（工程热物理专业论文）火积耗散理论在管壳式换热器优化设计中的应用.pdf

吣y 帆1 79 8 眦0 玳5 骶0 m 1 眦 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法 律责任由本人承担。 论文作者签名：奎孟墨 日 期：善2 f q ：s ：监 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：奎盂昱导师签名： 1 1 国内外研究现状1 1 1 1 管壳式换热器1 1 1 2 换热器的主要优化设计方法2 1 2 本课题拟完成的主要任务6 第二章火积耗散理论7 2 1 火积耗散7 2 2 火积耗散极值原理9 2 3 火积耗散理论在体点散热问题中的应用9 2 4 本章小结。l o 第三章管壳式换热器单目标优化设计。1 3 3 1 弓i 言二：1 3 3 2 管壳式换热器设计流程1 3 3 2 1 热力计算1 3 3 2 2 阻力计算1 4 3 2 3 设计变量1 4 3 2 4 约束条件1 5 3 3 遗传算法1 5 3 3 1 遗传算法简介1 6 3 3 2 遗传算法的优点1 7 3 4 编程过程中改进的工作。1 8 3 5 优化算例1 8 3 5 1 算例l 1 8 3 5 1 11 - 1 型换热器优化结果1 9 3 5 1 21 - 4 型换热器优化结果。2 0 山东大学硕士学位论文 3 5 1 32 4 型换热器优化结果2 2 3 5 1 4 以成本最小优化1 - 4 型换热器2 2 3 5 2 算例2 2 4 3 6 小结2 5 第四章管壳式换热器多目标优化设计方法2 7 4 1 弓l 言2 7 4 2 多目标优化问题的描述2 7 4 3 传统多目标优化2 8 4 4 求解多目标优化问题的遗传算法2 9 4 4 1 多目标遗传算法的发展2 9 4 4 2 各种多目标遗传算法的比较3 3 4 5 优化算例3 4 4 5 1 算例1 3 4 4 5 1 12 4 型换热器优化结果3 5 4 5 1 21 1 型换热器优化结果3 6 4 5 2 算例2 3 8 4 6 本章小结4 0 第五章结论及展望4 3 参考文献。4 5 致谢5 1 附录1 - 4 型管壳式换热器设计源码5 3 攻读硕士学位期间发表论文5 9 i i c o n t e n t c o n t e n t s a b s t r a c ti nc h i n e s e i a b s t r a c ti ne n g l i s h i i i c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1r e s e a r c hs i t u a t i o n 1 1 1 1i n t r o d u c t i o no f s h e l l a n d - t u b eh e a te x c h a n g e r 。1 1 1 2o p t i m i z a t i o nd e s i g nm e t h o d so fh e a te x c h a n g e r 2 1 2m a i na i m so fo u r s t u d y 6 c h a p t e r 2 e n t r a n s yd i s s i p a t i o nt h e o r y 7 2 1e n t r a n s yd i s s i p a t i o n 7 2 2e x t r e m u mp r i n c i p l eo fe n t r a n s yd i s s i p a t i o n 2 3a p p l i c a t i o no fe n t r a n s yd i s s i p a t i o nt h e o r yi nv o l u m e - t o - p o i n th e a t c o n d u c t i o np r o b l e m 9 2 4s u m m a r y 1 0 c h a p t e r 3s i n g l eo b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nd e s i g no fs h e l l a n d - - t u b eh e a t e x c h a n g e r 1 3 3 1i n t r o d u c t i o n 1 3 3 2d e s i g np r o c e s so fs h e l b a n d t u b eh e a te x c h a n g e r 1 3 3 2 1t h e r m a lc a l c u l a t i o n 1 3 3 2 2f r i c t i o nc a l c u l a t i o n 1 4 3 2 3d e s i g nv a r i a b l e s 1 4 ：；2 4c o n s t r a i n tc o n d i t i o n s 11 ； 3 3g e n e t i ca l g o r i t h m 1 5 3 3 1i n t r o d u c t i o n 1 6 3 3 2a d v a n t a g e so fg e n e t i ca l g o r i t h m 17 3 4c o n t r i b u t i o n st op r o g r a m m i n g 1 8 3 5o p t i m i z a t i o n e x a m