王斯民,王萌萌,顧昕,簡(jiǎn)冠平,文鍵

(1.西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院,710049,西安;2.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,710049,西安)

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螺旋折流板換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化的數(shù)值模擬

王斯民1,王萌萌1,顧昕1,簡(jiǎn)冠平1,文鍵2

(1.西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院,710049,西安;2.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,710049,西安)

針對(duì)螺旋角和搭接度對(duì)螺旋折流板換熱器中的流體流動(dòng)和傳熱特性具有重要影響的問題,采用數(shù)值模擬和多目標(biāo)遺傳算法優(yōu)化結(jié)合的方法對(duì)螺旋折流板換熱器的流動(dòng)和傳熱特性進(jìn)行了研究,并通過中心復(fù)合設(shè)計(jì)響應(yīng)面法生成實(shí)驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行了計(jì)算。研究表明:螺旋折流板換熱器殼側(cè)換熱系數(shù)和壓降均隨螺旋角的增大而減小,隨搭接度的增大而增大。由靈敏度分析可知,螺旋折流板換熱器的換熱系數(shù)和殼側(cè)壓降均與螺旋角呈負(fù)相關(guān),與搭接度呈正相關(guān),且二者對(duì)螺旋角的靈敏度更大。同時(shí),由多目標(biāo)遺傳算法優(yōu)化方法在連續(xù)的響應(yīng)平面中得出使換熱系數(shù)最大、殼側(cè)壓降最小時(shí)最優(yōu)的3組結(jié)果,與原始結(jié)構(gòu)相比,殼側(cè)換熱系數(shù)平均增加了28.3%,殼側(cè)壓降平均降低了19.37%,這對(duì)于螺旋折流板換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究具有重要意義。

螺旋折流板換熱器;多目標(biāo)優(yōu)化;結(jié)構(gòu)參數(shù);響應(yīng)平面

與傳統(tǒng)的弓形折流板換熱器相比,螺旋折流板換熱器以其壓降損失小、傳熱性能好、不易結(jié)垢、流動(dòng)死區(qū)小等優(yōu)點(diǎn)[1]近年來在石油、化工等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。其中結(jié)構(gòu)參數(shù)螺旋角和搭接度是影響螺旋折流板換熱器中殼程流體流動(dòng)和傳熱特性的兩個(gè)重要因素,國內(nèi)外學(xué)者也對(duì)這兩個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)螺旋折流板換熱器殼程流體的流動(dòng)和傳熱性能的影響進(jìn)行了深入的研究[2]。曹興等研究了搭接方式對(duì)螺旋折流板換熱器殼側(cè)性能的影響,得出在相同螺距下,殼側(cè)的傳熱系數(shù)和壓降均隨著搭接度的增大而減小[3]。張劍飛等對(duì)螺旋角對(duì)殼側(cè)流動(dòng)和換熱特性的影響進(jìn)行了研究,當(dāng)保持螺旋周期為定值時(shí),螺旋折流板換熱器的殼側(cè)壓降隨螺旋角增大而減小,且在螺旋角為40°時(shí)達(dá)到最大值[4]。楊軍等對(duì)螺旋角進(jìn)行了優(yōu)化,并對(duì)12°、18°、30°、40°螺旋角時(shí)螺旋折流板換熱器殼側(cè)的傳熱和壓降進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果表明:在18°螺旋角的情況下,換熱器的性能最優(yōu)[5]。張少維等通過數(shù)值模擬的方法研究了結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)對(duì)螺旋折流板換熱器性能的影響,發(fā)現(xiàn)隨著螺旋角的增大,螺旋折流板換熱器的殼程壓力損失逐漸減小[6]。付平等對(duì)固定管板換熱器的參數(shù)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究,利用Auto LISP語言分析了固定管板換熱器的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法,直接將參數(shù)輸入菜單和對(duì)話框中實(shí)現(xiàn)了固定管板換熱器的自動(dòng)設(shè)計(jì)[7]。但是,目前對(duì)于螺旋折流板換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究多為離散點(diǎn),不能準(zhǔn)確地找出最優(yōu)解,且很少考慮到多參數(shù)對(duì)換熱器性能的影響及其之間的耦合關(guān)系。本文基于螺旋折流板換熱器的兩個(gè)重要的結(jié)構(gòu)參數(shù) ——螺旋角和搭接度來實(shí)現(xiàn)參數(shù)化驅(qū)動(dòng)建模設(shè)計(jì),采用中心組合設(shè)計(jì)-響應(yīng)面法(CCD-RSM)研究螺旋角和搭接度對(duì)螺旋折流板換熱器殼側(cè)的傳熱和壓降的影響,并通過多目標(biāo)遺傳算法優(yōu)化在連續(xù)的響應(yīng)平面中得出了較優(yōu)的結(jié)果。

