【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于换热器构形优化，尤其涉及一种基于成本最小的s-co2印刷电路板式换热器构形优化方法。
技术介绍
1、能源需求的快速增长加剧了资源短缺和环境污染问题。超临界二氧化碳(s-co2)布雷顿循环，具有循环热效率高、系统结构紧凑、功率密度高、经济效益好等突出特点，在核能开发、太阳能光热利用、余热回收等领域具有非常广阔的应用前景。换热器是s-co2布雷顿循环的关键设备，印刷电路板式换热器(pche)因其换热密度高、结构紧凑、重量轻、可在极端压力和高温条件下运行等优点，被认为是s-co2布雷顿循环的首选换热器，备受关注。
2、总成本分析是换热器众多性能的综合评估，对pche制造与广泛应用具有至关重要的意义。目前，无量纲总成本与几何设计参数之间的变化规律，冷/热流体质量流率、进口温度和进口压力对换热器总成本和最优构形的影响并不明确，亟需一种方法探明这些参数对s-co2印刷电路板式换热器构形演化的影响，为s-co2循环pche的优化设计提供理论指导。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种基于成本最小的s-co2印刷电路板式换热器构形优化方法。
2、本专利技术是这样实现的，一种基于成本最小的s-co2印刷电路板式换热器构形优化方法，基于成本最小的s-co2印刷电路板式换热器构形优化方法包括以下步骤：
3、步骤一，构建s-co2循环印刷电路板式换热器及分段计算模型；
4、步骤二，以无量纲总成本最小为优化目标采用分段热
5、步骤三，对s-co2印刷电路板换热器长宽比优化；
6、步骤四，对s-co2印刷电路板换热器换热通道半径优化；
7、步骤五，对s-co2印刷电路板换热器双自由度优化。
8、进一步，步骤一中pche的长宽高分别为lx，ly和lz(m)，冷/热流体换热通道为半圆直通道，半径均为r(mm)。冷/热换热流体均为s-co2。冷/热流体的进口总质量流率分别为mtotal,c和mtotal,h(kg/s)，进口温度分别为tc,in和th,in(℃)，进口压力分别为pc,in和ph,in(mpa)。进一步，步骤二中s-co2循环印刷电路板式换热器的总成本可计算为：
9、ctotal＝cco+cop
10、式中，cco和cop分别为制造成本和运行成本。
11、制造成本cco为：
12、cco＝ρmatcmatvmat
13、式中，ρmat和cmat分别为印刷电路板式换热器材料的密度和单价。
14、运行成本cop为：
15、
16、co＝pkpb
17、
18、式中，ky是换热器工作年限，j为年折现率，co为每年运行成本，ppump为泵耗功率，kp为能源价格，b为每年运行小时数，η为泵效率，ρc,ave和ρh,ave分别为冷热流体的平均密度。
19、无量纲总成本为：
20、
21、式中，cco,int和cop,int为换热器初始条件下的制造成本和运行成本，cco和cop为当前换热器条件下的制造成本和运行成本。
22、进一步，步骤三中，根据换热器长宽比对换热器无量纲制造成本、无量纲运行成本和无量纲总成本的影响，确定最佳长宽比。
23、进一步，根据冷热流体质量流率对换热器最小无量纲总成本以及换热器最佳长宽比的影响，确定最佳冷热流体流量。
24、进一步，根据冷热流体进口温度和冷热流体进口压力对换热器最小无量纲总成本以及换热器最佳长宽比的影响，降低冷流体进口温度或提高热流体进口温度，提高冷热流体进口压力。
25、进一步，步骤四中，根据通道半径对换热器无量纲制造成本，无量纲运行成本和无量纲总成本的影响，确定最佳的通道半径。
26、进一步，根据冷热流体质量流率对换热器最小无量纲总成本以及最佳通道半径的影响，确定最佳冷热流体流量。
27、进一步，根据冷热流体进口温度和冷热流体进口压力对换热器最小无量纲总成本以及最佳通道半径的影响，降低冷流体进口温度或提高热流体进口温度，提高冷热流体进口压力。
28、进一步，步骤五中同时释放长宽比和半径两个几何自由度，开展双自由度构形优化，确定长宽比和通道半径的最佳匹配。
29、进一步，根据冷热流体质量流率对换热器最小无量纲总成本、换热器最佳长宽比以及最佳通道半径的影响，确定最佳冷热流体流量。
30、进一步，根据冷热流体进口温度和冷热流体进口压力对换热器最小无量纲总成本、换热器最佳长宽比以及最佳通道半径的影响，降低冷流体进口温度或提高热流体进口温度，提高冷热流体进口压力。
31、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本专利技术所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
32、第一，本专利技术以无量纲总成本最小为优化目标，在换热器总体积和换热通道总体积一定的条件下，分别以换热器长宽比和换热通道半径为优化变量，对s-co2循环pche开展了单自由度和双自由度构形设计，分析了冷热流体质量流率、进口温度和进口压力等参数对最小总成本和最优构形的影响。
33、第二，本专利技术通过优化pche的长宽比和通道半径，可显著降低换热器的总成本，存在最佳长宽比和最佳通道半径，使得无量纲总成本分别取得最小值0.728和0.954；与初始设计结构相比，pche的无量纲总成本分别降低了27.2％和4.6％。
