CN116050051A - 一种基于响应面模型的微流道换热器优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于响应面模型的微流道换热器优化设计方法，包括选取微流道换热器的关键几何参数作为优化设计参数，构建关于流动压降和换热效能作为设计目标参数的响应面模型；利用响应面模型结合遗传算法获得Pareto最优边界，以Pareto最优边界获得换热器性能最优时对应的微流道几何结构值；结合至少包括换热器结构强度校核准则、换热器放置空间、换热板片工艺极限要求，根据获得的换热器性能最优时对应的微流道几何结构值完成换热器的整体结构优化设计。本发明可获得换热器性能最佳时的微流道几何结构，有助于微流道换热器换热性能的提升和系统运行阻力的降低。易于实现，以低成本、高效方式进行换热器性能优化提升。
Description
技术领域
本发明涉及换热器设计领域，具体涉及一种基于响应面模型的微流道换热器优化设计方法。
背景技术
印刷电路板式换热器(PCHE)是一种能够承受高温高压、体积紧凑、换热效能高的新型换热器，其在液化天然气领域、核能利用领域以及制氢行业被广泛应用。该型换热器主要由管箱1、换热芯块2、二次侧进出口接管3-1和3-2、一次侧进出口接管4-1和4-2构成(附图1所示)。其主要制造工艺包括微通道蚀刻成型和换热芯体扩散焊成型，其显著特征为换热芯体包含大量微小的流道和具有极高的机械结构强度。在PCHE中，折线微通道PCHE因其较高的换热性能和工艺简便性成为应用最为广泛的一类PCHE。
对于PCHE换热器而言，分析其运行性能的最重要指标是流动压降和换热效能，一台性能优异的换热器具备较小的流动压降和较高的换热效能，因此在折线微流道换热器优化设计中需将流动压降和换热效能作为最终的优化目标。对于折线微流道PCHE而言，尚无针对折线流道几何参数进行最优化设计的方法，从工程应用需求出发，有必要开发一种微流道换热器的最优化设计方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是目前尚无对于折线流道几何参数进行最优化设计的方法，而无法进行针对于折线微流道换热器的整体优化设计。目的在于提供一种基于响应面模型的微流道换热器优化设计方法，以解决以上问题。
本发明的目的在于提供一种基于响应面模型的微流道换热器优化设计方法，包括：
S1：选取微流道换热器的关键几何参数作为优化设计参数，构建关于流动压降和换热效能作为设计目标参数的响应面模型；
S2：利用所述响应面模型结合遗传算法获得Pareto最优边界，以所述Pareto最优边界获得换热器性能最优时对应的微流道几何结构值；
S3：结合至少包括换热器结构强度校核准则、换热器放置空间、换热板片工艺极限要求，根据获得的所述换热器性能最优时对应的微流道几何结构值完成换热器的整体结构优化设计。
在一可选的实施例中，所述关键几何参数包括流道倾角、纵向节距以及半圆形流道直径。
在一可选的实施例中，所述步骤S1中，响应面模型的构建方法包括：
(1)利用拉丁超立方抽样方法选择设计点；
(2)获得所述设计点对应的优化目标值；
(3)根据所述设计点和对应的优化目标值，建立微流道几何结构参数与设计目标参数之间的函数关系：
式中，yi表示目标函数；n为设计变量的数量；xi、xj为几何结构优化设计参数；β0代表常数项系数，βj代表一次方项系数，βjj代表同参数二次方项系数，βij代表不同参数间二次方项系数。
在一可选的实施例中，利用拉丁超立方抽样方法分层随机抽样建立m×n矩阵，以确定各设计点；
n为设计变量的数量，m为每个设计变量选取的设计点数量。
在一可选的实施例中，所述步骤S2中，利用NSGAⅡ非支配排序遗传算法结合所述响应面模型，得到优化设计参数范围内的Pareto最优边界，以所述Pareto最优边界作为微流道换热器几何结构优化设计的取值数据库。
在一可选的实施例中，利用所述NSGAⅡ非支配排序遗传算法进行数据之间的快速排序，以压降小、传热系数大为目标函数判定准则确定各点之间的支配关系。
在一可选的实施例中，所述步骤S3中，换热器的整体结构优化设计的过程包括：
(1)根据用户对换热器允许压降的限制，确定换热器最优流道结构；
(2)根据最优流道结构进行结构强度校核；
(3)根据放置空间要求、生产工艺限制或用户需求，结合获得的微流道最优几何结构值进行流动换热设计，以得到满足用户需求的换热器。
在一可选的实施例中，所述步骤(1)中，根据用户输入的允许压降的限制值，在最优边界上选取换热系数最大时对应的微流道几何结构值。
