换热器及其设计制造方法 |
|||||||
申请号 | CN202410023496.8 | 申请日 | 2024-01-05 | 公开(公告)号 | CN117889681A | 公开(公告)日 | 2024-04-16 |
申请人 | 国电电力发展股份有限公司; 国能国华(北京)电力研究院有限公司; 中国科学院工程热物理研究所; | 发明人 | 邢刚; 乔加飞; 王兵兵; 陈俊霖; 成克用; 淮秀兰; | ||||
摘要 | 本 发明 涉及换热器领域,公开了一种换热器及其设计制造方法,该换热器包括第一封头、第二封头、第三封头、第四封头以及多个子芯 体模 块 ;多个子芯体模块依次相连,且多个子芯体模块的耐高温性能沿高温换热 流体 的流动方向依次降低;第一封头设置在耐高温性能最高的子芯体模块的高温换热流体入口处,第二封头设置在耐高温性能最低的子芯体模块的高温换热流体出口处;第三封头设置在耐高温性能最低的子芯体模块的低温换热流体入口处,第四封头设置在耐高温性能最高的子芯体模块的低温换热流体出口处。通过将换热器拆分为多个子芯体模块,且多个子芯体模块的耐高温性能依次降低,可以避免换热器整体均采用价格昂贵的材料,进而可以降低换热器的造价。 | ||||||
权利要求 | 1.一种换热器,其特征在于,所述换热器包括第一封头、第二封头、第三封头、第四封头以及多个子芯体模块; |
||||||
说明书全文 | 换热器及其设计制造方法技术领域[0001] 本发明涉及换热器技术领域,具体地涉及一种换热器以及一种换热器设计制造方法。 背景技术[0002] 超临界二氧化碳(Supercritical Carbon Dioxide,SCO2)动力循环系统是一种新兴的能源转换技术,可以用于高效地将热能转化为电能。相比传统发电系统,超临界二氧化碳动力循环系统具有效率高、结构简单、体积小、污染小、快速启停以及易于变负荷运行等特点,因而在核能、太阳能、储能等领域具有广阔应用前景。 [0003] 在超临界二氧化碳动力循环系统中,换热器是其中的关键设备。并且,在超临界二氧化碳动力循环系统实际运行过程中,换热器运行工况参数值较高,温度通常在500℃以上,压力通常在30MPa以上。 [0004] 目前,印刷电路板式换热器(Printed Circuit Heat Exchanger,PCHE)是超临界二氧化碳动力循环系统中的常用的换热器。并且,为了满足高参数工况和高许用升温速率的要求,多采用耐高温高压的金属材料(如镍高温合金)来制造PCHE。而这种耐高温高压的金属材料通常价格昂贵,从而导致换热器的造价较高,进而不利于超临界二氧化碳动力循环系统的推广和应用。 发明内容[0005] 本发明的目的是为了克服现有技术中应用于超临界二氧化碳动力循环系统的换热器造价较高的问题,提供一种换热器及其设计制造方法。 [0007] 其中,多个子芯体模块依次相连,且沿高温换热流体的流动方向,多个子芯体模块的耐高温性能依次降低; [0008] 所述第一封头设置在多个子芯体模块中耐高温性能最高的子芯体模块的高温换热流体入口处,所述第二封头设置在多个子芯体模块中耐高温性能最低的子芯体模块的高温换热流体出口处; [0009] 所述第三封头设置在多个子芯体模块中耐高温性能最低的子芯体模块的低温换热流体入口处,所述第四封头设置在耐高温性能最高的子芯体模块的低温换热流体出口处。 [0011] 本发明第二方面提供一种换热器设计制造方法,用于制造第一方面提供的换热器,所述方法包括: [0012] 确定换热器中各结构参数分别对应的预设取值范围; [0013] 计算各结构参数为各自预设取值范围内各取值时分别对应的换热器设计结果; [0014] 根据预设评价方法,从各换热器设计结果中确定换热器设计目标; [0015] 确定所述换热器设计目标对应的目标结构参数,基于所述目标结构参数来制造换热器。 [0016] 在本申请实施例中,所述换热器设计结果包括换热器有效度和换热器成本,所述换热器设计目标包括目标有效度和目标成本; [0017] 所述计算各结构参数为各自预设取值范围内各取值时分别对应的换热器设计结果;根据预设评价方法,从各换热器设计结果中确定换热器设计目标,包括: [0018] 基于换热器进口参数,计算各结构参数为各自预设取值范围内各取值时分别对应的换热器有效度; [0019] 计算各结构参数为各自预设取值范围内各取值时分别对应的换热器成本; [0020] 根据预设评价方法,从各换热器有效度和各换热器成本中确定目标有效度和目标成本。 [0021] 在本申请实施例中,所述基于换热器的进口参数,计算各结构参数为各自预设取值范围内各取值时分别对应的换热器有效度,包括: [0022] 基于换热器进口参数,计算各结构参数为各自预设取值范围内各取值时分别对应的换热器出口参数; [0023] 基于换热器进口参数和各换热器出口参数,计算各结构参数为各自预设取值范围内各取值时分别对应的换热器有效度。 [0024] 在本申请实施例中,所述基于换热器进口参数,计算各结构参数为各自预设取值范围内各取值时分别对应的换热器的换热器出口参数,基于下述各公式进行: [0025] [0026] [0027] [0028] [0029] [0030] 且,上述各公式的边界控制条件为: [0031] (Tc)z=0=Tc,in; [0032] (Tc)Z=L=Tc,out; [0033] (Pc)z=0=Pc,in; [0034] (Pc)z=L=Pc,out; [0035] (Th)Z=0=Th,out; [0036] (Th)z=L=Th,in; [0037] (Ph)z=0=Ph,out; [0038] (Ph)z=L=Ph,in; [0039] (Tw)z=0=(Tc,in+Th,out)/2; [0040] (Tw)z=L=(Tc,out+Th,in)/2; [0041] 其中,Mc为低温换热流体的总质量流量,单位为kg/s;Hc为低温换热流体的比焓,单位为J/kg;z为沿流动方向的任意长度位置,单位为m;Nc为低温换热流体板片数量,单位为片;Cc为单个低温换热流体板片中的通道数量,单位为个;hc为低温换热流体板片中通道的2 对流换热系数,单位为W/(m·K);Pe为通道的周长,单位为m;Tw为通道壁面温度,单位为K; Tc为通道内低温换热流体的温度,单位为K; [0042] Mh为高温换热流体的总质量流量,单位为kg/s;Hh为高温换热流体的比焓,单位为J/kg;Nh为高温换热流体板片数量,单位为片;Ch为单个高温换热流体板片中的通道数量,单2 位为个;hh为高温换热流体板片中通道的对流换热系数,单位为W/(m·K);Th为通道内高温换热流体的温度,单位为K; [0043] kw为通道材料的热导率,单位为W/(m·K);Acw为通道沿轴向方向的截面积,单位为2 m; [0044] ρc为低温换热流体的密度,单位为kg/m3;vc为低温换热流体的流速,单位为m/s;fc为低温换热流体通道的达西摩擦因子;D为通道水力直径,单位为m;Pc为通道内低温换热流体的压力,单位为Pa; [0045] ρh为高温换热流体的密度,单位为kg/m3;vh为高温换热流体的流速,单位为m/s;fh为高温换热流体通道的达西摩擦因子;Ph为通道内高温换热流体的压力,单位为Pa; [0046] Tc,in为低温换热流体的进口温度,单位为K;Tc,out为低温换热流体的出口温度,单位为K;L为各子芯体模块的长度,单位为m;Pc,in为低温换热流体的进口压力,单位为Pa;Pc,out为低温换热流体的出口压力,单位为Pa;Th,in为高温换热流体的进口温度,单位为K; Th,out为高温换热流体的出口温度,单位为K;Ph,in为高温换热流体的进口压力,单位为Pa; Ph,out为高温换热流体的出口压力,单位为Pa。 [0047] 在本申请实施例中,所述基于换热器进口参数和各换热器出口参数,计算各结构参数为各自预设取值范围内各取值时分别对应的换热器有效度,基于下述公式进行: [0048] [0049] 其中,ε为换热器有效度;max为取Th,in‑Th,out和Tc,out‑Tc,in中的较大值。 [0050] 在本申请实施例中, [0051] [0052] 其中,kw(T)为金属材料随管道内流体温度T变化的多项式函数;n为子芯体模块的数量。 [0053] 在本申请实施例中,所述计算各结构参数为各自预设取值范围内各取值时分别对应的换热器成本,基于下述公式进行: [0054] [0055] 其中,Cost为换热器成本,单位为元;Upi为第i个子芯体模块的材料的单价,单位为3 元/kg;ρwi为第i个子芯体模块的材料的密度,单位为kg/m;N为单个子芯体模块中板片的总数量,单位为片;C为单个板片中通道的数量,单位为个;Dc为通道的截面直径,单位为m;tp为单个板片的厚度,单位为m;tr为通道的肋宽,单位为m;Li为第i个子芯体模块的长度,单位为m。 [0056] 在本申请实施例中,所述确定所述换热器设计目标对应的目标结构参数之前,所述方法还包括: [0058] 所述确定所述换热器设计目标对应的目标结构参数,包括: [0059] 从所述帕累托最优解数据集中确定满足目标有效度和目标成本的目标结构参数。 [0060] 可以理解,基于上述换热器,所述换热器包括第一封头、第二封头、第三封头、第四封头以及多个子芯体模块;其中,多个子芯体模块依次相连,且沿高温换热流体的流动方向,多个子芯体模块的耐高温性能依次降低;所述第一封头设置在多个子芯体模块中耐高温性能最高的子芯体模块的高温换热流体入口处,所述第二封头设置在多个子芯体模块中耐高温性能最低的子芯体模块的高温换热流体出口处;所述第三封头设置在多个子芯体模块中耐高温性能最低的子芯体模块的低温换热流体入口处,所述第四封头设置在耐高温性能最高的子芯体模块的低温换热流体出口处。通过将换热器拆分为多个子芯体模块,并设置多个子芯体模块的耐高温性能依次降低,使得换热器中各个子芯体模块的造价依次降低。由此,可以避免换热器整体均采用价格昂贵的耐高温性能材料制成,进而可以降低换热器的造价。 [0063] 图1示意性示出了根据本申请实施例的一种换热器的结构示意图; [0064] 图2示意性示出了根据本申请实施例的一种换热器设计制造方法的流程示意图; [0065] 图3示意性示出了根据本申请实施例的换热流体进出口参数与沿流动方向的任意长度位置z之间的关系示意图。 [0066] 附图标记说明 [0067] 100‑换热器;101‑第一封头;102‑第二封头;103‑第三封头;104‑第四封头;105‑子芯体模块。 具体实施方式[0068] 为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,应当理解的是,此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本申请实施例,并不用于限制本申请实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。 [0069] 需要说明,若本申请实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……),则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等,如果该特定姿态发生改变时,则该方向性指示也相应地随之改变。 [0070] 另外,若本申请实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述,则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外,各个实施例之间的技术方案可以相互结合,但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础,当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在,也不在本申请要求的保护范围之内。 [0071] 如背景技术所描述的,为了满足高参数工况和高许用升温速率的要求,目前多采用耐高温高压的金属材料(如镍高温合金)来制造PCHE。然而,这种耐高温高压的金属材料通常价格昂贵,导致换热器的造价较高,从而不利于超临界二氧化碳动力循环系统的推广和应用。 [0072] 针对此,本申请一个实施例中提供了一种换热器,该换热器可以应用于超临界二氧化碳动力循环系统中。