(火积)耗散理论在管壳式换热器优化设计中的应用

本文基于遗传算法,以(火积)耗散数为目标函数,提出了换热器优化设计的(火积)耗散最小化方法。对一管壳式换热器的优化设计结果表明,通过优化设计,换热器的有效度提高了约5.7%,而泵功减少了约30%,但以增加换热面积为代价。和传统的以总成本最小为目标函数的优化设计方法相比较,具有明显优势。     

弓形折流板换热器中折流板对换热器性能的影响

本文采用Bell-Delaware换热器设计方法研究了传统弓形折流板换热器加热轻油时在不同管束排列角度下,改变换热器壳侧折流板间距以及改变折流板的窗口高度对管壳式换热器的壳体内径、换热管数目、壳侧换热系数及壳侧压降的影响.     

螺旋折流板换热器流动与换热特性的试验分析

对螺旋折流板换热器的流动及换热特性进行了试验研究与分析.结果表明,当保持螺旋周期为定值时,在相同流量下和相同壳径下,螺旋折流板换热器的壳侧压降随螺旋角增大而减小,且远低于弓形折流板的管壳式换热器;壳径减 小时,压降增加明显.相同Re下,螺旋折流板换热器的壳侧换热系数低于弓形折流板,在螺旋角为40°时达到最大值.相同流量下,螺旋折流板管壳式换热器单位压降和单位泵功下的换热系数均高于弓形折流板管壳式换热器.     

螺旋折流板换热器层流流动与换热的数值模拟

应用多孔介质和分布阻力模型对一螺旋折流板管壳式换热器的壳侧层流流动与换热进行了三维数值模拟,并与该换热器的实验研究结果进行了对比分析,符合程度良好.证明了该方法能有效地模拟螺旋折流板换热器的流动和换热特性.     

熵产最小化理论在传热和热功转换优化中的应用探讨

针对传热和热功转换系统的优化设计,分析了熵产最小化理论的优化方向和适用条件.熵产直接度量系统可用能或做功能力的损失,因此熵产最小化理论的优化方向为将系统可用能或做功能力的损失降到最低,从而使系统保有最大的做功能力.然而,在工程应用中,设计目标各有不同.因此,并非所有设计目标均能与熵产最小化的设计方向一致,这就使得熵产最小化并不总是与优化目标相关联.针对传热速率、输出功率等可与熵产建立关联的优化目标,讨论了熵产最小化理论的适用条件.当这些条件不能得到满足时,最小熵产并不一定对应最优性能.对一维传热过程、换热器等传热系统和以输出功率、热功转换效率、热经济性能等为优化目标的热功转换过程进行了分析,结果验证了理论分析所得的结论.     

符号回归在换热关联式求解中的应用

本文利用符号回归分析换热器的实验数据,以寻找更高精度的换热关联式。为改进MATLAB环境下的遗传规划工具箱GPLAB的性能,增入了四种新功能:个体简化、常数优化、单亲交叉、新生操作。利用改进后的GPLAB对连续螺旋折流板管壳式换热器壳程传热的实验数据进行了符号回归,得到的换热关联式的预测精度高且稳健度强。     

冷凝器分液特性实验研究

结合传统的管壳式换热器设计加工出一个冷凝器,冷凝器管箱两端的隔板上开有分液小孔,并通过设计搭建的凝结换热实验台,对冷凝器的换热特性进行了实验研究。通过对实验结果的归纳,结果表明凝结液封稳定的情况下,凝结换热系数随开启漏液管数增加而变大。这是对以后设计高效换热器进行的有益探索。     

防污染的自消应力高纯度气体低温换热器的设计

该设计解决了低温工程与低温技术等领域所使用的高纯度气体介质换热的要求,具有显著的经济效益和社会效益。其换热器是由四个管壳式热交换器串联组合而成,壳体呈窄矩形,换热管采用U形换热管,四个管壳式热交换器呈方阵置放在低温换热器筒体内。低温换热器采用的材料是0Cr18N i9/304,该种材料的透气性小、耐磨损、抗腐蚀能力强和性能稳定,防止了气体被污染。另外在低温下,考虑了材料的热胀冷缩所产生的应力,使应力能够自行消除,提高了它的密封性能,最终使低温换热器密封性能好,防止了气体被污染,保证了气体的高纯度。     

