板式间接蒸发冷却器的优化设计

1、板式间接烝发冷却器的优化设计山东建筑大学邢滕李永安杨宗瑾山东商业职业技术学院徐萌摘要：板式间接蒸发冷却器的结构设计对其使用的经济性有重要影响。本文运用优化方法一一遗传算 法，针对板式间接蒸发冷却器的经济性问题进行分析，建立了优化设计数学模型，并对新、排风风量为 0.18kg/s的板式间接蒸发冷却器进行了优化求解。探讨了其经济性随各结构参数变化的规律。研究结果 表明：遗传算法可以很好地实现板式间接蒸发冷却器的优化；得出了板式间接蒸发冷却器的优化结构； 随各结构参数的变化，目标函数呈抛物线变化规律。该研究对于板式间接蒸发冷却器的设计有一定的参 考价值。关键词：板式间接蒸发冷却器；遗传算法；经济性；

2、结构设计；优化 0引言板式间接蒸发冷却器是一种基于间接蒸发冷却技术的新型热回收设备，具有热回收效率高、节约 空调能耗等特点，近年来被广泛关注和研究1。如图1所示，它由若干组相间的新风通道和排风通道组成，新风和排风垂直交错流动；喷淋水在排风侧换热板表面形成一层均匀水膜并吸热蒸发；新风的 热量通过换热板传递给空调排风，新风被冷却，从而实现空调排风中冷量的回收利用。板式间接蒸发 冷却器的使用目的是以较小的代价获得较大的热回收收益，如果设计不合理，在使用过程中会降低换 热效率、增大初投资和运行费用，降低使用的经济性。因此，有必要进行优化设计，从而达到经济、 节能的目的，为早日实现板式间接蒸发冷却器的标

3、准 化、规模化生产提供支持。热交换器优化问题往往具有多变量、不连续、非线 性等特点，许多研究者提出了不同的优化方法，但每种 方法都存在各自的局限性，如求解效率低、易陷于局部 最优、非线性问题求解困难等。近年来，在最优化领域 发展了一种新的最优化方法一一遗传算法。遗传算法 GA是一种借鉴生物界自然选择和进化机制发展起来 的高度并行、随机、自适应全局搜索算法34。该算法只需知道如何根据解来求得相应的适应度，不要求适应 度函数满足连续可微等条件，适用范围广泛。而且由于 其具有健壮性，特别适合处理传统搜索算法不宜解决的 复杂和非线性问题。本文将讨论采用遗传算法对板式间接蒸发冷却器进行优化的方法。图1板

4、式间接蒸发冷却器原理示意图1优化模型本文所讨论的问题是运用遗传算法，为达到经济、节能的目的，实现一定限制性条件下板式间接 蒸发冷却器的最优化设计，这是一个非线性约束规划问题，最优化数学模型主要是确定适应度函数、优化变量及约束条件。其中，适应度函数根据其目标函数确定。1.1目标函数的确定许多研究者以最小换热面积、最大换热效率等为目标函数进行了优化，其优化结果达到了单个目12【1【2【7式中:8;为新风侧换热板表面对流换热系数,w/(LzJIZJ为干、湿工况下排风侧对流换热系数 为新、排风风速,m/s ; 为新、排风侧换热板长度，m; 为新、排风侧当量直径，m;k; ;,W/( m m2 2 k;

5、 ;为水蒸汽焓值，kJ/kg ;3 3为空气定压比热容,kJ/kg K);为湿空气饱和状态曲线斜率；凶为以湿球温度定义的湿空气定压比热容板式间接蒸发冷却器回收的冷量为：,kJ/kg K)。10式中：为新风进口干球温度，c c；为排风进口湿球温度，C C。1.1.2运行费用计算本系统中，运行费用为新、排风侧风机和水泵的功耗的费用。 风机功耗计算【11:标的最优，但其经济性并不一定能达到最优。因此，本文综合考虑板式间接蒸发冷却器的热回收收益、运行费用和初投资，以其使用的经济性最好为目标函数：_0 0 元/ /年)式中：为年热回收收益；为年运行费用；为年折算初投资费用。1.1.1热回收收益计算板式间

