一种分段板式换热器设计方法

技术领域

本发明属于涉及换热器技术领域，涉及一种分段板式换热器设计方法。

背景技术

板式换热器作为高效、紧凑、节能的换热设备，已经被广泛应用于化工、医药、食品、电力、机械、供暖、船舶等行业。有些领域，比如航空航天、核能等，对换热器的换热效率、体积等参数要求非常的高，这就需要换热器局部的精细计算。

发明专利CN113742999A公布了一种印刷电路板式换热器的设计方法及装置，该基于换热器的设计换热量和运行条件以及单个肋片的换热面积，确定换热器板片包括的所述肋片的数量；基于人工鱼群算法，确定各所述肋片的位置；基于所述换热器板片的形状特征及所述运行条件，确定各所述肋片的方向。该专利只给出了板式换热器肋片的设计方法，没有考虑板式换热器的整体设计，设计的换热器仍为均匀结构，设计的准确度还是较差。

文章“组合型板翅式换热器热力设计软件的开发”，以Visual Basic6.0为系统开发平台，结合Access建立不同条件下多种流体的物性数据库，利用对数平均温差法设计开发出一套具有可视化操作界面的板翅式换热器热力设计软件。该温差采用对数温差法，采用的整体设计，并没有均匀分段计算，很多结构参数还是人为确定，计算时间较长，换热器设计精确度低。

本发明针对现有的板式换热器设计方法的缺点，提出一种分段板式换热器设计方法，减少人为干预，提高换热器设计的准确度，优化换热器的结构，设计出来的换热器体积小、成本低、换热效率高且流体的压力损失低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分段板式换热器设计方法，解决了板式换热器热力设计不精确问题。通过温差分段的方法，精确完成了各换热单元的结构参数设计，提升了板式换热器的设计精度，降低换热器的体积，减少换热器的质量，节省制造成本，降低流体压损。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种分段板式换热器设计方法，包括以下步骤：

1)根据冷流体的温差的大小分为n个换热计算单元，当温差小于等于200℃时，以10℃-20℃为一段换热单元；温差大于200℃小于等于400℃时，以20℃-30℃时为一段换热单元；当温差大于400℃时，以20-25段为目标，均匀的将温差划分；

2)给出板式换热器计算参数：冷热流体进口温度T

3)板式换热器为印刷电路板式换热器，确定其结构参数，包括管径、各换热单元的节距J、偏转角α、长度、强化换热结构及数量；强化换热结构为固定于管壁内外的翅片；

4)求出冷流体进出口温差△t＝T

Q

求出换热单元的换热量Q

已知热流体进口温度T

5)对于印刷电路板式换热器，根据节距J、偏转角α求出Nu数和阻力系数f，公式为：

Nu＝0.397*雷诺数

f＝9.92*雷诺数

然后求取换热系数δ，根据求出的冷热流体进出口温度，采用对数平均温差法求出温度T

根据传热方程：

Q

判断管长L

5)重复上述步骤，直至求出n个换热单元各自管长，输出每一段换热单元长度及各换热单元结构参数，完成板式换热器结构布局；

6)然后求出相应的体积、重量、压损参数，根据多目标优化原则判断设计的换热器是否满足设计需求，如果不满足设计需求，则调整各换热单元结构参数，直至符合多目标优化原则。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出一种分段板式换热器设计方法，由于板式换热器为逆流式换热器，所以根据冷流体的进出口温度来进行分段，根据温差将换热器分为多段换热单元进行计算，这样可以精确设计各换热单元的结构来满足每段换热单元的换热需求，同时控制板式换热器的体积、压损等参数。可以实现换热器的精细调控，减少换热器的体积，降低换热器的制造成本，降低压损。

附图说明

图1是本发明计算流程图。

图2板式换热管分段计算结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步说明，以下实施例用于具体说明本发明内容，这些实施例仅为本发明内容的一般描述，并不对本发明内容进行限制。

见图1、图2，一种分段板式换热器设计方法，包括以下步骤：

1)为了精准设计板式换热器，提出根据冷流体温差进行分段计算的方法。根据冷流体的温差的大小分为n个换热计算单元，为了达到计算精准的目的，当温差小于等于200℃时，以10℃-20℃为一段换热单元；温差大于200℃小于等于400℃时，以20℃-30℃时为一段换热单元；当温差大于400℃时，以20-25段为目标，均匀的将温差划分；板式换热器进行分段设计计算。实现换热器的精细调控，减少换热器的体积，降低换热器的制造成本，降低压强损；

2)给出板式换热器计算参数：冷热流体进口温度T

3)板式换热器为印刷电路板式换热器，确定其结构参数，包括管径、各换热单元的节距、偏转角、长度、管壁内外固定的翅片及翅片数量；

4)求出冷流体进出口温差△t＝T

Q

求出换热单元的换热量Q

5)然后根据确定的节距和偏转角求出Nu数和阻力系数f，公式为：

Nu＝0.397*雷诺数

f＝9.92*雷诺数

然后求取换热系数δ，根据求出的冷热流体进出口温度，采用对数平均温差法求出温度T

根据传热方程：

Q

判断管长L

5)重复上述步骤，直至求出n个换热单元各自管长，输出每一段换热单元长度及各换热单元结构参数，完成板式换热器结构布局；

6)然后求出相应的体积、重量、压损参数，根据多目标优化原则判断设计的换热器是否满足设计需求，如果不满足设计需求，则调整各换热单元结构参数，直至符合多目标优化原则。

实施例：

基于核能发电换热器的印刷电路板式换热器为例，氦气为热流体，流量为0.00002kg/h，氢气为冷流体，为流量为0.00003kg/h，热流体入口温度为900℃，预期冷流体(空气)出口温度为600℃，氢气体入口温度为200℃，冷流体侧压损不超过2500pa。冷流体温差400℃，为了提高计算精确度，将板式换热器分为20段，每一段温差在20℃。求出每一段的冷流体进出口温差。确定管径为0.06mm，偏转角为15°，节距为25，求出总长度为0.502m。