CN102542164B - 增强型***热工水力行为模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种增强型***热工水力行为模拟方法。该方法在求解现有模拟软件的三个热负荷方程的基础上，增加了求解总传热系数K的方程，通过确定的换热器型式和换热器工况信息，求解四个方程中的变量q，t_to，t_so，K。本发明克服了此类软件在模拟换热器换热行为时损失求解精度或增加用户工作量的不足，提高了模拟的准确性，扩展了类似***热工水力软件的模拟范围和功能。

Description

增强型***热工水力行为模拟方法

技术领域

本发明涉及一种热工水力行为模拟方法。

背景技术

现有模拟***热工水力行为的软件有英国的Flowmaster、美国的AFTFathon和Pipenet等。这些软件以模拟大型管网中的流量、压力、温度分布而著称。目前Flowmaster和AFT在核电领域已进行大量应用和推广，美国西屋公司开发的AP1000电站也多采用AFT对***的流量、压力分配进行预测。然而这些软件在模拟换热器换热行为方面有所缺陷。通常模拟换热器换热行为，实质上是求解以下三个方程：

q＝M_t·(C_p，ti·t_ti-C_p，to·t_to)   (1)

q＝M_s·(C_p，so·t_so-C_p，si·t_si）   (2)

$q=K\·(F\·\frac{(t_{\mathrm{ti}}-t_{\mathrm{so}})-(t_{\mathrm{to}}-t_{\mathrm{si}})}{\ln \frac{t_{\mathrm{ti}}-t_{\mathrm{so}}}{t_{\mathrm{to}}-t_{\mathrm{si}}}})\·A---\left(3\right)$

其中，q为热负荷，kW；M为质量流量，kg/s；t为温度，℃；c_p为定压比热容，kJ/kg；F为换热器的对数温差校正因子；K表示换热器的总传热系数；A表示总换热面积，m²。下标：ti表示管侧进口；to表示管侧出口；si表示壳侧进口；so表示壳侧出口；s表示壳侧；t表示管侧。

上述参数中，与换热器具体构造、型式有关的有K，F，A，与换热器工况有关的有q、M、t_ti、t_to、t_si、t_so。

其中，总体传热系数K既与换热器构造有关又与换热器工况有关。通常求解都是与换热器构造相关的参数通过查阅换热器设计图纸获得，给定换热器工况有关的参数，仅剩下三个变量进行求解。下面以q、t_to、t_so为未知变量进行求解为例进行说明：

由于三个未知数和三个非线性方程，通常存在确定解，通过试算和迭代的方法获得数值解。由于K即和换热器构造有关又和换热器工况有关，在没有得到q、t_to、t_so这些未知变量的情况下，商业软件通常需要用户自行给定K值或者找到K值随工况的关系拟合成函数关系，然后再行求解。这样的解决方法或者损失了求解的精度或者增加了用户的工作量。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种增强型***热工水力行为模拟方法，以提高模拟的准确性，并扩展类似***热工水力软件的模拟范围和功能。

本发明的技术方案如下：一种增强型***热工水力行为模拟方法，包括如下四个模拟方程：

q＝M_t·(C_p，ti·t_ti-C_p，to·t_to)   (1)

q＝M_s·(C_p，so·t_so-C_p，si·t_si)   (2)

$q=K\·(F\·\frac{(t_{\mathrm{ti}}-t_{\mathrm{so}})-(t_{\mathrm{to}}-t_{\mathrm{si}})}{\ln \frac{t_{\mathrm{ti}}-t_{\mathrm{so}}}{t_{\mathrm{to}}-t_{\mathrm{si}}}})\·A---\left(3\right)$

$K=\frac{1}{[\frac{1}{h_s}+R_{\mathrm{fo}}+\frac{L_{\mathrm{tw}}{A}_o}{{\mathrm{\λ}}_w{A}_m}+(R_{\mathrm{fi}}+\frac{1}{h_t})\frac{A_o}{A_i}]}---\left(4\right)$

其中，q为热负荷；

M为质量流量；

t为温度；

c_p为定压比热容；

F为换热器的对数温差校正因子；

K表示换热器的总传热系数；

A表示总换热面积；

L_tw为管壁厚度；

R_fo为传热管内热阻；

R_fi为传热管外热阻；

h为对流换热系数；

λ_w为管壁导热系数；

A₀为管外总传热面积，A_o＝πLr_o，L为管长，r_o为管子外径；

A_i为管内总传热面积，A_i＝πLr_i，L为管长，r_i为管子内径；

A_m为有效平均传热面积；

下标：ti表示管侧进口；to表示管侧出口；si表示壳侧进口；so表示壳侧出口；s表示壳侧；t表示管侧；

通过确定的换热器型式和换热器工况信息，求解上述方程中的变量q，t_to，t_so。

进一步，如上所述的增强型***热工水力行为模拟方法，其中，所述的求解变量q，t_to，t_so的过程如下：

(S1)确定换热器的型式；

(S2)确定换热器工况信息；

(S3)给两个待解变量t_to或t_so其中一个赋初值；

(S4)同时利用方程(1)、(2)、(3)计算得到K、q，以及另一个变量t_so或t_to，得到的K记为K1；

(S5)根据t_so和t_to，通过方程(4)求得K，记为K₂；

(S6)比较K₂和K₁，如果|K₂-K₁|/K₂小于千分之一，则结束计算,本次计算对应的q、t_to、t_so即为计算结果；否则，调整t_to或t_so，返回步骤(S4)。

