CN110160380A - 一种宽通道板式换热器及换热器粒子群优化结构设计方法 - Google Patents

一种宽通道板式换热器及换热器粒子群优化结构设计方法 Download PDF

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Abstract

一种宽通道板式换热器及换热器粒子群优化结构设计方法，属于换热器设计技术领域。提取单层换热板片表面的梯形凸台的6个变量构成结构参数，确定设计范围。采用正交法，生成25组具有不同结构和操作条件的典型换热器板。通过Solidworks生成单层换热板片，基于Fluent数值模拟软件，获得相应换热器板结构的换热努塞尔数和压降。根据获得的样本集，拟合换热器板的换热努赛尔数和压降综合准则关系模型。以最大换热努塞尔数和最小压降作为优化目标，采用粒子群优化，寻优获得最佳换热器板的结构参数。优点：适用于找到对于板式换热器的流动和换热特性影响显著的形状参数，并且在核心参数连续分布的情况下，寻找得到换热效果最好同时压降损失最小的形状参数分布范围。

Description

一种宽通道板式换热器及换热器粒子群优化结构设计方法
技术领域
本发明涉及一种换热器设计技术领域，特别是一种宽通道板式换热器及换热器粒子群优化结构设计方法。
背景技术
板式换热器是一种高效、紧凑的换热元件，具有自身结构紧凑、体积小和经济性好等突出的优点。特别是，由于波纹管具有强化传热效果的作用，所以被越来越多地应用于板式换热器中。其中，波纹管的波纹类型、结构尺寸，以及内部流动特性是影响换热器性能的重要因素。板式换热器分为宽通道和可拆卸式。宽通道板式换热器由于提高了使用温度和压力，所以比可拆卸板式换热器具有更大的适用范围。为了改善换热器的换热效果和阻力特性，提高换热器的整体性能，必须要优化宽通道板式换热器的板形设计。
针对其他类型板式换热器系统，文献(徐志明,王月明,张仲彬.板式换热器性能的数值模拟[J].动力工程学报,2011,31(3):198-202)通过建立人字形板式换热器的数值模型，构建了冷/热两层流道，模拟分析了不同入口速度下的换热和流动情况，发现了在人字形板式换热器中，存在传热“死区”，以及流动和传热不均匀性，且通过对比进出口温差和压降的模拟结果与实验结果，发现误差均小于6％。专利(刘凯,詹福才,徐红伟,姜颖,张力,王剑,李景才.高效可拆式宽通道板式换热器:中国，CN201555478U[P].2010.08.18)提出一种新型单张板片，涵盖了浅槽、深槽和超深槽三种不同槽深的规格，组装后分别形成了宽宽通道组合与宽窄通道组合形式，节约了投资，降低了生产成本。文献(Han X.H,Cui L.Q,ChenS.J,et al.A numerical and experimental study of chevron,corrugated-plate heatexchangers[J].International Communications in Heat and Mass Transfer,2010,37(8):1008-1014.)数值模拟了V型波纹板可拆卸板式换热器中的换热和流动，对比分析了板压力场和温度场的变化规律，并分析了板间触点四周的流场和温度场以及其对传热性能的影响规律，再次证明了“死区”的存在。文献(FernandesC.S.,Dias R.P.,NobregaJ.M.,etal.Laminar flow in chevron-type plate heat exchangers:CFD analysis oftortuosity,shape factor and friction factor[J].Chemical Engineering andProcessing:Process Intensification,2007,46(9):825-833.)建立了人字形正弦波纹板的一层流体模型，发现摩擦因子随波纹倾角和波纹高宽比的增大而增大。综上所述，其他类型的板式换热器存在传热“死区”以及流动和传热不均匀性，并且板片的形状参数对流动和换热特性存在显著影响。
