熵产最小化方法在管壳式换热器优化设计中的应用

摘要

近些年来，随着能源消耗的飞速增长，人们逐渐认识到节能减排的重要性。换热器作为众多工业领域中使用最为广泛的热力设备之一受到了人们越来越多的关注。了解分析影响换热器性能的参数和对换热器进行优化设计具有重要的意义。基于此，本文从两个个方面对管壳式换热器的优化设计情况进行了数值计算。 本文选用改进熵产数作为换热器优化的目标函数，为了确定影响换热器性能的参数，将遗传算法嵌入在商业软件Matlab中应用于过热蒸汽—水式单程管壳式换热器的优化设计过程。首先计算得出定换热量和定换热面积情况下单一参数随熵产数减小的变化趋势，分析影响换热器性能的主要参数：传热单元数、传热有效度、换热系数、热容率比和压力损失等随目标函数变化的走势。在此基础上进一步计算多个设计变量同时变化的情况下管壳式换热器主要参数随目标函数变化的走势。所得结果表明，改进熵产数在常物性参数介质的管壳式换热器优化设计中具有较好的效果。 为了进一步研究变物性参数对换热器性能指标的影响，本文考虑了温度对换热器内传热介质物性参数的影响。在进行一定的假设前提下，本文推导出变物性参数下换热器的熵产表达式，对受温度影响的传热介质的物性参数公式进行了温度区间内的曲线拟合，并先后计算了定换热量和定换热面积情况下单一参数随熵产数减小的变化趋势，分析其对换热器性能的影响，所得优化结果与常物性参数下基本一致。通过对前后的优化结果进行分析比较，发现在考虑温度对物性参数的影响时，随着换热量和管数（管排数）的增加，换热器内气体的有效换热温度随之逐渐的降低，但换热器换热内的有效传热温度总体上有所提高，在一定程度上加大了冷热流体的传热温差，所的结论与现有研究结果相符合。

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第一章绪论

1.1国内外研究现状

1.1.1换热器的主要优化方法

1.1.2传热过程熵产最小化方法的研究现状

1.1.3熵产最小化方法在换热器优化中的应用

1.2本文研究的主要内容

第二章熵产最小化方法

2.1不同工况下熵产的分析计算

2.1.1有限温差引起的熵产

2.1.2流动混合引起的熵产

2.1.3流动阻力引起的熵产

2.1.4总熵产

2.2常物性工况下熵产数的分析计算

2.3本章小结

第三章常物性工况下管壳式换热器的优化

3.1管壳式换热器的设计流程

3.2遗传算法

3.3管壳式换热器传热过程的熵产数计算

3.4优化实例

3.4.1定换热量优化中不同参数与Ns的关系

3.4.2定换热面积优化中不同参数与Ns的关系

3.4.3多设计变量优化中不同参数与Ns的关系

3.5本章小结

第四章 变物性工况下管壳式换热器的优化

4.1变物性工况下管壳式换热器的熵产数计算

4.2优化实例

4.2.1定换热量优化中不同参数与Ns的关系

4.2.2定换热面积优化中不同参数与Ns的关系

4.2.3结果与讨论

4.3本章小结

第五章结果与展望

附录 计算管壳式换热器熵产数的程序代码

参考文献

致谢