本發(fā)明涉及一種換熱器系統(tǒng)熱力設(shè)計(jì)方法，特別涉及一種換熱器及其應(yīng)用系統(tǒng)與流體驅(qū)動(dòng)裝置的耦合熱力設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

換熱器的熱力設(shè)計(jì)通常采用對(duì)數(shù)平均溫差法和效能-傳熱單元數(shù)法，根據(jù)要求的熱力參數(shù)熱力設(shè)計(jì)過(guò)程分為校核計(jì)算和設(shè)計(jì)計(jì)算。換熱器的優(yōu)化往往采用遺傳算法、粒子群算法或蟻群算法等。

上述的換熱器熱力設(shè)計(jì)方法和優(yōu)化過(guò)程都是在給定的質(zhì)量流量、流速或雷諾數(shù)的前提條件下進(jìn)行，在本文中稱其為傳統(tǒng)熱力設(shè)計(jì)方法和傳統(tǒng)優(yōu)化過(guò)程，其主要原因是在換熱器的熱力設(shè)計(jì)和優(yōu)化過(guò)程中只考慮換熱器本身的特性，而沒(méi)有同時(shí)考慮流體驅(qū)動(dòng)裝置特性。在實(shí)際的換熱器系統(tǒng)中，由于流體驅(qū)動(dòng)裝置的阻力特性、換熱器的阻力特性和工作流體流量相互影響，進(jìn)而影響換熱器的換熱特性，在換熱器系統(tǒng)中不同的換熱器和流體驅(qū)動(dòng)裝置配對(duì)很難實(shí)現(xiàn)給定的質(zhì)量流量、流速或雷諾數(shù)的條件。例如，以風(fēng)扇為流體驅(qū)動(dòng)裝置的機(jī)柜散熱系統(tǒng)，換熱器的工作點(diǎn)流量由風(fēng)扇的阻力-流量特性、換熱器及機(jī)柜散熱系統(tǒng)的阻力特性共同決定，換熱器的熱設(shè)計(jì)必須考慮工作點(diǎn)流量，而不是用給定的質(zhì)量流量、流速或雷諾數(shù)進(jìn)行熱力設(shè)計(jì)。

因此，結(jié)合流體驅(qū)動(dòng)裝置的阻力-流量特性和換熱器的阻力特性來(lái)確定工作流體流量的換熱器系統(tǒng)熱力設(shè)計(jì)方法更符合工程實(shí)際。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是考慮流體驅(qū)動(dòng)裝置的阻力特性、換熱器的阻力特性和工作流體流量的相互影響，提出一種符合實(shí)際應(yīng)用的換熱器系統(tǒng)熱力設(shè)計(jì)方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括以下步驟：

1)初步確定換熱器系統(tǒng)中換熱器幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)；

2)根據(jù)換熱器的阻力計(jì)算公式和連接管道的阻力計(jì)算公式得到換熱器系統(tǒng)內(nèi)冷流體的阻力-流量關(guān)系式和熱流體的阻力-流量關(guān)系式根據(jù)選定的冷流體驅(qū)動(dòng)裝置和熱流體驅(qū)動(dòng)裝置得到冷流體驅(qū)動(dòng)裝置的阻力-流量關(guān)系式和熱流體驅(qū)動(dòng)裝置的阻力-流量關(guān)系式

3)得到換熱器冷流體工作點(diǎn)流量和換熱器熱流體工作點(diǎn)流量：換熱器系統(tǒng)內(nèi)冷流體的阻力-流量關(guān)系式和冷流體驅(qū)動(dòng)裝置的阻力-流量關(guān)系式阻力相同時(shí)的共同解為換熱器冷流體工作點(diǎn)流量，換熱器系統(tǒng)內(nèi)熱流體的阻力-流量關(guān)系式和熱流體驅(qū)動(dòng)裝置的阻力-流量關(guān)系式阻力相同時(shí)的共同解為換熱器熱流體工作點(diǎn)流量；

