基于状态空间超级结构的多流股换热网络最优设计

多流股换热器以其结构紧凑、高效低耗等特点,成为过程强化研究的热门领域,但对于多流股换热的过程与设备优势所在仍然值得商榷。基于多流股换热匹配改进状态空间超级结构,将多流股换热网络综合转化为超级换热器设计。首先,构造级联多流股换热器匹配过程操作算子,通过相邻换热流股匹配,传递温位效应,实现多流股间传热严格计算;借助热容流率混合分配机制,实现各流股间任意分混操作。然后,考虑散热因素,改进目标函数,引入冷热损失和保温材料费用项,清晰体现多流股换热器因换热面互相覆盖而带来的外表面封包优势。进而,建立相应非线性数学规划模型,实现公用工程、设备投资、冷热损耗同步优化。最终,通过文献示例对所提方法可行性与优越性进行验证。     

多组分多股流相变换热器的传热计算

多组分多股流相变换热器在气体液化分离及石油化工中获得广泛应用,其传热计算远较一般换热器复杂。本文对涉及露点、泡点、密度、平衡常数、热物性参数以及传热计算等问题进行了探讨。     

基于流股虚拟温度综合大规模多流股换热器网络

Effective temperature level of stream, namely stream pseudo temperature, is determined by its actual temperature and heat transfer temperature difference contribution value. Heat transfer temperature difference contribution value of a stream depends on its heat transfer film coefficient, cost per unit heat transfer area, actual temperature, and so on. In the determination of the suitable heat transfer temperature difference contribution values of the stream, the total annual cost of multistream heat exchanger network （MSHEN） is regarded as an objective function, and genetic/simulated annealing algorithm （GA/SA） is adopted for optimizing the heat transfer temperature difference contribution values of the stream. The stream pseudo temperatures are subsequently obtained. On the basis of stream pseudo temperature, optimized MSHEN can be attained by the temperature-enthalpy （T-H） diagram method. This approach is characterized with fewer decision variables and higher feasibility of solutions. The calculation efficiency of GA/SA can be remarkably enhanced by this approach and more probability is shown in searching the global optimum solution. Hence this approach is presented for solving industrial-sized MSHEN which is difficult to deal by traditional algorithm. Moreover, in the optimization of stream heat transfer temperature difference contribution values, the effects of the stream temperature, the heat transfer film coefficient, and the construction material of heat exchangers are considered, therefore this approach can be used to optimize and design heat exchanger network （HEN） with unequal heat transfer film coefficients and different of construction materials. The performance of the proposed approach has been demonstrated with three examples and the obtained solutions are compared with those available in literatures. The results show that the large-scale MSHEN synthesis problems can be solved to obtain good solutions with the modest computational effort.     

低温多股流板翅式换热器设计优化方法研究进展

针对多股流体流动换热、复杂翅片结构优化、多重通道排布匹配以及低温工程应用等特点,本文归纳分析了低温多股流板翅式换热器结构设计中凸显的流股换热匹配、通道分配排列、多物理场叠加以及低温特殊工况下的应用等问题。总结了在通道结构优化与零部件设计中,通过翅片通道传热流动特性及相关性能评价方法来指导结构选型。文章还深入分析国内外现状,讨论了板翅式换热器的研究热点与发展方向。文章指出低温多股流板翅式换热器应用于大型空分等石化工业流程中优势明显,可显著提高气体液化率,降低实际能耗,进而提升系统运行效率。因此,对于实际应用中可能遇到的设计问题,应考虑结合局部换热网络与多流股匹配、翅片结构设计与通道排列算法优化、多场仿真与试验研究等手段形成合理优化方法和设计框架,来摆脱目前传统经验试凑所带来的限制。     

多股流绕管式换热器的管束排布及传热计算

多股流绕管式换热器的结构复杂,传热计算的难度较大。常见的计算方法是根据一些假定条件建立计算模型、进行数值求解,这种计算方法较复杂,不适合工程计算。而一些能用于工程计算的简便解析计算方法则存在迭代计算复杂、应用范围受限的缺点。本文列举了几种典型的多股流绕管式换热器的管束排列结构,分析了各自的结构特点;给出了多股流换热器的管板结构及相应的流体进出口接管方式,分析了各自的优缺点及应用场合。针对两种常规的多股流管束排列结构,即各股管程流体分层排布和同层排布,分别给出了适应于工程应用的简便传热计算方法。这两种计算方法将复杂的多股流绕管式换热器的计算分解为多个管程单股流绕管式换热器的计算,简化了计算过程。     

多股流换热器网络及其衍生网络法综合优化

在介绍了多股流换热器网络特点及其与传统网络区别的基础上,提出了一种基于衍生网络的多股流换热器网络综合优化方法,重点在衍生网络的生成、多股流换热器网络的合成以及全局优化格式的生成等方面进行了探讨,结果表明,采用衍生网络的方法能够实现多股流换热器网络的优化.     

