一种换热器系统的换热因子的确定方法、介质及系统

1.本发明涉及换热器技术领域，尤其涉及一种换热器系统的换热因子的确定方法、介质及系统。


背景技术：

2.以换流站内高压换流变压器的冷却系统——空冷换热器为研究对象，空冷换热器背部均有风机在换热器的背部生成负压从外部环境引入空气，从而使周围气流穿过换热管束来对进入空冷换热器内部的循环油进行冷却。由于空冷换热器的冷却介质为周围环境中的空气。所以空冷换热器在实际运行过程中，由于受到周围建筑围护结构和复杂多变气象条件的影响，其换热性能极有可能低于设计值，对换流站高压换流设备的安全运行造成影响。因此，采用换热因子可以对在不同风环境条件下空冷换热器的换热效果进行研究分析。风洞实验得到的换热器的换热性能的设计值无法匹配实际换热器的实际换热性能导致对高压换流变压器的安全运行造成影响。


技术实现要素：

3.本发明实施例提供一种换热器系统的换热因子的确定方法、介质及系统，以解决由于受到周围建筑围护结构和复杂多变气象条件的影响，现有技术的换热器的换热性能的设计值无法匹配实际换热器的实际换热性能导致对高压换流变压器的安全运行造成影响的问题。
4.第一方面，提供一种换热器系统的换热因子的确定方法，包括：
5.根据换热器系统所在换流站的地理位置，确定换热器系统所在换流站的风环境条件，其中，所述换热器系统包括至少一个换热器；
6.将换热器的参数、换热器的第一预设进口空气流量和第一预设进口空气温度输入htri软件中，输出所述换热器的换热量；
7.根据多个所述第一预设进口空气流量和第一预设进口空气温度以及对应的所述换热器的换热量拟合得到所述换热量方程；
8.根据换热器系统所在换流站的布局、建筑实际高度与建筑形态，在fluent软件中建立所述换流站的三维立体模型，其中，所述换热器采用多孔介质模型模拟；
9.在fluent软件中将所述换热量方程以用户自定义函数udf的形式加载后，分别在所述风环境条件下和所述无风环境条件下，在fluent软件中通过所述三维立体模型模拟每一换热器的实际换热过程，在稳定换热后分别输出所述风环境条件下每一换热器的进口空气温度与进口空气流量，以及，所述无风环境条件下每一换热器的进口空气温度与进口空气流量；
10.将输出的所述风环境条件下和所述无风环境条件下每一换热器的进口温度和进口空气流量代入换热量方程，分别计算得到所述风环境条件下和所述无风环境条件下每一换热器的最终换热量；
11.将所述风环境条件下每一换热器的最终换热量的和除以所述无风环境条件下每一换热器的最终换热量的和，得到所述换热器系统的换热因子，以根据所述换热因子评估所述换热器系统的换热效果。
12.第二方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令；所述计算机程序指令被处理器执行时实现如上述第一方面实施例所述的换热器系统的换热因子的确定方法。
13.第三方面，提供一种换热器系统的换热因子的确定系统，包括：如上述第二方面实施例所述的计算机可读存储介质。
14.这样，本发明实施例，将换热器选型软件htri与数值模拟软件fluent结合，基于建立的换热量方程，可以对不同风环境条件下的换热器系统的换热因子进行高效、准确地计算，以便采用换热因子对当地风环境条件对换热能力的影响进行量化评估，从而为换热器的初始设计提供指导。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1是本发明实施例的换热器系统的换热因子的确定方法的流程图；
17.图2是本发明实施例的换热器系统及其周围建筑的示意图；
18.图3为无风环境条件下建立的计算区域示意图；
19.图4为风环境条件下建立的计算区域示意图。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获取的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.本发明实施例公开了一种换热器系统的换热因子的确定方法。该方法基于可操作性更高的数值模拟技术，依靠模拟计算所得压力、温度、速度云图等，更容易对换热器换热效果的影响因素进行分析研究。而且，相较于风洞实验，数值模拟的方法更可以在换热器的初始设计阶段提供设计指导，进一步优化设计。
