亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        管殼式換熱器優(yōu)化的遺傳算法及變量分析

        2021-02-23 07:49:18張永恒王良璧
        關(guān)鍵詞:流板管殼管程

        何 璟,張永恒,王良璧

        (1. 蘭州交通大學(xué) 化學(xué)與生物工程學(xué)院,蘭州 730070;2. 蘭州交通大學(xué) 新能源與動(dòng)力工程學(xué)院,蘭州 730070; 3. 蘭州交通大學(xué) 鐵道車輛熱工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730070;4. 蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,蘭州 730070)

        管殼式換熱器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、適應(yīng)高溫、高壓能力強(qiáng),是最常用的一類換熱器[1],廣泛應(yīng)用于石油、化工、核電、制藥、食品等工業(yè)領(lǐng)域,其作用是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體[2].

        傳統(tǒng)換熱器設(shè)計(jì)一般沒有將換熱器的運(yùn)行費(fèi)用作為考量參數(shù),無法達(dá)到一次性投入與經(jīng)濟(jì)收益的最優(yōu)化.考慮運(yùn)行費(fèi)用和投資費(fèi)用的優(yōu)化主要有細(xì)菌覓食算法(BFA)、遺傳基因算法[4](GA)、帝國(guó)主義競(jìng)爭(zhēng)算法(ICA)、基于生物地理學(xué)的優(yōu)化(BBO)、粒子群算法(PSO),人工蜂群算法(ABC)、布谷鳥搜索算法(CSA)、引力搜索算法(GSA)、螢火蟲算法(FFA)等[3-7].這些研究方法的優(yōu)化目標(biāo)是使換熱器的總費(fèi)用最低[8-10],總費(fèi)用包含了換熱器初始投資費(fèi)用和運(yùn)行過程中需要克服流體阻力而消耗的動(dòng)力費(fèi)用.

        本文通過遺傳基因算法對(duì)管殼式換熱器以總費(fèi)用最低作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化.并分析了管束排布方式、管徑、管心距、管長(zhǎng)、管數(shù)、折流板切割率、折流板間距等設(shè)計(jì)變量對(duì)換熱器傳熱有效度、總費(fèi)用的影響.

        1 管殼式換熱器熱力計(jì)算方法

        管殼式換熱器殼程傳熱和阻力計(jì)算模型有貝爾-臺(tái)華(Bell Delaware)法、克恩(Kern)法等[11].管程是直管管束,傳熱系數(shù)和壓降的計(jì)算采用管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流[12]的計(jì)算公式,殼程用Bell-Delaware法計(jì)算傳熱系數(shù)及壓降[12].弓形折流板幾何參數(shù)計(jì)算見[13-14],殼體直徑計(jì)算見[15]:

        1.1 管程測(cè)傳熱系數(shù)和壓降的計(jì)算

        管程傳熱系數(shù)ht采用Dittus-Boelter公式:

        (1)

        式中:λt為管程流體導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);di為管內(nèi)徑,m;Pr為管程流體普朗特?cái)?shù);Ret為管程流體雷諾數(shù);mt為管程流體質(zhì)量流量,kg/s;μtw為管內(nèi)壁溫對(duì)應(yīng)的管程流體動(dòng)力粘度,Pa·s.

        管程壓降的計(jì)算采用McAdams公式:

        (2)

        式中:L為換熱長(zhǎng)度,m;ρt為管程流體密度,kg/m3;ut為管程流體流速,m/s;摩擦系數(shù)f為:f=0.004 6

        (Ret)-0.2.

        1.2 殼程傳熱與壓降修正

        殼程傳熱系數(shù)hs:

        hs=hidJcJIJbJsJr.

        (3)

        式中:折流板切口和跨距校正因子Jc;殼體對(duì)折流板的泄漏、管程對(duì)折流板的泄漏的影響校正因子Jl;管束流路和流路旁路的影響Jb;進(jìn)出口折流板不等間距的影響Js;層流時(shí)負(fù)傳熱溫差校正因子Jr.