1 計(jì)算模型和數(shù)值方法

1.1 參數(shù)化驅(qū)動(dòng)建模

由于螺旋折流板換熱器幾何模型的復(fù)雜性,本文采用solidworks建模,其中筒體直徑為250 mm、管子總長(zhǎng)為2 500 mm,共有40根換熱管,換熱管直徑為19 mm、管間距為25 mm,布管方式為正方形。管子、筒體和折流板均采用無厚度的面,且為了簡(jiǎn)化模型,忽略了各種間隙漏流。同時(shí),將螺旋角和搭接度設(shè)為參數(shù),在換熱管總長(zhǎng)保持不變的情況下,通過直接改變參數(shù)的值來得到任意的螺旋角和搭接度組合的換熱器結(jié)構(gòu),以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化驅(qū)動(dòng)建模,大大簡(jiǎn)化了建模的過程。圖1為螺旋折流板換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 螺旋折流板換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)于搭接螺旋折流板換熱器,螺旋角β是折流板的法線與筒體軸心之間的夾角,如圖2所示,也可以將其定義為折流板所在平面與筒體橫截面之間的二面角。對(duì)于交錯(cuò)搭接,搭接點(diǎn)到筒體處的距離與邊長(zhǎng)的比值稱為搭接度e[8],即

(1)

圖2 螺旋角和搭接度的示意圖

1.2 網(wǎng)格生成和數(shù)值方法

由于換熱器的空間結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,本文采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格生成,以得到較高質(zhì)量的網(wǎng)格,從而使數(shù)值計(jì)算得到較好的穩(wěn)定性。為了提高網(wǎng)格質(zhì)量,對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行自適應(yīng)處理和網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證,最終網(wǎng)格均選取相同的尺寸設(shè)置,對(duì)于不同的螺旋角和搭接度組合,網(wǎng)格單元數(shù)范圍為8 935 624～9 985 987。

計(jì)算時(shí)折流板為默認(rèn)的耦合邊界條件,殼程工質(zhì)為導(dǎo)熱油,入口溫度為353 K,管側(cè)流體為水,進(jìn)口溫度為298 K,其他表面均設(shè)為不可滲透、無滑移、絕熱的邊界條件。湍流模型采用RNGk-ε模型,因?yàn)樗哂羞m用于高應(yīng)變率和大曲率流線、對(duì)螺旋流的預(yù)測(cè)精度更高等優(yōu)點(diǎn)。采用二階迎風(fēng)格式對(duì)動(dòng)量和能量進(jìn)行求解,并采用SIMPlE算法對(duì)壓力和速度進(jìn)行耦合,要求k和ε兩參數(shù)及動(dòng)量的計(jì)算殘差最終收斂于10-4,質(zhì)量及能量的計(jì)算殘差控制在10-6?；痉匠贪ㄙ|(zhì)量、動(dòng)量及能量方程,表達(dá)式如下。

質(zhì)量方程為

(2)

動(dòng)量方程為

(3)

能量方程為

(4)

式中:ρ為流體密度;t為時(shí)間;ui為速度在i方向上的分量。

1.3 數(shù)值模擬的有效性驗(yàn)證

采用本文的數(shù)值模擬方法對(duì)文獻(xiàn)[9]中18°螺旋角、50%搭接度的螺旋折流板換熱器冷態(tài)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬驗(yàn)證,如圖3所示。結(jié)果表明:螺旋折流板換熱器殼側(cè)壓降Δp的模擬值和實(shí)驗(yàn)值隨流量的變化趨勢(shì)吻合較好,且模擬值均略大于實(shí)驗(yàn)值,絕對(duì)偏差在1～3 kPa之間。模擬值與實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)偏差為1.9%～10.9%,平均相對(duì)偏差為5%,均在合理的范圍內(nèi),證明了數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性。造成數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值偏差的原因?yàn)?模擬過程中模型的簡(jiǎn)化,即折流板、管子均簡(jiǎn)化為無厚度的面;模擬過程忽略了筒體和折流板以及折流板和管束之間的空隙,因此沒有考慮該部分漏流減少的壓降以及實(shí)驗(yàn)過程中儀器測(cè)量和操作的不準(zhǔn)確性等[10]。

