循环冷却系统的优化设计

循环冷却系统实验装置的优化设计目录1绪论 11.1背景及意义 11.2冷却塔 21.3优化设计内容 32冷却系统实验装置的设计 42.1冷却塔类型的选择 42.1.1横流塔与逆流塔的对比 42.1.2开式塔与闭式塔的选择 52.1.3小结 52.2冷却塔单个塔体的尺寸选择 62.3冷却系统的配水 62.3.1用小孔代替喷头 72.3.2管道的选择 72.3.3溢流槽的设计 72.4填料的设计 82.5风机的选型 102.5.1风机的H-Q曲线 102.5.2风机的参数简介 102.6冷却系统实验装置的箱体设计 112.6.1箱体选材 112.6.2箱体设计 122.7箱体基本电气设备选型 152.7.1电源 152.7.2继电器 162.8本章小结 163控制回路的设计 183.1进水温度控制方案的设计 183.1.1方案一：利用恒温混水阀又名恒温阀/恒温控制阀 183.1.2方案二：利用阀门+远程控制阀头 193.1.3方案三：利用电加热棒+混合阀 203.1.4方案四：电力调整器+加热器 213.1.5小结 213.2进出水温度的测量 213.3流量的测量和控制 233.3.1水泵的选型 233.3.2流量计的选型 253.3.3连接 273.4温控仪的选型 273.5控制方案的设计 293.6控制箱箱体控制设备及电气设备的布置图 294冷却水系统模型实验平台实验 324.1实验一变工况性能测试实验 324.1.1流量一定，改变温度 334.1.2温度一定，改变流量 344.1.3流量温度同时改变 344.2实验二温度PID控制实验 355结论与展望 38致谢 39参考文献 4011绪论1.1背景及意义中央空调系统的能耗一般占整个建筑耗电量的50%以上，空调系统是按满足用户最大需求而设计的，但是目前实际情况是，我国的暖通空调系统绝大多数处在低效的运行状态，造成运行效率低，能源严重浪费[1]。近几年上海技术监督局抽查的10幢只能商用大楼，仅有2幢尚且处于较好的运行状况。在中央空调控制系统普及率和自动化水平较高的新加坡，2008年统计调查，其能耗功效比都在1.2—1.5KW/Ton之间，中央空调系统功效比理论最低可以达到0.62KW/Ton[2]。造成这种现象的原因是多方面的。首先，在设计方面，没有考虑到房间的季节、时间朝向等因素的冷负荷变化，而是按房间最大冷负荷加上一个较大的安全裕量而进行设计的。实际的最大冷负荷低于设计冷负荷，且机组大部分时间是在部分负荷下运行的，这就导致在大多数中央空调水系统中出现大流量、小温差的运行状态，造成二级泵的能量巨大损耗等；其次在控制方面，主机和部分末端装置有自动控制装置，但是没有形成中央空调系统的集中控制，总的来说就是自动控制水平偏低。当外界环境产生变换时，没能及时作出应变，导致很大程度的浪费[5]。如何使空调机组连续、可靠、安全、高效运转已经成为符合现代企业管理要求、提高生产效益、改善生活环境、适应我国能源政策的主要课题之一。中国是目前世界上第二位能源生产国和消费国，能源供应持续增长，为经济社会发展提供了重要的支撑的同时，也付出了巨大资源和环境被破坏的代价，这两者之间的矛盾日趋突出，节能减排越来越受到重视。在民用和工业生产中，会产生大量废热，废水，但是有时又因为废水的温度过高，不能直接应用，我国是淡水资源极为匮乏的国家，人均淡水资源仅为世界人均量的四分之一。严重稀缺的水资源，相当脆弱的水生态环境，却支撑着人类历史上最大规模的生存与经济活动，水和能源的危机日趋严峻，缺水引起的生态环境退化、人居环境恶化等问题日益突出，已成为制约我国经济发展的瓶颈，直接影响到我国全面建设小康社会的进程，发展节水节能型工业及农业、建设节水节能型社会，是我国目前及今后很长一段时间内极为重要的战略任务，而节水的最好途径便是使水能够循环利用。国外发达国家，水的重复使用率达75～85％。同国际水平相比，我国还有很大差距，工业用水重复利用率只有20～30%，特别是五大高用水工业（火力发电、钢铁、石化造纸、纺织）水的循环使用率不高，尚有进一步提升的很大空间。要提高循环使用率，除国家制定一系列节水政策外，应进一步深入研究循环水系统中的节水技术与设备。冷却塔是循环冷却水系统中的关键设备，其耗能是循环冷水系统耗能的重要组成部分，深入研究冷却塔设计工艺，使其技术先进、经济合理、高效低耗，是提高水的循环使用效率的行之有效的具体举措，具有重要的社会意义和经济价值[6]。1.2冷却塔冷却塔是一种将水冷却的装置，利用水和空气的接触，通过蒸发作用来散去工业上或制冷空调中产生的废热的一种设备。其工作的基本原理是：干燥(低焓值)的空气经过风机的抽动后，自进风网处进入冷却塔内；饱和蒸汽分压力大的高温水分子向压力低的空气流动，湿热(高焓值)的水自播水系统洒入塔内[3]。当水滴和空气接触时，一方面由于空气与水的直接传热，另一方面由于水蒸汽表面和空气之间存在压力差，在压力的作用下产生蒸发现象，将水中的热量带走即蒸发传热，从而达到降温之目的。水在其中与渡过的空气进行热交换、质交换，致使水温下降；它广泛应用于空调循环水系统和工业用循环水系统中。