        理想管束純橫流下殼程傳熱膜系數(shù)hid:

        (4)

        殼程總壓降ΔPs由折流板缺口區(qū)總壓降ΔPwi、中間段橫流總壓降ΔPcr和進(jìn)出口受旁路影響的壓降ΔPio組成:

        ΔPs=ΔPwi+ΔPcr+ΔPio,

        (5)

        ΔPwi=

        (6)

        ΔPcr=(Nb-1)ΔPbidζbζl,

        (7)

        (8)

        2 換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型

        2.1 目標(biāo)函數(shù)

        以換熱器系統(tǒng)的總成本最小作為優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo).總成本TC包括換熱器投資費(fèi)用IC、管內(nèi)、管外流體的阻力損失成本OC.目標(biāo)函數(shù)模型:

        TC=IC-OC.

        (9)

        在管殼式換熱器設(shè)計(jì)中,為使設(shè)計(jì)的換熱器在經(jīng)濟(jì)上最優(yōu),考慮以下費(fèi)用:

        1) 設(shè)備投資費(fèi)用:

        管程、殼程流體材料假設(shè)為不銹鋼,設(shè)備投資費(fèi)用采用[16]中公式計(jì)算.

        IC=8 500+409A0.85.

        (10)

        式中:A為傳熱面積,m2.

        2) 操作費(fèi)用:

        泵的運(yùn)行操作費(fèi)用OC是由于克服管內(nèi)和管外流體的阻力損失而產(chǎn)生的動(dòng)力消耗[7].

        (11)

        Co=P·op·ec,

        (12)

        (13)

        式中:mtΔPt/ρt、msΔPs/ρs分別為管程、殼程功率損失,Pa;ΔPt、ΔPs分別為管程、殼程阻力損失,Pa;mt、ms分別為管程、殼程介質(zhì)流量,kg/s;ρt、ρs分別為管程、殼程介質(zhì)密度,kg/m3;設(shè)備壽命ny取10年;年折現(xiàn)率i為10%;年操作小時(shí)op取7 500小時(shí)/年;電費(fèi)ec為0.15美元/千瓦時(shí);泵效率η為0.6.

        2.2 傳熱有效度和傳熱單元數(shù)

        在進(jìn)行換熱器設(shè)計(jì)時(shí),為了取得最經(jīng)濟(jì)的制造成本又滿足傳熱的工藝要求,需要對(duì)傳熱流體的流向安排、傳熱面積、和傳熱系數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)的影響定性分析.常常采用傳熱有效度和傳熱單元數(shù)的方法.傳熱有效度ε等于實(shí)際可傳遞的熱量與理論上可能傳遞的熱量之比,對(duì)于1-2n型換熱器[12]:

        (14)

        mh、mc分別為熱、冷流體的質(zhì)量流速,kg/s;Cph、Cpc分別為熱、冷流體的定壓比熱容,J/(kg·℃).K為傳熱系數(shù),W/(m2·℃).

        3 計(jì)算實(shí)例及分析

        3.1 遺傳基因算法

        遺傳算法(Genetic Algorithm,簡(jiǎn)稱GA)是一種將生物進(jìn)化引入到數(shù)學(xué)模型中來的隨機(jī)搜索算法,在復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化方面有著廣泛的應(yīng)用.遺傳算法首先從隨機(jī)產(chǎn)生的一組初始種群開始,通過個(gè)體競(jìng)爭(zhēng),自然選擇,雜交等方式進(jìn)行的“適者生存”的進(jìn)化過程生成子代種群,子代個(gè)體經(jīng)過變異“優(yōu)勝劣汰”,使個(gè)體的適應(yīng)性能力不但增強(qiáng),通過不斷的進(jìn)化,直至最后搜索到滿意解為止.選擇、交叉和變異是遺傳算法的三種主要操作,分別模擬了自然界的生物的繁衍、交配和基因突變.

        根據(jù)管殼式換熱器主要優(yōu)化參數(shù)的分析,將管徑、管間距、管束排布方式、管長(zhǎng)、管數(shù)、折流板間距、折流板缺口7種參數(shù)作為遺傳算法中的個(gè)體.在選擇操作中,某一個(gè)體能夠繼續(xù)存在于下一代的概率與其適應(yīng)度有關(guān).在每一代中,適應(yīng)度較低的一部分個(gè)體被選擇操作去除,同時(shí)生成相等數(shù)量的新個(gè)體,以保持群體規(guī)模不變.本文選取進(jìn)化代數(shù)是500代,種群規(guī)模為100.