p l e s 3 5 1e x a m p l e1 18 山东大学硕士学位论文 3 5 1 1 o p t i m i z a t i o n r e s u l t sf o r1 - 1 t y p e s h e l l a n d t u b eh e a t e x c h a n g e r 1 9 3 5 1 2 o p t i m i z a t i o n r e s u l t sf o r1 - 4 t y p e s h e l l a n d t u b eh e a t e x c h a n g e r 2 0 3 5 1 3 o p t i m i z a t i o n r e s u l t sf o r2 - 4 t y p e s h e l l a n d - t u b eh e a t e x c h a n g e r 2 2 3 5 1 4m i n i m u mc o s ta so b j e c t i v ef u n c t i o n 2 2 3 5 2e x a m p l e2 2 4 3 6s u m m a r y 2 5 c h a p t e r 4 m u l t i - o b j e e t i v eo p t i m i z a t i o nd e s i g nm e t h o do fs h e l l a n d t u b e h e a te x c h a n g e r 2 7 4 1i n t r o d u c t i o n ：1 7 4 2f o r m u l a t i o no fm u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o np r o b l e m 2 7 4 3t r a d i t i o n a lm u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n 2 8 4 4m u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o ng e n e t i ca l g o r i t h m 2 9 4 4 。1d e v e l o p m e n to fm u l t i o b j e c t i v eg e n e t i ca l g o r i t h m 2 9 4 4 2c o m p a r i s o no f v a d o u sm u l t i o b j e c t i v eg e n e t i ca l g o r i t h m s 3 3 4 5o p t i m i z a t i o ne x a m p l e s 3 4 4 5 1e x a m p l e1 3 4 4 5 1 1 o p t i m i z a t i o n r e s u l t sf o r2 - 4 t y p e s h e l l - a n d t u b eh e a t e x c h a n g e r 3 5 4 5 1 2 o p t i m i z a t i o n r e s u l t sf o r1 1 t y p e s h e l l - a n d t u b eh e a t e x c h a n g e r 3 6 4 5 2e x a m p l e2 3 8 4 6s u m m a r y 4 0 c h a p t e r 5c o n c l u s i o n sa n d e x p e c t a t i o n s r e f e r e n c e s 4 5 a c k n o w l e d g e m e n t a p p e n d i x s o u r c ec o d eo f1 - 4t y p eh e a t e x c h a n g e r 5 3 p a p e r sp u b l i s h e di ns t u d y i n gf o rm a s t e rd e g r e e 5 9 摘要 摘要 换热器在众多高能耗工业领域中具有广泛的应用，同时和能量的节约、转换、 回收以及新能源的开发都有着密切的联系。通过优化设计提高换热器的性能，减 少换热过程热量的不可逆耗散，是提高能源利用率的重要措施，在能源日益短缺和 环境污染逐步恶化的今天具有重要的意义。本文将致力于单目标和多目标管壳式 换热器优化设计的研究。 换热器优化设计的关键问题是选择一个合适的优化目标函数。本文首先以无 量纲化的总火积耗散( 总火积耗散数) 为目标函数，以换热器的一些几何参数和 冷流体的出口温度为设计变量，以容许压降和换热器设计标准要求为约束条件， 形成了换热器的优化设计问题，并应用遗传算法求解了相应的优化问题。通过比 较优化前后的设计方案，发现通过优化设计，在提高换热器有效度的同时，明显 减少了泵功的消耗。通过和其它换热器优化设计方法( 譬如传统的最小成本法) 对比，发现以总火积耗散数为目标函数的换热器优化设计方法在提高换热器性能 和减少能量的损耗方面具有明显的优势。 但以总火积耗散数为目标函数的单目标换热器优化设计方法存在一定缺陷， 即对于以液体为换热介质的换热器，有限温差导热引起的火积耗散远大于流动阻 力引起的火积耗散，以二者的和作为目标函数进行单目标优化设计时很容易忽略 流动阻力因素的影响。为了解决这一问题，本文以有限温差导热引起的火积耗散 数和流体阻力引起的火积耗散数为两个独立的目标函数，应用多目标遗传算法构 造了换热器的多目标优化设计方法。