在一定水处理情况下，冷却效果是冷却塔重要性之一，在选用冷却塔时，主要考虑冷却程度、冷却水量、湿球温度是否有特殊要求，通常安装在通风比较好的地方[7]。冷却塔属热交换设备系统。进行热交换的二种介质即水与空气无间隔。冷却塔利用空气将通过其的水冷却，传热特点是水向空气传导热不须通过壁面，而是在直接接触过程中进行的。冷却水塔中，水在填料中形成水膜或水滴，在与空气直接接触的过程，同时发生热和质的传递；热传是由于水与空气的温差，而质传是由于水的表面蒸发形成的水蒸汽水断地向空气中扩散，同时把水汽化潜热带入空气，在热量与质量的传递过程，水冷却的过程叫做蒸发冷却过程，因此水在蒸发冷却过程中所散发的热量是由两部分所组成，即接触散热（传导和对流）和蒸发散热[4]。使用冷却塔的目的是达到一定的降温效果，其主要取决于散热片、风机风量、冷却塔使用水量，以及良好的通风条件，安装位置也有一定的影响。①散热片：是冷却塔的关键部件，小型塔一般采用PVC片材热压或热吸式，大型塔会采用木材，主要目的使空气与水的须在不影响风阻时，越大越好，同时热交换率也达到最大，散热片影响传热的效果的两个参数，主要是散热片形状和高度，在进行水塔安装，尽是不要损坏散热片，以免散热片水流不畅。②风机风量：其主要加速塔中空气流动，加速空气与水的热，带走热量。影响风机风量主要是风叶形状即风叶宽长度和本身偏有，风叶转速、安装角度、转速与电机及传动比等[8]。另外，在风量一定的情况下，同种类型塔，冷却水量小的比冷却水量大的冷却效果要好些。热水自主机房通过水泵以一定的压力经过管道、横喉、曲喉、中心喉将循环水压至冷却塔的播水系统内，通过播水管上的小孔将水均匀地播洒在填料上面；干燥的低晗值的空气在风机的作用下由底部入风网进入塔内，热水流经填料表面时形成水膜和空气进行热交换，高湿度高晗值的热风从顶部抽出，冷却水滴入底盆内，经出水管流入主机。一般情况下，进入塔内的空气、是干燥低湿球温度的空气，水和空气之间明显存在着水分子的浓度差和动能压力差，当风机运行时，在塔内静压的作用下，水分子不断地向空气中蒸发，成为水蒸气分子，剩余的水分子的平均动能便会降低，从而使循环水的温度下降。从以上分析可以看出，蒸发降温与空气的温度（通常说的干球温度）低于或高于水温无关，只要水分子能不断地向空气中蒸发，水温就会降低。但是，水向空气中的蒸发不会无休止地进行下去。当与水接触的空气不饱和时，水分子不断地向空气中蒸发，但当水气接触面上的空气达到饱和时，水分子就蒸发不出去，而是处于一种动平衡状态。蒸发出去的水分子数量等于从空气中返回到水中的水分子的数量，水温保持不变。由此可以看出，与水接触的空气越干燥，蒸发就越容易进行，水温就容易降低[9]。1.3优化设计内容本次毕业设计将通过建立一个完整的循环冷却系统实验装置，在原有的冷却系统模型的基础上，对冷却系统进行改造。（1）对原有的冷却系统模型的大小尺寸进行缩小，尤其是比较“笨拙”的控制箱体进行改造，使其能成为一个可拆卸可重组的小巧轻便的实验装置。（2）原有的实验台仍然是手动控制，在优化的过程中，使整个实验装置达到智能化、自动化的目的。（3）在实验装置组装完成之后实验过程中，使冷却系统在完成冷却要求的同时，令整个能耗达到最小，寻找出节能优化的最优算法。在传统冷却塔的基础上，循环冷却系统实验装置冷却能力将会大大提升，达到真正意义上的稳定、经济、节能、高效。该实验装置，也加强了它的可操作性，在装置的硬件组装和拆卸方面加强我们工科学生的动手能力。2冷却系统实验装置的设计冷却塔组的设计步骤：1）确定循环冷却系统实验装置的形式2）计算出由作用范围决定的风机负荷决定的供水量3）选择水系统形式，进行供回水的管线布置4）进行绝热材料与绝热层厚度的选择与计算5）风机的选型6）确定冷却系统实验装置的箱体结构7）冷却系统实验装置的基本电气设备的选型2.1冷却塔类型的选择2.1.1横流塔与逆流塔的对比1）逆流塔：水自上而下通过配水装置淋洒在淋水填料上，被填料切割分散成水膜或水滴，在重力作用下自上向下流动，空气在风机的作用下自下而上通过淋水填料，空气与水流相逆而行。优点：（1）逆流冷却塔热力性能好，分三个冷却段：①布水器到填料顶这一空间，此段的水温较高，所以仍可将热量传给空气。②填料水与空气热交换段。③填料至集水池空间淋水段（北京冷却塔，水在此段被冷却称之为“尾效”）。我国北方水温可下降1-2℃。综上所述，逆流塔比横流塔在相同的情况下，填料体积小20％左右，逆流塔热交换过程更合理,冷效更高。（2）配水系统不易堵塞、淋水填料保持清洁不易老化、湿气回流小、防冻化冰措施更容易。多台可组合设计，北京冷却塔在冬季以所需的水温水量可合并单台运行或全部停开风机。（3）施工安装检修容易、费用低，常用在空调和工业大、中型冷却循环水中。主要应用领域：在工程中要求效率高，气阻力相对大，体积小薄膜式填料。2）横流塔：水流从塔上部垂直落下，空气水平流动通过淋水填料，气流与水流正交的冷却塔。优点：(1）水压头较小，耗电少(2）噪声小(3）水损失较小，更经济，更符合可持续发展(4）布水方式合理，采用重力自然落下的布水系统，散水孔不易堵塞，且布水均匀，最大限度地提高了填料性能(5）模块组合后，效率不变，而逆流塔效率降低[10]主要应用领域：填料体积大，但通气阻力较小的小型系统中。