申请/专利权人：重庆大学

申请日：2024-03-01

公开（公告）日：2024-04-16

公开（公告）号：CN117892457A

主分类号：G06F30/17

分类号：G06F30/17;G06F17/11

优先权：

专利状态码：在审-实质审查的生效

法律状态：2024.05.03#实质审查的生效;2024.04.16#公开

摘要：本发明涉及一种螺旋板式换热器详细设计方法，S1提取冷热物流的工艺参数和物性数据。S2建立螺旋板式换热器的非线性数学规划NLP模型。S3用二进制整型变量和一系列参数值表示离散变量，将每个离散值和一个二进制整型变量关联起来，将S2中的NLP模型转化为与之等价的混合整数非线性规划MINLP模型。S4用一组二进制整型变量表示所有设计变量离散值的组合，即每个二进制整型变量表示与一组设计变量离散值组合的候选解。采用线性化方法消除模型中的非线性项，将MINLP模型转化为与之等价的混合整数线性规划MILP模型。S5求解MILP模型获取满足传热需求的最小换热器面积和最优设计变量值。

主权项：1.一种螺旋板式换热器详细设计方法，其特征在于，将螺旋板式换热器的非线性规划模型NLP转化为与之等价的混合整数非线性规划MINLP模型和混合整数线性规划MILP模型，具体包括以下五个步骤：S1：提取冷热流股的工艺参数和物性数据，流股的工艺参数和物性数据包括冷热流体的进出口温度、质量流率、比热容、粘度、导热系数、密度及污垢系数；S2：建立螺旋板式换热器的NLP模型，NLP模型包含以下方程式： 其中，A为换热器面积，Areq为所需的传热面积，为面积裕量； 其中，为传热量，U为总传热系数，Ft为对数传热温差的校正因子，是平均对数传热温差： 其中，分别是热侧流体进出口温度，分别是冷侧流体进出口温度；A＝2HL4其中，H为板宽，L为板长； 其中，hh和hc分别为热侧和冷侧的薄膜传热系数，τ是板厚度，是板壁面的导热系数，是热侧和冷侧流体的结垢系数； 其中，Ds是螺旋外径，dc、dh分别是冷侧和热侧的通道间距，ds是螺旋内径，Dh、Dc分别是热侧和冷侧的水力学直径；Ah＝Hdh9Ac＝Hdc10其中，Ah是热侧的自由流动面积，Ac是冷侧的自由流动面积； 其中，分别是热侧和冷侧流体的质量流量，Gh、Gc分别是热侧和冷侧流体的质量通量； 其中，vh、vc分别是热侧和冷侧流体的平均速度，分别是热侧和冷侧流体密度； 其中，分别是热侧和冷侧流体粘度，Reh、Rec分别是热侧和冷侧流体的雷诺数； Reh≥Rehcri19Rec≥Reccri20其中，Rehcri、Reccri分别是热侧和冷侧流体的临界雷诺数； 其中，分别是热侧和冷侧流体的普朗克系数，分别是热侧和冷侧流体的比热容，分别是热侧和冷侧流体的热传导系数； 其中，hh、hc分别是热侧和冷侧流体的对流传热膜系数； 其中，ΔPh、ΔPc分别是热侧和冷侧流体的压降； 其中，Ft是对数传热温差的校正因子，CN是标准数； 其中，NTUh、NTUc分别是热侧和冷侧的传热单元数； 其中，分别是热侧和冷侧流体允许的最大压降； 其中，分别是热侧流体允许的最大流速和最小流速，分别为冷侧流体允许的最大流速和最小流速； 其中，分别是热侧流体允许的最大雷诺数和最小雷诺数，分别是冷侧流体允许的最大雷诺数和最小雷诺数；L≥20H37L≤40H38 其中TAC为年度总成本，Costcap是换热器面积所对应的投资成本，是资本投资的年度系数，Costope为泵送成本； 其中，和分别是计算投资成本的参数； 其中i是利率，是项目的年数； 其中是一年的运行时长，是能源价格，是泵效率；上述方程式1-42中的优化设计变量dh、dc、L、H、ds视为连续变量，方程式1-42构成了螺旋板式换热器的NLP模型；S3：用一组二进制整型变量和公式对优化设计变量进行离散化处理，将S2中的NLP模型转化为与之等价的MINLP模型；离散处理的优化设计变量包括dh、dc、L、H、ds，具体的离散处理如下所示： 如上述方程式43-52所示，将每个离散值关联到一个二进制整型变量；每个设计变量在处理后都由一组二进制整型变量和一系列离散的备选值表示，且只有一个离散值被选择；将方程式43-52表示离散设计变量代入方程式1-42构成的NLP模型，将NLP模型转换为MINLP模型；S4：用一组唯一的二进制整型变量表示设计变量值的组合，如方程式53-58所示，即每个二进制整型变量表示与设计变量离散值相关联的候选解； 其中分别是优化设计变量dh、dc、L、H、ds的候选离散参数，yrowsrow是表示设计变量值组合的二进制整型变量；使用一组二进制整型变量表示设计变量值的组合，即每个二进制整型变量表示与设计变量离散值相关联的候选解，这些二进制整型变量由一个多下标索引srow标注，srow＝sdh,sdc,sL,sH,sds，其中sdh,sdc,sL,sH和sds分别是与热侧通道间距，冷侧通道间距，螺旋长度，板宽，螺旋内径相关的单个索引标注；利用方程式53-58在方程式1-42中表示这些离散设计变量，进行线性化处理，消除这些公式中非线性项，线性化处理后的模型中只包含二进制整型变量。将方程式54和55代入方程式15，得到热侧流体雷诺数Reh的线性表达式： 将方程式55和56代入方程式16，得到冷侧流体雷诺数Rec的线性表达式： 同理可得式23、24中的hh、hc推导为只含整型变量的和 式25、26中的ΔPh、ΔPc经过线性化处理转化为只包含二进制整型变量的方程式和 进一步得到传热速率方程： 其中，的方程式为： 压降、流速、长宽比和雷诺数的边界方程31-38经过线性化处理，转化为线性的方程式67-74。换热器热侧和冷侧流体的压降边界表示为： 热侧和冷侧雷诺数的下限和上限由下式给出： 热侧和冷侧的流速界限为： 长宽比约束为： 目标函数为最小化换热器面积Amin或最小化年度总成本TACmin： 将式53-76表示离散变量和线性化方程代入NLP模型中，替代其中的非线性约束，将NLP模型转换为MILP模型。与Amin或TACmin对应的一组候选解即为满足换热需求的最小化换热器面积的设计参数；S5：求解S4中的MILP模型，获得满足传热需求的最小化换热器面积和对应的最优设计变量。

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百度查询： 重庆大学 一种螺旋板式换热器详细设计方法

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