目前，研究人员针对不同板型板式换热器的换热效果和能量损耗的研究中，设计了不同的形状参数，并拟合出换热综合准则关系式。文献(Durmus A,Benil H,Kurtbas I,et al.Investigation of heat transfer and pressure drop in plate heatexchangers having different surface profiles[J].International Journal of Heatand Mass Transfer,2009,52(5):1451-1457.)分析对比了人字形板片与星号形板片的能量与传热损失，表明星号形板不具有明显的优势，虽然能量损失相对较小，但传热能力也较弱。文献(Jeong J.Y.,Kim S.K.,Kang Y.T.Impact of plate design on theperformance of welded type plate heat exchangers for sorption cycles[J].International Journal of Refrigeration,2009,32(4):705-711.11)对板片凹凸纹压花形状分别为圆形、椭圆形和V形的三种不同焊接板式换热器进行了数值模拟，通过分析它们压降和传热效率与质量流率的关系，发现在三种压花形状中，换热器板片为椭圆形时，传热效率高、压降低。文献(黄少君,卢玫,李凌,等.混合板式换热器板通道的数值模拟研究[J].工程热物理学报,2011,32(11):1925-1928.)采用二维数值模拟的方法，研究了半圆型、半椭圆Ⅰ型和半椭圆Ⅱ型三种纵截面的波纹板的换热情况，结果表明具有最大的压力损失和最优换热性能的是半圆型波纹板，换热效果增强是由于流体由凸面流向凹面时，产生了漩涡。文献(杜文静,王飞,张士虎,等.正六边形板式换热器的热力学分析[J].工程热物理学报,2010,(10):1763-1766；杜文静,王飞,王坤,等.正六边形球面助板式换热器优化设计[J].工程热物理学报,2012,33(011):1940-1943.)研究设计了一种正六边形球面肋板式换热器，通过改变球助弧度等参数研究了板片的性能。文献(郭春生,程林,杜文静.不同波纹比例新型板式换热器的传热、阻力特性及火用分析[J].中国石油大学学报(自然科学版),2012,36(2):163-167；郭春生,杜文静,王飞,等.不同倾斜角新型板式换热器特性及场协同原理分析[J].中国石油大学学报(自然科学版),2011,35(6):144-147.)提出了一种新型的波纹板式换热器，具有不同的波纹比例，并进行了场协同、(火用)和换热特性等一系列分析。此外，越来越多的学者关注研究交叉三角形波纹板流道(陈作义.交叉三角形波纹板流道传热与流动特性的研究[J].广州:华南理工大学博士学位论文,2012；张立志.交叉三角形波纹板流道在过渡流状态下的传热与阻力特性[J].工程热物理学报,2006,27(5):859-861；Zhang L.Z.Numerical study of periodically fully developed flow andheat transfer in cross-corrugated triangular channels in transitional flowregime[J].Numerical Heat Transfer,Part A:Applications,2005,48(4):387-405.)。对全焊接板式换热器中流道进行了数值模拟和实验，研究了在不同雷诺数、不同高宽比，以及不同边界条件的情况下，流动与换热特性的关系；拟合出了交叉三角形波纹板的换热准则关系式；通过对比理想壁面和耦合壁面下流道的模拟结果，并且在场协同理论的基础上分析了折叠角的影响规律，研究了耦合传热对板片的传热阻力特性的影响。
发明内容
本发明的目的是要提供一种宽通道板式换热器及换热器粒子群优化结构设计方法，解决形状参数的连续分布引起的不确定因素的问题。
本发明的目的是这样实现的：本发明包括宽通道板式换热器以及宽通道板式换热器的粒子群优化结构设计方法。
宽通道板式换热器包括：板束、连接板、侧板、折流板、套管、底板、板侧壳和管侧壳；
底板位于板束的底面，在板束的一个对应两端各有一个相同的热水腔体；所述的热水腔体有侧板，在侧板的两端向外延伸有连接板，在侧板一端与底板连接，在侧板上连接有板侧壳；在二个热水腔体的板侧壳上分别连接有热水流道入口和热水流道出口；
在板束另一对应两端各有一个冷水腔体；所述的冷水腔体有管侧壳，在连接板的端部通过端板连接管侧壳；在二个冷水腔体的管侧壳上分别连接有冷水流道出口和冷水流道入口；在板束两端的侧壁上间隔连接有折流板，在折流板处连接有套管；在板束两侧相对应的位置连接的折流板为一组，一侧的折流板与一侧的管侧壳内侧壁封闭连接，另一侧的折流板与另一侧的管侧壳内侧壁不连接，相邻二组折流板与管侧壳内侧壁封闭连接不在同一侧，多组折流板与管侧壳内侧壁封闭连接的状态，构成弯折的水流通道，冷水流道出口和冷水流道入口分别位于水流通道不相同的端；
两个冷水腔体通过板束相通，两个热水腔体通过板束相通，冷水腔体与热水腔体在板束1中交叉通过，互不相通；
板束构成板式换热器和管壳式换热器，板式换热器的板间流道流动热水，从热水流道入口流入，从热水流道出口流出；管壳式换热器的管间流道流动冷水，从冷水流道入口流入，冷水流道出口流出。
所述的板束是由多层换热板片叠加组成，多层换热板片相互平行，多层换热板片之间有梯形凸台，形成的流通通道，构成板式换热器，通过换热板片进行热量交换。
