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管式蒸發冷卻器的優化設計點擊：2085 日期：[ 2014-04-26 21:35:50 ] |
| 管式蒸發冷卻器的優化設計 劉乃玲1,陳偉1,邵東岳1,劉英杰1,孫連鑫2 (1.山東建筑大學熱能工程學院山東濟南250101;2.濟南長城空調公司,山東濟南250021) 摘要:管式蒸發冷卻器在空調、化工、石油等行業中有著廣泛的應用。本文首先根據最優化方法建立了管式蒸發冷卻器優化設計的數學模型,并分析了約束條件的確定、優化變量的選取及模型的求解方法。然后針對某一算例,利用該模型分析了結構參數對管式蒸發冷卻器冷卻性能的影響。根據優化設計的結果可知:換熱器的長度、寬度以及管間距變化時,目標函數有時呈現振蕩性變化的規律。結構參數的取值原則應綜合考慮材料費用、運行能耗以及冷卻器的冷卻能力。優化設計的結果可以為管式蒸發冷卻器的設計提供參考,達到節約初投資及降低能耗的目的。 關鍵詞:管式蒸發冷卻器;優化設計;結構參數 中圖分類號:TK172;TK124 文獻標識碼:A 文章編號:1673-7644(2007)02-0122-04 0 引言 濕式冷卻塔雖然冷卻效果比較好,但是水污染的問題難以解決。閉式冷卻塔則可以很好地解決這個問題,其主要部件是管式蒸發冷卻器[1]。管式蒸發冷卻器是一種常用的冷卻設備,其實質是間接蒸發冷卻技術與換熱器的結合[2]。它的主要原理是噴淋水在盤管外壁上蒸發以冷卻管內流體,并利用風機及時地把產生的水蒸汽帶走,提高冷卻效果。噴淋水部分被蒸發,其余被底盤收集,由循環水泵再送入噴嘴。在管式蒸發冷卻器內,管內水不與空氣直接接觸,可以有效地防止塵土、雜物、細菌、可溶性固體等污染水體,解決了傳統冷卻水降溫過程中的水質污染問題,提高了換熱性能,并且能夠延長系統各個設備的使用壽命[3]。管式蒸發冷卻器也可用于閉式冷卻塔中,在過渡季節與冷凍水切換,實現免費供冷[4]。管式蒸發冷卻器除了用于空調系統外,在冶金、化工、石油等行業中也被大量使用。由于其自身的特點,管式蒸發冷卻器若設計不合理,在使用過程中會增加初投資和運行費用,因此很有必要進行優化設計,從而達到經濟節能的目的。所以如何對管式蒸發冷卻器進行優化設計,使其在滿足冷卻要求的前提下,耗用材料最少,風機和循環水泵能耗最低已成為一個重要的研究課題。 1·優化模型的建立 本文所討論的問題是給定換熱量及其它限制條件,使得投資費用和運行費用最小。這是一個非線性約束規劃問題,根據最優化方法[5]并結合換熱器設計,可建立優化模型如下: 式中:obj為目標函數;cost為換熱器的投資費用與運行費用;st為所受的約束條件;opt.var為選取的優化變量。 1.1 目標函數的建立 具體到管式蒸發冷卻器,投資費用是換熱器管材耗量與單位質量材料價格的乘積。在盤管的管壁厚度一定的情況下,換熱器的管材耗量與換熱面積成正比,因此本文以換熱器的換熱面積作為目標函數之一。運行費用指的是風機和循環水泵的能耗因此以風機和水泵需要克服的阻力損失作為另一個目標函數。 1.2 優化變量的選取 在換熱器材料確定的情況下,影響換熱器性能的主要因素有運行參數和結構參數[5]。本文主要分析運行參數確定的情況下,結構參數對換熱器性能的影響。結構參數主要包括換熱器的長度、寬度以及管間距等。 1.3 約束條件的確定 運行參數作為約束條件,主要包括以下幾個方面: (1)換熱量的限制 換熱量的大小,將直接影響換熱器的設計結果。換熱量增加,則設備的投資費用和運行費用增加。 (2)氣象條件的限制 影響水蒸發的主要因素是入口空氣的相對濕度[4]。入口空氣的相對濕度越小,水蒸發進行的程度就越強。本文以冷卻塔的標準設計工況[7]下的干、濕球溫度作為計算數據。 (3)換熱器材料的限制 將換熱器面積作為目標函數之一,前提是換熱器材料已經確定。不同材料的導熱系數不同,對換熱效果也有一定的影響。理論上采用導熱系數大的管材,有利于導熱。但與其它熱阻相比,導熱熱阻僅是其他單項熱阻的1/5~1/20[8]。銅管和無縫鋼管的導熱系數比值約是2∶1,采用銅管對換熱效果的改善不明顯,并且銅的價格又遠遠高于鋼的價格。