技术特征：
1.一种耦合氢正仲催化转化过程的低温板翅式换热器的校核方法，其特征在于，包括以下步骤：1)给定参数：选取多股流的板翅式换热器，确定板翅式换热器整体结构参数、工况参数以及各股流体的翅片结构参数；整体结构参数包括换热器的排布方式、换热器芯体的长l、宽w；工况参数包括多股流的流体、流体通道层、质量流量、入口温度、入口压力；翅片的结构参数为：选择平直翅片时，参数为翅高h
i
、翅距s
i
、翅厚t
i
；选择打孔翅片时，参数为翅高h
i
、翅距s
i
、翅厚t
i
、孔隙率φ
i
；选择锯齿翅片时，参数为翅高h
i
、翅距s
i
、翅厚t
i
、节距l
i
；流体通道中填充的氢正仲转化催化剂颗粒的参数是：空隙率ε是0.35，空隙率的定义是填料层内颗粒间空隙体积占总体积的百分比，颗粒直径是0.371mm，催化剂颗粒的导热系数是0.58w
·
m-1
·
k-1
；2)模型简化及初始化：假设流体通道中流体沿着z方向均匀分布，将三维模型简化至二维平面内，另外，在计算中只考虑稳态，认为换热器与周围环境绝热，在流体计算中忽略了导热项,模型的构建中考虑了流体域、翅片和隔板固体域，以及催化剂颗粒固体域，在发生氢正仲催化反应的通道中，采用假设：氢气是由正氢和仲氢组成的单相可压缩气体，通道内的催化剂填料均匀，颗粒近似为球体且直径一致；一共有n+1层隔板和n层翅片通道，在隔板中沿着流动方向布置n个节点，而在流体通道中沿着流动方向布置n+1个节点，由隔板中的每个隔板温度节点t
w,i,k
定义一个隔板单元，而由流体通道中的每两个流体温度节点t
i,k
和t
i,k+1
定义一个流体单元，流体温度节点还用来储存压力数据p
i,k
和p
i,k+1
，若流体通道中还发生氢的正仲催化转化，则在相应的温度节点处储存仲氢浓度pa
i,k
和pa
i,k+1
，在一个板翅式换热器中一共设置了n
×
(n+1)个隔板单元和n
×
n个流体单元；整个计算过程是迭代，在第一个外迭代轮次的计算之前，需要给定一个初始化的温度场、压力场和仲氢浓度场；每层流体通道中的流体温度节点初始化为步骤1)中给定的入口温度，温度节点中储存的压力值初始化为步骤1)中给定的入口压力，在发生氢正仲催化转化的流体通道中，温度节点中还储存了仲氢浓度值，初始化为步骤1)中给定的入口仲氢浓度；3)流体物性拟合：所需要的流体物性包括比热容、导热系数、动力粘度、密度和普朗特数，物性数据从nist数据库中提取，把流体的密度与温度和压力的关系拟合在样条曲面上，其他类型流体物性则分别与温度拟合在样条曲线上，对于固体的导热系数，拟合成导热系数-温度样条曲线，最后将所有拟合好的样条曲线和样条曲面的参数加载在内存中；在发生氢正仲催化转化的翅片通道中，正氢和仲氢的物性需分开拟合，若需要计算某仲氢浓度下氢流体的物性时，根据拟合好的正氢和仲氢的物性插值计算；4)计算板翅式换热器流体通道中的压力场分布：先计算得到流体通道中每个流体单元的压力降，根据流体通道中是否发生氢的正仲催
化转化，将压力降的计算方式分为两种：式(1)是计算由流体温度节点t
i,k
和t
i,k+1
所定义的流体单元中的压力降，若该层流体通道中未填充催化剂颗粒，即未发生氢正仲催化转化，则采用第一种方法，通过该流体单元中的摩擦因子f
i,k
来计算，另外g
i
是每层翅片通道中流体的质量流速，δl
x
是流体单元沿着流动方向的长度，d
i
该层流体通道中翅片结构的当量直径，ρ
i,k+1
和ρ
i,k
由流体温度节点t
i,k+1
和t
i,k
以及储存在其中的压力值p
i,k+1
和p
i,k
所确定的密度，是是流体单元的密度，f
i,k
和根据该流体单元中的定性温度和定性压力来确定：在流体通道中布置平直翅片、打孔翅片或者锯齿翅片，对锯齿翅片采用如下的方法来计算摩擦因子：式中的α,θ,γ分别是：对于打孔翅片采用如下的方法计算摩擦因子：lnf
i,k
＝28.78906-12.31399lnre
i,k
+1.565191(lnre
i,k
)
2-0.06736098(lnre
i,k
)3ꢀꢀꢀ
(5)对于平直翅片采用如下的方法计算摩擦因子：re
i,k
是雷诺数：是雷诺数：是由流体温度节点t
i,k
