(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211010523.5 (22)申请日 2022.08.23 (71)申请人 西安交通大 学 地址 710049 陕西省西安市碑林区咸宁西 路28号 (72)发明人 李科　文键　厉彦忠　王斯民　 (74)专利代理 机构 西安智大知识产权代理事务 所 61215 专利代理师 贺建斌 (51)Int.Cl. G06F 30/28(2020.01) F28D 9/00(2006.01) F28F 3/02(2006.01) F25J 1/00(2006.01) C01B 3/02(2006.01)G06F 111/10(2020.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 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 (57)摘要 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。 权利要求书9页 说明书19页 附图4页 CN 115392154 A 2022.11.25 CN 115392154 A 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hi、 翅距si、 翅厚ti； 选择打孔翅片时， 参数为翅高hi、 翅距si、 翅厚ti、 孔隙率φi； 选择锯齿翅片时， 参数为翅高hi、 翅距si、 翅厚ti、 节距li； 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Tw,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Ti,k和Ti,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Pi,k和Pi,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Pai,k和Pai,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权　利　要　求　书 1/9 页 2 CN 115392154 A 2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Ti,k和Ti,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fi,k来计算， 另外Gi是每层翅片通道中流体的质量流速， Δlx是流体单元沿着流 动方向的长度， Di该层流体 通道中翅片结构的当量直径， ρi,k+1和ρi,k由流体温度节点Ti,k+1和 Ti,k以及储存在其中的压力值Pi,k+1和Pi,k所确定的密度， 是是流体单元的密度， fi,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： lnfi,k＝28.7890 6‑12.31399lnRei,k+1.565191(lnRei,k)2‑0.06736098(lnRei,k)3   (5) 对于平直 翅片采用如下的方法计算摩擦因子： Rei,k是雷诺数： 是由流体温度节点Ti,k和Ti,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：权　利　要　求　书 2/9 页 3 CN 115392154 A 3