因此一般管式蒸發冷卻器中選擇無縫鋼管既可,這樣可以大大降低成本。本文的算例中選用無縫鋼管進行分析,其導熱系數為=45W/(m·K)。 (4)噴淋水密度和風機風量的限制 噴淋水密度按照換熱器單位寬度上的噴淋水量來確定,為了使水很好地濕潤盤管外表面,一般取單位寬度上的噴淋水量為100kg/(m·h)以上[9],本文取下限值即100 kg/(m·h)進行分析。風機風量根據經驗取冷卻水當量的1.5倍。 (5)換熱盤管管徑的限制 在管內水流量一定時,流速由盤管管徑確定。根據努謝爾特準則和雷諾準則,管內壁界膜換熱系數與管內流速有關。所以,盤管管徑對換熱效果有影響。文獻[10]推薦管內流速為0.975~1.59m/s,在設計換熱器時據此選擇盤管管徑。 1.4 優化模型的求解方法 根據所建立的優化模型并結合文獻[5],采用枚舉法求解。因為枚舉法能逐個列舉所有的可行解及目標函數值,為計算結果分析和處理提供大量信息。本文為了簡化計算過程并保證計算結果準確可靠,利用MATLAB編制了優化設計的計算程序。 2·算例分析 根據本文所建立的優化模型,以下對優化結果進行分析和評價?，F以某一管式蒸發冷卻器在給定運行參數條件下,分析結構參數對目標函數的影響規律。 2.1 目標函數 根據前面的分析,目標函數有兩個:換熱器面積最小,風機及水泵需要克服的阻力損失最小。 2.1.1 換熱器面積最小 式中:S為換熱器的面積,m2;B為換熱器的寬度,m;L為換熱器的長度,m;z為換熱器的高度,m;Pt為換熱器盤管的管間距,m;D0為換熱器盤管的外徑,m。 在確定換熱器的面積時,只要給定換熱器的長度和寬度即可求出高度。 2.1.2 風機和水泵需要克服的阻力損失最小 min(P) = min(P1+P2) = minf(N1,N2,ηf,,ηs,Γ,vm) (3) 式中:P1為風機需要克服的阻力損失,mmH2O;P2為水泵需要克服的阻力損失,mmH2O;Γ為噴淋水密度,kg/(m·h);ηf為風機的效率;ηs為循環水泵的效率;vm為蒸發冷卻器中空氣的迎面風速,m/s;N1為每排管管數;N2為管排數。 可由換熱器寬度和管間距求出N1。高度確定之后,可求出N2,并且高度增加,N2增加。ηf、ηs可查閱相關的技術資料。vm可以由風機風量及換熱器的長度和寬度確定。 2.2 優化變量 根據上文所做的分析,取換熱器的長度、寬度、管間距作為優化變量。管式蒸發冷卻器的結構如圖1所示。其中,長度包括彎頭部分,寬度包括管間距,盤管的排列方式為叉排,這樣可以使噴淋水充分濕潤管外表面,并且結構緊湊,管間距用Pt表示,如圖2所示。 2.3 約束條件 管內冷卻水的熱量變化為Q=WC(T1-T2)。其中,Q為換熱量,kW;W為冷卻水流量,kg/s;C為水的比熱,kJ/(kg·℃);T1為冷卻水入口溫度,℃;T2為冷卻水出口溫度,℃。 本算例取冷卻水的流量為W=100t/h;運行參數為冷卻塔的標準設計工況,即冷卻水的入口溫度為37℃,出口溫度為32℃,空氣入口處的干球溫度為t=31.5℃,濕球溫度為ts=28℃;管材采用無縫鋼管,其導熱系數為λ=45W/(m·K);單位寬度的噴淋水密度為100kg/(m·h);風機風量150 t/h;冷卻盤管的外徑為0.021m,內徑為0.019m。 3·結構參數的敏感性分析 為了使設計出的換熱器既滿足換熱要求又節省材料、降低能耗,要具體分析各個結構參數的影響。在保證運行參數及其它結構參數不變的情況下,改變一個結構參數,來確定對換熱器面積和風機及水泵要克服的阻力損失的影響情況(以下簡稱為對面積和阻力損失的影響)。 3.1 換熱器長度對面積和阻力損失的影響 根據大量試算的結果,先假定換熱器的寬度為2. 2m,管間距為0. 042m,長度在3. 1~3. 8m之間變化時,得到不同的換熱器面積和阻力損失如圖3所示。從圖3可以看出,換熱器面積和阻力損失隨長度的變化呈現振蕩變化的規律。這是因為隨著長度的增大,所需要的高度減小,管排數發生變化,由于管排數只能取整數,并且考慮到運行管理的方便,即讓進出水口在同側,本文將管排數取偶數。因此在管排數發生變化的那一點阻力損失和換熱器面積出現拐點,并且出現了兩個波谷。由圖3還可以看出,隨著長度增加,換熱器面積總體呈現增加的趨勢。