一种同心圆鼓胀板圆筒换热器三维温度场校核计算方法与流程

本发明涉及一种同心圆鼓胀板圆筒换热器三维温度场校核计算方法，属于换热器。

背景技术：

1、随着换热器应用领域的不断拓宽，对于原油化工、纺织、含固体颗粒工业废水、含生物质的污水/泥等非洁净工质的特殊场景，行业内发展形成了针对非洁净工质的换热器技术。其中的典型产品如zl 202510168793.6“一种三维变空间鼓胀换热器及等流径闭式换热器”，其板外为非洁净工质，板内为洁净工质，通过在洁净工质侧的流道与圈数之间的特定半圈的组合流动方式，实现两侧工质的“等流径”，从而达到最佳的综合换热效果。

2、现有技术中，在计算非洁净工质的换热器的传热性能时，主要基于一维换热器设计理论进行计算，例如通过对数平均温差法或传热单元数法进行换热器的热力设计或校核计算，此时板内多圈层、多流路结构通常被简化为单一平均流路进行处理；对于管内流动与管外流动，通常采用经典的传热准则式计算对流传热系数，并引入污垢热阻来修正表面结垢对传热的影响。有部分研究采用分段划分微元的方式对换热器中的温度和压力分布进行分析，在每个换热器微元内部，将换热器视为冷热2流股进行换热的基本单元，而整体流动呈逆流布置，但此类微元划分的目的在于解决两侧流体在进出口因物性变化剧烈（如流体相变、跨临界区）而导致的变物性问题，以对换热温差进行修正；对于非洁净工质换热器而言，两侧流体物性在流动过程中基本保持不变，不存在因变物性问题而划分微元的实际需求。

3、然而，上述方法在处理等流径同心圆鼓胀板换热器的校核计算时存在明显不足。采用对数平均温差法或传热单元数法时，因将多流路简化为单一平均流路，无法精细校核各支路出口温度分布，难以验证等流径设计的分配效果；采用经典传热准则式及污垢热阻修正时，忽略了鼓胀板特殊结构对传热的影响及污垢的非均匀沉积特性；即便部分研究采用了微元划分，其微元划分依据也仅是沿流动方向的物性变化节点，本质上仍将各流路简化为平均处理，各微元段内仍基于一维假设，无法反映板内洁净工质“先向上、再蛇形向下、跨圈切换后重复”的三维蛇形跨圈流动与板外非洁净工质螺旋上升流动相互交织所形成的耦合传热关系，也忽略了同心圆筒结构在径向方向上的温度梯度对整体换热性能的影响。

技术实现思路

1、本发明提供了一种同心圆鼓胀板圆筒换热器三维温度场校核计算方法，所述同心圆鼓胀板换热器包括

n个同心圆的鼓胀换热板，

n个所述鼓胀换热板沿径向由内向外依次套设，所述鼓胀换热板板内的工质为第一流体，鼓胀换热板板外的工质为第二流体，所述方法包括：

2、s1、根据所述同心圆鼓胀板换热器的结构参数和运行参数，计算所述第一流体的对流传热系数和第二流体的对流传热系数，并根据所述第一流体的对流传热系数和第二流体的对流传热系数计算总传热系数；

3、s2、将每个所述鼓胀换热板划分为

m个网格，每个网格包括第i圈板内侧、第

i圈板外里侧和第

i圈板外外侧，

i=1,2,…,

n，每个网格称为三股流换热微元；根据所述总传热系数，计算每个所述三股流换热微元的板内-板外里侧的里侧传热系数，及每个三股流换热微元的板内-板外外侧的外侧传热系数；

