波紋管換熱器表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的遺傳算法分離確定近年來(lái)，波紋管型換熱器以其傳熱效果好，同時(shí)具有傳統(tǒng)的固定管板換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適用性強(qiáng)等

優(yōu)點(diǎn)，在熱電系統(tǒng)、石油、化工、醫(yī)藥、食品等行業(yè)獲得廣泛的應(yīng)用。

波紋型換熱管通過(guò)內(nèi)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(qū)，強(qiáng)化了傳熱過(guò)程，并具有內(nèi)外匹配良好、流道通暢、加工簡(jiǎn)便、流動(dòng)阻力較低、熱補(bǔ)償性好、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

采用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定波紋管傳熱系數(shù)，一般通過(guò)測(cè)得換熱量、換熱面積、流體溫度和壁面溫度，給出傳熱系數(shù)與流速的曲線關(guān)系，再根據(jù)牛頓冷卻公式算得表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。由于熱電偶安裝的困難，通常不測(cè)量壁溫，大多數(shù)研究采用了分離傳熱系數(shù)間接確定表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的威爾遜(Wilson)圖解法，即熱阻分離法，對(duì)不同形式的換熱器通過(guò)測(cè)定傳熱系數(shù)，將表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)從傳熱系數(shù)中分離出來(lái)。使用威爾遜圖解法必須具備2個(gè)條件：管外換熱熱阻恒定及換熱關(guān)聯(lián)式中雷諾數(shù)Re的指數(shù)已知。事實(shí)上，在實(shí)驗(yàn)中保持一側(cè)流體換熱情況基本不變，將增加實(shí)驗(yàn)的難度；在很多情況下對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與流速等量關(guān)聯(lián)式中的指數(shù)不一定知道。為避免上述兩個(gè)約束條件，本文采用遺傳算法進(jìn)行了對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的分離確定。1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方案實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程按文獻(xiàn)設(shè)計(jì)，為了模擬實(shí)際換熱器工作過(guò)程，實(shí)驗(yàn)段采用套管式換熱器形式(見(jiàn)圖1)，換熱工質(zhì)為水—水，熱流體走管程，冷流體走殼程，冷、熱流體逆流。

測(cè)試裝置、流程、儀表、方法均符合GB151—1999《管殼式換熱器》和Q／LJ201—1998《管殼式換熱器性能測(cè)試方法》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求，冷、熱水流量測(cè)量采用2個(gè)渦輪流量變送器，實(shí)驗(yàn)段單相流體壓力降采用差壓變送器測(cè)量，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)段內(nèi)的冷流體吸熱量與熱流體放熱量之間相對(duì)誤差小于5％(以冷流體吸熱量為比較基礎(chǔ))，熱平衡滿足實(shí)，驗(yàn)要求。2表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的分離遺傳算法是模擬生物在自然環(huán)境中的遺傳和進(jìn)化過(guò)程而形成的一種自適應(yīng)全局優(yōu)化概率搜索算法，從問(wèn)題解的一個(gè)集合進(jìn)行并行搜索，大大增加了全局解的概率，遺傳過(guò)程根據(jù)個(gè)體的信息進(jìn)行，無(wú)須計(jì)算函數(shù)的導(dǎo)數(shù)。應(yīng)用遺傳算法的步驟為：①將待解問(wèn)題參數(shù)表示成遺傳空間的基因型串結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)；②隨機(jī)產(chǎn)生一組初始種群；③計(jì)算每個(gè)個(gè)體的適應(yīng)值；④判斷是否滿足收斂條件，滿足則輸出結(jié)果，否則執(zhí)行以下步驟；⑤根據(jù)個(gè)體的適應(yīng)值大小按一定方式進(jìn)行復(fù)制操作；⑥按交叉概率執(zhí)行交叉操作；⑦按變異概率執(zhí)行變異操作；⑧回步驟③。在套管換熱器實(shí)驗(yàn)中，傳熱系數(shù)公式可寫為

