换热器是一种可以将流体热量通过一定的传热方式传递给其它流体的工业设备,在工业生产中具有十分广泛的应用。同时,换热器在能量回收、节约及再利用等领域具有重要作用。使用一定优化方法改善换热器性能,减少换热器工作过程中的能量耗散,是提高能源利用率的重要途径。管壳式换热器是主要应用类型的换热器,而螺旋折流板管壳式换热器作为一种新型结构的换热器,具备流动压降小,不易结垢,传热性能好等特点,是未来发展的重点,但是关于螺旋折流板管壳式换热器的优化研究少之又少。本文从节约能源,提高能源利用率入手,以熵产最小法为基础,利用遗传算法编写关于螺旋折流板管壳式换热器的单目标及多目标优化设计程序,实现结构优化研究。换热器优化设计研究中目标函数、决策变量的选取以约束条件的设定十分重要。常用的换热器优化设计目标函数有两种,一种是追求换热器总成本最小,另外一种是追求代表换热器不可逆耗散的熵产数最小。而Bejan提出的熵产数会出现“熵产悖论”现象,故本文使用改进熵产数作为目标函数,改进熵产数的适用性更广。本文以螺旋折流板管壳式换热器结构参数,螺旋角、搭接量、换热管长、换热管外径、换热管根数作为决策变量,将容许压降和其他换热器设计标准作为约束条件,共同组成优化问题。并得到如下结论:(1)通过遗传算法对连续搭接螺旋折流板结构进行单目标优化,发现换热器有效度得到了提高15.49%,泵功消耗降低了63.11%,改进熵产数降低了19.23%,换热器性能得到了提高,不可逆耗散减小。虽然换热面积有所增加,从而导致成本增加;通过对交错搭接螺旋折流板结构单目标优化,发现换热器有效度得到了提高7.19%,泵功消耗降低了52.29%,改进熵产数降低了9.6%,换热器性能同样得到了提高,且发现连续搭接结构与交错搭接结构相比不可逆耗散更小。(2)将年均总成本最小作为目标函数,对连续搭接螺旋折流板结构进行单目标优化设计,结果表明,总成本降低了61.3%,有效度降低51.8%,泵功消耗大幅增加,可见总成本最小优化,牺牲了换热器性能。(3)通过以总改进熵产数及成本最小单目标优化研究发现,两目标的寻优皆以牺牲另一目标函数为基础,两者存在互相矛盾关系,即单目标优化对于换热器优化具备一定的局限性。为了解决这个问题,本文将改进熵产数最小作为其中一个独立目标函数,将成本最小作为另一独立目标函数,应用遗传算法实现螺旋折流板管壳式换热器多目标函数优化。结果表明,遗传算法多目标优化实现了两目标函数的最佳“折中”,比单目标遗传算法优化更具灵活性,更有优势。