圖3 殼側(cè)壓降的模擬值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

2 優(yōu)化分析過程與方法

本文采用CCD-RSM生成實(shí)驗(yàn)點(diǎn),然后經(jīng)計(jì)算形成響應(yīng)面,即在較少的計(jì)算量情況下準(zhǔn)確地找出最優(yōu)結(jié)果。該方法適合二階響應(yīng)模型的設(shè)計(jì),集數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)于一體,與傳統(tǒng)的正交設(shè)計(jì)法相比,具有精度高、直觀、精密、預(yù)測(cè)性好等優(yōu)點(diǎn),尤其適合對(duì)影響因素比較敏感的指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化,因此近年來在國內(nèi)外均應(yīng)用較多[11-12]。

優(yōu)化算法主要是根據(jù)一定的輸入變量區(qū)域范圍和約束條件建立目標(biāo)函數(shù),經(jīng)過迭代計(jì)算,最終得出目標(biāo)函數(shù)的極值。本文采用多目標(biāo)遺傳算法的方法優(yōu)化,多目標(biāo)優(yōu)化是在一定的設(shè)計(jì)參數(shù)范圍內(nèi)尋找多個(gè)目標(biāo)均盡可能同時(shí)最優(yōu)的結(jié)果[13],而遺傳算法則是借鑒生物的自然選擇和遺傳機(jī)制開發(fā)的一種全局優(yōu)化自適應(yīng)概率搜索算法,具有思想簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、全局搜索等優(yōu)點(diǎn),目前已廣泛應(yīng)用于各種優(yōu)化問題。

多目標(biāo)優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)描述可以表述如下

maxy=f(x)=[f1(x),f2(x),…,fm(x)]

(5)

(6)

(7)

式中:y為目標(biāo)函數(shù);x為設(shè)計(jì)變量;gi(x)、hj(x)為不等式約束和等式約束條件;M、N、k為狀態(tài)變量的個(gè)數(shù)。

式(5)～(7)中主要包括設(shè)計(jì)變量、約束條件和目標(biāo)函數(shù),本文目標(biāo)函數(shù)為

(8)

minimize Δp=pin-pout

(9)

文中以螺旋折流板換熱器的螺旋角和搭接度為設(shè)計(jì)變量,換熱系數(shù)K和殼側(cè)壓降為目標(biāo)函數(shù)。約束條件為18°≤β≤35°,0.01≤e≤0.5,即最大搭接度為50%。另外,本文用到的公式有

(10)

Sz=0.5B(Di-Npdo)

(11)

(12)

(13)

式中:n為每個(gè)螺距板片的數(shù)量;B為螺旋折流板換熱器螺距;u為殼側(cè)最小流通截面的流速;do為換熱管外徑;ν為導(dǎo)熱油運(yùn)動(dòng)黏度;qv,s為殼程導(dǎo)熱油流量;Sz為殼側(cè)最小流通截面積;Di為殼體內(nèi)徑;Np為換熱管排數(shù)。

3 優(yōu)化結(jié)果分析

為了研究螺旋角和搭接度對(duì)螺旋折流板換熱器的殼程傳熱和壓降性能的影響,本文根據(jù)所生成的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)共計(jì)算了29組算例,形成一些關(guān)于優(yōu)化目標(biāo)和輸入?yún)?shù)的二維曲線和三維響應(yīng)面,即優(yōu)化目標(biāo)隨一個(gè)或兩個(gè)輸入?yún)?shù)的變化趨勢(shì),具體分析如下。

