[发明专利]一种超临界压力流体换热器制备方法及系统

权利要求书

1.一种超临界压力流体换热器制备方法，所述超临界压力流体换热器的热流体通道内设有第一工质，所述超临界压力流体换热器的冷流体通道内设有第二工质，其特征在于，包括：

获取超临界压力流体换热器的边界条件；所述边界条件包括第一工质参数以及第二工质参数；所述第一工质参数包括所述第一工质参数的进口温度、出口温度、压力和流量；所述第二工质参数包括所述第二工质的进口温度、出口温度、压力和流量；

基于所述边界条件，调整换热器初步框架；所述换热器初步框架包括换热器的通道当量直径、通道长度、通道数量、冷流体通道排布方式和热流体通道排布方式；所述基于所述边界条件，调整换热器初步框架，具体包括：

根据所述第一工质参数以及所述第二工质参数确定平均努塞尔数；所述平均努塞尔数Nu₀为：

其中，为平均普朗特数，ξ为摩擦因数，Re_b为主流平均雷诺数；

根据所述平均努塞 尔数分别确定所述第一工质的第一平均对流换热系数以及所述第二工质的第二平均对流换热系数，并确定通道当量直径；计算换热单元两侧通道工质的平均对流换热系数：

其中，下标h和c表示冷热侧流体，d为通道当量直径，λ为热导率；

根据所述第一平均对流换热系数以及所述第二平均对流换热系数确定总传热系数；所述总传热系数k为：

其中，δ为板平均厚度；

根据所述总传热系数确定换热量；所述换热量q为：

q＝kΔt_m；

其中，Δt_m为进出口温度计算对数平均温差；

根据所述换热量确定通道长度以及通道数量；

根据所述通道长度以及所述通道数量确定冷流体通道排布方式和热流体通道排布方式；

根据所述通道当量直径、所述通道长度、所述通道数量、所述冷流体通道排布方式和所述热流体通道排布方式确定换热器初步框架；

基于所述换热器初步框架，沿流体流动方向划分每一个流体通道，并对每一个划分后的流体通道建立热平衡控制模型；所述流体通道包括热流体通道以及冷流体通道；一个所述流体通道包括多个划分后的流体通道；所述基于所述换热器初步框架，沿流体流动方向划分每一个流体通道，并对每一个划分后的流体通道建立热平衡控制模型，具体包括：

所述热平衡控制模型为：

q_i＝q_{m_hi}c_{p_hi}(t_hi-t_hi+1)

q_i＝q_{m_ci}c_{p_ci}(t_ci-t_ci+1)

q_i＝k_iA_i(t_{m_hi}-t_{m_ci})；

其中，q_i为所述划分后的流体通道内的热流密度；q_{m_ci}为冷流体流量；q_{m_hi}为热流体流量；c_{p_hi}为热流体的定压比热容；c_{p_ci}为冷流体的定压比热容；t_{m_ci}分别为所述划分后的流体通道的中心节点处第一工质的温度；t_{m_hi}为所述划分后的流体通道的中心节点处第二工质的温度；A_i为每个划分后的流体通道内的传热面积，i为划分后的流体通道的序号，i+1为相对于i的下一个划分后的流体通道的序号；

基于所述热平衡控制模型，结合高斯回归过程以及协同克里金方法构建机器传热模型，具体包括：

获取超临界压力流体换热数据；所述超临界压力流体换热数据包括高精度换热数据以及低精度换热数据；所述高精度换热数据为由实验或数值模拟数据得到的数据集；所述低精度换热数据为无量纲准则关联式预测得到的数据集；所述超临界压力流体换热数据为流体沿程的流速、壁面温度、流体的主流温度、流体压力、对流换热系数以及管道特征长度；

对所述超临界压力流体换热数据进行预处理，确定预处理后的超临界压力流体换热数据；所述预处理后的超临界压力流体换热数据包括预处理后的低精度换热数据以及预处理后的高精度换热数据；