综合横流塔与逆流塔的优点及其主要的应用领域，在本次的模型设计中我们选择了横流式的冷却塔。2.1.2开式塔与闭式塔的选择1）闭式冷却塔（也叫蒸发式空冷器或密闭式冷却塔）：将管式换热器置于塔内，通过流通的空气、喷淋水与循环水的热交换保证降温效果。简单的说，即：一个内循环、一个外循环。没有填料，主核心部分为紫铜管。①内循环：与对象设备对接，构成一个封闭式的循环系统（循环介质为软水）。为对象设备进行冷却，将对象设备中的热量带出到冷却机组。②外循环：在冷却塔中，为冷却塔本身进行降温。不与内循环水相接触，只是通过冷却塔内的紫铜管进行换热散热。在此种冷却方式下，通过自动控制，根据水温设置电机的运行。由于是闭式循环，其能够保证水质不受污染，很好的保护了主设备的高效运行，提高了使用寿命。外界气温较低时，可以停掉喷淋水系统，起到节水效果。随着国家节能减排政策的实施和水资源的日益匮乏，近几年密闭式冷却塔在钢铁冶金、电力电子、机械加工、空调系统等行业得到了广泛的应用[11]。优点：（1）提高生产效率，软化水循环，无结垢、无堵塞、无损失（2）延长设备寿命，保障设备可靠、稳定运行，减少故障，杜绝事故（3）全封闭循环、无杂质进入、无介质蒸发、无污染（4）提高厂房利用系数，无需水池，减少占地，节省空间（5）占用空间小，安装、移动、布置方便，结构紧凑（6）操作方便，运行稳定，自动化程度高（7）节约运行成本，多种模式自动切换，智能控制2）开式冷却塔：通过将循环水以喷雾方式，喷淋到玻璃纤维的填料上，通过水与空气的接触，达到换热，再有风机带动塔内气流循环，将与水换热后的热气流带出，从而达到冷却。优点：水质要求不是很高、散热好、成本低、易维护、占地面积少。2.1.3小结经过开式塔与闭式塔的对比可知，由于模型对水质的要求不是很高，而且经费有限，最后我们决定用开式塔。综合这两方面的因素我们最终选择的冷却塔模型的类型为开始的横流式冷却塔。因为横流塔塔筒内是空的,气流速度可以高一些,因此塔筒直径可以比同容量的逆流塔小,相应降低了造价。2.2冷却塔单个塔体的尺寸选择1）在实际应用中塔体尺寸对应[12]表2-1实体尺寸型号外形总尺寸冷却水量m3/h长mm宽mm高mmH400T04880042004635400H500T049600440046855002）根据实际的塔来确定模型的尺寸表2-2模型尺寸塔型长mm宽mm高mm单塔尺寸300150160单塔尺寸300150170塔组尺寸300450160塔组尺寸300450170小结：根据实际尺寸可以得出单塔的长和宽的比例为2：1，因此在选型的时候我们选择了300*150，而且为了便于组装，为了让模型的体积尽量小但是又能起到实验的目的，我们选择了3个单个冷却塔来组成冷却塔组，总长度为300*450。在选择时我们起初选择盆底距水槽高度为160mm，但由于在布置管道时管道就占据了20mm，为了保证进风口风量大约为1：1，于是我们又加大了盆底距水槽高度为170mm。2.3冷却系统的配水配水均匀是冷却塔设计的关键环节之一，直接关系到冷却塔效率、能耗与投资。但冷却塔的配水问题并没有得到普遍重视，缺乏系统的理论研究，因此配水成为冷却塔设计中被弱视的一个环节。实测表明，在配水不均匀的情况下，最大与最小淋水密度之差达2～4倍，由于配水不均导致的水温差达4～5℃的现象也曾有过。因此研究冷却塔的配水均匀性问题，不仅有技术意义而且有经济和现实意义。但是国内外尚没有明确的冷却塔管式配水压力降和配水均匀性计算方法，本文将从理论分析入手，对其计算方法进行探讨，给出明确实用的管式配水压力降和配水均匀性计算方法[13]。2.3.1用小孔代替喷头在实际的冷却塔配水均匀问题由两方面问题组成，一是配水喷头的选择与布置，二是配水管道的布置与水力计算。前者要解决的是单个喷头喷溅范围内喷洒在淋水填料上的水量均匀与否的问题，后者要解决的是淋水面积内全部喷头的出水量是否趋同的问题。在实际的应用中，二者是相辅相成，缺一不可的，两者都处理好才能达到配水均匀的目的。但是由于喷头的布置是相对于大孔而言的，而且流量小时喷头溅洒不均，因此在模型的制作中我们的用小孔代替了大孔，从而省略了喷头，这样在配水的均匀性上也就更加合理化了，而且省掉了喷头的流量特性、喷头的喷洒范围（喷洒半径）、喷头的喷洒均匀性、喷头的成组布置及其配水均匀性计算等一系列的大量的计算量及其类型选择，即节省了经费也省掉了很多的时间，而且使得模型更加的简约可靠[14]。2.3.2管道的选择冷却塔气动与热力计算理论建立的基本假设条件之一即是配水均匀，可见均匀配水的重要性。研究冷却塔配水就是为了解决配水均匀性的问题，也是冷却塔设计的关键环节，直接关系到冷却塔效率、能耗与投资，但迄今中外冷却塔文献中均无系统、全面、准确的计算方法，很多设计所追求的配水均匀、合理的配水管径确定基本靠经验与试验。配水管道的布置与水力计算，实现了满足工程要求的配水均匀性、配水管径和配水压力的准确计算。冷却塔的配水形式一般有：管式配水系统、槽式配水系统、池式配水系统、槽管混合系统等，因池式、槽式配水占去的挡风面积太大、施工与检修不方便，且水压力的调节性及配水的均匀性差，因此近些年被各种塔型普遍采用的配水方式是管式配水系统，因此本文仅以管式配水所涉及的问题进行讨论。