一种基于非支配排序差分进化算法的管壳式换热器多目标优化设计方法

1.本发明专利涉及换热器优化设计技术领域，特别涉及一种基于非支配排序差分进化算法的管壳式换热器多目标优化设计方法。


背景技术：

2.换热器作为实现工艺物料间的热量传递的化工机械设备，广泛的应用于化工、石油、电力等工业领域。就目前而言，管壳式换热器因其结构简单、制造成本低、适应范围广等特点在换热器中占有主要地位。但目前对管壳式换热器设计大多需要设计者通过经验进行设计，设计效率低，同时面临着大量反复的计算，无法设计出最优的设计结果，造成换热器制造成本的增加，无法实现换热器的最大传热能力，且设计仅仅是为了满足热负荷要求，造成能源的过渡浪费。
3.国内外管壳式换热器的优化设计方法有单一目标优化设计和多目标优化设计。单一目标的优化往往仅考虑这一目标的最优，会造成其他性能的降低；而多目标优化设计大多从外在如成本、总熵产值等作为目标进行优化，并未实现反应到管壳式换热器的结构参数的优化，优化效果并不会很好。同时利用传统算法去进行求解往往陷入一些局部最优解，或者收敛速度慢等问题，造成优化结果无法达到最优。利用htri等商业软件进行优化往往操作流程复杂，同时需要依据设计人员的经验进行调整，无法直接输出最优结果。为了解决上述问题，也为了更好的对管壳式换热器进行优化，本技术人提出了一种基于非支配排序差分进化算法的管壳式换热器多目标优化设计方法。