6、接蒸发冷却器以换热效率来评价其热回收性能，其计算公式为 式中：R和NTU分别为新、排风热容量比和传热单元数，其计算公式分别为34)56)式中：算公式为11I 分别为新风侧和排风侧阻力损失 因局部阻力损失很小,忽略局部阻力损失），其计0.75 和 0.85 ;三=0.4 0.6。12式中：厅为空气密度，kg/m3;I丄：分别为风机效率和风机所配备电机的效率，本文中分别取为 为流道摩擦阻力系数；为换热器流道长度,m；为空气流速,m/s ；为当量直径，m;r为流程数。水泵功耗计算11:I 13）式中：二I为水泵流量储备系数，单台水泵工作时二I =1.1 ;Z为水泵扬程储备系数，Z =1.11.2 ;

7、回为喷淋水流量，m/s ；J为水泵扬程,kPa ； 为水泵在工作点的总效率，小型泵1.1.3初投资计算板式间接蒸发冷却器初投资包括材料费、制作费用、风机、水泵及附件费用。本文将同一风量的板式 间接蒸发冷却器制作费用和风机、水泵及附件投资假设为不变量，设备初投资仅指材料费用。1.2适应度函数适应度函数在遗传算法中用来度量群体中各个个体在优化计算中能达到或接近或有助于找到最优 解的优良程度。适应度较高的个体遗传到下一代的概率较大，而适应度较低的个体遗传到下一代的概 率相对较小一些适应度函数根据目标函数确定，且为非负值，任何情况下都希望其值越大越好。本文直接以目标 函数转化为适应度函数 _ 14）1

8、.3约束条件1 ）新、排风风量的限制确定新、排风风量的大小是热回收装置设计计算的一个前提条件。本文将以新、排风风量都为540m3/h为例进行分析。2 ）新、排风参数的限制新、排风进口温度和湿度对板式间接蒸发冷却器的换热性能有重要影响。本文新风进口温度取济南地区夏季空调室外计算空气干球温度34.8 C,C,相对湿度取 55%室内排风进口温度和湿度分别取为24 C 和 60%3）换热板材料的限制换热板材料对喷淋水膜的形成、换热效果及初投资都有影响。本文选择厚度为0.15mm的亲水铝箔，导热系数为 237W/mK）。经对不同厂家进行调查，亲水铝箔市场价格在8元/怦12元/怦之间，本文以10元/ m2

9、计算。4 ）用电价格的限制用电价格直接影响到设备热回收收益及运行费用。经调查，济南市商业用电价格为：电压等级1 FI以下的是 0.7029元/旦;1丄10丄的是0.6949元/亠 ;35丄及以上的是 0.6939元 /上。本文用电价格以 0.7元I丄计算。5）喷淋水流量及温度的限制板式间接蒸发冷却器中喷淋水流量与排风风量的比值在0.20.4之间较合理1，因此喷淋水流量可根据排风风量确定。喷淋水采用循环水，其水温可根据式15）估算6。经计算，本文循环水温度约为22C。15）式中:为喷淋水温度。6）设备使用年限的限制空调系统的使用寿命大约在10年155年，本文以板式间接蒸发冷却器使用年限为10年进

10、行讨论。1.4优化变量本文将实现板式间接蒸发冷却器的结构优化，结构参数包括：板长、板间距及通道数。在风量、板长、板间距确定的情况下，新风通道数可由新风风速确定，排风通道数由新风通道数确定。因此，优化变量取为：新风侧板间距和换热板长度；排风侧板间距和换热板长度 ；新风侧空气流速。令 一 ;：丨；_I ,则适应度函数为这五个变量的函数：I，初始群体中个体的数目称为群体规模M遗传算法以这若干个个体作为初始点进行迭代。群体规模一般取为20100,本文取为20。2.3适应度评价适应度值表明个体的优劣性。本文以经济性作为适应度评价函数，适应度值越大，经济性越好，有机 会作为父代繁殖下一代的概率越大。2.4

11、遗传操作遗传操作是遗传算法优化方法的主要特点，主要包括选择、交叉和变异三种算子，群体-II经遗传操作后得到下一代群体LT选择是从当前群体中选出优良的个体，使它们有机会作为父代繁殖下一代子孙。本文选择运算采 用比例选择算子，也称为选择的蒙特卡罗法2，它利用比例于各个个体适应度的概率决定其子孙的遗留可能性。通过交叉可以产生新的基因组合，得到新的个体。本文交叉操作采用单点交叉运算，交叉 概率取为0.25。变异操作首先在群体中随机选择一个个体，对于选中的个体以一定的概率随机改变串 结构数据中某个串的值。变异为新个体的产生提供了机会。变异发生的概率很低，本文以0.01计算。2.5终止条件判断终止条件判断

