低溫多股流板翅式換熱器設(shè)計(jì)優(yōu)化方法研究進(jìn)展

王哲，韓鳳翚，紀(jì)玉龍，李文華，厲彥忠

（1 大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧大連116026；2 大連海事大學(xué)航運(yùn)及港口可持續(xù)能源國(guó)際聯(lián)合研究中心，遼寧大連116026；3 西安交通大學(xué)制冷低溫研究所，陜西西安710049）

空分與液化設(shè)備在低溫工況下運(yùn)行，通常耗能巨大。在如今資源整合、能源綜合利用以及淘汰落后產(chǎn)能的大環(huán)境下，我國(guó)的空分裝置正朝著大型化和高效化的趨勢(shì)發(fā)展。目前，我國(guó)實(shí)際運(yùn)行的單體空分裝置的最大生產(chǎn)能力（產(chǎn)氧量） 約為12×104m3/h，相比2000年已經(jīng)增長(zhǎng)了2倍，其最低單位生產(chǎn)能耗仍大于2010年國(guó)際上的最低能耗標(biāo)準(zhǔn)0.3kW·h/m3[1]。這種宏觀上的差距一定程度上反映出國(guó)內(nèi)空分系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的研發(fā)水平仍然落后于國(guó)際水平。空分裝置的大型化意味著空分技術(shù)上的些許改進(jìn)可以帶來(lái)非常顯著的節(jié)能降耗效果。多股流板翅式換熱器是現(xiàn)代空分裝置以及大型氫、氦制冷與液化裝置中的關(guān)鍵設(shè)備之一，其性能的高低直接關(guān)系著系統(tǒng)冷量的損失程度以及泵功消耗，進(jìn)而影響著系統(tǒng)的液化能力以及生產(chǎn)能耗。以生產(chǎn)能力（產(chǎn)氧量）為1×104m3/h 的空分裝置為例，平均換熱溫差升高0.5K，空氣壓縮機(jī)的電耗會(huì)增加1.3%；換熱器的流動(dòng)阻力增加2kPa，空氣壓縮機(jī)的電耗可增加0.8%[2]。另一方面，在空分裝置中，主換熱器回收系統(tǒng)的部分冷量將原料空氣冷卻到接近液化溫度，由于設(shè)計(jì)的緣故，主換熱器存在不同程度的換熱不完全損失。圖1 顯示熱端溫差為3K 時(shí)不同生產(chǎn)能力的空分裝置中主換熱器冷量損失所占系統(tǒng)總冷量損失的比例。隨著空分裝置生產(chǎn)能力的提高，板翅式換熱器的節(jié)能潛力也在增大。而對(duì)于氫、氦制冷與液化系統(tǒng)，由于換熱溫差很低，想要提升系統(tǒng)效率，降低系統(tǒng)能耗，換熱器需要具有更高的換熱性能。以氦液化系統(tǒng)為例，Thomas等[3]曾給出在其他條件一定的情況下，氦液化率受換熱器組總體效能數(shù)影響的變化趨勢(shì)，如圖1所示。可以看到，換熱器的效能數(shù)從0.95 增大到0.999，氦的液化率提升了將近一倍。

圖1 空分裝置中主換熱器冷損所占比例與板翅式換熱器效能數(shù)對(duì)氦液化率的影響

然而對(duì)于低溫空分系統(tǒng)中所用的多股流板翅式換熱器而言，目前已有的換熱器熱工水力設(shè)計(jì)方法主要適用傳統(tǒng)的兩股流體換熱器模型[4]，而針對(duì)空分內(nèi)壓縮流程中多股流換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法（包括流股匹配、翅片選擇、通道排列等）則相對(duì)較少。對(duì)于氫、氦、天然氣等液化系統(tǒng)中的換熱器而言，由于這類氣體的低溫?fù)Q熱數(shù)據(jù)十分缺乏，換熱規(guī)律尚不清晰，缺少相應(yīng)的仿真研究數(shù)學(xué)模型。另一方面，目前實(shí)際工程中多股流體的換熱匹配和各種翅片通道的設(shè)計(jì)選型主要依靠設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，尚缺乏高效而可靠的優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則來(lái)指導(dǎo)多股流換熱器的設(shè)計(jì)選型[5]。盲目采用經(jīng)驗(yàn)試湊的設(shè)計(jì)方法將會(huì)導(dǎo)致實(shí)際低溫裝置中多股流換熱器的設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、性能偏低、體積龐大、成本增加等多種問(wèn)題。由此可見(jiàn)，在空分換熱系統(tǒng)中深入研究多股流換熱器的流動(dòng)換熱性能、探討合理的設(shè)計(jì)及優(yōu)化方法，無(wú)論是對(duì)大型多股流換熱器的設(shè)計(jì)研發(fā)，還是對(duì)整個(gè)低溫空分流程的高效化發(fā)展，都具有重要的推動(dòng)作用。

本文從低溫多股流板翅式換熱器的設(shè)計(jì)方法與結(jié)構(gòu)優(yōu)化出發(fā)，歸納分析其熱設(shè)計(jì)中凸顯的流股換熱匹配、通道分配排列、多物理場(chǎng)疊加以及特殊工況下的應(yīng)用等問(wèn)題；在概述國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合上述分析探討板翅式換熱器目前的研究熱點(diǎn)與發(fā)展方向；最后綜合上述問(wèn)題，提出一套結(jié)合流股匹配、翅片結(jié)構(gòu)、通道排列以及多物理場(chǎng)協(xié)同的板翅式換熱器整體設(shè)計(jì)優(yōu)化框架，力求揭示相關(guān)流動(dòng)換熱性能規(guī)律。本文不論是對(duì)板翅式換熱器的設(shè)計(jì)研發(fā)，還是對(duì)相關(guān)低溫制冷與液化流程的高效化發(fā)展都具有重要的推動(dòng)作用。

1 多股流板翅換熱器設(shè)計(jì)概述

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

板翅式換熱器的生產(chǎn)起始于20 世紀(jì)30 年代，最初由英國(guó)Marston Excelsion 公司采用鹽浴浸漬釬焊制造并用作航空發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻器。1963 年日本住友集團(tuán)成為亞洲第1 個(gè)板翅式換熱器的生產(chǎn)企業(yè)。直至20 世紀(jì)50 年代以后，能夠處理多股流體的板翅式換熱器才逐漸被應(yīng)用于石油化工（乙烯、合成氨）、天然氣液化以及低溫氣體分離等大型工業(yè)系統(tǒng)中。與此同時(shí)，美國(guó)還成立了板翅式換熱器制造商協(xié)會(huì)（ALPEMA），由世界五大主要制造商（美國(guó)查特公司、法國(guó)法孚集團(tuán)、日本神戶鋼鐵、德國(guó)林德工程、日本住友工業(yè)）組成，并為此類換熱器的制造、安裝和安全運(yùn)行制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