式中：K——換熱器傳熱系數(shù)，W／(m2·K)；a1，a2——實(shí)驗(yàn)管管內(nèi)、外對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W／(m2·K)；Ro——管壁熱阻，m2·K／W；Rd——污垢熱阻，m2·K／W。設(shè)管內(nèi)、外換熱準(zhǔn)則方程分別為：式中：Nu1，Nu2——實(shí)驗(yàn)管管內(nèi)、管外傳熱努塞爾數(shù)；del，de2——實(shí)驗(yàn)管管內(nèi)、管外當(dāng)量直徑，m；λ1，λ2——實(shí)驗(yàn)管管內(nèi)、管外傳熱工質(zhì)平均熱導(dǎo)率，W／(m·K)；c1，c2，m1，m2——待定參數(shù)；Re1，Re2——實(shí)驗(yàn)管管內(nèi)、管外傳熱工質(zhì)雷諾數(shù)；Pr1，Pr2——實(shí)驗(yàn)管管內(nèi)、管外傳熱工質(zhì)平均普朗特?cái)?shù)。由式(2)，(3)可導(dǎo)出管內(nèi)平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、管外平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，并代人式(1)得式中，Pr1，Pr2可通過(guò)定性溫度查得；Re1，Re2可由實(shí)驗(yàn)管型及實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算求得，是已知的參量；Rn，Rd在進(jìn)行某一型號(hào)的換熱管實(shí)驗(yàn)中是定值，可以把其和定為1個(gè)參數(shù)及，這樣待辨識(shí)的未知參數(shù)就是c1，c2，m1，m2和及，如果求得這5個(gè)參數(shù)，就可以得出管內(nèi)、外換熱準(zhǔn)則方程。假如在對(duì)1種型號(hào)的換熱管測(cè)量了n組數(shù)據(jù)，在表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的分離中，選取適應(yīng)度函數(shù)為式中fit——個(gè)體的適應(yīng)度函數(shù)；fit,max——保證人始終為正數(shù)而給出的預(yù)先設(shè)定值，取fit，max=0．01。求目標(biāo)函數(shù)J最小的問(wèn)題為1個(gè)優(yōu)化的問(wèn)題。遺傳算法參數(shù)：種群規(guī)模M=100個(gè)個(gè)體，每個(gè)個(gè)體有N=5個(gè)基因，由待辨識(shí)的參數(shù)數(shù)目決定，交叉概率Pc=0．95，變異概率Pm=0．015，迭代終止代數(shù)取220，遺傳算法使用浮點(diǎn)數(shù)編碼方案。3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理

當(dāng)量直徑反映流道尺寸形狀對(duì)流動(dòng)阻力及傳熱的影響，對(duì)于波紋管來(lái)說(shuō)，管內(nèi)當(dāng)量直徑為式中：Acve——1個(gè)周期濕周面積，m2；Lcvc——1個(gè)周期長(zhǎng)度，m。Acyc可用下式來(lái)計(jì)算式中：dAus——一個(gè)脈動(dòng)表面的微元面積，m2；r(x)——對(duì)應(yīng)軸向位置的半徑，m；管外當(dāng)量直徑為de2=dmax-del(9)式中：dmax——套管內(nèi)徑，m。

管內(nèi)雷諾數(shù)為

4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理實(shí)例

實(shí)驗(yàn)中選取了在工業(yè)實(shí)際中應(yīng)用廣泛的幾種管徑的波紋型換熱管，技術(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

對(duì)上述3種型號(hào)波紋型換熱管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，測(cè)得傳熱量、傳熱面積、流體溫度等15組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用公式確定傳熱系數(shù)：表1波紋型換熱管技術(shù)數(shù)據(jù)1號(hào)管2號(hào)管3號(hào)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(zhǎng)/mm190019001900Φ=KA△t，式中：Φ——傳熱量，W；K——傳熱系數(shù)，W／(m2·K)；A——傳熱面積，m2；△tm——對(duì)流平均溫差，℃。確定傳熱系數(shù)后，采用遺傳算法對(duì)傳熱系數(shù)進(jìn)行了分離，得到1號(hào)管、2號(hào)管、3號(hào)管的管內(nèi)換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式分別為：由圖2可見(jiàn)，對(duì)基管外徑分別為32．7mm，25．5mm，19．4mm的波紋管，管內(nèi)傳熱平均Nu比相應(yīng)的圓管(圓管的管內(nèi)流與管外縱向流的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式為Nu=0．023Re0.8Pr0.4)分別提高到1．69倍，2．42倍和1．84倍。這是由于波紋管的通道形狀強(qiáng)化了換熱的結(jié)果，由于直線段出口處有引射的作用，在弧形段出口處有節(jié)流的作用，這使得換熱工質(zhì)壓力產(chǎn)生周期性變化，減薄了傳熱邊界層，大大降低了傳熱熱阻，強(qiáng)化了傳熱。圖3為換熱工質(zhì)縱掠換熱管管外傳熱效果。由圖3可看出，對(duì)基管外徑為32．7mm，25．5mm，19．4mm的波紋管，其縱掠平均Nu比相應(yīng)的圓管分別提高到1．43倍，2．12倍，1．63倍

5結(jié)語(yǔ)

(1)由于波紋管特殊的波峰、波距等參數(shù)的設(shè)計(jì)，使傳統(tǒng)的對(duì)流換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式無(wú)法適用，采用本文提出的方法，從波紋管換熱實(shí)驗(yàn)測(cè)得的傳熱系數(shù)中，成功地將對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分離出來(lái)，可方便地研究各種型號(hào)波紋管的傳熱性能。(2)波紋管的對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)明顯高于直管，是由于