溴化鋰吸收式制冷機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)_圖文

1、第50卷第1期2010年1月大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)Journal of Dalian U niversity of T echnologyV ol.50,N o.1Jan.2010溴化鋰吸收式制冷機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)李維仲,權(quán)生林3,陳貴軍,任健(大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院,遼寧大連116024摘要:為優(yōu)化設(shè)計(jì)溴化鋰吸收式制冷機(jī),提出了一個(gè)多變量多約束的單優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型.采用復(fù)合形法求解蒸汽型溴化鋰吸收式制冷機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型,并應(yīng)用Visual C +語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件.利用優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件對(duì)一個(gè)實(shí)際工程算例進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),結(jié)果表明:通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì),相同制冷量的溴化鋰吸收式制冷機(jī)在保證較高性

2、能系數(shù)的前提下,換熱器總的換熱面積大大減小,制冷機(jī)的綜合性能提高,同時(shí)提高了機(jī)組設(shè)計(jì)效率,縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期.關(guān)鍵詞:溴化鋰吸收式制冷機(jī);優(yōu)化設(shè)計(jì);數(shù)學(xué)模型;復(fù)合形法中圖分類號(hào):T K5文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A收稿日期:2007210223;修回日期:2009211217.基金項(xiàng)目:貴州省創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(06006.作者簡(jiǎn)介:李維仲(19562,男,教授,博士生導(dǎo)師;權(quán)生林3(19702,男,博士生,講師,E 2mail :shlquan .0引言優(yōu)化設(shè)計(jì)(optimal design 是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一門新的學(xué)科.從20世紀(jì)60年代初期開(kāi)始,優(yōu)化設(shè)計(jì)和計(jì)算技術(shù)在設(shè)計(jì)領(lǐng)域中就開(kāi)始受到重視.優(yōu)化設(shè)計(jì)為

3、工程設(shè)計(jì)提供了一種重要的科學(xué)設(shè)計(jì)方法,使得在解決復(fù)雜設(shè)計(jì)問(wèn)題時(shí),能從眾多的設(shè)計(jì)方案中尋找到盡可能完善的或最適宜的設(shè)計(jì)方案,因而采用這種設(shè)計(jì)方法能大大提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量1.在溴化鋰吸收式制冷機(jī)設(shè)計(jì)中,傳統(tǒng)的計(jì)算方法采用大量的查表、作圖、經(jīng)驗(yàn)公式和試算法,設(shè)計(jì)計(jì)算繁瑣,工作量大.并且設(shè)計(jì)過(guò)程涉及若干溫差、放氣范圍等參數(shù)的選取,每一項(xiàng)參數(shù)的選取受設(shè)計(jì)者和客觀條件的限制,每變動(dòng)一項(xiàng)參數(shù)都要重復(fù)這些復(fù)雜的設(shè)計(jì)計(jì)算,給設(shè)計(jì)者帶來(lái)極大的不便.而機(jī)組的性能好壞還直接取決于各參數(shù)之間是否匹配合理,因此溴化鋰吸收式制冷機(jī)系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)方法研究受到廣泛關(guān)注25傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法繁瑣,且誤差較大,無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組設(shè)

4、計(jì)的整體優(yōu)化.因此本文將優(yōu)化設(shè)計(jì)思想引入溴化鋰吸收式制冷機(jī)的設(shè)計(jì),在保證制冷量的前提下,通過(guò)對(duì)溴化鋰吸收式制冷機(jī)的主要運(yùn)行經(jīng)濟(jì)參數(shù)和制造成本參數(shù)進(jìn)行分析,以相關(guān)運(yùn)行參數(shù)合理為約束條件,提出機(jī)組設(shè)計(jì)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,并采用合理的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行求解,以期改善溴化鋰吸收式制冷機(jī)的綜合性能,并借助計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率.1溴化鋰吸收式制冷機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型在溴化鋰吸收式制冷機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中,常常需要根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求,合理確定各種參數(shù),以期達(dá)到最佳的設(shè)計(jì)目標(biāo).這就是說(shuō),一項(xiàng)工程設(shè)計(jì)總是要求在一定的技術(shù)和物質(zhì)條件下,取得一個(gè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為最佳的設(shè)計(jì)方案.設(shè)定為溴化鋰吸收式制冷機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