所述的换热板片有薄金属波纹状的传热板片，每两片传热板片的上、下波峰对应连接构成流通管道，构成管壳式换热器，梯形凸台均匀分布在传热板片上、下波峰的外壁上。
所述的梯形凸台大小相同，并且内部结构为空心；梯形凸台之间的纵向距离能够调整，横向距离为流通管道的管径；通过多层换热板片之间的流通通道和换热板片的流通管道的流动介质为水。
宽通道板式换热器的粒子群优化结构设计方法，包括如下步骤：
步骤1)提取梯形凸台内角、高度、长度、间距、上底长度和换热区长度6个变量构成结构设计参数，确定其设计范围；
步骤2)将步骤1)的结构设计参数采用正交法，生成25组具有不同结构和操作条件的典型单层换热板片的结构参数；
步骤3)依据步骤2)中典型单层换热板片的结构参数，为了通过数值模拟分析得到换热努赛尔数和压降的目标函数，采用Solidworks生成一系列单层换热板片，基于Fluent数值模拟软件，获得相应单层换热板片结构的换热努塞尔数和压降；
步骤4)基于步骤2)中典型单层换热板片的结构参数及其换热努赛尔数和压降所构成的样本集，拟合单层换热板片的换热努赛尔数和压降综合准则关系模型；
步骤5)以最大换热努塞尔数和最小压降作为优化目标，采用粒子群优化方法，寻优获得最佳单层换热板片的结构参数。
所述步骤1)中确定结构设计参数的具体步骤为：
11)决定单层换热板片热交换效率的关键因素是梯形凸台的尺寸及其布局，其具体结构参数包括：凸台的高度h；凸台的上底长度a；凸台的截面内角θ；凸台的长度L；流动速度V；每一列中凸台之间的间距N；
12)根据宽通道板式换热器的结构设计要求，确定上述结构参数取值范围为：凸台的截面内角为30°-70°；凸台的高度为3-7mm；凸台的长度为3.6-7.2mm；每一列中凸台之间的间距为6-10cm；凸台的上底长度为0.8-1.6cm；此外，宽通道板式换热器的换热区长度为1000mm，宽度为960mm。
所述步骤2)中正交设计法的具体步骤为：
21)综合考虑数值模拟评价代价和各个结构参数的取值范围，如果取的水平数太小，则实验研究没有代表性，如果取的水平数太大则将浪费时间精力。因此为了便于实验的研究每个结构参数选取5个水平；
22)获得单层换热板片的因素水平表；
表1因素水平表
23)综合上述单层换热板片各个结构参数的因素水平，查询正交法手册选取正交表，因此生成25组具有不同结构和操作条件的典型单层换热板片结构；
表2典型单层换热板片结构
所述步骤3)中数值模拟过程是：
31)通过Fluent中的ICEM模块进行网格划分；由于宽通道板式换热器中存在梯形凸台，单层换热板片的流道结构多变，所以采用非结构网格；当网格数量达到90万时，努塞尔数的变化梯度很小，几乎稳定不变，在单层换热板片模型中，选取网格数为900000；
32)基于数值模拟软件，结合正交表获得上述25组典型单层换热板片结构的换热努塞尔数，建立现有的技术方法正交法的直观分析表；表3中均值代表所有结构参数在同一因素水平上的换热努塞尔数平均值；
表3数值模拟实验结果
通过对比6个参数及其5个级别的平均值，得出具有最佳换热努塞尔数的6个参数最佳级别：凸台高度的5级别，凸台上底长度的4级别，凸台截面内角的1级别，凸台长度的1级别，水的流速的5级别，凸台间距的3级别；
33)x代表参数，最佳水平和最差水平之间的差异称为极端差异，由Rx(x＝1,2,…6)表示；通过综合比较各因素对单层换热板片结构换热努塞尔数的影响，得到R5>R1>R6>R3>R2>R4，即水的流速、凸台高度、凸台间距、凸台截面内角对换热努塞尔数的影响最大，凸台上底长度、凸台长度对换热努塞尔数影响最小；得出最优工艺方案为：凸台高度7mm，凸台上底长度1.4cm，凸台截面内角30°，凸台长度3.6cm，水的流速1.3m/s，凸台间距7cm。
所述步骤4)的热效率模型拟合过程如下：
41)当进行流体湍流换热时，板式换热器的换热努塞尔数和压降准则模型如下：
Nu＝cRemPrn (1)
f＝cRed (2)
其中，式(1)为换热努塞尔数，式(2)为压降准则模型，c、m、n、d这4个参数是根据单层换热板片的板间流体介质和流体流动情况来确定的参数，Re为雷诺数，Pr为普朗特数；
42)由于凸台高度h、凸台间距N和凸台截面内角θ对于单层换热板片的换热努塞尔数和压降具有显著的影响，所以将凸台截面内角θ以θπ/180的指数形式添加到上述换热努塞尔数和压降准则模型中；采用参数N/d,h/d来无量纲化凸台间距N和凸台高度h，其中，d为特征长度即换热管道的直径；根据表3获得的典型单层换热板片的结构参数及其换热努赛尔数和压降所构成的样本集，通过matlab联立方程组，拟合换热努塞尔数和压降准则模型参数，最终得到单层换热板片换热效率的努塞尔数和压降准则模型。
所述步骤5)的粒子群结构优化方法如下：
