板翅式换热器的结构优化

徐理正

摘要：以多学科优化框架软件iSIGHT平台为基础，采用多岛遗传算法，以换热器翅高、翅距和芯体宽度作为优化参数，以提高换热效率和减轻重量为优化目标，改良了板翅式换热器，最终优化了板翅式换热器的结构。该优化，使板翅式换热器的重量减轻了，工作效率也相应提高了。

关键词：板翅式换热器；优化设计；iSIGHT平台；遗传算法

中图分类号：TQ051.5 文献标识码：A 文章编号：2095－6835（2014）09－0042－02

板翅式换热器是一种高效的换热设备，具有很高的传热效率，又因其结构紧凑，重量很轻，所以成本低。它还具有能改善传热表面利用率，减少整个换热器与周围环境交换等优点。因为其具有许多优点，所以，板翅式换热器被广泛应用。目前，国内板翅式换热器的设计方法工作量大，可靠性也不高。下面就如何对板翅式换热器进行结构优化展开讨论。

1板翅式换热器的数学模型

1.1设计目标

以重量最轻为目标，其中，质量公式为：

. （1）

式（1）中：ρ——换热器材料密度，假设ρ不发生变化，翅片的厚度δc也不变；

V——换热器体积；

a——芯体长度；

x——翅内距。

1.2设计变量的参数化表达

在此，主要考虑的是翅距、气侧翅高、液侧翅高、芯体宽度这四个变量。

翅距（Mc）表达式：

Mc=0.000 1k1+0.000 50≤k1≤200. （2）

气侧翅高（Lc）表达式：

Lc=0.000 1k2+0.005 0≤k2≤300. （3）

液侧翅高（Ls）表达式：

Ls=0.000 1k3+0.001 50≤k3≤300.（4）

芯体宽度（c）表达式：

c=0.001k4+0.070≤k4≤1 700.（5）

上述4个式子中，0.000 5 m、0.005 m、0.001 5 m、0.07 m分别为原始的翅距、气侧翅高、液侧翅高和芯体宽度。0.000 1 m、0.001 m分别为翅距和翅高、芯体宽度变化一次的长度范围。k1、k2、k3、k4为设计变量，通过不断地变化来控制翅距、翅高和芯体宽度的变化。

1.3约束条件

换热器设计的约束条件有以下两个。

优化后的换热器效率应大于优化前的效率：（排版时，将式中的字母变为斜体，下标为正体）

. （6）

式（6）中：C——流水当量；

Tsin——水侧进口温度；

Tsout——水侧出口温度；

Tkin——空气进口温度；

Tkout——空气出口温度。

换热器芯体的假设宽度应该与实际计算的宽度相一致：

（7）

误差｜c－ck｜≤0.000 1时，认为是相等的。

式（7）中： c——芯体宽度。

2优化流程

本文采用的优化算法为iSIGHT自带的多岛遗传算法。遗传算法是一种模拟达尔文生物进化论过程的计算模型，是通过对生物界自然进化过程进行模拟的。搜索的最优解算法，采用概率寻优方法，自动找到和指导优化的搜索空间，自动适应调整搜索方向，不需要确定规则，依靠特有的由选择、交叉、变异等操作构成的机制使优化具有很强的鲁棒性。多岛遗传算法作为遗传算法的改进，能维持种群的多样性，抑制早熟现象，更好地寻找全局最优解。换热器优化设计流程如图1所示。

图1设计流程

3优化算例

采用逆流空气—水换热器，两侧翅片都采用平直型翅片，参数详见表1.

多岛遗传算法的参数设置：子种群体规模为10，子种群体个数为20，进化代数为40，复制概率为0.9，杂交概率为0.9，变异概率为0.01，迁移率为0.2，迁移间隔为4.

表1初始参数

空气速度 空气进口温度 水出口温度 水体积流量 换热量

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

芯体长度 芯体高度 翅距 翅高（气） 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

当量直径（气） 当量直径（液） 隔板厚度 材料密度 材料导热系数

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优化结果

从表2中可以看出，优化后的换热器芯体尺寸发生较大改变，翅距、翅高变大，芯体宽度变宽，效率提升了7%，而质量降低了24.1%，这大大节约了资源，提高了经济性。

综上所述，本文采用优化算法代替试凑法是行之有效的，既提高了设计质量，又节时省力，为换热器提供了一种可靠的设计方法。由于研究具有局限性，所以，可以考虑在今后对板翅式换热器的数值模型进行研究分析时，利用数值模拟加以辅

助设计，以寻找更好的设计方法。

表2优化结果

换热器 翅距 气侧翅高 液侧翅高 芯体宽度 效率 质量

原始 0.007 6 0.009 4 0.003 0 0.660 0.591 47.57

优化后 0.009 6 0.029 0 0.003 7 1.100 0.667 35.96

5结束语

综上所述，对板翅式换热器进行优化设计时，要对其进行详细的计算分析，制订好合适的优化流程，按照流程做好每一步工作，并依据优化结果积极寻找更好的优化方案，这样才能不断对板翅式换热器进行改进，从而达到节约资源、提高经济性的效果。

参考文献

［1］韦小雄，张淑文，唐萍，等.铝制板翅式换热器导流结构优化设计［J］.化工设备与管道，2011（01）.

［2］祝银海，厉彦忠.CFD技术在平直和锯齿形板翅式换热器设计中的运用［J］.家电科技，2006（03）.

〔编辑：白洁〕

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