板翅式換熱器的結構優化

徐理正

摘要：以多學科優化框架軟件iSIGHT平臺為基礎，采用多島遺傳算法，以換熱器翅高、翅距和芯體寬度作為優化參數，以提高換熱效率和減輕重量為優化目標，改良了板翅式換熱器，最終優化了板翅式換熱器的結構。該優化，使板翅式換熱器的重量減輕了，工作效率也相應提高了。

關鍵詞：板翅式換熱器；優化設計；iSIGHT平臺；遺傳算法

中圖分類號：TQ051.5 文獻標識碼：A 文章編號：2095－6835（2014）09－0042－02

板翅式換熱器是一種高效的換熱設備，具有很高的傳熱效率，又因其結構緊湊，重量很輕，所以成本低。它還具有能改善傳熱表面利用率，減少整個換熱器與周圍環境交換等優點。因為其具有許多優點，所以，板翅式換熱器被廣泛應用。目前，國內板翅式換熱器的設計方法工作量大，可靠性也不高。下面就如何對板翅式換熱器進行結構優化展開討論。

1板翅式換熱器的數學模型

1.1設計目標

以重量最輕為目標，其中，質量公式為：

. （1）

式（1）中：ρ——換熱器材料密度，假設ρ不發生變化，翅片的厚度δc也不變；

V——換熱器體積；

a——芯體長度；

x——翅內距。

1.2設計變量的參數化表達

在此，主要考慮的是翅距、氣側翅高、液側翅高、芯體寬度這四個變量。

翅距（Mc）表達式：

Mc=0.000 1k1+0.000 50≤k1≤200. （2）

氣側翅高（Lc）表達式：

Lc=0.000 1k2+0.005 0≤k2≤300. （3）

液側翅高（Ls）表達式：

Ls=0.000 1k3+0.001 50≤k3≤300.（4）

芯體寬度（c）表達式：

c=0.001k4+0.070≤k4≤1 700.（5）

上述4個式子中，0.000 5 m、0.005 m、0.001 5 m、0.07 m分別為原始的翅距、氣側翅高、液側翅高和芯體寬度。0.000 1 m、0.001 m分別為翅距和翅高、芯體寬度變化一次的長度范圍。k1、k2、k3、k4為設計變量，通過不斷地變化來控制翅距、翅高和芯體寬度的變化。

1.3約束條件

換熱器設計的約束條件有以下兩個。

優化后的換熱器效率應大于優化前的效率：（排版時，將式中的字母變為斜體，下標為正體）

. （6）

式（6）中：C——流水當量；

Tsin——水側進口溫度；

Tsout——水側出口溫度；

Tkin——空氣進口溫度；

Tkout——空氣出口溫度。

換熱器芯體的假設寬度應該與實際計算的寬度相一致：

（7）

誤差｜c－ck｜≤0.000 1時，認為是相等的。

式（7）中： c——芯體寬度。

2優化流程

本文采用的優化算法為iSIGHT自帶的多島遺傳算法。遺傳算法是一種模擬達爾文生物進化論過程的計算模型，是通過對生物界自然進化過程進行模擬的。搜索的最優解算法，采用概率尋優方法，自動找到和指導優化的搜索空間，自動適應調整搜索方向，不需要確定規則，依靠特有的由選擇、交叉、變異等操作構成的機制使優化具有很強的魯棒性。多島遺傳算法作為遺傳算法的改進，能維持種群的多樣性，抑制早熟現象，更好地尋找全局最優解。換熱器優化設計流程如圖1所示。

圖1設計流程

3優化算例

采用逆流空氣—水換熱器，兩側翅片都采用平直型翅片，參數詳見表1.

多島遺傳算法的參數設置：子種群體規模為10，子種群體個數為20，進化代數為40，復制概率為0.9，雜交概率為0.9，變異概率為0.01，遷移率為0.2，遷移間隔為4.

表1初始參數

空氣速度 空氣進口溫度 水出口溫度 水體積流量 換熱量

V=13 m/s Tkin=40℃ Tsout=44℃ Lvs=0.001 833 m3/h Q=64 kW

芯體長度 芯體高度 翅距 翅高（氣） 翅高（液）

a=0.2 m b=0.8 m Mc=0.007 6 m Lc=0.009 4 m Ls=0.003 m

當量直徑（氣） 當量直徑（液） 隔板厚度 材料密度 材料導熱系數

Dc=0.008 2 m Ds=0.002 17 m δb=0.000 813 m ρ=2 700 kg/m3 λ=170 W/（m?K）

4優化結果

從表2中可以看出，優化后的換熱器芯體尺寸發生較大改變，翅距、翅高變大，芯體寬度變寬，效率提升了7%，而質量降低了24.1%，這大大節約了資源，提高了經濟性。

綜上所述，本文采用優化算法代替試湊法是行之有效的，既提高了設計質量，又節時省力，為換熱器提供了一種可靠的設計方法。由于研究具有局限性，所以，可以考慮在今后對板翅式換熱器的數值模型進行研究分析時，利用數值模擬加以輔

助設計，以尋找更好的設計方法。

表2優化結果

換熱器 翅距 氣側翅高 液側翅高 芯體寬度 效率 質量

原始 0.007 6 0.009 4 0.003 0 0.660 0.591 47.57

優化后 0.009 6 0.029 0 0.003 7 1.100 0.667 35.96

5結束語

綜上所述，對板翅式換熱器進行優化設計時，要對其進行詳細的計算分析，制訂好合適的優化流程，按照流程做好每一步工作，并依據優化結果積極尋找更好的優化方案，這樣才能不斷對板翅式換熱器進行改進，從而達到節約資源、提高經濟性的效果。

參考文獻

［1］韋小雄，張淑文，唐萍，等.鋁制板翅式換熱器導流結構優化設計［J］.化工設備與管道，2011（01）.

［2］祝銀海，厲彥忠.CFD技術在平直和鋸齒形板翅式換熱器設計中的運用［J］.家電科技，2006（03）.

〔編輯：白潔〕

Plate-fin Heat Exchanger Structure Optimization

Xu Lizheng

Abstract: In the framework of multidisciplinary optimization software iSIGHT platform, Multi-island Genetic Algorithm（MIGA）to the heat exchanger fin height, fin pitch and core width as the optimization parameters to improve the heat transfer efficiency and reduce the weight of the optimization goal, improved plate-fin heat exchanger, and ultimately optimize the plate-fin heat exchanger structure. The optimization of the plate-fin heat exchanger to reduce the weight, but also a corresponding increase in productivity.

Key words: plate-fin heat exchanger; optimal design; iSIGHT platform; Genetic Algorithm