管殼式換熱器設(shè)計(jì)和換熱網(wǎng)絡(luò)綜合同步優(yōu)化.pdf

1、換熱網(wǎng)絡(luò)綜合是過程系統(tǒng)工程的一個重要的研究領(lǐng)域，對于企業(yè)的節(jié)能降耗、降低成本具有重大意義，在之前的幾十年中，換熱網(wǎng)絡(luò)綜合方法已經(jīng)取得了較大的發(fā)展。然而，一方面，為了問題簡化所做的假設(shè)，如流股傳熱系數(shù)為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，忽略換熱器的污垢熱阻，不考慮由于換熱器壓降引起的泵的操作費(fèi)用等，導(dǎo)致?lián)Q熱網(wǎng)絡(luò)綜合的結(jié)果偏離最優(yōu)化設(shè)計(jì)，難以直接應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)過程。另一方面，由于問題的復(fù)雜性和耦合性，實(shí)際生產(chǎn)中換熱網(wǎng)絡(luò)綜合和換熱器詳細(xì)設(shè)計(jì)是分步進(jìn)行，這割裂了換熱網(wǎng)

2、絡(luò)系統(tǒng)與各個換熱器子系統(tǒng)之間的關(guān)系，難以實(shí)現(xiàn)整體優(yōu)化。因此，本論文提出同步優(yōu)化策略，引入換熱器面積和總傳熱系數(shù)作為關(guān)聯(lián)參數(shù)，建立管殼式換熱器詳細(xì)設(shè)計(jì)和換熱網(wǎng)絡(luò)綜合同步優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，并利用遺傳/模擬退火算法（GA/SA）進(jìn)行求解，實(shí)現(xiàn)換熱器設(shè)計(jì)尺寸和換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)的整體權(quán)衡優(yōu)化。
　　依據(jù)Bell-Delaware法對殼程流體進(jìn)行壓降和傳熱的計(jì)算，選擇管子內(nèi)徑、外徑、管長等作為主要設(shè)計(jì)變量，以換熱器的年總費(fèi)用最低為目標(biāo)函數(shù)，建立了

3、管殼式換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，并利用GA/SA算法求解。通過文獻(xiàn)中算例的對比，表明算法能較好的權(quán)衡換熱器的換熱面積費(fèi)用和泵的操作費(fèi)用搜索到全局最優(yōu)解，獲得總費(fèi)用較低時的換熱器幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)。針對一個實(shí)際工程項(xiàng)目，考慮換熱器設(shè)計(jì)裕度要求，增加相關(guān)的約束條件，通過提出的模型及算法進(jìn)行換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)，程序?qū)航岛蛡鳠岬挠?jì)算與商業(yè)化換熱器設(shè)計(jì)軟件HTRI的預(yù)測值較為接近，說明所設(shè)計(jì)的換熱器具有較高的可行性，同時也克服了HTRI設(shè)計(jì)過程中無法保證經(jīng)

4、濟(jì)性最優(yōu)的不足。
　　提出了一個換熱網(wǎng)絡(luò)綜合和冷、熱工藝流股間無相變換熱器設(shè)計(jì)同步優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型。利用換熱網(wǎng)絡(luò)的分級超結(jié)構(gòu)將每個換熱匹配的熱負(fù)荷和熱容流率與換熱器的主要幾何結(jié)構(gòu)約束聯(lián)立起來，并基于GA/SA算法使換熱網(wǎng)絡(luò)的年總費(fèi)用最低，其中包含換熱器的設(shè)備費(fèi)用、泵的操作費(fèi)用以及公用工程費(fèi)用。以換熱器的面積和總傳熱系數(shù)為換熱網(wǎng)絡(luò)綜合和換熱器設(shè)計(jì)的耦合關(guān)聯(lián)參數(shù)，提出一種循環(huán)嵌套求解同步優(yōu)化模型的策略。在有分流的分級超結(jié)構(gòu)中對換熱器采取

5、串聯(lián)和并聯(lián)的處理方式，考慮分支流股對主干流股壓降的影響。通過文獻(xiàn)中的兩個算例分析，換熱網(wǎng)絡(luò)年總費(fèi)用分別節(jié)約了0.06％、0.01％和71.15％、6.06％，說明了所提出的模型和算法的有效性。
　　提出了一個換熱網(wǎng)絡(luò)綜合和有相變公用工程換熱器設(shè)計(jì)同步優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。利用Nusselt方程、Kern法以及Bell-Delaware法計(jì)算發(fā)生相變換熱器的傳熱系數(shù)和壓降，取消了換熱網(wǎng)絡(luò)綜合過程中所有傳熱系數(shù)為常數(shù)的假設(shè)，結(jié)合改進(jìn)的換熱網(wǎng)絡(luò)