[发明专利]一种多股流板翅式换热器流体通道排列的优化设计方法

说明书

技术领域

本发明属于板翅式换热器技术领域，具体涉及一种多股流板翅式换热器流体通道排列的优化设计方法。

技术背景

板翅式换热器是一种紧凑式换热器，由于结构紧凑轻巧、传热效率高、便于布置多股流体而被广泛地应用于多种石油化工和低温气体液化分离行业。然而，在这种多股流板翅式换热器中，由于同时参与换热的冷热流体可以多达十几种，而且用于分配这些流体的通道也通常上百，因此相应的流体通道排列方式也会急剧增加，即出现所谓的“组合爆炸”，很难利用穷举法找到最优的通道排列方式。当通道排列方式不合理时，即使有足够的面积后备系数，也会使换热器无法达到设计性能指标，然而，迄今为止通道排列的优化设计问题仍未得到很好的解决，是多股流板翅式换热器研究的重点和难点。

目前，多股流板翅式换热器通道排列优化设计方法可以归纳为两种：一种是手工试凑设计方法，它通常是参照Fan(Fan Y.N.，How to design plate-fin heat exchangers，Hydrocarbon Processing，45(1966)211-217)提出的隔离型模式和Sucessmann和Mansour(Suessman W.，Mansour A.，passage arrangement in plate-fin exchanges，in：Proc.15th International Congress of Refrigeration，1979，pp.421-429)提出的局部热平衡模式，先给出通道预排列，然后通过模拟手段检测该排列下换热器壁面温度分布或者是流体温差均匀性因子是否合理，如果不合理，则调整通道排列再重新检测，这样经过多次调整试凑得到较满意的通道排列。显然这种试凑设计方法在很大程度上依赖于设计者的经验，设计质量和工作效率都受到很大限制；另一种是借助计算机对通道排列进行优化设计，这种设计方法提高了工作效率，而且，近年来由于智能优化技术的迅速发展，一种模仿自然生物进化过程的遗传优化技术，以其实用、高效、鲁棒性强成为国际上研究的热门课题，并广泛地应用于工业工程、经济管理、交通运输和优化设计等领域。然而，Ghosh等(Ghosh S.，Ghosh I.，Pratihar D.K.，Maiti B.，Das P.K.，Optimun stacking pattern for multistream plate fin heat exchanger through a genetic algorithm，International Journal of Thermal Sciences，50(2011)214-224)最近建立的通道排列遗传优化模型是针对一种流体对应一个通道情况，随着通道数目的增加，通道排列染色体的优化将变得异常繁琐，而且模型对优化过程无引导，对不良结果无约束，从而无法保证最终的优化设计结果，总之，该模型从染色体编码、适值函数到约束等方面，都未对通道排列这个特定优化设计问题做出相应的有效处理，不具有工业实用价值。

另外，Fan提出的隔离型模式很容易造成通道间热负荷不平衡，而Sucessmann和Mansour提出的局部热负荷平衡模式是从换热器的一端开始计算过剩热负荷，这种衡量方法有利于合理布置离换热器这端近的通道，然而，随着排列的进行，换热器的另一端将集聚过多过剩热负荷而无法处理。此外，对于某一设计工况通道排列中出现的不可避免集聚负荷，我们可以设想应该存在这样一个位置，使得该不良集聚负荷对换热器的负面影响最小。然而，目前的设计方法也无法很好地找到此不良集聚负荷最佳位置。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种多股流板翅式换热器流体通道排列的优化设计方法，具有适用性强、工作效率高、设计质量高的优点。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种多股流板翅式换热器流体通道排列的优化设计方法，包括以下步骤：

第一步，设一个多股流板翅式换热器，其中有n_h种热流体和n_c种冷流体进行换热，已知热流体h_i(i＝1，2...，n_h)的质量流量进口温度出口温度和通道层数冷流体c_j(j＝1，2...，n_c)的质量流量进口温度出口温度和通道层数

根据已知条件和流体比热物性，计算换热器热流体h_i和冷流体c_j的单通道热负荷，即和