所以要考慮選取最佳的換熱器長度,使換熱器面積較小的同時阻力損失也較小。在該算例中,長度應取面積和阻力損失都處在波谷的值,即3. 2m或3. 5m。最終長度是取3. 2m還是3. 5m,則要分析增加換熱器面積或減少阻力損失哪個更為經濟。經過綜合分析制作材料的費用、運行能耗情況以及冷卻器的冷卻能力可知,長度取3. 2m比較合理。 3.2 換熱器寬度對面積和阻力損失的影響 在換熱器長度為3.2m,管間距為0.042m時,隨著寬度增加,經過計算換熱器高度減小,則管排數減小,所以阻力損失減小,這可以從圖4中看出。隨著寬度增加,換熱器的面積出現振蕩變化的規律,但總體呈現增加的趨勢,而阻力損失呈現減小的趨勢。所以要考慮選取最佳的換熱器寬度,使換熱器面積較小的同時阻力損失也較小。在該算例中,寬度取2.2m較為合理。 3.3 換熱器管間距對面積和阻力損失的影響 下面分析不同的管間距對面積和阻力損失的影響。本算例取管間距為0.038m,0.040m,0.042m,0.044m,0.046m的情況進行分析比較。長度為3.2m、寬度為2.2m,阻力損失隨管間距的變化情況如圖5所示。從圖5可以看出:當管間距增加時,阻力損失增加,這是由于管間距增加時換熱器的高度需要增加所致;并且換熱器的面積呈現振蕩變化。由圖5還可以看出,管間距為盤管外徑的2倍即0.042m時,換熱器面積和阻力損失綜合達到最小。所以管間距應取盤管外徑的2倍。 縱上所述,為了使100t/h的水從37℃冷卻到32℃,若用內、外徑分別為0.019m、0.021m的無縫鋼管制作盤管,在標準設計工況下運行時,該蒸發冷卻器優化設計的結果為:長度3.2m,寬度2.2m,管間距0.042m。 4·結論 由上面的分析可知,在運行參數一定的情況下,影響管式蒸發冷卻器的主要因素為結構參數。綜觀全文,可以得到以下幾點主要結論: (1)隨著換熱器長度的增加,其阻力損失和換熱器面積都出現振蕩變化的規律,這是由管排數變化引起的。長度的取值應綜合考慮材料費用、運行能耗及冷卻能力等因素。 (2)寬度增加時,阻力損失減小,換熱器面積出現振蕩并且總體呈現增加的趨勢。寬度不應取較大的值,因為寬度過大使換熱器面積明顯增加,造成盤管初投資急劇增加?！ ? (3)管間距增大時,換熱器高度增大,阻力損失增大;換熱器面積隨管間距增大呈現振蕩變化的規律。從變化趨勢綜合考慮,管間距一般取盤管外徑的2倍。 (4)對于冷卻100t/h水的管式蒸發冷卻器,在標準設計工況下運行時,其優化設計的結果為:長度3.2m,寬度2.2m,管間距0.042m。 參考文獻: [1]劉乃玲·冷卻塔的冷卻特性[J].山東建筑工程學院學院,2001,16(3):41-44. [2]章立新,蔣桂忠.國內冷卻塔研究與開發中的主要問題探討[J].能源研究與信息,2001,17(1):12-17. [3]劉乃玲.封閉式冷卻塔用于免費供冷的經濟性分析[D].上海:同濟大學,1997. [4]Ala H, Kai S .Theoretical and computational analysis of closed wetcooling towers and its applications in cooling buildings, Energy andBuildings 2002(34):477-486. [5]薛覆中.工程最優化技術[M].天津:天津大學出版社,1998. [6]楊建坤,張旭,劉乃玲.板式間接蒸發冷卻器的優化設計[J].制冷空調與電力機械,2004, 25(5):43-46. [7]GB7190.1-1997,玻璃纖維增強塑料冷卻塔第1部分:中小型玻璃纖維增強塑料冷卻塔[S]. [8]譚文勝,李子鈞,項品義,等.密閉式冷卻塔的優化設計[J].工業建設與設計,2006,(2):42-43. [9]尾花英朗(日).熱交換器手冊:下冊[M].徐中權,譯.北京:石油工業出版社,1987. [10]上海市能源領導小組節能辦公室.實用節能手冊[M].上海:上?？茖W技術出版社,1986. |
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