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換熱器設備的設計方案多級可拓綜合評價

點擊:1702 日期:[ 2014-04-26 21:14:36 ]
                        換熱器設備的設計方案多級可拓綜合評價                        劉健鑫  崔漢國  代星  趙偲宇  李正民                      (海軍工程大學船舶與動力學院,湖北武漢430033)     摘要:為了更全面、系統、多層次地評價換熱器等設備的設計方案,基于可拓學理論,提出了換熱器設計方案多級可拓綜合評價指標體系,創建了換熱器設計方案多級可拓綜合評價模型,提出了換熱器設計方案多級可拓綜合評價方法。以管殼式換熱器的設計方案為例,對其進行了多級可拓綜合評價,實現了設計方案的評估與優選,并驗證了評價結果的客觀性與有效性。該評價方法具有可靠性高、實用性強等特點。     關鍵詞:換熱器設計方案;可拓理論;綜合評價     DOI: 10·3969/j·issn·0438-1157·2011·07·028     中圖分類號:TK 124      文獻標志碼:A    文章編號:0438-1157 (2011) 07-1970-07     引 言     換熱器是廣泛應用于石油、化工、動力、能源、冶金、航空、制冷、環保等多個工業部門的通用工藝設備,其性能的優劣將直接影響到整個換熱系統的用能過程、能耗等,如何對各種換熱器的設計方案進行全面、系統、多層次、合理的評價,一直是方案設計者和決策者面臨的重要問題,對換熱器的設計方案進行評價具有重要的意義。     換熱器設計方案的評價指標包括傳熱性能、阻力性能、力學性能、經濟性等,涉及熱力學、傳熱學、優化方法、材料學、結構力學、經濟學等多門學科和理論,現已發展出了多種評價方法。例如在換熱器的傳熱性能方面,早期的文獻采用能量系數作為評價指標,它反映了換熱器的運行能量消耗,從能量利用角度來考慮換熱器的熱性能,但它不能表達由于換熱過程的不可逆性引起的可用能損失;其他評價指標還有傳熱有效度、熱容量比以及傳熱單元數等,但這些指標把傳熱與阻力這兩大因素分開來考慮,且都沒有考慮到傳熱過程中能量質的損失; Webb等[1-2]以熱力學第一定律為基礎,提出了一套較完整的換熱器性能評價準則(PEC),即維持輸送功率、傳熱面積、傳熱負荷3個因素中的兩個因素不變,比較第三個因素的大小以評定其傳熱性能的優劣,但該準則未能區分傳熱量與動力消耗之間的能質差別,仍只是從能量利用的數量上來反映換熱器的性能,且評價指標瑣碎,有時甚至很難得出一個正確的結論;為了反映熱量交換過程能量在質量上的損失, Bejan[3-4]以熱力學第二定律為基礎考慮了換熱器中傳熱過程的不可逆性,提出了熵產單元數Ns的概念, Hesselgreaves[5]得出了熵產單元數的表達式,曾文良等[6]建立了熵平衡方程,余敏等[7]在上述理論的基礎上進行了換熱過程的熵產分析,指出了熵產單元數是換熱器熱力性能完善程度的評價指標,然而,熵產單元數是一個絕對值,很難對不同結構類型的換熱器進行性能比較與評價,在工程中缺乏實用性;還有文獻從其他方面來考慮,如分析法[8-9]從能量合理利用的角度來評價換熱器的性能,但不直觀,計算繁瑣;楊衛娟等[10]定義了表征換熱器換熱特性的3個參數θ、R、NTU,研究了它們對換熱器換熱性能的影響及相互作用,張金霞等[11]在采用傳熱效率、傳熱系數、壓力降等性能評價指標的基礎上,從能量質量方面建立了評價系統,王丹等[12]從壓力差、量綱1溫度、速度3個方面研究了幾種折流板管殼式換熱器模型的進出口段對于殼程流體流動與傳熱性能的影響,秦秋星等[13]以單臺換熱器作為評定單元,從設計、制造和使用管理等方面對換熱器能效進行了評定,但這些方法也均未涉及經濟性能等;寇蔚等[14]將套片式換熱器的性能設計計算、結構和強度計算、生成產品報價和繪制CAD結構圖功能結合在一起,實現了一體化的設計,流程灰靶法[15]和熱經濟分析法[16]除了評價換熱器傳熱性能和阻力性能以外,同時綜合經濟性能和社會效應等,評價結果較為完善,但其牽涉面很廣,比較復雜,在國內尚未在工程設計中正式使用。綜上所述,現有的評價方法都不能高效地對換熱器的設計方案進行全面、系統、多層次、合理的評價。     為了對換熱器等設備的設計方案進行全面、系統、多層次、合理的評價,本文基于可拓學理論,提出了換熱器設計方案的多級可拓綜合評價指標體系,通過對物元模型的分析,構建了換熱器設計方案多級可拓綜合評價模型,提出了換熱器設計方案多級可拓綜合評價方法。     