通过分析多目标优化过程中换热器性能参数 的变化，以及对多目标和单目标优化结果之间的比较，我们发现换热器的多目标 优化设计方法具有更大的优势。 关键词：火积耗散；管壳式换热器；遗传算法；多目标优化 a b s t r a c t a b s t r a c t h e a te x c h a n g e r sa r ew i d e l ya p p l i e di nh i g he n e r g yc o n s u m p t i o ni n d u s t r i e sa n da l e c l o s e l yr e l a t e dt ot h ee n e r g ys a v i n g ，c o n v e r s i o n ，r e c o v e r ya sw e l la st h ee x p l o i t a t i o no f n e we n e r g ys o u r c e s t oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fh e a te x c h a n g e ra n dr e d u c et h e i r r e v e r s i b l el o s e so c c u r r i n gi n t h eh e a te x c h a n g ep r o c e s sb yo p t i m i z i n gt h eh e a t e x c h a n g e rd e s i g ni so n eo fi m p o r t a n tw a y st oi n c r e a s et h ee n e r g ye f f i c i e n c ya n di so f g r e a ti m p o r t a n c eu n d e rt h ec u r r e n ts i t u a t i o nt h a tt h ee n e r g ys h o r t a g ea n de n v i r o n m e n t d e t e r i o r a t i o nb e c o m e sm o r ea n dm o r es e v e r e i nt h ep r e s e n tw o r k ，t h es i n g l e - o r m u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o no fs h e l l - a n d t u b eh e a te x c h a n g e rd e s i g ni si n v e s t i g a t e d t h ek e yp r o b l e mf o rh e a te x c h a n g e ro p t i m i z a t i o nd e s i g ni st oc h o o s ea na p p r o p r i a t e o b j e c t i v ef u n c t i o n i no u rw o r k ，t h et o t a ld i m e n s i o n l e s se n t r a n s yd i s s i p a t i o n ( c a l l e da s e n t r a n s yd i s s i p a t i o nn u m b e r ) i st a k e na st h eo b j e c t i v ef u n c t i o n ，s o m eg e o m e t r i c p a r a m e t e r so ft h eh e a te x c h a n g e ra n dt h eo u t l e tt e m p e r a t u r eo fc o l df l u i da r es e tt ot h e d e s i g nv a r i a b l e s ，t h ea d m i s s i b l ep r e s s u r ed r o pa n dr e q u i r e m e n t so fh e a te x c h a n g e r d e s i g ns t a n d a r da r es e l e c t e da st h ec o n s t r a i n tc o n d i t i o n s ，t h u sa no p t i m i z a t i o nd e s i g n p r o b l e mf o rh e a te x c h a n g e ri sf o r m u l a t e d t h eg e n e t i ca l g o r i t h mi se m p l o y e dt os o l v e t h er e l a t e do p t i m i z a t i o np r o b l e m s t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h ei n i t i a la n do p t i m i z e d d e s i g np l a n ss h o w st h a tt h eo p t i m i z a t i o np r o c e s si m p r o v e st h ee x c h a n g e re f