基于耗散理论的螺旋板式换热器多目标优化设计.pdf

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电力与能源
第34卷第1期
2013年2月
基于炽耗散理论的螺旋板式换热器
多目标优化设计
蔡
吴吁生
(华东理工大学机械与动力工程学院,上海200237)
摘要;在炽理论的基础上,分析了蝶旋板式换热器运行过程中,传热和压降引起的炽耗散数与冷流体出口温
度和冷、热流体的流速的关系。利用多目标遗传算法,以传热和压降引起的炽耗散数最小为目标,对流体出口
温度和冷、热流体的流速的组合进行了优化。给出了优化实例,根据优化解对优化效果进行了评价,指出采
用优化解对换热器进行设计,可以城少流体流动的压降减少水泵用能,而且可以减少传热单元数、降低设备
的投资和运行费用,提高换热器的经济性。
关键词:流体流速;多目标遗传算法;优化设计
中图分类号:TK172文献标志码:A文章编号:2095-1256(2013)01“0024-03
Optimal Design for Spiral-plate Heat Exchanger by Multi-objective Genetic Al orithm Optimization
Cai Fe
sheng
(East China University of Science and Engineering, Shanghai 200237, China)
Abstract: Based on the analysis of the structure of the spiral plate heat exchanger, determines the relationship between
structure parameters, such as plate space, and fluid velocity, the export temperature parameters of spiral plate heat
exchanger plate, use multi-objective genetic algorithm to optimize the practical example, obtain more economic and
reasonable parameters of plate space and fluid flow, promote the performance of the heat exchanger, achieve the purpose
ol the optimization design.
Key words: Fluid velocity; Multi-objective genetic algorithm; Optimization
螺旋板式换热器体积小、效率高、制造简单、力;郭江峰等根据燠理论定义了传热引起的燠
成本较低,能进行低温差换热,在国外很早就使用耗散数,用于评价换热器的整体性能。通常,换热
在废液废气的余热回收中,我国的烧碱厂也很早器的炽耗散数越小,换热器的传热能力越好。
就利用螺旋板式换热器进行电解液加热和浓碱液
传热引起的炽耗散数
冷却。但是螺旋板式换热器承压能力有限リ。本
e(1「+Cに)
文将采用当下最流行的NSGA2进化算法,并以
炽耗散最小化为目标对选择的算例进行优化,式中:e为换热器的效率;Cn和C.分别为热冷流体的热容
从而重新确定螺旋板式换热器的结构尺寸,使其流量(涴体的质量流量与比热容的积),J/(S?K);C为这
达到最佳的结构。
两个热容流量比,当いくC。时C"=C/C,当C。炽耗散和目标函数
以后,许明田等又推出了换热器在运行过程
过增元教授基于热电比拟首先提出了燠理中的压降引起的耗散。当换热器中的两流体
论:采用炽的概念描述一个物体传递热量的能均为不可压缩流体时,压降引起的烟耗散数:
△p
△2
(2
ln[1ー(1-e)
[1+(1
式中:△か和△分别为热冷流体的压降;和2分別为热冷流体的密度;c1和c2分别为热冷流体的比热容;T:和T:分
别为热冷流体的人口温度
蔡飞,等:基于耗散理论的螺旋板式换热器多目标优化设计
决定传热引起燠耗散数的换热器效率eε,与
2遗传算法的实现
温差等有关
为了利用遗传算法对螺旋板式换热器的性能
进行优化,以冷流体出口温度和冷、热流体的流速
三个因素作为优化对象,把换热过程中传热利压
式中:△、为对数平均温差,与冷流体出口温度有关;Q降引起的炽耗散数为目标
为传热量,可以指定;c1和c2分别为热、冷流体的比
通过遗传算法中的优化程序不断调整参数值
热容
和组合,要求两目标尽可能达到最小,获得优化参
决定厔降引起燠耗散数的压降,与温差和流
数的折中解。优化的目标函数是式(1)和式
体流速等有关:
(2);目标为
0.365Q(o2+V)」0.0153o
4KVH2△tnRe
2KHA=+4/2
minf(ET(t2, Wh, W.),Er(t2, Wh, W.))
(4)
本文应用的是多目标进化算法中的
式中:a为流体流速,可以是冷流体的流速或者热流体的NSGA2,NSGA2是DEB在NSGA的基础上提
流速;H为螺旋板宽度,可以指定;Re为雷诺数,与流体出的,引入了枃造边界集,计算聚集距离,构造偏
流速和动力粘度有关;V为流体体积流量,可以设定;K序集等方法?,克服了原NSGA的一些缺点,使
为总传热系数,与换热器的导热系数有关
之在工程优化中更实用。算法框架见图1。
由于温差△tm与冷流体出口温度有关,由式
(3)换热器的效率ε随着冷流体的出口温度变化,
开始
因此式(1)传热引起的炽耗散数也与冷流体出口
产生初始群体
温度有关;由式(4)流体的压降△随流体流速改
变,由式(2),压降引起的烘耗散数将随着冷热流
用GA进化P得到新群体R
体的流速改变。
构造PUR的边界集F門
因此,当热流体进出口温度和螺旋板宽度等
参数确定后,通过运行参数冷流体出口温度和冷
令P巾,按顺序将F并入P,直到
超出初始种群大小,此时F为
热流体的流速的优化组合,可以尽可能减少换热
器的炽耗散数
对巧计算棗集距离,构造偏序集,将
另ー方面,螺旋板式换热器设计所需要的结
按顺序并人P,直到P达到初始种群大小
构参数例如传热单元数NTU和一些运行参数例
满足终止条件
输岀结果
如泵功耗W,也与冷流体出口温度和冷、热流体
的流速有关
P为下一代种群
NTU Q
(5)
图1多目标进化算法框图
W=Vc△P
结合遗传算法工具箱所采用的种群大小为
式中:V为冷流体体积流量,Cっ为热冷流体中较小的热60,遗传代数为80,单点交叉概率为0.7,使用离
容流量。
散変异法,変异概率使用默认的0.7/Iind,这里
因此,利用冷流体出口温度和冷、热流体的流Lind为染色体长度,这里选择为30。
速优化结果,指导螺旋板式换热器设计,可以使螺
3螺旋板式换热器的设计计算算例
旋板式换热器的性能得到优化。
炽耗散数随冷流体出口温度和冷、热流体的
采用多目标遗传算法对螺旋板式换热器进行
流速变化,但是函数关系非常复杂,很难