叠加的板翅式换热器、板式换热器、印刷电路板式换热器等。板式换热器采用扩散焊、钎焊、增材制造等加工制造工艺，将微细通道换热板片连接成紧凑的换热模块，具有结构紧凑、体积小和耐高温高压等性能。翅式换热器由于翅片的存在不仅整体十分轻便牢固、承压能力强，而且可以在很紧凑的空间内产生极高的换热面积，从而达到很高的换热量。板式换热器也是一种换热效率高、自身结构紧凑的换热元件，且具有很高的经济性。
[0003]现有的换热器在对体积和紧凑度的要求越来越高的同时，也希望能够获得更好的换热效果。传统的基于流体两侧不等面积设计理论是利用流体两侧换热面积与换热系数成反比的原理，通过增大换热系数小的一侧的换热面积来强化换热效果。但是这种增加换热面积的方法一方面会使得换热器的体积变大、紧凑度下降，另一方面会导致流动阻力增大，导致投资费用和运行成本上升，经济性和合理性较差。而基于智能算法提出的一些换热器优化设计方法，如CN201510066295.7一种基于动态像素粒度的板翅式换热器芯体结构优化方法，CN201210065122.X一种多股流板翅式换热器流体通道排列的优化设计方法等，由于数学建模程序繁琐、计算任务量大、耗时长等原因，使其特别在设计初期和计算条件有限等情况下较难得到利用。
[0004]因此，亟需针对板式换热器的设计阶段提供一种有限体积约束下的优化方法，降低换热器内总热阻，来改善板式换热器冷热侧的换热面积配置和体积约束条件下的换热效果，提高换热器的综合性能。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：本专利技术提供一种有限体积约束下的板式换热器优化速算方法，优化换热器冷热侧的换热面积配置和降低换热器内总热阻，实现增大换热器换热量的目的。
[0006]技术方案：本专利技术所述的有限体积约束下的板式换热器优化速算方法，包括以下步骤：
[0007](1)输入板式换热器的体积约束值和冷热流体换热参数，换热器板片选型，确定紧凑度β，定义计算得到板式换热器总换热面积A，假定热侧流体换热面积为A1，则冷侧流体表面换热面积为A
‑
A1；计算得到冷侧流体表面换热系数为α，且热侧流体表面换热系数为冷侧流体表面换热系数的k倍，忽略金属隔板壁面导热热阻，通过式(1)求得换热器总热阻R：
[0008][0009](2)求换热器总热阻R对热侧换热面积的偏微分，令偏微分等于零，得到总热阻随热侧换热面积的极值，根据单调性判定，所得极值是否为极小值：若所得极值是极小值，得到对应热侧换热面积的最小换热器总热阻；若所得极值非极小值，重新选择换热器板片，确定紧凑度，假定热侧换热面积A1，根据式(1)重新计算对应热侧换热面积的最小换热器总热阻；
[0010](3)根据步骤(2)中得到的最小换热器总热阻，换算热侧体积占总体积的比例，确定板式换热器的冷热侧板片数量、板片形状和尺寸，得到换热效率最高的板式换热器结构。
[0011]本专利技术中，冷侧流体表面换热系数α及热侧流体表面换热系数kα的取值通过结合性能关联式计算得到。作为本专利技术的一种具体实施方式，采用Dittus
‑
Boelter性能关联式Nu＝0.023Re
0.8
Pr
0.4
，结合传热系数计算公式得到冷侧流体表面换热系数α。同样地，可计算得到热侧流体表面换热系数kα。其中，Re为流体雷诺数，可表征流体流动状态；Pr为流体普朗特数；λ为流体导热系数；d
h
为流道水力直径。
[0012]本专利技术有限体积约束下的板式换热器优化速算方法，假设换热器单位体积总换热面积和冷热两侧换热系数保持不变，并忽略其他导热热阻。首先将给定的换热器换热面积与换热系数各参数代入公式求得总热阻，然后再将总热阻对热侧单位换热面积求微分，并令该微分等于零求出极小值，由单调性判定所得极值为极小值，即对热侧单位面积的最小热阻，最终得到换热面积与换热系数之间的关系式。
[0013]作为本专利技术的一种优选实施方式，步骤(2)中，偏微分通过以下方式计算得到：将式(1)得到的换热器总热阻R代入到式(2)中，计算得到换热器总热阻R对热侧换热面积A1的偏微分
[0014][0015]令得到的偏微分得到换热器总热阻R随热侧换热面积A1变化的极值，如式(3)所示：