和t
i,k+1
所定义的流体单元的动力黏度，根据其中的定性温度和定性压力来确定；若该层流体通道中填充了氢正仲催化转化的催化剂颗粒，则需要采用式(1)中的第二种方法来计算流体单元中的压力降，式(1)中的是该流体单元中的流体表观速度，即不考虑流体通道中填充的催化剂颗粒所计算得到的流体单元中的平均速度，α是催化剂颗粒的渗透率，c1是催化剂颗粒的惯性阻力系数，两个参数的计算方法分别是：
式中d
p
是催化剂颗粒的直径，ε是空隙率；根据式(1)计算得到每个流体单元的压力降，在给定每层流体通道入口压力的情况下，即沿着流动方向逐点更新储存在每个温度节点中的压力值；将更新得到的压力场分布与旧的压力场分布进行比较，计算压力场残差，若残差不满足收敛性条件，则重复步骤2)，即在旧压力场的基础上继续更新压力场，直至压力场残差满足收敛性条件，进入步骤5)，在后续步骤的计算中采用了此步更新得到的压力场分布作为各个流体单元的定性压力；5)板翅式换热器隔板温度场分布计算：当隔板相邻的流体通道中填充了催化剂颗粒，此时流体向隔板传导的热量分为三部分，一部分是流体热量通过翅片表面传至翅片固体域，然后热量经翅片固体域传导至隔板固体域中；另一部分是流体热量通过催化剂表面传至催化剂固体域，然后通过催化剂固体域传导至隔板固体域中；第三部分是流体的热量直接通过隔板表面传至隔板固体域中；若隔板相邻的流体通道未填充催化剂颗粒，则流体向隔板传导的热量仅包含第一部分和第三部分。对于翅片和催化剂颗粒固体域，为了简化计算，不考虑沿着轴向即+x或者-x方向的导热，那么由温度节点t
i,k
和t
i,k+1
所定义的流体单元中的翅片和催化剂颗粒固体域的一维导热方程是：式(10)求得翅片和催化剂固体域的温度t
s,i,k
沿着y方向的温度分布，λ
s,i,k
和λ
p,i,k
分别是翅片和催化剂颗粒固体域的导热系数，是一维导热方程中的换热源项，包括了翅片表面与流体之间的换热，以及催化剂颗粒表面与流体之间的换热：式(11)中λ
s,i,k
和λ
p,i,k
分别由流体温度节点t
i,k
和t
i,k+1
所定义的流体单元中翅片和催化剂颗粒固体域的导热系数，α
p
是催化剂颗粒的比表面积，在假设催化剂颗粒大小均匀且均为正球体的情况下，计算方法是：α
p
＝6(1-ε)/d
p
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)h
c,i,k
是流体通道中流体和固体域表面的对流换热系数，当流体通道中未填充催化剂时，h
c,i,k
的计算方法是：
式中pr
i,k
是由温度节点t
i,k
和t
i,k+1
所定义的流体单元的普朗特数，λ
fl,i.k
是该流体单元的导热系数，j
i,k
该流体单元中用来评价翅片表面换热能力的评价指标，对锯齿型翅片，采用如下的j因子关联式：对于打孔翅片，采用关联式：lnj
i,k
＝34.57583-15.92678lnre
i,k
+2.137607(lnre
i,k
)
2-0.09544151
×
(lnre
i,k
)3ꢀꢀ
(15)对于平直翅片，采用关联式：若流体通道中填充了催化剂颗粒，则流体单元中固体域表面的对流换热系数h
c,i,k
的计算方法是：式中re
p
是取颗粒直径为特征尺寸，以及流体单元中表观速度所计算得到的雷诺数；根据式(10)、(11)推导得到由温度节点t
i,k
和t
i,k+1
所定义的流体单元中固体域沿着y方向的温度分布：式中，sh和ch分别是双曲余弦和双曲正弦，θ
i,k
、θ
i-i,k
和θ
i-(i+1),k
为翅片、翅片顶部和根部的过余温度；m
e,i,k
、θ
i,k
，θ
i-i,k
和θ
i-(i+1),j
表示如下：表示如下：当得到流体单元中包含的固体域中的温度分布，通过傅里叶导热定律求得流体单元包含的固体域与隔板固体域的导热量；对于一个隔板单元，来源于相邻流体单元的热量还有第四部分热量，是该隔板单元与相邻隔板单元的导热量，隔板单元中的这四部分热量满足能量守恒，经推导得到计算隔板温度节点的代数方程组：
a
i,k+1
＝a
i,ki,ki,k
a
w，i，k
＝a
i-1，k
+a
i-1，k+1
+a
i，k