如图1所示,换热器100可以包括第一封头101、第二封头102、第三封头103、第四封头104以及多个子芯体模块105;多个子芯体模块105依次相连,并且,沿高温换热流体的流动方向,多个子芯体模块105的耐高温性能依次降低;所述第一封头101设置在多个子芯体模块中耐高温性能最高的子芯体模块的高温换热流体入口处,所述第二封头102设置在多个子芯体模块中耐高温性能最低的子芯体模块的高温换热流体出口处;所述第三封头103设置在多个子芯体模块中耐高温性能最低的子芯体模块的低温换热流体入口处,所述第四封头104设置在多个子芯体模块中耐高温性能最高的子芯体模块的低温换热流体出口处。 [0073] 其中,各子芯体模块105中均具有高温换热流体流通的通道(为便于描述,后续可称为热流体通道)和低温换热流体流通的通道(为便于描述,后续可称为冷流体通道)。在依次相连的多个子芯体模块105中,前一个子芯体模块105中的热流体通道与后一个子芯体模块105中的热流体通道连通,前一个子芯体模块105中的冷流体通道与后一个子芯体模块105中的冷流体通道连通。 [0074] 所述第一封头101具有高温换热流体的入口,所述第二封头102具有高温换热流体的出口。所述第三封头103具有低温换热流体的入口,所述第四封头104具有低温换热流体的出口。在具体实施时,第一封头101、第二封头102、第三封头103和第四封头104均可以通过焊接的方式进行安装。 [0075] 高温换热流体由第一封头101的高温换热流体入口输入换热器100后,依次流经耐高温性能依次降低的多个子芯体模块105。具体地,高温换热流体依次流经这多个子芯体模块105中的热流体通道。相应地,低温换热流体由第三封头103的低温换热流体入口输入换热器100后,依次流经耐高温性能依次升高的多个子芯体模块105。具体地,低温换热流体依次流经这多个子芯体模块105中的冷流体通道。高温换热流体和低温换热流体在换热器内部完成换热后,高温换热流体从第二封头102的高温换热流体出口流出,低温换热流体从第四封头104的低温换热流体出口流出。 [0076] 在实际应用中,多个子芯体模块105可以分别由耐高温性能不同的材料制成,由此来得到耐高温性能不同的各子芯体模块105。具体地,耐高温性能较高的子芯体模块105可以由耐高温性能较高的材料制成,耐高温性能较低的子芯体模块105可以由耐高温性能较低的材料制成。然后,沿高温换热流体的流动方向,按照耐高温性能依次降低的顺序,设置各子芯体模块105依次相连。在具体制造时,第一封头101和第三封头103的制成材料可以与耐高温性能最高的子芯体模块105的制成材料相同,第二封头102和第四封头104的制成材料可以与耐高温性能最低的子芯体模块105的制成材料相同。其中,为了提高换热效率,用于制造子芯体模块105的材料具体可以是金属合金类材料。 [0077] 通常来说,耐高温性能越高,材料的价格越高;因而,子芯体模块105的耐高温性能越高,子芯体模块105的造价越高。那么,基于多个子芯体模块耐高温性能依次降低的设计,使得换热器中各个子芯体模块的造价依次降低。由此,可以避免换热器整体均采用价格昂贵的耐高温性能较好的材质制成,进而可以降低换热器的造价。 [0078] 可以理解,采用本申请实施例提供的换热器100,该换热器100包括第一封头101、第二封头102、第三封头103、第四封头104以及多个子芯体模块105;多个子芯体模块105依次相连,并且,沿高温换热流体的流动方向,多个子芯体模块105的耐高温性能依次降低;所述第一封头101设置在多个子芯体模块中耐高温性能最高的子芯体模块的高温换热流体入口处,所述第二封头102设置在多个子芯体模块中耐高温性能最低的子芯体模块的高温换热流体出口处;所述第三封头103设置在多个子芯体模块中耐高温性能最低的子芯体模块的低温换热流体入口处,所述第四封头104设置在多个子芯体模块中耐高温性能最高的子芯体模块的低温换热流体出口处。通过将换热器100拆分为多个子芯体模块105,并设置多个子芯体模块105的耐高温性能依次降低,使得换热器100中各个子芯体模块105的造价依次降低。由此,可以避免换热器100整体均采用价格昂贵的耐高温性能材料制成,进而可以降低换热器的造价。 [0079] 另一方面,在本申请上述实施例提供的换热器100中,多个子芯体模块的耐高温性能是沿着高温换热流体的流动方向而依次降低。