在一可选的实施例中，所述步骤(2)中结合结构强度校核，考虑微流道直径的影响，若通过结构强度校核，则进行下一步；
若不通过，则降低换热器流动压降限制，重新选择该条件下对应的最优几何结构值，直至完成强度校核。
在一可选的实施例中，所述步骤(3)中；
根据放置空间要求、生产工艺限制或用户需求，初步选定蚀刻换热板的长度和宽度；
结合获得的微流道最优几何结构值，进行流动换热设计；
若设计输出结果符合用户需要，则完成最优化设计流程，若不符合则重新调整蚀刻换热板的长度和宽度值，根据新的换热板长度-宽度值，重新进行流动换热设计，若仍不满足要求，则返回至步骤(1)中，并降低压降限制值，按照步骤(1)～(3)的顺序，直至符合需求。
在一可选的实施例中，换热器的折线微流道的水力直径不大于3mm、微流道倾角小于75°。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明实施例提供的一种基于响应面模型的对折线微流道PCHE进行最优化设计，以折线微流道关键几何参数流道倾角、纵向节距以及半圆形流道直径作为优化设计参数，构建关于流动压降和换热效能作为最终优化目标的响应面模型；利用该响应面模型结合遗传算法获得Pareto最优边界，以该边界获知换热器性能最优时对应的折线微流道几何结构；之后综合考虑换热器结构强度校核准则、换热器放置空间限制、换热板片工艺极限等要求，完成折线微流道PCHE最优化设计。从而发明提供的方法可获得换热器性能最佳时的微流道几何结构，有助于微流道换热器换热性能的提升和系统运行阻力的降低。本发明易于实现，可借助数值模拟工具进行参数化建模分析，以低成本、高效率的方式进行换热器性能的优化提升。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：
图1为常规PCHE结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于响应面模型的微流道换热器优化设计方法示意图；
图3为折线微流道结构示意图；
图4为折线微流道单元及关键几何尺寸；
图5为某一工况范围内，折线微流道最优结构的Pareto边界图；
图6为本发明的一种基于响应面模型的微流道换热器优化设计方法中换热器整体设计流程图；
附图中的各部件及对应标记为：
1：管箱，2：换热芯块，2-1：承压板片，2-2、2-3：换热板片，3-1、3-2：二次侧进出口接管，4-1、4-2：一次侧进出口接管，5-换热芯块横向截面，6-单流程折线流道，7-多流程折线流道。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
一种基于响应面模型的微流道换热器优化设计方法，如图2所示的过程，具体如下：
S1：选取微流道换热器的关键几何参数作为优化设计参数，构建关于流动压降和换热效能作为设计目标参数的响应面模型；
典型的折线微通道PCHE如图1所示，对换热芯片进行纵向截切获得换热芯片纵向截面5，对纵向截面进行放大拆解，可知换热芯块包括承压板片2-1、换热板片2-2和2-3，其换热板片2-2或2-3通常如附图3所示，包含单流程折线流道6和多流程折线流道7。如附图4所示，取出一组冷热流道换热单元，对于折线流道而言，其关键几何参数为流道倾角θh/θc、纵向节距Ph/Pc、以及半圆形流道直径Dh/Dc。典型的折线流道PCHE为便于蚀刻微流道，通常将冷热侧选为同样的几何结构，因此对于折线流道PCHE而言，选取合适的流道倾角、纵向节距以及半圆形流道直径对于换热器优化设计、运行性能至关重要。
基于此，本发明实施例中将流动压降和换热效能作为最终的优化目标，将流道倾角、纵向节距以及半圆形流道直径等几何结构值作为优化设计参数。如此，折线微流道换热器优化设计的关键就在于构建优化目标(流动压降和换热效能)与设计参数(流道倾角、纵向节距以及半圆形流道直径)之间的关系函数，即构建响应面模型(Response SurfaceModel,RSM)。基于RSM，可获知各设计参数如何影响优化目标值，据此可求解出使得目标性能最优的设计参数。
RSM的构建过程为：
1)利用拉丁超立方抽样方法(Latin Hypercube Sampling，LHS)选择设计点。LHS方法通过分层随机抽样的方法建立m×n矩阵，其中，n为设计变量的数量，本实施例中为3，m为每个设计变量选取的设计点数量，可取30。LHS通过将每个变量的选取空间均匀划分为30份，从每一份中随机抽取一个值，则每个设计变量包含30个设计点，之后再通过每个变量的设计点与其他变量设计点进行随机组合，从而形成m×n矩阵，确定了各设计点。通过LHS方法选取的设计点能够很好的代表整个取值空间各个部分。