22.具体的，如图1所示，该方法包括如下的步骤：
23.步骤s101：根据换热器系统所在换流站的地理位置，确定换热器系统所在换流站的风环境条件。
24.换热器系统包括至少一个换热器。当有多个换热器时，多个换热器为相同的换热器。换热器为空冷换热器。
25.具体的，风环境条件包括：平均风速、风向、室外平均温度和室外平均压力。
26.由于夏季和冬季易出现极端天气，这两个季节的室外平均温度可分别看作是该地
区一年中温度的上限和下限。因此，应用时，对于上述的风环境条件，可分别选择夏季和冬季两个季节的风环境条件，这样得到的最终换热因子可以认为是该换热器的换热因子的上限和下限，以便在换热因子变化范围内进行换热效果的评估。上述参数可以根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》中的室外气象参数与当地气象资料确定。
27.例如，对于某地的换流站，夏季的风环境条件为：平均风速为3m/s、风向为东南风、室外平均温度为40℃和室外平均压力为88350pa。冬季的风环境条件为：平均风速为3m/s、风向为西北风、室外平均温度为10℃和室外平均压力为88350pa。
28.步骤s102：将换热器的参数、换热器的第一预设进口空气流量和第一预设进口空气温度输入htri软件中，输出换热器的换热量。
29.htri软件为换热器选型软件htri xchanger suite。在换热器的计算方面，htri是针对换热器设计、校核、模拟的软件，其依靠大量的实验数据、准则关联式，能够对多种形式的换热器的换热、压降规律进行精确预测，并且拥有高效易用的特点。
30.本发明实施例的换热器为翅片式空冷换热器，其由铝质基管通道和波浪形铝带翅片组成，变压器冷却油通过管束通道时与空气进行换热，同时管道将热量传递到铝带翅片上。
31.其中，换热器的参数包括：换热器的长度、宽度和高度，翅片管的排数，每排的翅片管的根数，翅片管的基管的材质、长度、外径和管心距，单位长度基管的翅片数量，翅片的材质、名义厚度、厚度和翅根直径，风机的直径。应该理解的是，本发明实施例中一个换热器配备一个风机。
32.例如，换热器的长度为5.7m，高度为1.7m，宽度为0.3m。翅片管的排数为6，每排的翅片管的根数为39。翅片管的基管的材质为s30409，长度为5.6m，外径为16.7mm，管心距为38mm。单位长度基管的翅片数量为433。翅片的材质为铝，名义厚度为0.8mm，厚度为0.1mm，翅根直径为16.8mm。风机的直径为0.945m。
33.换热器的第一预设进口空气流量和第一预设进口空气温度可根据实际情况选择，选择的这些参数使最终的结果误差较小，例如小于5％。
34.其中，进口油温为50℃和进口油流量为14.83kg
·
s-1
。
35.在一具体实施例中，第一预设进口空气流量和第一预设进口空气温度及通过htri软件输出的换热器的换热量如表1所示。
36.表1第一预设进口空气流量和第一预设进口空气温度及换热量
[0037][0038]
步骤s103：根据多个第一预设进口空气流量和第一预设进口空气温度以及对应的换热器的换热量拟合得到换热量方程。
[0039]
通过上述的数据可以拟合得到本发明实施例的换热量方程，具体如下：
[0040]
q＝a
00
+a
10
t
in
+a
01
g+a
20
t
in2
+a
11
t
in
g+a
02
g2。
[0041]
其中，q表示换热量，g表示换热器的进口空气流量，t
in
表示换热器的进口空气温度，a
00
、a
10
、a
01
、a
20
、a
11
、a
02
分别表示常数项，通过拟合得到，则对于上述具体实施例的换热器的换热量方程为：
[0042][0043]
由于本发明实施例的换热器均相同，因此，每一换热器的换热量方程相同。
[0044]
步骤s104：根据换热器系统所在换流站的布局、建筑实际高度与建筑形态，在fluent软件中建立换流站的三维立体模型。
[0045]