更进一步，如上所述的增强型***热工水力行为模拟方法，其中，在步骤(S6)中，需要调整t_to时，若K₂/K₁大于1，则减小t_to，若K₂/K₁小于1，则增大t_to；需要调整t_so时，若K₂/K₁小于1，则减小t_so，若K₂/K₁大于1，则增大t_so。

本发明的有益效果如下：本发明为了提高***热工水力模拟软件在温度模拟方面的准确性，在求解原有三个方程的基础上，增加求解方程(4)(即K方程)，克服了此类软件在模拟换热器换热行为的不足，提高了模拟的准确性，扩展了类似***热工水力软件的模拟范围和功能。

附图说明

图1为本发明求解模拟方程中变量q，t_to，t_so，K的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。

在换热器模拟方面，国际上流行的换热器设计软件有HTRI和HTFS两种。这些换热设备专用软件需要输入详细的换热器结构参数，***设计人员需要查阅大量设备工程设计文件完成参数输入工作。关键是无法和热工流体计算软件耦合进行数据互换完成换热器换热能力的模拟。而***热工水力软件如技术背景所述，计算中对换热器的总体换热系数K需要假设，且无法和计算结果进行耦合求解。

为解决上述问题，本发明所提供的增强型***热工水力行为模拟方法，包括如下四个模拟方程：

q＝M_t·(C_p，ti·t_ti-C_p，to·t_to)   (1)

q＝M_s·(C_p，so·t_so-C_p，si·t_si)   (2)

$q=K\·(F\·\frac{(t_{\mathrm{ti}}-t_{\mathrm{so}})-(t_{\mathrm{to}}-t_{\mathrm{si}})}{\ln \frac{t_{\mathrm{ti}}-t_{\mathrm{so}}}{t_{\mathrm{to}}-t_{\mathrm{si}}}})\·A---\left(3\right)$

$K=\frac{1}{[\frac{1}{h_s}+R_{\mathrm{fo}}+\frac{L_{\mathrm{tw}}{A}_o}{{\mathrm{\λ}}_w{A}_m}+(R_{\mathrm{fi}}+\frac{1}{h_t})\frac{A_o}{A_i}]}---\left(4\right)$

其中，q为热负荷，kW；

M为质量流量，kg/s；

t为温度，℃；

c_p为定压比热容，kJ/kg；

F为换热器的对数温差校正因子；

K表示换热器的总传热系数；

A表示总换热面积，m²；

L_tw为管壁厚度，m；

R_fo为传热管内热阻，m²℃/W；

R_fi为传热管外热阻，m²℃/W；

h为对流换热系数，W/m²℃；

λ_w为管壁导热系数；

A₀为管外总传热面积，m²；A_o＝πLr_o(L为管长，r_o为管子外径)

A_i为管内总传热面积，m²；A_i＝πLr_i(L为管长，r_i为管子内径)

A_m为有效平均传热面积，m²；

为传热管热阻，m²℃/W；

下标：ti表示管侧进口；to表示管侧出口；si表示壳侧进口；so表示壳侧出口；s表示壳侧；t表示管侧。

本发明为了提高***热工水力模拟软件在温度模拟方面的准确性，在求解原有三个方程的基础上，增加求解方程(4)(下文简称K方程)，克服了此类软件在模拟换热器换热行为的不足。用户在计算开始时仅需输入换热器结构参数，与工况有关的参数均有计算机自行求解。或者为了方便用户，程序针对不同用户，将所需换热器结构参数事先与程序绑定，用户仅需对换热器型号进行挑选，设定好工况条件即可自行进行计算。以压水堆核电站为例：核岛中约有50个换热器，为了避免用户接触复杂的换热器，可以先将这50个换热器的结构信息固化在K方程中。用户在选择换热器，实际是在选择代表不同热交换器的K方程。计算时再输入若干工况条件，如高温侧流量和入口温度，低温侧流量和入口温度，即可准确算出高低温侧的出口温度，实现对换热器换热行为的准确预测。