3.1 靈敏度分析

圖4為輸出參數(shù)換熱系數(shù)和殼側(cè)壓降對(duì)輸入?yún)?shù)螺旋角、搭接度和殼側(cè)入口速度v的靈敏度分析圖。由圖可知,螺旋折流板換熱器的換熱系數(shù)和殼側(cè)壓降對(duì)殼側(cè)流量的靈敏度明顯大于對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的靈敏度,說明工況對(duì)螺旋折流板換熱器性能的影響是不可忽略的,且換熱系數(shù)和殼側(cè)壓降均與螺旋角呈負(fù)相關(guān),即隨著螺旋角的增大而減小。同時(shí),換熱系數(shù)和殼側(cè)壓降與搭接度呈正相關(guān),即隨著搭接度的增大二者均增大。由圖還可知,換熱系數(shù)和殼側(cè)壓降對(duì)螺旋角的靈敏度均大于對(duì)搭接度的靈敏度,即二者隨螺旋角的改變變化更大。這對(duì)于螺旋折流板換熱器殼側(cè)的流動(dòng)換熱性能以及阻力性能的研究也具有重要意義。

圖4 輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)之間的靈敏度關(guān)系圖

3.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)螺旋折流板換熱器換熱性能的影響

圖5是搭接度為50%時(shí)換熱系數(shù)在不同螺旋角下隨殼側(cè)入口流速的變化曲線。由圖中可以看出,在相同流量下,換熱系數(shù)隨著螺旋角的增大而逐漸減小,即18°螺旋角的換熱器換熱系數(shù)最大。這是因?yàn)樵诼菪禽^小時(shí),在換熱管總長(zhǎng)保持不變的情況下,換熱器內(nèi)螺旋周期數(shù)增多,所以螺旋角為18°時(shí)流道變窄而流體流過的路徑更長(zhǎng),在相同的流量下小螺旋角時(shí)流體的Re比大螺旋角時(shí)大,流體在換熱器中的脈動(dòng)速度也更大,所以小螺旋角時(shí)的殼側(cè)換熱更強(qiáng),同時(shí)阻力也增加[15]。

圖5 不同螺旋角下?lián)Q熱系數(shù)隨殼側(cè)入口流速的變化曲線

圖6是螺旋角為20°時(shí)換熱系數(shù)在不同搭接度下隨殼側(cè)入口流速的變化曲線。圖7為保持殼側(cè)入口流速不變,換熱系數(shù)在不同搭接度下隨螺旋角的變化曲線。當(dāng)螺旋折流板以一定的搭接度連接時(shí),不同的搭接度對(duì)應(yīng)于不同的流道結(jié)構(gòu)。當(dāng)搭接度為0時(shí),相鄰折流板間形成了“V”形漏流三角形區(qū)域,一些殼程流體直接流過了中心三角漏流區(qū)。當(dāng)折流板搭接連接時(shí),一些流體則直接通過了靠近壁面的快速流道,形成“X”形漏流區(qū)域,這使得流動(dòng)情況更加復(fù)雜[14]。從圖6可以看出,換熱系數(shù)隨著殼側(cè)入口流速的增大而逐漸增大,但是隨搭接度的變化并不明顯,這也與圖4的靈敏度分析相符。但是,從圖7還可以看出,在殼側(cè)入口流速比較大的情況下,螺旋角保持不變時(shí),搭接度越大,換熱系數(shù)越大。由式(16)可知,殼側(cè)的最小流通面積和螺距是成正比的,當(dāng)螺旋角不變時(shí),隨著搭接度的增大,螺距減小,在管子總長(zhǎng)和殼側(cè)入口流速保持不變的情況下,折流板數(shù)增多,殼側(cè)流通面積減小,殼側(cè)流體的流動(dòng)路徑更長(zhǎng),流速更大,則殼側(cè)流體的湍動(dòng)度增強(qiáng),Re相應(yīng)增加,同時(shí)使得螺旋折流板換熱器的整體換熱增強(qiáng)。

圖6 不同搭接度下?lián)Q熱系數(shù)隨殼側(cè)入口流速的變化曲線

圖7 不同搭接度下?lián)Q熱系數(shù)隨螺旋角的變化曲線

圖8為換熱系數(shù)隨螺旋角和搭接度變化的三維響應(yīng)平面圖。從圖中可以看出:三維響應(yīng)平面與二維曲線的變化趨勢(shì)一致,換熱系數(shù)均隨螺旋角的增大呈下降趨勢(shì),但隨搭接度的變化并不明顯;響應(yīng)平面上換熱系數(shù)最大時(shí),螺旋角為18°,搭接度為50%,即在18°螺旋角、50%搭接度的結(jié)構(gòu)時(shí),螺旋折流板換熱器的換熱性能最佳。