4、s3、根据所述里侧传热系数和所述外侧传热系数，首先沿着第

i圈鼓胀换热板的板外里侧和板外外侧两股第二流体分别从所述同心圆鼓胀板换热器的底部进口到顶部出口的的螺旋流动流向，计算第

i圈每个所述三股流换热微元的所述两股第二流体的出口温度值；然后沿着所述第一流体从第

i圈的鼓胀换热板的中心线右侧、前半圈底部进口至前半圈底部出口，再从第

n+1-

i圈的鼓胀换热板的中心线左侧、后半圈底部进口至后半圈底部出口的等流径流动方向，计算第

i圈每个三股流换热微元的所述第一流体的出口温度值；重复s3，直至

i=

n；

5、s4、计算

n个所述第一流体的出口温度值的第一平均值，或计算

n个所述第二流体的出口温度值的第二平均值；

6、s5、执行步骤s3-s4，直至得到的两次第一平均值/第二平均值小于预设偏差阈值，记录三维温度场计算值。

7、进一步地，在计算所述第一流体的对流传热系数和第二流体的对流传热系数之前，还包括：

8、根据预设换热有效度预算所述同心圆鼓胀板换热器的总体换热量、板内第一流体出口温度和板外第二流体出口温度，作为迭代计算的初始值。

9、具体地，计算第

i圈每个三股流换热微元的所述第一流体的出口温度值，具体为：

10、沿着每

i圈所述第二流体的流路方向，计算每个所述三股流换热微元的温度场；

11、沿着第

i圈所述第一流体的流动方向，计算依次经过第

i圈前半圈换热区和第

n-

i+1圈的后半圈换热区的所述第一流体的出口温度值。

12、具体地，沿着每

i圈所述第二流体的流路方向，计算每个所述三股流换热微元的温度场，包括：

13、设每

i圈所述第二流体虚拟流动圈数为

s[

i]，自增迭代变量

iter[

i]（

iter[

i]=1,2,3,…,

s[

i]），定义流体虚拟程数

pass[

i]；

14、从所述同心圆鼓胀板换热器的底部进口开始，所述第二流体沿着

iter[

i]的每一列同心螺旋流动一圈后，向上移动一行，直至螺旋流动至

s[

i]的每一列，从所述同心圆鼓胀板换热器的顶部出口流出。

15、具体地，沿着第

i圈所述第一流体的流动方向，计算依次经过第

i圈前半圈换热区和第

n-

i+1圈的后半圈换热区的所述第一流体的出口温度值，包括：

16、定义自减迭代变量为

iter[

j]（

iter[

j]=1,2,3,…,

s[

j]）；

17、第一流体从所述同心圆鼓胀板换热器的底部进口开始，沿着第

i圈从第一列竖直向上流动至同心圆顶部，然后进入第二列向下流动，直至流至所述同心圆鼓胀板换热器的底部出口；然后进入第

n-

i+1圈鼓胀换热板的

s[

j]列，竖直向上流动至换鼓胀热板顶部后，再进入

s[

j]-1列向下流动，直至第一列，从所述同心圆鼓胀板换热器的底部出口流出。

18、根据所述流体虚拟程数

pass[

i]的奇偶性，确定前半圈和后半圈的流向类型：

19、当所述流体虚拟程数为奇数时，所述前半圈流向类型

ft为

p1，所述后半圈流向类型

lt为

p2；

20、当所述流体虚拟程数为偶数时，所述前半圈流向类型

ft为

p2，所述后半圈流向类型

lt为

p1。

21、具体地，对于每个三股流换热微元，根据其所在列数

k确定板内流体的入口温度：

22、当

k=1时，入口温度取自总入口温度或本列上一行的出口温度；

23、当

k=2或

k=3时，入口温度取自下一个流体虚拟程数对应行的出口温度或本圈最后一行的出口温度；

24、当

k=4时，入口温度取自配对圈第2列前

k[

i]行的出口温度平均值或本列上一行的出口温度；

25、其中，

k[

i]为每个流体虚拟程数所包含的行数，由虚拟流动圈数

s[

i]除以蛇形流动次数

n

flow后向下取整得到。

26、具体地，根据所述第一流体的对流传热系数和所述第二流体的对流传热系数，计算所述同心圆鼓胀板换热器的总体传热系数。

27、进一步地，记录三维温度场计算值时，同时输出各圈层第一流体各支路的出口温度分布数据，验证等流径设计的均匀分配效果。

28、本发明能产生的有益效果包括：针对同心圆鼓胀板换热器中的第一流体，采用第

i圈半圈与第

n-

i+1圈半圈组合流动方式，流股在完成前半圈换热后经底部管路切换至配对圈后半圈继续换热，流动路径在圈层切换时发生间断与重置，以及第二流体在由圆筒底部竖直向上流动的同时，因顶部电机旋转产生螺旋向上流动的特点，本发明通过将每圈鼓胀换热板平铺展开后划分为四列，并沿板外螺旋流动路径与板内蛇形跨圈流动路径交替执行两个方向的传热计算，真实反映了板内三维蛇形跨圈流动与板外螺旋上升流动相互交织的耦合传热关系，解决了因三维组合流动形式带来的温度场无法计算的问题；针对同心圆筒结构下各圈线速度不同导致各圈传热系数各不相同、校核计算极为困难的问题，本发明通过构建由板内第一流体、板外里侧第二流体和板外外侧第二流体组成的三股流换热微元模型，并对每一圈分别计算其传热系数与出口温度，表征了各圈层在径向方向上的传热性能差异；根据流体虚拟程数的奇偶性，动态切换前半圈与后半圈的流向类型，精确模拟了第一流体“先沿第一列竖直向上、再沿第二列水平蛇形向下、跨圈至第

n-

i+1圈后沿第四列竖直向上、再沿第三列水平蛇形向下”的复杂三维流动路径，实现了对各支路出口温度的精细校核；通过循环迭代计算直至前后两轮得到的第一平均值小于预设偏差阈值，输出各圈层各支路的出口温度分布数据，为同心圆鼓胀板换热器的优化设计提供了可靠的三维温度场校核依据。