[发明专利]板翅式换热器的均匀化设计方法

摘要

板翅式换热器的均匀化设计方法，属于换热器技术领域。属于换热器技术领域。其特征在于包括如下步骤步骤a，将板翅结构划分为多个形状相同的板翅胞元；步骤b，将板翅胞元等效成均匀固态板；步骤c，获取板翅胞元的等效热物性参数，从而获得了整个板翅式换热器芯体的等效热物性参数。本板翅式换热器的热物性参数计算方法，解决了现有技术只能通过实验或者有限元模拟获取等效热物性参数，过程繁琐的问题；计算结果可用于板翅式换热器的高温强度设计，简化了设计过程；本板翅式换热器的均匀化设计方法能够对高温、交变载荷下服役的板翅式换热器进行有效的寿命预测，为板翅式换热器的高温设计提供了有效的方法。

主权项

板翅式换热器的均匀化设计方法，其特征在于：包括如下步骤：板翅式换热器芯体包括平板（1）和翅片（2），每相邻的两块平板（1）之间设有一片翅片（2），从而在每相邻的两块平板（1）之间形成多个流道（3），流道（3）的截面为等腰梯形；步骤1，根据设计温度、设计压力要求对板翅式换热器结构进行初步设计，并明确板翅式换热器的工作温度、运行循环次数以及服役寿命；步骤2，通过有限元软件进行板翅结构一次应力分析，确定应力集中部位，并确定许用应力；步骤3，判断应力集中部位的应力水平是否满足如下条件：；；其中，为一次薄膜应力，为局部薄膜应力，为一次弯曲应力，为与时间有关的许用应力，的取值范围为1.05~1.16；若满足条件，则执行步骤4；若一次应力评定不满足条件，则改变板翅式换热器芯体的结构、板材厚度，返回步骤2；步骤4，在服役环境下，对板翅结构进行蠕变断裂实验和疲劳实验，对老化母材也进行蠕变断裂实验和疲劳实验，计算应力放大系数和应变放大系数，并根据实验结果对母材的疲劳设计曲线和蠕变断裂设计曲线进行修正；，，其中，、分别为相同蠕变断裂时间下母材和板翅结构的蠕变断裂强度，、分别为相同疲劳寿命下母材和板翅结构的宏观应变范围；步骤5，利用板翅式换热器的热物性参数计算方法计算板翅结构的等效热物性参数，板翅式换热器的热物性参数计算方法如下：步骤a，将板翅式换热器芯体划分为多个形状相同的板翅胞元；步骤b，将每个板翅胞元均等效成均匀固态板；步骤c，获取任意一个板翅胞元的等效热物性参数，从而获得了整个板翅式换热器芯体的等效热物性参数；所述的等效热物性参数包括等效导热系数、等效热膨胀系数、等效密度和等效比热，所述的等效导热系数的计算公式如下：以板翅式换热器前侧底部的中点为原点，以水平面内与流道（3）轴线平行的方向为x轴，垂直于流道（3）轴线的方向为y轴，竖直方向为z轴建立坐标系，，，，其中，、、分别为x轴方向、y轴方向、z轴方向的等效导热系数，、分别为母材和空气的导热系数，     d为板翅式换热器芯体的流道（3）上侧的宽度，为流道（3）侧面与竖直面的夹角，为流道（3）的侧面的长度，     t为板翅式换热器芯体平板（1）的厚度，     δ为板翅式换热器芯体的翅片（2）的厚度；所述的等效热膨胀系数的计算公式如下：，，，其中，为等效母材热膨胀系数；所述的等效密度的计算公式如下：，，，其中，、分别为母材体积分数和空气体积分数，、为母材密度和空气密度，分别为等效密度；等效比热的计算公式如下：，其中，、分别为母材和空气的比热，为等效比热；同时获取板翅结构的等效力学参数，等效力学参数包括各向异性等效弹性模量、等效剪切模量、泊松比；等效弹性模量的计算方法如下：，，，其中，、、分别为x轴、y轴、z轴方向的等效弹性模量，为母材的弹性模量；泊松比的计算公式如下：，，，其中，为在y轴方向载荷作用下x轴方向与y轴方向应变的比值，为在z轴方向载荷作用下x轴方向与z轴方向应变的比值，为在z轴方向载荷作用下y轴方向与z轴方向应变的比值，为母材的泊松比；所述的等效剪切模量的计算公式如下：，，，其中，、分别为母材的泊松比和弹性模量；对板翅式换热器进行热疲劳有限元分析，得出板翅式换热器芯体沿高度方向的宏观应力的时间历程，计算钎角处总应变，，其中，为由一次应力分析所得应力范围得出的应变范围；为热疲劳分析所得宏观应力的最大值与最小值的差值与板翅式换热器芯体高度方向弹性模量的比值；步骤6，计算板翅式换热器芯体的疲劳损伤和蠕变损伤，，其中，为疲劳周期数，为修正后的疲劳设计曲线上，应变范围为ε时对应的疲劳寿命；，其中，为疲劳周期数，为应变保持时间，为t时刻的宏观应力，为修正后的蠕变断裂设计曲线上应力为σ时对应的蠕变断裂寿命；步骤7，如果小于1，则执行步骤8；如果大于等于1，则执行步骤1；步骤8，板翅式换热器设计完成。