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龍圖騰網獲悉西安交通大學申請的專利耦合氫正仲催化轉化過程的低溫板翅式換熱器的校核方法獲國家發明授權專利權，本發明授權專利權由國家知識產權局授予，授權公告號為：CN115392154B 。

龍圖騰網通過國家知識產權局官網在2025-08-08發布的發明授權授權公告中獲悉：該發明授權的專利申請號/專利號為：202211010523.5，技術領域涉及：G06F30/28；該發明授權耦合氫正仲催化轉化過程的低溫板翅式換熱器的校核方法是由李科;文鍵;厲彥忠;王斯民設計研發完成，并于2022-08-23向國家知識產權局提交的專利申請。

本耦合氫正仲催化轉化過程的低溫板翅式換熱器的校核方法在說明書摘要公布了：一種耦合氫正仲催化轉化過程的低溫板翅式換熱器的校核方法，先確定板翅式換熱器整體結構、工況和各流體翅片結構參數；然后擬合流體物性，對發生催化轉化過程的氫流體，分別擬合正氫和仲氫的物性；再構建壓降計算方程組，在發生氫正仲催化轉化的流體通道中引入催化劑多孔介質壓降源項；構建隔板溫度節點計算方程組，若隔板相鄰的流體通道中發生氫正仲催化轉化，引入由催化劑擴展表面積導致的換熱源項；構建流體溫度節點計算方程組，在發生氫正仲催化轉化的流體通道中，引入氫正仲轉化熱源項，引入計算仲氫濃度的組分輸運方程；最后對構建的方程組進行迭代求解得到板翅式換熱器整體的溫度場、壓力場和仲氫濃度場的分布，本發明促進氫能源高效利用。

本發明授權耦合氫正仲催化轉化過程的低溫板翅式換熱器的校核方法在權利要求書中公布了：1.一種耦合氫正仲催化轉化過程的低溫板翅式換熱器的校核方法，其特征在于，包括以下步驟： 1給定參數： 選取多股流的板翅式換熱器，確定板翅式換熱器整體結構參數、工況參數以及各股流體的翅片結構參數； 整體結構參數包括換熱器的排布方式、換熱器芯體的長L、寬W； 工況參數包括多股流的流體、流體通道層、質量流量、入口溫度、入口壓力、入口仲氫濃度； 翅片的結構參數為：選擇平直翅片時，參數為翅高hi、翅距si、翅厚ti；選擇打孔翅片時，參數為翅高hi、翅距si、翅厚ti、孔隙率φi；選擇鋸齒翅片時，參數為翅高hi、翅距si、翅厚ti、節距li； 流體通道中填充的氫正仲轉化催化劑顆粒的參數是：空隙率ε是0.35，空隙率的定義是填料層內顆粒間空隙體積占總體積的百分比，顆粒直徑是0.371mm，催化劑顆粒的導熱系數是0.58W·m-1·K-1； 2模型簡化及初始化： 假設流體通道中流體沿著z方向均勻分布，將三維模型簡化至二維平面內，另外，在計算中只考慮穩態，認為換熱器與周圍環境絕熱，在流體計算中忽略了導熱項,模型的構建中考慮了流體域、翅片和隔板固體域，以及催化劑顆粒固體域，在發生氫正仲催化反應的通道中，采用假設：氫氣是由正氫和仲氫組成的單相可壓縮氣體，通道內的催化劑填料均勻，顆粒近似為球體且直徑一致； 一共有n+1層隔板和n層翅片通道，在隔板中沿著流動方向布置N個節點，而在流體通道中沿著流動方向布置N+1個節點，由隔板中的每個隔板溫度節點Tw,i,k定義一個隔板單元，而由流體通道中的每兩個流體溫度節點Ti,k和Ti,k+1定義一個流體單元，流體溫度節點還用來儲存壓力數據Pi,k和Pi,k+1，若流體通道中還發生氫的正仲催化轉化，則在相應的溫度節點處儲存仲氫濃度和在一個板翅式換熱器中一共設置了N×n+1個隔板單元和n×N個流體單元； 整個計算過程是迭代，在第一個外迭代輪次的計算之前，需要給定一個初始化的溫度場、壓力場和仲氫濃度場；每層流體通道中的流體溫度節點初始化為步驟1中給定的入口溫度，溫度節點中儲存的壓力值初始化為步驟1中給定的入口壓力，在發生氫正仲催化轉化的流體通道中，溫度節點中還儲存了仲氫濃度值，初始化為步驟1中給定的入口仲氫濃度； 