冷却塔管式配水系统由配水干管、配水管及配水喷头组成[14]。配水管管径选用的原则是：达到冷却塔配水均匀的配水管管径即是设计管径。由于水在管路的流动过程中，会慢慢地变少，为了达到节能的效果，我们本来打算采用渐缩的管道，但是由于模型的尺寸较小，到小管道时没有合适的管子，在最后的制作过程中通过上述计算我们选择了管径为10mm的均匀管路，而没有采用渐缩管。2.3.3溢流槽的设计由于在运行时时，我们发现当负荷变小时，流量随着变小会导致水槽内部布水不均，严重时还会出现断流的现象，这样会影响水在填料上的换热效率，降低冷却塔性能，因此在设计时我们采用了溢流槽的设计，这样不仅解决了连通管带来的不便而且很好的解决了配水的均匀性，而且还能进一步缩小两边供水管道沿程阻力的不平衡率，这样能在一定程度时保证配水的均匀性，使配水更加的可靠。2.4填料的设计填料是冷却塔的重要组成部分，塔中的冷却过程，主要是在淋水填料表面进行的。它的主要作用是为增加塔内气、水接触面积和时间而设置的装置。因此，对于填料的选择，主要有三大选择标准。一是填料的单位体积的表面积，足够大的换热表面积是冷却塔换热性能的保证；二是材料的亲水性能，亲水性能好的材料能使得水在填料表面形成水膜，使得水缓慢的流下，以加大换热面积和换热时间；三是填料对气流的影响阻力，对于自然通风冷却塔这个参数尤为重要，因为这将影响塔内空气流量，进而影响换热。当然，填料的价格和耐水性等因素也应予以考虑[11]。大体来说，填料的类型可以分为薄膜式和点滴式：点滴式常用水平的或倾斜布置的三角形或矩形板条按一定间距排列而成。在这里，水滴下落过程中水滴表面的散热以及在板条上溅散而成的许多小水滴表面的散热约占总散热量的60~75％，而沿板条形成的水膜的散热只占总散热量的25~30％。点滴式填料由于对横向气流阻力小、单位体积耗材少、允许淋水密度大等优点多用于大型横流冷却塔当中，常见的有弧形板条，M形板和蜂窝形板等。薄膜式填料是利用间隔很小的平膜板或凹凸形波板、网格形膜板所组成的多层空心体，使水沿着其表面形成缓慢的水流，而冷空气则经多层空心体间的空隙，形成水气之间的接触面水在其中的散热主要依靠表面水膜、格网间隙中的水滴表面和溅散而成的水滴的散热等三个部分，而水膜表面的散热居于主要地位。由于这种填料的冷却效能高，因而应用最为广泛。对于薄膜式填料上发生的传热传质过程的算法直接影响着冷却塔技术的发展水平。Merkel算法的控制方程是他于20世纪20年代首先提出的[7]，他认为焓差是冷却塔填料表面气液之间的传热动力。1925年他又相似的提出了横流冷却塔的计算方法。为了简化计算，他对计算条件作出了一些重要的假设。但是正是由于这些假设，使得Merkel的计算方法的精确程度下降，对传热传质过程的表达不是十分的精确。Bourillot指出，当能够准确的给出水量蒸发系数的时候，Merkel的方法对于计算水温还是十分准确的[8]。但是它的不足之处在于无法准确计算离开冷却塔的空气的相关参数和由于蒸发而造成的水流量的变化。但这些参数对于计算冷却塔的整体耗水量是十分重要的。Jaber和Webb提出了新的e-NTU法用以对逆流冷却塔和横流冷却塔进行计算[9]。这种算法和传统的计算方法相比，它更为简单。Poppe在20世纪70年代提出了他的算法。他并没有使用Merkel的简化假设。Poppe算法在计算的过程中考虑了水的蒸发量，因此对于研究非饱和、饱和以至于超饱和状态的计算都非常有效。基于Poppe算法而得出的水的蒸发量和等大模型试验的结果十分吻合。这种算法还能准确的计算出冷却塔排出空气中的含湿量，这对于干湿式冷却塔的设计是十分重要的。2003年，J.C.Kloppers和D.G.Kroger分别对横流冷却塔和逆流冷却塔的计算过程进行了深入的研究。他们分别建立了三种基本算法的数学模型，而后与实际试验结果进行了对比，得出了重要的结论。对于横流冷却塔来说，与Merkel法相比，使用Poppe法计算出的预测结果中热排放率和水分蒸发量都较高[15]。而当与e-NTU法相比时，它得出的所有试验结果参数都较高。用Merkel法得出的热排放率、水蒸发量和空气出口温度与使用e-NTU法得到的参数结果是一样的。这是因为这两种方法基于的是相同的假设。因此，在设计过程中，对于填料性能的测试和对于冷却塔整体性能的测试一定要基于同一种方法，否则，得出的结果就不可信。对于一座冷却塔来说，换热传热特性是基于某一种计算方法而言的。Poppe计算方法相对复杂，但是相较于Merkel法和e-NTU法而言更加精确。如果水的蒸发量或者空气出口温度是需要研究的重点的话，那么Poppe法将是更加值得使用的。对于自然通风冷却塔来说，冷却塔出口的空气温度是需要计算得十分精确的，这事因为冷却塔自然通风的能力主要取决于填料出口处的空气温度。当在设计冷却塔的过程中，水的填料出口温度作为需要关注的重要参数指标时，Merkel法和e-NTU法就成为较为推荐的计算方法了，因为在这种情况下他们的计算结果与Poppe法基本相同而计算过程又精简了很多。很多研究者也用实验方法实测了冷却塔的性能。SimpsonandSherwood研究了采用木质填料的机械通风式冷却塔的换热性质和压降特性，并首先指出了填料几何形状对冷却塔性能的影响[15]。