基于高斯回归方程，根据所述预处理后的低精度换热数据确定低精度模型；基于高斯回归方程，根据所述预处理后的高精度换热数据确定高精度模型；

基于所述热平衡控制模型，利用协同克里金方法，根据所述低精度换热数据、所述低精度模型、高精度换热数据以及高精度模型确定多精度模型；所述多精度模型是以筛选后的超临界压力流体换热数据的无量纲形式参数为输入，以所述对流换热系数为输出的机器传热模型；所述筛选后的超临界压力流体换热数据包括流体沿程的流速、壁面温度、流体的主流温度、流体压力以及管道特征长度；所述机器传热模型用于确定所述流体通道内工质流动传热的沿程热力参数；

所述利用协同克里金方法，根据所述低精度换热数据、所述低精度模型、高精度换热数据以及高精度模型确定多精度模型，具体包括：

将所述高精度换热数据划分为训练集和测试集；

利用所述训练集，根据公式确定多精度模型；其中，为高精度模型；ρ(X)为比例因子，用于量化两个精度模型输出值之间的关系；为低精度模型；δ(X)为高斯过程；

根据所述机器传热模型确定所述流体通道内工质流动传热的沿程热力参数；所述沿程热力参数包括流体温度、流体速度以及压力损失；

根据所述沿程热力参数确定换热器面积；

判断所述换热器面积是否达到换热面积标准，得到第一判断结果；

若所述第一判断结果表示为所述换热器面积达到换热面积标准，根据所述换热器初步框架制备超临界压力流体换热器；

若所述第一判断结果表示为所述换热器面积未达到换热面积标准，重新调整所述换热器初步框架，直至所述换热器面积达到换热面积标准。

2.一种超临界压力流体换热器制备系统，所述超临界压力流体换热器的热流体通道内设有第一工质，所述超临界压力流体换热器的冷流体通道内设有第二工质，其特征在于，包括：

边界条件获取模块，用于获取超临界压力流体换热器的边界条件；所述边界条件包括第一工质参数以及第二工质参数；所述第一工质参数包括所述第一工质参数的进口温度、出口温度、压力和流量；所述第二工质参数包括所述第二工质的进口温度、出口温度、压力和流量；

换热器初步框架调整模块，用于基于所述边界条件，调整换热器初步框架；所述换热器初步框架包括换热器的通道当量直径、通道长度、通道数量、冷流体通道排布方式和热流体通道排布方式；

所述换热器初步框架调整模块具体包括：

平均努塞尔数确定单元，用于根据所述第一工质参数以及所述第二工质参数确定平均努塞尔数；所述平均努塞尔数Nu₀为：

其中，为平均普朗特数，ξ为摩擦因数，Re_b为主流平均雷诺数；

通道当量直径确定单元，用于根据所述平均努塞 尔数分别确定所述第一工质的第一平均对流换热系数以及所述第二工质的第二平均对流换热系数，并确定通道当量直径；计算换热单元两侧通道工质的平均对流换热系数：

其中，下标h和c表示冷热侧流体，d为通道当量直径，λ为热导率；

总传热系数确定单元，用于根据所述第一平均对流换热系数以及所述第二平均对流换热系数确定总传热系数；所述总传热系数k为：

其中，δ为板平均厚度；

换热量确定单元，用于根据所述总传热系数确定换热量；所述换热量q为：

q＝kΔt_m；

其中，Δt_m为进出口温度计算对数平均温差；

通道长度以及通道数量确定单元，用于根据所述换热量确定通道长度以及通道数量；

冷流体通道排布方式和热流体通道排布方式确定单元，用于根据所述通道长度以及所述通道数量确定冷流体通道排布方式和热流体通道排布方式；

换热器初步框架调整单元，用于根据所述通道当量直径、所述通道长度、所述通道数量、所述冷流体通道排布方式和所述热流体通道排布方式确定换热器初步框架；

热平衡控制模型建立模块，用于基于所述换热器初步框架，沿流体流动方向划分每一个流体通道，并对每一个划分后的流体通道建立热平衡控制模型；所述流体通道包括热流体通道以及冷流体通道；一个所述流体通道包括多个划分后的流体通道；