多股流換熱器是指能同時(shí)在單體換熱器中進(jìn)行多種流體的熱量傳遞，其冷熱流體的總數(shù)可達(dá)12種以上，具有結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效率高、能量高度集成等特點(diǎn)。其比表面積一般在700m2/m3以上，最大可達(dá)5000m2/m3左右，遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的殼管式換熱器（200m2/m3）。傳熱系數(shù)為列管式換熱器的5～10倍，且單位體積的傳熱量也高出1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，憑借上述優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于大工業(yè)能量集成系統(tǒng)中并用于組建相應(yīng)的換熱網(wǎng)絡(luò)。多股流板翅換熱器主要由封頭、換熱芯體及其內(nèi)部多層隔板和翅片等部件組成，如圖2所示。不同換熱流體進(jìn)入不同封頭后經(jīng)過(guò)導(dǎo)流片及帶有換熱翅片的換熱通道與相鄰?fù)ǖ纼?nèi)流體進(jìn)行能量傳遞后流出，其本質(zhì)為間壁換熱。換熱芯體中的翅片通常分為平直型、打孔型、鋸齒型以及波紋型等多種類型，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。其中，平直翅片的通道結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，是基準(zhǔn)翅片；打孔翅片具有較高的換熱系數(shù)和較低的壓降損失，并且更利于流體在通道內(nèi)的均勻分布，多用于導(dǎo)流片或帶有相變工況的換熱器；鋸齒型和波紋型翅片屬于強(qiáng)化換熱翅片，其換熱系數(shù)通常為基準(zhǔn)通道的兩倍以上，但由于其壓降較大，多用于需進(jìn)行換熱強(qiáng)化的氣體側(cè)。

1.2 設(shè)計(jì)研究方法概述

圖2 多股流板翅式換熱器結(jié)構(gòu)以及常用的翅片類型

圖3 多股流板翅式換熱器通設(shè)計(jì)步驟

圍繞多股流板翅式換熱器的研究，國(guó)外起源于20 世紀(jì)60 年代。主要內(nèi)容包括，從開(kāi)始的簡(jiǎn)單建模計(jì)算到后來(lái)的CFD 仿真模擬；從內(nèi)部換熱結(jié)構(gòu)到整體優(yōu)化分析等，尤其是在2000 年以后，各種新興熱點(diǎn)和主要設(shè)計(jì)問(wèn)題被國(guó)內(nèi)外研究者逐步提出[6]。其通用設(shè)計(jì)步驟和研究重點(diǎn)如圖3 所示，主要包括熱力學(xué)設(shè)計(jì)[7-8]、翅片通道設(shè)計(jì)[9-10]、板翅零部件設(shè)計(jì)以及換熱器工藝設(shè)計(jì)4 個(gè)方面[11-12]。換熱器的熱力學(xué)設(shè)計(jì)主要包括多股流體熱匹配與能量集成、流體在換熱通道層內(nèi)的分布與排列、換熱器熱負(fù)荷與溫度場(chǎng)校驗(yàn)以及特殊換熱工況的設(shè)計(jì)考慮等。由于多股流換熱器內(nèi)存在復(fù)雜的流動(dòng)換熱情況，因此在設(shè)計(jì)之初首先確定多流體熱匹配、流動(dòng)狀態(tài)、進(jìn)出口位置以及求解最小換熱溫差等。對(duì)于換熱通道形式的研究在于考慮如何對(duì)多股流換熱通道進(jìn)行分配排列，達(dá)到減小換熱器內(nèi)部熱負(fù)荷的分配不均、提升換熱器的換熱效能的目的。由于牽扯到多種流體、多個(gè)通道結(jié)構(gòu)，加之不同通道排列下流體物性變化的疊加影響，在單一工況下?lián)Q熱器內(nèi)也會(huì)形成多種溫度和壓力場(chǎng)，因此設(shè)計(jì)時(shí)有必要對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)建模求解出相關(guān)物理場(chǎng)來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。另外，空分流程內(nèi)的換熱往往在低溫、多相流甚至超臨界條件下進(jìn)行，目前特殊工況下的某些流動(dòng)換熱機(jī)理尚不明確，有待于進(jìn)一步深入研究[13]。

關(guān)于零部件設(shè)計(jì)，由于流體在進(jìn)入換熱器芯體時(shí)需要被分配成多個(gè)流道以進(jìn)行層與層之間的能量傳遞，因此其封頭是板翅換熱器關(guān)鍵的組成部件，在于解決端部進(jìn)口和出口封頭與換熱流道連接處所造成的物流分配不均。以試驗(yàn)和CFD 模擬等手段來(lái)考察各種封頭結(jié)構(gòu)對(duì)流體的均分以及所帶來(lái)的壓降，從而提高流體進(jìn)入換熱層的均勻性[14-15]。Wen等[16]首次將可視化PIV應(yīng)用于板翅式換熱器入口結(jié)構(gòu)內(nèi)部的流場(chǎng)分布特性的研究。所得的數(shù)值模擬結(jié)果與PIV試驗(yàn)的速度矢量流線相互驗(yàn)證。此外，由于流體性質(zhì)和換熱工況的不同，在眾多的翅片類型中需要選擇高效低阻的翅片設(shè)計(jì)方案，以便指導(dǎo)實(shí)際工業(yè)換熱通道的結(jié)構(gòu)選型[17]。因此，目前的方法是利用穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)試驗(yàn)方法對(duì)多種結(jié)構(gòu)的換熱翅片在不同Re 數(shù)、不同溫區(qū)、不同流體和換熱工況（冷凝、蒸發(fā)、相變、超臨界）等變量下進(jìn)行試驗(yàn)，以期望獲得其傳熱流動(dòng)預(yù)測(cè)參數(shù)，從而結(jié)合目前CFD三維仿真手段進(jìn)行相互驗(yàn)證[18-19]。

對(duì)于換熱器的工藝設(shè)計(jì)，由于板翅式換熱器長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行于低溫或高壓工況時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部應(yīng)力集中、溫度壓力分布不均、堵塞以及損壞等的風(fēng)險(xiǎn)，因此所涉及的制造、釬焊、檢測(cè)、清洗以及承壓等工藝都是換熱器能安全有效運(yùn)行的保障[20]。深入研究相關(guān)內(nèi)容將有助于實(shí)現(xiàn)板翅式換熱器工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量跟蹤、產(chǎn)品維護(hù)，避免相關(guān)安全隱患，相關(guān)內(nèi)容可參考李亞梅[21]對(duì)板翅結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與設(shè)計(jì)工藝的研究。