数值模拟软件fluent是当前世界上应用最广泛、技术最成熟的商用模拟软件，在此不再赘述。
[0046]
例如，换热器系统所在换流站位于某地，换热器系统及其周围建筑的总体布局、建筑实际高度与建筑形态如图2所示。换热器系统所在换流站内包含两组规格相同的换流变系统，分别为极1换流变和极2换流变，每极换流变有六个高压变压器，而每一个变压器均需要一组换热设备来对其进行冷却。每一变压器的换热设备均由4个换热器并联垂直布置而组成，每组换热器配置4台引风式风机进行强制换热。每极的户内直流场与阀厅高26m，位于极1阀厅和极2阀厅之间的控制楼高16m。具体应用时，可通过换流站的相关的实际数值绘制换流站的总平面图，将总平面图输入fluent软件中，并设置相应建筑的高度。
[0047]
此外，换热器采用多孔介质模型模拟。多孔介质阻力系数包括惯性阻力系数与粘性阻力系数，这些系数可以通过不同进口流量下换热器管束压降的参数表预先拟合得到，具体的获取方法如下：
[0048]
(1)将换热器的参数、第二预设进口空气流量、第二预设进口空气温度、50℃进口油温和14.83kg
·
s-1
的标准进口油流量输入到htri软件中，输出空气穿过换热器管束后的
压降。
[0049]
其中，换热器的参数如前所述，在此不再赘述。第二预设进口空气流量可根据实际情况选择，选择的参数使最终的结果误差较小，例如小于5％。第二预设进口空气温度为25℃，进口油温为50℃，标准进口油流量为14.83kg
·
s-1
。
[0050]
(2)根据多个第二预设进口空气流量以及对应的空气穿过换热器管束后的压降，拟合得到压降方程。
[0051]
各第二预设进口空气流量以及对应的空气穿过换热器管束后的压降如表2所示。
[0052]
表2第二预设进口空气流量及压降
[0053]
进口空气流量g(m3/s)1520253035冷空气穿过管束压降δp(pa)10.0716.1423.3231.5640.79
[0054]
具体的，通过表2的数据拟合得到的压降方程如下：
[0055][0056]
其中，c0、c1分别为第一参数和第二参数；g为进口空气流量，m3/s；a为换热器管束迎风面积，m2；δp为空气穿过换流器管束后的压降，pa。
[0057]
(3)根据拟合得到的压降方程中的第一参数和第二参数，分别计算得到惯性阻力系数与粘性阻力系数。
[0058]
其中，惯性阻力系数为：
[0059]
其中，粘性阻力系数为：
[0060]
其中ρ为空气密度，kg/m3；μ为动力粘度，kg/(m
·
s)；δn为多孔介质区域厚度，m。
[0061]
这两个参数在建立三维立体模型时，在fluent软件中设置。
[0062]
在一具体实施例中，得到的惯性阻力系数与粘性阻力系数分别为13.9917m-1
和567963m-2
。
[0063]
步骤s105：在fluent软件中将换热量方程以用户自定义函数udf的形式加载后，分别在风环境条件下和无风环境条件下，在fluent软件中通过三维立体模型模拟每一换热器的实际换热过程，在稳定换热后分别输出风环境条件下每一换热器的进口空气温度与进口空气流量，以及，无风环境条件下每一换热器的进口空气温度与进口空气流量。
[0064]
具体的，该步骤包括如下的过程：
[0065]
(1)基于三维立体模型在fluent软件中确定计算区域。
[0066]
具体的，计算区域满足如下的要求：
[0067]
换热器系统区域的面积小于计算区域的面积的3％。水平计算区域为以换热器系统区域为中心，预设半径内的区域。换热器上方的计算区域的高度为预设高度。其中，预设半径为换热器高度与第一倍数的乘积，预设高度大于换热器高度与第二倍数的乘积。例如，换热器高度为h，第一倍数可以是5，第二倍数可以是3。
[0068]
在一具体实施例中，建立的计算区域的长度、宽度和高度分别为：1000m、1000m和150m，计算区域如图3和4所示的四方体。
[0069]
(2)分别根据风环境条件和无风环境条件设置计算区域的边界条件。
[0070]
其中，边界条件包括：壁面边界条件、进口边界条件和出口边界条件。在fluent软件中设置边界条件时除了下述的具体条件参数，其它均可采用软件中的默认设置。例如，壁面边界条件的壁面滑移度和粗糙度均可采用默认数值。
