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板翅式换热器传递函数动态模型及参数确定方法

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北京航空航天大学学报 2024年第1期50卷 154-162页

作者：梁兴壮黄志远艾凤明袁振伟汪箭中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室合肥230026 中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所沈阳110035

飞机综合环控/热管理系统迫切需要建立快捷高效的换热器动态仿真模型,以满足先进控制系统设计需求。基于此,针对板翅式换热器动态模型,提出一种包含2个延迟环节和4个一阶惯性环节的传递函数矩阵形式,并从换热器机理模型出发,利用拉普拉... 详细信息

飞机综合环控/热管理系统迫切需要建立快捷高效的换热器动态仿真模型,以满足先进控制系统设计需求。基于此,针对板翅式换热器动态模型,提出一种包含2个延迟环节和4个一阶惯性环节的传递函数矩阵形式,并从换热器机理模型出发,利用拉普拉斯变换推导模型中4个时间常数的计算公式,提出基于换热器效率的传热热阻计算关系式的辨识方法,解决了主要模型参数设置难题。以板翅式换热器为研究对象,在Simulink仿真平台搭建其传递函数动态模型,并与AMESim仿真平台搭建的机理模型进行对比分析,结果显示:2种模型所得空气和冷却水出口温度分别随入口温度和质量流量阶跃变化的动态响应曲线吻合很好,其中,4种工况空气和冷却水出口温度最大稳态偏差分别为0.034℃和0.029℃,当冷却水入口质量流量阶跃变化时,空气出口温度动态响应相对偏差最大,为9.27%,当空气入口质量流量阶跃变化时,冷却水出口温度动态响应相对偏差最大,为7.03%。

关键词：换热器动态模型传递函数矩阵时间常数传热热阻

超临界CO_(2)印刷电路板换热器热工水力特性研究

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哈尔滨工程大学学报 2024年第4期45卷 819-824页

作者：明杨金旸杨雯赵富龙谭思超田瑞峰哈尔滨工程大学核科学与技术学院黑龙江哈尔滨150001 中国舰船研究设计中心湖北武汉430000 中国核动力研究设计院四川成都610041

对于超临界CO_(2)布雷顿循环中的印刷电路板换热器,其复杂结构与工作介质的特殊物理性质将导致集总参数方法出现较大的计算误差。为提升印刷电路板换热器的换热参数的计算精度,本文基于Modelica语言,采取分节点建模方法,开发了印刷电路... 详细信息

对于超临界CO_(2)布雷顿循环中的印刷电路板换热器,其复杂结构与工作介质的特殊物理性质将导致集总参数方法出现较大的计算误差。为提升印刷电路板换热器的换热参数的计算精度,本文基于Modelica语言,采取分节点建模方法,开发了印刷电路板换热器的热工水力特性计算程序,对其稳态运行时的换热参数进行了分析。结果表明:印刷电路板换热器的通道内超临界CO_(2)的对流换热系数沿流动方向发生显著变化。与设计值相比,分节点计算程序的最大相对误差小于3%,计算精度相比于集总参数方法显著提升,因此有必要采取分节点计算方法以提高计算精度。研究结果可为超临界CO_(2)布雷顿循环系统中印刷电路板换热器的设计和仿真提供参考。

关键词：超临界二氧化碳超临界流体布雷顿循环印刷电路板逆流式换热器分节点法换热特性

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换热器因应结垢慢时变的控制系统重构分析

化工学报 2021年第10期72卷 5273-5283页

作者：任超孙琳罗雄麟中国石油大学(北京)自动化系北京102249

换热器作为化工过程中重要的热量传递设备,一般需要持续运行较长时间,期间由于结垢热阻的不断累积,换热器的换热效率将随时间逐渐下降,直至无法满足工艺要求。在实际的工业换热过程中,工艺人员通常会对换热器进行裕量设计,然而,当换热... 详细信息

换热器作为化工过程中重要的热量传递设备,一般需要持续运行较长时间,期间由于结垢热阻的不断累积,换热器的换热效率将随时间逐渐下降,直至无法满足工艺要求。在实际的工业换热过程中,工艺人员通常会对换热器进行裕量设计,然而,当换热器需要运行的时间增长或者裕量设计不足时,面对不可避免的结垢增长,常用的流量控制策略在换热器运行末期的调节效果逐渐变差,旁路控制的方案无法实现全周期的持续控制。因此,本文首先在渐近增长模型的基础上建立了换热器结垢累积的积分渐近模型,该模型考虑了过程参数对结垢速率的影响;其次,以一个用于水循环的小面积换热器为例,分析了考虑结垢增长的条件下流量控制和旁路控制的调节效果;最后,针对结垢过程的慢时变和持续性等特点,设计了基于流量与旁路开度的控制系统重构方案。示例的运行结果表明,对于同样面积裕量有限的换热器,这一控制方案能延长其使用寿命,实现其全周期持续可控的目标。

