管壳式换热器设计和换热网络综合同步优化

摘要

换热网络综合是过程系统工程的一个重要的研究领域，对于企业的节能降耗、降低成本具有重大意义，在之前的几十年中，换热网络综合方法已经取得了较大的发展。然而，一方面，为了问题简化所做的假设，如流股传热系数为经验常数，忽略换热器的污垢热阻，不考虑由于换热器压降引起的泵的操作费用等，导致换热网络综合的结果偏离最优化设计，难以直接应用于实际生产过程。另一方面，由于问题的复杂性和耦合性，实际生产中换热网络综合和换热器详细设计是分步进行，这割裂了换热网络系统与各个换热器子系统之间的关系，难以实现整体优化。因此，本论文提出同步优化策略，引入换热器面积和总传热系数作为关联参数，建立管壳式换热器详细设计和换热网络综合同步优化数学模型，并利用遗传/模拟退火算法（GA/SA）进行求解，实现换热器设计尺寸和换热网络结构参数的整体权衡优化。
　　依据Bell-Delaware法对壳程流体进行压降和传热的计算，选择管子内径、外径、管长等作为主要设计变量，以换热器的年总费用最低为目标函数，建立了管壳式换热器优化设计数学模型，并利用GA/SA算法求解。通过文献中算例的对比，表明算法能较好的权衡换热器的换热面积费用和泵的操作费用搜索到全局最优解，获得总费用较低时的换热器几何结构参数。针对一个实际工程项目，考虑换热器设计裕度要求，增加相关的约束条件，通过提出的模型及算法进行换热器优化设计，程序对压降和传热的计算与商业化换热器设计软件HTRI的预测值较为接近，说明所设计的换热器具有较高的可行性，同时也克服了HTRI设计过程中无法保证经济性最优的不足。
　　提出了一个换热网络综合和冷、热工艺流股间无相变换热器设计同步优化的数学模型。利用换热网络的分级超结构将每个换热匹配的热负荷和热容流率与换热器的主要几何结构约束联立起来，并基于GA/SA算法使换热网络的年总费用最低，其中包含换热器的设备费用、泵的操作费用以及公用工程费用。以换热器的面积和总传热系数为换热网络综合和换热器设计的耦合关联参数，提出一种循环嵌套求解同步优化模型的策略。在有分流的分级超结构中对换热器采取串联和并联的处理方式，考虑分支流股对主干流股压降的影响。通过文献中的两个算例分析，换热网络年总费用分别节约了0.06％、0.01％和71.15％、6.06％，说明了所提出的模型和算法的有效性。
　　提出了一个换热网络综合和有相变公用工程换热器设计同步优化数学模型。利用Nusselt方程、Kern法以及Bell-Delaware法计算发生相变换热器的传热系数和压降，取消了换热网络综合过程中所有传热系数为常数的假设，结合改进的换热网络非等温混合分级超结构模型，以换热网络年总费用最低为目标函数，构建了同步优化模型。考虑了工艺流股和公用工程流股流经辅助加热器和冷却器压降引起的操作费用，较为详细的预测工艺流股流经换热网络匹配换热之后压力的变化。针对文献中的一个算例进行分析，通过对换热网络及其中的冷热流股间换热器、辅助加热器、冷却器进行同步优化设计，使换热网络年度总费用降低了20.2％，同时得到了详细的工艺流股间换热器和公用工程换热器的设计参数。

目录

声明

摘要

引言

1 文献综述

1．1 换热网络综合方法

1．1．1 分步综合方法

1．1．2 同步综合方法

1．2 换热器设计方法

1．2．1 Kern法

1．2．2 Bell-Delaware法

1．2．3 换热器设计软件

1．3 遗传／模拟退火算法

1．3．1 遗传算法

1．3．2 模拟退火算法

1．3．3 遗传／模拟退火算法及其基本步骤

1．4 包含换热器详细设计的换热网络综合研究进展

1．4．1 夹点分析法综合考虑换热器设计的换热网络

1．4．2 数学规划法综合考虑换热器设计的换热网络

1．5 选题依据和研究内容

2 遗传／模拟退火算法优化设计管壳式换热器

2．1 换热器设计数学模型

2．1．1 传热计算

2．1．2 压降计算

2．2 设计变量及目标函数

2．2．1 设计变量

2．2．2 目标函数

2．3 遗传／模拟退火算法求解

2．3．1 交叉、变异算子

2．3．2 求解策略

2．4 管壳式换热器设计案例分析

2．4．1 算例2．1

2．4．2 算例2．2

2．5 本章小结

3 无相变工艺管壳式换热器设计及换热网络综合同步优化

3．1 无相变工艺管壳式换热器设计及换热网络同步优化数学模型

3．1．1 换热网络超结构及设计变量

3．1．2 约束条件

3．1．3 目标函数

3．2 遗传／模拟退火算法求解策略

3．3 换热器和换热网络同步优化算例分析

3．3．1 算例3．1

3．3．2 算例3．2

3．4 本章小结

4 考虑有相变公用工程管壳式换热器设计的换热网络综合

4．1 问题描述

4．2 考虑有相变公用工程换热器设计的换热网络超结构及数学模型

4．2．1 考虑有相变公用工程换热器设计的换热网络超结构表示

4．2．2 考虑有相变公用工程换热器设计换热网络综合数学模型

4．3 考虑公用工程换热器设计的换热网络同步优化求解过程

4．4 算例分析

4．4．1 算例4．1

4．4．2 设计结果及费用对比

4．5 本章小结

结论

论文创新点与展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