一种高温钛合金微通道换热器热力性能优化方法技术

本发明专利技术是一种高温钛合金微通道换热器热力性能优化方法。本发明专利技术涉及工程设计优化技术领域，本发明专利技术为克服现有技术的不足，本发明专利技术基于海鹰哈钛高温钛合金微通道换热器试验数据经验，搭建换热器设计优化程序，并将设计程序分为一、二、三级模块逐级封装，隐去繁杂的过程数据，令设计程序简洁明了。设计者仅需通过设计输入窗口模块，录入必要设计参数运行计算程序，并通过设计输出窗口快速识别换热器设计性能结论，同时为每一步数学逻辑过程添加结果可视化模块，令更加专业的设计人员可以进入底层模块逐级观察数据运行情况，并最终确定最佳设计方案。计方案。计方案。

【技术实现步骤摘要】
一种高温钛合金微通道换热器热力性能优化方法


[0001]本专利技术涉及工程设计优化
，是一种高温钛合金微通道换热器热力性能优化方法。

技术介绍

[0002]随着航天用发动机性能的逐年提高，高温钛合金因其比强度高、热稳定性好、抗氧化、抗蠕变、耐高温、抗辐射等性能逐步取代了铝合金、高温合金等传统材料，大量应用于航空航天领域。
[0003]但由于高温钛合金材料微通道换热器使用场景特殊，其热功率、重量与压力降等因素限制变得极为苛刻，其中几何结构对平衡换热和压降要求具有重要影响，因此需要综合考量，导致设计人员不得不反复进行迭代设计，设计输入量繁杂，各关键参数间相互制约，数学关系复杂，参数调整效率受限，设计优化时间过长，且大幅提升了工作专业性。