34、本专利技术降低冷流体进口温度或提高热流体进口温度，最小无量纲总成本和最佳长宽比均不断减小。提高冷热流体进口压力，最小无量纲总成本逐渐减小，最佳长宽比增加，但变化幅度不大。降低冷流体进口温度或提高热流体进口温度，最小无量纲总成本不断减小，最佳通道半径不断增大。增加冷热流体的进口压力，无量纲总成本和最佳通道半径均不断减小。
35、本专利技术存在换热器长宽比和冷热流体质量流率的最佳匹配，使得最小无量纲总成本分别取得最小极值，相比无量纲总成本最小值，分别减小了9.89％和1.24％。也存在通道半径和冷热流体质量流率的最佳匹配，使得最小无量纲总成本分别取得最小极值；相比无量纲总成本最小值，分别减小了2.31％和10.48％。
36、本专利技术通过对长宽比和通道半径开展双自由度构形优化，换热器总成本得到进一步降低。存在长宽比和通道半径的最佳匹配，相比初始设计结构，总成本可下降了46.8％，相比于长宽比和通道半径单自由度优化的最小无量纲总成本，分别下降了26.92％和44.23％。
37、本专利技术存在长宽比、通道半径和冷/热流体质量流率的最佳匹配，使得无量纲总成本分别取得双自由度最小极值，分别为0.493和0.529，相比初始设计结构，总成本分别下降了50.7％和47.1％；相比初始质量流率双自由度优化取得的无量纲总成本最小值分别下降了7.33％和0.56％；相比最佳冷/热流体质量流率下长宽比单自由度本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于成本最小的S-CO2印刷电路板式换热器构形优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求书1所述基于成本最小的S-CO2印刷电路板式换热器构形优化方法，其特征在于，所述步骤一中PCHE的长宽高分别为Lx，Ly和Lz(m)，冷/热流体换热通道为半圆直通道，半径均为R(mm)。冷/热换热流体均为S-CO2。冷/热流体的进口总质量流率分别为mtotal,c和mtotal,h(kg/s)，进口温度分别为Tc,in和Th,in(℃)，进口压力分别为Pc,in和Ph,in(MPa)。
3.如权利要求书1所述基于成本最小的S-CO2印刷电路板式换热器构形优化方法，其特征在于，所述步骤二中S-CO2循环印刷电路板式换热器的总成本可计算为：
4.如权利要求书1所述基于成本最小的S-CO2印刷电路板式换热器构形优化方法，其特征在于，所述步骤三中根据换热器长宽比对换热器无量纲制造成本、无量纲运行成本和无量纲总成本的影响，确定最佳长宽比；根据冷/热流体质量流率对换热器最小无量纲总成本以及换热器最佳长宽比的影响，确定最佳冷热流体流量。
5.
6.如权利要求书1所述基于成本最小的S-CO2印刷电路板式换热器构形优化方法，其特征在于，所述步骤四中，根据通道半径对换热器无量纲制造成本，无量纲运行成本和无量纲总成本的影响，确定最佳的通道半径。
7.如权利要求书6所述基于成本最小的S-CO2印刷电路板式换热器构形优化方法，其特征在于，根据冷/热流体质量流率对换热器最小无量纲总成本以及最佳通道半径的影响，确定最佳冷热流体流量；
8.如权利要求书1所述基于成本最小的S-CO2印刷电路板式换热器构形优化方法，其特征在于，所述步骤五中同时释放长宽比和通道半径两个几何自由度，开展以与R为变量的双自由度构形优化，确定长宽比和通道半径的最佳匹配。
9.一种基于成本最小的S-CO2印刷电路板式换热器构形优化系统，其特征在于，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种基于成本最小的s-co2印刷电路板式换热器构形优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求书1所述基于成本最小的s-co2印刷电路板式换热器构形优化方法，其特征在于，所述步骤一中pche的长宽高分别为lx，ly和lz(m)，冷/热流体换热通道为半圆直通道，半径均为r(mm)。冷/热换热流体均为s-co2。冷/热流体的进口总质量流率分别为mtotal,c和mtotal,h(kg/s)，进口温度分别为tc,in和th,in(℃)，进口压力分别为pc,in和ph,in(mpa)。
3.如权利要求书1所述基于成本最小的s-co2印刷电路板式换热器构形优化方法，其特征在于，所述步骤二中s-co2循环印刷电路板式换热器的总成本可计算为：
4.如权利要求书1所述基于成本最小的s-co2印刷电路板式换热器构形优化方法，其特征在于，所述步骤三中根据换热器长宽比对换热器无量纲制造成本、无量纲运行成本和无量纲总成本的影响，确定最佳长宽比；根据冷/热流体质量流率对换热器最小无量纲总成本以及换热器最佳长宽比的影响，确定最佳冷热流体流量。
【专利技术属性】
技术研发人员：林道光，谢志辉，孟凡凯，奚坤，陆卓群，纪祥鲲，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：
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