技术实现要素：

4.本发明专利是为解决管壳式换热器优化设计问题，提高设计效率，降低成本、减小压力降、提高换热能力，解决求解中陷入局部最优解和收敛性慢的问题，提出了一种基于非支配排序差分进化算法的管壳式换热器多目标优化设计方法。以单弓形管壳式换热器为结构模型，根据工艺计算方法，将换热面积、压力降、传热能力作为目标函数，建立一套管壳式换热器优化设计模型，基于非支配排序差分进化算法，提高收敛速度的同时，采用精英策略的非支配排序方法，计算个体拥挤距离，产生pareto解集，根据个体拥挤距离的不同，获得最优解集。
5.本发明专利提高了设计效率，避免了设计计算的复杂性，同时为设计者提供多目标优化设计，所应用的算法，计算收敛快、避免陷入局部最优。不仅可以获得对三者目标函数的最优解集，同时设计者可以根据实际设计要求情况获得其中一个或二个目标函数的最优解集。
6.为实现上述目的，本发明专利采用了如下技术方案：一种基于非支配排序差分进化算法的管壳式换热器多目标优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）根据设计要求、操作参数和物性参数，计算确定所需热负荷；（2）建立换热面积的目标函数a=（3）建立壳程压力降的目标函数
∆
ps=(
∆
p1+
∆
p2)f
sns
（4）建立传热能力的目标函数ε== （5）以单弓形折流板换热器为结构模型，在操作参数和结构参数中选取设计变量，根据国家标准与经验数据表确立约束条件；（6）建立多目标优化模型，以三个目标函数最小为最优解，基于非支配排序差分进化算法对所建立的多目标优化设计模型进行pareto最优求解，得到最优解集输出结果。
7.所述步骤（1）根据设计要求、操作参数和物性参数，利用传热方程式，计算确定所需要的热负荷。
8.所述步骤（2）总的换热系数为k=[+rs++r
t
]-1
。
[0009]
所述步骤（3）为壳程压力降，亦可采用管程压力降为
∆
p
t
=(
∆
p
l
+
∆
pr)f
tns
n+
∆
pnns。
[0010]
所述的设计要求为所提出的根据实际情况的特殊要求，操作参数和物性参数为冷、热流体进出口温度、冷、热流体的流量、导热系数、密度、黏度、污垢热阻、普朗特数。
[0011]
所述的结构参数可从单弓形折流板换热器的结构参数，如换热管外径、管间距、管程长度、折流板间距、折流板切口中心角、管子数、圆筒内径等选取参数作为设计变量。
[0012]
所述的约束条件是现行的国家标准和数据经验表。
[0013]
所述步骤（6）为保证求解的准确性，需建立完整的管壳式换热器多目标优化设计模型，方可进行基于非支配排序差分进化算法求解，获得最优解集。
[0014]
所述非支配排序差分进化算法求解，以差分进化算法为基础算法，算法流程经历种群初始化、变异操作、交叉操作的过程，在其基础利用非支配排序遗传算法的精英策略与非支配排序方法，进行pareto非支配排序，计算个体拥挤距离，根据精英选择策略，进行选择操作，选出最优的前n个个体作为新父代，进行迭代，直至迭代次数结束，得到pareto最优解集，输出最后的优化设计结果。
[0015]
与现有技术相比，本发明的优点为：建立一套以单弓形折流板管壳式换热器为结构模型的多目标优化设计数学模型，基于非支配排序差分进化算法进行求解，获得pareto最优解集。实现了对换热面积、压力降、传热能力的多目标优化，从而提高了所设计的管壳式换热器的性能，降低了制造成本。
[0016]
基于非支配排序差分进化算法，收敛性快，根据精英选择策略，避免了传统算法陷入局部最优解的弊端。通过该算法进行求解，获得pareto最优解集，避免了设计人员常规设计的不断试算，以及保证计算结果和获取最优解集的准确性。
[0017]
同时与htri商业设计软件相比，该方法避免了htri软件的优化过程的复杂操作，同时保证了优化结果的准确性。是一种很适合应用于管壳式换热器的多目标优化设计的方法。
附图说明
[0018]
图1是本发明专利一种基于非支配排序差分进化算法的管壳式换热器多目标优化设计方法的实施流程图。
[0019]
图2是非支配排序差分进化算法获取最优解集的方法。
[0020]
图3是三个目标函数的pareto最优解集分布情况。
具体实施方式
[0021]
为了使本发明专利更加清楚明白，以下结合附图，对本发明专利一种基于非支配差分进化算法的管壳式换热器多目标优化设计方法进行详细说明，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明专利，便于本领域技术人员对本发明专利的理解，体现本发明的优化效果，并不用于限定本发明专利。
[0022]
如图1所示，本发明专利提供了一种基于非支配差分进化算法的管壳式换热器多目标优化设计方法，其主要包括两大部分：具体为该流程图的左半部分，管壳式换热器的多目标优化数学模型的建立和该流程图的右半部分，非支配排序差分进化算法的pareto最优解集求解。
[0023]
1.以单弓形折流板换热器为结构模型建立的一套管壳式换热器的多目标优化数学模型，包括以下步骤，具体为： （1）根据设计要求、操作参数和物性参数，计算所需热负荷，确定热负荷。设计要求为所提出的根据实际情况的特殊要求，操作参数和物性参数为冷、热流体进出口温度、冷、热流体的流量、导热系数、密度、黏度、污垢热阻、普朗特数。如表1所示为所要设计的管壳式换热器的操作参数和物性参数。
[0024]
表1操作参数和物性参数（2）建立换热面积目标函数：a=（1）式（1）中a为换热面积，m
²
；q为热负荷，kw；k为总传热系数，w/（m
²
·
℃）；为平均温差，℃（3）建立壳程压力降目标函数：
f2(x)=
ꢀ∆
ps =(
∆
p1+
∆
p2)f
sns
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（3）式（3）中为壳程压力降，pa；为流体横过管束的压力降，pa；为流体通过折流板缺口的压力降，pa；为壳程压力降的结垢修正系数，无因次，对液体可取1.15；对气体可取1.0；为壳程数；（4）建立传热能力的目标函数：ε==
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（4）式（4）中为两换热流体中热容量较小流体的热容量；（5）以单弓形折流板换热器为结构模型，在操作参数和结构参数中选取设计变量，根据国家标准与经验数据表确立约束条件；表2为所选的设计变量，表3为约束条件。
[0025] 表2 设计变量。
[0026]
表3 工艺和结构约束条件。
[0027]
2.在完成一套管壳式换热器的多目标优化数学模型建立以后，基于非支配差分进化算法求解获得pareto最优解集，得到设计结果。包括以下步骤，具体为：（1）确立初始化种群，基于非支配差分进化算法，进行交叉、选择、变异操作；（2）本次设置种群数规模为80，经过1000次迭代，变异概率0.4，交叉概率0.8；如图2所示，进行pareto非支配排序，计算个体拥挤距离，利用精英选择策略，根据拥挤距离的大小，选出最优的前n个个体作为新父代，进行下一次迭代，直至迭代结束，输出最优解集。
[0028]
综上所述，本发明实施例提供一种基于非支配差分进化算法的管壳式换热器的多目标优化设计方法中，以换热面积、壳程压力降、传热能力为目标函数，建立了一套管壳式换热器多目标优化模型，基于非支配排序差分进化算法进行求解，以其三个目标函数最小
最优，获得pareto最优解集分布情况如图3所示。实现了对这三个目标函数的优化，得到最优设计方案，同时有利于本领域技术人员根据实际情况选择所需目标函数的优化，获得偏重的所需设计方案。
[0029]
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。