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1.4 国内外近年来的研究进展与主要成果
1.4.1 新型换热器
换热器在国民经济和化工生产领域中对产品质量、能量利用率以及系统经济性，可靠性起着举足轻重的作用。因此开发新型高效和结构紧凑的换热器是目前换热器研究的一个重要方向。因此，几十年来。高效换热器的开发与研究始终是人们关注的 课题，国内外先后产生了一系列新型高效换热器。当今换热器技术的发展以CFD（Computational Fluid Dynamics）、模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成了一个高技术体系。随着工艺装置的大型化和高效率化，换热器也趋于大型化，国内首台超大型管壳式换热器（E一6111型）已经通过最终检查和验收。该换热器尺寸庞大，结构复杂，是首台国内自主研制的超大型固定管板式换热器，其成功研制打破了国外长期对大型换热器的垄断格局，大大提高了我国石化装备制造业的创新能力，推进了我国每年100万吨乙烯成套装备国产化的进程。同时，各国为了满足工艺装置的高效率化，根据不同的工艺条件与换热工况设计制造了不同结构形式的新型换热器，并已在化工、炼油、石油化工、制冷、空分及制药各行业得到应用与推广，取得了较大的经济效益。例如，国外推出的新型换热器有：ABB公司的螺旋折流板换热器（HelixchangerTM）；瑞典Allares公司的麻花扁管换热器；法国Secatnen公司开发，CacDregamont 设计、制造的PACKINOX 板壳式换热器；英国CalGavinLtd.公司开发HiTRAN绕丝花环换热器等等，这些新型换热器均改进和提高了换热器的传热效率和性能，使企业节省了投资、节约了能源并且提高了生产能力。在换热器设中，因管壳式换热器具有结构坚固、可靠性高、适应性大、材料范围广等优点而被广泛应用，它在化工、炼油、热能动力等工业行业中，是一种通用性的过程设备。无论是国内还是国外，管壳式换热器仍占换热设备的主导地位，在广大的工业部门，管壳式换热器占整个换热器投资的50%～70%。
1.4.2 管壳式换热器的优化
管壳式换热器具有悠久的使用历史，它被广泛应用于能源、石油、化工等部门所使用的换热设备中，对其进行优化设计，降低制造、运行费用具有重要意义。传统的管壳式换热器的设计方法是根据给定的换热器要求，设计出可以满足该要求 并符合几何和运行约束条件的换热器，这种方法不仅耗时而且不能保证设计结果为优化解。长期以来，不少学者对管壳式换热器的优化设计进行了研究，取得了一定的成果。文献中采用管侧和壳侧换热系数作为独立变量对换热器进行优化设计，由于优化过程 中只有两个独立变量，所得的优化结果只是在二文空间中的优化解。在换热器优化设计过程中如果考虑的角度不同，优化目标不同，进而选取系统的独立变量也将会不同， 最后将会得到不同的优化结果。文献中以管 壳式换热器的熵增最小作为优化目标函数，文献中以管壳式换热器的体积和传热过程压降损失作为优他目标，这些优化目标函数的选取针对一些具体问题是合适的。但是，对于能源、石化行业，直接以换热器经济性指标作为优化目标函数的优化更具有吸引性。为此，本文选用换热器运行年费用作为优化目标函数进行分析研究。管壳式换热器是一个典型的多变量、非线性系统，而且换热器的设计和运行有很多约束条件，对其进行的优化设计是一个有约束非线性优化问题。传统的有约束非线性优化方法，例如转动坐标轴直接搜索可行方向法，可以用于管壳式换热器的优化设计，但该方法流程复杂，而且不宜于寻找问题的全局最优解 。近年来，各种人工智能优化算法被广泛应用于换热器的优化设计，取得了很好的效果。遗传算法是一种模拟自然界中生物遗传与进化的智能算法，具有高度并行、随机、全局搜索以及自适应的特点，因此应用遗传算法，以管壳式换热器的运行年费用最小为优化目标，便可优化设计一个两级管壳式换热器。