一种轻质高效预冷器全流程设计方法与流程

技术特征：
1.一种轻质高效预冷器全流程设计方法，其特征在于，包括以下步骤：将预冷器的螺旋换热单元根据沿程温度划分为有限的段；根据能量守恒定律获得各段流体的入口和出口的温度；以各段的平均温度作为定性温度，通过对数平均温差法确定传热面积；根据传热面积确定各段螺旋换热单元的长度；根据各段螺旋换热单元的结构尺寸确定各段螺旋换热单元的压降；若预冷器的总压降满足条件，则预冷器全流程设计结束，否则更改预冷器螺旋线尺寸，重新迭代直至满足压降条件。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：步骤1、已知高温侧进口温度t
h,in
、高温侧出口温度t
h,out
、低温侧进口温度t
c,in
、低温侧出口温度t
c,out
，根据热端温度将预冷器螺旋换热单元划分为有限的n段；设i为正整数，且1≤i≤n，并设其初始值为1，并设第一段预冷器的初始半径为r1；步骤2、对于第i节点至第i 1节点之间的第i段预冷器，已知高温侧第i节点温度t
h,1
，低温侧第i节点温度t
c,1
，高温侧第i 1节点温度t
h,2
，根据能量守恒定律求得第i段预冷器换热功率q和低温侧第i 1节点温度t
c,2
，根据逆流流动形式计算对数平均温差步骤3、对于第i段预冷器，分别以两侧流体第i节点、第i 1节点的平均温度作为定性温度，并得到两侧流体的物性参数：定压比热c
p
、黏性系数m、传热系数k、普朗特数pr、密度p；步骤4、对于第i段预冷器，假定预冷器管径，根据物性参数、几何参数计算两侧流体的雷诺数re，压力损失因数f，努塞尔数nu；步骤5、对于第i段预冷器，根据公式h计算两侧流体的对流换热系数h，并据此计算预冷器的总换热系数u，其中d为当量直径，λ为两侧流体的导热系数；步骤6、对于第i段预冷器，根据公式计算所需换热面积a
h
，并求得第i段预冷器的长度l，并计算其压降至此第i段预冷器的参数计算完毕；步骤7、根据第i段预冷器的初始半径r1、第i段预冷器的长度l，计算其旋转角度θ1、最大半径r2；步骤8、若i<n，则以第i段预冷器的最大半径r2作为后一段预冷器的初始半径，将i加1，返回步骤2，即对于后一段预冷器至最末段预冷器，重复步骤2～7；若i＝n，则执行下一步；步骤9、将各段预冷器的长度、旋转角度、压降分别求和；步骤10、若预冷器总压降满足要求，则预冷器全流程设计结束；否则，调整预冷器螺旋线尺寸参数初始半径r1，将i设回初始值1，并返回步骤7迭代计算直至满足总压降要求。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤3中，通过查图表得到两侧流体的物性参数。4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤6中，将换热面积a
h
结合已知的微细管规格，求得第i段预冷器的长度l。5.一种基于权利要求1至4中任一项所述方法设计得到的预冷器。6.一种使用如权利要求5所述预冷器的发动机。7.一种使用如权利要求6所述发动机的飞行器。
8.一种如权利要求5所述预冷器的工作方法。9.一种如权利要求6所述发动机的工作方法。10.一种如权利要求7所述飞行器的工作方法。

技术总结
本发明涉及一种轻质高效预冷器全流程设计方法，属于预冷器技术领域。本发明通过将预冷器的螺旋换热单元进行有限地分段完成换热器热力设计可大大提高预冷器设计精度；可明确预冷器螺旋换热单元两侧工质沿程温度分布；可根据两侧工质沿程温度判断预冷器管壁结霜风险区域。险区域。险区域。


技术研发人员：周静 张志刚 刘国栋 李亭鹤 牛军 马同玲
受保护的技术使用者：北京动力机械研究所
技术研发日：2022.10.24
技术公布日：2023/1/13