关键词：过程系统过程控制换热器结垢热阻全周期控制控制系统重构

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机理骨架结合表征参数的换热器建模方法研究

中国电机工程学报 2023年第20期43卷 7973-7981页

作者：王轩凌智舒歌群田华王瑞内燃机燃烧学国家重点实验室(天津大学) 天津市津南区300350 中国科学技术大学安徽省合肥市230026

间壁式换热器广泛应用于能源动力系统中,并对整个系统的稳态和动态性能都有至关重要的影响作用,因此建立准确的动态仿真模型至关重要。目前,针对间壁式换热器的动态仿真模型主要有两大类即基于机理和基于辨识的模型。针对机理建模方法... 详细信息

间壁式换热器广泛应用于能源动力系统中,并对整个系统的稳态和动态性能都有至关重要的影响作用,因此建立准确的动态仿真模型至关重要。目前,针对间壁式换热器的动态仿真模型主要有两大类即基于机理和基于辨识的模型。针对机理建模方法计算速度较慢,并需要实验数据标定保证精度的缺点,以及模型辨识技术不可解释,适用性和稳定性差的缺点,该文提出使用最基本的机理作为模型骨架奠定模型稳定性并减少模型计算量,同时推导出具有物理意义的表征参数来保证模型精度,并使用深度强化学习算法来获得参数的准确值。该文将方法称之为机理骨架结合表征参数的建模方法,其中机理骨架比拟事物的基本框架特征,表征参数比拟事物的表象特征。基于此,通过对一个有机朗肯循环中蒸发器的建模,将建模方法和基于机理的建模方法做了对比。对比结果证明所提出的建模方法与机理建模方法具有等价性,同时还可以显著提高计算速度;而相比于模型辨识方法,该方法具有可解释性,以及很好的稳定适用性。

关键词：换热器动态仿真模型深度强化学习有机朗肯循环

折流板对改进型平面弹性管束换热器传热特性的影响

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振动与冲击 2023年第10期42卷 51-57页

作者：张经纬季家东潘玉玲陈清华李飞扬安徽理工大学机械工程学院安徽淮南232001 安徽理工大学人工智能学院安徽淮南232001

基于传统平面弹性管束(plane elastic tube bundle,PETB)换热器,通过进行结构改进,提出了一种改进型PETB换热器。研究了折流板结构参数(高度和弧度)对改进型PETB换热器传热特性的影响。结果表明:随着折流板高度增加,内部传热元件的振动... 详细信息

基于传统平面弹性管束(plane elastic tube bundle,PETB)换热器,通过进行结构改进,提出了一种改进型PETB换热器。研究了折流板结构参数(高度和弧度)对改进型PETB换热器传热特性的影响。结果表明:随着折流板高度增加,内部传热元件的振动强度减小,传热元件的振动强化传热性能和换热器的综合传热性能均提高。当比例因子由0.70增加到0.80时,监测点的振动幅值降低7%以上;振动条件下传热元件的平均努赛尔数提高5.50%,换热器的综合传热性能评价指标(performance evaluation criteria,PEC)提高1.42%。折流板弧度的变化影响传热元件的振动强度和传热性能,当折流板弧度为10°时,监测点的振动最剧烈,传热元件的振动强化传性能和换热器的综合传热性能均最高。与弧度为0°和20°相较,监测点的振幅最大分别提高6.27%和6.63%;振动条件下传热元件的平均努赛尔数分别提高2.91%和2.78%,换热器的综合传热性能评价指标PEC分别提高0.83%和3.23%。

关键词：平面弹性管束(PETB) 换热器折流板振动强化传热

带螺旋折流板的中空换热器振动和传热特性分析

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振动与冲击 2023年第8期42卷 251-258页

作者：孙亚茹季家东华子森王成军王艳安徽理工大学人工智能学院安徽淮南232001 安徽理工大学机械工程学院安徽淮南232001

为改进换热器内螺旋传热元件的振动均匀性及提高换热器的综合传热性能,提出一种带有螺旋折流板(hollow helical baffle,HHB)的中空换热器,采用双向流固耦合计算方法,研究了入口流速及折流板安装位置对换热器振动及传热特性的影响。结果... 详细信息

为改进换热器内螺旋传热元件的振动均匀性及提高换热器的综合传热性能,提出一种带有螺旋折流板(hollow helical baffle,HHB)的中空换热器,采用双向流固耦合计算方法,研究了入口流速及折流板安装位置对换热器振动及传热特性的影响。结果表明:带螺旋折流板的中空换热器可有效均衡振动特性,提高传热特性;增加入口流速,传热元件振动幅值和换热系数增大;折流板安装在换热器上部时,平均振动幅值最大,平均传热系数最小,传热均匀性最好;带螺旋折流板中空换热器的PEC(performance evaluation criteria)值大于1,实现了强化传热的效果,折流板安装在换热器的下部、上部、左部和右部时换热器的PEC值比传统螺旋弹性管束换热器的PEC值分别提高了2.04%,7.87%,1.32%和0.03%,折流板安装在上部时PEC值最大,综合传热性能最好。

