[发明专利]一种多股流板翅式换热器流体通道排列的优化设计方法

摘要

一种多股流板翅式换热器流体通道排列的优化设计方法，先计算换热器热流体hi和冷流体cj的单通道热负荷，再将待优化的通道排列表示成二进制串染色体x＝[x1，x2，...，xl]，然后建立通道排列染色体x的适值函数或者是目标函数F(x)，再建立约束条件，然后选取遗传优化过程中的控制参数，最后借助Matlab提供的遗传优化工具获得最终优化染色体x，然后顺序列出该染色体中所有位值为1的基因所代表的对应流体，便得到相应的通道排列优化结果，本发明综合了隔离布置和局部热平衡设计原则，首次将通道位置加权量化和通道排列中不良集聚负荷位置进行了优化，并利用遗传优化技术加以实现，克服了以往设计方法局限性，具有适用性强、工作效率高、设计质量高的优点。

主权项

1.一种多股流板翅式换热器流体通道排列的优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：第一步，设一个多股流板翅式换热器，其中有n_h种热流体和n_c种冷流体进行换热，已知热流体h_i(i＝1，2...，n_h)的质量流量进口温度出口温度和通道层数冷流体c_j(j＝1，2...，n_c)的质量流量进口温度出口温度和通道层数根据已知条件和流体比热物性，计算换热器热流体h_i和冷流体c_j的单通道热负荷，即和qhi=Qhi/Nhi]]>qcj=Qcj/Ncj]]>公式中，是热流体h_i放出的热量，符号为“-”，是冷流体c_j吸收的热量，符号为“+”；第二步，将待优化的通道排列表示成二进制串染色体x＝[x₁，x₂，...，x_l]，其确定方法如下：当热流体通道总数时，染色体x的前n_c位将和换热器n_c种冷流体c_j(j＝1，2...，n_c)一一对应，位值为1代表相应的冷流体被选中，位值为0则代表相应的冷流体未被选中；接下来染色体x的后n_h位将和换热器的n_h种热流体h_i(i＝1，2...，n_h)一一对应，同样，位值为1代表相应的热流体被选中，位值为0则代表相应的热流体未被选中，然后染色体x再接n_c位与这n_c种冷流体c_j(j＝1，2...，n_c)一一对应，即形成一个冷流体包围热流体的二进制子串，之后，这个位子串重复次，就得到整个染色体x＝[x₁，x₂，...，x_l]，其长度依次类推，当热流体通道总数时，则上述染色体x的二进制子串变为热流体包围冷流体，即有2n_h+n_c位，重复此子串次后得到相应的通道排列染色体x＝[x₁，x₂，...，x_l]，其中l=(2nh+nc)×Σj=1ncNcj;]]>第三步，建立通道排列染色体x的适值函数或者是目标函数F(x)，即F(x)=min(min(fw1(x)),min(fw2(x)),....,min(fwk(x)),...)]]>上式中：下标w_k(k＝1，2，...，p)代表p种不同的通道束位置权重分布，代表在w_k通道束位置权重分布下，染色体x的zigzag曲线各线段中点并考虑线段长度权重的均方根偏差，从公式中可以看出，适值函数F(x)包括两级优化，即首先在固定通道束位置权重分布w_k(k＝1，2，...，p)下，优化染色体x的zigzag曲线各线段中点的均方根偏差，得到其最小值以及所对应的染色体x，然后在此基础上，比较p种不同通道束位置权重分布下的计算结果，最终取他们中的最小均方根偏差值所对应的染色体x作为优化结果；上述p种不同通道束位置权重分布w_k(k＝1，2，...，p)的形成过程如下：首先将第二步构造的通道排列染色体x首尾连接形成一个染色体环，则当热流体通道总数时，环上代表热流体通道束的n_h个相连基因和代表冷流体通道束的2n_c个相连基因，或者当热流体通道总数时，环上代表热流体通道束的2n_h个相连基因和冷流体通道束的n_c个相连基因将交替出现，以通道束为单位，环周将被均匀分割为2Σi=1nhNhi(Σi=1nhNhi≤Σj=1ncNcj)]]>或2Σj=1ncNcj(Σi=1nhNhi>Σj=1ncNcj)]]>等份，每份的端点则与环上每个冷热通道束位置一一对应，任选一个端点作为染色体环的起始端点，赋予其位置权重为0，则对应直径的另一端点位置权重为1，而其他两侧端点则以该直径为对称轴，位置权重依次从0到1均匀递增，记此时的权重分布代号为w₁；然后w₁绕着环心顺时针或逆时针转动α度形成位置权重分布w₂，接着w₂继续绕着同一方向转动同一角度形成位置权重分布w₃，直到转动到第p-1次形成位置权重分布w_p，其中当Σi=1nhNhi≤Σj=1ncNcj,]]>α=3602Σi=1nhNhi,]]>p=Σi=1nhNhi+1;]]>而当Σi=1nhNhi≤Σj=1ncNcj,]]>α=3602Σi=1nhNhi,]]>p=Σi=1nhNhi+1;]]>由于对称位置端点的权重设定为相同，因此上述w₁依次绕着环心顺时针或者逆时针转动α度p-1次后，环中所有端点的位置权重都经历了从0到1的递变；另外，适值函数F(x)中的zigzag曲线与Sucessman和Mansour提出的有所不同，Sucessman和Mansour提出的zigzag曲线点的横坐标是多股流板翅式换热器的通道，纵坐标是从换热器一端开始到该通道的累加热负荷，相应线段的长度则是该通道的热负荷，而此处的zigzag曲线是以通道束为单位，相应点的横坐标是染色体环上的冷热通道束，纵坐标是从染色体环的起始端点开始到该通道束的累加热负荷，相应线段的长度则是该通道束的热负荷；第四步，建立约束条件，1)、染色体x中代表同一种流体的基因位值总和应该等于该流体的通道层数，2)、对于每一个冷热流体通道束，其基因位值和均要≥1且≤冷热流体总通道数之比+1，此处的冷热流体总通道数之比是指大数比小数，即比值总是大于1，该约束可以避免通道热负荷不合理的集聚；第五步，选取遗传优化过程中的控制参数，种群大小＝20，初始种群的产生函数为Uniform，评估函数为Ranking，选择函数为Stochastic Uniform，复制中精英数Elite count＝2，交叉函数为Scattered，交叉率＝0.8，变异函数为Uniform，变异率＝0.01，子种群间每隔20代发生迁移，迁移方向为Forward，迁移率＝0.2，中止优化过程的条件为进化代数不超过100或染色体x适应值的变化小于设定值10^-6；第六步，确定上述5个步骤后，借助Matlab提供的遗传优化工具获得最终优化染色体x，然后顺序列出该染色体中所有位值为1的基因所代表的对应流体，便得到相应的通道排列优化结果。