从而,多个子芯体模块的耐高温性能分布规律与换热器内换热流体的温度变化规律适配,进而能够保证换热器具有高许用升温速率。 [0080] 在上述实施例中,多个子芯体模块105的数量大于或等于2,以下将以换热器100包括三个子芯体模块105为例,对本申请实施例提供的换热器进行说明。应当理解的是,换热器100包括三个子芯体模块105仅为一种具体的示例,并不表示对本申请方案的不当限定。在实际应用中,换热器100还可以包括2个子芯体模块105或数量多于3个的子芯体模块105。 [0081] 如图1所示,三个子芯体模块105依次相连,并且,沿高温换热流体的流动方向,三个子芯体模块105的耐高温性能依次降低。为便于描述,沿高温换热流体的流动方向,三个子芯体模块105可以分别称为高温段子芯体模块、中温段子芯体模块以及低温段子芯体模块。其中,第一封头101设置在高温段子芯体模块的高温换热流体入口处,第二封头102设置在低温段子芯体模块的高温换热流体出口处,第三封头103设置在低温段子芯体模块的低温换热流体入口处,第四封头104设置在高端段子芯体模块的低温换热流体出口处。 [0082] 在三个子芯体模块105中,高温段子芯体模块、中温段子芯体模块以及低温段子芯体模块可以分别由耐高温性能依次降低的材料制成。例如,高温段子芯体模块由镍高温合金制成,中温段子芯体模块由316L不锈钢制成,低温段子芯体模块由304不锈钢制成。同时,第一封头101和第三封头103,采用和高温段子芯体模块相同的材料制成,第二封头102和第四封头104采用和低温段子芯体模块相同的材料制成。 [0083] 在具体制造时,在一种制造方式中,可以先分别加工完成各子芯体模块105,然后再通过整体真空扩散焊接的方式,按照沿高温换热流体流动方向耐高温性能依次降低的规律,将各子芯体模块105进行焊接。其中,在分别加工各子芯体模块105时,可以采用真空扩散焊接技术或粉末床融合技术进行加工。或者,在另一种制造方式中,采用增材制造技术,直接完成换热器的整体加工。其中,增材制造技术例如可以是直接能量沉积方式等。 [0084] 可以理解,采用上述方案,使得可以仅在高温段子芯体模块应用价格昂贵的镍高温合金,而中温段子芯体模块和低温段子芯体模块可以由价格相对低廉的其他金属材料(如不锈钢等)制成。由此,可以避免换热器整体均采用价格昂贵的耐高温性能材料制成,进而可以降低换热器的造价。 [0085] 本申请另一个实施例还提供一种换热器设计制造方法,该设计制造方法可以用于设计制造上述实施例中提供的换热器。换言之,在实际应用中,要设计制造上述实施例中的换热器,还缺少相关结构参数。而本申请实施例提供的换热器设计制造方法可以用于确定上述实施例中换热器满足预设要求时所具有的结构参数,进而可以基于该结构参数来设计制造换热器。如图2所示,该换热器设计制造方法可以包括如下步骤: [0086] 步骤201,确定换热器中各结构参数分别对应的预设取值范围。 [0087] 其中,各结构参数可以包括但不限于低温换热流体板片数量、单个低温换热流体板片中的通道数量、高温换热流体板片数量、单个高温换热流体板片中的通道数量、通道的截面直径、单个板片的厚度、通道的肋宽以及各个子芯体模块的长度等。具体地,各结构参数可以参见后续公式所展示的结构参数。 [0088] 在本申请实施例中,各结构参数分别对应的预设取值范围可以是预先给定的。 [0089] 步骤202,计算各结构参数为各自预设取值范围内各取值时分别对应的换热器设计结果。 [0090] 在本申请实施例中,换热器设计结果可以包括换热器有效度、换热器成本、换热器体积以及换热器质量中的至少一者。 [0091] 其中,当换热器设计结果包括换热器有效度时,计算各结构参数为各自预设取值范围内各取值时分别对应的换热器有效度,可以包括:基于换热器进口参数,计算各结构参数为各自预设取值范围内各取值时分别对应的换热器有效度。基于换热器进口参数,计算各结构参数为各自预设取值范围内各取值时分别对应的换热器有效度,进一步具体可以包括步骤一和步骤二: [0092] 步骤一,基于换热器进口参数,计算各结构参数为各自预设取值范围内各取值时分别对应的换热器出口参数。 [0093] 步骤二,基于换热器进口参数和各换热器出口参数,计算各结构参数为各自预设取值范围内各取值时分别对应的换热器有效度。 [0094] 其中,换热器进口参数可以包括低温换热流体的总质量流量、低温换热流体的进口温度、低温换热流体进口压力、高温换热流体的总质量流量、高温换热流体的进口温度以及高温换热流体进口压力等。换热器出口参数可以包括低温换热流体的出口温度和高温换热流体的出口温度等。 [0095] 在本申请实施例中,步骤一,基于换热器进口参数,计算各结构参数为各自预设取值范围内各取值时分别对应的换热器出口参数,可以基于下述公式(1)‑公式(5)进行: [0096] 低温换热流体通道: [0097] 高温换热流体通道: [0098] 壁面: [0099] 低温换热流体通道压降: [0100] 高温换热流体通道压降: [0101] 在上述公式(1)‑公式(5)中,Mc为低温换热流体的总质量流量,单位为kg/s;Hc为低温换热流体的比焓,单位为J/kg;z为沿流动方向的任意长度位置,单位为m;Nc为低温换热流体板片数量,单位为片;Cc为单个低温换热流体板片中的通道数量,单位为个;hc为低温换2 热流体板片中通道的对流换热系数,单位为W/(m·K);Pe为通道的周长,单位为m;Tw为通道壁面温度,单位为K;Tc为通道内低温换热流体的温度,单位为K; [0102] Mh为高温换热流体的总质量流量,单位为kg/s;Hh为高温换热流体的比焓,单位为J/kg;Nh为高温换热流体板片数量,单位为片;Ch为单个高温换热流体板片中的通道数量,单2 位为个;hh为高温换热流体板片中通道的对流换热系数,单位为W/(m·K);Th为通道内高温换热流体的温度,单位为K; [0103] kw为通道材料的热导率,单位为W/(m·K);Acw为通道沿轴向方向的截面积,单位为2 m; [0104] ρc为低温换热流体的密度,单位为kg/m3;vc为低温换热流体的流速,单位为m/s;fc为低温换热流体通道的达西摩擦因子;D为通道水力直径,单位为m;Pc为通道内低温换热流体的压力,单位为Pa; [0105] ρh为高温换热流体的密度,单位为kg/m3;vh为高温换热流体的流速,单位为m/s;fh为高温换热流体通道的达西摩擦因子;Ph为通道内高温换热流体的压力,单位为Pa。 [0106] 其中,上述公式(1)‑公式(5)的边界控制条件如下述公式(6)‑(15)所示: [0107] (Tc)z=0=Tc,in (6); [0108] (Tc)Z=L=Tc,out (7); [0109] (Pc)z=0=Pc,in (8); [0110] (Pc)z=L=Pc,out (9); [0111] (Th)Z=0=Th,out (10); [0112] (Th)z=L=Th,in (11); [0113] (Ph)z=0=Ph,out (12); [0114] (Ph)z=L=Ph,in (13); [0115] (Tw)z=0=(Tc,in+Th,out)/2 (14); [0116] (Tw)z=L=(Tc,out+Th,in)/2 (15): [0117] 在上述公式(6)‑(15)中,Tc,in为低温换热流体的进口温度,单位为K;Tc,out为低温换热流体的出口温度,单位为K;L为各子芯体模块的长度,单位为m;Pc,in为低温换热流体的进口压力,单位为Pa;Pc,out为低温换热流体的出口压力,单位为Pa;Th,in为高温换热流体的进口温度,单位为K;Th,out为高温换热流体的出口温度,单位为K;Ph,in为高温换热流体的进口压力,单位为Pa;Ph,out为高温换热流体的出口压力,单位为Pa。其中,低温换热流体的进口参数、低温换热流体的出口参数、高温换热流体的进口参数以及高温换热流体的出口参数与z的关系可以如图3所示。 [0118] 在实际应用中,在利用上述公式(1)‑(15)计算各结构参数为各自预设取值范围内各取值时分别对应的换热器的出口参数之前,还可以确定换热器各个子芯体模块的制造材料、各个子芯体模块的分布方式等。 [0119] 进而,上述公式(3)中的通道材料的热导率kw可以基于下述公式(16)进行分段选取: [0120] [0121] 在公式(16)中,kw(T)为金属材料随管道内流体温度T变化的多项式函数,不同的金属材料可以对应不同的多项式函数组;n为子芯体模块的数量。 [0122] 此外,在利用上述公式(1)‑(15)计算各结构参数为各自预设取值范围内各取值时分别对应的换热器出口参数之前,还可以确定换热器的通道结构类型(如直通道、之字形、S型、翼型和异型等)、流体类型等,由此可以计算低温换热流体板片中通道的对流换热系数hc、高温换热流体板片中通道的对流换热系数hh、低温换热流体通道的达西摩擦因子fc以及高温换热流体通道的达西摩擦因子fh,进而可以代入公式(3)‑(4)进行相关计算。 [0123] 在本申请实施例中,通道结构采用半圆截面直通道,因而可以采用Gnielinski公式计算努塞尔数和摩擦因子,然后计算对流换热系数。进而,低温换热流体板片中通道的对流换热系数hc、高温换热流体板片中通道的对流换热系数hh、低温换热流体通道的达西摩擦因子fc以及高温换热流体通道的达西摩擦因子fh可以基于下述公式(17)‑(19)得到: [0124] [0125] f=(1.82lgRe‑1.64)‑2 (18); [0126] [0127] 在上述公式(17)‑(19)中,f为fc或fh;h为hc或hh;Nu为努塞尔数;Re为雷诺数;Pr为普朗特数;λ为低温换热流体热导率或高温换热流体热导率,单位为W/(m·K)。其中,ν为低温换热流体的流速或高温换热流体的流速,单位为m/s;μ为低温换热流体的粘度或高温换热流体的粘度,单位为Pa·s。 cp为低温换热流体的比热容或高温换热流体的比热容,单位为J/(kg·K)。 [0128] 基于上述步骤一计算得到各结构参数为各自预设取值范围内各取值时分别对应的换热器出口参数后,步骤二,基于换热器进口参数和各换热器出口参数,计算各结构参数为各自预设取值范围内各取值时分别对应的换热器有效度,可以基于下述公式(20)进行: [0129] [0130] 其中,ε为换热器有效度;max为取Th,in‑Th,out和Tc,out‑Tc,in中的较大值。 [0131] 在本申请实施例中,在计算各结构参数为各自预设取值范围内各取值时分别对应的换热器有效度时,可以遍历各结构参数的各取值,不断重复上述各公式求解过程,从而得到各结构参数为各自预设取值范围内各取值时分别对应的换热器有效度。 [0132] 当换热器设计结果包括换热器成本时,计算各结构参数为各自预设取值范围内各取值时分别对应的换热器成本,可以基于下述公式(21)进行: [0133] [0134] 其中,Cost为换热器成本,单位为元;Upi为第i个子芯体模块的材料的单价,单位为3 元/kg;ρwi为第i个子芯体模块的材料的密度,单位为kg/m;N为单个子芯体模块中板片的总数量,N=Nc+Nh,单位为片;C为单个板片中通道的数量,单位为个;Dc为通道的截面直径,单位为m;tp为单个板片的厚度,单位为m;tr为通道的肋宽,单位为m;Li为第i个子芯体模块的长度,单位为m。 [0135] 在本申请实施例中,在计算各结构参数为各自预设取值范围内各取值时分别对应的换热器成本时,可以遍历各结构参数的各取值,不断重复上述公式(21)进行求解,从而得到各结构参数为各自预设取值范围内各取值时分别对应的换热器成本。 [0136] 当换热器设计结果包括换热器体积时,计算各结构参数为各自预设取值范围内各取值时分别对应的换热器体积,可以基于下述公式(22)进行: [0137] V=2NtpC(Dc+tr)Lt (22); [0138] 其中,V为换热器的体积,单位为m3;N为单个子芯体模块中板片的总数量,N=Nc+Nh,单位为片;tp为单个板片的厚度,单位为m;C为单个板片中通道的数量,单位为个;Dc为通道的截面直径,单位为m;tr为通道的肋宽,单位为m;Lt为芯体的总长度, 单位为m,Li为第i个子芯体模块的长度。 [0139] 在本申请实施例中,在计算各结构参数为各自预设取值范围内各取值时分别对应的换热器体积时,可以遍历各结构参数的各取值,不断重复上述公式(22)进行求解,从而得到各结构参数为各自预设取值范围内各取值时分别对应的换热器体积。 [0140] 当换热器设计结果包括换热器质量时,计算各结构参数为各自预设取值范围内各取值时分别对应的换热器质量,可以基于下述公式(23)进行: [0141] [0142] 其中,Mass为换热器的质量,单位为kg;ρwi为第i个子芯体模块的材料的密度,单位3 为kg/m;N为单个子芯体模块中板片的总数量,N=Nc+Nh,单位为片;tp为单个板片的厚度,单位为m;C为单个板片中通道的数量,单位为个;Dc为通道的截面直径,单位为m;tr为通道的肋宽,单位为m;Li为各子芯体的长度,单位为m。 [0143] 在本申请实施例中,在计算各结构参数为各自预设取值范围内各取值时分别对应的换热器质量时,可以遍历各结构参数的各取值,不断重复上述公式(23)进行求解,从而得到各结构参数为各自预设取值范围内各取值时分别对应的换热器质量。 [0144] 步骤203,根据预设评价方法,从各换热器设计结果中确定换热器设计目标。 [0145] 在本申请实施例中,换热器设计目标可以包括换热器的目标有效度、目标成本、目标体积以及目标质量中的至少一者。 [0146] 所述预设评价方法可以包括优劣解距离法(TOPSIS)、秩和比综合评价法(RSR)等。 [0147] 以下以换热器设计目标包括目标有效度和目标成本对本申请的方案进行说明。应当理解的是,换热器设计目标包括目标有效度和目标成本仅为一种具体的示例,并不表示对本申请方案的不当限定。在实际应用中,换热器设计目标可以包括换热器的目标有效度、目标成本、目标体积以及目标质量中任意一个或多个。当换热器设计目标可以包括换热器的目标有效度、目标成本、目标体积以及目标质量中任意一个或多个时,相应评价过程也可以参考换热器设计目标包括目标有效度和目标成本的情况。 [0148] 当换热器设计目标包括目标有效度和目标成本时,可以先基于步骤201和步骤202计算各结构参数为各自预设取值范围内各取值时分别对应的换热器有效度以及计算各结构参数为各自取值范围内各取值时分别对应的换热器成本。然后,根据预设评价方法,从各换热器有效度和各换热器成本中确定目标有效度和目标成本。例如,确定评价结果最优时对应的有效度和成本,即为目标有效度和目标成本。 [0149] 步骤204,确定所述换热器设计目标对应的目标结构参数,基于所述目标结构参数来制造换热器。 [0150] 以换热器设计目标包括目标有效度和目标成本为例,为能够进一步得到符合目标有效度和目标成本的结构参数的最优解和唯一解,在从各换热器有效度和各换热器成本中确定目标有效度和目标成本之后,确定所述换热器设计目标对应的目标结构参数之前,本申请实施例提供的方法还包括:以满足最大有效度和最低成本为目标条件,基于多参数多目标优化算法确定帕累托最优解数据集;则所述确定所述换热器设计目标对应的目标结构参数,包括:从所述帕累托最优解数据集中确定满足目标有效度和目标成本的目标结构参数。 [0151] 在具体实施时,可以引入多参数多目标优化算法(如遗传算法),以同时满足最大有效度和最低成本为目标条件,通过多参数多目标优化算法确定多参数多目标优化结果的帕累托最优解数据集。然后,在根据预设评价方法,从各换热器有效度和各换热器成本中确定目标有效度和目标成本后,可以从帕累托最优解数据集中确定满足目标有效度和目标成本的目标结构参数。进而,基于该目标结构参数来生产制造换热器。 [0152] 可以理解,采用本申请实施例提供的换热器设计制造方法,该方法包括:确定换热器中各结构参数分别对应的预设取值范围;计算各结构参数为各自预设取值范围内各取值时分别对应的换热器设计结果;根据预设评价方法,从各换热器设计结果中确定换热器设计目标;确定所述换热器设计目标对应的目标结构参数,基于所述目标结构参数来制造换热器。由此,可以在保证换热器性能的同时,有效降低换热器的制造成本。其中,换热器性能包括有效度、高温段的应力承受能力和许用升温速率等。 [0153] 还需要说明的是,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、商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、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。 |