2)通过实验手段或数值模拟方法获得这些设计点对应的优化目标的值，以此作为RSM的构建基础；其中的实验手段或数值模拟方法均为已知技术，本领域技术人员可以根据现有的实验手段或现有的数值模拟方法获得得到的设计点对应的优化目标的值，具体的实验手段以及数值模拟方法在此不进行赘述；
3)根据所述设计点和对应的优化目标值，建立微流道几何结构参数与设计目标参数之间的函数关系，即建立如下式形式的RSM：
式中yi表示目标函数，即K和ΔP(分别为反映换热能力的总体换热系数以及流动压降)；n＝3，为设计变量的数量；xi、xj等为三个结构参数(对应折线微流道的流道倾角、纵向节距以及半圆形流道直径)；β0代表常数项系数，βj代表一次方项系数，βjj代表同参数二次方项系数，βij代表不同参数间二次方项系数。从而通过拟合的方式建立折线微流道几何结构参数与设计目标参数之间的函数关系。
S2：利用所述响应面模型结合遗传算法获得Pareto最优边界，以所述Pareto最优边界获得换热器性能最优时对应的微流道几何结构值；
在构建响应面模型后，进行Pareto最优边界的构建，具体为：
(1)利用NSGAⅡ非支配排序遗传算法结合所述响应面模型，得到优化设计参数范围内的Pareto最优边界，以所述Pareto最优边界作为微流道换热器几何结构优化设计的取值数据库；
其中，非支配排序遗传算法(Nondominated Sorting Genetic Algotithms，NSGAⅡ)进行数据之间的快速排序，该算法以压降小、传热系数大为目标函数判定准则，确定各点之间的支配关系，若某种流道结构不存在非支配个体，即其自身个体为该种群中的最优秀个体，则被列入Pareto集合中，众多的非支配解组成了Pareto前沿。
NSGAⅡ算法的基本思想为：首先，随机产生规模为N的初始种群Pt，并通过遗传算法的选择、交叉和变异三个基本操作得到第一代子代种群Qt，之后从第二代开始将父代与子代种群合并，进行快速非支配排序，同时对每个非支配层中的个体进行拥挤度计算，根据非支配关系以及个体的拥挤度选取合适的个体组成新的父代种群Pt+1，之后再次通过选择、交叉和变异三个基本操作产生新的子代种群Qt+1，将Pt+1和Qt+1合并成新的种群，重复上述操作，直至满足程序结束的条件。
通过以上过程即可获得某参数范围内的Pareto最优边界，以附图5为例，该图中横坐标为反映换热效能的总体传热系数，纵坐标表示流动压降。该图中最优边界显示压降与换热系数之间呈单调关系，随着流道压降的增加，对应最优结构所能实现的换热系数也相应增加。从这条Pareto最优边界上选取了4个最具有代表性的点，分别为A、B、C、D，附表1给出了A-D四个点对应的最优结构参数值，同时也对比了最优边界预测值与数值模拟值(经过验证可认为是实验值)，传热系数的相对偏差低于±9％，压降的相对偏差低于±29％，说明基于RSM获得的最优边界具有较高的预测精度，可作为折线微流道PCHE最优化设计的取值数据库。
表1图5中具有代表性的K均值聚类点的最优边界预测值与数值模拟结果对比
S3：结合至少包括换热器结构强度校核准则、换热器放置空间、换热板片工艺极限要求，根据获得的所述换热器性能最优时对应的微流道几何结构值完成换热器的整体结构优化设计。
换热器的整体结构优化设计的过程如图6所示，包括：
1)首先根据用户对换热器允许压降的限制，在最优边界上选取换热系数最大时对应的折线微流道几何结构值；
2)结合微流道结构强度校核，主要针对微流道直径的影响，若通过结构强度校核，则进行下一步，若不通过，则需降低换热器流动压降限制，重新选择该条件下对应的最优几何结构值直至完成强度校核；
3)根据放置空间要求、生产工艺限制或用户需求，初步选定蚀刻换热板的长度和宽度；
4)结合已经获得的折线流道最优几何结构值，进行流动换热设计，若设计输出结果(主要为冷热侧出口温度、流道阻力等指标)符合用户需要，则完成最优化设计流程。若不符合用户需求，则重新调整蚀刻换热板的长度和宽度值。
5)根据新的换热板长度-宽度值，结合折线流道最优几何结构值重新进行流动换热设计，若此时仍然不满足要求，则需返回最上层，再减小压降值，在最优边界上选取新的几何结构值。
6)多次迭代设计后，流程逐渐收敛，即可获得满足用户需求的具有最优流道结构的换热器。