4)用換熱器冷流體工作點(diǎn)流量和熱流體工作點(diǎn)流量，分別代替換熱器傳統(tǒng)熱力設(shè)計(jì)方法計(jì)算步驟中的換熱器冷流體恒定流量和熱流體恒定流量進(jìn)行熱力設(shè)計(jì)計(jì)算得到滿足要求的換熱器熱力參數(shù)及換熱器幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，或者用換熱器冷流體工作點(diǎn)流量和熱流體工作點(diǎn)流量，分別代替換熱器傳統(tǒng)優(yōu)化過(guò)程中的換熱器冷流體恒定流量和熱流體恒定流量進(jìn)行換熱器優(yōu)化計(jì)算得到最優(yōu)的換熱器熱力參數(shù)及換熱器幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)。

所述的步驟4)中的換熱器傳統(tǒng)熱力設(shè)計(jì)方法計(jì)算步驟為效能-傳熱單元數(shù)法校核計(jì)算步驟、效能-傳熱單元數(shù)法設(shè)計(jì)計(jì)算步驟、對(duì)數(shù)平均溫差法校核計(jì)算步驟或?qū)?shù)平均溫差法設(shè)計(jì)計(jì)算步驟。

所述的步驟4)中的換熱器傳統(tǒng)優(yōu)化過(guò)程中所用的優(yōu)化算法包括遺傳算法、粒子群算法或蟻群算法等。

所述的步驟4)中的換熱器傳統(tǒng)熱力設(shè)計(jì)方法中的計(jì)算步驟為設(shè)計(jì)計(jì)算步驟時(shí)需要反復(fù)調(diào)整換熱器幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)并重復(fù)所述的步驟2)、3)和4)來(lái)完成換熱器系統(tǒng)的熱力設(shè)計(jì)。

所述的換熱器系統(tǒng)熱力設(shè)計(jì)方法還適用于求得冷流體熱容量C_c和熱流體熱容量C_h的情況下，從換熱器6個(gè)獨(dú)立熱力參數(shù)中已知3個(gè)得到其余參數(shù)的換熱器系統(tǒng)熱力設(shè)計(jì)方法。所述的換熱器6個(gè)獨(dú)立熱力參數(shù)為換熱器冷熱流體進(jìn)出口溫度T_ci、T_co、T_hi和T_ho，換熱面積與總傳熱系數(shù)的乘積UA，以及換熱量Q。

相對(duì)于現(xiàn)有的技術(shù)，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：

本發(fā)明提供的換熱器系統(tǒng)熱力設(shè)計(jì)方法綜合考慮給定熱力參數(shù)、流體驅(qū)動(dòng)裝置性能和換熱器流動(dòng)換熱性能。而現(xiàn)有的換熱器熱力設(shè)計(jì)方法單獨(dú)考慮換熱器的特性，在給定的質(zhì)量流量、流速或雷諾數(shù)的前提條件下進(jìn)行，無(wú)法綜合考慮換熱器與流體驅(qū)動(dòng)裝置之間的相互作用。本發(fā)明提供的換熱器系統(tǒng)熱力設(shè)計(jì)方法結(jié)合換熱器系統(tǒng)阻力-流量特性與流體驅(qū)動(dòng)裝置阻力-流量特性，得出換熱器冷流體工作點(diǎn)流量和換熱器熱流體工作點(diǎn)流量，并代入傳統(tǒng)的換熱器熱力設(shè)計(jì)方法進(jìn)行熱力設(shè)計(jì)，因此，本發(fā)明提供的換熱器系統(tǒng)熱力設(shè)計(jì)方法更加符合換熱器的工程應(yīng)用。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明換熱器系統(tǒng)熱力設(shè)計(jì)方法流程圖。