所述热平衡控制模型建立模块具体包括：

所述热平衡控制模型建立单元，用于建立热平衡控制模型，所述热平衡控制模型为：

q_i＝q_{m_hi}c_{p_hi}(t_hi-t_hi+1)

q_i＝q_{m_ci}c_{p_ci}(t_ci-t_ci+1)

q_i＝k_iA_i(t_{m_hi}-t_{m_ci})；

其中，q_i为所述划分后的流体通道内的热流密度；q_{m_ci}为冷流体流量；q_{m_hi}为热流体流量；c_{p_hi}为热流体的定压比热容；c_{p_ci}为冷流体的定压比热容；t_{m_ci}分别为所述划分后的流体通道的中心节点处第一工质的温度；t_{m_hi}为所述划分后的流体通道的中心节点处第二工质的温度；A_i为每个划分后的流体通道内的传热面积，i为划分后的流体通道的序号，i+1为相对于i的下一个划分后的流体通道的序号；

机器传热模型构建模块，用于基于所述热平衡控制模型，结合高斯回归过程以及协同克里金方法构建机器传热模型；

所述机器传热模型构建模块具体包括：

超临界压力流体换热数据获取模块，用于获取超临界压力流体换热数据；所述超临界压力流体换热数据包括高精度换热数据以及低精度换热数据；所述高精度换热数据为由实验或数值模拟数据得到的数据集；所述低精度换热数据为无量纲准则关联式预测得到的数据集；所述超临界压力流体换热数据为流体沿程的流速、壁面温度、流体的主流温度、流体压力、对流换热系数以及管道特征长度；

预处理模块，用于对所述超临界压力流体换热数据进行预处理，确定预处理后的超临界压力流体换热数据；所述预处理后的超临界压力流体换热数据包括预处理后的低精度换热数据以及预处理后的高精度换热数据；

低精度模型确定模块，用于基于高斯回归方程，根据所述预处理后的低精度换热数据确定低精度模型；

高精度模型确定模块，用于基于高斯回归方程，根据所述预处理后的高精度换热数据确定高精度模型；

多精度模型确定模块，用于基于所述热平衡控制模型，利用协同克里金方法，根据所述低精度换热数据、所述低精度模型、高精度换热数据以及高精度模型确定多精度模型；所述多精度模型是以筛选后的超临界压力流体换热数据的无量纲形式参数为输入，以所述对流换热系数为输出的机器传热模型；所述筛选后的超临界压力流体换热数据包括流体沿程的流速、壁面温度、流体的主流温度、流体压力以及管道特征长度；所述机器传热模型用于确定所述流体通道内工质流动传热的沿程热力参数；

所述多精度模型确定模块，具体包括：

划分单元，用于将所述高精度换热数据划分为训练集和测试集；

多精度模型确定单元，用于利用所述训练集，根据公式确定多精度模型；其中，为高精度模型；ρ(X)为比例因子，用于量化两个精度模型输出值之间的关系；为低精度模型；δ(X)为高斯过程；

沿程热力参数确定模块，用于根据所述机器传热模型确定所述流体通道内工质流动传热的沿程热力参数；所述沿程热力参数包括流体温度、流体速度以及压力损失；

换热器面积确定模块，用于根据所述沿程热力参数确定换热器面积；

第一判断模块，用于判断所述换热器面积是否达到换热面积标准，得到第一判断结果；

超临界压力流体换热器制备模块，用于若所述第一判断结果表示为所述换热器面积达到换热面积标准，根据所述换热器初步框架制备超临界压力流体换热器；

换热器初步框架调整模块，用于若所述第一判断结果表示为所述换热器面积未达到换热面积标准，重新调整所述换热器初步框架，直至所述换热器面积达到换热面积标准。