Bedekaretal用实验方法研究了使用薄膜填料逆流冷却塔的性能，他们在实验中用冷却塔效率和出水水温来作为评价冷却塔的热力性能的标准，他们发现这两个参数可以用水气比的函数进行表示。冷却塔的性能随水气比的增加而下降[16]。通过试验数据，他们提出了传质系数与冷却塔压降之间的关系。KloppersandKrger通过对于使用点滴式填料的逆流冷却塔的试验研究了填料与冷却塔效率损失之间的关系[17]，并给出了效率损失与水和空气流量之间的关系方程。在另一篇文章中，KloppersandKrger研究了开式冷却塔换热能力与水流量和水温以及填料高度的关系。Elsarrag通过试验研究了陶瓷填料的性能，他指出影响传热传质系数的主要因素是水气比进水温度以及空气进口的焓值[16]。并对VCP型填料和HCP型填料的性能给出了特性曲线。有比较才能鉴别。但是如何进行比较是值得探讨的。对待不同的填料，用不同条件、不同塔型所得的填料特性方程作为技术经济比。综上所述我们选择了：薄膜式填料。2.5风机的选型风机是半集中式空调系统中常用的重要装置，作用是为风道系统中的空气提供能量，克服整个风道系统阻力损失。风机的风压选择至关重要，决定着风机实际使用中的风量能否达到设计要求，而在选择风机时，是要求风机出口静压满足系统的阻力损失，还是要求风机出口全压满足系统的阻力损失，业界还存在一些不同看法。风机叶片将能量供给风道中的空气，这个能量表示为空气全压的增加，它包括静压和动压。动压和静压相互影响、相互转化，根据流体力学原理得知，在任何时候，全压pq总是等于静压pj和动压pd之和[18]。由于是模型的设计，我们并没有选择实际工程的风机，而是选择了类似于电脑主机的风扇性质的小型风机，因为这样的风机便于安装。2.5.1风机的H-Q曲线根据主机给定的负荷量，在PM1238HA2BAL-7Q-H的曲线上确定风机的风量，目前我们选择的风机的功率为19w，其风量-风压（Q-H）线图为：图2-1H-Q曲线图2.5.2风机的参数简介表2-3风机参数表电压V电流A功率W转速RPM风量CFM风压mmH2O噪声dB1212182600985.642.5图2-2风机尺寸图2.6冷却系统实验装置的箱体设计2.6.1箱体选材根据冷却塔的塔体部分的大小尺寸及重量，充分考虑这次设计的轻便小巧，组装拆卸方便的原则，通过再三的选择，选择了铝型材这种材料来作为整个循环冷却系统实验装置的底座。铝型材的优点：（1）抗腐蚀性铝型材的密度为2.7g/cm3，约为钢、铜或黄铜的密度(分别为7.83g/cm3，8.93g/cm3)的1/3。在大多数环境条件下，包括在空气、水(或盐水)、石油化学和很多化学体系中，铝能显示优良的抗腐蚀性。（2）热导量率铝合金的热导量率大约是铜的50-60%，这对制造热交换器、蒸发器、加热电器、炊事用具，以及汽车的缸盖与散热器皆为有利。（3）非铁磁性铝型材是非铁磁性的，这对电气工业和电子工业而言是一重要特性。铝型材是不能自燃的，这对涉及装卸或接触易燃易爆材料的应用来说是重要的。（4）可机加工性铝型材的可机加工性是优良的。在各种变形铝合金和铸造铝合金中，以及在这些合金产出後具有的各种状态中，机加工特性的变化相当大，这就需要特殊的机床或技术。（5）可成形性特定的拉伸强度、屈服强度、可延展性和相应的加工硬化率支配着允许变形量的变化。（6）回收性铝具有极高的回收性，再生铝的特性与原生铝几乎没有差别。综上，我们可以得出，铝型材相对于其他的金属比较轻盈，符合我们这次设计的小巧轻便的思想；同时，其热传导率相对而言也比较优良，在散热方面可以起到不错的效果；选择它的关键还是其优良的可加工性，与其他金属相比较，其可塑性要高出很多，方便我们的切割和加工；并且这次的冷却塔主体主要是用有机玻璃作为主要框架结构，重量不会很重，所选择的铝型材尺寸为20×20mm，这个尺寸的铝型材材质承重约为15KG左右。为了日后的拆卸和组装的便捷，综合价格等其他因素，选择性价比比较高的铝型材。图2-3铝型材尺寸图2.6.2箱体设计确定好选用的材料后，根据之前确定的冷却塔塔体的大小尺寸为300*450mm2，选择一个大小为330*500mm2面作为风机主体的承重面。同时为了容纳部分电器设备及主要设备，根据所选择型号的大小我们将这个底座的设计如图2-4所示图2-4箱体主体结构根据所要设计的模型的效果图，我们对整个结构所需零部件做了详细的报价和清单如表2-4所示表2-4组件及报价品名规格长度数量单位单价(元)金额（元）铝型材20204802支6.3012.602062支2.705.411202支1.583.156202支8.1416.282502支3.286.563305支4.3321.56续表2-4品名规格长度数量单位单价(元)金额（元）专用螺栓M6*1620只1.0020.00专用螺栓M5*108只1.008.00T型螺母M5-208只1.008.00打孔攻丝40只2.0080.00切角8只4.0032.00任意角度连接件20204套8.0032.00角件20284套5.0020.003MM铝板6303401块130.45130.455003701块112.67112.676302