本发明涉及的一种基于响应面模型的微流道换热器优化设计方法，基于响应面模型对折线微流道PCHE进行最优化设计，可获得换热器性能最佳时的微流道几何结构，有助于微流道换热器换热性能的提升和系统运行阻力的降低。本发明易于实现，可借助数值模拟工具进行参数化建模分析，以低成本、高效率的方式进行换热器性能的优化提升。
以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种基于响应面模型的微流道换热器优化设计方法，其特征在于，包括：
S1：选取微流道换热器的关键几何参数作为优化设计参数，构建关于流动压降和换热效能作为设计目标参数的响应面模型；
S2：利用所述响应面模型结合遗传算法获得Pareto最优边界，以所述Pareto最优边界获得换热器性能最优时对应的微流道几何结构值；
S3：结合至少包括换热器结构强度校核准则、换热器放置空间、换热板片工艺极限要求，根据获得的所述换热器性能最优时对应的微流道几何结构值完成换热器的整体结构优化设计。
2.如权利要求1所述的一种基于响应面模型的微流道换热器优化设计方法，其特征在于，所述关键几何参数包括流道倾角、纵向节距以及半圆形流道直径。
3.如权利要求1所述的一种基于响应面模型的微流道换热器优化设计方法，其特征在于，所述步骤S1中，响应面模型的构建方法包括：
(1)利用拉丁超立方抽样方法选择设计点；
(2)获得所述设计点对应的优化目标值；
(3)根据所述设计点和对应的优化目标值，建立微流道几何结构参数与设计目标参数之间的函数关系：
式中，yi表示目标函数；n为设计变量的数量；xi、xj为几何结构优化设计参数；β0代表常数项系数，βj代表一次方项系数，βjj代表同参数二次方项系数，βij代表不同参数间二次方项系数。
4.如权利要求3所述的一种基于响应面模型的微流道换热器优化设计方法，其特征在于，利用拉丁超立方抽样方法分层随机抽样建立m×n矩阵，以确定各设计点；
n为设计变量的数量，m为每个设计变量选取的设计点数量。
5.如权利要求1所述的一种基于响应面模型的微流道换热器优化设计方法，其特征在于，所述步骤S2中，利用NSGAⅡ非支配排序遗传算法结合所述响应面模型，得到优化设计参数范围内的Pareto最优边界，以所述Pareto最优边界作为微流道换热器几何结构优化设计的取值数据库。
6.如权利要求5所述的一种基于响应面模型的微流道换热器优化设计方法，其特征在于，利用所述NSGAⅡ非支配排序遗传算法进行数据之间的快速排序，以压降小、传热系数大为目标函数判定准则确定各点之间的支配关系。
7.如权利要求1所述的一种基于响应面模型的微流道换热器优化设计方法，其特征在于，所述步骤S3中，换热器的整体结构优化设计的过程包括：
(1)根据用户对换热器允许压降的限制，确定换热器最优流道结构；
(2)根据最优流道结构进行结构强度校核；
(3)根据放置空间要求、生产工艺限制或用户需求，结合获得的微流道最优几何结构值进行流动换热设计，以得到满足用户需求的换热器。
8.如权利要求7所述的一种基于响应面模型的微流道换热器优化设计方法，其特征在于，所述步骤(1)中，根据用户输入的允许压降的限制值，在最优边界上选取换热系数最大时对应的微流道几何结构值。
9.如权利要求7所述的一种基于响应面模型的微流道换热器优化设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中结合结构强度校核，考虑微流道直径的影响，若通过结构强度校核，则进行下一步；
若不通过，则降低换热器流动压降限制，重新选择该条件下对应的最优几何结构值，直至完成强度校核。
10.如权利要求7所述的一种基于响应面模型的微流道换热器优化设计方法，其特征在于，所述步骤(3)中；
根据放置空间要求、生产工艺限制或用户需求，初步选定蚀刻换热板的长度和宽度；
结合获得的微流道最优几何结构值，进行流动换热设计；
若设计输出结果符合用户需要，则完成最优化设计流程，若不符合则重新调整蚀刻换热板的长度和宽度值，根据新的换热板长度-宽度值，重新进行流动换热设计，若仍不满足要求，则返回至步骤(1)中，并降低压降限制值，按照步骤(1)～(3)的顺序，直至符合需求。
11.如权利要求1～10任一项所述的一种基于响应面模型的微流道换热器优化设计方法，其特征在于，换热器的折线微流道的水力直径不大于3mm、微流道倾角小于75°。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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