3流體物性擬合： 所需要的流體物性包括比熱容、導熱系數、動力粘度、密度和普朗特數，物性數據從nist數據庫中提取，把流體的密度與溫度和壓力的關系擬合在樣條曲面上，其他類型流體物性則分別與溫度擬合在樣條曲線上，對于固體的導熱系數，擬合成導熱系數-溫度樣條曲線，最后將所有擬合好的樣條曲線和樣條曲面的參數加載在內存中； 在發生氫正仲催化轉化的翅片通道中，正氫和仲氫的物性需分開擬合，若需要計算某仲氫濃度下氫流體的物性時，根據擬合好的正氫和仲氫的物性插值計算； 4計算板翅式換熱器流體通道中的壓力場分布： 先計算得到流體通道中每個流體單元的壓力降，根據流體通道中是否發生氫的正仲催化轉化，將壓力降的計算方式分為兩種： 式1是計算由流體溫度節點Ti,k和Ti,k+1所定義的流體單元中的壓力降，若該層流體通道中未填充催化劑顆粒，即未發生氫正仲催化轉化，則采用第一種方法，通過該流體單元中的摩擦因子fi,k來計算，另外Gi是每層翅片通道中流體的質量流速，Δlx是流體單元沿著流動方向的長度，Di該層流體通道中翅片結構的當量直徑，ρi,k+1和ρi,k由流體溫度節點Ti,k+1和Ti,k以及儲存在其中的壓力值Pi,k+1和Pi,k所確定的密度，是是流體單元的密度，fi,k和根據該流體單元中的定性溫度和定性壓力來確定： 在流體通道中布置平直翅片、打孔翅片或者鋸齒翅片，對鋸齒翅片采用如下的方法來計算摩擦因子： 式中的α,δ,γ分別是： 對于打孔翅片采用如下的方法計算摩擦因子： lnfi,k＝28.78906-12.31399lnRei,k+1.565191lnRei,k2-0.06736098lnRei,k35 對于平直翅片采用如下的方法計算摩擦因子： Rei,k是雷諾數： 是由流體溫度節點Ti,k和Ti,k+1所定義的流體單元的動力黏度，根據其中的定性溫度和定性壓力來確定； 若該層流體通道中填充了氫正仲催化轉化的催化劑顆粒，則需要采用式1中的第二種方法來計算流體單元中的壓力降，式1中的是該流體單元中的流體表觀速度，即不考慮流體通道中填充的催化劑顆粒所計算得到的流體單元中的平均速度，αc是催化劑顆粒的滲透率，C1是催化劑顆粒的慣性阻力系數，兩個參數的計算方法分別是： 式中dp是催化劑顆粒的直徑，ε是空隙率； 根據式1計算得到每個流體單元的壓力降，在給定每層流體通道入口壓力的情況下，即沿著流動方向逐點更新儲存在每個溫度節點中的壓力值；將更新得到的壓力場分布與舊的壓力場分布進行比較，計算壓力場殘差，若殘差不滿足收斂性條件，則重復步驟2，即在舊壓力場的基礎上繼續更新壓力場，直至壓力場殘差滿足收斂性條件，進入步驟5，在后續步驟的計算中采用了此步更新得到的壓力場分布作為各個流體單元的定性壓力； 5板翅式換熱器隔板溫度場分布計算： 當隔板相鄰的流體通道中填充了催化劑顆粒，此時流體向隔板傳導的熱量分為三部分，一部分是流體熱量通過翅片表面傳至翅片固體域，然后熱量經翅片固體域傳導至隔板固體域中；另一部分是流體熱量通過催化劑表面傳至催化劑固體域，然后通過催化劑固體域傳導至隔板固體域中；第三部分是流體的熱量直接通過隔板表面傳至隔板固體域中；若隔板相鄰的流體通道未填充催化劑顆粒，則流體向隔板傳導的熱量僅包含第一部分和第三部分； 對于翅片和催化劑顆粒固體域，為了簡化計算，不考慮沿著軸向即+x或者-x方向的導熱，那么由溫度節點Ti,k和Ti,k+1所定義的流體單元中的翅片和催化劑顆粒固體域的一維導熱方程是： 式10求得翅片和催化劑固體域的溫度Ts,i,k沿著y方向的溫度分布，λs,i,k和λp,i,k分別是翅片和催化劑顆粒固體域的導熱系數，是一維導熱方程中的換熱源項，包括了翅片表面與流體之間的換熱，以及催化劑顆粒表面與流體之間的換熱： 