波纹管换热器表面传热系数的遗传算法分离确定.doc

1、波纹管换热器表面传热系数的遗传算法分离确定摘要：讨论了波纹管换热器传热系数的测定，提出了采用遗传算法将对流表面传热系数从传热系数中分离出来的方法。关键词：遗传算法；波纹管换热器；表面传热系数中图分类号：TU995文献标识码：ADeteriniaation of Surface Heat Transfer Coefficient for CorrugatePipe Heat Exchanger with Cenetic A1gorithmLIU Hai-jun，TAN Yu-fei(School of Municipal and Environmental Engineering，Haerbin

2、 lnstitute of Technology，Haerbin 150090，China)Abstract：Determination of heat transfer coefficient for corrugate pipe heat exchanger is discussed，andthe method Ofseparating surface heat transfer coefficient from heat transfer coefficient with genetm algorithm is put forwardKey words：genetic algorithm

3、；corrugate pipe heat exchanger；surface heat transfer coefficient引 言近年来，波纹管型换热器以其传热效果好，同时具有传统的固定管板换热器结构简单、适用性强等优点，在热电系统、石油、化工、医药、食品等行业获得广泛的应用。波纹型换热管通过内部与外部流道的合理改变，有效地破坏了边界层的高效热阻区，强化了传热过程，并具有内外匹配良好、流道通畅、加工简便、流动阻力较低、热补偿性好、使用寿命长等特点。采用实验方法测定波纹管传热系数，一般通过测得换热量、换热面积、流体温度和壁面温度，给出传热系数与流速的曲线关系，再根据牛顿冷却公式算得表面传热系

4、数。由于热电偶安装的困难，通常不测量壁温，大多数研究采用了分离传热系数间接确定表面传热系数的威尔逊(Wilson)图解法，即热阻分离法，对不同形式的换热器通过测定传热系数，将表面传热系数从传热系数中分离出来。使用威尔逊图解法必须具备2个条件：管外换热热阻恒定及换热关联式中雷诺数Re的指数已知。事实上，在实验中保持一侧流体换热情况基本不变，将增加实验的难度；在很多情况下对流表面传热系数与流速等量关联式中的指数不一定知道。为避免上述两个约束条件，本文采用遗传算法进行了对流表面传热系数的分离确定。1 实验系统及方案实验系统流程按文献设计，为了模拟实际换热器工作过程，实验段采用套管式换热器形式(见图1

5、)，换热工质为水水，热流体走管程，冷流体走壳程，冷、热流体逆流。测试装置、流程、仪表、方法均符合GB 1511999管壳式换热器和QLJ2011998管壳式换热器性能测试方法标准规定的要求，冷、热水流量测量采用2个涡轮流量变送器，实验段单相流体压力降采用差压变送器测量，实验过程中实验段内的冷流体吸热量与热流体放热量之间相对误差小于5(以冷流体吸热量为比较基础)，热平衡满足实，验要求。2 表面传热系数的分离遗传算法是模拟生物在自然环境中的遗传和进化过程而形成的一种自适应全局优化概率搜索算法，从问题解的一个集合进行并行搜索，大大增加了全局解的概率，遗传过程根据个体的信息进行，无须计算函数的导数。应

6、用遗传算法的步骤为：将待解问题参数表示成遗传空间的基因型串结构数据；随机产生一组初始种群；计算每个个体的适应值；判断是否满足收敛条件，满足则输出结果，否则执行以下步骤；根据个体的适应值大小按一定方式进行复制操作；按交叉概率执行交叉操作；按变异概率执行变异操作；回步骤。在套管换热器实验中，传热系数公式可写为式中：K换热器传热系数，W(m2K)；a1，a2实验管管内、外对流表面传热系数，W(m2K)；Ro管壁热阻，m2KW；Rd污垢热阻，m2KW。设管内、外换热准则方程分别为：式中：Nu1，Nu2实验管管内、管外传热努塞尔数；del，de2实验管管内、管外当量直径，m；1，2实验管管内、管外传热工

