一种换热螺旋盘管设计方法及系统与流程

1.本发明涉及智能制造设计技术领域，具体是涉及一种换热螺旋盘管设计方法及系统。


背景技术：

2.螺旋盘管因其独特的结构特征被广泛的应用于各种换热系统中，随着加工制造技术的发展，发展出的交错式双层换热螺旋盘管可用于空间相对更小的环境中，起换热作用。
3.虽然交错式双层换热螺旋盘管在相同空间内具有着更高的换热效率，但是其加工成本过高，若针对所有设备均进行交错式双层换热螺旋盘管换热，则会极大的提高换热系统的制造成本，然而现有技术中缺乏针对于换热螺旋盘管的设计方法，在针对某一特定的设备运转时的换热结构的设计时无法快速准确判断出采用单层换热螺旋盘管或交错式双层换热螺旋盘管进行换热，极大的提高了换热系统的设计难度，基于此，本方案提出一种换热螺旋盘管设计方法及系统。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，提供一种换热螺旋盘管设计方法及系统，本技术方案解决了上述的现有技术中缺乏的针对于换热螺旋盘管的设计方法，在针对某一特定的设备运转时的换热结构的设计时无法快速准确判断出采用单层换热螺旋盘管或交错式双层换热螺旋盘管进行换热，极大的提高了换热系统的设计难度，的问题。
5.为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：一种换热螺旋盘管设计方法，包括：获取当前需换热设备的尺寸信息和换热参数，所述换热参数包括当前需换热设备的无换热运行温度以及当前需换热设备的目标运行温度；根据当前需换热设备的尺寸信息确定换热螺旋盘管的最小曲率半径；根据换热螺旋盘管的最小曲率半径以及换热螺旋盘管管径进行分析，计算出换热盘管在最小曲率半径下的换热效率-螺距、转数的回归模型；根据当前需换热设备的无换热运行温度以及当前需换热设备的目标运行温度，进行计算出满足当前需换热设备的目标运行温度下的目标换热效率；根据目标换热效率代入换热效率-螺距、转数的回归模型中，进行计算出螺旋盘管目标尺寸数据；根据螺旋盘管目标尺寸数据与当前需换热设备的尺寸信息，判断螺旋盘管目标尺寸数据是否大于当前需换热设备的尺寸信息，若是，则判定单层换热螺旋盘管无法满足换热需求，若否，则判定单层换热螺旋盘管可以满足换热需求，输出单层换热螺旋盘管设计数据；对于单层换热螺旋盘管无法满足换热需求的情况，则进行交错式双层换热螺旋盘管设计，并输出交错式双层换热螺旋盘管设计数据；
根据单层换热螺旋盘管设计数据或交错式双层换热螺旋盘管设计数据进行单层换热螺旋盘管建模或交错式双层换热螺旋盘管建模；进行单层换热螺旋盘管模型或交错式双层换热螺旋盘管模型的热仿真模拟，并根据热仿真模拟结果判断其是否满足换热效率需求，若是，则输出单层换热螺旋盘管设计数据或交错式双层换热螺旋盘管设计数据，若否，则调整单层换热螺旋盘管设计数据或交错式双层换热螺旋盘管设计数据。
6.优选的，所述换热效率-螺距、转数的回归模型的计算步骤如下：确定换热介质和介质流速信息，按照确定的转数梯度和螺距梯度进行换热螺旋盘管的模拟建模，获得多个不同尺寸参数的换热螺旋盘管的样本模型；根据换热介质参数、介质流速对多个不同尺寸参数的换热螺旋盘管的样本模型进行热交换仿真模拟，获得多个热交换仿真模拟样本数据；根据多个热交换仿真模拟样本数据进行换热效率-螺距、转数的回归模型的回归系数计算。
7.优选的，所述进行换热效率-螺距、转数的回归模型的回归系数计算包括：首先，建立如下模型：式中，p为换热效率；n为换热螺旋盘管的转数；z为换热螺旋盘管的螺距；b均为系数；之后，根据多个热交换仿真模拟样本数据对系数a、b进行最大似然计算，获得换热效率-螺距、转数的回归模型的回归系数。
8.优选的，所述计算出螺旋盘管目标尺寸数据包括：获取目标换热效率，则需满足：
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不等式1式中，为目标换热效率；获取满足不等式1的所有n、z的值；根据满足不等式1的所有n、z的值进行计算螺旋盘管目标长度范围。
9.优选的，所述螺旋盘管目标长度的计算方法为：式中，为螺旋盘管目标长度；为满足不等式1的所有转数值；为满足不等式1的所有螺距值。