51)初始化粒子种群，对每一个粒子给予初始速度和位置；同时，初始化学习因子c1,c2，惯性权重的上/下限ωmax、ωmin，最大迭代次数tmax和粒子群规模M参数；
对于粒子群规模为M的种群，任意一个粒子i的位置向量xi和速度向量vi分别表示为：
xi＝(xi1,xi2,…,xiD)T∈RD (3)
vi＝(vi1,vi2,…,viD)T∈RD,i＝1,2,…,M (4)
D是决策变量个数，进化过程中粒子的位置和速度更新方式如下：
式中，ω≥0为惯性权重；R为实数集；k为进化代数；c1,c2≥0为加速系数；r1,r2是(0,1)之间的随机数；为第i个粒子在第k代的位置向量第d维分量；为第i个粒子在第k代的速度向量第d维分量；为第i个粒子在第k代的最优粒子第d维分量，称为P-best；为粒子群中第k代的最优位置第d维分量，称为G-best；
为平衡粒子群全局搜索能力和局部搜索能力之间，提高搜索和求解速度，采用动态线性变化的惯性权值ω，惯性权重ω更新公式为：
式中，t表示当前进化代数；tmax表示最大迭代次数；迭代初期为提高全局搜索能力，设置较大惯性权重；随着迭代次数的增加减小惯性权重，以有利于迭代后期的局部搜索；
52)粒子适应度是评价粒子优劣的标准，由适应度函数决定；计算粒子的适应度值，由压力损失和换热努赛尔数两个目标函数决定；
53)比较粒子的适应度，根据支配关系更新粒子个体最优位置和非劣解集，并从非劣解集中随机选取粒子全局最优位置；
54)按照粒子更新公式(5)-(7)，更新粒子的速度和位置，并判断粒子是否陷入局部最优解；若是，则根据公式(8)进行变异；多目标粒子群优化算法中的变异策略是：给粒子种群设定一个临界值，当所有粒子的速度均小于该临界值时，在给定范围内随机改变一些粒子在某些维上的速度值，以增加粒子的全局搜索能力；变异方式如下：
v3＝2βvmax(r3-1) (8)
式中，ve是变异值；β∈[0,1]为变异系数，用于调节变异程度；r3为在[0,1]范围变化的随机数；表示第i个粒子的随机选中第d维；
55)判断是否达到预先设定的最大迭代次数，若满足，则输出Pareto最优解集；否则，返回步骤(52)继续进行迭代；
56)根据实际情况和宽通道板式换热器性能，求出以最大换热努塞尔数或最小压降为单一目标所对应的两个边界点；并基于上述边界点，获得目标空间的理想点；
57)在获得的Pareto最优解集中，筛选出与理想点的相对距离最小的解，作为最佳折衷解；该解的相应目标值，即为最优换热器的流动与换热性能。
有益效果，由于采用了上述技术方案，本发明对于宽通道板式换热器的核心形状参数设计具有显著效果。可以在具有离散的核心参数分布中，通过数值模拟分析和正交法找到满足最大换热系数和最小压降损失的点；能在连续的核心参数分布中，通过粒子群优化找到满足最大换热系数和最小压降损失的点，具有更好的鲁棒性。适用于提取对于板式换热器的流动和换热特性影响显著的形状参数，并且寻找到使得换热效果最好同时压降损失最小的形状参数分布范围，对于改造优化焊接板式换热器具有重要的研究意义和实用价值。
优点：本发明适用于找到对于板式换热器的流动和换热特性影响显著的形状参数，并且在核心参数连续分布的情况下，寻找到使得换热效果最好同时压降损失最小的形状参数分布范围，对于改造优化宽通道板式换热器具有重要的研究意义和实用价值。
附图说明
图1是本发明的宽通道板式换热器的结构形状示意图，即多个单层板片集合安装在一起的状态图。
图2是图1的部分分解状态结构示意图。
图3是本发明的单层换热板片的梯形凸台分布和流动通道示意图。
图4是图3的A-A向结构视图。
图5是本发明的单层换热板片流道热交换区域的网格划分示意图。
图6是本发明的最优帕累托前沿分布曲线。
图中，1、板束；2、连接板；3、侧板；4、折流板；5、套管；6、底板；7、端板；8、板侧壳；9、热水流道入口；10、管侧壳；11、冷水流道出口；12、热水流道出口；13、冷水流道入口；14、流通管道；15、梯形凸台。
具体实施方式
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：
实施例1：本发明包括宽通道板式换热器以及宽通道板式换热器的粒子群优化结构设计方法。
宽通道板式换热器包括：板束1、连接板2、侧板3、折流板4、套管5、底板6、板侧壳8和管侧壳10；
底板6位于板束1的底面，在板束1的一个对应两端各有一个相同的热水腔体；所述的热水腔体有侧板3，在侧板3的两端向外延伸有连接板2，在侧板3一端与底板6连接，在侧板3上连接有板侧壳8；在二个热水腔体的板侧壳8上分别连接有热水流道入口9和热水流道出口12；
