一种基于频域特性的换热器设计方法及换热器技术

本发明专利技术公开了一种基于频域特性的换热器设计方法及换能器，属于换热器技术领域；本发明专利技术在传统的换热器设计流程中引入基于机理建模的控制方程，并以控制方程作为设计依据，不仅关注于换热器的换热效率，同时针对换热器的频域特性提出了优化依据，通过将换热器换热性能与滤波特性相结合，以静态增益为目标进行优化设计来保证换热器的换热性能，同时以扰动衰减系数为目标进行优化设计来衰减单一通道内的扰动幅值，并以扰动扩散系数为目标进行优化设计来降低通道间的扰动传递以达到对双向通道间的扰动扩散进行抑制的效果，满足了超高精度温度控制中对低频区间控制性能与高频失控区间的扰动抑制的要求，在全频率范围内控制精度较高。度较高。度较高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于频域特性的换热器设计方法及换热器


[0001]本专利技术属于换热器
，更具体地，涉及一种基于频域特性的换热器设计方法及换能器。

技术介绍

[0002]目前，随着加工制造技术，尤其是半导体光刻领域的技术向着超高精度不断发展，对于工作温度的稳定性提出更高的要求，对于温度控制过程中，换热器是必不可少的一个组件，因此研究换热器的设计方法存在重要意义。
[0003]而传统的换热器设计领域更关注于换热器的换热负荷与换热效能，忽视了换热器的动态特性，控制精度较低。为了解决上述问题，在一种现有的换热器优化设计方法中，以换热器的动态性能指标——响应时间作为换热器设计的约束条件，使用该方法设计出的换热器，具有快速响应的优点，能够在一定程度上能够提升控制的精度。但是，其不足之处有两点，一是仅以换热器的响应时间作为设计约束，仅能在低频区间上提高了控制精度，而在高精度温度控制领域，扰动所带来的高频失控区域(控制无法解决的区域)的精度损失不可忽略，无法满足超高精度温度控制中对低频区间控制性能与高频失控区间的扰动抑制的要求，无法解决换热器在频域所表现的扰动传递与扰动衰减等一系列特性的问题；二是换热器的建模手段粗糙，仅采用经验建模的方式，将换热器简化为一阶惯性模型与滞后环节，不能与换热器的设计参数进行有效的对应。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于频域特性的换热器设计方法及换能器，用以解决现有技术由于无法同时满足超高精度温度控制中对低频区间控制性能与高频失控区间的扰动抑制要求的技术问题。
[0005]为了实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种基于频域特性的换热器设计方法，包括以下步骤：
[0006]S1、采用分布式参数法对换能器进行机理建模，并进行离散化求解，从而得到仿真模型；对换能器的设计参数进行初始化；
[0007]S2、将设计参数的当前值和目标频率代入仿真模型中进行计算，得到对应的换能器静态增益、扰动扩散系数和目标通道的扰动衰减系数；其中，扰动扩散系数为目标频率下仿真模型通道间传递函数的幅频特性值；扰动衰减系数为目标频率下仿真模型通道内传递函数的幅频特性值；
[0008]S3、判断静态增益、扰动扩散系数和扰动衰减系数是否均处于对应的目标范围内，若是，则转至步骤S4；否则，对设计参数进行调整，并转至步骤S2；
[0009]S4、根据设计参数的当前值计算换热器压降，并判断换热器压降是否满足压降校核要求，若是，则输出设计参数的当前值，设计结束；否则，对设计参数进行调整，并转至步骤S2。
[0010]进一步优选地，扰动扩散系数的计算公式为：
[0011]η＝ΔT
S,f,out
/ΔT
T,f,in
[0012]其中，ΔT
S,f,out
为目标频率f下冷流体通道中冷流体输出的波动幅值；ΔT
T,f,in
为目标频率f下热流体通道中热流体输入的波动幅值。
[0013]进一步优选地，当目标通道为冷流体通道时，扰动衰减系数的计算公式为：
[0014][0015]当目标通道为热流体通道时，扰动衰减系数的计算公式为：
[0016][0017]其中，ΔT
S,f,out
为目标频率f下冷流体通道中冷流体输出的波动幅值；ΔT
S,f,in
为目标频率f下冷流体通道中冷流体输入的波动幅值；ΔT
T,f,out
为目标频率f下热流体通道中热流体输出的波动幅值；ΔT
T,f,in
为目标频率f下热流体通道中热流体输入的波动幅值。
[0018]进一步优选地，换能器为包含单管流动单元的换热器。
[0019]进一步优选地，换能器包括：套管式换热器、管壳式换热器、微通道换热器和翅片管式换热器。
[0020]进一步优选地，换能器的设计参数包括：换热器工质进出口状态、换热器工质的质量流量、换热器翅化比、换热器有效换热长度和换热器流道参数。
