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      基于遺傳算法的車輛用空調換熱器的優化

      點擊:1883 日期:[ 2014-04-26 22:05:53 ]
                                  基于遺傳算法的車輛用空調換熱器的優化                                        岳敏楠, 柳建華                         ( 上海理工大學 動力工程學院, 上海 200093)     摘要:針對轎車空調用冷凝器的特點, 在平行流冷凝器數學模型的基礎上, 建立了綜合考慮 換熱器體積和阻力的性能評價因子, 并將遺傳算法引入平行流冷凝器的結構優化中, 該方法通過 將冷凝器的結構參數轉化為遺傳算法中染色體, 通過種群進化實現換熱器結構的優化。最后對實 際車型冷凝器的計算, 達到了較好的設計結果。     關鍵詞:汽車空調; 冷凝器; 遺傳算法     中圖分類號:U464.333 文獻標識碼: A 文章編號: 1006- 8449( 2008) 04- 0006- 03     0 引言     換熱器是汽車空調的重要組成部分, 其性能的好 壞直接影響著汽車空調的制冷性能, 也影響汽車舒適 性。換熱器重量和體積在整個汽車空調系統中幾乎占 了一半。隨著現代汽車設計的緊湊性要求, 換熱器的 尺寸和重量需要大幅降低。但尺寸的降低導致流動阻 力的提高, 將影響汽車空調器的性能和汽車的能耗。 進行優化設計使汽車空調換熱器具有結構緊湊、換熱 效率高、重量輕、制冷劑側和空氣側流動阻力小、堅固 耐用、運行可靠等特性, 這對于降低汽車空調投資費 用、運行成本、減少空間占用均具有現實意義。 汽車空調用換熱器管材最早是全銅的, 現在大部 分是全鋁的。冷凝器的形式從管片式、管帶式逐漸向 平行流式發展。隨著制冷劑 R134a 的使用, 平行流式 冷凝器逐漸成為最具發展前途的結構形式[1]。 本文以平行流式冷凝器的設計為例, 在滿足換熱 效能的前提下, 建立綜合考慮冷凝器體積和流動阻力 的冷凝器性能評價因子, 并且引入遺傳算法, 對冷凝器 進行優化設計, 以改善汽車空調性能和降低冷凝器的體積。     1 平行流式冷凝器數學模型     平行流式冷凝器由管帶式演變而來, 由多孔扁管 和波紋型百葉窗翅片組成, 如圖 1 所示。但與管片式和管帶式冷凝器相比, 換熱性能得到進一步提高, 具有 換熱系數高、質量輕、結構緊湊、制冷劑充灌量少等優 點。因為平行流式冷凝器的扁管是每根截斷的, 兩端 有集流管, 依據集流管是否分段, 又可分為多元平流式 和單元平流式。多元平流式冷凝器集流管中有隔片打 斷, 每段管子數不同, 進入冷凝器時, 制冷劑呈氣態, 比 容最大, 管子數也最多, 隨著制冷劑逐漸冷凝成液體, 其比容減小, 管子數也相應減小。因此平流式冷凝器 制冷劑側流動阻力與管帶式相比大大降低, 僅為其 20%~30%[2], 同時又能保證制冷劑在兩相區的后半段 和過冷液體區有較高的流速和換熱系數, 從而總體傳 熱性能明顯提高。這種變流程設計, 使冷凝器有效容 積得到有效利用, 使制冷劑的流動和換熱情況更加合 理, 總換熱能力與管帶式相比可提高 30 %以上。而且在相同的迎風面積和冷卻條件下, 制冷劑冷凝溫度和 壓力相對降低, 解決了 HFC134a 冷凝壓力高的問題。                          平行流式冷凝器的數學模型如下[3]:     ( 1) 熱平衡方程            換熱器流道數和翅片間距、高度、厚度等結構參數 不僅決定了換熱器的外形尺寸, 換熱系數, 也影響了流 動阻力。在滿足換熱效能的前提下, 汽車冷凝器的設 計要求為外形尺寸小, 流動阻力小。評價換熱器性能的指標主要有換熱性能和阻力損失, 而汽車空調的體 積大小也是重要因素, 在滿足換熱量的條件下, 顯然阻 力引起的功耗和換熱器體積更為重要。