1、波紋管換熱器表面傳熱系數的遺傳算法分離確定摘要：討論了波紋管換熱器傳熱系數的測定，提出了采用遺傳算法將對流表面傳熱系數從傳熱系數中分離出來的方法。關鍵詞：遺傳算法；波紋管換熱器；表面傳熱系數中圖分類號：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，同時具有傳統的固定管板換熱器結構簡單、適用性強等優點，在熱電系統、石油、化工、醫藥、食品等行業獲得廣泛的應用。波紋型換熱管通過內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，強化了傳熱過程，并具有內外匹配良好、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，一般通過測得換熱量、換熱面積、流體溫度和壁面溫度，給出傳熱系數與流速的曲線關系，再根據牛頓冷卻公式算得表面傳熱系

4、數。由于熱電偶安裝的困難，通常不測量壁溫，大多數研究采用了分離傳熱系數間接確定表面傳熱系數的威爾遜(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，將表面傳熱系數從傳熱系數中分離出來。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聯式中雷諾數Re的指數已知。事實上，在實驗中保持一側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傳熱系數與流速等量關聯式中的指數不一定知道。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傳熱系數的分離確定。1 實驗系統及方案實驗系統流程按文獻設計，為了模擬實際換熱器工作過程，實驗段采用套管式換熱器形式(見圖1

5、)，換熱工質為水水，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)，熱平衡滿足實，驗要求。2 表面傳熱系數的分離遺傳算法是模擬生物在自然環境中的遺傳和進化過程而形成的一種自適應全局優化概率搜索算法，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，遺傳過程根據個體的信息進行，無須計算函數的導數。應

6、用遺傳算法的步驟為：將待解問題參數表示成遺傳空間的基因型串結構數據；隨機產生一組初始種群；計算每個個體的適應值；判斷是否滿足收斂條件，滿足則輸出結果，否則執行以下步驟；根據個體的適應值大小按一定方式進行復制操作；按交叉概率執行交叉操作；按變異概率執行變異操作；回步驟。在套管換熱器實驗中，傳熱系數公式可寫為式中：K換熱器傳熱系數，W(m2K)；a1，a2實驗管管內、外對流表面傳熱系數，W(m2K)；Ro管壁熱阻，m2KW；Rd污垢熱阻，m2KW。設管內、外換熱準則方程分別為：式中：Nu1，Nu2實驗管管內、管外傳熱努塞爾數；del，de2實驗管管內、管外當量直徑，m；1，2實驗管管內、管外傳熱工

7、質平均熱導率，W(mK)；c1，c2，m1，m2待定參數；Re1，Re2實驗管管內、管外傳熱工質雷諾數；Pr1，Pr2實驗管管內、管外傳熱工質平均普朗特數。由式(2)，(3)可導出管內平均表面傳熱系數、管外平均表面傳熱系數，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據計算求得，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個參數及，這樣待辨識的未知參數就是c1，c2，m1，m2和及，如果求得這5個參數，就可以得出管內、外換熱準則方程。假如在對1種型號的換熱管測量了n組數據，在表面傳熱系數的分離中，選取適應度函數為

8、式中fit個體的適應度函數；fit,max保證人始終為正數而給出的預先設定值，取fit，max=001。求目標函數J最小的問題為1個優化的問題。遺傳算法參數：種群規模M=100個個體，每個個體有N=5個基因，由待辨識的參數數目決定，交叉概率Pc=095，變異概率Pm=0015，迭代終止代數取220，遺傳算法使用浮點數編碼方案。3 實驗數據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

9、de2 =dmax-del (9)式中：dmax套管內徑，m。管內雷諾數為 4 實驗數據的處理實例實驗中選取了在工業實際中應用廣泛的幾種管徑的波紋型換熱管，技術數據見表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組實驗數據，應用公式確定傳熱系數：表1波紋型換熱管技術數據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/mm190019001900=KAt，式中：傳熱量，W；K傳熱系數，W(m2K)；A傳熱面積，m2；tm對流平均溫差，。確定傳熱系數后，

10、采用遺傳算法對傳熱系數進行了分離，得到1號管、2號管、3號管的管內換熱準則關聯式分別為：由圖2可見，對基管外徑分別為327 mm，255mm，194mm的波紋管，管內傳熱平均Nu比相應的圓管(圓管的管內流與管外縱向流的準則關聯式為Nu=0023Re0.8Pr0.4)分別提高到169倍，242倍和184倍。這是由于波紋管的通道形狀強化了換熱的結果，由于直線段出口處有引射的作用，在弧形段出口處有節流的作用，這使得換熱工質壓力產生周期性變化，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

11、縱掠平均Nu比相應的圓管分別提高到143倍，212倍，163倍 5 結 語(1)由于波紋管特殊的波峰、波距等參數的設計，使傳統的對流換熱準則關聯式無法適用，采用本文提出的方法，從波紋管換熱實驗測得的傳熱系數中，成功地將對流表面傳熱系數分離出來，可方便地研究各種型號波紋管的傳熱性能。(2)波紋管的對流表面傳熱系數明顯高于直管，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)提出的表面傳熱系數分離方法，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傳熱系數的分離。 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，(