[发明专利]一种基于差分进化算法的管壳式换热器的多目标设计方法

说明书

本发明提出了一种差分进化算法的管壳式换热器的多目标设计方法，首先根据设计要求采集管式换热器的相关初始参数；之后建立运行成本目标函数、总熵产数目标函数和约束条件；最后获取包括运行成本目标函数和总熵产数目标函数组成的多目标优化函数模型，运用差分进化算法，对该多目标优化函数模型在设计范围内求出最优解集；根据最优解集对管式换热器进行分配。本发明以管壳式换热器的热力学数学模型为基础，同时考虑运行成本和总熵产数两个设计目标，采用差分进化算法，分析多个设计参数对两个目标函数的影响，得到使两个目标都达到比较优秀的最优设计集，工程师可以根据实际的设计需求在最优设计集中选择最优的设计方案。

技术领域

本发明属于换热器优化技术领域，尤其涉及一种基于差分进化算法的管壳式换热器的多目标设计方法。

背景技术

换热器是实现不同温度流体之间热量传递的关键设备，其结构优化设计是提高传热效率、降低生产成本、节约能源等目标的重要手段。目前，换热器的设计方法大多基于设备选型及设计规定，此种设计方法依赖于设计者的经验，优化目标单一，通过实际操作条件进行设备选型和设计参数调整，工作量大，所得到的只是其中的一种可行方案，设计效率低，不能进行多目标的权衡。国内外研究者对不同类型的换热器实现了优化。一种方法以常见换热器初始投资成本的估算方法，涉及了换热器的类型、程数、选材等因素，将多数换热器的初始投资成本计算式转化为换热面积的关系式；另一种方法以流动阻力和温差传热引起的总熵产值最小作为优化目标，优化传热元件、换热器及传热系统的相关设计参数，并将总熵产值作为衡量换热器性能的一个标准。

但以上两种方法均是基于单目标设计优化，由于单目标设计优化只是针对单个目标及参数影响进行分析，容易出现换热器传热性能和经济性能的冲突，并且没有将管排数设置为影响参数，因此以上两种方法对换热器实际运行的优化效果存在误差。此外，由于评价换热器传热性能的标准不统一，多为依靠单目标单因素分析，不能分析多个设计参数对不同设计目标的影响，因此现有技术中基于设计标准的优化设计无法实现全局最优，优化效果存在误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于差分进化算法的管壳式换热器的多目标设计方法，基于换热器优化数学模型，对换热器的运行成本和总熵产数进行多目标优化，基于差分进化算法求解两个目标的最优设计集，工程师可以根据实际的设计需求在最优设计集中选择最优的设计方案。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于差分进化算法的管壳式换热器的多目标设计方法，包括以下步骤：

S1:根据设计要求采集管式换热器的相关初始参数；

S2:建立运行成本目标函数和约束条件；

S3:建立总熵产数目标函数和约束条件；

S4:获取包括运行成本目标函数和总熵产数目标函数组成的多目标优化函数模型，运用差分进化算法，对该多目标优化函数模型在设计范围内求出最优解集；根据最优解集对管式换热器进行分配。

优选地，步骤S2和S3中的约束条件均满足M₁c_p1(t₁-t′₁)＝M₂c_p2(t′₂-t₂)。

优选地，

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优选地，所述初始参数包括管长、管外径、管横向排数、管纵向排数、管横向节距、管纵向节距、烟气侧进口温度、烟气侧出口温度、蒸汽侧进口温度、蒸汽侧出口温度、烟气侧进口压力、蒸汽侧进口压力、烟气侧流量和蒸汽侧流量。