圖8 換熱系數(shù)隨螺旋角和搭接度變化的三維響應(yīng)平面圖

圖9 不同螺旋角下殼側(cè)壓降隨殼側(cè)入口流速的變化曲線

3.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)螺旋折流板換熱器殼側(cè)壓降的影響

圖9是搭接度為50%時(shí)殼側(cè)壓降在不同螺旋角下隨殼側(cè)入口流速的變化曲線。從圖中可以看出,殼側(cè)壓降隨著殼側(cè)入口流速的增大而逐漸增大。在相同殼側(cè)入口流速下,殼側(cè)壓降隨著螺旋角的減小而相應(yīng)增大,即18°螺旋角下殼側(cè)壓降最大。以上變化趨勢(shì)均與上文靈敏度的分析相符。這主要是由于在螺旋角較小的情況下,殼體長(zhǎng)度相同時(shí)折流板的數(shù)目增加,增大了流體流動(dòng)的障礙[15]。另一方面,由式(10)～(13)可得,螺旋角較小時(shí),螺旋折流板的螺距較小,殼側(cè)流體的最小流通面積減小,導(dǎo)致在相同的殼側(cè)流量下流速和Re增大,這也增加了流體流動(dòng)的阻力,導(dǎo)致壓降增大。

圖10為殼側(cè)壓降在不同搭接度下隨殼側(cè)入口流速的變化曲線。從圖中可以看出,殼側(cè)壓降隨著殼側(cè)入口流速的增大而不斷增大,且在殼側(cè)入口流速不變時(shí),隨著搭接度的增大而逐漸增大。這也是由于搭接度較大時(shí),螺旋折流板的個(gè)數(shù)增加,若螺旋折流板換熱器的螺旋周期數(shù)增加,則折流板數(shù)更多,流道變窄且流體流過的路徑更長(zhǎng),流體流動(dòng)的擾動(dòng)增加,同時(shí)由于搭接度增大時(shí)螺距減小,相同殼側(cè)入口流速下,流道內(nèi)流體流速增加,壓降相應(yīng)增大。

圖10 不同搭接度下殼側(cè)壓降隨殼側(cè)入口流速的變化曲線

圖11為殼側(cè)壓降在不同螺旋角下隨搭接度的變化曲線。由圖中可以看出,殼側(cè)壓降隨著搭接度的增大而逐漸增大,且搭接度不變時(shí),殼側(cè)壓降隨著螺旋角的增大而逐漸減小。圖12為殼側(cè)壓降隨螺旋角和搭接度變化的三維響應(yīng)平面圖。由圖中可以看出,在相應(yīng)平面的右上角,即在螺旋角為18°、搭接度為50%時(shí),殼側(cè)壓降最大。這是由于螺旋角越小、搭接度越大時(shí),相同的殼體總長(zhǎng)下增多的折流板數(shù)目和由于螺距減小而增加的殼側(cè)內(nèi)部流速均增大了螺旋折流板換熱器殼側(cè)流體流動(dòng)的阻力和擾動(dòng),從而導(dǎo)致壓降增大。