[0021]进一步优选地，上述步骤S1包括：
[0022]S1、采用分布式参数法对换能器进行机理建模，得到换能器的偏微分传热控制模型；
[0023]S2、将换能器沿流道方向进行分割，并对分割出的各个离散的控制单元采用分布式集总化方法进行处理，以将偏微分传热控制模型离散化，从而得到离散差分控制方程；
[0024]S3、对离散差分控制方程建立状态空间模型，并对状态空间模型进行仿真计算，建立仿真模型；对换能器的设计参数进行初始化。
[0025]进一步优选地，采用龙格库塔法对状态空间模型进行仿真计算。
[0026]第二方面，本专利技术提供了一种换热器，其设计参数采用本专利技术第一方面所提供的换热器设计方法确定。
[0027]第三方面，本专利技术还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序被处理器运行时控制所述存储介质所在设备执行本专利技术第一方面所提供的换热器设计方法。
[0028]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
[0029]本专利技术提供了一种基于频域特性的换热器设计方法，在传统的换热器设计流程中引入基于机理建模的控制方程，并以控制方程作为设计依据构建仿真模型，不仅关注于换热器的换热效率，同时针对换热器的频域特性提出了优化依据，通过将换热器换热性能与滤波特性相结合，以静态增益为目标进行优化设计来保证换热器的换热性能，同时以扰动衰减系数为目标进行优化设计来衰减单一通道内的扰动幅值，并以扰动扩散系数为目标进行优化设计来降低通道间的扰动传递以达到对双向通道间的扰动扩散进行抑制的效果，满足了超高精度温度控制中对低频区间控制性能与高频失控区间的扰动抑制的要求，在全频率范围内控制精度较高。
附图说明
[0030]图1为本专利技术实施例1提供的基于频域特性的换热器优化设计方法的流程图；
[0031]图2为本专利技术实施例1提供的状态空间仿真模型4通道示意图；
[0032]图3为本专利技术实施例1提供的换热单元传热模型示意图；
[0033]图4为本专利技术实施例2提供的基于频域特性的换热器优化设计方法设计的一种换热器关键部分示意图。
具体实施方式
[0034]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0035]实施例1、
[0036]下面结合附图，对本专利技术所提供的基于频域特性的换热器优化设计方法进行进一步描述，如图1所示，包括以下步骤：
[0037]S101、根据换热器的布置形式及流动组织方式，采用分布式参数法对换能器进行机理建模，基于活塞流假设，建立换热器的偏微分方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于频域特性的换热器设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、采用分布式参数法对换能器进行机理建模，并进行离散化求解，从而得到仿真模型；对换能器的设计参数进行初始化；S2、将设计参数的当前值和目标频率代入所述仿真模型中进行计算，得到对应的换能器静态增益、扰动扩散系数和目标通道的扰动衰减系数；其中，扰动扩散系数为目标频率下仿真模型通道间传递函数的幅频特性值；扰动衰减系数为目标频率下仿真模型通道内传递函数的幅频特性值；S3、判断静态增益、扰动扩散系数和扰动衰减系数是否均处于对应的目标范围内，若是，则转至步骤S4；否则，对设计参数进行调整，并转至步骤S2；S4、根据设计参数的当前值计算换热器压降，并判断所述换热器压降是否满足压降校核要求，若是，则输出设计参数的当前值，设计结束；否则，对设计参数进行调整，并转至步骤S2。2.根据权利要求1所述的换热器设计方法，其特征在于，扰动扩散系数的计算公式为：η＝ΔT
S,f,out
/ΔT
T,f,in
其中，ΔT
S,f,out
为目标频率f下冷流体通道中冷流体输出的波动幅值；ΔT
T,f,in
为目标频率f下热流体通道中热流体输入的波动幅值。3.根据权利要求1所述的换热器设计方法，其特征在于，当目标通道为冷流体通道时，扰动衰减系数的计算公式为：当目标通道为热流体通道时，扰动衰减系数的计算公式为：其中，ΔT
S,f,out
为目标频率f下冷流体通道中冷流体输出的波动幅值；ΔT
S,f,in
为目标频率f下冷流体通道中冷流体输入的波动幅值；ΔT
T,f,out
为目标频率f下热流体通道中...

【专利技术属性】
技术研发人员：李小平，黄霄楠，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：