[发明专利]考虑流型的有机朗肯循环换热器管道长度优化设计方法

权利要求书

1.一种考虑流型的有机朗肯循环换热器管道长度优化设计方法，其特征在于：在有机朗肯循环换热过程中，当有机工质为两相流状态时，首先假定工质蒸发或冷凝划分小段的管长，然后根据蒸发或冷凝温度、圆管内径d、工质质量速度G、划分小段的热流密度q与平均气体质量分数x，确定该划分小段所处的蒸发或冷凝两相流型，进而选取相应流型下的对流传热系数计算式以获得该划分小段的对流传热系数，最后根据此对流传热系数值与假定的划分小段管长计算该段的换热量，并与实际换热量进行比较，若不相同，则改变划分小段管长值，直到其相对误差小于或等于1%；按照此方法可确定一定循环特性参数下每划分小段的管长，进而可以获得整个蒸发器和冷凝器的管道长度；在蒸发器和冷凝器中，工质处于单相流状态时，选用Gnielinski公式来计算其对流传热系数，包括以下步骤：

步骤1：根据工质和热源流体平均温度下的工质动力粘度μ、比定压热容c_p和导热系数k计算此两种温度下工质的普朗特数Pr，对于气体只需计算划分段工质平均温度下的普朗特数，其中普朗特数计算式为

；

步骤2：根据工质平均温度下的密度ρ、运动粘度υ和工质的质量流量，计算工质的流速u和雷诺数Re，其具体计算式分别为

，

；

步骤3：根据Gnielinski公式计算努赛尔数Nu，其具体计算式为

，

对液体

，，

对气体

，，

式中，l为管长；f为管内湍流流动的Darcy阻力系数，按Filonenko公式计算。

2.根据权利要求1所述的一种考虑流型的有机朗肯循环换热器管道长度优化设计方法，其特征在于：在蒸发器中，工质处于气液两相流时，根据基于两相蒸发流型的对流传热系数计算式来计算管道的换热系数，包括以下步骤：

步骤1：根据蒸发温度T_evap、圆管内径d、工质质量速度G及气体质量分数x计算横截面气体所占面积的比例、液相和气相所占横截面的无量纲面积A_Ld和A_Vd、分层圆周角θ_strat、无量纲液高h_Ld和无量纲气液两相分界面周长P_id；