圖2是本發(fā)明效能-傳熱單元數(shù)法校核計(jì)算的流程圖。

圖3是本發(fā)明效能-傳熱單元數(shù)法設(shè)計(jì)計(jì)算的流程圖。

圖4是本發(fā)明對(duì)數(shù)平均溫差法校核計(jì)算的流程圖。

圖5是本發(fā)明對(duì)數(shù)平均溫差法設(shè)計(jì)計(jì)算的流程圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明所提到的換熱器系統(tǒng)熱力設(shè)計(jì)方法包括以下步驟，參考圖1所示：

1)初步確定換熱器系統(tǒng)中換熱器幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)；

2)根據(jù)換熱器的阻力計(jì)算公式和連接管道的阻力計(jì)算公式得到換熱器系統(tǒng)內(nèi)冷流體的阻力-流量關(guān)系式和熱流體的阻力-流量關(guān)系式根據(jù)選定的冷流體驅(qū)動(dòng)裝置和熱流體驅(qū)動(dòng)裝置得到冷流體驅(qū)動(dòng)裝置的阻力-流量關(guān)系式和熱流體驅(qū)動(dòng)裝置的阻力-流量關(guān)系式

3)得到換熱器冷流體工作點(diǎn)流量和換熱器熱流體工作點(diǎn)流量：換熱器系統(tǒng)內(nèi)冷流體的阻力-流量關(guān)系式和冷流體驅(qū)動(dòng)裝置的阻力-流量關(guān)系式阻力相同時(shí)的共同解為換熱器冷流體工作點(diǎn)流量，換熱器系統(tǒng)內(nèi)熱流體的阻力-流量關(guān)系式和熱流體驅(qū)動(dòng)裝置的阻力-流量關(guān)系式阻力相同時(shí)的共同解為換熱器熱流體工作點(diǎn)流量；

4)用換熱器冷流體工作點(diǎn)流量和熱流體工作點(diǎn)流量，分別代替換熱器傳統(tǒng)熱力設(shè)計(jì)方法計(jì)算步驟中的換熱器冷流體恒定流量和熱流體恒定流量進(jìn)行熱力設(shè)計(jì)計(jì)算得到滿足要求的換熱器熱力參數(shù)及換熱器幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，或者用換熱器冷流體工作點(diǎn)流量和熱流體工作點(diǎn)流量，分別代替換熱器傳統(tǒng)優(yōu)化過(guò)程中的換熱器冷流體恒定流量和熱流體恒定流量進(jìn)行換熱器優(yōu)化計(jì)算得到最優(yōu)的換熱器熱力參數(shù)及換熱器幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)。

所述的步驟4)中的換熱器傳統(tǒng)熱力設(shè)計(jì)方法計(jì)算步驟為效能-傳熱單元數(shù)法校核計(jì)算步驟、效能-傳熱單元數(shù)法設(shè)計(jì)計(jì)算步驟、對(duì)數(shù)平均溫差法校核計(jì)算步驟或?qū)?shù)平均溫差法設(shè)計(jì)計(jì)算步驟。

所述的步驟4)中的換熱器傳統(tǒng)優(yōu)化過(guò)程中所用的優(yōu)化算法包括遺傳算法、粒子群算法或蟻群算法等。

實(shí)施例

1.所述的換熱器傳統(tǒng)熱力設(shè)計(jì)方法計(jì)算步驟為效能-傳熱單元數(shù)法校核計(jì)算時(shí)具體實(shí)施方法如下，參照?qǐng)D2所示：

已知條件，熱力參數(shù)包括換熱器幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)、換熱器的流動(dòng)換熱特性、冷流體進(jìn)口溫度T_ci和熱流體進(jìn)口溫度T_hi，冷流體驅(qū)動(dòng)裝置和熱流體驅(qū)動(dòng)裝置。

1)根據(jù)給定的換熱器系統(tǒng)中換熱器幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算換熱器的換熱面積A；