式11中λs,i,k和λp,i,k分別由流體溫度節點Ti,k和Ti,k+1所定義的流體單元中翅片和催化劑顆粒固體域的導熱系數，αp是催化劑顆粒的比表面積，在假設催化劑顆粒大小均勻且均為正球體的情況下，計算方法是： αp＝61-εdp12 hc,i,k是流體通道中流體和固體域表面的對流換熱系數，當流體通道中未填充催化劑時，hc,i,k的計算方法是： 式中Pri,k是由溫度節點Ti,k和Ti,k+1所定義的流體單元的普朗特數，λfl,i.k是該流體單元的導熱系數，ji,k該流體單元中用來評價翅片表面換熱能力的評價指標，對鋸齒型翅片，采用如下的j因子關聯式： 對于打孔翅片，采用關聯式： lnji,k＝34.57583-15.92678lnRei,k+2.137607lnRei,k2-0.09544151×lnRei,k315 對于平直翅片，采用關聯式： 若流體通道中填充了催化劑顆粒，則流體單元中固體域表面的對流換熱系數hc,i,k的計算方法是： 式中Rep是取顆粒直徑為特征尺寸，以及流體單元中表觀速度所計算得到的雷諾數； 根據式10、11推導得到由溫度節點Ti,k和Ti,k+1所定義的流體單元中固體域沿著y方向的溫度分布： 式中，sh和ch分別是雙曲余弦和雙曲正弦，θi,k、θi-i,k和θi-i+1,k為翅片、翅片頂部和根部的過余溫度；me,i,k、θi,k，θi-i,k和θi-i+1,k表示如下： 當得到流體單元中包含的固體域中的溫度分布，通過傅里葉導熱定律求得流體單元包含的固體域與隔板固體域的導熱量；對于一個隔板單元，來源于相鄰流體單元的熱量還有第四部分熱量，是該隔板單元與相鄰隔板單元的導熱量，隔板單元中的這四部分熱量滿足能量守恒，經推導得到計算隔板溫度節點的代數方程組： Ai-1,k+1＝Ai-1,k Ai,k+1＝Ai,k Aw,i,k＝Ai-1,k+Ai-1,k+1+Ai,k+Ai,k+1+Aw,i-1,k+Aw,i+1,k+Aw,i,k-1+Aw,i,k+121式21中tsp是板翅式換熱器的隔板厚度，λw是隔板的導熱系數，式中在括號外標注了下標i,k,則括號內的參數的下標標注分為三種情況，若是參數Δlx,W,tsp,ε,αp，則不需要有下標，若是參數s,t,h，則下標為i，若是參數λw,λs,hc,me，則下標為i,k；若中括號外的下標是i-1,k或者i,k-1，則中括號內的參數按照同樣的思路標注，總之括號內的參數標注與文中其它公式中出現的該參數的標注方法相同；λw,i,k是隔板溫度節點Tw,i,k和Tw,i,k+1的界面上的導熱系數，若k＝N,則直接根據隔板溫度節點Tw,i,N來確定λw,i,N,λw,i,k-1是隔板溫度節點Tw,i,k-1和Tw,i,k的界面上的導熱系數，若k＝1，則直接根據隔板溫度節點Tw,i,1來確定λw,i,1，另外，式21的中me,i,k的計算要根據式19分為兩種情況； 對每一個由隔板溫度節點所定義的隔板單元，都要求解形如式20所示的代數方程，一共需要求解N×n+1個方程，為了加快隔板溫度節點的計算速度，采用結合了高斯-賽德爾Gauss-Seidel法的線迭代法lineiteration，把隔板固體域求解分解為平行y軸的多條線，每條線只包含一層溫度節點，在同一條線上各節點的值是用代數方程的直接解法來獲得，AA'線上的隔板溫度節點所構成的塊，同一塊內各節點的值是以隱含的方式聯系著，但是沿著+x方向從一條線向另一條的推進是用迭代的方式進行： 