10.优选的，所述判断螺旋盘管目标尺寸数据是否大于当前需换热设备的尺寸信息具体为：
获取当前需换热设备的高度，判断的范围内的最大值是否大于，若是，则单层螺旋管结构无法满足换热需求，若否，则判定单层换热螺旋盘管可以满足换热需求，则进行单层换热螺旋盘管的尺寸设计。
11.其中，所述单层换热螺旋盘管的尺寸设计具体包括：在满足的基础上，确定使取最大值的转数和螺距，以和作为单层换热螺旋盘管设计数据输出。
12.优选的，所述进行交错式双层换热螺旋盘管设计具体包括如下步骤：构建如下不等式：
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不等式2计算获取满足不等式2的所有n、z的值；则，交错式双层换热螺旋盘管长度的计算公式为：式中，为交错式双层换热螺旋盘管长度；为满足不等式2的所有转数值；为满足不等式2的所有螺距值。
13.优选的，所述交错式双层换热螺旋盘管的尺寸设计具体包括：判断的范围内的最大值是否大于，若是，则交错式双层换热螺旋盘管结构无法满足换热需求，输出换热螺旋盘管设计失败信号，若否，则判定交错式双层换热螺旋盘管结构可以满足换热需求，则进行交错式双层换热螺旋盘管的尺寸设计。
14.其中，所述交错式双层换热螺旋盘管的尺寸设计具体包括：在满足的基础上，确定使取最大值的转数和螺距，以和作为交错式双层换热螺旋盘管设计数据输出。
15.一种换热螺旋盘管设计系统，用于实现如上述的换热螺旋盘管设计方法，包括：主控模块，主控模块用于控制各模块组件进行工作；计算处理模块，计算处理模块与主控模块电性连接，所述计算处理模块用于进行换热效率-螺距、转数的回归模型计算、单层换热螺旋盘管结构计算和交错式双层换热螺旋盘管结构计算；数据输入输出模块，数据输入输出模块与主控模块电性连接，所述数据输入输出模块用于进行换热设备的尺寸信息和换热参数输入和单层换热螺旋盘管设计数据或交错式双层换热螺旋盘管设计数据输出；模型生成模块，模型生成模块与主控模块电性连接，模型生成模块用于进行单层换热螺旋盘管设计数据或交错式双层换热螺旋盘管模型生成；热交换仿真模拟模块，热交换仿真模拟模块与主控模块电性连接，热交换仿真模拟模块用于进行热交换仿真模拟。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明基于当前换热设备的尺寸信息对螺旋盘管的曲率半径进行确定，之后通过建立在此曲率半径下的换热效率-螺距、转数的回归模型，输入设备的无换热运行温度和目标运行温度，计算满足热平衡状态下的目标换热效率，将目标换热效率代入换热效率-螺距、转数的回归模型中，并根据计算出的螺旋盘管的尺寸信息结合当前换热设备的尺寸信息进行快速判断所需采用的螺旋盘管结构为单层换热螺旋盘管或交错式双层换热螺旋盘管，可根据实际的换热需求进行螺旋盘管最优结构设计，可有效的满足各种螺旋盘管式换热系统设计。
附图说明
17.图1为本发明提出的换热螺旋盘管设计方法步骤s100-s900流程图；图2为本发明提出的换热螺旋盘管设计方法步骤s301-s304流程图；图3为本发明提出的换热螺旋盘管设计系统结构框图；图4为本发明中提及的交错式双层换热螺旋盘管结构示意图。
具体实施方式
18.以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。
19.参照图3所示，一种换热螺旋盘管设计系统，包括：主控模块，主控模块用于控制各模块组件进行工作；计算处理模块，计算处理模块与主控模块电性连接，计算处理模块用于进行换热效率-螺距、转数的回归模型计算、单层换热螺旋盘管结构计算和交错式双层换热螺旋盘管结构计算；数据输入输出模块，数据输入输出模块与主控模块电性连接，数据输入输出模块用于进行换热设备的尺寸信息和换热参数输入和单层换热螺旋盘管设计数据或交错式双层换热螺旋盘管设计数据输出；模型生成模块，模型生成模块与主控模块电性连接，模型生成模块用于进行单层换热螺旋盘管设计数据或交错式双层换热螺旋盘管模型生成；热交换仿真模拟模块，热交换仿真模拟模块与主控模块电性连接，热交换仿真模拟模块用于进行热交换仿真模拟。