        交叉操作是在隨機(jī)選取的兩個(gè)染色體之間通過交換其相同基因位完成的.這一操作是否進(jìn)行由交叉概率決定.本文在計(jì)算中交叉概率選為0.75.

        變異操作是對(duì)待優(yōu)參數(shù)進(jìn)行精細(xì)修正的一種技術(shù).它由變異概率控制,本文中采用標(biāo)準(zhǔn)變異操作(每一個(gè)基因都進(jìn)行相同的變化)和小的變異概率0.005.

        3.2 設(shè)計(jì)變量的選取

        管徑、管間距、管束排布方式、管長(zhǎng)、管數(shù)、折流板間距、折流板缺口等7種參數(shù)作為管殼式換熱器遺傳算法中的個(gè)體,構(gòu)成設(shè)計(jì)變量,它們的取值及范圍為:

        換熱管徑do:根據(jù)換熱管標(biāo)準(zhǔn),選取二十種不同規(guī)格的管徑,如表1所列.

        換熱管中心距Pt:通常用換熱管外徑來表示,選擇有1.25do,1.50do兩種;

        管束排布方式β:換熱管的布置由管束間的夾角確定,如圖1.按標(biāo)準(zhǔn)有30°,45°,90°三種;

        換熱管管長(zhǎng)L:選取3~6m.

        換熱管管數(shù)Nt:選取100~600根.

        折流板間距Lbc:折流板間距取值范圍較大,最佳值為20~140%殼體內(nèi)徑;

        折流板切割率Bc:選擇范圍為10~45%殼體內(nèi)徑進(jìn)行計(jì)算.

        3.3 計(jì)算實(shí)例

        算例來源于Shah[12]的文獻(xiàn),表2是原始數(shù)據(jù)和操作條件.

        表1 換熱管規(guī)格(do,di) (單位:Inch)

        圖1 管束排布方式Fig.1 Layout of the tube bundle

        表2 算例原始數(shù)據(jù)和操作條件

        3.4 計(jì)算結(jié)果

        表3是算例的文獻(xiàn)計(jì)算結(jié)果與本文優(yōu)化結(jié)果對(duì)比.由表3可以看出,未優(yōu)化前的換熱器總費(fèi)用73 893.25$,優(yōu)化后明顯降低.但也發(fā)現(xiàn),優(yōu)化后的傳熱有效度由0.155 5降低到0.093 5,降低了40%.

        由圖2(a)可以看出,投資費(fèi)用與排布方式無關(guān),這是由于投資費(fèi)用只與換熱器面積有關(guān).30°排布時(shí)的運(yùn)行費(fèi)用最高,90°排布時(shí)的運(yùn)行費(fèi)用最低,因此30°排布時(shí)對(duì)的總費(fèi)用最高,90°排布時(shí)對(duì)的總費(fèi)用最低.由圖2(b)可以看出,30°排布時(shí)傳熱有效度最高,90°排布時(shí)傳熱有效度次之,45°排布時(shí)傳熱有效度最低.

        表3 本文與文獻(xiàn)結(jié)果對(duì)比

        圖2 不同排布角時(shí)費(fèi)用(a)和有效度(b)對(duì)比Fig.2 Comparison of the cost and effectiveness under different tube bundle layout

        3.5 結(jié)果分析

        為了分析管束排布方式、換熱管直徑、管心距、管長(zhǎng)、管數(shù)、折流板切割率、折流板間距等設(shè)計(jì)變量對(duì)傳熱有效度、總費(fèi)用的影響,以下計(jì)算以90°排布時(shí)的數(shù)據(jù)為設(shè)計(jì)變量的初值.

        3.5.1 管徑對(duì)傳熱有效度和總費(fèi)用的影響

        由圖3可以看出,其他設(shè)計(jì)變量不變時(shí),排布角相同時(shí),隨著管徑的增加,傳熱有效度增加,總費(fèi)用降低.排布角不同時(shí),30°排布時(shí)傳熱有效度最高,總費(fèi)用也最高;90°排布的傳熱有效度次之,所需總費(fèi)用最低,45°排布傳熱有效度最低,但總費(fèi)用低于30°排布,高于90°排布.