在板束1另一对应两端各有一个冷水腔体；所述的冷水腔体有管侧壳10，在连接板2的端部通过端板7连接管侧壳10；在二个冷水腔体的管侧壳14上分别连接有冷水流道出口11和冷水流道入口13；在板束1两端的侧壁上间隔连接有折流板4，在折流板4处连接有套管5；在板束1两侧相对应的位置连接的折流板4为一组，一侧的折流板4与一侧的管侧壳10内侧壁封闭连接，另一侧的折流板4与另一侧的管侧壳10内侧壁不连接，相邻二组折流板与管侧壳10内侧壁封闭连接不在同一侧，多组折流板与管侧壳10内侧壁封闭连接的状态，构成弯折的水流通道，冷水流道出口11和冷水流道入口13分别位于水流通道不相同的端；
两个冷水腔体通过板束1相通，两个热水腔体通过板束1相通，冷水腔体与热水腔体在板束1中交叉通过，互不相通。
所述的板束是由多层换热板片叠加组成，多层换热板片相互平行，多层换热板片之间有梯形凸台，形成的流通通道，构成板式换热器，通过换热板片进行热量交换。
所述的换热板片有薄金属波纹状的传热板片，每两片传热板片的上、下波峰对应连接构成流通管道14，构成管壳式换热器，梯形凸台均匀分布在传热板片上、下波峰的外壁上。
所述的梯形凸台大小相同，并且内部结构为空心；梯形凸台15之间的纵向距离能够调整，横向距离为流通管道14的管径；通过多层换热板片之间的流通通道和换热板片的流通管道的流动介质为水。
板束1构成板式换热器和管壳式换热器，板式换热器的板间流道流动热水，从热水流道入口9流入，从热水流道出口12流出；管壳式换热器的管间流道流动冷水，从冷水流道入口13流入，冷水流道出口11流出。
宽通道板式换热器组合了管壳式换热器的管间流道和板式换热器的板间流道，充分结合了管壳式换热器和板式换热器的优点，由一系列表面具有梯形凸台的薄金属传热板片叠加组成，可应用于高温高压的工作场合。其中，单层换热板片有6个流通管道，在每个流通管道的上、下波峰均匀分布大小相同的梯形凸台，并且内部结构为空心设计，梯形凸台15之间的纵向距离可以在一定范围进行调整，横向距离为流通管道14的管径。单层换热板片的流动介质为水。板片相互平行，各板片之间形成冷/热流体流通的通道，通过板片进行热量交换。本发明所涉及的单层换热板片的形状布置为1000mm×960mm×5mm。
图3和图4显示了单层换热板片的梯形凸台分布与流动通道。
宽通道板式换热器的粒子群优化结构设计方法，其特征是，包括如下步骤：
步骤1)提取梯形凸台内角、高度、长度、间距、上底长度和换热区长度6个变量构成结构设计参数，确定其设计范围；
步骤2)将步骤1)的结构设计参数采用正交法，生成25组具有不同结构和操作条件的典型单层换热板片的结构参数；
步骤3)依据步骤2)中典型单层换热板片的结构参数，为了通过数值模拟分析得到换热努赛尔数和压降的目标函数，采用Solidworks生成一系列单层换热板片，基于Fluent数值模拟软件，获得相应单层换热板片结构的换热努塞尔数和压降；
步骤4)基于步骤2)中典型单层换热板片的结构参数及其换热努赛尔数和压降所构成的样本集，拟合单层换热板片的换热努赛尔数和压降综合准则关系模型；
步骤5)以最大换热努塞尔数和最小压降作为优化目标，采用粒子群优化方法，寻优获得最佳单层换热板片的结构参数。
前述的宽通道板式换热器的粒子群优化结构设计方法，其特征是，所述步骤1)中确定结构设计参数的具体步骤为：
11)决定单层换热板片热交换效率的关键因素是梯形凸台的尺寸及其布局，其具体结构参数包括：凸台的高度h；凸台的上底长度a；凸台的截面内角θ；凸台的长度L；流动速度V；每一列中凸台之间的间距N；
12)根据宽通道板式换热器的结构设计要求，确定上述结构参数取值范围为：凸台的截面内角为30°-70°；凸台的高度为3-7mm；凸台的长度为3.6-7.2mm；每一列中凸台之间的间距为6-10cm；凸台的上底长度为0.8-1.6cm；此外，宽通道板式换热器的换热区长度为1000mm，宽度为960mm。
前述的宽通道板式换热器的粒子群优化结构设计方法，其特征是，所述步骤2)中正交设计法的具体步骤为：
21)综合考虑数值模拟评价代价和各个结构参数的取值范围，每个结构参数选取5个水平；
22)获得单层换热板片的水平表；
表1因素水平表
23)综合上述单层换热板片各个结构参数的因素水平，生成25组具有不同结构和操作条件的典型单层换热板片结构；
表2典型单层换热板片结构
前述的宽通道板式换热器的粒子群优化结构设计方法，其特征是，所述步骤3)中数值模拟过程是：
31)通过Fluent中的ICEM模块进行网格划分。由于宽通道板式换热器中存在梯形凸台，单层换热板片的流道结构多变，所以采用非结构网格。当网格数量达到90万时，努塞尔数的变化梯度很小，几乎稳定不变。因此，在单层换热板片模型中，选取网格数为900000，网格分布如图5所示；
32)基于数值模拟软件，获得上述25组典型单层换热板片结构的换热努塞尔数，建立正交法的直观分析表；表3中，均值代表所有结构参数在同一因素水平上的换热努塞尔数平均值。
表3数值模拟实验结果
