[发明专利]超临界流体换热器通道结构的优化设计方法

说明书

本发明公开了一种超临界流体换热器通道结构的优化设计方法，包括：首先构建换热器通道结构模型，换热器通道结构模型包括多个换热通道，建立描述换热器通道几何结构的数学模型，然后将换热通道划分为n个微元段，并计算每个微元段内的换热面积dA，针对每个微元段建立流动换热的控制方程，再计算获得每个微元段的热力参数，进而获得整个换热通道的综合性能参数；改变换热通道几何参数，重复上述计算过程，最后每个综合性能参数相互比较，选择综合性能参数最大值对应的通道结构作为最终的换热器通道结构。根据本发明实施例的超临界流体换热器通道结构的优化设计方法，可以优化超临界流体换热器通道结构，以获得轻质、高功率密度的换热装置。

技术领域

本发明涉及能源的转化与高效利用技术领域，尤其是涉及一种超临界流体换热器通道结构的优化设计方法。

背景技术

随着高速飞行器飞行参数和性能的不断提升，飞行器的关键部件受到的热载荷越来越高，例如涡轮冲压组合发动机、超燃冲压发动机等，其燃烧室壁面和喷管壁面的燃气加热热流密度高于10⁶W/m²，需对其进行热防护或通过主动冷却以减小被动热防护材料的重量。另外，飞行器的长时间航行需要充足的电力，仅靠蓄电装置等的供电方式已不满足发展需求。若能将飞行器部件承受的热载荷转化为可利用的电能，则既可以缓解热防护的压力，也能够有效补充飞行器的电力短缺。

目前，在超临界CO₂布雷顿发电系统中常使用的是印刷电路板换热器(PrintedCircuit Heat Exchanger，PCHE)，对于地面发电系统而言，PCHE满足系统循环要求的紧凑、耐高温(600℃)高压(30MPa)等条件。但对于高超飞行器机载设备而言，PCHE仍然较重，紧凑度不高，从而使得超临界CO₂发电系统应用于高速飞行器的综合收益水平仍不能满足要求。对发展体积更小、重量更轻、紧凑度更高、综合换热能力更强且能够耐高温高压的换热器成为迫切要求。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种超临界流体换热器通道结构的优化设计方法，所述超临界流体换热器通道结构的优化设计方法，可以优化超临界流体换热器通道结构，以获得轻质、高功率密度的换热装置。

根据本发明实施例的优化设计方法，所述优化设计方法包括：构建换热器通道结构模型，所述换热器通道结构模型包括多个换热通道，流体流进不同的所述换热通道内；建立所述换热器通道几何结构的数学模型，将所述换热通道沿所述流体流动的方向划分为n个微元段，并计算每个所述微元段的换热面积dA；针对每个所述微元段建立流动换热的控制方程；每个所述换热通道在水平面上的投影面积均为定值A，以及，所述流体进入所述换热通道的进口参数相同，根据建立的所述控制方程，计算每个所述微元段的热力参数，进而获得整个所述换热通道的综合性能参数；改变所述换热通道的几何参数，建立相应的数学模型和控制方程，以获得所述换热通道的综合性能参数；每个所述综合性能参数相互比较，选择所述综合性能参数最大值对应的所述换热通道结构作为最终的换热器通道结构。

根据本发明实施例的优化设计方法，通过将换热通道划分为n个微元段，并计算每个微元段的热力参数，可以提高对热器通道结构优化的精度；通过对进入每个换热通道内的冷流体、热流体的进口参数设为相同，可以保证实验过程中参数一致性，从而提高优化实验的准确性；通过对每个换热通道的综合性能参数比较，使得本申请的优化设计方法更实用。

另外，根据本发明的优化设计方法，还可以具有如下附加的技术特征：