+a
i，k+1
+a
w，i-1，k
+a
w，i+1，k
+a
w，i，k-1
+a
w，i，k+1
ꢀꢀꢀ
(21)式(21)中t
sp
是板翅式换热器的隔板厚度，λ
w
是隔板的导热系数，式中在括号外标注了下标(i，k)，则括号内的参数的下标标注分为三种情况，若是参数δl
x
，w，t
sp
，ε，α
p
，则不需要有下标，若是参数s，t，h，则下标为i，若是参数λ
w
，λ
s
，h
c
，m
e
，则下标为(i，k)；若中括号外的下标是(i-1，k)或者(i，k-1)，则中括号内的参数按照同样的思路标注，总之括号内的参数标注与文中其它公式中出现的该参数的标注方法相同；λ
w，i，k
是隔板温度节点t
w，i，
k和t
w，i，k+1
的界面上的导热系数，若k＝n，则直接根据隔板温度节点t
w，i，n
来确定λ
w，i，n
，λ
w，i，k-1
是隔板温度节点t
w，i，k-1
和t
w，i，k
的界面上的导热系数，若k＝1，则直接根据隔板温度节点t
w，i，1
来确定λ
w，i，1
，另外，式(21)的中m
e，i，k
的计算要根据式(19)分为两种情况；对每一个由隔板温度节点所定义的隔板单元，都要求解形如式(20)所示的代数方程，一共需要求解n
×
(n+1)个方程，为了加快隔板温度节点的计算速度，采用结合了高斯-赛德尔(gauss-seidel)法的线迭代法(line iteration)，把隔板固体域求解分解为平行y轴的多条线，每条线只包含一层温度节点，在同一条线上各节点的值是用代数方程的直接解法来获得，aa
′
线上的隔板温度节点所构成的块，同一块内各节点的值是以隐含的方式联系着，但是沿着+x方向从一条线向另一条的推进是用迭代的方式进行：式中t
p
代表了所要求的隔板温度节点，t
n
，t
w
，t
s
，t
e
(north，west，south，east)是相邻的隔板温度节点，n0理解为外迭代轮次的标识符，b代表了不能归类为相邻隔板温度节点的影响的换热源项，由于扫描方向是沿着+x方向，即从左至右，因此t
n
，t
w
，t
s
采用了已经更新的隔板温度，而t
e
采用了前一个外迭代轮次更新得到的温度值，对于一条线上的每一个隔板温度节点，都要求解形如式(22)的代数方程组，该条线上一共包含了n+1方程，采用基于gauss消元法的thomas算法对方程组进行联立求解；当从左至右更新了所有隔板温度节点，进入步骤6)；6)流体通道中温度分布及仲氢浓度分布计算：若编号为i的流体通道中发生氢正仲催化转化过程，则温度节点t
i，k
和t
i，k+1
所定义的流体单元中的氢正仲催化转化热是：式中s
o-p，i，k
是由流体温度节点t
i，k
和t
i，k+1
所定义的流体单元中的氢的正仲转化热源项，m是氢分子的摩尔质量，δh
i，k
是该流体单元中氢正仲催化反应的反应热，反应热是温度的函数：单位体积内氢正仲转化的速率根据elovich模型计算：
式中，p
c
是氢的临界压力，是由温度节点t
i，k
和t
i，k+1
所定义的流体单元中的仲氢浓度，浓度，为elovich计算模型的反应速率常数；a、b1、c和d为实验数据拟合系数，取值分别是1.0924，59.7mol
·
m-3
·
s-1
，-253.9mol
·
m-3
·
s-1
，-11.6mol
·
m-3
·
s-1
；为平衡氢中仲氢含量，计算方法是：式中t
c
是氢的临界温度；流体通道中温度节点的计算分为两种情况，若流体通道中未发生氢正仲催化转化过程，则流体单元中的流体与隔板固体域表面和翅片固体域表面换热，若流体通道中发生氢正仲催化反应，流体单元中的流体还与催化剂固体颗粒表面换热，而且氢正仲催化转化热也为流体提供热量；流体单元中的这几部分热量来源满足能量守恒，再结合前面的式(18)、(19)推导得到计算流体温度节点的方程组，若流体沿着+x方向流动，则推导得到方程组的形式为：式中的影响系数b
i，k
，b
w，i，k
，b
w，i+1，k
，b
i，k+1
的计算方法是：的计算方法是：b
i，k+1
＝b
i，k
+b
w，i，k
+b
w，i+1，k