f e c t i v e n e s s a n di nt h es a m et i m er e d u c e st h ep u m p i n gp o w e rs i g n i f i c a n t l y i nc o m p a r i s o nw i t h o t h e ro p t i m i z a t i o na p p r o a c h e s ，s u c ha st h et r a d i t i o n a lc o s t - m i n i m i z a t i o nm e t h o d ，t h e s i n g l e - o b j e c t i v e h e a te x c h a n g e ro p t i m i z a t i o n d e s i g nm e t h o d w i t l lt h e e n t r a n s y d i s s i p a t i o nn u m b e ra st h eo b j e c t i v ef u n c t i o nd e m o n s t r a t e so b v i o u sa d v a n t a g e s o n i m p r o v i n gt h eh e a te x c h a n g e rp e r f o r m a n c ea n dr e d u c i n gt h ei r r e v e r s i b l el o s e s h o w e v e r t h e r ee x i s t sad r a w b a c kf o r t h e s i n g l e - o b j e c t i v e h e a t e x c h a n g e r o p t i m i z a t i o nd e s i g nm e t h o d 、析t l lt h et o t a le n t r a n s yd i s s i p a t i o nn u m b e ra st h eo b j e c t i v e f u n c t i o n ，n a m e l y , t h ee n t r a n s yd i s s i p a t i o ni n d u c e db yh e a tc o n d u c t i o nu n d e rf i n i t e t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ei sm u c hl a r g e rt h a nt h a tc a u s e db yf l u i df r i c t i o n i nt h eh e a t e x c h a n g ep r o c e s sw i t h f l u i da s t h eh e a tt r a n s f e r m e d i u m t h e r e f o r e ，t h e n i 山东大学硕士学位论文 s i n g l e o b j e c t i v e h e a te x c h a n g e ro p t i m i z a t i o n d e s i g nm e t h o du s u a l l yn e g l e c t st h e c o n t r i b u t i o no ff l u i df r i c t i o nt ot h e e n t r a n s yd i s s i p a t i o n i no r d e rt os o l v et h i s p r o b l e m ，t h ee n t r a n s yd i s s i p a t i o nn u m b e r sr e l a t e dt ot h eh e a tc o n d u c t i o na n df l u i d f r i c t i o n sa r es e tt ot w os e p a r a t eo b j e c t i v ef u n c t i o n s ，am u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o no f h e a te x c h a n g e rd e s i g ni s p r o p o s e dw i t ht h eh e l po ft h eg e n e t i ca l g o r i t h m b yt h e a n a l y s i so ft h eh e a te x c h a n g e rp e r f o r m a n c ea n dt h ec o m p a r i s o nw i t ht h er e s u l t so f s i n g l e 。