另外，自20 世紀(jì)80 年代起，西安交通大學(xué)的陳長(zhǎng)青[22]、張祉佑[23]等學(xué)者是國(guó)內(nèi)開(kāi)展板翅式換熱器研究的先驅(qū)，先后出版編譯了多本關(guān)于低溫?fù)Q熱器流程設(shè)備的專著，為國(guó)內(nèi)后續(xù)該方面的研究奠定了重要基礎(chǔ)。隨后西安交通大學(xué)厲彥忠教授課題組[24]對(duì)該換熱器涉及的低溫傳熱等內(nèi)容進(jìn)行了較全面的歸納，包括熱設(shè)計(jì)研究、翅片結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及仿真模擬等。其中Zhang 等[25]首次將CFD 技術(shù)用于板翅式換熱器的研究中；Wen等[26]首次采用可視化流動(dòng)試驗(yàn)方法研究換熱器內(nèi)封頭流場(chǎng)；Zhu 等[27]系統(tǒng)性地對(duì)4種常用翅片進(jìn)行了三維數(shù)值計(jì)算；趙敏[28]則采用數(shù)值方法首次求解出3股流體積分平均溫差公式應(yīng)用于實(shí)際設(shè)計(jì)。楊宇杰等[29]考慮低溫條件下各種材料及流體對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的影響，通過(guò)大量計(jì)算首次擬合出液氦、液氫等低溫流體工況下的傳熱流動(dòng)經(jīng)驗(yàn)公式；司標(biāo)等[30]研制出一種寬Re 數(shù)范圍下的翅片傳熱與流動(dòng)性能測(cè)試裝置，可開(kāi)展快速的換熱器瞬態(tài)試驗(yàn)等。另外，近兩年文健教授課題組[31-33]在換熱器表面效率、流固耦合的數(shù)值模擬以及熱力學(xué)新理論指導(dǎo)翅片結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面進(jìn)行了相應(yīng)的創(chuàng)新工作。因此，本文的工作正是在上述優(yōu)秀研究的啟發(fā)下，更進(jìn)一步對(duì)多股流緊湊式換熱器內(nèi)的流股換熱配置、翅片結(jié)構(gòu)優(yōu)化、通道排列設(shè)計(jì)以及低溫?fù)Q熱器多場(chǎng)仿真模擬等問(wèn)題進(jìn)行歸納總結(jié)，以求在前人的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)實(shí)際中存在的設(shè)計(jì)難點(diǎn)、探索新的優(yōu)化理論、獲取相關(guān)經(jīng)驗(yàn)同研究者們分享。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)展

2.1 多流股換熱匹配設(shè)計(jì)優(yōu)化方法

圖4給出了多股流換熱器及其內(nèi)部換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)自由度，根據(jù)構(gòu)型理論[34]分析可知，多股流換熱器的造型可分為系統(tǒng)以及換熱器兩種不同層面的結(jié)構(gòu)組合。在系統(tǒng)層面即換熱網(wǎng)絡(luò)層面上，首先需要確定多流體的配置，即何種流體在哪個(gè)單元的什么位置流入或者流出，何種流體相互配合換熱，多少單元能滿足總的熱量回收要求；其次，需要確定每個(gè)流體的匹配條件，即每個(gè)流體組成狀態(tài)、換熱溫區(qū)、總熱負(fù)荷、總壓降等；最后估算換熱網(wǎng)絡(luò)的總體積，確認(rèn)流程配置以及所需成本。在換熱器層面，首先需要選擇翅片類型和結(jié)構(gòu)，從而確定通道內(nèi)的具體換熱方式，以開(kāi)展后續(xù)熱工水力建模，同時(shí)明確每個(gè)流體換熱通道的具體數(shù)量和總層數(shù)；其次進(jìn)行通道換熱層的排列和配置；最后進(jìn)行換熱效率的評(píng)估，確定換熱器最終尺寸。上述兩個(gè)層面在多股流換熱器設(shè)計(jì)中相互影響、密不可分。然而，由于多股流板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計(jì)變量眾多，在每個(gè)設(shè)計(jì)層面內(nèi)部各變量互為因果，導(dǎo)致單個(gè)層面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已十分復(fù)雜，更不用說(shuō)解決兩個(gè)層面的綜合設(shè)計(jì)問(wèn)題。以往研究主要關(guān)注其過(guò)程模擬分析與優(yōu)化綜合，而針對(duì)多流股換熱器過(guò)程集成與換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化綜合的研究則相對(duì)較少。為了將設(shè)備設(shè)計(jì)與過(guò)程優(yōu)化相結(jié)合，先從系統(tǒng)換熱網(wǎng)絡(luò)層面出發(fā)，逐步剖析多股流體換熱匹配及其網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，為后續(xù)換熱器單體的設(shè)計(jì)優(yōu)化研究提供可靠的流體數(shù)據(jù)以及配置保障。