20.上述换热螺旋盘管设计系统的使用过程为：步骤一：首先通过数据输入输出模块输入换热设备的尺寸信息和换热参数；步骤二：主控模块控制计算处理模块对输入的换热设备的尺寸信息进行分析后，获取换热螺旋盘管的最小曲率半径；步骤三：通过数据输入输出模块输入换热介质、介质流速，获取当前介质以及最小曲率半径下的换热螺旋盘管的换热效率-螺距、转数的回归模型；步骤四：主控模块控制计算处理模块对输入的换热设备的换热参数进行分析后获取满足当前需换热设备的目标运行温度下的目标换热效率；步骤五：目标换热效率代入换热效率-螺距、转数的回归模型中，进行计算出螺旋
盘管目标尺寸数据；步骤六：根据螺旋盘管目标尺寸数据和换热设备的尺寸信息进行判断采用单层换热螺旋盘管或者交错式双层换热螺旋盘管，并进行对应螺旋盘管的设计数据的计算；步骤七：模型生成模块根据螺旋盘管的设计数据进行单层换热螺旋盘管或者交错式双层换热螺旋盘管模型生成；步骤八：通过热交换仿真模拟模块生成与当前需换热设备对应的热源信号，并通过对单层换热螺旋盘管或者交错式双层换热螺旋盘管模型进行换热仿真模拟，并根据热仿真模拟结果判断其是否满足换热效率需求，若是，则输出单层换热螺旋盘管设计数据或交错式双层换热螺旋盘管设计数据，若否，则调整单层换热螺旋盘管设计数据或交错式双层换热螺旋盘管设计数据。
21.步骤九：通过数据输入输出模块输出最终确定的单层换热螺旋盘管设计数据或交错式双层换热螺旋盘管设计数据。
22.参照图1所示，为进一步的说明，本方案还提出一种换热螺旋盘管设计方法，包括如下步骤：s100、获取当前需换热设备的尺寸信息和换热参数，换热参数包括当前需换热设备的无换热运行温度以及当前需换热设备的目标运行温度；s200、根据当前需换热设备的尺寸信息确定换热螺旋盘管的最小曲率半径；s300、根据换热螺旋盘管的最小曲率半径以及换热螺旋盘管管径进行分析，计算出换热盘管在最小曲率半径下的换热效率-螺距、转数的回归模型；s400、根据当前需换热设备的无换热运行温度以及当前需换热设备的目标运行温度，进行计算出满足当前需换热设备的目标运行温度下的目标换热效率；s500、根据目标换热效率代入换热效率-螺距、转数的回归模型中，进行计算出螺旋盘管目标尺寸数据；s600、根据螺旋盘管目标尺寸数据与当前需换热设备的尺寸信息，判断螺旋盘管目标尺寸数据是否大于当前需换热设备的尺寸信息，若是，则判定单层换热螺旋盘管无法满足换热需求，若否，则判定单层换热螺旋盘管可以满足换热需求，输出单层换热螺旋盘管设计数据；s700、对于单层换热螺旋盘管无法满足换热需求的情况，则进行交错式双层换热螺旋盘管设计，并输出交错式双层换热螺旋盘管设计数据；s800、根据单层换热螺旋盘管设计数据或交错式双层换热螺旋盘管设计数据进行单层换热螺旋盘管建模或交错式双层换热螺旋盘管建模；s900、进行单层换热螺旋盘管模型或交错式双层换热螺旋盘管模型的热仿真模拟，并根据热仿真模拟结果判断其是否满足换热效率需求，若是，则输出单层换热螺旋盘管设计数据或交错式双层换热螺旋盘管设计数据，若否，则调整单层换热螺旋盘管设计数据或交错式双层换热螺旋盘管设计数据。
23.其中可以理解的是，对螺旋盘管换热效率起到决定因素的是螺旋盘管的换热面积，基于此，对于曲率半径确定至关重要，曲率半径越大，换热面积越大，但是曲率半径过大，导致螺旋盘管与需换热设备之间的热辐射损耗提升，影响换热效率，基于此，本方案中首先根据需换热设备的尺寸信息进行曲率半径的确定，降低设计影响因素；
之后通过建立在此曲率半径下的换热效率-螺距、转数的回归模型，输入设备的无换热运行温度和目标运行温度，计算满足热平衡状态下的目标换热效率，将目标换热效率代入换热效率-螺距、转数的回归模型中，并根据计算出的螺旋盘管的尺寸信息结合当前换热设备的尺寸信息进行快速判断所需采用的螺旋盘管结构为单层换热螺旋盘管或交错式双层换热螺旋盘管，可根据实际的换热需求进行螺旋盘管最优结构设计。
24.参照图2所示，换热效率-螺距、转数的回归模型的计算步骤如下：s301、确定换热介质和介质流速信息，s302、按照确定的转数梯度和螺距梯度进行换热螺旋盘管的模拟建模，获得多个不同尺寸参数的换热螺旋盘管的样本模型；s303、根据换热介质参数、介质流速对多个不同尺寸参数的换热螺旋盘管的样本模型进行热交换仿真模拟，获得多个热交换仿真模拟样本数据；s304、根据多个热交换仿真模拟样本数据进行换热效率-螺距、转数的回归模型的回归系数计算。