圖11 不同螺旋角下殼側(cè)壓降隨搭接度的變化曲線

圖12 殼側(cè)壓降隨螺旋角和搭接度變化的三維響應(yīng)平面圖

3.4 多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果

最終對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化處理,優(yōu)化方案選擇為遺傳算法(MOGA),它支持多個(gè)目標(biāo)和約束條件,旨在找到全局最優(yōu)解。為了得到性能最佳的換熱器結(jié)構(gòu),對(duì)輸出參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置:最大化換熱系數(shù),最小化殼側(cè)壓降,以在100個(gè)初始樣本點(diǎn)中經(jīng)過迭代選出最優(yōu)點(diǎn)。表1顯示了多目標(biāo)優(yōu)化的3種結(jié)構(gòu)以及相對(duì)應(yīng)的換熱系數(shù)和殼側(cè)壓降。與原結(jié)構(gòu)相比,結(jié)構(gòu)1的傳熱系數(shù)提高了30.4%,壓降降低了12.5%;結(jié)構(gòu)2的傳熱系數(shù)增加了28.3%,壓降降低了19%;結(jié)構(gòu)3的傳熱系數(shù)提高了27.2%,而壓降下降了26.6%。因此,平均傳熱系數(shù)提高了28.3%。另外,由表1中的綜合評(píng)價(jià)參數(shù)Nu/f1/3也可以看出,3種優(yōu)化結(jié)構(gòu)的綜合性能均優(yōu)于原始結(jié)構(gòu),表明改進(jìn)結(jié)構(gòu)大大提高了換熱效率。殼側(cè)壓降平均減少了19.37%,因此有效地減少了泵功和設(shè)備運(yùn)行成本,且由于響應(yīng)曲面的連續(xù)性,可以較為精確地找到螺旋角和搭接度組合下的最優(yōu)結(jié)構(gòu),這對(duì)螺旋折流板換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究和改善其結(jié)構(gòu)具有重要意義。

表1 由多目標(biāo)優(yōu)化所得的3種優(yōu)化結(jié)構(gòu)

4 結(jié) 論

(1)本文采用參數(shù)化驅(qū)動(dòng)建模的方法,在保持換熱管總長(zhǎng)不變的情況下,通過改變螺旋角和搭接度的值實(shí)現(xiàn)參數(shù)驅(qū)動(dòng)建模,大大節(jié)省了計(jì)算的時(shí)間和成本。

(2)由靈敏度分析可知,螺旋折流板換熱器換熱系數(shù)和殼側(cè)壓降均與螺旋角呈正相關(guān),與搭接度呈負(fù)相關(guān),且二者對(duì)螺旋角的靈敏度均大于對(duì)搭接度的靈敏度,即螺旋角變化對(duì)二者的影響更大。

(3)螺旋折流板換熱器換熱系數(shù)和殼側(cè)壓降均隨螺旋角的增大而減小,隨搭接度的增大而增大,即18°螺旋角、50%搭接度時(shí)的換熱系數(shù)最大,壓降也最大。這是由于螺旋角較小且搭接度較大時(shí),折流板的數(shù)目更多,殼側(cè)流體流動(dòng)路徑更長(zhǎng)且流道變窄,使得流體速度增大、湍動(dòng)度增強(qiáng)。

(4)通過多目標(biāo)遺傳算法計(jì)算得出了3種使換熱系數(shù)最大、壓降最小的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。與原始結(jié)構(gòu)相比,平均傳熱系數(shù)提高了28.3%,殼程壓降平均減少了19.37%,這對(duì)于螺旋折流板換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究具有重要意義。

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(編輯 荊樹蓉)

Multi-Objective Optimization on the Structural Parameters of Shell-and-Tube Heat Exchanger with Helical Baffles

WANG Simin1,WANG Mengmeng1,GU Xin1,JIAN Guanping1,WEN Jian2

(1. School of Chemical Engineering and Technology, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

A method combining numerical simulation and multi-objective genetic algorithm (MOGA) was applied to the flow and heat transfer characteristics research on the shell-and-tube heat exchanger with helical baffles, which are severely affected by the helix angle and degree of overlap. The numerical simulation results show that the heat transfer coefficient and the shell side pressure drop of the helical baffled heat exchanger decrease with the increase of helix angle, and increase with the degree of overlap. The sensitivity analysis also shows that the heat transfer coefficient of the helical baffled heat exchanger and shell side pressure drop are both negatively correlated with helix angle, and positively correlated with the overlap degree. Moreover, they are more sensitive to the helix angle. Three sets of optimal results are obtained by the MOGA to maximize the heat transfer coefficient and minimize the shell-side pressure drop in successive response surface. Compared with original results, the average heat transfer coefficient is increased by 28.3% while the average pressure drop is reduced by 19.37%, which is of great significance for the study on the structural parameters of helical baffled heat exchangers.

shell-and-tube heat exchanger; multi-objective optimization; structural parameters; response surface

2015-04-03。

王斯民(1977—),男,副教授。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51106119,81100707);教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20110201120052);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目。

時(shí)間:2015-08-25

10.7652/xjtuxb201511003

TK124

A

0253-987X(2015)11-0014-06

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