專利名稱：一種多股流板翅式換熱器流體通道排列的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于板翅式換熱器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多股流板翅式換熱器流體通道排列的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
板翅式換熱器是一種緊湊式換熱器，由于結(jié)構(gòu)緊湊輕巧、傳熱效率高、便于布置多股流體而被廣泛地應(yīng)用于多種石油化工和低溫氣體液化分離行業(yè)。然而，在這種多股流板翅式換熱器中，由于同時(shí)參與換熱的冷熱流體可以多達(dá)十幾種，而且用于分配這些流體的通道也通常上百，因此相應(yīng)的流體通道排列方式也會(huì)急劇增加，即出現(xiàn)所謂的“組合爆炸”，很難利用窮舉法找到最優(yōu)的通道排列方式。當(dāng)通道排列方式不合理時(shí)，即使有足夠的面積后備系數(shù)，也會(huì)使換熱器無法達(dá)到設(shè)計(jì)性能指標(biāo)，然而，迄今為止通道排列的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題仍未得到很好的解決，是多股流板翅式換熱器研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。目前，多股流板翅式換熱器通道排列優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可以歸納為兩種一種是手工試湊設(shè)計(jì)方法，它通常是參照 Fan (Fan Y. N. , How to design plate-fin heat exchangers,Hydrocarbon Processing,45 (1966)211-217)提出的隔離型模式和 Sucessmann 和Mansour (Suessman ff. , Mansour A. , passage arrangement in plate-fin exchanges,in Proc. 15th International Congress of Refrigeration, 1979, pp. 421-429)提出的局部熱平衡模式，先給出通道預(yù)排列，然后通過模擬手段檢測(cè)該排列下?lián)Q熱器壁面溫度分布或者是流體溫差均勻性因子是否合理，如果不合理，則調(diào)整通道排列再重新檢測(cè)，這樣經(jīng)過多次調(diào)整試湊得到較滿意的通道排列。顯然這種試湊設(shè)計(jì)方法在很大程度上依賴于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)質(zhì)量和工作效率都受到很大限制；另一種是借助計(jì)算機(jī)對(duì)通道排列進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)方法提高了工作效率，而且，近年來由于智能優(yōu)化技術(shù)的迅速發(fā)展，一種模仿自然生物進(jìn)化過程的遺傳優(yōu)化技術(shù)，以其實(shí)用、高效、魯棒性強(qiáng)成為國(guó)際上研究的熱門課題，并廣泛地應(yīng)用于工業(yè)工程、經(jīng)濟(jì)管理、交通運(yùn)輸和優(yōu)化設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。然而，Ghosh等(Ghosh S. ,Ghosh I. ,Pratihar D. K. ,Maiti B. ,Das P. K. ,Optimun stacking pattern formultistream plate fin heat exchanger through a genetic algorithm,InternationalJournal of Thermal Sciences, 50 (2011) 214-224)最近建立的通道排列遺傳優(yōu)化模型是針對(duì)一種流體對(duì)應(yīng)一個(gè)通道情況，隨著通道數(shù)目的增加，通道排列染色體的優(yōu)化將變得異常繁瑣，而且模型對(duì)優(yōu)化過程無引導(dǎo)，對(duì)不良結(jié)果無約束，從而無法保證最終的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，總之，該模型從染色體編碼、適值函數(shù)到約束等方面，都未對(duì)通道排列這個(gè)特定優(yōu)化設(shè)計(jì)問題做出相應(yīng)的有效處理，不具有工業(yè)實(shí)用價(jià)值。另外，F(xiàn)an提出的隔離型模式很容易造成通道間熱負(fù)荷不平衡,而Sucessmann和Mansour提出的局部熱負(fù)荷平衡模式是從換熱器的一端開始計(jì)算過剩熱負(fù)荷，這種衡量方法有利于合理布置離換熱器這端近的通道，然而，隨著排列的進(jìn)行，換熱器的另一端將集聚過多過剩熱負(fù)荷而無法處理。此外，對(duì)于某一設(shè)計(jì)工況通道排列中出現(xiàn)的不可避免集聚負(fù)荷，我們可以設(shè)想應(yīng)該存在這樣一個(gè)位置，使得該不良集聚負(fù)荷對(duì)換熱器的負(fù)面影響最小。然而，目前的設(shè)計(jì)方法也無法很好地找到此不良集聚負(fù)荷最佳位置。