通过对比6个参数及其5个级别的平均值，可以得出具有最佳换热努塞尔数的6个参数最佳级别：凸台高度的5级别，凸台上底长度的4级别，凸台截面内角的1级别，凸台长度的1级别，水的流速的5级别，凸台间距的3级别。
33)x代表参数，最佳水平和最差水平之间的差异称为极端差异，由Rx(x＝1,2,…6)表示。通过综合比较各因素对单层换热板片结构换热努塞尔数的影响，得到R5>R1>R6>R3>R2>R4，即水的流速、凸台高度、凸台间距、凸台截面内角对换热努塞尔数的影响最大，凸台上底长度、凸台长度对换热努塞尔数影响最小。由此，得出最优工艺方案为：凸台高度7mm，凸台上底长度1.4cm，凸台截面内角30°，凸台长度3.6cm，水的流速1.3m/s，凸台间距7cm。
前述的宽通道板式换热器的粒子群优化结构设计方法，其特征是，所述步骤4)的热效率模型拟合过程如下：
41)当进行流体湍流换热时，板式换热器的换热努塞尔数和压降准则模型如下：
Nu＝cRemPrn (1)
f＝cRed (2)
其中，c、m、n、d是根据单层换热板片的板间流体介质和流体流动情况来确定的参数，Re为雷诺数，Pr为普朗特数。
42)由于凸台高度h、凸台间距N和凸台截面内角θ对于单层换热板片的换热努塞尔数和压降具有显著的影响，所以将凸台截面内角θ以θπ/180的指数形式添加到上述换热努塞尔数和压降准则模型中。采用参数N/d,h/d来无量纲化凸台间距N和凸台高度h，其中，d为特征长度，即流动通道的直径。根据表3获得的典型单层换热板片的结构参数及其换热努赛尔数和压降所构成的样本集，通过matlab联立方程组求解，拟合换热努塞尔数和压降准则模型参数，最终得到单层换热板片换热效率的努塞尔数和压降模型如下：
其中，Re＝10000v。
前述的宽通道板式换热器的粒子群优化结构设计方法，其特征是，所述步骤5)的粒子群结构优化方法如下：
51)初始化粒子种群，对每一个粒子给予初始速度和位置。同时，初始化学习因子c1,c2，惯性权重的上/下限ωmax、ωmin，最大迭代次数tmax和粒子群规模M等参数。设置种群个数M＝100，粒子位置维度D＝4，加速系数c1＝c2＝2，最大惯性权重ωmax＝0.9，最小惯性权重ωmin＝0.4。
对于粒子群规模为M的种群，任意一个粒子i的位置向量xi和速度向量vi分别表示为：
xi＝(xi1,xi2,…,xiD)T∈RD (5)
vi＝(vi1,vi2,…,viD)T∈RD,i＝1,2,…,M (6)
D是决策变量个数，进化过程中粒子的位置和速度更新方式如下：
式中，ω≥0为惯性权重；k为进化代数；c1,c2≥0为加速系数；r1,r2是(0,1)之间的随机数；为第i个粒子在第k代的位置向量第d维分量；为第i个粒子在第k代的速度向量第d维分量；为第i个粒子在第k代的最优粒子第d维分量，称为P-best；为粒子群中第k代的最优位置第d维分量，称为G-best。
为平衡粒子群全局搜索能力和局部搜索能力之间，提高搜索和求解速度，采用动态线性变化的惯性权值ω，惯性权重ω更新公式为：
式中，t表示当前进化代数；最大迭代次数tmax＝100，算法重复运行程序30次。迭代初期为提高全局搜索能力，设置较大惯性权重；随着迭代次数的增加减小惯性权重，以有利于迭代后期的局部搜索。
52)粒子适应度是评价粒子优劣的标准，由适应度函数决定。计算粒子的适应度值，由压力损失和换热努赛尔数两个目标函数决定。
最大的压力损失倒数F1
最大的换热系数F2
53)比较粒子的适应度，根据支配关系更新粒子个体最优位置和非劣解集，并从非劣解集中随机选取粒子全局最优位置。
54)按照粒子更新公式(7)-(9)，更新粒子的速度和位置，并判断粒子是否陷入局部最优解；若是，则根据公式(12)进行变异。多目标粒子群优化算法中的变异策略是：给粒子种群设定一个临界值，当所有粒子的速度均小于该临界值时，在给定范围内随机改变一些粒子在某些维上的速度值，以增加粒子的全局搜索能力。变异方式如下：
ve＝2βvmax(r3-1) (12)
式中，ve是变异值；β∈[0,1]为变异系数，用于调节变异程度；r3为在[0,1]范围变化的随机数；表示第i个粒子的随机选中第d维。
55)判断是否达到预先设定的最大迭代次数，若满足，则输出Pareto最优解集；否则，返回步骤(52)继续进行迭代。
56)根据实际情况和宽通道板式换热器性能，求出以最大换热努塞尔数或最小压降为单一目标所对应的两个边界点，如图6中的A点和C点所示；并基于上述边界点，获得目标空间的理想点。
57)在获得的Pareto最优解集中，筛选出与理想点的相对距离最小的解，作为最佳折衷解；该解的相应目标值，即为最优换热器的流动与换热性能。
从实验结果的帕累托前沿分布可以看出，如果只考虑最大的换热系数，则A点为最佳点；如果只考虑最小的压降损失，则C点为最佳点；如果同时考虑最大的换热系数和最小的压降损失，则右上角的理想点为最佳，但是理想点不在形成的帕累托前沿，因此，取最靠近理想点的B点为最佳点。