202块84.4184.413402201块45.5545.55340901块18.6418.642153401块44.5244.52嵌条3个厚板槽6用10米5.0050.00盖板20202只0.801.60铝板1项100.00100.00运费55.00总价908.482.7箱体基本电气设备选型2.7.1电源1）选型要求：体积小巧，重量轻盈，直流输出电压24V,电流0～5.0A2）所选型号及参数特性型号：DR-120-24生产厂家：台湾明纬企业股份有限公司参数特性：（1）直流输出范围：24V,0～5.0A（2）输出电压精度：±1%（3）纹波：80mV（4）效率：84%（5）输入电压范围：由开关选择90～132VAC/180～264VAC（6）输入浪涌电流：冷启动40A/230V（7）电压调整范围：12V:12～14V，24V:24～28V，48V:48～53V（8）过载保护：过电流点在105%～150%时恒流限流自动复原（9）过电压保护：额定输出电压的115%～142%时关断,重启复位（10）过热保护：90℃±5℃(TSW1检测功率晶体管散热器温度)（11）保护类型:过热关断,温度下降后自动恢复（12）启动上升保持时间：230VAC满载时500ms,70ms,36ms（13）工作温度：-10～+60℃（14）抗震动性：10～500Hz,2G10分钟/周期,XYZ各轴各60分钟（15）接线方式：输入端:3点.输出端:4点螺丝DIN端子（16）外形尺寸：65.5×125.2×100mm(宽×高×深)3.图片图2-5电源正面图2.7.2继电器1）所选型号及参数特性型号：MGR-1D4840生产厂家：美格尔电子电器有限公司参数特性：（1）品名：单相固态继电器40A（2）控制方式：直流控交流(DC-AC)（3）负载电流：40A（4）负载电压：24-480V/DC（5）控制电压：3-32V/DC（6）控制电流：DC:3-25mA；AC:12mA（7）通态压降：≤1.5V（8）断态漏电流：≤5mA（9）断态时间：≤10ms（10）介质耐压：2500V/AC（11）绝缘电阻：500MΩ/500V/DC（12）环境温度：-30℃~+75℃（13）冷却条件：负载电流10~25A;必须安装散热器（14）安装方式：螺栓固定（15）工作指示：LED2）图片图2-6继电器正面图2.8本章小结本章着重介绍了模型的制作过程及其各部分的选型及其选材。着重从以下几方面着手对我们的冷却塔模型进行考虑：（1）在综合比较闭式逆流塔与开式横流塔等一系列问题下，结合我们自己的现状，由于考虑到开式横流塔的能耗少，制作简单且性价比较高等一系列的优点下我们选择了开式横流塔（2）在配水方面的设计时，由于考虑到只安装管道的配水方案时管路末端会出现断流的现象，我们又加了单流槽的设计方案，并且在上面加上切换阀门，在模型的实验过程中能明显的对比看出传统的设计与我们设计的差别所在。（3）在配水中我们没有采用喷头，而是采用了小孔代替喷头，又节约了一部分的经费（4）在风机的选型中没有用工业中的大型风机，而是选择了类似电脑主机风扇的小型风机进行配合，这样即节约成本，也使得模型更加的轻巧。（5）模型的效果图如下：图2-7模型三维效果图图2-8塔体尺寸图3控制回路的设计设计思路：1）本次实验装置在控制，热力等方面的设计理念是自动化、智能化；在传感器及控制器等器件的选型上充分考虑PLC所能接收的信号及它发出的信号控制执行器的动作2）4个温度传感器分别测量进水温度、出水温度、湿球温度、干球温度将所测得的信息直接传送到PLC模块上，由PLC识别信号3）选择模型的电源、继电器、控制器、电力调整器、流量计和水泵等设备都需考虑能否相互配合，相互适用3.1进水温度控制方案的设计3.1.1方案一：利用恒温混水阀又名恒温阀/恒温控制阀1）DN-15主要技术参数：工作压力：0.03-1MPa理想工作压力：0.1-0.5MPa冷水温度：5-29℃热水温度：50-80℃最高热水温度：＜95℃调温范围：35-45℃温控精度：±2℃出水口流量：1m3/h(压差0.1MPa)通径：DN15（螺纹连接）2）工作原理在恒温混水阀的混合出口处，装有一个热敏元件，利用感温元件的特性推动阀体内阀芯移动，封堵或者开户冷热水的进水口。在封堵冷水的同时开启热水，当温度调节旋纽设定某一温度后，不论冷、热水进水温度、压力如何变化，进入出水口的冷热水比例也随之变化，从而使出水温度始终保持恒定，调温旋纽可在产品规定温度范围内任意设定，恒温混水阀将自动维持出水温度。3）特点可以根据需要自行调节冷热水混水温度，所需温度可以讯速达到并且稳定下来，保证出水温度恒定，且不受水温、流量、水压变化的影响。4）使用安装、调节及注意事项（1）红色标记的是热水进口。蓝色标记的是冷水进口。（2）设定温度后，如时水温度或压力有变化，出水温度变化值在±2℃。（3）如果冷热水压力不一致，应在进水口加装单向止回阀防止冷、热水互串。（4）如果冷、热水压差比值超过8：1应在压力大的一侧加装限流减压阀以保证混合水阀能正常调节。（5）在选用及安装时请注意公称压力、混水温度范围等要求是否与产品参数相符。