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種多股流板翅式換熱器流體通道排列的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，具有適用性強(qiáng)、工作效率高、設(shè)計(jì)質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為—種多股流板翅式換熱器流體通道排列的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟第一步，設(shè)一個(gè)多股流板翅式換熱器，其中有nh種熱流體和η。種冷流體進(jìn)行換熱，已知熱流體Mi = 1,2...，nh)的質(zhì)量流量％、進(jìn)口溫度、出口溫度&和通道層數(shù)'，冷流體Cj(j = 1,2..., η。)的質(zhì)量流量、進(jìn)口溫度&、出口溫度L和通道層數(shù)#~，根據(jù)已知條件和流體比熱物性，計(jì)算換熱器熱流體Iii和冷流體Cj的單通道熱負(fù)荷，即％0+ = 1，2，...為)和1() = 1，2，...，1)
權(quán)利要求
1. 一種多股流板翅式換熱器流體通道排列的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括以下步驟 第一歩，設(shè)ー個(gè)多股流板翅式換熱器，其中有nh種熱流體和η。種冷流體進(jìn)行換熱，已知熱流體h (i = 1，2. . .，nh)的質(zhì)量流量、進(jìn)ロ溫度\、出口溫度ら和通道層數(shù)'，冷流體CjU = 1,2..., η。)的質(zhì)量流量A7、進(jìn)ロ溫度7;、出口溫度ら和通道層數(shù)#り， 根據(jù)已知條件和流體比熱物性，計(jì)算換熱器熱流體Iii和冷流體ら的單通道熱負(fù)荷，即% (/ = 1,2,...為)和も(ノ = 1,2,..., wc) %= X 公式中，4是熱流體比放出的熱量，符號(hào)為“-”，％是冷流體ち吸收的熱量，符號(hào)為“ +，，. 第二步，將待優(yōu)化的通道排列表示成ニ進(jìn)制串染色體X = [XpX2,... ,X1]，其確定方法 Yiy^yic如下當(dāng)熱流體通道總數(shù)Σ& <冷流L體通■總^ ^時(shí)，染色體X的前η。位將和換熱器η。種冷流體Cj (j = 1,2. . . , η。)--對(duì)應(yīng),位值為I代表相應(yīng)的冷流體被選中，位值為O則代表相應(yīng)的冷流體未被選中；接下來染色體X的后nh位將和換熱器的nh種熱流體Iii (i=1,2. . .，nh) 對(duì)應(yīng)，同樣，位值為I代表相應(yīng)的熱流體被選中，位值為O則代表相應(yīng)的熱流體未被選中，然后染色體X再接η。位與這η。種冷流體Cj (j = 1,2..., η。)--對(duì)應(yīng)，即形成ー個(gè)冷流體包圍熱流體的ニ進(jìn)制子串，之后，這個(gè)2w +n位子串重復(fù)Σ&次，就得到整個(gè)染色體X = [X1，X2，...，Xl]，其長(zhǎng)度H桃+%)ΧΣ'，依次類推，當(dāng)熱流體通道總nhnc數(shù)Σ'>冷流體通道總數(shù)Σ'吋，則上述染色體X的ニ進(jìn)制子串變?yōu)闊崃黧w包圍冷流體，即有2nh+n。位，重復(fù)此子串Zへ次后得到相應(yīng)的通道排列染色體X = [X17X2,.. .,X1],其中7=(2 +ル)ΧΣ' ; 第三歩，建立通道排列染色體X的適值函數(shù)或者是目標(biāo)函數(shù)F (χ)，即 F(x) = min(min(X(x))，min(X2(x))，....，minCQ(x))，···) 上式中下標(biāo)wk(k= 1，2，...，P)代表P種不同的通道束位置權(quán)重分布，/(X)代表在Wk通道束位置權(quán)重分布下，染色體χ的zigzag曲線各線段中點(diǎn)并考慮線段長(zhǎng)度權(quán)重的均方根偏差，從公式中可以看出，適值函數(shù)F(X)包括兩級(jí)優(yōu)化，即首先在固定通道束位置權(quán)重分布wk(k = 1,2, . . . , P)下,優(yōu)化染色體χ的zigzag曲線各線段中點(diǎn)的均方根偏差，得到其最小值min(/Wi(x))以及所對(duì)應(yīng)的染色體X，然后在此基礎(chǔ)上，比較P種不同通道束位置權(quán)重分布下的計(jì)算結(jié)果，最終取他們中的最小均方根偏差值所對(duì)應(yīng)的染色體χ作為優(yōu)化結(jié)果；上述P種不同通道束位置權(quán)重分布Wk (k= 1，2，...，P)的形成過程如下首先將第二步構(gòu)造的通道排列染色體χ首尾連接形成ー個(gè)染色體環(huán)，則當(dāng)熱流體通道總數(shù)nhncZNk <冷流體通垣總數(shù)^時(shí)，環(huán)上代表熱流體通道束的nh個(gè)相連基因和代表冷 nhnc流體通道束的2n。個(gè)相連基因，或者當(dāng)熱流體通道總數(shù)Σ' >冷流體通垣總數(shù)時(shí)，環(huán)上代表熱流體通道束的2nh個(gè)相連基因和冷流體通道束的η。