乙烯装置预冷系统换热网络的节能优化

利用虚拟温度法(流股有效温位)对国内某乙烯装置冷箱系统进行用能诊断分析,找出过程系统的用能"瓶颈",并针对低温过程传热温差较小以及冷公用工程采用中间公用工程的特点,提出了低温过程多流股换热器网络的综合方法;该方法能够有效的利用冷热流股的有效温位,使冷公用工程的操作费用达到最小,得到合理的换热网络,并且在优化流股传热温差贡献值过程中,考虑了各流股温度、传热膜系数和换热器材质的影响,因此可以用于不同材质、不同传热膜系数低温换热网络的设计和优化;将该方法应用于国内某乙烯装置冷箱系统的综合中,与现场用能情况相比,冷公用工程用量降低了44.5%;结果表明该方法在工程中是可行的.     

热负荷和超结构级数对多流股换热器网络综合的影响

多流股换热器网络是一种复杂的换热器网络.在优化的双流股换热器网络的基础上进行多流股换热器网络的综合.在考虑工程应用中换热器热负荷受限制的条件下,通过对换热器网络超结构模型中级数进行合理的取值,来减少遗传模拟退火算法程序的计算量和提高计算效率;同时确定了级数的设定方法.最后将级数的设定方法应用于两个例题,效果良好.     

多股流板翅式换热器的微分与优化数值研究

采用微分计算模型对多股流板翅式换热器的优化设计问题进行了研究,提供了一种有效的通道排列方法,并编制出了相应的计算程序.利用该程序,对不同初始长度和不同片厚的多种情况进行了计算.计算结果发现,换热器初始长度对最终的收敛长度没有影响,但片厚对计算结果的影响较大.通过一个数值计算实例验证了上述方法的可行性和有效性.     

分相的多股流LNG绕管式换热器动态模型

为预测海上浮式天然气生产储卸平台(LNG-FPSO)中绕管式换热器的动态特性,建立了一种分相的多股流LNG绕管式换热器动态模型。采用二维矩阵的描述方法建立了行列数为3(n+1)×3(n+1)的对角矩阵和互连矩阵,对多股流换热器传热计算中的物理参量进行数学表达,实现了多股流多相区换热关系的描述。采用分相区的建模方法提出了相边界交错排列下流体与管壁的传热模型和管壁温度的计算模型,实现了冷热流体在并发相变时的传热计算。实例表明该模型能够计算多股流形式的绕管式换热器,并能处理相边界"交错"的情况。与已发表的模型进行仿真对比,计算结果吻合良好,最大偏差小于4%。     

低温过程多流股换热器网络综合

多流股换热器主要应用在低温过程领域.本文针对低温过程换热器网络的特点,基于流股虚拟温度的T-H图提出了利用遗传/模拟退火算法进行低温过程换热网络综合的方法.低温过程传热温差较小,在流股温差贡献值的选取上充分考虑了流股热力学平均温度的影响,使其取值更加合理;冷公用工程的利用不同于常温换热网络,温度越低其相应的费用越高,通过采用分批-逐次利用的原理分配冷公用工程,得到冷公用工程的温位及相应的匹配位置,能够有效地利用过程系统的传热温差,降低换热网络的操作费用;该方法利用虚拟T-H图法产生初始解,具有决策变量少,产生初始解均为可行的特点,能显著提高遗传模拟退火算法的计算效率,并适用于不同材质、不同传热膜系数网络的设计和优化;以国内某乙烯装置脱甲烷塔预冷系统综合为实例进行了分析.     

用遗传算法进行多流股换热器网络综合的研究

建立了多流股换热器网络综合数学模型，该模型改进了文献中等温混合的不合理假设。多流股换热器网络综合问题本质上是一个混合整数非线性规划问题(MINLP)，这类问题的非凸非线性的特性使得目标函数存在多个局部最优解。传统的基于梯度的搜索方法在处理这类问题时由于计算规模庞大且极易陷于局部最优解而不再适用，而遗传算法却为解决这类问题提供了很有希望的一个方向。因而对遗传算法求解多流股换热器网络综合问题进行了研究，提出了可以自动产生可行的多流股换热器网络的方法策略，最后通过两个例题说明所提方法是可行的。     

多股流换热器设计的量纲1温差场均匀性优化因子

本文提出了多股流换热器无量纲温差场均匀性优化因子的概念,并且研究了该因子在多股流换热器通道排列上的应用。研究表明：无量纲温差场均匀性优化因子能够作为多股流换热器通道排列的一个有效的评价指标,并进而指导多股流换热器的设计。     

多流股换热器网络综合方法在原油预热系统中的应用

以原油常减压蒸馏装置原油预热网络为研究对象,进行了多流股换热器网络的实例综合. 基于超结构物理模型建立了改进的多流股换热器网络综合数学模型,提出将该网络综合问题由混合整数非线性规划问题转化为简单的非线性规划问题的求解策略,并利用改进的遗传/模拟退火新算法进行了原油预热网络的综合. 与Hextran软件的综合结果以及现场换热网络的对比表明,本模型和求解策略可以应用于工业规模的多流股换热器网络综合,有可能取得较好的经济效益.     