具体计算式如下：

，

式中，ρ_V和ρ_L分别为气态和液态工质的密度；g为重力加速度；σ为工质表面张力；

，

式中，A为蒸发器中内管道的横截面积；

，

，

，

步骤2：根据工质热物性参数及步骤1所求得的参数计算“间歇流–环状流”的过渡值；

，

式中，μ_L和μ_V分别为气态和液态工质的动力粘性系数；

步骤3：计算“分层流–分层波浪流”的过渡值；

，

且当x<x_IA时，G_strat = G_strat (x_IA)；

步骤4：计算过渡值G_wavy；

，

式中，韦博数，弗劳德数

（a）在区间x < x_IA，当G_wavy > G > G_wavy (x_IA)时，该区域为弹状流；

（b）在区间x < x_IA，当G_wavy (x_IA) > G > G_strat (x_IA)时，该区域为弹状流/分层波浪流；

（c）在区间x > x_IA，当G_wavy> G > G_strat时，该区域为分层波浪流；

步骤5：根据当地热流密度参数q，计算“环状流–干涸流”的过渡值；

，

式中，核池蒸发临界热流密度，h_LV为蒸发潜热；

当G_strat (x_i) ≥ G_dryout (x_i) 时，G_dryout (x_i) = G_strat (x_i)；

当G_wavy (x_i) ≥ G_dryout (x_i) 时，G_wavy (x_i) = G_dryout (x_i)；

步骤6：计算“干涸流–雾状流”（“D – M”）的过渡值；

，

当G_dryout (x_i) ≥ G_mist (x_i) 时，G_dryout (x_i) = G_mist (x_i)；

步骤7：根据质量速度G和各流型的过渡值来判断此时工质所处的两相蒸发流型；

步骤8：根据所处蒸发流型选取相应对流传热计算式进行换热系数的计算，具体情况如下：

（1）若流型为雾状流，则其对流传热系数

，

式中，Re_H为均相雷诺数；Pr_V为气相普朗特数；Y为复合因子；λ_V为气相导热系数；其具体计算式为

，

，

式中，c_pV为工质气态的比定压热容；

；

（2）若流型为间歇流、环状流、分层流、弹状流、弹状流/分层波浪流和分层波浪流时，其对流传热系数的计算过程如下：

a）计算干燥圆周角θ_dry；

i）若流型为间歇流、环状流和弹状流，则干燥圆周角等于零；

ii）若流型为分层流，则干燥圆周角θ_dry = θ_strat；

iii）若流型为分层波浪流，则干燥圆周角

；

iv）若流型为弹状流/分层波浪流，则干燥圆周角

；

b）计算液膜厚度δ

若δ> d/2，则δ= d/2；

c）计算气体部分对流传热系数，其计算式为

式中，气相雷诺数_；

d）计算液体部分对流传热系数，其计算式为

，

其中，h_cb和h_nb的计算式分别为

，

式中，液膜雷诺数；液态普朗特数；λ_L为液相导热系数；

，

式中，压降；M为工质摩尔质量；

e）计算总对流传热系数，其计算式为

；

（3）若流型为干涸流，则其对流传热系数

其中，x_di和x_de分别为干涸开始点和结束点，其计算式为

。

3.根据权利要求2述的一种考虑流型的有机朗肯循环换热器管道长度优化设计方法，其特征在于：在冷凝器中，工质处于气液两相流时，根据基于两相冷凝流型的对流传热系数计算式来计算管道的换热系数，包括以下步骤：

步骤1：根据圆管内径d、工质质量速度G和冷凝温度T_cond下的工质热物性参数，计算均相气体空间分数、Rouhani-Axelsson气体空间分数、对数平均气体空间系数、液态无量纲横截面积A_Ld、气态无量纲横截面积A_Vd、分层圆周角θ_strat、无量纲液高h_Ld和无量纲分界面周长P_id；其具体计算式如下：

步骤2：根据工质的热物性参数及步骤1中计算的参数计算“分层流–分层波浪流”的过渡值；

步骤3：计算“分层波浪流–间歇流”（“SW – I”）和“分层波浪流–环状流”的过渡值；

当x > x_wavymin时，G_wavy = G_wavy(x_wavymin)，其中x_wavymin为G_wavy在区间（0，1）取最小值G_wavy(x_wavymin)时的当地气体质量分数；

步骤4：计算“间歇流–环状流”（“I – A”） 的过渡值；

步骤5：计算“间歇流–雾状流”（“I – M”）和“环状流–雾状流”（“A – M”）的过渡值；

式中， ；

当x > x_mistmin时，G_mist = G_mist(x_mistmin)，其中x_mistmin为G_wavy在区间（0，1）取最小值G_wavy(x_mistmin)时的当地气体质量分数；

步骤6：计算“雾状流–泡状流”（“M – B”）的过渡值；

；

步骤7：根据质量速度G和各流型的过渡值即可确定此时工质所处的两相冷凝流型；

步骤8：根据所处冷凝流型选取相应对流传热计算式进行换热系数的计算，具体过程如下：

（1）计算不同两相冷凝流型的干燥角；

a）若为环状流、间歇流和雾状流，则干燥圆周角θ_dry为零，内表面粗糙度修正因子f_i的计算式为

；

b）若为分层波浪流，则分层圆周角θ_strat、干燥圆周角θ_dry和内表面粗糙度修正因子f_i的计算式分别为

；

c）若为分层流，则干燥圆周角θ_dry等于分层圆周角θ_strat

（2）计算对流冷凝传热系数h_c

式中，液态雷诺数；

（3）计算圆管顶部膜式冷凝传热系数h_f

其中，q值基于假定的管长；

（4）计算总冷凝对流传热系数h_tp

式中，r为圆管内半径。