12、就是设定一个终止条件，当遗传算法运算满足终止条件时，终止运算并把运算过程 中所得到的具有最大适应度的个体作为最优解输出。本文以停滞代数为10作为终止条件，即遗传运算过程中，连续10代不繁殖新代时终止运算。根据以上分析，本文通过编制14 遗传算法优化计算程序，实现了板式间接蒸发冷却器的优化设计。3优化结果及分析根据以上分析，可查得以下参数值：新、排风质量流量I kg/s :空气定压比热I = | J/ ;3.1优化结果遗传算法优化计算过程如图3所示，横坐标为进化代数，纵坐标为各代中最优个体的适应度值。从图3可看出，优化运算过程中，遗传算法通过选择、交叉、变异三种算子进行遗传操作，将父代中 的优良

13、基因遗传给下一代，并生成优于父代的个体，在运行到第46代以后，通过遗传操作不再有新代产生，根据本文终止条件，遗传算法运行到第55代时终止，输出最优解。526元524522/值度应适优最代各520518516 -V514512 - -i-0 10203040进化代数5060图3遗传算法优化过程3.2影响经济性的参数本文将在其它优化变量不变的情况下改变一个优化变量，分析各优化变量对板式间接蒸发冷却器经济性的影响规律。1）换热板长度的影响板式间接蒸发冷却器的经济性随换热板长度的变化规律如图4所示：随着新、排风侧换热板长度的增大，其经济性都呈先增大后降低的变化规律，分别在I =0.685m和日=0.6

14、55m处达到最大值。具体分析如图5所示：随着新风侧换热板长度的增大，在J 0.685m以后，换热效率提高缓慢，热回收收益增大缓慢，而初投资和运行费用迅速增加，其经济性呈下降趋势。随排风侧变化情况与新风侧相似。因此，新排风侧换热板长度分别取0.685m和0.655m较合理。从图4中还可以看出，新风侧换热板长度的变化对其经济性的影响较大，排风侧换热板长度的影响相对较小。净收益随新风侧换热板长度变化曲线 净收益随排风侧换热板长度变化曲线5 52 2O O5 51 100005 590908080弁元/益收净置装收回热7007004 4换热板长度/ m图4板式间接蒸发冷却器的年净收益随换热板长度的变化

15、2 2O O606000006 6元/*用费行运畫资投初算折年00005 5元/?益收收回热图5各组成费用虽新风侧换热板长度的变化2）板间距的影响如图6所示，板式间接蒸发冷却器的经济性随新、排风侧板间距的增大都是先迅速增大，分别在=0.005m和 =0.007m时达到最大值，但随着新风侧板间距的继续增大，其经济性迅速降低，随着排风侧板间距的继续增大，其经济性下降较为缓慢。如图7a）所示：随着新风侧板间距的增大，在 0.005m以后，热回收收益迅速降低，而初投资降低缓慢、运行费用缓慢减小后迅速增大，其经济O O400 - -1- -1-1- -1- -1- 00.20.40.60.81.01.2

16、新风侧换热板长度/ m5 50 040403 30 02 20 05 53 30 0o o o o o o O O9 9 8 8 7 7 6 64 4 4 4 4 4 4 4 芳元/益收净置装收回热4 45 50 06 60 0年/元/资投初算折年和用费行运年 o o o o o o o o o o O O6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 0 060605 50 0年/元/ 1TI1TI益收收回热年声元5050P P资投初算折年 o o O O4 4 3 34 40 0F F用费行运年20206 60 05 50 0益收收回热年0.0100.0040.0060.0080.0024 40 0新风侧板间距/ m性呈下降趋势；如图 7（b图7各组成费用随板间距的变化a）各组成费用随新风侧板间距的变化b ）各组成费用排风侧随板间距的变化 ： 116-1183王小平，曹立明 . 遗传算法理论、应用与软件实现 M. 西安：西安交通大学出版社， 20024敖铁强，余建祖，高红霞 . 基于遗传算法的板翅式换热器优化设计 J. 低温工程， 2007， 4）：60-645刘映. 暖通空调系统寿命周期成本研究D. 重庆：重庆大学， 20046周孝清，陈沛霖 . 间接蒸发冷却器的设计计算方法，暖通空调 J.2000 ， 30:463-4