圖4 多股流換熱器設(shè)計(jì)優(yōu)化自由度及其換熱網(wǎng)絡(luò)模型

1990年Yee等[35]首次提出了多股流換熱器換熱網(wǎng)絡(luò)這一概念。針對(duì)換熱器內(nèi)部的多股流體流動(dòng)換熱特性，利用夾點(diǎn)技術(shù)成功建立了一個(gè)簡(jiǎn)單通用的能量集成上層建筑。把面積和換熱成本同時(shí)作為目標(biāo)，考慮到每股冷熱流體之間的換熱系數(shù)的差異，流股匹配的約束也相應(yīng)得到解決。圖4是模型設(shè)計(jì)過(guò)程中的示意圖，形象地把多股流體換熱器配置反映在溫度-熱焓圖中，以顯示在選擇兩股與多股流換熱器之間的相關(guān)權(quán)衡問(wèn)題。這項(xiàng)工作是利用換熱網(wǎng)絡(luò)法設(shè)計(jì)多股流換熱器的雛形，隨后該方法受到大量學(xué)者的關(guān)注。Sunden[36]在上述模型的啟發(fā)下，提出了更為詳細(xì)的多流體換熱器換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)范例。為了方便制造和便于流體分布，該方法令子換熱器必須要有比較相近的換熱高度和換熱寬度，可通過(guò)增加或減少通道數(shù)量來(lái)控制上述變量。這種后續(xù)的微調(diào)將會(huì)導(dǎo)致當(dāng)?shù)剌^低的Re 數(shù)，并不是所有流股都能達(dá)到允許壓降，仍有改進(jìn)空間。Frank等[37]在管殼式換熱器的基礎(chǔ)上，闡明了利用換熱網(wǎng)絡(luò)法對(duì)指導(dǎo)多股流體熱傳遞配置以及確定集成網(wǎng)絡(luò)最小換熱溫差等條件對(duì)早期緊湊式換熱設(shè)計(jì)有著很大的幫助，具有開(kāi)創(chuàng)性地提出了一種選擇換熱表面的新方法（Z-Y圖法）和相同翅片效率假設(shè)，從而利用數(shù)學(xué)規(guī)劃開(kāi)發(fā)出逐層計(jì)算結(jié)果，使得設(shè)計(jì)者能夠監(jiān)視和控制整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程。Picón-Nú?ez 等[38]在以上方法的啟發(fā)下總結(jié)出了多股流換熱器換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法，并指出多股流換熱器可以替代整個(gè)熱回收網(wǎng)絡(luò)這一前景。該方法包含具體4個(gè)步驟：①根據(jù)各種流體性質(zhì)建立溫度熱焓復(fù)合曲線，根據(jù)換熱狀態(tài)劃分換熱區(qū)間，確定起始換熱溫度場(chǎng)、熱負(fù)荷以及區(qū)間流體數(shù)量；②確定每個(gè)區(qū)間的長(zhǎng)度和寬度；③選擇翅片表面以達(dá)到統(tǒng)一的換熱效率和面積的乘積值；④通過(guò)調(diào)整壓降、換熱通道等變量達(dá)到統(tǒng)一的換熱器高度。這種設(shè)計(jì)步驟被陸續(xù)擴(kuò)展成為相關(guān)的模型方法，對(duì)后續(xù)研究影響很大。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，許多仿真模型和算法逐漸被引入到設(shè)計(jì)和優(yōu)化中。Joda等[39]首次利用遺傳算法優(yōu)化多股流換熱網(wǎng)絡(luò)中的流股壓降以及其相關(guān)結(jié)構(gòu)。以最小年度成本為算法目標(biāo)，熱工水力建模組成模型主體。通過(guò)合并減小間隔換熱段以期達(dá)到較小換熱面積和最大的允許壓降。遺傳算法的引入在多種翅片變量的條件下獲得較為適合的設(shè)計(jì)結(jié)果，為后續(xù)的研究奠定了基礎(chǔ)。Kamath等[40]提出了面向方程化的多股流換熱網(wǎng)絡(luò)雛形，并提到了相變相關(guān)的具體工況。其特點(diǎn)是忽略外部公用設(shè)備對(duì)多股流換熱器帶來(lái)的影響，從而構(gòu)建帶有流股相變的設(shè)計(jì)模型。Montanez 等[41]考慮到多種流體物性隨著換熱條件變化的特點(diǎn)加入了物性矯正因子，即換熱網(wǎng)絡(luò)每個(gè)區(qū)段的計(jì)算所用到的是流體當(dāng)?shù)氐奈镄詤?shù)，并利用上層建筑的方法去描述板翅換熱器的換熱網(wǎng)絡(luò)，隨后使用一個(gè)詳細(xì)的熱工水力模型去構(gòu)建壓降和傳熱，給出的操作數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果是目前較為詳細(xì)的范例。國(guó)內(nèi)，肖武[42]研究了傳熱過(guò)程中有效能損失的分布原則，給出了一種流股傳熱溫差貢獻(xiàn)度準(zhǔn)則來(lái)確定流股有效溫位，以流股的傳熱溫差貢獻(xiàn)值為網(wǎng)絡(luò)綜合的決策變量，明顯降低了多流股換熱器網(wǎng)絡(luò)的綜合數(shù)學(xué)維數(shù)。Zhao等[43]理論推導(dǎo)了相鄰三通道間積分平均傳熱溫差公式，當(dāng)用它來(lái)設(shè)計(jì)三流體換熱器時(shí)，實(shí)現(xiàn)了快速迭代收斂，比傳統(tǒng)方法（冷、熱流體復(fù)合曲線法）計(jì)算出的換熱器熱負(fù)荷與熱導(dǎo)更加接近實(shí)際情況。李永強(qiáng)等[44]基于改進(jìn)的多流股換熱匹配結(jié)構(gòu)，將多流股換熱網(wǎng)絡(luò)綜合轉(zhuǎn)化為超級(jí)換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而構(gòu)造級(jí)聯(lián)過(guò)程操作算子，通過(guò)相鄰換熱流體之間的匹配和溫度傳遞，進(jìn)行了多流股之間傳熱狀態(tài)的嚴(yán)格計(jì)算；然后考慮散熱因素，改進(jìn)目標(biāo)函數(shù)，引入冷熱損失和保溫材料費(fèi)用，進(jìn)而建立相應(yīng)非線性數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，實(shí)現(xiàn)公用工程、設(shè)備投資、冷熱損耗等同步優(yōu)化。許雄文等[45]在滿足多股流換熱工藝要求的前提下，分析了多股流形成的N+1換熱過(guò)程的最佳組織原則。通過(guò)泛函數(shù)法，在給定能量耗散的條件下求解出所需最小換熱面積。

2.2 翅片結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

板翅式換熱器中翅片的不同設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)所帶來(lái)?yè)Q熱能力與泵功損耗最終折算成投資和運(yùn)行方面的經(jīng)濟(jì)效益，它們是設(shè)計(jì)者在進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型、估算時(shí)需要考慮的重要因素。早期的設(shè)計(jì)者大都在約束條件的限制下，通過(guò)試湊來(lái)尋求滿意的結(jié)果，如圖5為翅片通道結(jié)構(gòu)選型經(jīng)驗(yàn)。其實(shí)這類問(wèn)題本質(zhì)上是一個(gè)折中權(quán)衡的選擇過(guò)程，較好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能在滿足換熱量的前提下提高傳熱效率、降低運(yùn)行成本，以達(dá)到節(jié)約能源和材料的效果。然而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)眾多，而且相互關(guān)聯(lián)，牽一發(fā)而動(dòng)全身，優(yōu)化不當(dāng)往往適得其反。此外，該類問(wèn)題屬于整數(shù)非線性優(yōu)化的范疇，無(wú)法利用常規(guī)的連續(xù)變量進(jìn)行梯度尋優(yōu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。而在非連續(xù)變量?jī)?yōu)化中，進(jìn)行數(shù)目龐大不同排列方式、不同換熱器芯體結(jié)構(gòu)的試湊窮舉耗時(shí)且不科學(xué)，所以需要利用行之有效的評(píng)價(jià)方法作為手段，輔助智能算法進(jìn)行搜索，從而最后確定優(yōu)化過(guò)程中的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

圖5 翅片通道結(jié)構(gòu)選型經(jīng)驗(yàn)

目前存在許多分析與評(píng)價(jià)方法用于換熱器的優(yōu)化。它們可以分為如下三類：首先是基于熱力學(xué)第一定律的分析方法[46]；其次是結(jié)合能量守恒和熱力學(xué)第二定律的評(píng)價(jià)方式[47]；最后是由以上方法的改進(jìn)和衍生，包括熱經(jīng)濟(jì)性[48]、構(gòu)圖法[49]、耗散理論[50]等。憑借上述熱力學(xué)理論和評(píng)價(jià)基礎(chǔ)，許多學(xué)者利用它們對(duì)翅片設(shè)計(jì)以及優(yōu)化進(jìn)行了更深層次的研究，如Carlos 等[51]應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的多元參數(shù)耦合計(jì)算，對(duì)逆流板翅式換熱器的翅片結(jié)構(gòu)和工況設(shè)計(jì)進(jìn)行了一體化數(shù)值模擬與熱力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出了壓降總換熱系數(shù)在浮動(dòng)工況下的包羅設(shè)計(jì)曲線。Niroomand 等[52]從多尺度角度建立了多流板翅式換熱器三維模擬的總體框架。該模型同時(shí)考慮了相變、多組分混合、多股流橫向和縱向熱傳導(dǎo)、進(jìn)口不均勻性、流體物性變化和熱泄漏等影響。Hajavdollahi等[53]對(duì)上述提到的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分型的方法以多目標(biāo)優(yōu)化算法為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，獲得了翅片多設(shè)計(jì)參數(shù)的規(guī)律。如此可見(jiàn)，換熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的本質(zhì)是多個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)的最優(yōu)配合。但是對(duì)于復(fù)雜的工程問(wèn)題，很多設(shè)計(jì)參數(shù)都存在彼此對(duì)立的情況。考慮到現(xiàn)有方法的缺陷，有些研究者們另辟蹊徑，開(kāi)始借助一些智能算法來(lái)解決目前多參數(shù)匹配耦合的優(yōu)化問(wèn)題。