[0016][0017]根据单调性判定，当为极小值时，则式(3)对应于A1求得的最小换热器总热阻R。
[0018]根据得到的最小换热器总热阻R，按照板式换热器标准板片叠加的布置方式，换热器热侧体积V1占总体积V的比例等于式(3)的计算值如此即可确定板式换热器的冷热侧板片数量、板片形状和尺寸，得到最小的换热器总热阻。
[0019]所述步骤(1)中，换热器单位体积总换热面积保持不变，而热侧流体表面换热面积A1为唯一自变量。
[0020]在总热阻R对热侧换热面积A1的偏微分得到换热面积与换热系数参数之
间的关系式时，单调性判定方法为：
[0021]当时，函数的曲线单调递减；
[0022]当时，函数的曲线单调递增，可得当的曲线单调递增，可得当为极小值，即对应于热侧流体换热面积A1，换热器能取得的最小总热阻R，在同样的体积约束下换热器的换热量更大。
[0023]本专利技术提供的板式换热器的设计优化方法，在改变给定换热器紧凑度、换热器体积和换热系数等参数下，只需将新的热侧流体表面换热面积A1重新代入到公式(1)中，并且根据步骤(2)的方法，来完成换热器冷热侧换热面积的配置并得到最小总热阻R。
[0024]本专利技术提供的有限体积约束下的板式换热器优化速算方法，适用于标准板片叠加的板翅式换热器、板式换热器、印刷电路板式换热器等板式换热器类型。
[0025]作为本专利技术的一种优选实施方式，本专利技术所述的有限体积约束下的板式换热器优化方法，包括以下步骤：
[0026](1)对于常规标准板片叠加的板式换热器，根据有限的体积值V和换热器紧凑度β的定义计算得到板式换热器总换热面积A，假定热侧流体换热面积为A1，则冷侧流体表面换热面积为A
‑
A1；假定冷热侧流体表面换热系数保持不变，结合性能关联式，估算冷热侧流体表面换热系数α，且热侧流体表面换热系数为冷侧流体表面换热系数的k倍；
[0027](2)忽略金属隔板壁面导热热阻，利用公式(1)计算得到换热器总热阻R；
[0028][0029](3)将步骤(2)得到的换热器总热阻R代入到公式(2)中，计算得到换热器总热阻R对热侧换热面积A1的偏微分
[0030][0031](4)令步骤(3)得到的偏微分求得换热器总热阻R随热侧换热面积A1变化的极值，如公式(3)所示，
[0032][0033]根据单调性判定，如当为极小值时，则关系式(3)即是对应于自本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种有限体积约束下的板式换热器优化速算方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)输入板式换热器的体积约束值和冷热流体换热工况参数，对换热器板片进行选型，确定板式换热器紧凑度计算得到板式换热器总换热面积A，假设热侧流体换热面积为A1，则冷侧流体表面换热面积为A
‑
A1；计算得到冷侧流体表面换热系数为α，且热侧流体表面换热系数为冷侧流体表面换热系数的k倍，忽略金属隔板壁面导热热阻，通过式(1)求得换热器总热阻R：(2)求换热器总热阻R对热侧换热面积的偏微分，令偏微分等于零，得到总热阻随热侧换热面积的极值，根据单调性判定，所得极值是否为极小值：若所得极值是极小值，得到对应热侧换热面积的最小换热器总热阻；若所得极值非极小值，重新选择换热器板片，确定紧凑度，假定热侧换热面积A1，根据式(1)重新计算对应热侧换热面积的最小换热器总热阻；(3)根据步骤(2)中得到的最小换热器总热阻，换算热侧体积占总体积的比例，确定板式换热器的冷热侧板片数量、板片形状和尺寸，得到换热效率最高的板式换热器结构。2.根据权利要求1所述的有限体积约束下的板式换热器优化速算方法，其特征在于，步骤(2)中，偏微分通过以下方式计算得到：将式(1)得到的换热器总热阻R代入到式(2)中，计算得到换热器总热...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋庆峰，朱秋，陈育平，谷家扬，陈智同，宋肖，沈妍，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：