        圖3 管徑對(duì)費(fèi)用和有效度對(duì)比Fig.3 Comparison of the tube diameter to cost and effectiveness

        3.5.2 管心距對(duì)傳熱有效度和總費(fèi)用的影響

        由圖4可以看出,其他設(shè)計(jì)變量不變時(shí),排布角相同時(shí),隨著管心距的增加,傳熱有效度先增大后減小,管心距在1.2~1.3do傳熱有效度最好.隨著管心距的增加,換熱器總費(fèi)用降低.排布角不同時(shí),管心距在1.0~1.2do時(shí),30°排布時(shí)傳熱有效度最高,總費(fèi)用也最高,90°排布的傳熱有效度次之,總費(fèi)用最低,45°排布的傳熱有效度最低,但總費(fèi)用低于30°排布,高于45°排布.管心距在大于1.3do后,管束排布方式對(duì)傳熱有效度和壓降的影響差別不大.

        圖4 管心距對(duì)費(fèi)用和有效度對(duì)比Fig.4 Comparison of the tube pitch to cost and effectiveness

        3.5.3 管長(zhǎng)對(duì)傳熱有效度和總費(fèi)用的影響

        由圖5可以看出,其他設(shè)計(jì)變量不變時(shí),排布角相同時(shí),隨著管長(zhǎng)的增加,傳熱有效度增加,總費(fèi)用增加.排布角不同時(shí),30°排布時(shí)傳熱有效度最高,總費(fèi)用也最高;90°排布的傳熱有效度次之,所需總費(fèi)用最低,45°排布傳熱有效度最低,但總費(fèi)用低于30°排布,高于90°排布.圖中曲線出現(xiàn)不連續(xù)階梯的原因,是由于在計(jì)算跨折流板缺口區(qū)的有效管排數(shù)、相鄰2塊折流板頂端間的管排數(shù)、折流板等參數(shù)時(shí)圓整.

        3.5.4 管數(shù)對(duì)傳熱有效度和總費(fèi)用的影響

        由圖6可以看出,其他設(shè)計(jì)變量不變時(shí),排布角相同時(shí),隨著管數(shù)的增加,傳熱有效度增加,總費(fèi)用先減小后增加,存在最小值.排布角不同時(shí),30°排布時(shí)傳熱有效度最高,總費(fèi)用也最高;90°排布的傳熱有效度次之,所需總費(fèi)用最低,45°排布傳熱有效度最低,但總費(fèi)用低于30°排布,高于90°排布.

        圖5 管長(zhǎng)對(duì)費(fèi)用和有效度對(duì)比Fig.5 Comparison of the tube length to cost and effectiveness

        圖6 管數(shù)對(duì)費(fèi)用和有效度對(duì)比Fig.6 Comparison of the tube number to cost and effectiveness

        3.5.5 折流板切割率對(duì)傳熱有效度和總費(fèi)用的影響

        由圖7可以看出,其他設(shè)計(jì)變量不變時(shí),排布角相同時(shí),隨著折流板切割率的增加,傳熱有效度降低,總費(fèi)用總體降低.排布角不同時(shí),30°排布時(shí)傳熱有效度最高,總費(fèi)用也最高;90°排布的傳熱有效度次之,所需總費(fèi)用最低,45°排布傳熱有效度最低,但總費(fèi)用低于30°排布,高于90°排布.圖中曲線出現(xiàn)局部階梯型升高的原因,是由于在計(jì)算跨折流板缺口區(qū)的有效管排數(shù)、相鄰2塊折流板頂端間的管排數(shù)、折流板等參數(shù)時(shí)圓整.

        3.5.6 折流板間距對(duì)傳熱有效度和總費(fèi)用的影響

        由圖8可以看出,其他設(shè)計(jì)變量不變時(shí),排布角相同時(shí),隨著折流板間距的增加,傳熱有效度降低,總費(fèi)用總體降低.排布角不同時(shí),30°排布時(shí)傳熱有效度最高,總費(fèi)用也最高;90°排布的傳熱有效度次之,所需總費(fèi)用最低,45°排布傳熱有效度最低,但總費(fèi)用低于30°排布,高于90°排布.由圖8還可以看出,在折流板間距較小時(shí),傳熱有效度最高,相應(yīng)的總費(fèi)用也最高,在折流板間距較大時(shí),不同管束排布方式對(duì)傳熱有效度、總費(fèi)用的影響不大.

