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基于遗传算法的车辆用空调换热器的优化点击：2121 日期：[ 2014-04-26 22:05:53 ] |
| 基于遗传算法的车辆用空调换热器的优化 岳敏楠, 柳建华 ( 上海理工大学 动力工程学院, 上海 200093) 摘要：针对轿车空调用冷凝器的特点, 在平行流冷凝器数学模型的基础上, 建立了综合考虑 换热器体积和阻力的性能评价因子, 并将遗传算法引入平行流冷凝器的结构优化中, 该方法通过 将冷凝器的结构参数转化为遗传算法中染色体, 通过种群进化实现换热器结构的优化。最后对实 际车型冷凝器的计算, 达到了较好的设计结果。 关键词：汽车空调; 冷凝器; 遗传算法 中图分类号：U464.333 文献标识码: A 文章编号: 1006- 8449( 2008) 04- 0006- 03 0 引言 换热器是汽车空调的重要组成部分, 其性能的好 坏直接影响着汽车空调的制冷性能, 也影响汽车舒适 性。换热器重量和体积在整个汽车空调系统中几乎占 了一半。随着现代汽车设计的紧凑性要求, 换热器的 尺寸和重量需要大幅降低。但尺寸的降低导致流动阻 力的提高, 将影响汽车空调器的性能和汽车的能耗。 进行优化设计使汽车空调换热器具有结构紧凑、换热 效率高、重量轻、制冷剂侧和空气侧流动阻力小、坚固 耐用、运行可靠等特性, 这对于降低汽车空调投资费 用、运行成本、减少空间占用均具有现实意义。 汽车空调用换热器管材最早是全铜的, 现在大部 分是全铝的。冷凝器的形式从管片式、管带式逐渐向 平行流式发展。随着制冷剂 R134a 的使用, 平行流式 冷凝器逐渐成为最具发展前途的结构形式[1]。 本文以平行流式冷凝器的设计为例, 在满足换热 效能的前提下, 建立综合考虑冷凝器体积和流动阻力 的冷凝器性能评价因子, 并且引入遗传算法, 对冷凝器 进行优化设计, 以改善汽车空调性能和降低冷凝器的体积。 1 平行流式冷凝器数学模型 平行流式冷凝器由管带式演变而来, 由多孔扁管 和波纹型百叶窗翅片组成, 如图 1 所示。但与管片式和管带式冷凝器相比, 换热性能得到进一步提高, 具有 换热系数高、质量轻、结构紧凑、制冷剂充灌量少等优 点。因为平行流式冷凝器的扁管是每根截断的, 两端 有集流管, 依据集流管是否分段, 又可分为多元平流式 和单元平流式。多元平流式冷凝器集流管中有隔片打 断, 每段管子数不同, 进入冷凝器时, 制冷剂呈气态, 比 容最大, 管子数也最多, 随着制冷剂逐渐冷凝成液体, 其比容减小, 管子数也相应减小。因此平流式冷凝器 制冷剂侧流动阻力与管带式相比大大降低, 仅为其 20%～30%[2], 同时又能保证制冷剂在两相区的后半段 和过冷液体区有较高的流速和换热系数, 从而总体传 热性能明显提高。这种变流程设计, 使冷凝器有效容 积得到有效利用, 使制冷剂的流动和换热情况更加合 理, 总换热能力与管带式相比可提高 30 %以上。而且在相同的迎风面积和冷却条件下, 制冷剂冷凝温度和 压力相对降低, 解决了 HFC134a 冷凝压力高的问题。 平行流式冷凝器的数学模型如下[3]: ( 1) 热平衡方程 换热器流道数和翅片间距、高度、厚度等结构参数 不仅决定了换热器的外形尺寸, 换热系数, 也影响了流 动阻力。在满足换热效能的前提下, 汽车冷凝器的设 计要求为外形尺寸小, 流动阻力小。评价换热器性能的指标主要有换热性能和阻力损失, 而汽车空调的体 积大小也是重要因素, 在满足换热量的条件下, 显然阻 力引起的功耗和换热器体积更为重要。因此本文建立 了冷凝器性能评价因子, 如下式所示: 从式中可看出性能评价因子 , 越大, 换热器性能 越好。 