大型工业用蒸发式冷却器的计算机仿真及优化研究

摘要

大型工业用蒸发式冷却器是一种将水冷与空冷、传热与传质过程融为一体且兼有两者之长的高效节能冷却设备,在工业领域得到越来越广泛的应用.目前,在蒸发式冷却器的研究和应用过程中,取得了许多有效的成果,但也存在许多急需解决的问题.本文的目的就是通过一系列的理论和实验研究,对这些问题进行初步的探讨,以此促进蒸发式冷却器在工业领域的进一步推广和应用.首先,本文根据热湿交换理论,建立了带有预冷盘管的蒸发式冷凝器(管内工质发生饱和冷凝)和蒸发式冷却器(管内工质无相变)的传热传质微分方程组,在一维假设的基础上,分别给出其解析解,结果可以用于工业蒸发式冷却(冷凝)器的设计计算,并编制了相应的设计程序方便工程应用.在解析求解的基础上,得到了蒸发式冷凝器盘管外循环水温度和冷却空气焓值沿冷凝器高度方向分布的解析表达式,从而揭示了两者的分布规律.其次,根据蒸发式冷却器的传热传质微分方程组,利用龙格—库塔法对其进行数值模拟仿真,编制了相应的仿真程序,揭示了蒸发式冷却器内部温度和焓的分布规律,为实际工程的设计和优化研究奠定了基础.本文还通过现场实测,证实管内工艺介质无相变情况下的数学模型的合理性和可靠性.为了更好的发挥蒸发式冷却器的结构的有效性,本文对蒸发式冷却器进行了结构优化研究.以换热量Q最大为目标函数,以换热面积F和COP为约束条件,展示了蒸发式冷却器的一个完整的结构优化设计过程,过程包括:数学建模,计算机程序的编制等.通过编程计算得到了结构优化参数,结构优化后的冷却器换热性能比原设计有了较大幅度的提高,并就各个结构参数对蒸发式冷却器多个性能指标的影响作了分析.最后,本文还对蒸发式冷却器的运行控制模式作了优化.以蒸发式冷却器的总耗电量P为目标函数,以工艺要求的换热量Q和结构参数为约束条件,建立了蒸发式冷却器运行控制模式的优化模型,通过编程计算得到了不同运行条件下各股流体流量参数的优化匹配,优化后使机组耗能大大降低,还分析流量参数对蒸发式冷却器的换热性能和能耗的影响.最后,本文提出了运行控制的可行性方案,对提高调节的动态特性和准确度有一定的意义,初步解决了蒸发式冷却器节能运行的多参数控制调节问题,更好地发挥蒸发式冷却器的节能作用.

目录

文摘

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第1章绪论

1.1课题概述

1.2蒸发冷却技术原理及运用

1.2.1蒸发冷却技术原理

1.2.2蒸发冷却技术在空调领域的应用

1.2.3蒸发冷却技术在其他工业领域的应用

1.3蒸发式冷却技术的研究历史及现状

1.4本课题内容

参考文献

第2章蒸发式冷凝器换热模型及其仿真

2.1概述

2.2蒸发式冷凝器的传递过程的理论模型

2.2.1模型的简化与假设

2.2.2蒸发式冷凝器的传递过程的基本方程组

2.3蒸发式冷凝器的传递过程的基本方程组的解析求解

2.4数学模型中各参数的确定

2.5算例分析

2.6本章小结

参考文献

第3章蒸发式冷却器换热模型及其仿真

3.1概述

3.2蒸发式冷却器的传递过程的理论模型

3.2.1模型的简化与假设

3.2.2蒸发式冷却器的传递过程的基本方程组

3.3蒸发式冷却器的传递过程的理论模型的解析求解

3.4数学模型中各参数的确定

3.5蒸发式冷却器的计算机数值仿真

3.5.1四阶龙格-库塔法简介

3.5.2数学模型分析

3.5.3仿真程序的实现

3.6算例分析

3.7本章小结

参考文献

第4章蒸发式冷却器理论模型的验证和分析

4.1实测仪器

4.2实测原理和内容

4.2.1实测原理

4.2.2实测方法

4.3实验数据处理

4.3.1原始数据

4.3.2实测数据整理

4.4本章小结

参考文献

第5章蒸发式冷却器结构优化和运行优化

5.1优化设计的基本原理

5.1.1换热器性能的评价

5.2优化设计中涉及到的数学模型

5.2.1管内侧工艺流体压力损失

5.2.2管外侧冷却空气的压力损失

5.2.3蒸发式冷却器的COP模型

5.3蒸发式冷却器的结构优化

5.3.1结构优化模型的建立

5.3.2结构优化模型优化变量的选择

5.3.3结构优化模型约束条件的确定

5.3.4结构优化模型的求解

5.3.5结构优化变量的灵敏度分析

5.4蒸发式冷却器运行控制的优化

5.4.1运行控制优化目标函数的建立

5.4.2运行控制优化模型优化变量的选择

5.4.3运行控制优化模型约束条件的确定

5.4.4运行控制优化模型的求解

5.4.5运行控制优化变量的灵敏度分析

5.4.6节能运行的优化控制方案

5.5本章小结

参考文献

第6章结论与展望

6.1结论

6.2进一步工作的方向

致谢