方明霞¹，康治國²，唐宜君²?
(1.同濟大學固體力學教育部重點實驗室，上海 200092；2.上海良機冷卻設備有限公司，上海201611)

　　摘　要：以橫流式冷卻塔綜合性能最優為目標,結合橫流式冷卻塔的熱力計算特性，對其熱力性能進行優化設計，并以此為計算依據，編制了橫流塔優化計算軟件。
　　關鍵詞：橫流式冷卻塔；熱力計算；優化設計
　　中圖分類號：TU991.42
　　文獻標識碼：C
　　文章編號 ：1000-4602(2001)10-0035-02

　　冷卻塔以降低循環水的溫度為目的，熱力性能是其最重要的性能之一。從20世紀30年代Merkel提出焓差計算法以來，經過多年的努力，冷卻塔熱力計算已比較成熟，有關 冷卻塔熱力計算的論文也很多^［1～2］，但這些論文均未涉及如何使冷卻塔綜合性能達到最優的問題。眾所周知，冷卻塔的外型尺寸與能耗成非線性的反比關系，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。如何設計冷卻塔，使其綜合性能達到最優，是目前亟待解決的問題。

1　優化設計

1.1 目標函數的確定
　　冷卻塔優化設計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，希望冷卻塔在使用過程中能耗盡可能少，即運行成本降低。因此，衡量冷卻塔的綜合性能采用制造成本與運行成本之和來表示，確定系統的目標函數為：?

　　minF=α₁(N+N_P)+α₂V
　　式中α1——綜合加權系數，元/kW
　　　?α2——綜合加權系數，元/m³
　　?　N——風機功率，kW
　　　?NP——水泵功率，kW
　　　?V——冷卻塔有效體積，m³

1.2　設計變量的選擇
　　由于淋水密度q和塔內風速v對冷卻塔的性能影響最大，故在冷卻塔設計時須以這兩個參數作為設計變量。
1.3　約束條件
　　首先，淋水密度和塔內風速應滿足其物理條件：即q＞0，v＞0。其次，橫流式冷卻塔的淋水密度應在一定范圍內選擇。由于結構原因，橫流塔的淋水密度一般較逆流塔大，但q值亦不能過大，否則會引起氣流阻力增加。q的約束條件為：25m³/(m²·h) ≤q≤50m³/(m²·h)。再次，散熱材進口的迎面風速v也不宜過大，否則會帶來大的風吹損失及阻力。v的約束條件為：2.2m/s≤v≤3m/s。
1.4　優化方法的選擇
　　冷卻塔熱力計算模型目標函數值的求解比較復雜，優化過程屬于有約束的優化問題，因此采用直接搜索法進行優化計算［3］。?

2 算例?

　　用MATLAB語言將常規計算過程編制成橫流塔優化計算軟件，使用時只要輸入有關數據，即可得到優化計算結果。現以某橫流式冷卻塔為例，優化前后的計算結果列于表1。

表1　優化前后計算結果比較 項目 淋水密度［m³/(m²·h)］ 氣流速度(m/s) 綜合性能指標值 優化前 35.4 2.32 6315.2 優化后 41.7 2.86 4766.5

　　軟件還同時給出冷卻塔熱力性能優化計算曲線(圖1)，交點的橫坐標即為設計條件下冷卻塔的水/空氣比值，而縱坐標為橫流塔的特性值。?
　　從表1可見，優化后冷卻塔的綜合性能得到改善。?

3　結論

　　以上分析表明，此優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、散熱材進口的迎面風速v等參數提供一種可靠的理論依據。
　　考慮多種設計目的，該程序亦可對其他目標函數或其他設計變量如塔體高度、淋水密度、迎面風速v、散熱材迎風面積的不同組合進行優化，且該程序不受系統自由度數的限制，因此實用價值較大。

參考文獻：

　　［1］Robert Burger.Cooling Tower Technology［M］.The Fairmont P ress INC.1995.?
　　［2］王啟山.冷卻塔熱力計算的數學模型［J］.中國給水排水，1996，12(5)：4- 7.
　　［3］劉維信，等.機械最優設計［M］.北京：清華大學出版社,1986.

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　　收稿日期：2001-07-16