Claims (10)

1.一种宽通道板式换热器，其特征是：宽通道板式换热器包括：板束、连接板、侧板、折流板、套管、底板、板侧壳和管侧壳；
所述底板位于板束的底面，在板束的一个对应两端各有一个相同的热水腔体；所述的热水腔体有侧板，在侧板的两端向外延伸有连接板，在侧板一端与底板连接，在侧板上连接有板侧壳；在二个热水腔体的板侧壳上分别连接有热水流道入口和热水流道出口；
在板束另一对应两端各有一个冷水腔体；所述的冷水腔体有管侧壳，在连接板的端部通过端板连接管侧壳；在二个冷水腔体的管侧壳上分别连接有冷水流道出口和冷水流道入口；在板束两端的侧壁上间隔连接有折流板，在折流板处连接有套管；在板束两侧相对应的位置连接的折流板为一组，一侧的折流板与一侧的管侧壳内侧壁封闭连接，另一侧的折流板与另一侧的管侧壳内侧壁不连接，相邻二组折流板与管侧壳内侧壁封闭连接不在同一侧，多组折流板与管侧壳内侧壁封闭连接的状态，构成弯折的水流通道，冷水流道出口和冷水流道入口分别位于水流通道不相同的端；
两个冷水腔体通过板束相通，两个热水腔体通过板束相通，冷水腔体与热水腔体在板束1中交叉通过，互不相通；
板束构成板式换热器和管壳式换热器，板式换热器的板间流道流动热水，从热水流道入口流入，从热水流道出口流出；管壳式换热器的管间流道流动冷水，从冷水流道入口流入，冷水流道出口流出。
2.根据权利要求1所述的一种宽通道板式换热器，其特征是：所述的板束是由多层换热板片叠加组成，多层换热板片相互平行，多层换热板片之间有梯形凸台，形成的流通通道，构成板式换热器，通过换热板片进行热量交换。
3.根据权利要求1所述的一种宽通道板式换热器，其特征是：所述的换热板片有薄金属波纹状的传热板片，每两片传热板片的上、下波峰对应连接构成流通管道，构成管壳式换热器，梯形凸台均匀分布在传热板片上、下波峰的外壁上。
4.根据权利要求1所述的一种宽通道板式换热器，其特征是：所述的梯形凸台大小相同，并且内部结构为空心；梯形凸台之间的纵向距离能够调整，横向距离为流通管道的管径；通过多层换热板片之间的流通通道和换热板片的流通管道的流动介质为水。
5.基于权利要求1所述的宽通道板式换热器的粒子群优化结构设计方法，其特征是，宽通道板式换热器的粒子群优化结构设计方法，包括如下步骤：
步骤1)提取梯形凸台内角、高度、长度、间距、上底长度和换热区长度6个变量构成结构设计参数，确定其设计范围；
步骤2)将步骤1)的结构设计参数采用正交法，生成25组具有不同结构和操作条件的典型单层换热板片的结构参数；
步骤3)依据步骤2)中典型单层换热板片的结构参数，为了通过数值模拟分析得到换热努赛尔数和压降的目标函数，采用Solidworks生成一系列单层换热板片，基于Fluent数值模拟软件，获得相应单层换热板片结构的换热努塞尔数和压降；
步骤4)基于步骤2)中典型单层换热板片的结构参数及其换热努赛尔数和压降所构成的样本集，拟合单层换热板片的换热努赛尔数和压降综合准则关系模型；
步骤5)以最大换热努塞尔数和最小压降作为优化目标，采用粒子群优化方法，寻优获得最佳单层换热板片的结构参数。
6.根据权利要求5所述的宽通道板式换热器的粒子群优化结构设计方法，其特征是，所述步骤1)中确定结构设计参数的具体步骤为：
11)决定单层换热板片热交换效率的关键因素是梯形凸台的尺寸及其布局，其具体结构参数包括：凸台的高度h；凸台的上底长度a；凸台的截面内角θ；凸台的长度L；流动速度V；每一列中凸台之间的间距N；
12)根据宽通道板式换热器的结构设计要求，确定上述结构参数取值范围为：凸台的截面内角为30°-70°；凸台的高度为3-7mm；凸台的长度为3.6-7.2mm；每一列中凸台之间的间距为6-10cm；凸台的上底长度为0.8-1.6cm；此外，宽通道板式换热器的换热区长度为1000mm，宽度为960mm。
7.根据权利要求5所述的宽通道板式换热器的粒子群优化结构设计方法，其特征是，所述步骤2)中正交设计法的具体步骤为：
21)综合考虑数值模拟评价代价和各个结构参数的取值范围，如果取的水平数太小，则实验研究没有代表性，如果取的水平数太大则将浪费时间精力。因此为了便于实验的研究每个结构参数选取5个水平；
22)获得单层换热板片的因素水平表；
表1因素水平表
23)综合上述单层换热板片各个结构参数的因素水平，查询正交法手册选取正交表，因此生成25组具有不同结构和操作条件的典型单层换热板片结构；
表2典型单层换热板片结构
8.根据权利要求5所述的宽通道板式换热器的粒子群优化结构设计方法，其特征是，所述步骤3)中数值模拟过程是：
31)通过Fluent中的ICEM模块进行网格划分；由于宽通道板式换热器中存在梯形凸台，单层换热板片的流道结构多变，所以采用非结构网格；当网格数量达到90万时，努塞尔数的变化梯度很小，几乎稳定不变，在单层换热板片模型中，选取网格数为900000；