從2004年開(kāi)始，Mishra等[54]成功利用遺傳算法開(kāi)展了對(duì)換熱器最小化成本和熱力學(xué)第二定律最小熵產(chǎn)優(yōu)化的研究，成為后續(xù)研究的基礎(chǔ)。Xie 等[55]在遺傳算法中優(yōu)化換熱器壓降因素時(shí)引入了罰函數(shù)這一概念，通過(guò)對(duì)比壓降和無(wú)壓降時(shí)的數(shù)據(jù)變化得出相關(guān)規(guī)律。隨著研究的深入，更多智能算法被應(yīng)用到換熱器的優(yōu)化中來(lái)。Yousefi等[56]分別把ICA算法與和聲算法成功運(yùn)用在板翅換熱器中的熱工水力建模中，達(dá)到了最小化熵產(chǎn)單元、最低成本和最小質(zhì)量的效果。Babaelahi等[57]在多目標(biāo)優(yōu)化中權(quán)衡了成本、效率、泵功并獲得了三者之間的帕累托曲線，引入量綱為1數(shù)來(lái)整合三者之間的關(guān)系，使其更加清晰。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，近些年中新算法層出不窮[58-59]（TLBO 算法、和聲搜索、蜜蜂算法、布谷鳥(niǎo)搜索等），這些不僅豐富了優(yōu)化的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，而且使相關(guān)模型收斂、精度、穩(wěn)健等特性得到很大的提高。

2.3 通道換熱層分配與排列

通道排列的優(yōu)劣會(huì)直接關(guān)系到多股流板翅換熱器的整體性能，當(dāng)通道的排列偏離理想布置時(shí)，局部的熱負(fù)荷將引起很大的不平衡，產(chǎn)生溫度交叉和熱量?jī)?nèi)耗，甚至影響換熱器強(qiáng)度和使用壽命。通道排列之所以復(fù)雜，首先是當(dāng)參與換熱的冷熱流體種類較多時(shí)，結(jié)果將出現(xiàn)組合爆炸，無(wú)法采用窮舉法篩選出最優(yōu)的排列方式。另一方面，該問(wèn)題屬于整數(shù)非線性優(yōu)化范疇，無(wú)法應(yīng)用常規(guī)的連續(xù)變量法來(lái)求解。因此，迄今為止通道排列問(wèn)題仍然是多股流板翅式換熱器設(shè)計(jì)優(yōu)化研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1966 年Fan[60]提出了通道排列冷熱流體通道間應(yīng)完全隔離，簡(jiǎn)稱隔離疊置排列法。這是研究通道排列最早的公開(kāi)文獻(xiàn)，正是這一問(wèn)題的開(kāi)創(chuàng)性提出，對(duì)指導(dǎo)多股流板翅換熱器設(shè)計(jì)優(yōu)化產(chǎn)生了巨大影響。Weimer等[61]分析了排列布置不當(dāng)對(duì)換熱器性能的影響，利用隔離排列法對(duì)2股流12通道換熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并發(fā)現(xiàn)橫向熱傳導(dǎo)是多股流多通道傳熱的普遍特性，命名為翅片的旁通效應(yīng)，得到的結(jié)論是翅片通道效應(yīng)越小，通道排列對(duì)換熱器性能影響越小。Suessmann等[62]發(fā)現(xiàn)由于不適當(dāng)?shù)耐ǖ琅帕袕?qiáng)化了通道間不平衡的熱負(fù)荷，才導(dǎo)致了換熱器熱效率下降，基于此提出了局部熱負(fù)荷平衡排列準(zhǔn)則，即多股流板翅式換熱器的通道排列應(yīng)當(dāng)使沿著換熱器橫向劃分成若干個(gè)盡可能小的熱負(fù)荷平衡單元，僅在單元內(nèi)部傳熱，單元之間不傳遞熱量。

圖6 通道排列Z形曲線法

從熱力學(xué)角度來(lái)講，局部熱負(fù)荷平衡準(zhǔn)則是合理的，因?yàn)橥ǖ篱g熱負(fù)荷布置能夠在一定程度上反映換熱器同一截面壁面溫度的分布情況。為了使用該準(zhǔn)則評(píng)估某一給定通道排列的優(yōu)劣，文獻(xiàn)提供一種圖形法，把換熱器通道熱負(fù)荷累加做成“Z形曲線”，如圖6 所示。如果該曲線偏離零位線越小，則通道排列方式越好，反之亦然。彭波濤等[63]提出了一種通道排列方法，采用微分計(jì)算模型對(duì)多股流板翅式換熱器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并討論了不同換熱器初始長(zhǎng)度和翅厚度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。呂巖巖等[64]擴(kuò)展了場(chǎng)協(xié)同兩股流換熱器溫差均勻性因子，利用流股進(jìn)出口溫度和溫差的加權(quán)平均值計(jì)算多股流換熱器的溫差場(chǎng)。郭佳[65]提出了多股流換熱器通道排列結(jié)構(gòu)性能連續(xù)性原理，并對(duì)換熱器通道排列進(jìn)行了優(yōu)化。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于通道排列布置產(chǎn)生的微小差異，換熱器性能變化也是微小連續(xù)的，并且呈現(xiàn)出區(qū)域連續(xù)性。崔國(guó)民等[66]從熵產(chǎn)的角度來(lái)分析多股流換熱器通道排列，得到熵產(chǎn)越小通道排列越好的結(jié)果。朱曉磊等[67]定義了換熱器的耗散熱阻，通過(guò)對(duì)不同通道排列下的多股流板翅式換熱器進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)耗散熱阻越小多股流換熱器換熱量越大，同時(shí)證實(shí)換熱器的通道排列應(yīng)采用冷熱通道間隔布置方式，并且冷熱通道的換熱負(fù)荷應(yīng)相近。

