管壳式换热器及换热器网络的多目标优化设计

摘要

换热器作为一种基本的换热设备，在化工、动力、冶金、食品、能源、航天等工程领域中有着广泛应用。通过优化设计提高换热器的性能，减少换热过程热量的不可逆耗散，是提高能源利用率的重要措施，在能源日益短缺和环境污染逐步恶化的今天具有重要的意义。同时在实际应用中往往出现多个换热器一起使用的情况，因此如何提高换热器网络的性能也是重要的研究课题。本文将致力于管壳式换热器及换热器网络的多目标优化设计。
　　 现有换热器优化设计方法大致分为两类，一类是以换热器的总成本最小为目标函数，另一类是以无量纲化的换热器中的熵产最小为目标函数。第一类方法虽然降低了换热器的成本，但以牺牲换热器的性能为代价。第二类方法虽然提高了换热器的性能，但增加了换热器的成本。为了既满足用户对换热器成本的要求，又尽可能地提高换热器的性能，本文以换热器总成本和换热器的火积耗散数为目标函数，应用遗传算法对管壳式换热器和换热器网络进行了多目标优化设计，编写了换热器优化设计程序，并和单目标优化设计结果进行了比较。
　　 对管壳式换热器进行多目标优化设计时，我们选取换热器总成本和火积耗散数为两个独立的目标函数，以换热管直径、换热管长度、换热管数目、换热管布置方式、折流板缺口高度、中间折流板间距、进出口处折流板间距、换热管间距、折流板上换热管与管孔间距、折流板外缘与壳体内径间距、换热管束外缘直径等作为设计变量，以容许压降和换热器设计标准要求为约束条件，形成了换热器的多目标优化设计问题，并应用新一代非劣分层遗传算法(NSGA-Ⅱ)求解了该优化问题。通过比较优化前后的设计方案，发现通过优化设计可以在降低换热器成本的同时，明显减少了泵功的消耗。通过和其它换热器优化设计方法（譬如以换热器的总成本为目标函数的优化法）对比，发现以换热器总成本和火积耗散数为目标函数的换热器多目标优化设计方法在提高换热器性能和降低成本方面有着较大优势。
　　 对换热器网络进行优化时，以成本最小为目标函数的换热器网络优化，在完成换热任务的条件下可以明显地节约换热器网络成本，有着较大的现实意义；由于换热器网络火积耗散数与换热器的有效度和最小传热温差的紧密联系，导致以火积耗散数为目标函数的换热器网络优化仅仅是理论上的最优，工程上单独使用并不合理；而以成本和火积耗散数为目标函数的换热器网络多目标优化较好地解决了上述难题，可以同时实现换热效果和成本的优化，使火积耗散理论成功应用于换热器网络优化问题。