本产品是我公司研发的专利产品，为方便太阳能热水器用户使用，同时开发了配套的止回上水阀和限流减压阀，为防止热水器结水垢，还研制出与之配套的高磁除垢器。（6）调试温度时应把出水流量开到最大。（7）调节钮正旋方向是降温、逆旋方向是升温，初次调节请注意从低温方向往高温方向调节，以防烫伤。（8）调节钮低温方向听尽头是关闭热水，高温方向的尽头是关闭冷水，如果热水温度不高，可以关闭冷水只用热水洗浴，但使用过后应注意高回低温区域，以免下次使用时发生烫伤。（9）如果冷、热水进水压力不一致，且没有安装单向止流阀，请注意每次使用后，将调温钮调到低温方向尽头，即关闭热水状态，最大程度防止冷热水互串。6.缺点：混合阀的精度达不到要求，混水温度的控制不太准确。3.1.2方案二：利用阀门+远程控制阀头1）简介表3-1阀门尺寸规格四分品牌嘉科米尼型号R390产品名三通恒温阀适用范围暖气，散热器连接形式螺纹介质温度100（℃）材质黄铜2）原理利用三通阀来完成混水的温度设定，利用远程控制阀头实现温度的远程设置，通过给他一个4~20mA的电流信号来实现控制。3）特点（1）远程控制无需电力（2）长寿命大推力（3）卡口快装式（4）可与嘉科米尼多款阀门直接配套（5）适合远程控制4）图片图3-1阀帽图3-2阀体5）缺点阀门加阀头造价太高，而且是国外产品，技术不好控制，精度也不太高只有0.5℃，信价比不高。3.1.3方案三：利用电加热棒+混合阀1）简介本辅助电加热器经过精心设计，采用美国进口的优质英格莱800材质电加热管表面经特氟龙涂层处理制造而成，具有很高的抗腐蚀性。并配有进口双重保护的优质温控器。是专为太阳能配套的优质产品。是太阳能光电互补系统的主要部件。实现了太阳能热水器阴雨雪天都能达到所需水温的功能。2）原理利用电加热棒加热混水使其达到相应的温度，从而控制在可靠的范围内。3）特点（1）先进材料：采用进口优质英格莱电加热管经氮化处理制造而成。（2）防干烧：设计余量大，耐干烧；带限温装置，达一定温度可自动断电。（3）自动调节水温：可配置温控仪，可根据自已需求设定温度，当水箱温度达到设定温度时，电加热器自动断电。4）图片：图3-3电加热棒5）缺点：精度不够，混水的温度不好控制。3.1.4方案四：电力调整器+加热器1）简介通过电力调整器的输入信号的大小来改变功率，从而能改变加热器中水的温度。2）特点输入信号为4-20mA；可用PLC进行自动控制；也可手动控制，也可两个同时控制不用切换；功率调节线性化；限流保护功能。3）图片图3-4电力调整器与加热器3.1.5小结在综合上述四个混水方案的设计中前三个方案都有各自的缺点，在对前三个方案进行对比琢磨下，我们提出了第四个方案，这个方案不仅能很好的控制混水的温度，而且可以根据需要的混水的温度来调节功率调节加热器的功率，使其更加的符合我们设计的终极目的——节能。3.2进出水温度的测量1）选型要求：本次实验装置的所需测的温度为干、湿球温度和冷却塔的进出水温度，测量范围在0~100℃内；由于冷却塔进出水温度需在管道内测量，所以温度传感器必须要小巧。采用：Pt100温度传感器2）产品概述产品名称：Pt100温度传感器温度系数：TCR=3850ppm/K温度范围：A级：-50℃~300℃尺寸：2.3mm*2.1*0.9mm(长*宽*高)线长10mm抗振动等级：10-2000Hz绝缘电阻：>100MΩ，20℃时>2MΩ，500℃时响应时间：水0.4m/st0.5=0.05st0.9=0.15s空气2m/st0.5=3.0st0.9=10.0s测量电流：PT1000.3-最大1.0Ma3）图片图3-5Pt100温度传感器将测量得到的信号直接传送至PLC的模块中，直接转换成PLC可读信号，传送给PLC。3.3流量的测量和控制3.3.1水泵的选型1）选型要求：本次模型的设计的主要理念就是小巧便捷，所以在体积大小上对水泵的要求比较高，根据之前的预估，水泵的大小需在150*100*70（长*宽*高、单位：mm）范围内；考虑到这次所选用的介质管道是PU管，内径为8mm，加之，冷却塔塔体和水泵之间的高度差估计约为600mm左右，所选用泵的扬程需要大于1M，约1.5M左右；由于介质的流速也是需要可调的，同时为了结合PLC所输送的信号，所选的泵最好是由4~20mA电流信号或者0~10V电压信号来控制速度；流速方面，根据所选的PU管的内径8mm，预估常用的所需流量为4.71L/min，考虑到实验所需，故在泵的最大流速上定位7L/min左右；由于之前所选择的电源大小为24V，所以泵的电源是24V为最佳。综合所需选型要求，我们找到以下型号水泵比较符合要求。2）所选水泵型号及特点型号：DC40A-1220生产厂家：深圳中科世纪科技有限公司特点：（1）无刷直流，永磁磁铁驱动，免维护，长寿命（2）体积小，效率高，功率低，噪音小（3）定子及电路板部分采用环氧树脂灌封，完全防水（4）速度可由PWM、模拟信号（0~5V）或电位器调节3）参数规格：表3-2DC40A-1220水泵的参数规格序号类别规格1尺寸及重量83*63*48；250g2水泵进水口直径13.8mm3水泵出水口直径13.3mm4驱动方式无刷，磁力隔离。