目前，在解決組合爆炸優(yōu)化問(wèn)題上，智能優(yōu)化算法顯示出優(yōu)良的性能。Ghosh 等[68]利用換熱器區(qū)域和連續(xù)的分區(qū)技術(shù)計(jì)算求解溫度場(chǎng)，并首次使用遺傳算法對(duì)通道層進(jìn)行優(yōu)化編碼，安排了3～8 個(gè)不同流體層，得到了良好效果。然而隨著通道數(shù)目的增加，通道排列的優(yōu)化會(huì)變得異常繁瑣，無(wú)法保證最終優(yōu)化結(jié)果。胡云云[69]運(yùn)用變工況下板翅式換熱器通道排列柔性設(shè)計(jì)方法，以通道排列累積熱負(fù)荷最小均方差為目標(biāo)函數(shù)，采用遺傳算法來(lái)優(yōu)化多股流板翅式換熱器的通道排列。采取的具體步驟是，首先運(yùn)用遺傳算法獲得各工況點(diǎn)下最優(yōu)通道排列，然后利用柔性設(shè)計(jì)方法將以上獲得的各工況下最優(yōu)通道排列整合成一個(gè)較優(yōu)通道排列，保證其在操作周期內(nèi)以較優(yōu)的狀態(tài)工作。最后利用微調(diào)策略改進(jìn)柔性設(shè)計(jì)通道排列，進(jìn)一步降低累計(jì)熱負(fù)荷均方差，得到最終的通道排列形式。Zhao等[70]構(gòu)建了多適值函數(shù)的通道排列編碼環(huán)，通過(guò)熱負(fù)荷平衡準(zhǔn)則優(yōu)化結(jié)果可以使換熱器效率普遍達(dá)到90%。通過(guò)雙適值函數(shù)（單通道熱負(fù)荷差異和不良集聚負(fù)荷權(quán)重）交替作用于通道排列序列，使得換熱器熱效率達(dá)到了98.7%，優(yōu)于目前的工業(yè)設(shè)計(jì)水平。Peng等[71]擴(kuò)展了三股流積分平均溫差，成功運(yùn)用到多股流工況。根據(jù)流體在相鄰流道間的流動(dòng)方向分別計(jì)算了8種積分平均溫差的傳熱模型，并闡述了一種變工況下的通道排列設(shè)計(jì)方法。把通道排列、翅片參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，換熱器效率作為設(shè)計(jì)目標(biāo)并利用粒子群算法進(jìn)行優(yōu)化，得出在不同工況下的最優(yōu)排列。Wang 等[72]在原先環(huán)狀通道層編碼的基礎(chǔ)上引入了各通道溫度和壓力環(huán)，從而改進(jìn)原始模型函數(shù)，在特定熵產(chǎn)率的形式下評(píng)估通道內(nèi)流體換熱和流動(dòng)之間的權(quán)衡關(guān)系，以及通道排列產(chǎn)生的能量不均衡分布所引起的熵產(chǎn)過(guò)剩。

2.4 低溫?fù)Q熱器的仿真設(shè)計(jì)方法

由于多股流換熱器主要運(yùn)用于低溫空分和天然氣液化等流程，涉及的溫區(qū)一般在-200～60℃。其仿真設(shè)計(jì)方法、傳熱特性和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)必然不同于常溫或高溫?fù)Q熱器。在低溫下工質(zhì)和換熱材料的物性隨溫度和壓力的變化異常明顯，尤其當(dāng)系統(tǒng)處于近臨界狀態(tài)區(qū)域時(shí)，定物性參數(shù)假設(shè)不能使用，對(duì)數(shù)平均溫差也受到限制。此外，低溫?fù)Q熱器要求具有很好的絕熱性以降低熱輻射，較小的傳熱溫差以減少換熱損失，較高的換熱比表面積來(lái)增大能量集成。軸向?qū)帷彷椛洹h(huán)境漏熱以及材料冷脆等因素凸顯了低溫工況對(duì)換熱器仿真設(shè)計(jì)的影響。

圖7為低溫特殊工況參數(shù)（物性變化、流動(dòng)分布、軸向?qū)帷⒙帷⑤椛洌?duì)換熱器效率的影響。低溫工況下流體物性變化對(duì)換熱效率的影響最大約占40%，其次，流動(dòng)分布軸向?qū)岬仍O(shè)計(jì)因素占20%～5%[73]。目前換熱器建模仿真方法主要包括三大類，分別是集總參數(shù)法[74]、分布參數(shù)法[75]以及流體演化法[76]。表1 為模型能解決的實(shí)際問(wèn)題。集總參數(shù)法是目前換熱器中最常用的方法，模型的本質(zhì)是基于能量守恒方程去解決不牽扯到相變的換熱器設(shè)計(jì)。常用假設(shè)是穩(wěn)態(tài)，無(wú)環(huán)境傳熱，縱向?qū)岷雎圆挥?jì)，整體傳熱系數(shù)和熱負(fù)荷為恒定。總體來(lái)說(shuō)集總參數(shù)法模型適用于單相和傳熱屬性恒定流體換熱。如果說(shuō)集總參數(shù)法是黑箱模型，只能預(yù)測(cè)進(jìn)出口狀態(tài)，那么分布參數(shù)法則是基于把換熱器整體分割成小單元，常用于低溫?fù)Q熱器的復(fù)雜流程安排，流體物性劇烈變化或考慮內(nèi)部溫度場(chǎng)變化的換熱器設(shè)計(jì)。第三種是基于每個(gè)流體的穩(wěn)態(tài)一維質(zhì)量、流量、動(dòng)量守恒方程（解N-S方程）的流體進(jìn)化模型，它利用質(zhì)量守恒評(píng)估蒸汽和液體的組分，利用動(dòng)量方程評(píng)估壓降，多適用于集成換熱器和工業(yè)應(yīng)用。