2)根據(jù)換熱器的阻力計(jì)算公式和連接管道的阻力計(jì)算公式得到換熱器系統(tǒng)內(nèi)冷流體的阻力-流量關(guān)系式和熱流體的阻力-流量關(guān)系式根據(jù)選定的冷流體驅(qū)動(dòng)裝置和熱流體驅(qū)動(dòng)裝置得到冷流體驅(qū)動(dòng)裝置的阻力-流量關(guān)系式和熱流體驅(qū)動(dòng)裝置的阻力-流量關(guān)系式

3)得到換熱器冷流體工作點(diǎn)流量和換熱器熱流體工作點(diǎn)流量：換熱器系統(tǒng)內(nèi)冷流體的阻力-流量關(guān)系式和冷流體驅(qū)動(dòng)裝置的阻力-流量關(guān)系式阻力相同時(shí)的共同解為換熱器冷流體工作點(diǎn)流量，換熱器系統(tǒng)內(nèi)熱流體的阻力-流量關(guān)系式和熱流體驅(qū)動(dòng)裝置的阻力-流量關(guān)系式阻力相同時(shí)的共同解為換熱器熱流體工作點(diǎn)流量；

4)根據(jù)換熱器冷流體工作點(diǎn)流量和熱流體工作點(diǎn)流量計(jì)算冷流體熱容量C_c、熱流體熱容量C_h，進(jìn)而可以計(jì)算得到最小熱容量C_min、最大熱容量C_max和熱容比C^*；

根據(jù)換熱面積A，由冷流體工作點(diǎn)流量和熱流體工作點(diǎn)流量及換熱器的換熱特性可以得到換熱器總傳熱系數(shù)U，進(jìn)而從公式

得到傳熱單元數(shù)NTU，再由相應(yīng)的效能-傳熱單元數(shù)關(guān)系曲線或公式得到效能ε；

由公式

Q＝εC_min(T_hi-T_ci)

得到換熱量Q，進(jìn)一步可以得到冷流體出口溫度T_co和熱流體出口溫度T_ho。

2.所述的換熱器傳統(tǒng)熱力設(shè)計(jì)方法計(jì)算步驟為效能-傳熱單元數(shù)法設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)具體實(shí)施方法如下，參照?qǐng)D3所示：

已知條件，熱力參數(shù)包括要求的換熱量Q、換熱器的流動(dòng)換熱特性、冷流體進(jìn)口溫度T_ci和熱流體進(jìn)口溫度T_hi，冷流體驅(qū)動(dòng)裝置和熱流體驅(qū)動(dòng)裝置。

1)初步確定換熱器系統(tǒng)中換熱器幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算換熱器的換熱面積A₀；

2)根據(jù)換熱器的阻力計(jì)算公式和連接管道的阻力計(jì)算公式得到換熱器系統(tǒng)內(nèi)冷流體的阻力-流量關(guān)系式和熱流體的阻力-流量關(guān)系式根據(jù)選定的冷流體驅(qū)動(dòng)裝置和熱流體驅(qū)動(dòng)裝置得到冷流體驅(qū)動(dòng)裝置的阻力-流量關(guān)系式和熱流體驅(qū)動(dòng)裝置的阻力-流量關(guān)系式

3)得到換熱器冷流體工作點(diǎn)流量和換熱器熱流體工作點(diǎn)流量：換熱器系統(tǒng)內(nèi)冷流體的阻力-流量關(guān)系式和冷流體驅(qū)動(dòng)裝置的阻力-流量關(guān)系式阻力相同時(shí)的共同解為換熱器冷流體工作點(diǎn)流量，換熱器系統(tǒng)內(nèi)熱流體的阻力-流量關(guān)系式和熱流體驅(qū)動(dòng)裝置的阻力-流量關(guān)系式阻力相同時(shí)的共同解為換熱器熱流體工作點(diǎn)流量；

