火积耗散理论在板翅式换热器多目标优化设计中的应用

摘要

板翅式换热器因其结构轻巧、紧凑、传热效率高等优点，越来越受到广泛的关注，并成为最有发展前途的换热设备之一。通过优化板翅式换热器的几何结构，降低不可逆耗散，提高其换热性能，是经济的利用和节约能源的重要手段。本文基于火积耗散理论，应用单目标和多目标遗传算法，形成了板翅式换热器的优化设计方法。
　　 本文采用MATLAB遗传算法工具箱提供的遗传算法，以火积耗散数为目标函数，根据实际选用的锯齿形板翅式换热器的设计要求和容许压降为约束条件，编写了一套完整的板翅式换热器优化设计程序。文中分别利用单目标和NSGA-Ⅱ多目标遗传算法对锯齿形板翅式换热器的几何结构进行了优化设计，并对比分析了两种优化结果，发现多目标优化的结果能够明显改善换热器的性能。
　　 优化设计问题主要包括设计变量、约束条件和目标函数三个元素。本文选取对锯齿形板翅式换热器传热性能影响较大的几何结构参数为设计变量；以容许压降和换热器设计要求为约束条件；分别以无量纲化的总熵产数和总火积耗散数为目标函数，建立了单目标数学优化模型，进而应用遗传算法求解相应的优化问题。通过单目标优化计算所得到的结果发现：对于给定热负荷的换热器优化设计，以火积耗散数为目标函数所得到的结果与以熵产数为目标函数所得到的优化结果基本一致。由于通常情况下有限温差导热引起的火积耗散大于粘性流动引起的火积耗散，以总火积耗散数为目标函数进行单目标优化设计时往往很容易忽视流体粘性的影响。为此，本文运用NSGA-Ⅱ多目标遗传算法，以有限温差导热引起的火积耗散数和粘性流动引起的火积耗散数为两个独立的目标函数，采用与单目标优化模型相同的设计变量以及约束条件，建立了多目标优化模型。通过对比分析单目标与多目标优化结果，发现多目标优化设计使换热器各项性能参数均有不同程度的提高，这种方法在换热器优化设计中具有更大的优势，为解决板翅式换热器的优化问题提供了一种新思路。
　　 本文最后部分为了方便用户使用换热器优化设计程序，建立了良好的图形用户界面。用户只需输入已知数据，选择合适的算法和目标函数，即可得到直观的优化结果，这样即使非专业人员也能够方便的使用本文所设计的换热器优化设计程序。