圖7 低溫工況對(duì)換熱器效率的影響

表1 換熱器建模方法的適用性

采用以上方法作為基礎(chǔ)，近些年來(lái)研究者們對(duì)低溫多股流換熱器的仿真模擬進(jìn)行了很多研究。Nellis[77]系統(tǒng)地利用一種改進(jìn)的分布參數(shù)模型成功分析了低溫?fù)Q熱器軸向?qū)帷⒓纳鸁嶝?fù)荷和流體物性變化等對(duì)換熱器模擬所帶來(lái)的影響。模型在換熱器軸向上進(jìn)行離散并求解能量平衡方程，假設(shè)翅片中是對(duì)稱溫度分布，可利用翅片效率計(jì)算二次傳熱面積。多股流體換熱器一維模型大都是基于以上方法的改進(jìn)，并根據(jù)不同的假設(shè)拓展出來(lái)的。常見(jiàn)的假設(shè)包括恒定壁溫[78]、半翅片長(zhǎng)度[79]、區(qū)域分割[80]等。Das 等[81]分析了這幾種假設(shè)對(duì)多股流體傳熱計(jì)算準(zhǔn)確性的影響，并總結(jié)出其相對(duì)應(yīng)的工況使用范圍，開(kāi)創(chuàng)性地提出了未來(lái)研究的發(fā)展方向，包括模型計(jì)算能力和精度的拓展、變工況的計(jì)算要點(diǎn)以及借助CFD 來(lái)實(shí)現(xiàn)多維度多股流換熱器設(shè)計(jì)等。Goyal 等[82]首次提出了一種二維建模方法應(yīng)用在低溫多股流換熱器模型中。在原先分布參數(shù)模型一維軸向離散的基礎(chǔ)上，加入了橫向離散。二維模型涵蓋了低溫多股流的相關(guān)傳熱影響，包括可變的流體、金屬性質(zhì)、寄生熱負(fù)荷等。由于翅片在橫向上進(jìn)行離散，所以消除了通道排列模式對(duì)翅片效率的影響。Tian等[83]把分布參數(shù)模型嵌入到以最小通道剩余熱負(fù)荷為目標(biāo)的通道排列方法中來(lái)，在獲得較好的排列后確定出每個(gè)傳熱層翅片的定性尺寸，從而對(duì)多股流換熱器內(nèi)每一個(gè)通道內(nèi)部的溫度和壓力變化進(jìn)行模擬計(jì)算。改變翅高、間距、介質(zhì)流量等參數(shù)，分析了其對(duì)性能造成的影響。Skaugen 等[84]構(gòu)建了一種換熱結(jié)構(gòu)框架來(lái)應(yīng)對(duì)不同類型的幾何構(gòu)建，模型的內(nèi)核是基于一系列結(jié)構(gòu)熱阻計(jì)算的方法。流體單元和結(jié)構(gòu)換熱表面分別被獨(dú)立描述，并通過(guò)可變步長(zhǎng)法對(duì)通過(guò)換熱表面的流體焓變進(jìn)行積分。Peng等[85]分析了多股流板翅式換熱器進(jìn)口工質(zhì)分布不均對(duì)其換熱性能的影響，建立了積分平均溫差模型來(lái)優(yōu)化通道結(jié)構(gòu)布置，從而起到了改善傳熱性能的作用。對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)提出一些建議，包括改善入口集管、通過(guò)通道排列來(lái)改變?nèi)肟诜峙洳痪取u等[86]發(fā)現(xiàn)在整個(gè)換熱器的流道內(nèi)工質(zhì)偏流嚴(yán)重，換熱效率下降，于是提出了一種根據(jù)Re 數(shù)變化逐流段計(jì)算的多股流換熱器設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)結(jié)果滿足了換熱器大型化對(duì)通道多股流換熱高均勻性的要求。此外，康蕊等[87]為了降低軸向?qū)釋?duì)板翅式換熱器傳熱性能的影響，引入量綱為1參數(shù)傳熱惡化率來(lái)評(píng)價(jià)軸向?qū)釋?duì)板翅式換熱器傳熱性能的影響程度，分析了不同流體工況、不同的翅片類型和不同翅片材料在不同Re數(shù)下的熱導(dǎo)率的變化規(guī)律。

3 多股流換熱器未來(lái)的發(fā)展方向

3.1 設(shè)計(jì)流程描述與整體優(yōu)化

自1931 年以來(lái)，板翅換熱器已有九十年的生產(chǎn)使用歷史，由于其傳熱效率高、適用性強(qiáng)、制造工藝復(fù)雜，世界各國(guó)關(guān)于對(duì)其理論分析、試驗(yàn)研究、優(yōu)化設(shè)計(jì)、工藝改進(jìn)及新材料應(yīng)用等的研究持續(xù)不斷。隨著氣體工業(yè)、化工流程到航空航天等應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬，板翅式換熱器也從原先的簡(jiǎn)單通道單相換熱，到現(xiàn)如今的涉及多股流、多通道、復(fù)雜結(jié)構(gòu)、多相流、超臨界傳熱。在新的應(yīng)用背景與工況條件下，必然會(huì)產(chǎn)生更多之前未涉及的流動(dòng)傳熱機(jī)理與實(shí)際設(shè)計(jì)問(wèn)題。

逐層描述多股流換熱器的設(shè)計(jì)問(wèn)題，一般來(lái)說(shuō)首先是設(shè)計(jì)已知多種流體以及工況要求條件下的流動(dòng)換熱。需要針對(duì)不同溫區(qū)來(lái)整理各股流體的換熱條件，明確它們的物性變化以及特殊要求。根據(jù)能量守恒求解各股流體的熱負(fù)荷并繪制出溫度-熱量曲線，以便后續(xù)換熱網(wǎng)絡(luò)建模使用。其次構(gòu)建換熱網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)以上各流體的換熱情況的歸納，利用夾點(diǎn)技術(shù)能量集成針對(duì)所有流體組成有次序的復(fù)合曲線。按照工況需求找出換熱網(wǎng)絡(luò)的最小換熱驅(qū)動(dòng)力，得出多股流換熱器流道排布策略。根據(jù)以上結(jié)果和工況約束條件進(jìn)行后續(xù)的熱工水力建模等步驟，包括換熱器翅片結(jié)構(gòu)選擇、換熱通道層分配和排列、換熱器尺寸確定以及性能和溫度場(chǎng)仿真等。通過(guò)分析多股流體工況到最后的確定結(jié)構(gòu)尺寸、換熱器性能仿真，構(gòu)成了完整的多股流換熱器的換熱網(wǎng)絡(luò)綜合及換熱器單體設(shè)計(jì)。為了系統(tǒng)解決上述優(yōu)化設(shè)計(jì)所面臨的技術(shù)難題，分解并降低多股流換熱器復(fù)雜設(shè)計(jì)問(wèn)題的難度，提供一個(gè)結(jié)構(gòu)清晰的三段式優(yōu)化流程。大連海事大學(xué)王哲團(tuán)隊(duì)[88-90]在前期研究的基礎(chǔ)上提出了一種多股流換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)流程框架，如圖8 所示。整個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程由三部分構(gòu)成：①上層建筑，以能量集成夾點(diǎn)分析的換熱網(wǎng)絡(luò)為模型基礎(chǔ)的多流股換熱組織匹配的優(yōu)化設(shè)計(jì)；②中層基礎(chǔ)，基于智能算法尋優(yōu)的翅片結(jié)構(gòu)選擇以及換熱通道排列的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)；③設(shè)計(jì)核心，以場(chǎng)協(xié)同理論為指導(dǎo)依據(jù)的多股流換熱器溫度場(chǎng)與壓力場(chǎng)相耦合的仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)。該優(yōu)化設(shè)計(jì)框流程綜合考慮了多股流換熱器中不同級(jí)別的設(shè)計(jì)問(wèn)題及其相互作用，不僅能夠預(yù)設(shè)換熱長(zhǎng)度并匹配換熱量，確定流體進(jìn)出口位置及狀態(tài)，兼顧復(fù)雜翅片結(jié)構(gòu)及通道數(shù)量與排列的影響，同時(shí)也為換熱器溫度-壓力場(chǎng)的最終優(yōu)化提供了良好的設(shè)計(jì)思路。

