蓄热式换热器的优化设计.pdf

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1、412化工机械2010矩蓄热式换热器的优化设计王维刚+(大庆石油学院)摘要提出了一种基于改进遗传算法的蓄热式换熟器优化设计方法。该方法以换热器直径、蓄热部分的长度、冷(热)流体的流通面积比、转子的转速及烟气出口平均温度6个独立变量作为优化设计变量，考虑了由技术条件限制的工艺和结构约束，将换热设备的年运行费用作为寻优目标函数，运用改进遗传算法求解。优化结果表明，换热器的年成本有了明显的降低。关键词蓄热式换热器改进遗传算法优化设计中图分类号TQ051．5文献标识码A文章编号0254-6094(2010)04-0412旬3符号说明

2、c；——由制造与运行条件确定的系数，i=1，2，⋯，5；G——换热器的总质量，kg；却．——烟气侧流阻降。N／m2；△p。——空气侧流阻降，N／m2；0，’、口．。——分别为烟气进口温度及出口平均温度，℃；I。’、t。”——分别为空气进口温度及出口平均温度，℃；D——蓄热式换热器的直径，m；￡——蓄热部分的长度，m；b．——烟气流通面积比；6。——空气流通面积比；n——转子(或风罩)的转速，r／h；∞——烟气流速，m／s；K、■——分别为空气和烟气介质的体积流量，m3／h。在蓄热式换热器中，冷、热流体交替地流过同一固体传热面

3、及其所形成的通道，依靠构成传热面的物体的热容作用(吸热或放热)，实现冷、热流体之间的热交换⋯。蓄热式换热器有受热面回转式和风罩回转式两种：前者是由转子转动使烟气和空气交替冲刷蓄热元件；后者是由风罩转动使烟气和空气交替冲刷蓄热元件。该换热器适用于流量大的气一气热交换场合，如动力、硅酸盐及石油化工等工业中的余热利用和废热回收等方面。由于其设计受到多变量的约束，且又相互关联，在设计过程中一直为热学界所关注。加之换热器的使用条件和环境不同，因此其寻优方法也有所不同。笔者运用改进遗传算法以换热器的直径、蓄热部分的长度、冷(热)流体流通

4、面积比、转子的转速及烟气出口平均温度6个独立变量作为优化设计变量，考虑了由技术条件限制的工艺和结构约束，将换热设备的年运行费用作为寻优目标函数，运用改进遗传算法进行求解。1蓄热式换热器优化模型的建立优化设计的过程简单地说就是从所有满足需求的可行方案中寻求一种能达到预期目标的最优方案。这种预期是多样性的，在蓄热式换热器的设计中，可作为目标的有动力负荷最小、换热器质量最轻以及年运行费用最低等。这些用来评价和追求最优设计方案的函数称为目标函数，涉及到方案选择的参数称为设计变量，对设计变量的取值加以限制的条件称为约束条件。文中以蓄热

5、式换热器的年运行费用作为目标函数进行优化设计。1．1设计变量蓄热式换热器的全部状态参数变量共有13个，因有4个过程的物理方程以及4个由外部联系条件所确定的变量，故独立变量为5个¨1。由·王维刚，男，1976年3月生，讲师。黑龙江省大庆市，163318。第37卷第4期化工机械413于传热方程是烟气出口平均温度9．”的隐函数，给优化求解带来一定困难，因此可以将秽，”作为独立变量，把传热方程作为等式约束条件来处理。于是把蓄热式换热器的直径D、蓄热部分的长度L、烟气流通面积比b，、空气流通面积比b。、转子(或风罩)的转速／'t及烟气

6、出口平均温度0y，『6个状态参数看作独立变量，于是在蓄热式换热器优化设计中的设计变量取为：X=(石1，并2，z3，髫4，石5，菇6)1=(D，L，b，，bk，n，矿，)11．2目标函数笔者采用年成本比较法来评价蓄热式换热器的设备投资优劣，认为年成本是由设备制造的折旧补偿(含维护费用)、因烟气阻力所引起的电能消耗、因空气阻力所引起的电能消耗、因排烟温度未能降到进口空气温度而引起的热能消耗和转子拖动的电能消耗5部分组成。于是目标函数可写成：以X)=clG+c2△p，+c3△pk+c4(0，”一tk’)+c5Gn式中c。，c2，c

7、，，c。，c，为由制造及运行的具体条件所确定的一些系数。由于目标函数中所包含的特性值G，△p，，△p。都是解向量的函数，因此目标函数也一定可以写成是向量x的标量函数，即f=以x)。1．3约束条件蓄热式换热器的设计，其约束条件有工艺条件约束和结构条件约束，具体形式如下：a．D>0，L>0，bk>0，b，>0，／7,>0；b．b，+b。≤A。，A。为常数，由制造条件所确定，而且显然A，<1；nc．A：≤等≤A，，A：、A，为常数，由设备布置、L制造工艺及稳定性等条件所决定；d．∞，≤∞，’，∞，‘为由磨损考虑所允许的最大烟气流速

8、；e．，l≤n‘，n’为运行可靠性所允许的最大转速；f．0，”=0，”(■，0，’，Vi，tk’，tk”，D，￡，6，，6k，n)，将稳定工况下蓄热部件的传热方程作为等式约束条件。在上述分析的基础上可以对蓄热式换热器最优化设计的数学模型具体化，其中关键的因素是在达到稳定工况后转子的动态传热