5、目標(biāo)函數(shù),其定義式如下:=F/CO P(1式中:F 為各換熱設(shè)備傳熱面積和(制冷機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo),m 2;CO P 為性能系數(shù)(制冷機(jī)組的技術(shù)性指標(biāo),CO P=Q0/Q g,Q0為機(jī)組制冷量,kW,Q g為發(fā)生器熱負(fù)荷,kW.F越小,意味著在制冷量不變的情況下,機(jī)組消耗的材料越少,機(jī)組的成本越低,經(jīng)濟(jì)性能越好.而CO P越大,意味著在相同的制冷量下,機(jī)組消耗的能量越少,機(jī)組的技術(shù)性能也就越好.這樣建立目標(biāo)函數(shù)的原因是單純追求小的傳熱面積會(huì)使性能系數(shù)降低,而單純追求大的性能系數(shù)又會(huì)使傳熱面積增大,因此需綜合考慮兩因素,求的最小值,即為性能系數(shù)較大、傳熱面積和較小情況下的最優(yōu)值.1.2約束條件溴化

6、鋰吸收式制冷機(jī)設(shè)計(jì)中的約束條件包括以下6項(xiàng)6、7:7t w9;3t k5;2t04;3t25;10f a20;10f020(2式中:t w為冷卻水的總溫升,t k為冷凝器熱端溫差,t0為蒸發(fā)器冷端溫差,t2為出口稀溶液與進(jìn)口冷卻水的溫差,f a為吸收器的再循環(huán)倍數(shù),f0為蒸發(fā)器的再循環(huán)倍數(shù).1.3基本假設(shè)在溴化鋰吸收式制冷機(jī)組的設(shè)計(jì)計(jì)算中,引入以下假設(shè):(1在每一個(gè)部件(發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器、溶液熱交換器中,都滿足熱力平衡條件;(2冷凝壓力與發(fā)生器壓力相同;(3冷凝器出口的冷劑水處于飽和狀態(tài);(4蒸發(fā)器出口的冷劑蒸汽處于飽和狀態(tài);(5忽略系統(tǒng)中的熱損失和循環(huán)泵的功耗. 1.4設(shè)計(jì)變量

7、以串聯(lián)流程單效蒸汽型溴化鋰吸收式制冷機(jī)為例,首先根據(jù)用戶要求給定以下必要的設(shè)計(jì)參數(shù).(1制冷量Q0;(2冷媒水進(jìn)口溫度t c1;(3冷媒水出口溫度t c2;(4冷卻水進(jìn)口溫度t w;(5加熱蒸汽進(jìn)口飽和溫度t h;(6傳熱管的管長(zhǎng)l;(7傳熱管的內(nèi)徑d i;(8傳熱管的外徑d o;(9管程數(shù);(10蒸汽的流速;(11管內(nèi)外的污垢熱阻;(12管壁材料的導(dǎo)熱系數(shù).與此同時(shí),為了提高模型的運(yùn)行效率,給定了一些次要的、不方便變化的參數(shù),只對(duì)一些重要的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整、優(yōu)選,這些調(diào)整、優(yōu)選的參數(shù)即為設(shè)計(jì)變量.給定的參數(shù)值:(1蒸發(fā)壓力與吸收壓力的差值p;(2單效機(jī)組吸收器與冷凝器熱負(fù)荷之比b;(3出口濃溶液

8、與加熱蒸汽的溫差t4;(4溶液熱交換器出口濃溶液與吸收器出口稀溶液的溫差t8;(5管中心距與管外徑之比.設(shè)計(jì)變量:(1冷卻水的總溫升t w;(2冷凝器熱端溫差t k;(3蒸發(fā)器冷端溫差t0;(4出口稀溶液與進(jìn)口冷卻水的溫差t2;(5蒸發(fā)器的再循環(huán)倍數(shù)f0;(6吸收器的再循環(huán)倍數(shù)f a.可見(jiàn)本數(shù)學(xué)模型(1是一個(gè)六維空間.1.5程序組成程序流程圖如圖1所示 .圖1程序流程圖Fig.1The flow chart of the procedure計(jì)算程序基本分3部分:(1溴化鋰溶液、水、水蒸氣物性計(jì)算子程序;(2熱力和傳熱計(jì)算;(3優(yōu)化程序.整個(gè)計(jì)算過(guò)程中進(jìn)行3次檢查:(1放氣范圍檢查,0.040.

