一种热交换器式热计量方法

　　现有的热量表在结构与功能上,由三个基本部分组成:流量计、温度传感器和积算器。目前热量表的流量计主要采用机械式流量计。而我国的供暖水质较差,水中含有大量的对机械式流量计产生破坏作用的杂质[1]。为了解决上述问题,文献[2]提出了热桥式热计量方法,在该方法中,测量串接在供回水回路中的热桥出入口的温度,从而间接的估算出流量,然后再利用热量计量的一般原理来计算热量。热桥本质上是一种热交换器。这种方法不受水质的影响。然而,热交换器结构设计的好坏将对流量测量的准确性产生明显的影响。

　　工程上主要通过平均温差法结合工程经验进行热交换器的热计算,但这种方法不能了解热交换器内部各部分的热工状况,因此很难实现对具体结构的优化设计。随着计算机计算能力的提高,尤其是并行计算的发展,基于真实三维几何模型和基本控制方程的CFD数值模拟技术逐渐应用于产品设计阶段。

　　本课题采用CFD数值模拟软件与模式搜索算法相结合的优化方法,实现了热交换器的优化设计。并通过实验,说明了热交换器式热计量方法具有较高的准确性。

　　1　热交换器式热量表简介

　　热交换器式热量表由以下几部分组成:热交换器、热电阻、积算器。如图1所示:

　　其中热交换器相当于流量计,用来检测流量,热电阻有三个,分别检测热流体入口温度(th, i)、热流体出口温度(th,o)、冷流体入口温度(tc, i),积算器进行热量计算,公式为:

　　式中: cpf, cpr为入口与出口的定压比热容; qv, qm为瞬时体积流量、瞬时质量流量;ρf,ρr为入口与出口温度下的载热流体密度; th,o, tc, i为入口与出口的温度。热流体通过散热器后变为冷流体,冷、热两种流体在热交换器中进行热交换。冷或热流体进出口温差与流体的流速有关。

　　由文献[2]可知,通过热交换器的流体的流量与温差比存在函数关系,即:

　　但由于模型过于复杂,很难用解析法得到该函数的具体形式,因此本课题借助于CFD数值模拟软件Fluent对模型进行仿真计算,得到流量和温差比的关系,从而为热交换器的优化设计提供了依据。

　　2　热交换器的物理模型和简化模型

　　2·1　物理模型

　　本热计量方法中的热交换器,采用图2所示的类似于管壳式换热器的结构。由上管箱、换热管、下管箱、档板、壳体构成。

　　该热交换器有两个管程两个壳程,管程走热流体,壳程走冷流体。换热管共有8根,均匀排列。入口管和出口管直径为Dinlet=19mm,换热管长度Ltube=400mm,热交换器高度Lh=460mm。换热管直径和壳程截面边长对热交换器性能影响最大,因此,分别定义它们为设计变量,用Dtube和Dshell表示。