新型管壳式换热器三维流场分析

本文应用周期性简化模型，对弓型、杆式以及H型壳程支撑结构的管壳式换热器壳程内的流动特性进行了分析。对于其对应的三种典型流态，反映在壳程内流体流动方面的主要差别是壳程内横向流速度分量的不同，且三种流态各自在不同流量下的横向流速度分量与纵向流速度分量之比几乎均为一定值。具有不同管束支撑结构的管壳式换热器壳程内流体阻力降与传...     

微管壳式换热器在能量转换循环中的应用

目前，超临界二氧化碳(S-CO₂)布雷顿循环普遍采用印刷电路板换热器(PCHE)来保证其相对其他能量转换循环的紧凑性优势。PCHE芯体为整体结构，若内部出现泄漏或结垢等问题，很难进行维护与检修。本文提出了一种微管壳式换热器(MSTE)，其结构与传统管壳式换热器类似，但其管径缩小至微通道级。由于MSTE的流道横截面积占总截面积之比较PCHE大，在典型的回热器与冷却器设计工况下，相对PCHE而言，采用MSTE可将体积与质量均减小30%以上。灵敏性分析结果显示，采用本文设计的MSTE结构的回热器与冷却器，回热器冷热流道入口温度升高20℃左右，压缩机入口温度变化均不超过1℃，说明该种结构换热器的换热能力足够支撑能量转换循环的一般工况波动。     

应用固定投资费用松弛策略的换热网络优化

启发式算法优化有固定投资费用的换热网络时，由于存在整型变量而造成结构进化困难，提出固定投资费用松弛策略.对固定投资费用进行松弛处理实现对数学模型的简化，当换热器换热量很小时固定投资费用几乎为零，随着换热量的增大，固定投资费用以一定斜率逐步增大最终等于实际值.通过松弛强度系数控制变化斜率，在保证优化结果可靠性的基础上引导存在结构进化障碍的换热器生成或消去.对文献中两个算例的优化结果进行分析，考察不同松弛强度下对换热器生成、消去的作用.提出基于固定投资费用松弛策略的强制进化随机游走算法，并应用于换热网络实例.     

采用铜铝复合管的翅片管换热器性能试验研究

针对铜铝复合管(ACC管)在空调用翅片管换热器中替代铜管应用进行了试验研究。分别对Ф7.94mm型管的全铜管、过冷段铜铝复合管、全铜铝复合管三种换热器进行了性能比较和成本分析。研究结果表明,在风速和风量不变的情况下,过冷段铜铝复合管换热器能力为8634.22W,高于全铜铝复合管的换热器的8389.36W,低于全铜管换热器的8989.07W。制冷剂侧能力测试中,过冷段铜铝复合管换热器平均值为8.885kW,与全铜铝复合管换热器平均值8.775kW相比高1.24%,与全铜管换热器平均值9.101kW相比低2.37%,与能力测试结果基本一致。与原换热器铜管相比,在相同条件下,铜铝复合管可以降低管材成本29.5%。综上所述,过冷段采用铜铝复合管的换热器能够取代铜管换热器应用在空调中,在不影响其换热性能的基础上,降低成本效果明显。     

伴随有水蒸气凝结的烟气对流换热的实验研究

本文通过实验研究了冷凝式燃气热水器中烟气伴随有水蒸气凝结的受迫对流换热过程。着重介绍实验系统、测试方法和对塔板式换热器和肋片板式换热器的实验研究结果。实验表明,有水蒸气凝结时的烟气对流换热系数远大于无凝结时的换热系数,可提高数倍。在冷凝式换热器中,塔板式换热器的换热系数大于肋片板式换热器。     

采用单元进化限制策略的RWCE算法优化换热网络

针对强制进化随机游走算法（RWCE）优化换热网络时后期进化缓慢的不足,提出一种采用单元进化限制策略的改进RWCE算法（RS-RWCE）优化换热网络.通过限制每次迭代个体中参与进化的换热单元数,在保持进化前期年综合费用收敛速度较快的同时,保证进化后期的精细搜索能力.通过对两个经典算例的比较验证,证明改进后的算法应用于换热网络优化问题时兼顾了整型变量与连续变量的优化,使计算效率和精度均得到提高,同时获得了较好的换热网络优化结果.     