因此本文建立 了冷凝器性能評價因子, 如下式所示:                      從式中可看出性能評價因子 , 越大, 換熱器性能 越好。     2 遺傳算法在冷凝器結構優化中的應用 遺傳算法是一種基于生物選擇與進化的隨機性搜 索算法, 它采用概率轉移率, 以一定的概率選擇部分個 體繁殖, 選一些個體滅亡, 從而將搜索引向解空間中最 可能獲得改進的區域。它適合求解非線性組合優化問 題。遺傳算法解決優化問題的穩定性和魯棒性比常規 優化算法好, 當然這是以計算量大幅度增加為代價的, 但由于計算機硬件技術的發展, 這已經不是制約因素。 遺傳算法從一組隨機產生的初始解, 即種群, 開始 搜索, 種群中每個個體是優化問題的一個解, 即染色 體。通過三個基本操作, 選擇、交叉、變異來實現種群的 進化, 遺傳算法通過適應度值來評價個體, 優勝劣汰, 建立全新種群[4]。                       根據換熱器結構參數中的每個變量類型、取值范 圍、變量精度要求來選取合適位數二進制碼分別對其 進行編碼, 將每個編碼按一定順序排列、連接組成染 色體。在冷凝器優化問題中, 包含的變量有: 扁管當量 直徑 De、扁管高度 D、管間距 Dg、翅片間距 Sp、翅片厚 度 δp、翅片高度 Hp、換熱器長度 L、換熱器寬度 W、換 熱器厚度 δT、制冷劑質量流量 G。換熱器的體積為: V= L?W?δT, 由此可以得到染色體結構為: P =[De, D, Dg, Sp, δp, Hp, L, δT, W], 而制冷劑質量流量 G 根據冷凝器的 換熱量要求, 由染色體表示冷凝器結構迭代計算得 到。在此結構基礎上, 通過計算性能評價因子 " 來評 價染色體的優劣, 性能評價因子越大, 染色體的適應 度值越高。在經過種群優勝劣汰的進化后, 具有最高 適應度值的染色體即是最佳的冷凝器結構。     本文算例取自通用汽車某車型汽車空調, 其設計 工況和要求見表 1。迭代計算框圖如圖 2 所示。                         計算過程中, 翅片高度、間距和厚度的范圍分別 為 5 ̄10mm、3 ̄5mm 和 0.4 ̄0.9mm 因子 " 中換熱器體 積 V 和制冷劑側阻力 Δp 的單位分別轉化為 cm3 和 kPa, 體積和阻力的權重系數分別取 0.6 和 0.4。利用遺 傳算法優化 100 代后結果見表 2。     優化后冷凝器的體積為 61cm3, 而阻力損失為 16kPa, 該冷凝器能同時保證體積與阻力損失。                       3 結語     本文在平行流冷凝器數學模型的基礎上, 提出了 冷凝器的性能評價因子。并用遺傳算法對平行流冷凝 器進行優化計算, 得到了如下結論: 評價換熱器性能的 指標主要有換熱性能和阻力損失, 而汽車空調的體積 大小也是重要因素, 在滿足換熱量的條件下, 顯然阻力 引起的功耗和換熱器體積更為重要。性能評價因子同 時考慮了換熱器的體積和制冷劑側阻力損失, 為獲得 結構性能優良的冷凝器提供了評價標準。遺傳算法能 有效對冷凝器的結構進行優化計算, 在滿足換熱效能 的前提下, 使得汽車冷凝器的設計外形尺寸及流動阻 力更小, 從而降低冷凝器體積, 改善汽車空調性能。     參考文獻:     [1] 陳孟湘. 汽車空調的發展( 二) [J]. 汽車與配件, 2002, 28: 24 ̄25.     [2] 包濤, 黃東, 董玉軍, 袁秀玲, 等. 平流式冷凝器與管片式冷凝器在冷 藏車中的應用比較分析[J]. 制冷空調與電力機械, 2005. 26( 101) : 25 ̄27.     [3] 龔堰玨, 張興群, 鄭維智, 項輝宇. 汽車空調平行流式冷凝器熱力性能 計算機輔助分析[J]. 北京工商大學學報, 2006, :24( 6) :22 ̄25.     [4] 王小平, 曹立明. 遺傳算法[M]. 西安: 西安交通大學出版社, 2004. 
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