关键词：传热元件换热器螺旋折流板振动特性传热特性

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渗流作用下的中深层地埋管换热器传热分析

太阳能学报 2023年第3期44卷 304-310页

作者：王昌龙王鑫鲁进利王栋张朋远孙彦红安徽工业大学建筑工程学院马鞍山243002

考虑地下水渗流的影响,基于移动线热源模型提出一种中深层地埋管换热器半解析模型。基于Fluent软件建立数值模型,并对已知进口流体温度和已知总热输入功率两种边界条件下的数值模型、半解析模型和忽略渗流的半解析模型进行对比。结果发... 详细信息

考虑地下水渗流的影响,基于移动线热源模型提出一种中深层地埋管换热器半解析模型。基于Fluent软件建立数值模型,并对已知进口流体温度和已知总热输入功率两种边界条件下的数值模型、半解析模型和忽略渗流的半解析模型进行对比。结果发现,两种边界条件下的半解析模型在前期均具有较大误差,而在中后期均与数值模型吻合得较好,其精度高于忽略渗流的半解析模型,尤其是在地下水渗流速度较大的时候。结果表明所提出的半解析模型可用于分析渗流作用下的中深层地埋管传热。

关键词：换热器地源热泵地下水渗流移动线热源模型传热模型

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脉管制冷机室温换热器强化辐射换热研究

工程热物理学报 2023年第4期44卷 1023-1029页

作者：李政坤俎红叶戴巍李永李珂李江涛中国科学院理化技术研究所北京100190 中国科学院大学北京100049

脉管制冷机是目前最常用的高效小型低温制冷机之一。相对于主动散热,采用被动散热的室温换热器具有可靠性高与使用便捷等优点。辐射换热强化是提高室温换热器性能的一种方法。本文选取了一种小型脉管制冷机,研究在其主肋片换热器表面涂... 详细信息

脉管制冷机是目前最常用的高效小型低温制冷机之一。相对于主动散热,采用被动散热的室温换热器具有可靠性高与使用便捷等优点。辐射换热强化是提高室温换热器性能的一种方法。本文选取了一种小型脉管制冷机,研究在其主肋片换热器表面涂覆高发射率涂层对整机散热性能的影响。在自然对流条件下实验,对比涂覆高发射率涂层前后制冷机的运行温度。结果表明,喷涂高发射率涂层后,制冷机电机温度基本不变,冷指下方的辅助肋片换热器温度下降了约1~2℃,而主肋片换热器温度下降了约3~4℃。通过理论推算得,改变发射率前后主肋片换热器的辐射换热占比从8.6%提升至29.7%。结果证明强化辐射换热降低了制冷机室温换热器的工作温度,是一种改善小型制冷机散热的可行方法。

关键词：高发射率涂层换热器辐射换热自然对流

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换热器优化中均分原则的适用性分析

中国科学：技术科学 2021年第10期51卷 1231-1244页

作者：程雪涛张龙飞梁新刚安徽省合肥市政务中心合肥230071 清华大学工程力学系热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084

在许多物理过程的优化设计中,其优化结果反映为某些物理量或者函数的均匀分布,即相应的均分原则.针对两股流和三股流换热器的优化分析,讨论了热力学力场均匀性原则、ΔT/T场均匀性原则和温差场均匀性原则三项均分原则的适用性.研究表明... 详细信息

在许多物理过程的优化设计中,其优化结果反映为某些物理量或者函数的均匀分布,即相应的均分原则.针对两股流和三股流换热器的优化分析,讨论了热力学力场均匀性原则、ΔT/T场均匀性原则和温差场均匀性原则三项均分原则的适用性.研究表明,当换热量给定时,前两项原则既不能给出最小的换热器熵产率,又不能给出最高的换热器效能;而当换热器实现最佳传热性能时,前两项原则得不到满足.对于温差场均匀性原则,不论冷热流体间的传热系数是否为常数,均可基于理论对其进行数学证明.当冷热流体温差场完全均匀时,换热器的耗散热阻达到最小值.可见,温差场均匀性原则可以给出换热器的最佳传热性能.进一步,本文给出了简单的案例,直观地验证了上述结论.理论与案例分析的结果进一步表明,热力学力场均匀性原则和ΔT/T场均匀性原则都是基于熵产的概念得到的,而熵产从做功能力损失的角度衡量不可逆性,导致这两项原则与传热优化的目的不一致,而且其推导过程中所采用的传热定律也不符合实际的传热过程;而用于证明温差场均匀性原则的(火积)耗散则从传热能力损失的角度衡量传热过程的不可逆性,其优化目标与传热优化目标则是一致的.这就是前两项原则不适用于换热器优化分析而温差场均匀性原则适用的根本原因.

关键词：均分原则换热器 (火积)耗散热阻温差场均匀性原则热力学力