4)根據(jù)換熱器冷流體工作點(diǎn)流量和熱流體工作點(diǎn)流量計(jì)算冷流體熱容量C_c、熱流體熱容量C_h，進(jìn)而可以計(jì)算得到最小熱容量C_min、最大熱容量C_max和熱容比C^*；

由公式

得到效能ε，再由相應(yīng)的效能-傳熱單元數(shù)關(guān)系曲線或公式得到傳熱單元數(shù)NTU；

由冷流體工作點(diǎn)流量和熱流體工作點(diǎn)流量及換熱器的換熱特性可以得到換熱器總傳熱系數(shù)U，進(jìn)而從公式

得到所需的換熱面積A；

比較所需的換熱面積A和所述步驟1)確定的換熱面積A₀，如果兩者非常接近設(shè)計(jì)過(guò)程結(jié)束，否則調(diào)整換熱器幾何參數(shù)，計(jì)算換熱面積A₀并重復(fù)所述的步驟2)、3)和4)，直到兩者非常接近設(shè)計(jì)過(guò)程結(jié)束。

3.所述的換熱器傳統(tǒng)熱力設(shè)計(jì)方法計(jì)算步驟為對(duì)數(shù)平均溫差法校核計(jì)算時(shí)具體實(shí)施方法如下，參照?qǐng)D4所示：

已知條件，熱力參數(shù)包括換熱器幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)、換熱器的流動(dòng)換熱特性、冷流體進(jìn)口溫度T_ci和熱流體進(jìn)口溫度T_hi，冷流體驅(qū)動(dòng)裝置和熱流體驅(qū)動(dòng)裝置。

1)根據(jù)換熱器系統(tǒng)中換熱器幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算換熱器的換熱面積A；

2)根據(jù)換熱器的阻力計(jì)算公式和連接管道的阻力計(jì)算公式得到換熱器系統(tǒng)內(nèi)冷流體的阻力-流量關(guān)系式和熱流體的阻力-流量關(guān)系式根據(jù)選定的冷流體驅(qū)動(dòng)裝置和熱流體驅(qū)動(dòng)裝置得到冷流體驅(qū)動(dòng)裝置的阻力-流量關(guān)系式和熱流體驅(qū)動(dòng)裝置的阻力-流量關(guān)系式

3)得到換熱器冷流體工作點(diǎn)流量和換熱器熱流體工作點(diǎn)流量：換熱器系統(tǒng)內(nèi)冷流體的阻力-流量關(guān)系式和冷流體驅(qū)動(dòng)裝置的阻力-流量關(guān)系式阻力相同時(shí)的共同解為換熱器冷流體工作點(diǎn)流量，換熱器系統(tǒng)內(nèi)熱流體的阻力-流量關(guān)系式和熱流體驅(qū)動(dòng)裝置的阻力-流量關(guān)系式阻力相同時(shí)的共同解為換熱器熱流體工作點(diǎn)流量；

4)根據(jù)換熱器冷流體工作點(diǎn)流量和熱流體工作點(diǎn)流量計(jì)算冷流體熱容量C_c和熱流體熱容量C_h；

假設(shè)，冷流體出口溫度T_co或熱流體出口溫度T_ho，并計(jì)算得到另一個(gè)，由冷熱流體進(jìn)出口溫度T_ci、T_co、T_hi和T_ho，計(jì)算得到對(duì)數(shù)平均溫差△T_m；

根據(jù)換熱面積A，由冷流體工作點(diǎn)流量和熱流體工作點(diǎn)流量及換熱器的換熱特性可以得到換熱器總傳熱系數(shù)U，進(jìn)而從公式

Q_ht＝UAΔT_m

得到換熱量Q_ht，再由熱平衡公式

Q_hb＝C_h(T_hi-T_ho)＝C_c(T_co-T_ci)