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(29)式中括号外的下标为(i，k)，则括号内m是m
i
，代表了编号为i的流体通道中的质量流量，c
p
写作c
p，i，k
，是由温度节点t
i，k
和t
i，k+1
所定义的流体单元的比热容；若在流体通道中发生氢正仲催化转化，则式(29)中的m
e，i，k
需按照式(19)的流体通道中填充催化剂时的计算方法来计算，此时式(28)不封闭，需补充仲氢的组分输运方程：若流体沿着+x方向流动，且流体通道中发生氢正仲催化转化，则根据式(28)、(30)沿着+x方向逐点确定流体温度节点中储存的仲氢浓度值；若流体通道沿着-x方向，计算流体单元温度节点的方程组是：
影响系数的计算方法是：影响系数的计算方法是：b
i，k
＝b
i，k+1
+b
w，i，k
+b
w，i+1，k
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(32)而流体单元中仲氢的组分输运方程是：通过迭代的方法，式(31)、(33)确定流动是-x方向的流体通道中的温度场和仲氢浓度场分布；7)温度场残差和仲氢浓度场残差计算：将步骤5)计算得到的隔板温度场分布与前一个外迭代轮次确定的隔板温度场分布进行比较，计算隔板温度场残差，将步骤6)计算得到的流体温度场分布与前一个外迭代轮次确定的流体温度场分布进行比较，计算流体温度场残差，取隔板温度场残差和流体温度场残差的最大值作为温度场残差；取步骤6)计算得到的仲氢浓度场与前一个外迭代轮次确定的仲氢浓度场分布进行比较，计算仲氢浓度场残差；若温度场残差和仲氢浓度场残差有一个不满足收敛性条件，则继续重复步骤4)～7)，作为新一轮外迭代，直至两种残差都满足收敛性条件，即输出计算结果，计算结果包括了板翅式换热器整体的温度场分布，流体通道中的压力场分布和仲氢浓度分布；温度场包括隔板温度场和流体温度场。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤5)中对于隔板温度节点，按需要引入逐次亚松弛：t
n0
＝t
n0-1
+α
sur
(t
n0-t
n0-1
)，0＜α
sur
≤1
ꢀꢀꢀꢀ
(23)t
n0
是第n0外迭代轮次中的隔板温度场，α
sur
是松弛因子，该参数小于1时为逐次亚松弛迭代。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤6)中根据式(28)、(30)沿着+x方向逐点确定流体温度节点中储存的仲氢浓度值，对于由流体温度节点t
i，k
和t
i，k+1
所定义的流体单元，已知和t
i，k
，具体步骤如下：a.预估出口仲氢浓度b.计算(计算所需的t
i，k+1
来源于前一个外迭代轮次所确定的流体温度场)，再根据式(26)、(27)计算c.根据式(28)、(30)计算和t
i，k+1
；d.比较新计算的和旧的若残差不满足收敛性条件，则继续从步骤b开始进行新一轮计算，直至的残差满足收敛性条件；
当确定了和t
i，k+1
，继续确定下一个流体单元出口处的和t
i，k+2
，直至计算得到编号为i的流体通道的出口和t
i，n+1
。
技术总结
一种耦合氢正仲催化转化过程的低温板翅式换热器的校核方法，先确定板翅式换热器整体结构、工况和各流体翅片结构参数；然后拟合流体物性，对发生催化转化过程的氢流体，分别拟合正氢和仲氢的物性；再构建压降计算方程组，在发生氢正仲催化转化的流体通道中引入催化剂多孔介质压降源项；构建隔板温度节点计算方程组，若隔板相邻的流体通道中发生氢正仲催化转化，引入由催化剂扩展表面积导致的换热源项；构建流体温度节点计算方程组，在发生氢正仲催化转化的流体通道中，引入氢正仲转化热源项，引入计算仲氢浓度的组分输运方程；最后对构建的方程组进行迭代求解得到板翅式换热器整体的温度场、压力场和仲氢浓度场的分布，本发明促进氢能源高效利用。发明促进氢能源高效利用。发明促进氢能源高效利用。
技术研发人员：李科 文键 厉彦忠 王斯民
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2022.08.23
技术公布日：2022/11/25