9、06;(2系統(tǒng)熱平衡檢查, (Q k+Q a-(Q g+Q0/(Q k+Q a0.01;(3冷卻水流量檢查,-0.05q vw0.05.2復(fù)合形法簡(jiǎn)介復(fù)合形是指在n維設(shè)計(jì)空間的可行域內(nèi),由34第1期李維仲等:溴化鋰吸收式制冷機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)K (n +1K 2n 個(gè)頂點(diǎn)所構(gòu)成的多面體.復(fù)合形法的基本思路來(lái)源于無(wú)約束優(yōu)化算法中的單純形法,它實(shí)質(zhì)上是單純形法的修正.其迭代過(guò)程是:在設(shè)計(jì)變量的可行域內(nèi)選取K 個(gè)頂點(diǎn)作為初始復(fù)合形的頂點(diǎn),比較這些頂點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值,去掉其中目標(biāo)函數(shù)值最大所對(duì)應(yīng)的最壞點(diǎn),而代之以最壞點(diǎn)的反射點(diǎn)(以復(fù)合形中最壞點(diǎn)之外各點(diǎn)的中心為映射中心所得到的映射點(diǎn)構(gòu)成新的復(fù)合形.不斷重復(fù)

10、以上過(guò)程,使復(fù)合形的位置越來(lái)越靠近最優(yōu)點(diǎn),迭代達(dá)到收斂精度時(shí),則取最后一個(gè)復(fù)合形中目標(biāo)函數(shù)值最小的點(diǎn)作為近似最優(yōu)點(diǎn)8.復(fù)合形法在迭代過(guò)程中既不需要求目標(biāo)函數(shù)的一階和二階導(dǎo)數(shù),也不用進(jìn)行一維搜索求步長(zhǎng),對(duì)目標(biāo)函數(shù)和約束條件的性態(tài)無(wú)特殊要求,運(yùn)用范圍較廣,程序編制也比較簡(jiǎn)單,容易掌握.因此,它是求解工程設(shè)計(jì)中約束優(yōu)化問(wèn)題較為有效的常用方法之一.只是隨著設(shè)計(jì)變量維數(shù)和約束條件個(gè)數(shù)的增加,收斂速度顯著變慢而已.3實(shí)例計(jì)算及優(yōu)化分析利用優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件,對(duì)某公司制冷量分別為166、320、500、820和1100kW 的溴化鋰制冷機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).設(shè)計(jì)條件:冷媒水進(jìn)口溫度為12;冷媒水出口溫度為7;冷卻水進(jìn)

11、口溫度為32;加熱蒸汽進(jìn)口溫度為120;蒸發(fā)壓力與吸收壓力的差值為72Pa ;單效機(jī)組吸收器與冷凝器熱負(fù)荷之比為1.31;出口濃溶液與加熱蒸汽的溫差為19;溶液熱交換器出口濃溶液與吸收器出口稀溶液的溫差為19;管中心距與管外徑之比為1.351;發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器傳熱管的管長(zhǎng)為6m ;溶液熱交換器傳熱管長(zhǎng)為5m ;傳熱管的內(nèi)徑為20mm ;傳熱管外徑為25mm ;管程數(shù)為2;蒸汽的流速為35m/s ;管內(nèi)外的污垢熱阻分別為0.000043m 2/W (發(fā)生器、0.00017m 2/W (冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器和0.000086m 2/W (溶液熱交換器;不銹鋼管壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)為16

12、W/(m ;紫銅管壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)為383.8W/(m ;吸收器中溶液的噴淋密度為250kg/m ;溶液熱交換將不同制冷量的機(jī)組設(shè)計(jì)的各部件傳熱面積、總面積、性能系數(shù)、優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)計(jì)算結(jié)果與原設(shè)計(jì)進(jìn)行了比較,分別繪制了隨制冷量的變化各參數(shù)優(yōu)化前后的曲線,如圖2所示 .圖2各參數(shù)優(yōu)化與非優(yōu)化比較Fig.2Comparisons of every parameter between optimization and non 2optimization從圖2可以看出:(1發(fā)生器面積優(yōu)化前后變化不大,優(yōu)化后面積略有增加,隨著制冷量的增加,差值增加.(2冷凝器、吸收器、溶液熱交換器面積在優(yōu)化前后變化不大