[0071]
具体的，对于进口边界条件：
[0072]
①
风环境条件下，风向面采用速度进口边界条件，具体的环境来流风速，选用幂指数风速廓线公式来代表近地面的环境风速分布规律，公式如下：
[0073]
νi＝ν(zi/z0)a。
[0074]
其中，νi表示距离地面zi米的风速，ν表示测定点的风速，即前述的平均风速，设为3m/s，z0表示测定点的高度，α表示地面粗糙度。
[0075]
②
无风环境条件下，选择压力进口边界，即室外平均温度与室外平均压力恒定。
[0076]
无论风环境条件还是无风环境条件，出口边界条件均采用压力出口边界，即室外平均温度与室外平均压力恒定。
[0077]
(3)在fluent软件中将换热量方程以用户自定义函数udf的形式加载后，分别在风环境条件和无风环境条件，以及对应的计算区域的边界条件下，通过三维立体模型模拟每一换热器的实际换热过程，在稳定换热后分别输出风环境条件下每一换热器的进口空气温度与进口空气流量，以及，无风环境条件下每一换热器的进口空气温度与进口空气流量。
[0078]
模拟的过程中，还需设定如下的条件：
[0079]
换热器参数保持恒定，即不受环境风工况改变影响；空气为理想气体，空气的物性参数为常数；换热器的热物理性质保持恒定；气流穿过翅片多孔介质部分时只虑热传导和热对流，即不考虑介质中的辐射换热。
[0080]
具体的，可通过编写用户自定义函数(udf)，使用define_adjust函数获取换热器的进口空气温度t
in
与进口空气流量g；使用define_source函数通过方程q(t
in
,g)计算每一步迭代中换热器的进口空气温度与进口空气流量相对应的换热量q，并将热量加载到相应的多孔介质区域，直到迭代平衡后，输出对应的换热器的进口空气温度与进口体积流量。
[0081]
步骤s106：分别将输出的风环境条件下和无风环境条件下每一换热器的进口空气温度与进口空气流量代入换热量方程，分别计算得到风环境条件下和无风环境条件下每一换热器的最终换热量。
[0082]
例如，将进口空气温度和进口空气流量代入下述方程，计算得到换热器在相应条件下的最终换热量。
[0083][0084]
步骤s107：将风环境条件下每一换热器的最终换热量的和除以无风环境条件下每一换热器的最终换热量的和，得到换热器系统的换热因子，以根据换热因子评估换热器系统的换热效果。
[0085]
具体的，采用下式计算：
[0086][0087]
其中，j表示换热因子，表示风环境条件下换热器i的最终换热量，表示无风环境条件下换热器i的最终换热量。
[0088]
由于有夏季和冬季两个风环境条件，因此，可以分别得到换热因子的上下限，从而更好地评估换热效果。
[0089]
通过上述的过程，将换热器选型软件htri与数值模拟软件fluent结合起来，基于建立的换热器的换热量方程，将选型软件htri中获得的换热器在不同环境下的换热量规律通过用户自定义函数(udf)的方式加载至模拟软件fluent中，采用多孔介质模型简化空冷换热器翅片部分，从而简化了相关研究人员进行此类问题模拟研究的流程，并且采用数值模拟方法可以高效、准确地模拟空冷换热器在不同环境条件下的换热性能，从而为空冷换热器的初始设计提供指导。
[0090]
本发明实施例还公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令；所述计算机程序指令被处理器执行时实现如上述实施例所述的换热器系统的换热因子的确定方法。
[0091]
本发明实施例还公开了一种换热器系统的换热因子的确定系统，包括：如上述实施例所述的计算机可读存储介质。
[0092]
综上，本发明实施例，将换热器选型软件htri与数值模拟软件fluent结合，基于建立的换热量方程，可以对不同风环境条件下的换热器系统的换热因子进行高效、准确地计算，以便采用换热因子对当地风环境条件对换热能力的影响进行量化评估，从而为换热器的初始设计提供指导。
[0093]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。