遗传算法在可调热泵结构优化设计中的应用研究

摘要

造纸行业是能源消耗大户，其降耗的最大潜能在干燥部。热泵能够将二次蒸汽压力提升时，不直接增加机械能量消耗。将其应用于造纸的干燥部对能源消耗的降低有显著的作用。热泵的节能效果可以用喷射系数的大小来衡量。可调热泵的结构设计和热泵系统的设计对可调热泵性能的发挥起到很关键的作用。然而长时间以来，热泵的设计都是建立在经验的基础上，对其的优化设计很少有人研究。本文试探利用遗传算法在组合优化中的优势对可调热泵的结构尺寸进行优化设计，并在计算流体力学软件中进行仿真以验证遗传算法优化设计的合理性，最后将其应用在工业现场再次检验优化设计的效果。本文的主要内容可总结如下:
　　(1)优化目标的确定。首先通过经验公式法、气体动力函数法和热力学法建立喷射系数模型。对三种模型进行比较，发现气体动力函数法建立的喷射系数模型与问题要研究的结构尺寸密切相关，得出在特定的工况下喷射系数取决于相似几何参数（关键尺寸）的选取。建立了可调热泵性能指标喷射系数和关键尺寸的函数关系。可调热泵其它的尺寸都是在关键尺寸的基础上设计而来，优化关键尺寸就可以优化热泵的结构。
　　(2)基于遗传算法的最佳相似几何参数的获取。首先对遗传算法原理和执行步骤进行了介绍，然后对遗传算法的参数和优化的限定条件进行分析和设定。通过选择、交叉、变异等遗传操作，能够使得适应度函数最大的一条染色体，该染色体的基因片段组合就是最佳的相似几何参数。
　　(3)基于CFD仿真软件平台的遗传算法优化合理性验证。利用遗传算法得到的热泵相似几何参数建立仿真模型，通过仿真可较为直观的观察热泵内部的流体流动方式。分析了可调热泵内部能量混合和损失的方式，并在各个工况下比较可调热泵的效率。
　　(4)新型热泵系统的设计和工程实践验证。本文分析了传统的三段供气和纯热泵系统的特点，吸收了现有热泵系统的优缺点，提出了一种在三段供气基础上改造为热泵系统的方案。该新型热泵系统为中小型纸业探索了一条经济的改造方案。任何设计的最终目的是为了服务于实践，将经过遗传算法优化后的热泵用于本系统，能够达到节能降耗的目的。再次用实践证明了使用遗传算法对可调热泵结构优化的正确性和合理性。

目录

摘要

1 绪论

1．1 本文研究目的和意义

1．2 可调热泵和遗传算法在国内外的研究现状

1．2．1 喷射器的工作原理和分类

1．2．2 可调热泵的理论和应用研究现状

1．2．3 遗传算法的应用研究现状

1．2．4 遗传算法在结构优化中的应用研究

1．3 本文的主要工作及章节安排

2 可调热泵关键参数及喷射系数的计算方法

2．1 喷射器遵循定律

2．2 可调热泵喷射系数定义和效率评价

2．3 三种可调热泵喷射系数的计算方法

2．3．1 经验公式法建立喷射系数

2．3．2 气体动力函数法建立喷射系数

2．3．3 热力学法建立喷射系数

2．4 可调热泵喷射系数和相似尺寸的函数关系

2．4．1 三种方法建立的喷射系数比较分析

2．4．2 喷射系数和相似尺寸的函数关系

3 基于遗传算法的可调热泵结构优化设计

3．1 遗传算法

3．1．1 遗传算法的原理和特点

3．1．2 遗传算法的操作流程

3．2 基于遗传算法的可调热泵结构参数优化

3．2．1 热泵工作环境参数

3．2．2 优化参数编码

3．2．3 初始种群的产生

3．2．4 适应度函数的选取

3．2．5 遗传算子的设计

3．2．6 运行参数设定

3．2．7 运行结果

3．2．8 可调热泵结构设计

4 可调热泵的数值模拟验证

4．1 计算流体力学简介

4．1．1 计算流体力学的基本概念

4．1．2 计算流体力学的工作步骤

4．1．3 热泵流体控制方程建立

4．1．4 湍流模型建立

4．2 可调热泵优化前后仿真对比

4．3 工况变化对喷射系数的影响

4．3．1 工作流体压力对喷射系数的影响

4．3．2 引射流体压力对喷射系数的影响

4．3．3 混合流体压力对喷射系数的影响

5 基于可调热泵的蒸汽冷凝水系统设计与实现

5．1 造纸机干燥部常见供气方式

5．1．1 三段供气

5．1．2 开放式热泵供热系统

5．1．3 封闭式热泵供热系统

5．2 基于可调热泵的热泵系统设计

5．3 热泵DCS系统工程实现

5．3．1 设计原始数据

5．3．2 制浆造纸整体DCS网络结构

5．3．3 干燥部DCS结构图

5．3．4 热泵系统特性

5．3．5 热泵系统硬件设计

5．3．6 热泵系统控制方法设计

5．3．7 热泵系统软件设计

5．3．8 工程验证结论

6 总结与展望

6．1 全文工作总结

6．2 未来工作展望

致谢

参考文献

附录A：遗传算法优化程序主要步骤

附录B：热泵控制系统硬件设计

攻读硕士学位期间发表的论文

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