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换热器设备的设计方案多级可拓综合评价点击：2202 日期：[ 2014-04-26 21:14:36 ] |
| 换热器设备的设计方案多级可拓综合评价 刘健鑫 崔汉国 代星 赵偲宇 李正民 (海军工程大学船舶与动力学院,湖北武汉430033) 摘要：为了更全面、系统、多层次地评价换热器等设备的设计方案,基于可拓学理论,提出了换热器设计方案多级可拓综合评价指标体系,创建了换热器设计方案多级可拓综合评价模型,提出了换热器设计方案多级可拓综合评价方法。以管壳式换热器的设计方案为例,对其进行了多级可拓综合评价,实现了设计方案的评估与优选,并验证了评价结果的客观性与有效性。该评价方法具有可靠性高、实用性强等特点。 关键词：换热器设计方案;可拓理论;综合评价 DOI: 10·3969/j·issn·0438-1157·2011·07·028 中图分类号：TK 124 文献标志码：A 文章编号：0438-1157 (2011) 07-1970-07 引 言 换热器是广泛应用于石油、化工、动力、能源、冶金、航空、制冷、环保等多个工业部门的通用工艺设备,其性能的优劣将直接影响到整个换热系统的用能过程、能耗等,如何对各种换热器的设计方案进行全面、系统、多层次、合理的评价,一直是方案设计者和决策者面临的重要问题,对换热器的设计方案进行评价具有重要的意义。 换热器设计方案的评价指标包括传热性能、阻力性能、力学性能、经济性等,涉及热力学、传热学、优化方法、材料学、结构力学、经济学等多门学科和理论,现已发展出了多种评价方法。例如在换热器的传热性能方面,早期的文献采用能量系数作为评价指标,它反映了换热器的运行能量消耗,从能量利用角度来考虑换热器的热性能,但它不能表达由于换热过程的不可逆性引起的可用能损失;其他评价指标还有传热有效度、热容量比以及传热单元数等,但这些指标把传热与阻力这两大因素分开来考虑,且都没有考虑到传热过程中能量质的损失; Webb等[1-2]以热力学第一定律为基础,提出了一套较完整的换热器性能评价准则(PEC),即维持输送功率、传热面积、传热负荷3个因素中的两个因素不变,比较第三个因素的大小以评定其传热性能的优劣,但该准则未能区分传热量与动力消耗之间的能质差别,仍只是从能量利用的数量上来反映换热器的性能,且评价指标琐碎,有时甚至很难得出一个正确的结论;为了反映热量交换过程能量在质量上的损失, Bejan[3-4]以热力学第二定律为基础考虑了换热器中传热过程的不可逆性,提出了熵产单元数Ns的概念, Hesselgreaves[5]得出了熵产单元数的表达式,曾文良等[6]建立了熵平衡方程,余敏等[7]在上述理论的基础上进行了换热过程的熵产分析,指出了熵产单元数是换热器热力性能完善程度的评价指标,然而,熵产单元数是一个绝对值,很难对不同结构类型的换热器进行性能比较与评价,在工程中缺乏实用性;还有文献从其他方面来考虑,如分析法[8-9]从能量合理利用的角度来评价换热器的性能,但不直观,计算繁琐;杨卫娟等[10]定义了表征换热器换热特性的3个参数θ、R、NTU,研究了它们对换热器换热性能的影响及相互作用,张金霞等[11]在采用传热效率、传热系数、压力降等性能评价指标的基础上,从能量质量方面建立了评价系统,王丹等[12]从压力差、量纲1温度、速度3个方面研究了几种折流板管壳式换热器模型的进出口段对于壳程流体流动与传热性能的影响,秦秋星等[13]以单台换热器作为评定单元,从设计、制造和使用管理等方面对换热器能效进行了评定,但这些方法也均未涉及经济性能等;寇蔚等[14]将套片式换热器的性能设计计算、结构和强度计算、生成产品报价和绘制CAD结构图功能结合在一起,实现了一体化的设计,流程灰靶法[15]和热经济分析法[16]除了评价换热器传热性能和阻力性能以外,同时综合经济性能和社会效应等,评价结果较为完善,但其牵涉面很广,比较复杂,在国内尚未在工程设计中正式使用。综上所述,现有的评价方法都不能高效地对换热器的设计方案进行全面、系统、多层次、合理的评价。 为了对换热器等设备的设计方案进行全面、系统、多层次、合理的评价,本文基于可拓学理论,提出了换热器设计方案的多级可拓综合评价指标体系,通过对物元模型的分析,构建了换热器设计方案多级可拓综合评价模型,提出了换热器设计方案多级可拓综合评价方法。 