7、质平均热导率，W(mK)；c1，c2，m1，m2待定参数；Re1，Re2实验管管内、管外传热工质雷诺数；Pr1，Pr2实验管管内、管外传热工质平均普朗特数。由式(2)，(3)可导出管内平均表面传热系数、管外平均表面传热系数，并代人式(1)得式中，Pr1，Pr2可通过定性温度查得；Re1，Re2可由实验管型及实验测量数据计算求得，是已知的参量；Rn，Rd在进行某一型号的换热管实验中是定值，可以把其和定为1个参数及，这样待辨识的未知参数就是c1，c2，m1，m2和及，如果求得这5个参数，就可以得出管内、外换热准则方程。假如在对1种型号的换热管测量了n组数据，在表面传热系数的分离中，选取适应度函数为

8、式中fit个体的适应度函数；fit,max保证人始终为正数而给出的预先设定值，取fit，max=001。求目标函数J最小的问题为1个优化的问题。遗传算法参数：种群规模M=100个个体，每个个体有N=5个基因，由待辨识的参数数目决定，交叉概率Pc=095，变异概率Pm=0015，迭代终止代数取220，遗传算法使用浮点数编码方案。3 实验数据的处理当量直径反映流道尺寸形状对流动阻力及传热的影响，对于波纹管来说，管内当量直径为式中：Acve1个周期湿周面积，m2；Lcvc1个周期长度，m。Acyc可用下式来计算式中：dAus一个脉动表面的微元面积，m2；r(x)对应轴向位置的半径，m；管外当量直径为

9、de2 =dmax-del (9)式中：dmax套管内径，m。管内雷诺数为 4 实验数据的处理实例实验中选取了在工业实际中应用广泛的几种管径的波纹型换热管，技术数据见表1。对上述3种型号波纹型换热管进行了实验，测得传热量、传热面积、流体温度等15组实验数据，应用公式确定传热系数：表1波纹型换热管技术数据1号管2号管3号管波峰/mm22.031.542.0波距/mm20.021.026.0基管外/mm19.425.532.7壁厚/mm0.80.81.0有效管长/mm190019001900=KAt，式中：传热量，W；K传热系数，W(m2K)；A传热面积，m2；tm对流平均温差，。确定传热系数后，

10、采用遗传算法对传热系数进行了分离，得到1号管、2号管、3号管的管内换热准则关联式分别为：由图2可见，对基管外径分别为327 mm，255mm，194mm的波纹管，管内传热平均Nu比相应的圆管(圆管的管内流与管外纵向流的准则关联式为Nu=0023Re0.8Pr0.4)分别提高到169倍，242倍和184倍。这是由于波纹管的通道形状强化了换热的结果，由于直线段出口处有引射的作用，在弧形段出口处有节流的作用，这使得换热工质压力产生周期性变化，减薄了传热边界层，大大降低了传热热阻，强化了传热。图3为换热工质纵掠换热管管外传热效果。由图3可看出，对基管外径为327mm，255mm，194mm的波纹管，其

11、纵掠平均Nu比相应的圆管分别提高到143倍，212倍，163倍 5 结 语(1)由于波纹管特殊的波峰、波距等参数的设计，使传统的对流换热准则关联式无法适用，采用本文提出的方法，从波纹管换热实验测得的传热系数中，成功地将对流表面传热系数分离出来，可方便地研究各种型号波纹管的传热性能。(2)波纹管的对流表面传热系数明显高于直管，是由于波纹管的波峰与波谷之间高度为10 mm左右，管内流动呈等直径流动和弧形流动2种型式，使流体的流动状态达到充分湍流，极大破坏了边界层和污垢层的实际厚度，大大降低了传热热阻。(3)提出的表面传热系数分离方法，全部由计算机完成，简化了实验过程，可适用于对各种管型表面传热系数的分离。 参考文献：1 谭羽非，陈家新新型不锈钢波纹管性能及强化传热的实验研究J，热能动力工程，2003，(