在我国，对于板翅式热交换器，多是以“试凑法”进行设计。首先选择了传热面、冷却介质和流型，再对其进行了几次假设尺寸的试验计算，直至得到了一种能满足全部要求的换热器。这种方法不仅需要耗费大量的时间，而且得到的解决方案也仅仅是一种可行的方案，并不一定是最优的解决方案，更主要的是，所得到的换热器的性能的好坏，在很大程度上依赖于设计者的经验，所以，其可靠性并不是很高。

本项目拟在已有的多岛遗传算法的基础上，利用多学科优化框架 iSIGHT，构建翅片间距、翅片高度和翅片厚度等参量的数学模型，对板翅式换热器进行优化设计。

1  板翅式换热器优点

1.1 具有较高的热传导率

在强制对流空气中，板翅式换热器的给热系数为30~300千卡/米²·小时·℃，油在强制对流的传热系统中，板翅式换热器的给热系数为100~1500米²·小时·℃，沸腾水的给热系数为1500~30000米²·小时·℃。

1.2 结构紧凑

通常情况下，其单位换热面积是管壳式热交换器的6~10倍，甚至数十倍。例如，管式热交换器每立方米的热交换面积为50-150平方米，而板翅式热交换器每立方米的热交换面积为1000-1500平方米。

1.3 重量轻

因为翅片非常薄，通常只有0.2-0.3 mm，而且构造非常紧凑。特别是由铝合金制成的热交换器，它的重量很轻，可以达到很高的要求。如果操作压力是6 kg/cm²，那么在100米²的传热面积中，使用一个道径为25 mm的列管式换热器，它的重量大约是21600~2470 kg，而相同的压力和相同的100米²的传热面积，它的重量大约是160~412 kg。

1.4 结构坚固

换热器壁和翅片虽薄，但翅片之间的间隔极小，将翅片与隔板进行钎焊，便可构成十分牢固的蜂窝状结构。由我国自行设计，自行生产的板翅式换热器，其设计压力已经达到了40公斤/cm²，运行两年来，表现出了很好的效果（根据国外数据，这种换热器能够承受大约10公斤/cm ²的操作压力）。

1.5 自适应能力强

板翅式换热器既可进行气-气、气-液、液-液的换热，又可进行凝结、蒸发等。适用于对、对、错、错、对、对等组合布置。可用于两种或更多的液体并联换热。根据所选材质，可适用于高、低温度作业。

1.6 可用作固体和杂质的净化装置

因为翅片的换热表面容易使固体颗粒沉降，管道的形状类似，有利于对流运行，并且大多数换热表面为极薄的金属；它的热容很小，在周期性降温、升温过程中，有利于杂质的凝结、升华。例如，当与空气分开时，可以自动去除水份和CO2。

1.7 价格便宜

通过对生产过程的进一步优化、改进、提高良率、实现批量生产，可以进一步降低成本。通常，板翅式热交换器的造价不会超过管壳式热交换器的50%。

1.8 易于安装，占用较小

板翅式热交换器具有安装和吊装容易，占用的空间小等优点。

2  板翅式换热存在的缺点

2.1 易阻塞

因为翅片的这种间隔很小，在材料中含有杂质时，很容易造成堵塞，所以需要在运行时注意液体要相对清洁，或者在换热之前先进行过滤。

2.2 清理难度大

换热器一旦形成污渍，就很难进行清洁，而且很费时。

2.3 检修困难

当管道内泄漏出现时，要找出泄漏点是非常困难的，特别是在并、串两种情况下。尽管板翅式换热器也有其不足之处，但是它的优势远大于劣势。所以，世界上的许多国家，特别是在化工，机械，航空，核能等领域，都非常的重视和研究。热交换器的材质有铝合金，铜合金，钢，不锈钢，铁等.目前，国内生产的板翅式换热器主要是采用Al-Mn合金材质。

3  板翅式换热器优化措施分析

3.1 优化方法

在增大进气管路数目、减小进气管路长度比例的基础上，提出了一种新的进气管路设计方案，即：在进气管路中引入一种新的进气管路，使进气管路在进气管路中形成多股气流，并经多股气流进入进气管路。在出水管道多于1根时，也可以采用相同的圆锥配置进行二级收集。

优选出的最优参数有：进气道 A末端的相对位置为0,0.033,0.066,0.099。进气管数为3,4,5,6。排出管道的数量为 M时，分别以1,3,5为数值。最优法是对单变量进行控制。比如，在优化进气管相对位置的情况下，进气管 N、出气管 M个数不变。以此为基础，对板翅式换热器进行了优化设计，并得出了最佳设计参数。

本文选取了在天然气液化过程中的真实工质，对其进行了仿真计算。气相和液相的密度分别为17.02公斤/立方米，558.80公斤/立方米，气相和液相的粘度为1.056×10-5 Pa/s，液相速度分别为1.578×10.0-0.4 pa/s和0.5--0.4 pa/s，

3.2 数学模式与限制条件

在实际工程中，当液体由进气集管流入板翅式热交换器时，其当量管径会有较大的改变，且流态呈紊流。在近壁面的湍流计算中，使用了标准的 K-ε模式。该方法是一种不考虑换热、相变的近壁湍流模型。在此基础上，建立了一个以速度为输入的模型。出口处为加压出口处。换热器的墙壁是隔热的，不能打滑。对于最优构型，若进、出管数目大于1，则各进、出管采用同一边界条件。

3.3 网格独立性检验

因为网格数的多少会影响到流畅性的数值仿真的精度，所以在试验中应采用网格间独立的方法。以单进单出板翅式换热器为例，利用三维结构网格来对其进行网格划分，并在接近壁面处对其进行加密，当网格个数约为109×104时，才能确保数值模拟的精度。

3.4 优化流程

文中所用的优化方法是基于多岛的遗传算法，该算法是基于 iSIGHT的。遗传算法是一种基于达尔文理论的生物演化过程的仿真方法，它是在生物界中建立起来的。提出了一种基于概率寻优的最优求解算法，该算法能自动发现并引导最优搜索空间，并能对搜索方向进行自适应调整；该算法不依赖于规则，仅依赖于选择，交叉，变异等操作，使得算法更具鲁棒性。多岛遗传算法是对遗传算法的一种改进，它具有保持群体多样性、抑制“早熟”等优点，并具有较强的搜索能力。

3.5 优化算例

采用逆流空气——水换热器，两侧翅片均采用平直型翅片。多岛遗传演算法之参数设定为：子代种群大小为10.种子种群数量：20。进化论：四十。复制几率：零点九。混血几率：零点九。变异几率：千分之一。移动性：0。迁移时间：4分钟。

3.6 优化结果

优化后的换热器芯体尺寸有了很大的变化，增加了翅片间距和翅片高度，增加了翅片的宽度，使换热器的效率提高了7%，但质量下降了24.1%。这样可以极大地节省资源，增加经济效益。另外，采用最优算法取代了试验方法，不仅可以改善设计，而且还可以节省大量的时间和人力；该方法是一种可靠的热交换器设计方法

结语

综上所述 ，本论文提出的最优解取代了试验法，不仅可以改善设计，而且节省了大量的时间和人力，是一种可靠的换热设备设计方法。鉴于本研究之限制，未来可考虑对板翅式换热器之数值模式进行探讨与分析，并藉由数值模拟来协助设计，寻求更佳之设设方式。。

参考文献

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