25.进行换热效率-螺距、转数的回归模型的回归系数计算包括：首先，建立如下模型：式中，p为换热效率；n为换热螺旋盘管的转数；z为换热螺旋盘管的螺距；b均为系数；之后，根据多个热交换仿真模拟样本数据对系数a、b进行最大似然计算，获得换热效率-螺距、转数的回归模型的回归系数。
26.通过对在螺旋判断的换热效率中，螺旋盘管的螺距和转数对螺旋盘管的换热面积起到了重要的影响因素，且螺旋盘管的螺距和转数也是螺旋盘管设计中的重要尺寸结构，本方案通过建立换热效率-螺距、转数的回归模型，在后续的设计中通过需换热设备的目标换热效率即可快速的获取满足需求的螺旋盘管的螺距、转数数据，完成螺旋盘管的尺寸设计。
27.计算出螺旋盘管目标尺寸数据包括：获取目标换热效率，则需满足：
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不等式1式中，为目标换热效率；获取满足不等式1的所有n、z的值；根据满足不等式1的所有n、z的值进行计算螺旋盘管目标长度范围。
28.在实际的设计过程中需要满足螺旋盘管的换热效率大于需换热设备的目标换热效率，才可实现针对于当前需换热设备的有效换热；通过计算出所有满足上述换热需求的螺旋盘管转数和螺距值螺旋盘管目标长度的计算方法为：
式中，为螺旋盘管目标长度；为满足不等式1的所有转数值；为满足不等式1的所有螺距值。
29.判断螺旋盘管目标尺寸数据是否大于当前需换热设备的尺寸信息具体为：获取当前需换热设备的高度，判断的范围内的最大值是否大于，若是，则单层螺旋管结构无法满足换热需求，若否，则判定单层换热螺旋盘管可以满足换热需求，则进行单层换热螺旋盘管的尺寸设计。
30.其中，单层换热螺旋盘管的尺寸设计具体包括：在满足的基础上，确定使取最大值的转数和螺距，以和作为单层换热螺旋盘管设计数据输出。
31.通过螺旋盘管的螺距和转数即可计算出螺旋盘管的长度尺寸范围；通过判断螺旋盘管的长度尺寸范围是否可以满足需换热设备的尺寸需求，即可快速的判断采用单层换热螺旋盘管结构是否可以满足针对需换热设备的换热需求，对于单层换热螺旋盘管结构可以满足的情况，进行单层换热螺旋盘管结构尺寸计算，对于不满足的，则进行交错式双层换热螺旋盘管设计。
32.进行交错式双层换热螺旋盘管设计具体包括如下步骤：构建如下不等式：
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不等式2其中，需要说明的是，交错式双层螺旋盘管结构为采用双层单层换热螺旋盘管进行交错重叠的方式进行设计，因此，交错式双层螺旋盘管的换热面积为单层换热螺旋盘管的双倍，基于此，交错式双层螺旋盘管的换热效率可近似的认为是单层换热螺旋盘管的双倍；计算获取满足不等式2的所有n、z的值；则，交错式双层换热螺旋盘管长度的计算公式为：式中，为交错式双层换热螺旋盘管长度；为满足不等式2的所有转数值；为满足不等式2的所有螺距值。
33.交错式双层换热螺旋盘管的尺寸设计具体包括：判断的范围内的最大值是否大于，若是，则交错式双层换热螺旋盘管结构无法满足换热需求，输出换热螺旋盘管设计失败信号，若否，则判定交错式双层换热螺旋盘管结构可以满足换热需求，则进行交错式双层换热螺旋盘管的尺寸设计。
34.其中，交错式双层换热螺旋盘管的尺寸设计具体包括：
在满足的基础上，确定使取最大值的转数和螺距，以和作为交错式双层换热螺旋盘管设计数据输出。
35.其中，交错式双层换热螺旋盘管结构示意图如图4所示，需要说明的是，对于交错式双层换热螺旋盘管任然不能满足换热效率的设备，虽然可以设计使用三层换热螺旋盘管进行换热，但是对于三层及以上层数的螺旋盘管其制造成本过高，因此，本方案中不针对于三层及以上层数的螺旋盘管进行尺寸设计，因此对于交错式双层换热螺旋盘管任然不能满足换热效率的设备，则需要进行其他换热方式设计。
36.综上所述，本发明的优点在于，基于当前换热设备的尺寸信息对螺旋盘管的曲率半径进行换热效率-螺距、转数的回归模型建立，可根据实际的换热需求进行螺旋盘管最优结构设计，可有效的满足各种螺旋盘管式换热系统设计。
37.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。