下面描述一下求解上述方程中变量q，t_to，t_so的过程，如图1所示。

第一步，开始计算时，用户可以自行确定是选择换热器型式还是自行定义换热器，从而确定参数F、A。

第二步，确定后输入或者由***热工水力软件传递换热器工况信息，如冷热侧的流量和进口温度信息等，M、t_ti、t_si；壳侧为冷侧，管侧为热侧。

第三步，给t_to(或t_so，两个待解变量其中一个)赋初值，本实施例中，t_to的初值等于t_ti，t_so的初值等于t_si，当然，t_to或t_so的初值也可以在t_ti、t_si的基础上做些微调；

第四步，利用方程(1)、(2)、(3)计算得到K、q、t_so(或t_to)，K记为K₁；

需要说明的是，方程(4)中包含的R_fo、R_fi、h_s、h_t等都是温度t_to，t_so的函数，本领域的技术人员可以参见T.Kuppan著，钱颂文等译《换热器设计手册》220-223页。通过查阅设备设计资料即可确定方程(4)中的各个参数。

第五步，根据t_so和t_to，通过方程(4)求得K，记为K₂；

第六步，比较K2和K1，如果|K2-K1|/K2小于千分之一，则结束计算,本次计算对应的q、t_to、t_so即为计算结果；否则，调整t_to(或t_so)，返回第四步。

调整t_to或t_so的方法如下：需要调整t_to时，若K₂/K₁大于1，则减小t_to；若K₂/K₁小于1，则增大t_to。需要调整t_so时，若K₂/K₁小于1，则减小t_so；若K₂/K₁大于1，则增大t_so。

减小或增大t_to(或t_so)的幅度可根据实际情况来确定，本实施例推荐以当前温度值的千分之一为单位逐渐调整t_to(或t_so)，本领域的技术人员也可以根据具体情况设定调整幅度，以满足实际需要。

本发明在***热工水力软件求解换热器三个方程的基础上，增加了求解总体传热系数方程，提高了模拟的准确性，扩展了类似***热工水力软件的模拟范围和功能。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种增强型***热工水力行为模拟方法，包括如下四个模拟方程：

q＝M_t·(C_p，ti·t_ti-C_p，to·t_to)   (1)

q＝M_s·(C_p，so·t_so-C_p，si·t_si)   (2)

$q=K\·(F\·\frac{(t_{\mathrm{ti}}-t_{\mathrm{so}})-(t_{\mathrm{to}}-t_{\mathrm{si}})}{\ln \frac{t_{\mathrm{ti}}-t_{\mathrm{so}}}{t_{\mathrm{to}}-t_{\mathrm{si}}}})\·A---\left(3\right)$

$K=\frac{1}{[\frac{1}{h_s}+R_{\mathrm{fo}}+\frac{L_{\mathrm{tw}}{A}_o}{{\mathrm{\λ}}_w{A}_m}+(R_{\mathrm{fi}}+\frac{1}{h_t})\frac{A_o}{A_i}]}---\left(4\right)$

其中，q为热负荷；

M为质量流量；

t为温度；

c_p为定压比热容；

F为换热器的对数温差校正因子；

K表示换热器的总传热系数；

A表示总换热面积；

L_tw为管壁厚度；

R_fo为传热管内热阻；

R_fi为传热管外热阻；

h为对流换热系数；

λ_w为管壁导热系数；

A_o为管外总传热面积，A_o＝πLr_o，L为管长，r_o为管子外径；

A_i为管内总传热面积，A_i＝πLr_i，L为管长，r_i为管子内径；

A_m为有效平均传热面积；

下标：ti表示管侧进口；to表示管侧出口；si表示壳侧进口；so表示壳侧出口；s表示壳侧；t表示管侧；

通过确定的换热器型式和换热器工况信息，求解上述方程中的变量q，t_to，t_so，过程如下：

(S1)确定换热器的型式；

(S2)确定换热器工况信息；

(S3)给两个待解变量t_to或t_so其中一个赋初值；

(S4)同时利用方程(1)、(2)、(3)计算得到K、q，以及另一个变量t_so或t_to，得到的K记为K₁；

(S5)根据t_so和t_to，通过方程(4)求得K，记为K₂；

(S6)比较K₂和K₁，如果|K₂-K₁|/K₂小于千分之一，则结束计算,本次计算对应的q、t_to、t_so即为计算结果；否则，调整t_to或t_so，返回步骤(S4)；需要调整t_to时，若K₂/K₁大于1，则减小t_to，若K₂/K₁小于1，则增大t_to；需要调整t_so时，若K₂/K₁小于1，则减小t_so，若K₂/K₁大于1，则增大t_so。

2.如权利要求1所述的增强型***热工水力行为模拟方法，其特征在于：在步骤(S1)中，根据换热器的型式确定参数F、A。

3.如权利要求1所述的增强型***热工水力行为模拟方法，其特征在于：在步骤(S2)中，根据换热器工况信息确定参数M、t_ti、t_si。

4.如权利要求3所述的增强型***热工水力行为模拟方法，其特征在于：在步骤(S3)中，若给t_to赋初值，其初值等于t_ti；若给t_so赋初值，其初值等于t_si。