1·換熱器設計方案多級可拓綜合評價指標體系的構建     建立一套全面、系統、多層次、合理的換熱器設計方案的評價指標體系是對換熱器設計方案進行綜合評價的關鍵。由于換熱器的設計方案受多個因素的影響,且各因素之間既互相聯系又互相制約,因此,對換熱器的設計方案進行評價需要綜合考慮多種因素。本文依據換熱器設計方案的設計流程及其特征,遵循科學性、全面性、系統性、層次性、可比性以及定性與定量相結合等原則,圍繞有利于方案評價的嚴密性、實用性、可操作性等,同時兼顧評價指標的科學性、評價指標間的獨立性等,提出了一套由7個一級指標(傳熱性能heat transferperformance、阻力性能pressure drop perform-ance、力學性能mechanical performance、安全可靠性能safety and reliability performance、經濟性能economic performance、結構性能structuralperformance、生產周期production cycle perform-ance)組成的準則層(criterion layer)和21個二級指標(傳熱面積heat transfer areas、平均溫差mean temperature difference、傳熱系數heat trans-fer coefficient、流體流速fluid velocity、管程壓力降tube side pressure loss、殼程壓力降shell sidepressure loss、許用應力allowable stress、附加量allowance、設計壓力design pressure、焊縫系數weld joint factor、防漏性lost circulation resist-ance、防蝕損性corrosion resistance、抗垢性anticorrosion、生產及安裝費用manufacture and in-stallation cost、設備使用折舊費用depreciationcost、維修及日常維護費用maintenance cost、其他費用other cost、體積volume、質量mass、研發設計周期design cycle、機械加工周期processingcycle)組成的指標層(indexes layer)組成的換熱器設計方案多級可拓綜合評價指標體系,如表1所示。     該指標體系是一個動態的指標集合,可根據設計者和方案決策者的經驗、工藝生產的實際情況、不同工況的特殊要求、不同用戶的需求等作出相應的補充和調整。     2·換熱器設計方案多級可拓綜合評價方法     2·1換熱器設計方案多級可拓綜合評價的物元模型的建立換熱器設計方案評價的兩大特征是:     (1)換熱器設計方案的評價指標多為定性指標;     (2)換熱器設計方案的評價問題是復雜的多目標決策問題。     可拓工程即是把可拓論和可拓方法應用于管理與決策、人工智能與計算機、控制與檢測等領域的技術與方法。可拓工程中的可拓模型是以基元為邏輯細胞建立的模型,它適合于描述解決矛盾問題的過程,是把定性方法和定量方法相結合的一種方法,并具有一定的非封閉性[17]。本文將可拓工程相關理論[18-19]應用于換熱器設計方案的評價過程中,在建立了換熱器設計方案的多級可拓綜合評價指標體系的基礎上創建了換熱器設計方案多級可拓綜合評價的物元模型,將評價指標的定性與定量結合起來,將原來定性描述事物性質的問題轉化為定量描述事物性質的問題。物元模型是對換熱器設計方案進行多級可拓綜合評價的基礎。     換熱器設計方案多級可拓綜合評價的n(n=7)維一級物元模型可用R0表示                 2·2 換熱器設計方案多級可拓綜合評價的經典域、節域的確定     根據國內外標準以及日常管理中積累的數據資料,綜合數據庫、專家意見等,本文將換熱器設計方案的每一個評價指標分為合格、中、良、優4個等級。設換熱器設計方案評價準則層的評價準則有p(p=4)個評價等級,則換熱器設計方案綜合評價關于第j(j=1, 2,…,p)個評價等級的n維一級物元模型可用R0表示                 同理,換熱器設計方案綜合評價的m維二級物元模型的表示及其經典域和節域的確定亦可類似表示。     根據日常管理中積累的數據資料,綜合數據庫、專家意見等,本文在換熱器設計方案綜合評價的準則層、指標層的各等級上確定了相應的經典域。