CN104360984B - 一种基于两点边值测量下冷却塔填料热力性能计算方法 - Google Patents

Abstract

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_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；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；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；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。本方法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，相比已有计算方法，在保证计算精度前提下，较大减少计算时间。

Description

一种基于两点边值测量下冷却塔填料热力性能计算方法

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***对冷却***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***、钢铁厂产生的大量废热，是循环冷却***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***节水节能效果，对工业***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***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***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***，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***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***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：

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***，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_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***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***传感器网络应严格遵守冷却塔国标GB/T7190.1-2008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。

Claims (2)

1.一种基于两点边值测量下冷却塔填料热力性能计算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

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；四个常微分方程为：

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

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

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

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

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边值，填料顶部即z＝H的水温度T_w和进水质量流率m_w边值，H为填料的厚度；

所述运行参数包括：进水质量流率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；所述环境参数包括：大气压力P₀、湿球温度T_wb、进风干球温度T_ai；该步骤具体包括：利用监测装置的传感网络采集模块实时采集冷却塔现场运行参数和环境参数，确定进水温度T_wi边值、进水质量流率m_wi边值、进风干球温度T_ai边值、进风湿度比X_i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；

使用冷却塔出水温度估算公式计算填料底部z＝0的出水温度，拟合得到冷却塔出水温度估算公式为：

$T_{wo}=\frac{T_{wi}+2T_{wb}+T_{ai}}{4}$

假设和迭代调整填料底部z＝0未知的边界条件 为在出风口温度T_ao的近似值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。

2.根据权利要求1所述的基于两点边值测量下冷却塔填料热力性能计算方法，其特征在于，所述步骤E具体包括：根据步骤C计算的结果和实时测量值，确定填料顶部即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。