13、,優(yōu)化后面積略有減小,隨著制冷量的增加,差值增加.44大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)第50卷(3蒸發(fā)器面積在優(yōu)化后顯著減小,優(yōu)化后相當(dāng)于優(yōu)化前的54%60%,即優(yōu)化后能節(jié)省40%46%的面積.(4各部件的總傳熱面積優(yōu)化后相當(dāng)于優(yōu)化前的75%78%,即優(yōu)化后能節(jié)省22%25%的面積.(5性能系數(shù)優(yōu)化后減小,但減小幅度不大.(6優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化后相當(dāng)于優(yōu)化前的82%85%,即優(yōu)化后能節(jié)省15%18%的面積.從優(yōu)化結(jié)果可以看出,以作為優(yōu)化目標(biāo),并不是單方面追求性能系數(shù)CO P 的提高或各部件總傳熱面積F 的減小,而是綜合考慮二者的從優(yōu)化結(jié)果可看出,優(yōu)化前的性能系數(shù)雖然高,但總傳熱面積也大,增加了生產(chǎn)成本.優(yōu)化后性

14、能系數(shù)雖然比優(yōu)化前降低了6%9%,但總傳熱面積降低了22%25%,大大降低了一次投入生產(chǎn)成本,提高了溴化鋰制冷機(jī)的綜合性能,達(dá)到了優(yōu)化的目的,證明了此優(yōu)化軟件的可行性和有效性.4結(jié)論在溴化鋰吸收式制冷機(jī)中采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,結(jié)果表明該優(yōu)化設(shè)計(jì)方法能夠在保證較高的性能系數(shù)情況下,得到最優(yōu)的傳熱面積,提高了制冷機(jī)組的綜合性能,尤其對(duì)制冷量較大的機(jī)組效果更明顯.同時(shí)軟件的使用可以大大減少設(shè)計(jì)人員的工作量,提高設(shè)計(jì)精確度,降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期.參考文獻(xiàn):1方世杰,綦耀光.機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)M .1版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,20032湯國(guó)水,穆丹.CHNN 型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在雙效溴化鋰吸收式制冷機(jī)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用J

15、 .制冷與空調(diào)(四川,2007,21(2:352373TALBI M M ,A GN EW B.Energy analysis :anabsorption ref rigerator using lithium bromide and water as the working fluids J .Applied Therm al E ngineering ,2000,20(7:61926304岳永亮,董素霞,張紅巖,等.溴化鋰吸收式制冷機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問(wèn)題探討J .制冷與空調(diào),2007,7(1:502525高田秋一.吸收式制冷機(jī)M .耿惠彬,戴永慶,鄭玉清,譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,19876吳

16、業(yè)正.制冷與低溫技術(shù)原理M .1版.北京:高等教育出版社,20047戴永慶,陸震,胡仰耆,等.溴化鋰吸收式制冷空調(diào)技術(shù)實(shí)用手冊(cè)M .北京:機(jī)械工業(yè)出版社,19998王國(guó)彪.機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)方法微機(jī)程序與應(yīng)用M .1版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1994Optimization design of lithium 2bromide absorption refrigeratorLI Wei 2zhong ,QUAN Sheng 2lin 3,CHE N G ui 2jun ,RE N Jian(School of Energy and Power Engineering ,Dalian Universi

17、ty of Technology ,Dalian 116024,China Abstract :A mat hematical model ,including multi 2variables ,multi 2const raint s and single 2objectivef unction ,is p ropo sed for optimization design of t he lit hium 2bromide absorption ref rigerator.Thep roblem of optimization design mat hematical model for

18、a steam 2heat 2lit hium 2bromide absorption ref rigerator was solved by using t he complex met hod ,and t he corresponding software was developed by using Visual C +.The optimization design for a act ual engineering case was carried using t he optimization design software.The optimization design result reveals t hat t he comprehensive performance of t he lit hium 2bromide absorption ref rigerator can be improved because of greatly reducing total heat exchanger area ,while t he CO