基于冷却效率最优化闭式冷却塔性能研究及选型软件开发

论文摘要

当前空调系统中采用的冷却塔通常为开式的,因为冷却水和空气直接接触,水容易污染,造成水资源的巨大浪费。将管式蒸发冷却器作为核心部件制成闭式冷却塔,由于冷却水和空气通过盘管换热,水质得到保证,提高了水的重复利用率。同时在闭式冷却塔喷淋段增加淋水填料对喷淋水进行冷却预处理,可以大幅度降低冷却盘管换热过程中管外流体的温度,减少盘管换热面积。目前基于冷却填料与蒸发式冷却盘管的优化设计研究较少。基于这样的背景,本文对带填料的闭式冷却塔的性能和优化设计展开研究。本文主要从求解数学模型、分析影响冷却性能的因素和进行优化设计三个方面对研究对象进行深入的研究。第一,对淋水填料和盘管进行理论分析。在确定控制方程及其边界条件的情况下,对传热传质过程进行适当简化,得到了研究对象的数学模型。并根据其它文献提出的经验公式得到传热和传质系数,对整个逆流闭式冷却塔的传热、传质过程的数学模型进行求解。第二,通过算例分析以及实验研究提出了闭式冷却塔的结构参数和运行参数对性能的影响能力的分析结论,为优化设计提供依据。闭式冷却塔的冷却性能参数主要包括:冷却水出口温度、冷却效率、传质系数、传热系数。影响管式蒸发冷却器性能的参数包括:换热器的管间距、盘管内外径、盘管布置形式、管材;运行参数:喷淋水量、空气流量、湿球温度、管内水量。第三,利用MATLAB与C#提供的优化工具箱以及友好的可视化编程环境,把繁琐的计算过程程序化,建立良好的用户界面。论文中以传热、传质系数为目标函数,以理论分析得到的部分结论为约束条件,以换热器面积、管间距、空气流量、喷淋水量、淋水填料高度作为优化结果,使用遗传算法从而实现闭式冷却塔的优化设计。在课题试验当中发现在逆流闭式冷却塔的盘管段盘管材质及盘管的导热系数大小对于整个塔内的传热传质过程的影响甚微,对于传统依赖于铜质盘管的换热器设计提供了其他材料替代性的可行性分性。在填料高度的计算当中,实验结果同时证明了填料高度的增加也可能导致冷却效率的下降,所以计算机模拟计算过程当中对此进行了优化,根据以上结论以及其他分析结果论文结尾提出了进行下一步完善优化设计的研究方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 冷却塔的类型
• 1.1.1 干式冷却塔和湿式冷却塔
• 1.1.2 逆流式冷却塔与横流式冷却塔
• 1.1.3 自然通风冷却塔与机械通风冷却塔
• 1.2 冷却塔的工作原理
• 1.3 逆流闭式冷却塔应用前景及本课的题研究意义
• 1.3.1 逆流闭式冷却塔的研究前景
• 1.3.2 闭式冷却塔及优化的研究意义
• 1.4 冷却塔的研究现状
• 1.4.1 国外理论研究现状
• 1.4.2 国内理论研究现状
• 1.5 主要研究内容
• 第二章 逆流闭式冷却塔的换热理论分析与数学模型
• 2.1 逆流闭式冷却塔计算机模拟
• 2.1.1 管内流体热量散失数学方程
• 2.1.2 刘伊斯数及管束外对流空气得热数学方程
• 2.1.3 管束外水膜得热数学方程
• 2.2 模型中各参数的确定
• 2.2.1 管内冷却水至喷淋水的总传热系数
• 2.2.2 管束外喷淋水向空气的总传热质系数
• 2.2.3 逆流塔内淋水填料的传质过程
• 2.3 换热方程的求解
• 2.4 小结
• 第三章 实验装置及方法
• 3.1 实验目的
• 3.2 实验装置介绍
• 3.2.1 锅炉（热源）
• 3.2.2 U型管换热器
• 3.2.3 逆流闭式冷却塔
• 3.2.4 换热盘管
• 3.2.5 淋水填料
• 3.2.6 其他辅助设备
• 3.3 测试方法
• 3.3.1 空气的干湿球温度测量
• 3.3.2 空气流量测量
• 3.3.3 进出塔水温度的测量
• 3.3.4 水的流量测量
• 3.4 数据采集系统
• 3.5 实验基本步骤和注意事项
• 3.5.1 测试前准备工作
• 3.5.2 测试操作
• 3.5.3 测试结束
• 3.6 实验测量误差分析
• 3.6.1 温度测量误差
• 3.6.2 流量测量误差
• 3.7 小结
• 第四章 逆流闭式冷却塔冷却性能的影响因素分析
• 4.1 逆流闭式冷却塔的设计实例
• 4.1.1 算例设计参数
• 4.1.2 换热盘管设计
• 4.1.3 换热盘管设计复核
• 4.1.4 淋水填料布置
• 4.2 影响逆流闭式冷却塔性能的因素
• 4.2.1 影响逆流闭式冷却塔的结构因素
• 4.2.2 影响逆流闭式冷却塔的运行因素
• 4.3 影响逆流闭式冷却塔性能的运行因素分析
• 4.3.1 管内流速对性能的影响
• 4.3.2 喷淋水密度对性能的影响
• 4.3.3 湿球温度对性能的影响
• 4.3.4 气水比对性能的影响
• 4.3.5 淋水填料高度对性能的影响
• 4.4 影响逆流闭式冷却塔性能的结构因素分析
• 4.4.1 换热盘管管径对性能的影响
• 4.4.2 换热盘管管间距对性能的影响
• 4.4.3 换热盘管的管材对性能的影响
• 4.5 实验结果分析
• 4.6 小结
• 第五章 基于遗传算法的逆流闭式冷却塔优化及选型软件开发
• 5.1 逆流闭式冷却塔计算机模拟
• 5.2 优化算法的选取及数学基础
• 5.2.1 优化设计目的
• 5.2.2 多目标优化算法的选择
• 5.2.3 遗传算法
• 5.2.4 选型软件中污垢热阻对目标函数的影响
• 5.3 MATLAB优化实现以及选型软件的开发
• 5.3.1 多目标优化遗传算法的MATLAB实现及结果
• 5.3.2 MATLAB与C#的混合编程
• 5.4 运行结果
• 5.5 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 研究结论
• 6.2 课题的创新点
• 6.3 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文
• 致谢