波紋管換熱器表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的遺傳算法分離確定

1、波紋管換熱器表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的遺傳算法分離確定摘要：討論了波紋管換熱器傳熱系數(shù)的測定，提出了采用遺傳算法將對流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)從傳熱系數(shù)中分離出來的方法。關(guān)鍵詞：遺傳算法；波紋管換熱器；表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)中圖分類號：TU995文獻標識碼：ADeteriniaation of Surface Heat Transfer Coefficient for CorrugatePipe Heat Exchanger with Cenetic A1gorithmLIU Hai-jun，TAN Yu-fei(School of Municipal and Environmental Engineering，Haerbin

2、 lnstitute of Technology，Haerbin 150090，China)Abstract：Determination of heat transfer coefficient for corrugate pipe heat exchanger is discussed，andthe method Ofseparating surface heat transfer coefficient from heat transfer coefficient with genetm algorithm is put forwardKey words：genetic algorithm

3、；corrugate pipe heat exchanger；surface heat transfer coefficient引  言近年來，波紋管型換熱器以其傳熱效果好，同時具有傳統(tǒng)的固定管板換熱器結(jié)構(gòu)簡單、適用性強等優(yōu)點，在熱電系統(tǒng)、石油、化工、醫(yī)藥、食品等行業(yè)獲得廣泛的應用。波紋型換熱管通過內(nèi)部與外部流道的合理改變，有效地破壞了邊界層的高效熱阻區(qū)，強化了傳熱過程，并具有內(nèi)外匹配良好、流道通暢、加工簡便、流動阻力較低、熱補償性好、使用壽命長等特點。采用實驗方法測定波紋管傳熱系數(shù)，一般通過測得換熱量、換熱面積、流體溫度和壁面溫度，給出傳熱系數(shù)與流速的曲線關(guān)系，再根據(jù)牛頓冷卻公式算

4、得表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。由于熱電偶安裝的困難，通常不測量壁溫，大多數(shù)研究采用了分離傳熱系數(shù)間接確定表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的威爾遜(Wilson)圖解法，即熱阻分離法，對不同形式的換熱器通過測定傳熱系數(shù)，將表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)從傳熱系數(shù)中分離出來。使用威爾遜圖解法必須具備2個條件：管外換熱熱阻恒定及換熱關(guān)聯(lián)式中雷諾數(shù)Re的指數(shù)已知。事實上，在實驗中保持一側(cè)流體換熱情況基本不變，將增加實驗的難度；在很多情況下對流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與流速等量關(guān)聯(lián)式中的指數(shù)不一定知道。為避免上述兩個約束條件，本文采用遺傳算法進行了對流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的分離確定。1 實驗系統(tǒng)及方案實驗系統(tǒng)流程按文獻設(shè)計，為了模擬實際換熱器工作過程，實驗段采用套管式換熱器

5、形式(見圖1)，換熱工質(zhì)為水水，熱流體走管程，冷流體走殼程，冷、熱流體逆流。 測試裝置、流程、儀表、方法均符合GB 1511999管殼式換熱器和QLJ2011998管殼式換熱器性能測試方法標準規(guī)定的要求，冷、熱水流量測量采用2個渦輪流量變送器，實驗段單相流體壓力降采用差壓變送器測量，實驗過程中實驗段內(nèi)的冷流體吸熱量與熱流體放熱量之間相對誤差小于5(以冷流體吸熱量為比較基礎(chǔ))，熱平衡滿足實，驗要求。2 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的分離遺傳算法是模擬生物在自然環(huán)境中的遺傳和進化過程而形成的一種自適應全局優(yōu)化概率搜索算法，從問題解的一個集合進行并行搜索，大大增加了全局解的概率，遺傳過程根據(jù)個體的信息進行

6、，無須計算函數(shù)的導數(shù)。應用遺傳算法的步驟為：將待解問題參數(shù)表示成遺傳空間的基因型串結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)；隨機產(chǎn)生一組初始種群；計算每個個體的適應值；判斷是否滿足收斂條件，滿足則輸出結(jié)果，否則執(zhí)行以下步驟；根據(jù)個體的適應值大小按一定方式進行復制操作；按交叉概率執(zhí)行交叉操作；按變異概率執(zhí)行變異操作；回步驟。在套管換熱器實驗中，傳熱系數(shù)公式可寫為 式中：K換熱器傳熱系數(shù)，W(m2·K)；a1，a2實驗管管內(nèi)、外對流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W(m2·K)；Ro管壁熱阻，m2·KW；Rd污垢熱阻，m2·KW。設(shè)管內(nèi)、外換熱準則方程分別為：式中：Nu1，Nu2實驗管管內(nèi)、管外傳