1·换热器设计方案多级可拓综合评价指标体系的构建 建立一套全面、系统、多层次、合理的换热器设计方案的评价指标体系是对换热器设计方案进行综合评价的关键。由于换热器的设计方案受多个因素的影响,且各因素之间既互相联系又互相制约,因此,对换热器的设计方案进行评价需要综合考虑多种因素。本文依据换热器设计方案的设计流程及其特征,遵循科学性、全面性、系统性、层次性、可比性以及定性与定量相结合等原则,围绕有利于方案评价的严密性、实用性、可操作性等,同时兼顾评价指标的科学性、评价指标间的独立性等,提出了一套由7个一级指标(传热性能heat transferperformance、阻力性能pressure drop perform-ance、力学性能mechanical performance、安全可靠性能safety and reliability performance、经济性能economic performance、结构性能structuralperformance、生产周期production cycle perform-ance)组成的准则层(criterion layer)和21个二级指标(传热面积heat transfer areas、平均温差mean temperature difference、传热系数heat trans-fer coefficient、流体流速fluid velocity、管程压力降tube side pressure loss、壳程压力降shell sidepressure loss、许用应力allowable stress、附加量allowance、设计压力design pressure、焊缝系数weld joint factor、防漏性lost circulation resist-ance、防蚀损性corrosion resistance、抗垢性anticorrosion、生产及安装费用manufacture and in-stallation cost、设备使用折旧费用depreciationcost、维修及日常维护费用maintenance cost、其他费用other cost、体积volume、质量mass、研发设计周期design cycle、机械加工周期processingcycle)组成的指标层(indexes layer)组成的换热器设计方案多级可拓综合评价指标体系,如表1所示。 该指标体系是一个动态的指标集合,可根据设计者和方案决策者的经验、工艺生产的实际情况、不同工况的特殊要求、不同用户的需求等作出相应的补充和调整。 2·换热器设计方案多级可拓综合评价方法 2·1换热器设计方案多级可拓综合评价的物元模型的建立换热器设计方案评价的两大特征是: (1)换热器设计方案的评价指标多为定性指标; (2)换热器设计方案的评价问题是复杂的多目标决策问题。 可拓工程即是把可拓论和可拓方法应用于管理与决策、人工智能与计算机、控制与检测等领域的技术与方法。可拓工程中的可拓模型是以基元为逻辑细胞建立的模型,它适合于描述解决矛盾问题的过程,是把定性方法和定量方法相结合的一种方法,并具有一定的非封闭性[17]。本文将可拓工程相关理论[18-19]应用于换热器设计方案的评价过程中,在建立了换热器设计方案的多级可拓综合评价指标体系的基础上创建了换热器设计方案多级可拓综合评价的物元模型,将评价指标的定性与定量结合起来,将原来定性描述事物性质的问题转化为定量描述事物性质的问题。物元模型是对换热器设计方案进行多级可拓综合评价的基础。 换热器设计方案多级可拓综合评价的n(n=7)维一级物元模型可用R0表示 2·2 换热器设计方案多级可拓综合评价的经典域、节域的确定 根据国内外标准以及日常管理中积累的数据资料,综合数据库、专家意见等,本文将换热器设计方案的每一个评价指标分为合格、中、良、优4个等级。设换热器设计方案评价准则层的评价准则有p(p=4)个评价等级,则换热器设计方案综合评价关于第j(j=1, 2,…,p)个评价等级的n维一级物元模型可用R0表示 同理,换热器设计方案综合评价的m维二级物元模型的表示及其经典域和节域的确定亦可类似表示。 根据日常管理中积累的数据资料,综合数据库、专家意见等,本文在换热器设计方案综合评价的准则层、指标层的各等级上确定了相应的经典域。