熱工計算背景

冰箱、空調(diào)、余熱回收、汽輪機、核電等，熱工影響著生活的方方面面。

熱工計算多種多樣，包括：

• 熱動力學熱傳導建模
• 計算熱傳遞效率
• 傳熱、冷卻系統(tǒng)中的參數(shù)優(yōu)化
• 熱流體的微分方程計算
• 模擬蒸汽壓縮制冷循環(huán)中的熱流
• 模擬熱交換器的集總參數(shù)模型
• 計算空氣變?yōu)槿梭w舒適區(qū)所需的熱量變換
• 找到最大化再生朗肯循環(huán)效率的參數(shù)
• 研究不同的流體和工藝參數(shù)如何影響有機朗肯循環(huán)的效率

為了建模和計算這些系統(tǒng)，熱工程師需要一些科學概念：

• 熱力學，例如熱力學基本定律焓，熵和比熱容的概念
• 流體力學，例如伯努利定律泵頭和管道摩擦
• 傳熱與傳質(zhì)能量守恒定律傳熱系數(shù)集總參數(shù)建模

此外熱能工程師還需要用到一些實際工具：

• 數(shù)學，例如優(yōu)化求根插值和外推

• ?計算，例如編程和腳本“活”的電子計算文件可視化和圖表應用開發(fā)和部署

工具對比

?Maple 軟件中的相關函數(shù)包

• ThermophysicalData -包含一系列計算熱物理、熱力學、熱化學屬性的函數(shù)。使用【CoolProp Library】，以及【NASA Glenn Coefficients】計算熱力學屬性
• DEtools - 求解常微分方程的函數(shù)包
• PDEtools - 求解偏微分方程的函數(shù)包
• ScientificConstants – 科學常數(shù)函數(shù)包
• Optimization – 參數(shù)優(yōu)化函數(shù)包
• plots – 繪圖函數(shù)包
• Units – 單位計算函數(shù)包
• Tolerances – 公差函數(shù)包

流體屬性數(shù)據(jù)庫CoolProp

Maple中的ThermophysicalData熱物性數(shù)據(jù)函數(shù)包，基于開源物性庫CoolProp，可以使用函數(shù)提取熱物特性數(shù)據(jù)。相比傳統(tǒng)的使用圖表或者查表的方式更加快捷、準確、不容易出錯。

CoolProp庫是由C++開發(fā)的常用工質(zhì)熱物性計算庫，是開源免費物性庫。

該庫包括：

122種純流體和近純流體狀態(tài)方程和傳輸物性方程；

使用高精度霍爾姆茲自由能公式計算的混合物性；

40多種不可壓縮流體、溶液和高精度濕空氣焓濕計算程序；

通過該函數(shù)包中的數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)：

• 模擬熱力學循環(huán)中的熱流
• 計算太陽能加熱系統(tǒng)的效率
• 使用集中參數(shù)模擬換熱器
• 優(yōu)化渦輪機的性能
• 生成特定的焓濕圖和壓焓圖
• 等等

該函數(shù)包是單位感知的，可以與Maple中的數(shù)值求解器、優(yōu)化求解器、微分方程求解器等一起使用。

Maple中的ThermophysicalData函數(shù)包，示例：

with(ThermophysicalData):

?二氧化碳在指定壓力和焓下的溫度

在指定的溫度和壓力下，氦和氮的 30%-70% 摩爾混合物的密度

獲取R134a的密度屬性

計算任意流體混合物的屬性

?生成PHT圖PHTChart("nitrogen")

生成濕度圖PHTChart("nitrogen")

計算功能 - 單位計算

Maple支持單位計算。

?

計算功能 - 工質(zhì)熱物性數(shù)據(jù)庫

例如：穩(wěn)態(tài)熱和質(zhì)量平衡是熱能工程中的基本概念，但通常只涉及簡單的數(shù)學運算。

?

?以R134a為介質(zhì)的壓縮機，已知輸入和輸出條件

?壓縮機的工作原理可以用Maple來計算

計算功能 – 方程求解

方程的數(shù)值計算

例如，求解一組隱式方程組，描述求解流體通過絕熱膨脹閥的流動

?

計算功能 – 微分方程求解

符號計算 - 偏微分方程離散為差分方程計算

許多熱交換過程是用偏微分方程來描述，例如逆流熱交換器中的溫度動態(tài)，這些偏微分方程離散為常微分方程用于集總參數(shù)分析。

?流體屬性可以作為溫度的函數(shù)，在離散化前可以代入PDE中。

優(yōu)化

?微分方程求解

?

?

熱工計算的可視化

?

壓焓溫度表?

?焓濕圖

計算模板部署和分享

多種部署工具和方案

• Maple（桌面程序）
• MapleNET（局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)）
• 免費閱讀器MaplePlayer

?Maple Player

?Maple中熱工應用案例庫

?

Maple中熱工應用案例庫 – 計算書Workbook

?

熱工計算示例

?示例下載：

• 蒸汽壓縮制冷循環(huán)分析
• 再生朗肯循環(huán)的效率優(yōu)化
• 調(diào)節(jié)空氣進入人體舒適區(qū)
• 通過膨脹閥的流體計算
• 潮濕的空氣混合
• 空氣流經(jīng)平板時的傳熱系數(shù)
• 汽化乙醇所需的能量
• 組合循環(huán)的熱效率
• 帶壓水堆的汽輪機循環(huán)型核電廠熱效率
• 帶有 2 個預熱器的汽輪機循環(huán)的熱效率
• 三回路蒸汽和燃氣裝置熱效率的計算
• 甲烷的等溫壓縮
• 具有T-s和h-s圖的組合循環(huán)的熱效率
• 等等

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Maple 热工计算的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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