[发明专利]一种基于Modelica的管壳式换热器建模仿真方法

说明书

本发明公开了一种基于Modelica的管壳式换热器建模仿真方法，包括以下步骤：S1.对管壳式换热器进行分解，得对应的模型库架构；S2.确定管壳式换热器对外界的接口及其部件之间相互数据传递的接口；S3.对管壳式换热器的管侧和管壁进行离散；S4.建立基础级模型，该基础级模型包括容积模型、流阻模型、换热模型和管壁模型；S5.调用不同的基础级模型以形成部件级模型；S6.基于部件级模型，根据实际的管壳式换热器物理拓扑和运行工况搭建管壳式换热器仿真系统。本发明可实现精细、快速、通用、易用的管壳式换热器分析，能够降低研发周期和成本。

技术领域

本发明涉及换热设备技术领域，尤其涉及一种基于Modelica的管壳式换热器建模仿真方法。

背景技术

管壳式换热器一种典型的换热设备，在能源、机械、船舶、航空、航天领域具有广泛的应用，是许多系统的重要组成设备，研究管壳式换热器的动态特性能对能源、机械、船舶、航空、航天领域的系统开发、设计提供重要地技术支持。

管壳式换热器内部存在流体流动、凝结、换热等复杂的相变、流动、传热现象。涉及到流体、传热学、控制学等领域。且其内部的换热流动现象存在高度的耦合现象，换热、流动、传热之间相互影响，模型方程非线性化严重。

目前在计算管壳式换热器的动态特性时，主流有两种方法：

一、经验公式替代法：采用经验公式对管壳式换热器内部的流动、传热现象进行替代、简化。这种方法可以较快地计算换热器的内部动态特性，但是由于采用了简化方法，计算结果和精度无法满足系统精细化设计的需求。

二、有限元法：采用有限元软件对管壳式换热器内部的流动、传热进行精细化模拟。这种方法可以较为准确地计算换热器的内部动态特性，但计算速度较慢，同时由于有限元方法的特性，每种管壳式换热器均需要根据实际结构划分单元格，不具有通用性，分析仿真的速度较慢，无法满足快速设计的要求。

综上所述，传统管壳式换热器分析方法无法兼顾满足系统设计时快速设计和精细化分析的要求，且不具有通用性。因此需要开发一种能够描述管壳式换热器内非线性耦合现象，具有易用性、通用性的管壳式换热器建模方法。

发明内容

针对传统管壳式换热器计算方法无法同时处理严重非线性耦合和兼顾易用性、通用性的问题，本发明提出一种基于Modelica的管壳式换热器建模仿真方法，采用Modelica语言进行管壳式换热器的建模，将Modelica语言应用于复杂管网系统的建模和仿真，能够方便地分析管壳式换热器的综合性能，本发明可实现精细、快速、通用、易用的管壳式换热器分析，能够降低研发周期和成本。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于Modelica的管壳式换热器建模仿真方法，包括以下步骤：

S1.对管壳式换热器进行分解，得对应的模型库架构；

S2.确定管壳式换热器对外界的接口及其部件之间相互数据传递的接口；

S3.对管壳式换热器的管侧和管壁进行离散，采用容积-流阻的离散方式，引入随时间变化的状态变量，并采用积分法直接得到变量而不需要求解非线性方程；

S4.建立基础级模型，该基础级模型包括容积模型、流阻模型、换热模型和管壁模型，其中容积模型用于描述管壳式换热器的壳侧以及管侧节点的容积效益，流阻模型用于描述管侧液体的流动阻力，换热模型用于描述管侧和壳侧与壁面之间的换热关系式，管壁模型用于描述管壁固体传热的关系式和储存热量的关系式；

S5.调用不同的基础级模型以形成部件级模型；

S6.基于部件级模型，根据实际的管壳式换热器物理拓扑和运行工况搭建管壳式换热器仿真系统。