得到換熱量Q_hb，比較上述兩個(gè)公式得到的換熱量Q_ht和Q_hb，如果兩者非常接近設(shè)計(jì)過(guò)程結(jié)束，否則流體出口溫度假設(shè)不合理，應(yīng)調(diào)整流體出口溫度，重復(fù)上述假設(shè)后的步驟直到兩者非常接近設(shè)計(jì)過(guò)程結(jié)束。

4.所述的換熱器傳統(tǒng)熱力設(shè)計(jì)方法計(jì)算步驟為對(duì)數(shù)平均溫差法設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)具體實(shí)施方法如下，參照?qǐng)D5所示：

已知條件，熱力參數(shù)包括要求的換熱量Q、換熱器的流動(dòng)換熱特性、冷流體進(jìn)口溫度T_ci和熱流體進(jìn)口溫度T_hi，冷流體驅(qū)動(dòng)裝置和熱流體驅(qū)動(dòng)裝置。

1)初步確定換熱器系統(tǒng)中換熱器幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算換熱器的換熱面積A₀；

2)根據(jù)換熱器的阻力計(jì)算公式和連接管道的阻力計(jì)算公式得到換熱器系統(tǒng)內(nèi)冷流體的阻力-流量關(guān)系式和熱流體的阻力-流量關(guān)系式根據(jù)選定的冷流體驅(qū)動(dòng)裝置和熱流體驅(qū)動(dòng)裝置得到冷流體驅(qū)動(dòng)裝置的阻力-流量關(guān)系式和熱流體驅(qū)動(dòng)裝置的阻力-流量關(guān)系式

3)得到換熱器冷流體工作點(diǎn)流量和換熱器熱流體工作點(diǎn)流量：換熱器系統(tǒng)內(nèi)冷流體的阻力-流量關(guān)系式和冷流體驅(qū)動(dòng)裝置的阻力-流量關(guān)系式阻力相同時(shí)的共同解為換熱器冷流體工作點(diǎn)流量，換熱器系統(tǒng)內(nèi)熱流體的阻力-流量關(guān)系式和熱流體驅(qū)動(dòng)裝置的阻力-流量關(guān)系式阻力相同時(shí)的共同解為換熱器熱流體工作點(diǎn)流量；

4)根據(jù)換熱器冷流體工作點(diǎn)流量和熱流體工作點(diǎn)流量計(jì)算冷流體熱容量C_c和熱流體熱容量C_h；

由熱平衡公式

Q＝C_h(T_hi-T_ho)＝C_c(T_co-T_ci)

得到冷流體出口溫度T_co和熱流體出口溫度T_ho，由冷熱流體進(jìn)出口溫度T_ci、T_co、T_hi和T_ho，計(jì)算得到對(duì)數(shù)平均溫差△T_m；

由冷流體工作點(diǎn)流量和熱流體工作點(diǎn)流量及換熱器的換熱特性可以得到換熱器總傳熱系數(shù)U，進(jìn)而從公式

得到所需的換熱面積A；

比較所需的換熱面積A和所述步驟1)確定的換熱面積A₀，如果兩者非常接近設(shè)計(jì)過(guò)程結(jié)束，否則調(diào)整換熱器幾何參數(shù)，計(jì)算換熱面積A₀并重復(fù)所述的步驟2)、3)和4)，直到兩者非常接近設(shè)計(jì)過(guò)程結(jié)束。

除上述實(shí)施例外，本發(fā)明還適用于換熱器系統(tǒng)熱力設(shè)計(jì)的如下情形：即求得冷流體熱容量C_c和熱流體熱容量C_h的情況下，從換熱器6個(gè)獨(dú)立熱力參數(shù)中已知3個(gè)得到其余參數(shù)的換熱器系統(tǒng)熱力設(shè)計(jì)方法。所述的換熱器6個(gè)獨(dú)立熱力參數(shù)為換熱器冷熱流體進(jìn)出口溫度T_ci、T_co、T_hi和T_ho，換熱面積與總傳熱系數(shù)的乘積UA，以及換熱量Q。