冷卻塔逆用理論與水-水熱泵制熱運(yùn)行優(yōu)化研究.pdf

1、 空調(diào)用冷卻塔普遍用作散熱冷卻設(shè)備,但是,將其逆用吸熱作為熱泵制熱的低溫?zé)嵩?有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用前景。冷卻塔逆用(RUCT)吸熱工況下,塔內(nèi)空氣與水進(jìn)行著復(fù)雜的熱質(zhì)交換過(guò)程,如何正確認(rèn)識(shí)空氣與水之間的熱質(zhì)交換過(guò)程是優(yōu)化運(yùn)行與優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。迄今為止,針對(duì)該方面的研究并不充分。鑒于此,本文采用理論分析、數(shù)值模擬以及實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法探討了冷卻塔逆用時(shí)空氣與水的熱質(zhì)交換過(guò)程以及熱質(zhì)耦合機(jī)理與特性。進(jìn)行的主要工作如下：
首先

2、,本文對(duì)既有的逆流冷卻塔逆用熱質(zhì)交換模型進(jìn)行了改進(jìn),摒棄了低溫工況下劉易斯數(shù)為 1的假設(shè)而帶來(lái)的計(jì)算偏差,分別將溫差與含濕量差作為空氣與水的傳熱與傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力,建立了較為完善的逆流冷卻塔逆用的數(shù)學(xué)模型,為方便求解,進(jìn)一步將模型最終以顯式差分格式表達(dá),并將模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明,模型準(zhǔn)確性較高。
其次,本文對(duì)橫流冷卻塔逆用性能進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)研究,對(duì)采用PVC薄膜式填料的橫流冷卻塔逆用進(jìn)行了傳熱傳質(zhì)性能實(shí)驗(yàn),在

3、此基礎(chǔ)之上采用多元回歸分析方法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),得出了傳熱傳質(zhì)主要性能參數(shù)：吸熱效率、顯熱比、傳熱系數(shù)、傳質(zhì)系數(shù)以及劉易斯數(shù)與塔進(jìn)口空氣干球溫度、濕球溫度、進(jìn)水溫度、淋水密度以及液氣比的函數(shù)關(guān)系式,并針對(duì)傳熱與傳質(zhì)系數(shù)的影響因素進(jìn)行了分析,為進(jìn)一步理論研究與工程運(yùn)用提供了依據(jù)。
在此基礎(chǔ)上,本文建立了較為完善的橫流冷卻塔逆用熱質(zhì)交換二維無(wú)量綱數(shù)學(xué)模型,考慮了冷凝而引起水質(zhì)量流量變化,利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸得到的傳熱系數(shù)與傳質(zhì)系數(shù),通過(guò)

4、離散數(shù)值求解的方法,得到了水與空氣各參數(shù)在塔內(nèi)的二維分布規(guī)律,并采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型,出水溫度計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的相關(guān)系數(shù)為0.9904,判定系數(shù) 0.9809,均方差誤差為 0.22oC,計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合較好,且分析得到劉易斯數(shù)在 0.7~1.6 范圍內(nèi)變化。在此基礎(chǔ)上,應(yīng)用熱力學(xué)第一、第二定律對(duì)室外空氣參數(shù)及可調(diào)節(jié)參數(shù)對(duì)橫流冷卻塔逆用的性能進(jìn)行了詳細(xì)分析。
另外,考慮到塔內(nèi)濕空氣與水熱質(zhì)交換過(guò)程各個(gè)參數(shù)之間復(fù)雜的非線

5、性關(guān)系,本文針對(duì)橫流冷卻塔逆用進(jìn)一步建立了基于遺傳算法優(yōu)化的 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。本網(wǎng)絡(luò)模型采用6個(gè)輸入、13個(gè)隱含層節(jié)點(diǎn)與 8個(gè)輸出的結(jié)構(gòu)。針對(duì)出口空氣干球溫度、濕球溫度、出水溫度、吸熱量、顯熱比、吸熱效率、冷凝水比例、劉易斯數(shù)共8個(gè)主要性能參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。并進(jìn)一步將建立好的網(wǎng)絡(luò)模型用于不同進(jìn)水溫度對(duì)塔出水溫度以及吸熱量的預(yù)測(cè)分析。結(jié)果表明,模擬結(jié)果和實(shí)際情況基本一致,即該基于遺傳算法優(yōu)化的 BP 網(wǎng)絡(luò)模型能較好地預(yù)測(cè)橫流冷卻塔逆用

6、傳熱傳質(zhì)性能。
最后,本文將橫流冷卻塔逆用模型與水-水熱泵、循環(huán)水泵模型耦合,建立系統(tǒng)制熱運(yùn)行的優(yōu)化模型,確立了目標(biāo)函數(shù)、約束條件與控制變量。以塔風(fēng)量、水量、蒸發(fā)器進(jìn)出口水溫、蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、過(guò)冷度、吸氣過(guò)熱度為待優(yōu)化變量,運(yùn)用量子遺傳算法對(duì)該多變量非線性模型進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。通過(guò)對(duì)優(yōu)化模型的仿真計(jì)算,與實(shí)測(cè)工況進(jìn)行了比較,系統(tǒng)最大綜合能效比 EERs 得到提高。本文進(jìn)一步以實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為例,保證系統(tǒng)供熱量不變的前提下,針對(duì)室外