3.2 未來(lái)研究的發(fā)展方向

目前針對(duì)流程系統(tǒng)中的換熱網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題已經(jīng)有很多研究，而將多流股換熱器網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化為一個(gè)單體換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)，構(gòu)建上層建筑，從而解決流體匹配、多股流綜合配置以及相應(yīng)的進(jìn)出口狀態(tài)，借助翅片構(gòu)型以及通道排列等方法進(jìn)行多股流體流動(dòng)和換熱性能預(yù)測(cè)等問(wèn)題，目前仍然尚未得到解決。其原因在于：首先，傳統(tǒng)換熱器設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，不存在多股流同時(shí)換熱的復(fù)雜現(xiàn)象，而工業(yè)中多以這種換熱器為主；其次，之前的換熱網(wǎng)絡(luò)研究熱點(diǎn)在于整個(gè)系統(tǒng)的能量集成現(xiàn)象，對(duì)于單體易于實(shí)現(xiàn)的換熱器設(shè)計(jì)并不關(guān)心。目前能達(dá)到12 股以上流體同時(shí)換熱的多股流換熱器被廣泛運(yùn)用，其內(nèi)部所形成的局部換熱網(wǎng)絡(luò)對(duì)于整體流程系統(tǒng)的影響不容小視，加之其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計(jì)參數(shù)眾多、優(yōu)化較困難，且人們對(duì)低溫工況多股流體通道內(nèi)的換熱規(guī)律的認(rèn)識(shí)還十分有限。所以對(duì)于多種流體傳熱匹配研究以及構(gòu)建上層設(shè)計(jì)框架不僅能滿足流程系統(tǒng)的工況需要，而且有助于對(duì)后續(xù)單體更好地結(jié)構(gòu)優(yōu)化從而減少設(shè)計(jì)和運(yùn)行成本。

對(duì)于板翅式換熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方面，先前絕大多數(shù)的研究側(cè)重于如何改進(jìn)算法和提出評(píng)價(jià)指標(biāo)，只有少數(shù)研究者在嘗試著探討基于表面效率、流動(dòng)阻力和結(jié)構(gòu)參數(shù)相互影響后的變化趨勢(shì)。此外，前人利用熵產(chǎn)優(yōu)化理論時(shí)僅僅是針對(duì)單一目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，而對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的換熱器設(shè)計(jì)問(wèn)題，很多參數(shù)都存在彼此矛盾并相互約束的情況，如溫差所引起的熵產(chǎn)變化與黏性阻力所產(chǎn)生的熵產(chǎn)是一對(duì)相互矛盾的參數(shù)。很少有研究者針對(duì)互相矛盾的目標(biāo)變量進(jìn)行多目標(biāo)分析，并在計(jì)算解域中權(quán)衡尋求最優(yōu)設(shè)計(jì)區(qū)間。鑒于換熱器中的翅片通道結(jié)構(gòu)選型在板翅式換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)中的重要地位，需要考慮泵功消耗時(shí)強(qiáng)化換熱技術(shù)所帶來(lái)的收益，關(guān)系到換熱器最終的能力與成本，因此有必要對(duì)其進(jìn)行深入研究探求其變化規(guī)律。

由于不同通道排列方式間無(wú)法建立直接聯(lián)系，隨機(jī)通道排列方式將產(chǎn)生性能高低不均勻性分布的現(xiàn)象，一個(gè)性能良好的模型和智能算法能避免陷入局部最優(yōu)，得到設(shè)計(jì)者最終的目標(biāo)，所以智能算法在設(shè)計(jì)空間中尋找最優(yōu)通道排列是現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)。但由于目前還沒(méi)有一個(gè)通用的多股流體換熱器溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型，所以在研究通道排列中首先需要自行建模或者借助其他有效模型，其所得溫度場(chǎng)的準(zhǔn)確性會(huì)直接影響通道排列。為了能夠在各種設(shè)計(jì)條件下得到合理的通道排列結(jié)果，深入其評(píng)價(jià)指標(biāo)以及試驗(yàn)驗(yàn)證模型有效性十分必要。此外，對(duì)于通道優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行必要的驗(yàn)證，包括理論數(shù)值以及試驗(yàn)等工作亟待補(bǔ)充完善。

圖8 多股流換熱器優(yōu)化流程

對(duì)于低溫多股流復(fù)雜傳熱、多層換熱結(jié)構(gòu)交互的板翅換熱器來(lái)講，假設(shè)越多，越失去其對(duì)真實(shí)目標(biāo)的反映。低溫條件下不同于傳統(tǒng)的軸向?qū)嵋约傲黧w物性變化對(duì)換熱器結(jié)構(gòu)以及性能影響極大，此外在設(shè)計(jì)中通道排列與翅片結(jié)構(gòu)、溫度驅(qū)動(dòng)力和換熱體積、工業(yè)系統(tǒng)流程中的換熱網(wǎng)絡(luò)與單體換熱器傳熱結(jié)構(gòu)之間都聯(lián)系緊密，需要權(quán)衡設(shè)計(jì)。目前的仿真方法主要是基于一維平面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，僅評(píng)價(jià)換熱效率和流體壓降而對(duì)換熱器內(nèi)部溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的考察相對(duì)較少。因此開(kāi)展低溫多股流換熱器仿真優(yōu)化的研究，提出多維模型十分必要。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于多股流換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文的研究工作和理論回顧僅概括到了特定工況的其中一部分內(nèi)容，而這部分內(nèi)容無(wú)疑是全面指導(dǎo)多股流板翅式換熱器設(shè)計(jì)優(yōu)化的關(guān)鍵一步。對(duì)于理解換熱通道層內(nèi)多流體流動(dòng)換熱的規(guī)律具有重要的參照作用，同時(shí)也為后續(xù)更復(fù)雜的設(shè)計(jì)優(yōu)化分析做出了重要的鋪墊。由于實(shí)際的LNG、液氮洗、乙烯、空分、丙烷脫氫制丙烯以及制一氧化碳等系統(tǒng)冷箱內(nèi)不僅有單相流動(dòng)換熱，還存在著多組分兩相流動(dòng)沸騰換熱，因此后續(xù)的工作將開(kāi)展關(guān)于多股流換熱器變工況、多組分、相變降膜蒸發(fā)等的相關(guān)研究。

（1）對(duì)于目前多股流換熱器的強(qiáng)化換熱技術(shù)，除了從結(jié)構(gòu)入手，還可主動(dòng)改變流體的換熱匹配狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)傳熱組織優(yōu)化，利用各股流體溫度場(chǎng)之間的協(xié)同作用來(lái)提高換熱效率。

（2）多股流換熱器的研究將從單體換熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化，換熱網(wǎng)絡(luò)配置到系統(tǒng)過(guò)程能量集成方面發(fā)展，它們相互關(guān)聯(lián)，構(gòu)成有機(jī)整體。

（3）本文最后提出的多股流換熱器的優(yōu)化框架是在穩(wěn)態(tài)條件下進(jìn)行的，然而最為貼近實(shí)際過(guò)程的是動(dòng)態(tài)或瞬態(tài)仿真。因此，在模型中引入時(shí)間函數(shù)與空間變量，從柔性設(shè)計(jì)和控制運(yùn)行出發(fā)的動(dòng)態(tài)仿真是目前的研究難點(diǎn)和未來(lái)發(fā)展的方向。