横流式冷却塔热力性能优化设计

方明霞¹，康治国²，唐宜君²?
(1.同济大学固体力学教育部重点实验室，上海 200092；2.上海良机冷却设备有限公司，上海201611)

　　摘　要：以横流式冷却塔综合性能最优为目标,结合横流式冷却塔的热力计算特性，对其热力性能进行优化设计，并以此为计算依据，编制了横流塔优化计算软件。
　　关键词：横流式冷却塔；热力计算；优化设计
　　中图分类号：TU991.42
　　文献标识码：C
　　文章编号 ：1000-4602(2001)10-0035-02

　　冷却塔以降低循环水的温度为目的，热力性能是其最重要的性能之一。从20世纪30年代Merkel提出焓差计算法以来，经过多年的努力，冷却塔热力计算已比较成熟，有关 冷却塔热力计算的论文也很多^［1～2］，但这些论文均未涉及如何使冷却塔综合性能达到最优的问题。众所周知，冷却塔的外型尺寸与能耗成非线性的反比关系，即同样吨位的 冷却塔，在其他条件相同的情况下，塔体越小，能耗越高，反之亦然。如何设计冷却塔，使其综合性能达到最优，是目前亟待解决的问题。

1　优化设计

1.1 目标函数的确定
　　冷却塔优化设计的目的是降低其制造成本,即希望冷却塔外型尺寸减小。同时，希望冷却塔在使用过程中能耗尽可能少，即运行成本降低。因此，衡量冷却塔的综合性能采用制造成本与运行成本之和来表示，确定系统的目标函数为：?

　　minF=α₁(N+N_P)+α₂V
　　式中α1——综合加权系数，元/kW
　　　?α2——综合加权系数，元/m³
　　?　N——风机功率，kW
　　　?NP——水泵功率，kW
　　　?V——冷却塔有效体积，m³

1.2　设计变量的选择
　　由于淋水密度q和塔内风速v对冷却塔的性能影响最大，故在冷却塔设计时须以这两个参数作为设计变量。
1.3　约束条件
　　首先，淋水密度和塔内风速应满足其物理条件：即q＞0，v＞0。其次，横流式冷却塔的淋水密度应在一定范围内选择。由于结构原因，横流塔的淋水密度一般较逆流塔大，但q值亦不能过大，否则会引起气流阻力增加。q的约束条件为：25m³/(m²·h) ≤q≤50m³/(m²·h)。再次，散热材进口的迎面风速v也不宜过大，否则会带来大的风吹损失及阻力。v的约束条件为：2.2m/s≤v≤3m/s。
1.4　优化方法的选择
　　冷却塔热力计算模型目标函数值的求解比较复杂，优化过程属于有约束的优化问题，因此采用直接搜索法进行优化计算［3］。?

2 算例?

　　用MATLAB语言将常规计算过程编制成横流塔优化计算软件，使用时只要输入有关数据，即可得到优化计算结果。现以某横流式冷却塔为例，优化前后的计算结果列于表1。

表1　优化前后计算结果比较 项目 淋水密度［m³/(m²·h)］ 气流速度(m/s) 综合性能指标值 优化前 35.4 2.32 6315.2 优化后 41.7 2.86 4766.5

　　软件还同时给出冷却塔热力性能优化计算曲线(图1)，交点的横坐标即为设计条件下冷却塔的水/空气比值，而纵坐标为横流塔的特性值。?
　　从表1可见，优化后冷却塔的综合性能得到改善。?

3　结论

　　以上分析表明，此优化方法在满足多种约束条件的情况下，可以使冷却塔的综合性能得到改善，为最佳选择冷却塔淋水密度、散热材进口的迎面风速v等参数提供一种可靠的理论依据。
　　考虑多种设计目的，该程序亦可对其他目标函数或其他设计变量如塔体高度、淋水密度、迎面风速v、散热材迎风面积的不同组合进行优化，且该程序不受系统自由度数的限制，因此实用价值较大。

参考文献：

　　［1］Robert Burger.Cooling Tower Technology［M］.The Fairmont P ress INC.1995.?
　　［2］王启山.冷却塔热力计算的数学模型［J］.中国给水排水，1996，12(5)：4- 7.
　　［3］刘维信，等.机械最优设计［M］.北京：清华大学出版社,1986.

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　　收稿日期：2001-07-16