o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nd e s i g n ，i ti sf o u n dt h a tt h em u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n o fh e a te x c h a n g e rd e s i g ni sm o r ea d v a n t a g e o u s k e yw o r d s ：e n t r a n s yd i s s i p a t i o n , s h e l l - a n d - t u b eh e a t e x c h a n g e r , g e n e t i c a l g o r i t h m ( g a ) ，m u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n i v 第一章绪论 1 1 国内外研究现状 1 1 1 管壳式换热器 第一章绪论 管壳式换热器又称列管式换热器，是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面 的间壁式换热器( 如图1 1 所示) 。这种换热器的主要优点是结构较简单，造价较 低，选材范围广，处理能力大，还能适应高温高压的要求【l 】，是目前应用最广的 换热器类型。 在石化工业中高于6 5 的市场股份由管壳式换热器掌控【l 】，管壳式换热器占 据着换热器市场的3 7 1 2 】，在电厂热力系统、冶金、炼钢、制冷、化学等工业中 应用极为广泛，并在这些行业中发挥着重要的作用。管壳式换热器性能的提高对 于这些传统高能耗行业的节能具有重要的意义，同时也是这类行业实施节能战略 的重要突破点。因此，多年以来管壳式换热器一直是人们关注的焦点，人们寻求 各种方法提高换热器的性能。从外部环境看，能源资源的短缺问题日益严重，石 油和煤炭等的价格不断攀升，同时随着人们对可持续发展理论重要性的认识，以 及节能意识的不断提高，都对换热器的性能提出了更高的要求。作为重要的能量 交换设备的换热器，其性能的提高对于能源的有效利用有重要意义。 管壳式换热器采用不同的内部结构，这取决于预期的传热量，压降性能，以 及所采用的降低热阻，防止泄漏，方便清洗，包括操作压力和温度，控制腐蚀， 增强紊流等的方法。管壳式换热器中的两种流体分别流经管程( 换热管内) 和壳 程( 换热管外部空间) ，其中管内的流体流动相对简单，尽管也有很多针对提高管 内换热效率的研究，当管壁两侧传热分系数相差很大时( 如粘度小的液体与气体 间的换热) ，应设法减小传热分系数低的一侧的热阻。如果管外传热分系数小，可 采用外螺纹管( 低翅片管) ，以增大管外一侧的传热面积和增强流体湍动，从而强 化管外换热。如果管内传热分系数小，可在管内设置管内插纽带、螺旋片、采用 螺旋槽管、内肋管等增加扩展表面或增强管内扰动，强化换热，当然这时流体的 流动阻力也将增大【l 】，但是由于加工和清洗的困难使得这类换热器的应用还不够 山东大学硕士学位论文 广泛，目前更多地把研究重心放在了流动情况更加复杂的壳程上。 图l - l 管壳式换热器示意图 1 管束；2 管板；3 壳体；4 管箱；5 接管；6 分程隔板；7 折流板 i i 2 换热器的主要优化设计方法 优化是指按照一定的评价标准，从一个问题的可行解或可行方案中找到一个 或多个最好的解或方案。优化问题己经成为实际工程应用中普遍存在的问题，与 此同时，求解优化问题的优化算法也受到了广泛的重视。实现生产过程的最优化， 对节约资源和提高生产效率都有着重要的作用。 最优化是处理在一堆可能的选择中搜索对于某些目标来说是最优解的问题。 如果仅考虑一个目标函数，就称为单目标优化问题。如果考虑的目标函数超过一 个并需要同等对待，那么寻找满足这些目标的最佳设计方案，就成为多目标优化 问题。 换热器的优化设计就是要求所涉及的换热器在满足一定的要求下，一个或数 个指标达到最好【3 】。应用场合不同，选取的性能指标也有所不同，常用的性能指 标有重量、体积、熵产率、阻力或经济性等。传统的优化方法一般选取总成本最 小为目标函数，基于遗传算法c a p u t oa n t o n i o 【4 j 提出了总成本最小的管壳式换热 器优化设计方法，文献中的总成本包括投入成本、每年由于消耗泵功而支出的成 本，其优化结果表明，该优化设计方法可使换热器的成本大幅度降低，在一验证 算例中总成本降幅超过5 0 。a k b a r n i a 5 】指出当前对换热器优化的方法都没有考 虑整个管道系统的成本，随着能量的增加，换热器面积减小，但管道尺寸随着质 量流量的增加而增加，管道的成本也因此增加并会影响到总成本，为此他提出了 估算换热器管道成本的关系式，该关系式充分考虑到管道尺寸、材料以及压力的 影响。吴恩【6 】在充分考虑了换热器的购置费、安装费、建筑费、动力消耗、设备 2 本最小为目标函数的换热器优化设计方法虽然降低了成本，但成本的降低会以牺 牲有效度为代价，这对于换热器设计而言是不利的。 近年来，一些先进的优化方法被引入到换热器的优化设计当中。y i l m a z 等人【7 j 对基于热力学第二定律的换热器评价准则熵和火用进行了介绍，并对它们的应用 和彼此之间的相互关系进行了分析。m u r a l i k r i s h n a a n d 8 】在管壳式换热器设计中， 提出一种在压降图上确定其可行区域的方法。通过考虑运行和几何约束，提出这 个可行区域以消除设计过程中的反复试验。在壳侧对管侧压降的图中的每一点都 对应一个唯一的设计( 在管长，壳直径，和挡板距离参数上) 。曲线允许给出不同 的换热器设计类型的详细评价，并且允许将换热器设计目标定为最小面积和最小 成本。这种方法是基于方程式的，因此可以很方便地在计算机上运行。陈维汉 9 1 提出了考虑综合性能优化的换热器热设计方法，该方法充分考虑了换热器的结构 特征与尺寸、流体流动与对流换热过程的性能以及它们之间存在的优化关系，并 获得令人满意的结构费用省、运行费用低、传热性能好的换热器。w i l d e 1 0 j 全面 评价了用于换热器设计的不同最优化方法，并致力于研究用显式表示约束方程和 目标函数的几何规划和其他搜索方法。