7、熱努塞爾數(shù)；del，de2實驗管管內(nèi)、管外當量直徑，m；1，2實驗管管內(nèi)、管外傳熱工質(zhì)平均熱導率，W(m·K)；c1，c2，m1，m2待定參數(shù)；Re1，Re2實驗管管內(nèi)、管外傳熱工質(zhì)雷諾數(shù)；Pr1，Pr2實驗管管內(nèi)、管外傳熱工質(zhì)平均普朗特數(shù)。由式(2)，(3)可導出管內(nèi)平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、管外平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，并代人式(1)得式中，Pr1，Pr2可通過定性溫度查得；Re1，Re2可由實驗管型及實驗測量數(shù)據(jù)計算求得，是已知的參量；Rn，Rd在進行某一型號的換熱管實驗中是定值，可以把其和定為1個參數(shù)及，這樣待辨識的未知參數(shù)就是c1，c2，m1，m2和及，如果求得這5個參數(shù)，就可以得出管內(nèi)、

8、外換熱準則方程。假如在對1種型號的換熱管測量了n組數(shù)據(jù)，在表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的分離中，選取適應度函數(shù)為式中fit個體的適應度函數(shù)；fit,max保證人始終為正數(shù)而給出的預先設(shè)定值，取fit，max=001。求目標函數(shù)J最小的問題為1個優(yōu)化的問題。遺傳算法參數(shù)：種群規(guī)模M=100個個體，每個個體有N=5個基因，由待辨識的參數(shù)數(shù)目決定，交叉概率Pc=095，變異概率Pm=0015，迭代終止代數(shù)取220，遺傳算法使用浮點數(shù)編碼方案。3 實驗數(shù)據(jù)的處理當量直徑反映流道尺寸形狀對流動阻力及傳熱的影響，對于波紋管來說，管內(nèi)當量直徑為式中：Acve1個周期濕周面積，m2；Lcvc1個周期長度，m。Acyc可用下式

9、來計算式中：dAus一個脈動表面的微元面積，m2；r(x)對應軸向位置的半徑，m；管外當量直徑為de2 =dmax-del (9)式中：dmax套管內(nèi)徑，m。管內(nèi)雷諾數(shù)為    4 實驗數(shù)據(jù)的處理實例實驗中選取了在工業(yè)實際中應用廣泛的幾種管徑的波紋型換熱管，技術(shù)數(shù)據(jù)見表1。對上述3種型號波紋型換熱管進行了實驗，測得傳熱量、傳熱面積、流體溫度等15組實驗數(shù)據(jù)，應用公式確定傳熱系數(shù)：表1波紋型換熱管技術(shù)數(shù)據(jù)1號管2號管3號管波峰/mm22.031.542.0波距/mm20.021.026.0基管外/mm19.425.532.7壁厚/mm0.80.81.0有效管長/mm

10、190019001900=KAt，式中：傳熱量，W；K傳熱系數(shù)，W(m2·K)；A傳熱面積，m2；tm對流平均溫差，。確定傳熱系數(shù)后，采用遺傳算法對傳熱系數(shù)進行了分離，得到1號管、2號管、3號管的管內(nèi)換熱準則關(guān)聯(lián)式分別為：波紋管的通道形狀強化了換熱的結(jié)果，由于直線段出口處有引射的作用，在弧形段出口處有節(jié)流的作用，這使得換熱工質(zhì)壓力產(chǎn)生周期性變化，減薄了傳熱邊界層，大大降低了傳熱熱阻，強化了傳熱。圖3為換熱工質(zhì)縱掠換熱管管外傳熱效果。由圖3可看出，對基管外徑為327mm，255mm，194mm的波紋管，其縱掠平均Nu比相應的圓管分別提高到143倍，212倍，163倍 

11、0;  5 結(jié) 語(1)由于波紋管特殊的波峰、波距等參數(shù)的設(shè)計，使傳統(tǒng)的對流換熱準則關(guān)聯(lián)式無法適用，采用本文提出的方法，從波紋管換熱實驗測得的傳熱系數(shù)中，成功地將對流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分離出來，可方便地研究各種型號波紋管的傳熱性能。(2)波紋管的對流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)明顯高于直管，是由于波紋管的波峰與波谷之間高度為10 mm左右，管內(nèi)流動呈等直徑流動和弧形流動2種型式，使流體的流動狀態(tài)達到充分湍流，極大破壞了邊界層和污垢層的實際厚度，大大降低了傳熱熱阻。(3)提出的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分離方法，全部由計算機完成，簡化了實驗過程，可適用于對各種管型表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的分離。  參考文獻：1 譚羽非，陳家新新型不銹鋼波紋管性能及強化傳熱的實驗研究J，熱能動力工程，2003，(1)：62-652 陳國良，王煦法，莊鎮(zhèn)泉遺傳算法及其應用M北京：人民郵