一种内部公用工程进化的换热网络优化策略

在换热网络优化问题中，采用内部公用工程代替换热温度交叉的不可行匹配能使优化得以继续，同时扩大求解空间，但可能因增加额外的固定投资费用而使其作为差解在进化过程中被接受下来，导致优化效率下降.鉴于此，首先分析内部公用工程对优化进程可能造成的负面影响，提出一种内部公用工程的进化策略，对于具有一对内部公用工程的结构，首先通过扩大其年综合费用以进行惩罚，从而降低其接受的概率，继之，针对仍被接受的内部公用工程结构，在每次迭代时均强制内部公用工程进行随机游走，合理调整其大小，从而改善结构性能.采用两个算例验证策略提升了算法优化效率.     

换热器的综合效率分析

利用分析的方法对换热器进行了性能分析,推导出了综合评价换热器性能的公式;并以芳烃生产工艺中制苯工段的换热器为实例进行了具体的效率分析,得出了换热器的效率、单位面积的收益、损失及综合性能评价指标。结果表明:流体发生相变的换热器的性能要优于单相流体换热器的性能。     

考虑最佳入口温度的多股流换热器网络循环优化

针对于多股流换热器网络的应用优势,本文在衍生网络优化方法基础上,提出了考虑最佳入口温度的多股流换热器循环优化方法,即利用多股流换热器网络小面积换热器合并而不产生固定投资费用这一特点,将优化结果中存在公用工程的流体返回到另一种流体的入口并与其入口流体进行循环优化。结果表明,这种优化方法能够进一步发挥多股流换热器网络的优点,得到年综合费用更小、运行费用更低的网络结构。     

现场测量深层岩土热物性方法

地下岩土的热物性参数是地源热泵地热换热器的设计中所需要的很重要的参数。热物性参数的大小对钻孔的数量及钻孔的深度具有显著的影响，进而影响地源热泵系统的初投资。为了能够在现场测量地下岩土的热物性参数，本文利用一套现场测量设备测量了对地下埋管回路施加的热流与回路中循环水温度随时间的变化，并利用参数估计方法确定地下岩土的热物性参数。     

一种适用于复杂换热网络优化的耦合联动进化策略

针对启发式算法在优化换热网络后期由于种群多样性消失等原因造成难以找到使年综合费用进一步下降的进化方向，本文提出换热器耦合联动进化策略.该策略在一般启发式算法优化后期通过按一定概率分布抽取部分换热量不为零的换热器参与联动进化，以找到使费用下降的耦合匹配.算例验证表明，该策略效果明显.将该策略与RWCE算法相结合组成一种混合算法.首先采用RWCE算法对求解域进行初步探索，利用该算法强大的全局搜索能力找到求解域内各个潜力结构.然后再用耦合联动进化策略对各潜力结构进行深入搜索，搜索完成后再经变异反馈给RWCE算法.将该混合算法应用于10SP2和15SP算例，得到了较好的优化结果.     

地源热泵地下换热系统的实验研究

地源热泵地下换热系统对于地源热泵系统的稳定运行和地源热泵系统的投入成本起着关键的作用.为了对地下换热系统换热效果和周围土壤的温度场进行实验研究,我们在北京工业大学高科技能源楼建立了一套包含60套不同结构地下换热系统的实验台.利用温度及流量测试装置获得运行过程中温度变化并计算换热量,探求不同结构地下换热系统的换热情况.本实验台还可以收集系统运行过程中地下换热系统的传热温度扩散半径,实验系统不仅为地源热泵的设计提供了数据,而且为地源热泵的深入研究提供了平台.本文给出的部分实验结果证明,根据当地地质情况、负荷需求及系统运行模式配置能源井是至关重要的.