式中TP代表了所要求的隔板溫度節點，TN,TW,TS,TE是相鄰的隔板溫度節點,n0理解為外迭代輪次的標識符，b代表了不能歸類為相鄰隔板溫度節點的影響的換熱源項，由于掃描方向是沿著+x方向，即從左至右，因此TN,TW,TS采用了已經更新的隔板溫度，而TE采用了前一個外迭代輪次更新得到的溫度值，對于一條線上的每一個隔板溫度節點，都要求解形如式22的代數方程組，該條線上一共包含了n+1方程，采用基于Gauss消元法的Thomas算法對方程組進行聯立求解； 當從左至右更新了所有隔板溫度節點，進入步驟6； 6流體通道中溫度分布及仲氫濃度分布計算： 若編號為i的流體通道中發生氫正仲催化轉化過程，則溫度節點Ti,k和Ti,k+1所定義的流體單元中的氫正仲催化轉化熱是： 式中So-p,i,k是由流體溫度節點Ti,k和Ti,k+1所定義的流體單元中的氫的正仲轉化熱源項，M是氫分子的摩爾質量，ΔHi,k是該流體單元中氫正仲催化反應的反應熱，反應熱是溫度的函數： 單位體積內氫正仲轉化的速率根據Elovich模型計算： 式中，Pc是氫的臨界壓力，是由溫度節點Ti,k和Ti,k+1所定義的流體單元中的仲氫濃度， 為Elovich計算模型的反應速率常數；a、b1、c和d為實驗數據擬合系數，取值分別是1.0924,59.7mol·m-3·s-1，-253.9mol·m-3·s-1，-11.6mol·m-3·s-1；為平衡氫中仲氫含量，計算方法是： 式中Tc是氫的臨界溫度； 流體通道中溫度節點的計算分為兩種情況，若流體通道中未發生氫正仲催化轉化過程，則流體單元中的流體與隔板固體域表面和翅片固體域表面換熱，若流體通道中發生氫正仲催化反應，流體單元中的流體還與催化劑固體顆粒表面換熱，而且氫正仲催化轉化熱也為流體提供熱量；流體單元中的這幾部分熱量來源滿足能量守恒，再結合前面的式18、19推導得到計算流體溫度節點的方程組，若流體沿著+x方向流動，則推導得到方程組的形式為： 式中的影響系數Bi,k，Bw,i,k,Bw,i+1,k,Bi,k+1的計算方法是： Bi,k+1＝Bi,k+Bw,i,k+Bw,i+1,k29式中括號外的下標為i,k,則括號內m是mi,代表了編號為i的流體通道中的質量流量，cp寫作cp,i,k，是由溫度節點Ti,k和Ti,k+1所定義的流體單元的比熱容；若在流體通道中發生氫正仲催化轉化，則式29中的me,i,k需按照式19的流體通道中填充催化劑時的計算方法來計算，此時式28不封閉，需補充仲氫的組分輸運方程： 若流體沿著+x方向流動，且流體通道中發生氫正仲催化轉化，則根據式28、30沿著+x方向逐點確定流體溫度節點中儲存的仲氫濃度值； 若流體通道沿著-x方向，計算流體單元溫度節點的方程組是： 影響系數的計算方法是: Bi,k＝Bi,k+1+Bw,i,k+Bw,i+1,k32 而流體單元中仲氫的組分輸運方程是： 通過迭代的方法，式31、33確定流動是-x方向的流體通道中的溫度場和仲氫濃度場分布； 7溫度場殘差和仲氫濃度場殘差計算： 將步驟5計算得到的隔板溫度場分布與前一個外迭代輪次確定的隔板溫度場分布進行比較，計算隔板溫度場殘差，將步驟6計算得到的流體溫度場分布與前一個外迭代輪次確定的流體溫度場分布進行比較，計算流體溫度場殘差，取隔板溫度場殘差和流體溫度場殘差的最大值作為溫度場殘差；取步驟6計算得到的仲氫濃度場與前一個外迭代輪次確定的仲氫濃度場分布進行比較，計算仲氫濃度場殘差；若溫度場殘差和仲氫濃度場殘差有一個不滿足收斂性條件，則繼續重復步驟4～7，作為新一輪外迭代,直至兩種殘差都滿足收斂性條件，即輸出計算結果，計算結果包括了板翅式換熱器整體的溫度場分布，流體通道中的壓力場分布和仲氫濃度分布；溫度場包括隔板溫度場和流體溫度場。

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