基于集合修剪法的多场景下管壳式换热器全局优化设计研究

本文创新性地将集合修剪法（Set Trimming）应用于双壳程管壳式换热器（STHX）的全局优化设计，提出自动化串并联布置程序，以最小传热面积和年总成本（TAC）为目标函数，解决了传统设计中温度修正系数（F）低、处理量不足等工业痛点。通过建立完整数学模型并验证双壳程STHX在高压降场景的优越性，为工业节能提供新思路。

　　

Highlight

本文提出三大创新贡献：1）首次将集合修剪算法应用于双壳程管壳式换热器设计，通过逐步修剪不可行解（如壳径/管长比、雷诺数等约束）快速锁定全局最优解；2）开发自动化串并联设计程序，根据物流参数动态调整流程布置（图2）；3）建立双壳程STHX完整数学模型，验证其在高_F值场景的显著优势。

换热器模型与不等式约束

基于固定管板式无相变STHX假设，建立包含总传热系数（_U）、对数平均温差（LMTD）等参数的数学模型。核心约束包括：壳侧/管程压降Δ_P≤50 kPa、温度修正系数_F>0.75，通过集合修剪法逐层筛选可行解。

单/双壳程换热器案例研究

如表2-3所示，以11%冗余面积、1.65 mm管壁厚度为条件进行优化。双壳程STHX在高压降场景下展现显著优势：当Δ_P≤30 kPa时，其TAC较单壳程降低18.7%，_F值提升至0.92（表5）。

自动化串并联设计

针对大流量工况（表10），程序自动触发并联设计：将冷流分两路（流量各50%）并联处理，最终方案满足Δ_P≤25 kPa约束，TAC节省22.3%（表11）。该功能有效解决了传统人工布置效率低下的问题。

Conclusions

研究表明：1）独立布置时，双壳程STHX在Δ_P≤40 kPa场景下更具经济性；2）大流量场景需采用串并联组合，程序可自动生成最优拓扑；3）集合修剪法计算效率较传统算法提升15倍，且100%保证全局最优性。