热工计算背景

冰箱、空调、余热回收、汽轮机、核电等，热工影响着生活的方方面面。

热工计算多种多样，包括：

• 热动力学热传导建模
• 计算热传递效率
• 传热、冷却系统中的参数优化
• 热流体的微分方程计算
• 模拟蒸汽压缩制冷循环中的热流
• 模拟热交换器的集总参数模型
• 计算空气变为人体舒适区所需的热量变换
• 找到最大化再生朗肯循环效率的参数
• 研究不同的流体和工艺参数如何影响有机朗肯循环的效率

为了建模和计算这些系统，热工程师需要一些科学概念：

• 热力学，例如热力学基本定律焓，熵和比热容的概念
• 流体力学，例如伯努利定律泵头和管道摩擦
• 传热与传质能量守恒定律传热系数集总参数建模

此外热能工程师还需要用到一些实际工具：

• 数学，例如优化求根插值和外推

•  计算，例如编程和脚本“活”的电子计算文件可视化和图表应用开发和部署

工具对比

 Maple 软件中的相关函数包

• ThermophysicalData -包含一系列计算热物理、热力学、热化学属性的函数。使用【CoolProp Library】，以及【NASA Glenn Coefficients】计算热力学属性
• DEtools – 求解常微分方程的函数包
• PDEtools – 求解偏微分方程的函数包
• ScientificConstants – 科学常数函数包
• Optimization – 参数优化函数包
• plots – 绘图函数包
• Units – 单位计算函数包
• Tolerances – 公差函数包

流体属性数据库CoolProp

Maple中的ThermophysicalData热物性数据函数包，基于开源物性库CoolProp，可以使用函数提取热物特性数据。相比传统的使用图表或者查表的方式更加快捷、准确、不容易出错。

CoolProp库是由C++开发的常用工质热物性计算库，是开源免费物性库。

该库包括：

1. 122种纯流体和近纯流体状态方程和传输物性方程；
2. 使用高精度霍尔姆兹自由能公式计算的混合物性；
3. 40多种不可压缩流体、溶液和高精度湿空气焓湿计算程序；

通过该函数包中的数据，可以实现：

• 模拟热力学循环中的热流
• 计算太阳能加热系统的效率
• 使用集中参数模拟换热器
• 优化涡轮机的性能
• 生成特定的焓湿图和压焓图
• 等等

该函数包是单位感知的，可以与Maple中的数值求解器、优化求解器、微分方程求解器等一起使用。

Maple中的ThermophysicalData函数包，示例：

with(ThermophysicalData):

 二氧化碳在指定压力和焓下的温度

在指定的温度和压力下，氦和氮的 30%-70% 摩尔混合物的密度

获取R134a的密度属性

计算任意流体混合物的属性

 生成PHT图PHTChart(“nitrogen”)

生成湿度图PHTChart(“nitrogen”)

计算功能 – 单位计算

Maple支持单位计算。

 

计算功能 – 工质热物性数据库

例如：稳态热和质量平衡是热能工程中的基本概念，但通常只涉及简单的数学运算。

 以R134a为介质的压缩机，已知输入和输出条件

 压缩机的工作原理可以用Maple来计算

计算功能 – 方程求解

方程的数值计算

例如，求解一组隐式方程组，描述求解流体通过绝热膨胀阀的流动

 

计算功能 – 微分方程求解

符 计算 – 偏微分方程离散为差分方程计算

许多热交换过程是用偏微分方程来描述，例如逆流热交换器中的温度动态，这些偏微分方程离散为常微分方程用于集总参数分析。

 流体属性可以作为温度的函数，在离散化前可以代入PDE中。

优化

 微分方程求解

 

热工计算的可视化

压焓温度表 

 焓湿图

计算模板部署和分享

多种部署工具和方案

• Maple（桌面程序）
• MapleNET（局域 或互联 ）
• 免费阅读器MaplePlayer

 Maple Player

 Maple中热工应用案例库

 

Maple中热工应用案例库 – 计算书Workbook

 

热工计算示例

 示例下载：

• 蒸汽压缩制冷循环分析
• 再生朗肯循环的效率优化
• 调节空气进入人体舒适区
• 通过膨胀阀的流体计算
• 潮湿的空气混合
• 空气流经平板时的传热系数
• 汽化乙醇所需的能量
• 组合循环的热效率
• 带压水堆的汽轮机循环型核电厂热效率
• 带有 2 个预热器的汽轮机循环的热效率
• 三回路蒸汽和燃气装置热效率的计算
• 甲烷的等温压缩
• 具有T-s和h-s图的组合循环的热效率
• 等等