为了避免在计算关联度时由于节域取值不合理而导致中间等级与两端等级关联度偏差过大,本文将准则层、指标层的各等级的所有经典域中的最小值与最大值定义为相应准则层、指标层节域的最小值与最大值。 2·3换热器设计方案多级可拓综合评价权值的确定 通过对各种主客观赋权值法的分析和比较,本文采用层次分析法[20]对多数评价指标为定性指标的换热器设计方案多级可拓综合评价指标体系进行赋权值。层次分析法的基本思路是把系统各因素之间的隶属关系从高到低排成若干层次,并建立不同层次元素之间的相互关系,根据对一定客观现实的判断,利用数学方法,确定每一层次全部元素相对重要性次序权重,通过排序结果,对问题进行分析和决策。设换热器设计方案多级可拓综合评价的准则层的第i个准则的权值用ai(i=1, 2,…,n)表示： 设换热器设计方案多级可拓综合评价的第h个准则的第k个指标的权值用ahk(h=1, 2,…,n;k=1, 2,…,m)表示, 2·4换热器设计方案多级可拓综合评价的关联函数、隶属度及评价等级的确定 换热器设计方案多级可拓综合评价的n(n=7)维一级物元模型关于第j(j=1, 2,…,p)个评价等级的关联函数可表示为： 同理,换热器设计方案多级可拓综合评价的m维二级物元模型关于第j(j=1, 2,…,p)个评价等级的关联函数、关于等级j(j=1, 2,…,p)的关联度以及评价等级的确定亦可类似表示。 3·评价实例 本文以某企业管壳式换热器的方案设计为例,对管壳式换热器设计了A、B、C 3种方案,其换热器设计方案各指标的相关量如表2所示,其中,R1、R2、R3、R4分别表示合格、中、良、优4个等级及其经典域,Rp表示准则或指标的节域。对A、B、C 3个方案进行了多级可拓综合评价,将评定结果与各等级集合的综合关联度进行比较,获得了不同准则各自的评价等级以及设计方案总体的评价等级,由于篇幅有限,仅列出换热器设计方案A的二级指标关联函数如表3所示,换热器设计方案A的一级指标相关量如表4所示,方案A、B、C各指标评价等级如表5所示,方案A、B、C的各等级隶属程度与评价结果如表6所示。 从表6中的评价结果可以看出,换热器设计方案A、B、C的多级可拓综合评价结果分别为良、中、中,专家对3种方案的实际评价排名以及文献[11]从能量质量方面建立的评价系统得到的评价排名依次为一、二、三,综合考虑可知方案A为最佳方案。分析其原因,由表5可以看出,方案A在传热性能、力学性能、安全可靠性能、经济性能、生产周期方面较其他两个方案更优,并且它在阻力性能、结构性能方面的评价等级并不亚于方案B、C,同时,从表4中可以看出,设计方案评价中的传热性能、经济性能、安全可靠性能是影响换热器设计方案评价的更重要指标,综合评价认为方案A为相对最优方案。但是,方案A在阻力性能、结构性能方面还有较大的改进空间,可以从流体流速、管程压力降、壳程压力降、体积、质量的控制等方面进行优化。在实际操作时,具体的优化指标可根据设计者和方案决策者的经验、工艺生产的实际情况、不同工况的特殊要求、不同用户的需求等进行相应的补充和调整。采用本文的评价方法得到的换热器设计方案评定名次结果与专家在实际情况下得出的结论以及文献[11]从能量质量方面建立的评价系统得到的评价排名是一致的。 4·结 论 为了更好地对换热器等设备的设计方案进行综合、系统、多层次、合理的评价,基于可拓学理论,本文提出了换热器设计方案的多级可拓综合评价指标体系。在此基础上,通过对物元模型的分析,创建了换热器设计方案的多级可拓综合评价模型,综合数据库、专家意见等,确定了评价模型中的经典域与节域,采用层次分析法对评价指标进行赋权值,确定了关联函数、隶属度及评价标准,提出了换热器设计方案多级可拓综合评价方法。 以管壳式换热器的设计方案为例,在传热性、可靠性、经济性、生产周期等性能的基础上,采用以传热性能、经济性等为核心,对其进行了多级可拓综合评价,并获得了不同准则各自的评价等级以及设计方案总体的评价等级,实现了设计方案的评估和优选,确定了方案的薄弱环节,为进一步完善设计方案提供了依据,并验证了评价结果的客观性和有效性。 本文虽以管壳式换热器为研究对象,但其思想及分析方法同样适用于其他形式的换热器。该评价方法具有可靠性高、实用性强等特点,为多目标、多层次的工艺方案的智能决策提供了新的方法和依据。 参考文献：略 |
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