方明霞¹，康治國(guó)²，唐宜君²?
(1.同濟(jì)大學(xué)固體力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2.上海良機(jī)冷卻設(shè)備有限公司，上海201611)

　　摘　要：以橫流式冷卻塔綜合性能最優(yōu)為目標(biāo),結(jié)合橫流式冷卻塔的熱力計(jì)算特性，對(duì)其熱力性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并以此為計(jì)算依據(jù)，編制了橫流塔優(yōu)化計(jì)算軟件。
　　關(guān)鍵詞：橫流式冷卻塔；熱力計(jì)算；優(yōu)化設(shè)計(jì)
　　中圖分類號(hào)：TU991.42
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C
　　文章編號(hào) ：1000-4602(2001)10-0035-02

　　冷卻塔以降低循環(huán)水的溫度為目的，熱力性能是其最重要的性能之一。從20世紀(jì)30年代Merkel提出焓差計(jì)算法以來(lái)，經(jīng)過(guò)多年的努力，冷卻塔熱力計(jì)算已比較成熟，有關(guān) 冷卻塔熱力計(jì)算的論文也很多^［1～2］，但這些論文均未涉及如何使冷卻塔綜合性能達(dá)到最優(yōu)的問(wèn)題。眾所周知，冷卻塔的外型尺寸與能耗成非線性的反比關(guān)系，即同樣噸位的 冷卻塔，在其他條件相同的情況下，塔體越小，能耗越高，反之亦然。如何設(shè)計(jì)冷卻塔，使其綜合性能達(dá)到最優(yōu)，是目前亟待解決的問(wèn)題。

1　優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 目標(biāo)函數(shù)的確定
　　冷卻塔優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的是降低其制造成本,即希望冷卻塔外型尺寸減小。同時(shí)，希望冷卻塔在使用過(guò)程中能耗盡可能少，即運(yùn)行成本降低。因此，衡量冷卻塔的綜合性能采用制造成本與運(yùn)行成本之和來(lái)表示，確定系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)為：?

　　minF=α₁(N+N_P)+α₂V
　　式中α1——綜合加權(quán)系數(shù)，元/kW
　　　?α2——綜合加權(quán)系數(shù)，元/m³
　　?　N——風(fēng)機(jī)功率，kW
　　　?NP——水泵功率，kW
　　　?V——冷卻塔有效體積，m³

1.2　設(shè)計(jì)變量的選擇
　　由于淋水密度q和塔內(nèi)風(fēng)速v對(duì)冷卻塔的性能影響最大，故在冷卻塔設(shè)計(jì)時(shí)須以這兩個(gè)參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量。
1.3　約束條件
　　首先，淋水密度和塔內(nèi)風(fēng)速應(yīng)滿足其物理?xiàng)l件：即q＞0，v＞0。其次，橫流式冷卻塔的淋水密度應(yīng)在一定范圍內(nèi)選擇。由于結(jié)構(gòu)原因，橫流塔的淋水密度一般較逆流塔大，但q值亦不能過(guò)大，否則會(huì)引起氣流阻力增加。q的約束條件為：25m³/(m²·h) ≤q≤50m³/(m²·h)。再次，散熱材進(jìn)口的迎面風(fēng)速v也不宜過(guò)大，否則會(huì)帶來(lái)大的風(fēng)吹損失及阻力。v的約束條件為：2.2m/s≤v≤3m/s。
1.4　優(yōu)化方法的選擇
　　冷卻塔熱力計(jì)算模型目標(biāo)函數(shù)值的求解比較復(fù)雜，優(yōu)化過(guò)程屬于有約束的優(yōu)化問(wèn)題，因此采用直接搜索法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算［3］。?

2 算例?

　　用MATLAB語(yǔ)言將常規(guī)計(jì)算過(guò)程編制成橫流塔優(yōu)化計(jì)算軟件，使用時(shí)只要輸入有關(guān)數(shù)據(jù)，即可得到優(yōu)化計(jì)算結(jié)果。現(xiàn)以某橫流式冷卻塔為例，優(yōu)化前后的計(jì)算結(jié)果列于表1。

表1　優(yōu)化前后計(jì)算結(jié)果比較 項(xiàng)目 淋水密度［m³/(m²·h)］ 氣流速度(m/s) 綜合性能指標(biāo)值 優(yōu)化前 35.4 2.32 6315.2 優(yōu)化后 41.7 2.86 4766.5

　　軟件還同時(shí)給出冷卻塔熱力性能優(yōu)化計(jì)算曲線(圖1)，交點(diǎn)的橫坐標(biāo)即為設(shè)計(jì)條件下冷卻塔的水/空氣比值，而縱坐標(biāo)為橫流塔的特性值。?
　　從表1可見(jiàn)，優(yōu)化后冷卻塔的綜合性能得到改善。?

3　結(jié)論

　　以上分析表明，此優(yōu)化方法在滿足多種約束條件的情況下，可以使冷卻塔的綜合性能得到改善，為最佳選擇冷卻塔淋水密度、散熱材進(jìn)口的迎面風(fēng)速v等參數(shù)提供一種可靠的理論依據(jù)。
　　考慮多種設(shè)計(jì)目的，該程序亦可對(duì)其他目標(biāo)函數(shù)或其他設(shè)計(jì)變量如塔體高度、淋水密度、迎面風(fēng)速v、散熱材迎風(fēng)面積的不同組合進(jìn)行優(yōu)化，且該程序不受系統(tǒng)自由度數(shù)的限制，因此實(shí)用價(jià)值較大。

參考文獻(xiàn)：

　?。?］Robert Burger.Cooling Tower Technology［M］.The Fairmont P ress INC.1995.?
　?。?］王啟山.冷卻塔熱力計(jì)算的數(shù)學(xué)模型［J］.中國(guó)給水排水，1996，12(5)：4- 7.
　　［3］劉維信，等.機(jī)械最優(yōu)設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社,1986.

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　　收稿日期：2001-07-16