32)基于数值模拟软件，结合正交表获得上述25组典型单层换热板片结构的换热努塞尔数，建立现有的技术方法正交法的直观分析表；表3中均值代表所有结构参数在同一因素水平上的换热努塞尔数平均值；
表3数值模拟实验结果
通过对比6个参数及其5个级别的平均值，得出具有最佳换热努塞尔数的6个参数最佳级别：凸台高度的5级别，凸台上底长度的4级别，凸台截面内角的1级别，凸台长度的1级别，水的流速的5级别，凸台间距的3级别；
33)x代表参数，最佳水平和最差水平之间的差异称为极端差异，由Rx(x＝1,2,…6)表示；通过综合比较各因素对单层换热板片结构换热努塞尔数的影响，得到R5>R1>R6>R3>R2>R4，即水的流速、凸台高度、凸台间距、凸台截面内角对换热努塞尔数的影响最大，凸台上底长度、凸台长度对换热努塞尔数影响最小；得出最优工艺方案为：凸台高度7mm，凸台上底长度1.4cm，凸台截面内角30°，凸台长度3.6cm，水的流速1.3m/s，凸台间距7cm。
9.根据权利要求5所述的宽通道板式换热器的粒子群优化结构设计方法，其特征是，所述步骤4)的热效率模型拟合过程如下：
41)当进行流体湍流换热时，板式换热器的换热努塞尔数和压降准则模型如下：
Nu＝cRemPrn (1)
f＝cRed (2)
其中，式(1)为换热努塞尔数，式(2)为压降准则模型，c、m、n、d这4个参数是根据单层换热板片的板间流体介质和流体流动情况来确定的参数，Re为雷诺数，Pr为普朗特数；
42)由于凸台高度h、凸台间距N和凸台截面内角θ对于单层换热板片的换热努塞尔数和压降具有显著的影响，所以将凸台截面内角θ以θπ/180的指数形式添加到上述换热努塞尔数和压降准则模型中；采用参数N/d,h/d来无量纲化凸台间距N和凸台高度h，其中，d为特征长度即换热管道的直径；根据表3获得的典型单层换热板片的结构参数及其换热努赛尔数和压降所构成的样本集，通过matlab联立方程组，拟合换热努塞尔数和压降准则模型参数，最终得到单层换热板片换热效率的努塞尔数和压降准则模型。
10.根据权利要求5所述的宽通道板式换热器的粒子群优化结构设计方法，其特征是，所述步骤5)的粒子群结构优化方法如下：
51)初始化粒子种群，对每一个粒子给予初始速度和位置；同时，初始化学习因子c1,c2，惯性权重的上/下限ωmax、ωmin，最大迭代次数tmax和粒子群规模M参数；
对于粒子群规模为M的种群，任意一个粒子i的位置向量xi和速度向量vi分别表示为：
xi＝(xi1,xi2,…,xiD)T∈RD (3)
vi＝(vi1,vi2,…,viD)T∈RD,i＝1,2,…,M (4)
D是决策变量个数，进化过程中粒子的位置和速度更新方式如下：
式中，ω≥0为惯性权重；R为实数集；k为进化代数；c1,c2≥0为加速系数；r1,r2是(0,1)之间的随机数；为第i个粒子在第k代的位置向量第d维分量；为第i个粒子在第k代的速度向量第d维分量；为第i个粒子在第k代的最优粒子第d维分量，称为P-best；为粒子群中第k代的最优位置第d维分量，称为G-best；
为平衡粒子群全局搜索能力和局部搜索能力之间，提高搜索和求解速度，采用动态线性变化的惯性权值ω，惯性权重ω更新公式为：
式中，t表示当前进化代数；tmax表示最大迭代次数；迭代初期为提高全局搜索能力，设置较大惯性权重；随着迭代次数的增加减小惯性权重，以有利于迭代后期的局部搜索；
52)粒子适应度是评价粒子优劣的标准，由适应度函数决定；计算粒子的适应度值，由压力损失和换热努赛尔数两个目标函数决定；
53)比较粒子的适应度，根据支配关系更新粒子个体最优位置和非劣解集，并从非劣解集中随机选取粒子全局最优位置；
54)按照粒子更新公式(5)-(7)，更新粒子的速度和位置，并判断粒子是否陷入局部最优解；若是，则根据公式(8)进行变异；多目标粒子群优化算法中的变异策略是：给粒子种群设定一个临界值，当所有粒子的速度均小于该临界值时，在给定范围内随机改变一些粒子在某些维上的速度值，以增加粒子的全局搜索能力；变异方式如下：
ve＝2βvmax(r3-1) (8)
式中，ve是变异值；β∈[0,1]为变异系数，用于调节变异程度；r3为在[0,1]范围变化的随机数；表示第i个粒子的随机选中第d维；
55)判断是否达到预先设定的最大迭代次数，若满足，则输出Pareto最优解集；否则，返回步骤(52)继续进行迭代；
56)根据实际情况和宽通道板式换热器性能，求出以最大换热努塞尔数或最小压降为单一目标所对应的两个边界点；并基于上述边界点，获得目标空间的理想点；
57)在获得的Pareto最优解集中，筛选出与理想点的相对距离最小的解，作为最佳折衷解；该解的相应目标值，即为最优换热器的流动与换热性能。
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