《换热器的优化设计.docVIP

换热器的优化设计 摘要：应用数学规划理论进行机械优化设计，是从五十年代后期开始，随着电子计算机的普遍使用而迅速发展起来的一种新的设计方法。 机械优化设计的目的是以最低的成本获得最好的效益,是设计工作者一直追求的目标,从数学的观点看,工程中的优化问题,就是求解极大值或极小值问题,亦即极值问题。本文以蛇管换热器为例来简要介绍优化设计的应用，并建议介绍了机械最优化的发展。 关键字：机械;最优化设计；基本原理；换热器；发展 前言 机械优化设计是最优化理论、电子计算机技术与机械工程相结合的一门学科。(x)=0 (v=l，2，…，p) 不等式约束在最优设计较为普通，其形式为: (u=l，2，…，m) 式中:x为设计变量;p为等式约束数目;m为不等式约束数目。 优化过程 选取设计变量、列出目标函数、给定约束条件后，最终需要构造最优化设计的数学模型。建立最优化设计数学模型后，即可选择合适的最优化方法解题，求目标函数的最优解。优化设计的一般过程可以用如下的框图来表示: 二、换热器 1．优化模型的建立 现以容器内的流体发生化学反应, 需及时供给或输出热量, 以维持恒定的反应温度这种具有普遍意义的的换热过程为例来讨论。 传热速率方程为： (1) 其中Q为传热量，A为传热面积，△t为传热温度差，D为管内径，L为管长，T为容器内流体温度，T为总传导系数。 (2) R为总热阻，为管内膜系数， (3) K为管内流体的导热系数，Pr为普兰特准数，为粘度校准系数，c为蛇管系数，Re为雷偌准数。 （4） （5） 联立（3）（4）（5）可得， （6） 热量衡算式为： （7） 上式改写为： （8）联立（1）（2）（6）（8）四式，得 （9） 根据本文提出的命题，上式中Q，，T已给定，而L，D，三个变量由于受上式方程的约束，故独立变量数为2。 设年总费用为目标函数，即 (10) 式中F－年总费用;－年操作费用，为设备折旧费，由其计算公式，可得 （11） 式中 (12) 现在问题化为：求变量D，，使目标函数F极小。 2．目标函数的求解 管内、管外两膜系数同时控制传热，此时, 最优解可用二维极值的直接计算方法, 如单纯形法或Powell法借助计算机求解. 三、机械最优化设计的发展 机械优化设计应用的发展历史，经历了由怀疑、提高认识到实践收效，从而引起广大工程界日益重视的过程。从国际范围看，早期设计师习惯于传统设计方法和经验设计。传统设计由于专业理论和计算工具的限制，设计者只能根据经验和判断先制定设计方案，随后再对给定的方案进行系统分析和校核，往往要经几代人的不断研制、实践和改进，才能使某类产品达到较满意的程度。由于产品设计质量要求日益提高和设计周期要求日益缩短，传统设计已越来越显得不能适应工业发展的需要。从70年代到80年代，计算机价格大幅度下降，年轻一代设计师茁壮成长，优化设计应用的诱人威力，市场竞争日益激化，作为产品开发和更新的第一关是如何极大地缩短设计周期、提高设计质量和降低设计成本已成为企业生存的生命线，从而引起广大企业和设计师的高度重视。特别是CAD/CAM以及CIMS（计算机集成制造系统）的发展，使优化设计成为当代不可缺少的技术和环节。用优化设计方法来改造传统设计方法已成为竞相研究和推广并可带来重大变革的发展战略，优化设计在设计领域中开拓了新的途径。 现在，最优化技术这门较新的科学分支目前已深入到各个生产与科学领域，近年来，为了普及和推广应用优化技术，已经将各种优化计算程序组成使用十分方便的程序包，并已进展到建立最优化技术的专家系统，这种系统能帮助使用者自动选择算法，自动运算以及评价计算结果，用户只需很少的优化数学理论和程序知识，就可有效地解决实际优化问题。虽然如此，但最优化的理论和计算方法至今还未十分完善，有许多问题仍有待进一步研究探索。可以预测，随着现代技术的迅速发展，最优化技术必将获得更广泛、更有效的应用，它也必将得到更完善、更深刻的进展。 但是机械优化设计仍存在一些技术处理问题有待我们去进一步去研究和发展。 参考文献： 孙靖民.现代