        圖7 折流板切割率對(duì)費(fèi)用和有效度對(duì)比Fig.7 Comparison of the baffle cutting ratio to cost and effectiveness

        圖8 折流板間距對(duì)費(fèi)用和有效度對(duì)比Fig.8 Comparison of the baffle spacing to cost and effectiveness

        4 結(jié)論

        本文應(yīng)用遺傳基因算法對(duì)管殼式換熱器進(jìn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)上,分析了管束排布方式、管徑、管心距、管長(zhǎng)、管數(shù)、折流板切割率、折流板間距等設(shè)計(jì)變量對(duì)換熱器傳熱有效度、總費(fèi)用的影響,結(jié)論如下:

        1) 管束30°排布時(shí)傳熱有效度最高,總費(fèi)用也最高;90°排布時(shí)的傳熱有效度次之,總費(fèi)用最低,45°排布傳熱有效度最低,總費(fèi)用介于30°排布,和90°排布之間.

        2) 增加管徑使傳熱有效度增加,總費(fèi)用降低;增加管心距使傳熱有效度先增大后減小,總費(fèi)用降低;增加管長(zhǎng)使傳熱有效度增加,總費(fèi)用增加;增加管數(shù)使傳熱有效度增加,總費(fèi)用先降低后增大;增加折流板切割率、折流板間距使傳熱有效度降低,總費(fèi)用降低.

        3) 隨著折流板間距的增加,傳熱有效度減小,總費(fèi)用也降低.當(dāng)折流板間距較大時(shí),不同管束排布方式對(duì)傳熱有效度、總費(fèi)用的影響不大.

        猜你喜歡
        流板管殼管程
        某機(jī)載行波管一體式管殼加工工藝研究
        結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)交錯(cuò)百葉折流板管殼式換熱器性能影響的研究
        新型錐形孔折流板管殼式換熱器數(shù)值模擬研究
        管殼式換熱器管束拆卸問題與建議
        螺旋折流板換熱器在高溫高壓環(huán)境中的應(yīng)用研究
        多管程布置微通道分液冷凝器的熱力性能
        利用管程概念求解哲學(xué)家進(jìn)餐問題
        艾格無菌級(jí)雙管板管殼式換熱器
        管殼式換熱器在工藝螺桿壓縮機(jī)中的應(yīng)用
        為RTX51Tiny項(xiàng)目添加管程模塊※
        夜夜未满十八勿进的爽爽影院| 亚洲国产日韩综合天堂| 在线观看国产视频午夜| 综合色就爱涩涩涩综合婷婷 | 欧美日韩不卡视频合集| 玩弄人妻奶水无码AV在线| 91国产精品自拍视频| 波多野结衣av一区二区全免费观看| 国产免费丝袜调教视频| 色综合久久加勒比高清88| 中文字幕人妻久久一区二区三区| 国产人妖乱国产精品人妖| 亚洲第一无码xxxxxx| 亚洲日韩AV秘 无码一区二区 | 亚洲五码av在线观看| 欧美xxxxx在线观看| 老熟妻内射精品一区| 国产av一区二区三区丝袜| 97人妻精品一区二区三区免费| 国产日韩精品suv| 国产精品视频一区二区噜噜| 国产做床爱无遮挡免费视频| 谷原希美中文字幕在线| а√天堂资源官网在线资源| 色狠狠色狠狠综合一区| 青青草视频国产在线观看 | 视频女同久久久一区二区三区 | 亚洲av无码一区二区三区网址| 欧美综合自拍亚洲综合图片区| 国产精品女同久久免费观看| 国产精品熟女视频一区二区三区| 亚洲a∨无码一区二区三区| 国产精品日韩高清在线蜜芽| 五月天亚洲av优女天堂| 看日本全黄色免费a级| 东北寡妇特级毛片免费| 欧美成人精品福利在线视频| 成人av资源在线播放| 国产福利视频一区二区| 国产精品理人伦国色天香一区二区| 日本在线一区二区三区四区|