為了避免在計算關聯度時由于節域取值不合理而導致中間等級與兩端等級關聯度偏差過大,本文將準則層、指標層的各等級的所有經典域中的最小值與最大值定義為相應準則層、指標層節域的最小值與最大值。     2·3換熱器設計方案多級可拓綜合評價權值的確定     通過對各種主客觀賦權值法的分析和比較,本文采用層次分析法[20]對多數評價指標為定性指標的換熱器設計方案多級可拓綜合評價指標體系進行賦權值。層次分析法的基本思路是把系統各因素之間的隸屬關系從高到低排成若干層次,并建立不同層次元素之間的相互關系,根據對一定客觀現實的判斷,利用數學方法,確定每一層次全部元素相對重要性次序權重,通過排序結果,對問題進行分析和決策。設換熱器設計方案多級可拓綜合評價的準則層的第i個準則的權值用ai(i=1, 2,…,n)表示:          設換熱器設計方案多級可拓綜合評價的第h個準則的第k個指標的權值用ahk(h=1, 2,…,n;k=1, 2,…,m)表示,          2·4換熱器設計方案多級可拓綜合評價的關聯函數、隸屬度及評價等級的確定     換熱器設計方案多級可拓綜合評價的n(n=7)維一級物元模型關于第j(j=1, 2,…,p)個評價等級的關聯函數可表示為:                   同理,換熱器設計方案多級可拓綜合評價的m維二級物元模型關于第j(j=1, 2,…,p)個評價等級的關聯函數、關于等級j(j=1, 2,…,p)的關聯度以及評價等級的確定亦可類似表示。     3·評價實例     本文以某企業管殼式換熱器的方案設計為例,對管殼式換熱器設計了A、B、C 3種方案,其換熱器設計方案各指標的相關量如表2所示,其中,R1、R2、R3、R4分別表示合格、中、良、優4個等級及其經典域,Rp表示準則或指標的節域。對A、B、C 3個方案進行了多級可拓綜合評價,將評定結果與各等級集合的綜合關聯度進行比較,獲得了不同準則各自的評價等級以及設計方案總體的評價等級,由于篇幅有限,僅列出換熱器設計方案A的二級指標關聯函數如表3所示,換熱器設計方案A的一級指標相關量如表4所示,方案A、B、C各指標評價等級如表5所示,方案A、B、C的各等級隸屬程度與評價結果如表6所示。                                從表6中的評價結果可以看出,換熱器設計方案A、B、C的多級可拓綜合評價結果分別為良、中、中,專家對3種方案的實際評價排名以及文獻[11]從能量質量方面建立的評價系統得到的評價排名依次為一、二、三,綜合考慮可知方案A為最佳方案。分析其原因,由表5可以看出,方案A在傳熱性能、力學性能、安全可靠性能、經濟性能、生產周期方面較其他兩個方案更優,并且它在阻力性能、結構性能方面的評價等級并不亞于方案B、C,同時,從表4中可以看出,設計方案評價中的傳熱性能、經濟性能、安全可靠性能是影響換熱器設計方案評價的更重要指標,綜合評價認為方案A為相對最優方案。但是,方案A在阻力性能、結構性能方面還有較大的改進空間,可以從流體流速、管程壓力降、殼程壓力降、體積、質量的控制等方面進行優化。在實際操作時,具體的優化指標可根據設計者和方案決策者的經驗、工藝生產的實際情況、不同工況的特殊要求、不同用戶的需求等進行相應的補充和調整。采用本文的評價方法得到的換熱器設計方案評定名次結果與專家在實際情況下得出的結論以及文獻[11]從能量質量方面建立的評價系統得到的評價排名是一致的。     4·結 論     為了更好地對換熱器等設備的設計方案進行綜合、系統、多層次、合理的評價,基于可拓學理論,本文提出了換熱器設計方案的多級可拓綜合評價指標體系。在此基礎上,通過對物元模型的分析,創建了換熱器設計方案的多級可拓綜合評價模型,綜合數據庫、專家意見等,確定了評價模型中的經典域與節域,采用層次分析法對評價指標進行賦權值,確定了關聯函數、隸屬度及評價標準,提出了換熱器設計方案多級可拓綜合評價方法。     以管殼式換熱器的設計方案為例,在傳熱性、可靠性、經濟性、生產周期等性能的基礎上,采用以傳熱性能、經濟性等為核心,對其進行了多級可拓綜合評價,并獲得了不同準則各自的評價等級以及設計方案總體的評價等級,實現了設計方案的評估和優選,確定了方案的薄弱環節,為進一步完善設計方案提供了依據,并驗證了評價結果的客觀性和有效性。     本文雖以管殼式換熱器為研究對象,但其思想及分析方法同樣適用于其他形式的換熱器。該評價方法具有可靠性高、實用性強等特點,為多目標、多層次的工藝方案的智能決策提供了新的方法和依據。     參考文獻:略
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