不同扰流结构冷板传热性能研究

冷板是电子设备间接液冷系统的核心部件,在冷板内部流道增加扰流柱可以提高冷板的传热能力,在进行冷板扰流柱的设计时需兼顾降低热源温度与降低流体流过流道的压力损失两方面。结合热源温度、流体压降以及动力源耗能等因素,对内部流道含有菱柱、圆柱、水滴柱扰流结构的冷板的传热性能进行了研究。研究结果表明：含有水滴柱扰流结构的冷板的传热性能最好,且水滴扰流柱长宽比例在2.5∶1时冷板的传热性能最佳,通过缩小扰流柱尺寸、增加扰流柱数量及密度的方式可进一步提高冷板的传热性能。在本研究所实验测试的工况中,水滴柱扰流结构冷板相较于无扰流冷板,散热效果提高了60%左右。     

LNG一级五股流板翅式换热器的研究与开发

对天然气低温液化领域中LNG多股流板翅式换热器的总体结构和研究开发现状进行了说明,对第1阶段在五股流板翅式换热器中将36℃的天然气冷却至-53℃以便进入二级预冷段的工艺流程进行了论述,并说明了涉及的主要原理和技术解决方案,最后指出了LNG板翅式换热器进一步的研究方向和有待解决的问题。     

换热网络多目标综合优化算法研究进展

资源和能源的可持续发展使得换热网络综合不仅要考虑经济性,同时要满足柔性、可靠性、可操作性和环境影响度等指标的要求。目前,换热网络多目标综合的研究有了初步进展并引起了广泛关注。本文阐述了进行换热网络多目标综合的必要性并总结了相关研究。重点对常用的多目标优化算法作了总结和对比,综述了其在换热网络多目标优化设计中的应用进展。研究表明,传统多目标算法越来越无法满足复杂模型的求解,而多目标进化算法可以很好地求解换热网络综合多目标优化问题,其中NSGA-Ⅱ算法是目前应用最广的有效算法。提出尝试NSGA-Ⅱ等多目标进化算法,基于超结构建立包括经济性、柔性、可靠性、可操作性和环境影响度等在内的换热网络多目标综合模型,给出Pareto最优解集合供决策者选择是未来的研究方向。     

具有柔性拓扑结构的厂际多周期换热网络优化

针对厂际多周期换热网络优化,提出了一种考虑柔性设计的数学规划模型,旨在解决现有网络设计缺乏灵活性及无法适应生产波动等问题。该模型由两个子模型组成,第一个子模型通过厂际热集成的超结构模型优化各个周期内的换热网络结构,第二个子模型以年度总成本费用为目标函数,优化换热器面积与热负荷。在每个工厂内,所有换热器都具有共享功能,通过开闭阀门调整过程物流走向,改变网络结构以完成热量传递任务。案例测试表明最小网络年度总成本费用为210919.4 USD·a^-1,需要设置13台共享换热器,其中工厂1有6台,工厂2有4台,工厂3有3台。提出的厂际多周期换热网络优化模型具有设计灵活性高、应对生产环境变化能力强等特点,为企业提供了一种更为智能且高效的换热网络设计方法。     

基于神经网络和遗传算法的螺旋折流板换热器性能预测

将人工神经网络（ANN）应用于非连续螺旋折流板换热器的壳程换热和流阻分析。中试试验研究了具有3个螺旋角和2种管型的换热器。作为人工神经网络最常用的一种类型,将多层感知器神经网络（MLP）应用于本研究,使用一定的实验数据进行网络训练及预测。应用遗传算法（GA）对MLP的初始权值和阈值进行优化,预测结果精确。通过比较不同网络结构的预测误差来选择最适宜的网络结构为9-7-5-2。和关联结果比较可知MLP-GA网络对于换热器性能预测更加适合。此外,当使用MLP-GA方法在训练数据范围以外对壳程换热系数和压降进行预测时,网络预测结果和实验结果吻合程度也较高。因此,MLP-GA混合算法能够用来预测螺旋折流板管壳式换热器的传热和水力学性能。     

新型纵流壳程换热器结构的研究

本文提出一种新的纵流壳程换热器管束支承结构（ＳＲＳ），并将其与折流杆结构（ＲＯＤ）作对比实验研究。研究结果表明，ＳＲＳ均较ＲＯＤ有更优异的流体力学性能和良好的传热性能。