一种基于两点边值测量下冷却塔填料热力性能计算方法

摘要

本发明公开了一种基于两点边值测量下冷却塔填料热力性能计算方法，该方法包括：将填料中的热质传递用四个常微分方程来描述；采集冷却塔现场运行参数和环境参数，确定填料底部(z＝0)的空气温度T

说明书

技术领域

本发明涉及冷却塔热力性能计算方法，尤其涉及一种基于两点 边值测量下冷却塔填料热力性能计算方法。

背景技术

随着工业飞速发展，工业系统对冷却系统要求日益增加。冷却 塔作为主要末端冷却装置，被广泛用于排除电厂、暖通空调系统、 钢铁厂产生的大量废热，是循环冷却系统重要组成部分。湿式冷却 塔因效率高而成为冷却塔主流，其通过空气与高温循环冷却水传热 传质过程，将高温高湿空气排出塔外，带走热量，实现冷却水循环 利用，因此冷却塔热力性能的优劣不仅直接影响冷却系统节水节能 效果，对工业系统正常稳定运行也具有重大意义。

随着节能环保技术被日益重视，冷却系统的节能节水已成为国 内外冷却技术研究的重要课题，由于冷却塔热力性能与系统节水节 能直接相关，国务院《节能减排“十二五”规划》中指出：要“开 展大型公共建筑采暖、空调、通风、照明等节能改造”。国家针对冷 却塔具有极大节能潜力，应提高冷却塔能源利用效率问题，提出下 一步冷却塔产品必须做节水节能认证，中国质量认证中心出台了《冷 却塔节水认证规则》，并即将出台《开式冷却塔节能认证技术规范》 予以保证，冷却塔加装热力性能在线监测仪有助于这项工作开展。 此外，由于利益驱使，部分冷却塔生产商以次充好配置冷却系统， 影响冷却效果，2012年国内某公司就因冷却塔能效设计引起诉讼， 这种情况普遍存在将导致用户无法验收，出现能耗过大或故障，对 冷却塔加装监测系统显得更加重要。

目前，经典的冷却塔热力性能计算模型有Merkel模型、e-NTU 模型和Poppe模型。Merkel模型基于假设建立，模型简单，计算误 差大，且需要采用数值积分或迭代法求解，e-NTU模型引入传热单 元数，避免数值积分或迭代计算，但和Merkel模型具有相同等级的 计算误差，Poppe模型计算结果准确，但模型复杂，求解过程涉及多 重迭代，计算时间较长，经典的冷却塔热力性能计算模型无法同时 满足高精度和计算量小的要求。随着计算机技术的发展，人工智能 算法被引入冷却塔热力性能评估中，避免冷却塔机理建模过程，但 需要大量训练样本，且评估时间较长。

发明内容

为解决上述冷却塔填料热力性能计算模型和方法的问题与缺陷， 该方法通过将填料中的热质传递问题用一组求解未知函数导数的四 个常微分方程来描述，然后将模型简化为两点边值问题，简化冷却塔 热力性能计算模型，减少计算时间。本发明提供了一种基于两点边值 测量下冷却塔热力性能计算方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于两点边值测量下冷却塔填料热力性能计算方法，包括四 个步骤：

A通过一组求解未知函数导数的四个常微分方程描述填料中的 热质传递；

B采集冷却塔现场运行参数和环境参数，确定填料底部即z＝0的 空气温度T_a和湿度比X，填料顶部即z＝H的水温度T_w和质量流率m_w边 值；

C假设和迭代调整填料底部z＝0未知的边界条件，从而使得填料 顶部z＝H满足已知边界条件；

D基于填料热力性能线性模型建立冷却塔填料热力性能计算模 型；

E代入上述计算得到填料顶部z＝H的条件，计算冷却塔热力性 能。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

基于实时测量值进行模型建立，有利于实现冷却塔热力性能实时 在线评估，计算模型在基于两点边值测量下得到简化，相比已有评估 方法，在保证计算精度前提下，较大减少计算时间。本方法实时性好、 适应性强特点，可广泛应用于机械式逆流冷却塔现场热力性能实时评 估中。

附图说明

图1是基于两点边值测量下冷却塔填料热力性能计算方法流程 图；

图2是逆流方塔的热力性能计算系统安装示意图；

图3是基于两点边值测量下冷却塔填料热力性能计算模型图；

图4是冷却塔填料热力性能线性模型图；

图5是基于两点边值测量下冷却塔填料热力性能计算模型焓湿 图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图， 以CEF-370不锈钢逆流方塔的热力性能计算为例，对本发明实施方 式作进一步地详细描述：