几何规划法要求所有的约束和目标函数必 须表示为特殊幂指数规律的方程形式，这使一般换热器最优化问题的应用受到了 限制。 遗传算法不受搜索空间的限制性假设的约束，也不要求目标函数的连续、可 微和单峰等条件，因此对复杂系统的优化具有较强的鲁棒性，在各领域都有广泛 的应用。国内外关于遗传算法在换热器优化方面的应用也做了大量研究。 g i a m p i e t r of a b b r l t l l 】开发出基于遗传算法( g a ) 的管壳式换热器优化设计方案并 得到广泛应用。x i e 1 2 l 基于遗传算法，对翅片管式紧凑型换热器的结构尺寸进行 优化，分别选取最小体积和最小年成本为目标函数，优化结果表明，在压降固定 时，换热器的体积和年成本都大幅度的降低。张丽娜【1 3 】为板翅式换热器建立了一 个常用翅片的数据库，能够在提供多种类型翅片的情况下，进行翅片类型的优选， 库中包含了翅片的几何参数、传热特性和阻力特性，从而实现结构优化和不同目 山东大学硕士学位论文 标函数的优化。谢公南【1 4 】运用改进的遗传算法对板翅式换热器翅片尺寸进行优 化，为换热器的设计提供了一种新的方法和思路。此外，文献【1 5 。1 9 】也基于遗传算 法从尺寸、重量、成本等不同方面对不同类型的换热器进行了优化，都取得了很 好的结果。 模糊优化设计是根据人们对换热器的设计要求达到“重量轻，换热效率高， 压降小 这种多目标、但又无确切边界的“模糊 的问题，运用结构模糊优化理 论寻求目标相对达到最优。在满足较高传热系数的条件下，实现了低压降、小重 量等目标的要求【3 】o 于颖等人【2 0 1 应用模糊优化理论对板翅式换热器进行优化设计， 该方法充分考虑到压降、效率和质量的影响，解决了换热器设计中多目标之间相 互矛盾的问题。同时针对复杂的工程实际情况，利用更完善的构造隶属函数的方 法对板翅式换热器进行多目标优化计算，经模糊优化设计后，板翅式换热器的结 构参数和综合技术指标有了明显改善。 换热器性能的优化能够提高换热过程的能源利用率，在能源日益短缺的今天 具有重要的意义。目前对换热器优化的研究方法和思路各不相同，但总的趋势是 基于热力学第二定律寻求合适的目标函数。基于热力学第二定律的熵产反映了传 热过程的不可逆性耗散的认识以及p r i g o g i n e 提出的最小熵产原理【2 1 1 ，s e j a n 导出了 流动和传热过程中的熵产表达式，以流动和传热引起的总熵产最小作为优化目标， 用于研究传热元件的最优几何参数以及换热器和传热系统中参数的优化，并定义 了熵产数虬。= s 霉m ( m c 。) 【捌，提出将它作为评定换热器性能的指标，并以流动和 传热引起的总熵产数最小作为优化目标，用于研究传热元件以及换热器和传热系 统中参数的优化，由此形成了最小熵产方法，并应用于换热器的优化设计。 g r a z z i n i 1 对换热器传热过程的熵产进行了分析，从熵产分析角度对换热器 的优化设计问题进行了讨论。a c e v e ss a b o r i o 2 4 1 将熵产最小化的研究内容进行了 扩充，包含了考虑制造材料和运行时间在内的因素，此种优化方法得到的最优设 计结论不随时间和地点改变，而且在优化设计中在考虑不可逆损失占主体的情况 下增加了利润的因素。吴双应等人1 2 5 】以管内流体为基准引入了无因次熵产数并得 到其计算式，讨论了管内流体雷诺数、管内外流体雷诺数比值、无因次入口换热 温差及无因次特征尺寸等参数对换热管传热过程不可逆性能的影响。并指出存在 4 第一章绪论 一最佳的管内流体雷诺数使无因次熵产数最小，无因次熵产数随管外与管内流体 雷诺数的比值的增大而单调递增，这进一步完善了基本对流换热过程的热力学评 价。 换热器传热不可逆性通常用熵产来度量，热力学分析可知，熵产数越小，说 明不可逆损失越小，换热器的性能应越好，从理论上随着熵产数的减小，由不可 逆因素引起的耗散应减小，换热器的有效度应该单调增加，但b e j a n 对平衡流逆流 换热器的分析表明【2 6 】，当0 s 5 0 r a m ； ( 2 ) 长径比舭，考虑到结构合理性，将范围限定在4 b l 9 ； ( 3 ) 流体的流速，不仅直接影响对流传热系数，而且与污垢热阻有关，综合考虑， 对于本文优化的水水换热器，管程流速v f 和壳程流速1 ，分别限定为， o 8 m s 1 ，f 2 m s ，0 5 m s 1 ， 1 5 m s ； ( 4 ) 折流板缺口高度h 与壳体内径q 的比值也应在一合理的范围之内，具体 的，o 2 忍d 0 4 5 ； ( 5 ) 管程压降够和壳程压降皑应满足够 5 0 ) ，目标函数值最终趋于一个稳定值。 图3 - s a 有效度、泵功随总火积耗散数变图3 5 b 热容流量比、传热单元数随总火 化积耗散数变化 图3 5 换热器性能参数随总火积耗散数变化趋势 由图3 - 5 a 、b 可以看出，换热器的有效度随着总火积耗散数的减小而逐渐增 加，并且当总火积耗散数达到最小时，换热器的有效度也趋于最大值并保持稳定。 换热器的泵功随着总火积耗散数的减小逐渐减小，当总火积耗散数达到最小时， 泵功也达到最小值并趋于稳定。换热器的热容流量比随着总火积耗散数的减小而 逐渐减小，传热单元数随着总火积耗散数的减小而逐渐增加。 2 l 山东大学硕士学位论文 表3 3 以总火积耗散数最小的单目标优化设计结果及和初始设计方案的比较 经过遗传算法优化以后，优化结果与初始设计方案的比较如表3 3 所示，可 以看出，优化后总火积耗散数减小，换热器有效度增加了约5 7 ，泵功减少了 约3 0 ，但以增加换热面积为代价。最终优化结果与