(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211087135.7 (22)申请日 2022.09.27 (71)申请人 山东理工大 学 地址 255086 山东省淄博市高新 技术开发 区高创园A座313室 (72)发明人 李凯　王正方　贺磊　 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 30/27(2020.01) G06F 111/06(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 119/08(2020.01) (54)发明名称 一种基于非支配排序差分进化算法的管壳 式换热器多目标优化设计方法 (57)摘要 本发明提供了一种基于非支配排序差分进 化算法对管壳式换热器进行多目标优化设计的 方法。 该方法是为了更好解决管壳式换热器多目 标优化设计问题， 减少换热器设计中工艺计算的 复杂性， 根据设计要求、 操作参数和物性参数， 计 算所需热负荷的情况下， 以降低换热面积、 减小 壳程压力降、 提高传热单元数作为目标函数， 以 单弓形折流板管壳式换热器作为结构模型， 从操 作参数和结构参数中选取设计变量， 根据国家标 准与经验数据表确立约束条件， 在工艺计算基础 上,建立起一套管壳式换热器多目标优化设计模 型； 利用非支 配排序差分进化算法对其多目标优 化设计模型进行求解， 得到这三个目标函数最优 的解集， 来以达到设计的换热器投资少 、 压降小、 换热能力大的目的， 同时设计者也可根据生成的 解集中根据实际设计要求选择最优的一组解集 作为设计方案 。 权利要求书2页 说明书5页 附图2页 CN 115408871 A 2022.11.29 CN 115408871 A 1.一种基于非支配排序差分进化算法的管壳式换热器多目标优化设计方法， 其特征在 于， 包括以下步骤： （1） 根据设计要求、 操作参数和物性 参数， 计算确定所需热负荷； （2） 建立换 热面积的目标函数 A=  式中： A——换热面积， m ² Q——热负荷， k W K——总传热系数， W/ （m ²·℃） ∆tm——平均温差， ℃ （3） 建立壳程压力降的目标函数 ∆Ps=(∆P1+∆P2)FsNs 式中： ∆Ps——壳程压力降， Pa ∆P1——流体横过 管束的压力降， Pa ∆P2——流体通过折 流板缺口 的压力降， Pa Fs——壳程压力降的结垢修 正系数， 无因次， 对液体可 取1.15； 对气体可 取1.0 Ns——壳程数 （4） 建立传热能力的目标函数 ε= = 式中 Wmin——两换热流体中热容 量较小流体的热容 量 NTU——传热单元数  （5） 以单弓形折流板换热器为结构模型， 在操作参数和结构参数中选取设计变量， 根 据国家标准与经验数据表确立约束条件； （6） 建立多目标优化模型， 以三个目标函数最小为最优解， 基于非支配排序差分进化算 法对所建立的多目标优化设计模型进行Pareto 最优求解， 得到最优解 集输出结果。 2.根据权利要求1所述的一种基于非支配排序差分进化算法的管壳式换热器多目标优 化设计方法， 其特征在于步骤 （1） 根据设计要求、 操作参数和物 性参数， 利用传热方程式， 计 算确定所需要的热负荷。 3.根据权利要求1所述的设计要求为所提出的根据实际情况的特殊要求， 操作参数和 物性参数为冷、 热流体进出口温度、 冷、 热流体的流量、 导热系数、 密度、 黏度、 污垢热阻、 普 朗特数。 4.根据权利要求1所述的结构参数可从单弓形折流板换热器的结构参数， 如换热管外 径、 管间距、 管程长度、 折流板间距、 折流板切口中心角、 管子数、 圆筒内径等选取参数作为 设计变量。 5.根据权利要求1所述的一种基于非支配排序差分进化算法的管壳式换热器多目标优 化设计方法， 其特征在于步骤 （2） 、 （3） 、 （4） 中 A= 、∆Ps=(∆P1+∆P2)FsNs、ε= = 这权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115408871 A 2三个目标函数需根据相关参数利用Kern法或者Bell ‑Delaware法进行工艺计算， 建立一套 以单弓型折 流板换热器为结构的多目标优化设计的数 学模型。 6.根据权利要求1所述的一种基于非支配排序差分进化算法的管壳式换热器多目标优 化设计方法， 其特征在于步骤 （5） 以单弓形折流板换热器为结构模型， 在操作参数和结构参 数中选取设计 变量， 需要根据国家标准与经验数据表确立约束条件， 对目标函数进行约束。 7.根据权利要求1所述的一种基于非支配排序差分进化算法的管壳式换热器多目标优 化设计方法， 其特征在于步骤 （6） 建立多目标优化模型， 以三个目标函数最小为最优解， 基 于非支配排序差分进化算法， 产生初始化种群， 经过差分进化算法的变异、 交叉选择操作 后， 进行Pareto非支配排序， 计算个体拥挤距离， 根据 精英选择策略， 选出最优的前N个个体 作为新父代， 进行迭代， 直至迭代次数 结束， 得到Pareto 最优解集， 输出结果。 8.根据权利要求1所述的一种基于非支配排序差分进化算法的管壳式换热器多目标优 化设计方法， 其 特征在于步骤 （3） ∆Ps=(∆P1+∆P2)FsNs以壳程压力降为目标函 数， 亦可以管 程压力降为目标函数。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115408871 A 3