2 遗传算法在冷凝器结构优化中的应用 遗传算法是一种基于生物选择与进化的随机性搜 索算法, 它采用概率转移率, 以一定的概率选择部分个 体繁殖, 选一些个体灭亡, 从而将搜索引向解空间中最 可能获得改进的区域。它适合求解非线性组合优化问 题。遗传算法解决优化问题的稳定性和鲁棒性比常规 优化算法好, 当然这是以计算量大幅度增加为代价的, 但由于计算机硬件技术的发展, 这已经不是制约因素。 遗传算法从一组随机产生的初始解, 即种群, 开始 搜索, 种群中每个个体是优化问题的一个解, 即染色 体。通过三个基本操作, 选择、交叉、变异来实现种群的 进化, 遗传算法通过适应度值来评价个体, 优胜劣汰, 建立全新种群[4]。 根据换热器结构参数中的每个变量类型、取值范 围、变量精度要求来选取合适位数二进制码分别对其 进行编码, 将每个编码按一定顺序排列、连接组成染 色体。在冷凝器优化问题中, 包含的变量有: 扁管当量 直径 De、扁管高度 D、管间距 Dg、翅片间距 Sp、翅片厚 度 δp、翅片高度 Hp、换热器长度 L、换热器宽度 W、换 热器厚度 δT、制冷剂质量流量 G。换热器的体积为: V= L?W?δT, 由此可以得到染色体结构为: P =[De, D, Dg, Sp, δp, Hp, L, δT, W], 而制冷剂质量流量 G 根据冷凝器的 换热量要求, 由染色体表示冷凝器结构迭代计算得 到。在此结构基础上, 通过计算性能评价因子 " 来评 价染色体的优劣, 性能评价因子越大, 染色体的适应 度值越高。在经过种群优胜劣汰的进化后, 具有最高 适应度值的染色体即是最佳的冷凝器结构。 本文算例取自通用汽车某车型汽车空调, 其设计 工况和要求见表 1。迭代计算框图如图 2 所示。 计算过程中, 翅片高度、间距和厚度的范围分别 为 5￣10mm、3￣5mm 和 0.4￣0.9mm 因子 " 中换热器体 积 V 和制冷剂侧阻力 Δp 的单位分别转化为 cm3 和 kPa, 体积和阻力的权重系数分别取 0.6 和 0.4。利用遗 传算法优化 100 代后结果见表 2。 优化后冷凝器的体积为 61cm3, 而阻力损失为 16kPa, 该冷凝器能同时保证体积与阻力损失。 3 结语 本文在平行流冷凝器数学模型的基础上, 提出了 冷凝器的性能评价因子。并用遗传算法对平行流冷凝 器进行优化计算, 得到了如下结论: 评价换热器性能的 指标主要有换热性能和阻力损失, 而汽车空调的体积 大小也是重要因素, 在满足换热量的条件下, 显然阻力 引起的功耗和换热器体积更为重要。性能评价因子同 时考虑了换热器的体积和制冷剂侧阻力损失, 为获得 结构性能优良的冷凝器提供了评价标准。遗传算法能 有效对冷凝器的结构进行优化计算, 在满足换热效能 的前提下, 使得汽车冷凝器的设计外形尺寸及流动阻 力更小, 从而降低冷凝器体积, 改善汽车空调性能。 参考文献: [1] 陈孟湘. 汽车空调的发展( 二) [J]. 汽车与配件, 2002, 28: 24￣25. [2] 包涛, 黄东, 董玉军, 袁秀玲, 等. 平流式冷凝器与管片式冷凝器在冷 藏车中的应用比较分析[J]. 制冷空调与电力机械, 2005. 26( 101) : 25￣27. [3] 龚堰珏, 张兴群, 郑维智, 项辉宇. 汽车空调平行流式冷凝器热力性能 计算机辅助分析[J]. 北京工商大学学报, 2006, :24( 6) :22￣25. [4] 王小平, 曹立明. 遗传算法[M]. 西安: 西安交通大学出版社, 2004. |
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