图1是根据本发明实施例的冷却塔填料热力性能计算方法流程 图，所述方法包括以下步骤：

步骤10将填料中的热质传递用一组形式如下的求解未知函数导 数的四个常微分方程来描述：

$\frac{{\mathrm{dm}}_w}{\mathrm{dz}}=f_1(m_w,X,T_a,{\mathrm{TY}}_w)$

$\frac{\mathrm{dX}}{\mathrm{dz}}=f_2(m_w,X,T_a,T_w)$

$\frac{{\mathrm{dT}}_a}{\mathrm{dz}}=f_3(m_w,X,T_a,T_w)$

$\frac{{\mathrm{dT}}_w}{\mathrm{dz}}=f_4(m_w,X,T_a,{\mathrm{TY}}_w)$

已知的四个条件可归纳为：

T_a(z＝0)＝T_ai

X(z＝0)＝X_i

T_w(z＝H)＝T_wi

m_w(z＝H)＝m_wi

步骤20采集冷却塔现场运行参数和环境参数，确定填料底部 (z＝0)的空气温度T_a和湿度比X，填料顶部(z＝H)的水温度T_w和 质量流率m_w边值；

启动图2所示CEF-370不锈钢逆流方塔的热力性能计算系统， 对冷却塔现场进水量m_w、进风量m_a、进水温度T_wi、出水温度T_wo、 出风温度T_ao等运行参数和大气压力P₀、湿球温度T_wb、进风干球温 度T_ai等环境参数进行采集。

步骤30假设和迭代调整填料底部(z＝0)未知的边界条件，从而 使得填料顶部(z＝H)满足已知边界条件；

假设和迭代调整填料底部(z＝0)未知的边界条件 $T_{\mathrm{wo}}=\frac{T_{\mathrm{wi}}+{2T}_{\mathrm{wb}}+T_{\mathrm{ai}}}{4},\frac{{\mathrm{dm}}_w}{\mathrm{dz}}\approx 0,T_{\mathrm{ao}}\approx \frac{T_{\mathrm{ai}}+T_{\mathrm{wi}}}{2},$T_wb为入口空气的湿 球温度，为在出风口温度近似值T_ao下计算出的饱和湿度比，从而 使得填料顶部(z＝H)满足已知边界条件。已知边界条件是：将填料 底部(z＝0)的未知两个条件(或者说缺少的条件)进行假设，然后 根据这个假设去递推填料顶部(z＝H)的四个条件，而且递推得到的这 些条件与已知的两个条件满足。

步骤40基于填料热力性能线性模型(如图4)建立冷却塔填料 热力性能计算模型，可以看出Me_TPBVP＝Me_TPBVP(z＝H)；

步骤50根据步骤30计算的结果和实时测量值，确定填料顶部 (z＝H)气温、水温、大气压力和湿球温度T_ao、T_wi、P₀、T_wb；

将冷却塔填料热力性能抽象为式Me_TPBVP＝f(P₀,T_wb,T_a,T_w)，T_ai≤ T_a≤T_ao，T_wo≤T_w≤T_wi,，再利用公式Me_TPBVP＝f(P₀,T_wb,T_ao,T_wi)计算冷却 塔热力性能值。

上述z是代表填料高度的坐标，填料厚度为H，z＝0代表填料最 底层，z＝H代表填料上表面。

本实施例CEF-370不锈钢逆流方塔的热力性能计算系统安装参 阅图2。为保证采集运行参数和环境参数的准确性，热力性能计算系 统传感器网络应严格遵守冷却塔国标GB/T 7190.1-2008规定安装于 冷却塔周围。本实施例监测装置21通过人机界面22监测传感器，传 感器网络包括进水流量计、进水温度传感器27、出水温度传感器31、 干球温度传感器23、湿球温度传感器24、干球温度传感器23、储水 盘温度传感器25、温湿传感器26、大气压传感器28、进水量传感器 29、风速传感器32、出风温度传感器33等传感器。

基于两点边值测量下冷却塔填料热力性能计算模型如图3所示， 冷却塔内填料区的水和空气间的热质交换可抽象为塔内空气薄膜和 水膜间的传热传质过程，布水器洒水后高温冷却水掉落过程中与低温 低湿空气接触，并向空气传递热量和蒸发水分，使自身温度Tw下降， 同时空气焓值h_a增加，湿度X上升，体现为气温T_a上升，其模型焓 湿图如图5所示。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范 围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技 术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围 之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。