[發明專利]一種多股流板翅式換熱器流體通道排列的優化設計方法

無效

• 申請號: 201210065122.X
• 申請日: 2012-03-13
• 公開（公告）號: CN102629290A
• 公開（公告）日: 2012-08-08
• 發明（設計）人: 厲彥忠;趙敏
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;G06N3/12
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 賀建斌

技術領域

本發明屬于板翅式換熱器技術領域，具體涉及一種多股流板翅式換熱器流體通道排列的優化設計方法。

技術背景

板翅式換熱器是一種緊湊式換熱器，由于結構緊湊輕巧、傳熱效率高、便于布置多股流體而被廣泛地應用于多種石油化工和低溫氣體液化分離行業。然而，在這種多股流板翅式換熱器中，由于同時參與換熱的冷熱流體可以多達十幾種，而且用于分配這些流體的通道也通常上百，因此相應的流體通道排列方式也會急劇增加，即出現所謂的“組合爆炸”，很難利用窮舉法找到最優的通道排列方式。當通道排列方式不合理時，即使有足夠的面積后備系數，也會使換熱器無法達到設計性能指標，然而，迄今為止通道排列的優化設計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和難點。

目前，多股流板翅式換熱器通道排列優化設計方法可以歸納為兩種：一種是手工試湊設計方法，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?W.，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，先給出通道預排列，然后通過模擬手段檢測該排列下換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，則調整通道排列再重新檢測，這樣經過多次調整試湊得到較滿意的通道排列。顯然這種試湊設計方法在很大程度上依賴于設計者的經驗，設計質量和工作效率都受到很大限制；另一種是借助計算機對通道排列進行優化設計，這種設計方法提高了工作效率，而且，近年來由于智能優化技術的迅速發展，一種模仿自然生物進化過程的遺傳優化技術，以其實用、高效、魯棒性強成為國際上研究的熱門課題，并廣泛地應用于工業工程、經濟管理、交通運輸和優化設計等領域。然而，Ghosh等(Ghosh?S.，Ghosh?I.，Pratihar?D.K.，Maiti?B.，Das?P.K.，Optimun?stacking?pattern?for?multistream?plate?fin?heat?exchanger?through?a?genetic?algorithm，International?Journal?of?Thermal?Sciences，50(2011)214-224)最近建立的通道排列遺傳優化模型是針對一種流體對應一個通道情況，隨著通道數目的增加，通道排列染色體的優化將變得異常繁瑣，而且模型對優化過程無引導，對不良結果無約束，從而無法保證最終的優化設計結果，總之，該模型從染色體編碼、適值函數到約束等方面，都未對通道排列這個特定優化設計問題做出相應的有效處理，不具有工業實用價值。

另外，Fan提出的隔離型模式很容易造成通道間熱負荷不平衡，而Sucessmann和Mansour提出的局部熱負荷平衡模式是從換熱器的一端開始計算過剩熱負荷，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，隨著排列的進行，換熱器的另一端將集聚過多過剩熱負荷而無法處理。此外，對于某一設計工況通道排列中出現的不可避免集聚負荷，我們可以設想應該存在這樣一個位置，使得該不良集聚負荷對換熱器的負面影響最小。然而，目前的設計方法也無法很好地找到此不良集聚負荷最佳位置。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺點，本發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化設計方法，具有適用性強、工作效率高、設計質量高的優點。

為了達到上述目的，本發明采取的技術方案為：

一種多股流板翅式換熱器流體通道排列的優化設計方法，包括以下步驟：

第一步，設一個多股流板翅式換熱器，其中有n_h種熱流體和n_c種冷流體進行換熱，已知熱流體h_i(i＝1，2...，n_h)的質量流量進口溫度出口溫度和通道層數冷流體c_j(j＝1，2...，n_c)的質量流量進口溫度出口溫度和通道層數

根據已知條件和流體比熱物性，計算換熱器熱流體h_i和冷流體c_j的單通道熱負荷，即和