個(gè)相連基因 將交替出現(xiàn)，以通道束為單位，環(huán)周將被均勻分割為2Σ' (Σ')或2TjnC1 (Σ^>Σ^ )等份，每份的端點(diǎn)則與環(huán)上每個(gè)冷熱通道束位置一一對(duì)應(yīng)，任選ー個(gè)端點(diǎn)作為染色體環(huán)的起始端點(diǎn)，賦予其位置權(quán)重為O，則對(duì)應(yīng)直徑的另一端點(diǎn)位置權(quán)重為1，而其他兩側(cè)端點(diǎn)則以該直徑為對(duì)稱軸，位置權(quán)重依次從O到I均勻遞增，記此時(shí)的權(quán)重分布代號(hào)為W1;然后W1繞著環(huán)心順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)α度形成位置權(quán)重分布W2，接著W2繼續(xù)繞著同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)同一角度形成位置權(quán)重分布W3,直到轉(zhuǎn)動(dòng)到第p-ι次形成位 —360置權(quán)重分布'，其中當(dāng)Σ'2±Nh尸=受'+I;而當(dāng)Σ'>Σ'， —360 2j^N p-^N +1，由于對(duì)稱位置端點(diǎn)的權(quán)重設(shè)定為相同，因此上述W1依次繞著環(huán) ;=1 J ;=1 J心順時(shí)針或者逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)α度P-I次后，環(huán)中所有端點(diǎn)的位置權(quán)重都經(jīng)歷了從O到I的遞變；另外，適值函數(shù)F(X)中的zigzag曲線與Sucessman和Mansour提出的有所不同，Sucessman和Mansour提出的zigzag曲線點(diǎn)的橫坐標(biāo)是多股流板翅式換熱器的通道,縱坐標(biāo)是從換熱器一端開始到該通道的累加熱負(fù)荷，相應(yīng)線段的長(zhǎng)度則是該通道的熱負(fù)荷，而此處的zigzag曲線是以通道束為單位，相應(yīng)點(diǎn)的橫坐標(biāo)是染色體環(huán)上的冷熱通道束，縱坐標(biāo)是從染色體環(huán)的起始端點(diǎn)開始到該通道束的累加熱負(fù)荷，相應(yīng)線段的長(zhǎng)度則是該通道束的熱負(fù)荷； 第四步，建立約束條件，D、染色體χ中代表同一種流體的基因位值總和應(yīng)該等于該流體的通道層數(shù)，2)、對(duì)于每一個(gè)冷熱流體通道束，其基因位值和均要> I且<冷熱流體總通道數(shù)之比+1，此處的冷熱流體總通道數(shù)之比是指大數(shù)比小數(shù)，即比值總是大于1，該約束可以避免通道熱負(fù)荷不合理的集聚； 第五步，選取遺傳優(yōu)化過程中的控制參數(shù)，種群大小=20，初始種群的產(chǎn)生函數(shù)為Uniform,評(píng)估函數(shù)為Ranking,選擇函數(shù)為Stochastic Uniform,復(fù)制中精英數(shù)Elitecount = 2,交叉函數(shù)為Scattered,交叉率=O. 8,變異函數(shù)為Uniform,變異率=O. 01,子種群間每隔20代發(fā)生遷移，遷移方向?yàn)镕orward，遷移率=O. 2，中止優(yōu)化過程的條件為進(jìn)化代數(shù)不超過100或染色體X適應(yīng)值的變化小于設(shè)定值10—6 ； 第六步，確定上述5個(gè)步驟后，借助Matlab提供的遺傳優(yōu)化工具獲得最終優(yōu)化染色體 X，然后順序列出該染色體中所有位值為I的基因所代表的對(duì)應(yīng)流體，便得到相應(yīng)的通道排列優(yōu)化結(jié)果。
全文摘要
一種多股流板翅式換熱器流體通道排列的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，先計(jì)算換熱器熱流體hi和冷流體cj的單通道熱負(fù)荷，再將待優(yōu)化的通道排列表示成二進(jìn)制串染色體x＝[x1，x2，...，xl]，然后建立通道排列染色體x的適值函數(shù)或者是目標(biāo)函數(shù)F(x)，再建立約束條件，然后選取遺傳優(yōu)化過程中的控制參數(shù)，最后借助Matlab提供的遺傳優(yōu)化工具獲得最終優(yōu)化染色體x，然后順序列出該染色體中所有位值為1的基因所代表的對(duì)應(yīng)流體，便得到相應(yīng)的通道排列優(yōu)化結(jié)果，本發(fā)明綜合了隔離布置和局部熱平衡設(shè)計(jì)原則，首次將通道位置加權(quán)量化和通道排列中不良集聚負(fù)荷位置進(jìn)行了優(yōu)化，并利用遺傳優(yōu)化技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)，克服了以往設(shè)計(jì)方法局限性，具有適用性強(qiáng)、工作效率高、設(shè)計(jì)質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G06N3/12GK102629290SQ20121006512
公開日2012年8月8日 申請(qǐng)日期2012年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月13日
發(fā)明者厲彥忠, 趙敏 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)