技术实现思路

[0004]本专利技术为克服现有技术的不足，本专利技术基于海鹰哈钛高温钛合金微通道换热器试验数据经验，搭建换热器设计优化程序，并将设计程序分为一、二、三级模块逐级封装，隐去繁杂的过程数据，令设计程序简洁明了。设计者仅需通过设计输入窗口模块，录入必要设计参数运行计算程序，并通过设计输出窗口快速识别换热器设计性能结论，同时为每一步数学逻辑过程添加结果可视化模块，令更加专业的设计人员可以进入底层模块逐级观察数据运行情况，并最终确定最佳设计方案，本专利技术提供一种高温钛合金微通道换热器热力性能优化方法。
[0005]本专利技术特别适用于航空航天领域的微通道换热器的工程化设计，可以充分满足对微通道换热器有严苛尺寸、重量要求、需要设计者大量反复迭代的设计场景，属于换热器领域。
[0006]需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0007]本专利技术提供了一种高温钛合金微通道换热器热力性能优化方法，本专利技术提供了以下技术方案：
[0008]一种高温钛合金微通道换热器热力性能优化方法，所述方法包括以下步骤：
[0009]步骤1：收集工质温度、流量、拟定设备结构参数，确定相关流动与传热准则式，得到换热器换热计算结果；
[0010]步骤2：当换热计算完毕后，根据结果显示的传热系数，换热温差与压降数据；
[0011]步骤3：进行优化迭代计算，得到换热设备结构设计。
[0012]优选地，所述步骤1具体为：
[0013]根据工质物性焓值、密度、比热、粘度、导热系数、普朗特数参数6项，分别由压力与温度的状态函数确定；
[0014]由出入口工质焓差
△
h、质量流量M求热负荷：
[0015]Q＝
△
h*M
[0016]根据换热器温差最大端温差
△
t1、换热器温差最小端温差
△
t2求对数平均温差
△
t
m
：
[0017]△
t
m
＝(
△
t1‑△
t2)/ln(
△
t1/
△
t2))。
[0018][0019]优选地，基于输入的流道宽度x1、流道高度y1、换热板片宽度W1、换热板片长度L1、板片数量N1参数，确定相关流道结构参数，包括：
[0020]流体等效直径d
eq1
通过下式表示：
[0021]d
eq1
＝4x
1 y1/2(x1+y1)
[0022]单张板片流道数n1通过下式表示：
[0023]n1＝(W1‑
2*w1)/(x+δ1)
[0024]其中：w1为工艺修正常数，δ1为换热板片肋宽，加装限制模块，确保输出值为整数。
[0025]单侧工质流速ω1通过下式表示：
[0026]ω1＝q
m1
/ρ1*S1＝q
m
/(ρ1*(N1*n1)*(x1*y1))
[0027]其中，q
m1
为输入的质量流量参数，S1为单侧工质总流通截面积
[0028]单侧工质换热面积A1通过下式表示：
[0029]A1＝2*(x1+y1)*L1*(N1*n1)。
[0030][0031]优选地，所述步骤2具体为：
[0032]基于高温钛合金微通道换热设备设计特性，定义模块间数据关系，输出中层过程数据，包括：工质物性、流道结构与工质流动状态、换热系数间关系；流道结构，板片数量与总换热面积间关系：
[0033]雷诺数Re1通过下式表示:
[0034]Re1＝ρ1*ω1*d
eq1
/μ1[0035]其中：ρ1、μ1为一级模块给出的工质密度与粘度，ω1为一级模块给出的工质流速，d
eq1
为一级模块给出的换热板片等效直径
[0036]努塞尔数Nu1通过下式表示:
[0037]Nu1＝C1*Re1^C2*Pr1^C3
[0038]其中：C1、C2、C3为根据雷诺数计算结果自动判定并给出的热力学计算系数；
[0039]单侧工质表面传热系数h1通过下式表示：
[0040]h1＝(Nu1*λ1)/d
eq1
[0041]其中：λ1为一级模块给出的工质导热系数。
[0042]优选地，定义中层过程数据关系，换热器总换热面积，换热系数，对数温差与总换热量间的关系；输出根据设计者拟定结构参数所计算的换热器传热系数、工质压力降等设
计结论：
[0043]优选地，所述步骤3具体为：
[0044]工质流动压降通过下式表示：
[0045]△
P＝
△
P
i
+
△
P
n
[0046]＝C4*((L1‑
2*w1)/d
eq1
)*(ρ1*ω1^2/2)+C5*(ρ1*ω1^2/2)
[0047]其中，
△
P
i
为沿程流动阻力，
△
P
n
为进出口流动阻力，C4、C5为换热试验诗句，适用于高温钛合金换热器的阻力计算系数；
[0048]根据计算得出的两侧工质压降数据将直接体现在总封装界面；
[0049]以A1侧换热面积为基准的换热核心传热系数K1，通过下式表示：
[0050]K＝f(h1、h2、A1、A2、δ、λ、A1、A0)
[0051]其中：h1、h2分别为冷热工质侧表面传热系数；A1、A2分别为冷热工质侧换热面积
[0052]A0＝(A1+A2)/2为平均换热面积本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高温钛合金微通道换热器热力性能优化方法，其特征是：所述方法包括以下步骤：步骤1：收集工质温度、流量、拟定设备结构参数，确定相关流动与传热准则式，得到换热器换热计算结果；步骤2：当换热计算完毕后，根据结果显示的传热系数，换热温差与压降数据；步骤3：进行优化迭代计算，得到换热设备结构设计。2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述步骤1具体为：根据工质物性焓值、密度、比热、粘度、导热系数、普朗特数参数6项，分别由压力与温度的状态函数确定；由出入口工质焓差
△
h、质量流量M求热负荷：Q＝
△
h*M根据换热器温差最大端温差
△
t1、换热器温差最小端温差
△
t2求对数平均温差
△
t
m
：
△
t
m
＝(
△
t1‑△
t2)/ln(
△
t1/
△
t2))。3.根据权利要求2所述的方法，其特征是：基于输入的流道宽度x1、流道高度y1、换热板片宽度W1、换热板片长度L1、板片数量N1参数，确定相关流道结构参数，包括：流体等效直径d
eq1
通过下式表示：d
eq1
＝4x
1 y1/2(x1+y1)单张板片流道数n1通过下式表示：n1＝(W1‑
2*w1)/(x+δ1)其中：w1为工艺修正常数，δ1为换热板片肋宽，加装限制模块，确保输出值为整数；单侧工质流速ω1通过下式表示：ω1＝q
m1
/ρ1*S1＝q
m
/(ρ1*(N1*n1)*(x1*y1))其中，q
m1
为输入的质量流量参数，S1为单侧工质总流通截面积单侧工质换热面积A1通过下式表示：A1＝2*(x1+y1)*L1*(N1*n1)。4.根据权利要求3所述的方法，其特征是：所述步骤2具体为：基于高温钛合金微通道换热设备设计特性，定义模块间数据关系，输出中层过程数据，包括：工质物性、流道结构与工质流动状态、换热系数间关系；流道结构，板片数量与总换热面积间关系：雷诺数Re1通过下式表示:Re1＝ρ1*ω1*d
eq1
/μ1其中：ρ1、μ1为一级模块给出的工质密度与粘度，ω1为一级模块给出的工质流速，d
eq1
为一级模块给出的换热板片等效直径努塞尔数Nu1通过下式表示:Nu1＝C1*Re1^C2*Pr1^C3其中：C1、C2、C3为根据雷诺数计算结果自动判定并给出的热力学计算系数；单侧工质表面传热系数h1通过下式表示：h1＝(Nu...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾际，郭双滨，曹岩岩，徐田恬，陈兴达，刘文宇，
申请(专利权)人：航天海鹰哈尔滨钛业有限公司，
类型：发明
国别省市：