两相直流或三相直流5水泵壳体材料PA66+30%GF(可更换)续表3-2序号类别规格6使用方式可连续使用7适用介质水、油以及其他酸碱溶液8最大工作温度60℃或100℃9功耗6.36W10额定电压12Vdc或24Vdc11使用电压12Vdc12最大负载电流0.53A13最大流量7.5L/MIN14最大静态扬程1.5m15噪音<35dB16防水等级IP6817寿命大于30000H18供电方式太阳能板，蓄电池，适配器，电源模块4.图片图3-6水泵DC40A-1220图3-7水泵尺寸图及安装支架尺寸图3.3.2流量计的选型1）选型要求：根据这次实验装置的设计要求，对流量计的选择上，首先就是需要小巧、便捷，安装方便的流量计。本实验装置的流量也是需要控制的参数之一，所以对流量大小也有严格要求，经估算本实验装置在一般工况下，正常流速一般都在4.71L/min左右，而流量大小也是变化的，所以在流量计的选型上流量范围在3~20L/min。因为这次的实验装置的设计方向是实现自动化、智能化，故对于流量计的信号输出也有一定要求，要选用PLC可以识别的信号如4~20mA电流信号或是0~10V电压信号。所要选的流量计所测量的介质是0~100℃的水，介质所选用的是内径8mm的PU管，所以所选流量计的管道口径为8mm左右，可以通过接头来连接。经过上网与卖家联系和沟通，我找到以下这款型号，相对符合本次实验装置的基本要求。2）所选型号及特点型号：LWGB-DN10涡轮流量计生产厂家：郑州环瑞仪表有限公司特点：（1）压力损失小，叶轮具有防腐功能（2）具有较高的抗电磁干扰和抗震动能力、性能可靠工作寿命长（3）采用先进的超低功耗单片微机技术，整机功能强，功耗低，性能优越，具有非线性精度补偿功能的智能显示器；修正公式精度优于±0.02%3）主要技术参数：流量计规格：LWGB（1）环境温度：-20℃-50℃（2）相对湿度：5%-95%（3）被测介质温度：-20℃-120℃（4）工作压力：6.3MPa（5）输出功能：4-20mA两线制电流输出（6）供电电源：LWGBDC24V（7）流量范围：3.3~20L/min（8）公称通径DN：10（9）尺寸：450*165mm4）仪表结构及安装方式：（1）仪表安装采用螺纹连接（2）安装时液体流动方向应与传感器外壳上指示流向的箭头方向一致，且上游直管段应≥20DN，下游直管段应≥5DN。（3）传感器应远离外界磁场，如不能避免，应采取必要的措施。（4）为了检修时不至影响液体的正常输送，应在传感器两端的直管段外安装旁通管道。4）图片图3-8流量计实物图3.3.3连接根据所选水泵和加热器及流量计的口径尺寸，我选择了一些连接件来连接它们。由于所选择的水泵的进出口是一个14mm的宝塔型的管口，流量计是一个通径DN10的外螺纹式的连接口，两者之间的连接，在水泵出口上先安上一小段的皮管，然后选用宝塔嘴进行两者连接，水泵的进口连接的是PU管，由于很难选择快速接口与宝塔嘴的尺寸，所以选择了两个螺纹吻合的快速自动接头和宝塔嘴来接通两者。这次的加热器是定制的，所以厂家也直接定制我们的接头，需要一个通径为DN10内螺纹接头与流量计连接，外径为12mm的快速自动接头连接PU管。图3-9接头连接图3.4温控仪的选型1）选型要求：PID调节、输入输出为4~20mA电流信号、体积小巧2）所选型号及特点型号：XMTA-2000生产厂家：上海奥仪电器有限公司特点：（1）热电偶、热电阻输入及量程范围均可自由设置（2）软件调零满度，冷端单独测温，放大器自稳零，显示精度可优于0.2%FS（3）模糊理论结合传统PID方法，控制快速平衡（4）先进的PID参数自整定方法，整定时间较一般仪表缩短1/3以上时间（5）主控制输出可选：继电器触点、SSR驱动电平、4~20mA电流、移相触发脉冲、过零触发脉冲（6）报警输出：二路可定义的报警触点输出3）技术参数（1）输入规格：热电偶：K、J、E、S、N、T、B、R、WRe；热电阻：Pt100、Cu50；（2）测量范围：K（-50—1350℃）、S（-50—1750℃）、T（-200—400℃）、E（-50—1000℃）、Pt100（-200—500℃）、Cu50（-50—150℃）等（3）调节方式：智能PID调节，依据不同的P、I、D参数可组成P（P=0即为位式）、PI、PD、PID调节；主控可为继电器触点开关输出、触发固态继电器的逻辑电平、移相触发脉冲，过零触发脉冲及4~20mA模拟量输出或其他模拟量输出，可根据要求定制（4）报警功能：上限、下限、偏差值、绝对值（报警输出及主输出继电器触点最大容量为AC250V/2A）（5）电源：220AC±10%50/60Hz；电源消耗：≤3W；（6）工作环境：温度-10-50℃、湿度≤85%RH无腐蚀场合4）图片图3-11面板说明图3-12温控仪实物图3.5控制方案的设计冷却水系统一般有4种控制方式：早期的继电器控制系统、直接数字式控制器DDC和可编程程序控制器(PLC)控制系统、单片机系统。在大学四年里我们主要接触了单片机系统、PLC控制系统，PLC控制系统以其运行可靠，使用与维护都很方便，抗干扰能力强，模块集中而得到广泛应用，在PLC控制系统中我们主要应用：AI、AO、DI、DO等模块分别用来控制风机的启停，控制介质的流速，以及4-20mA信号的输出。PLC运行流程图如图。整个控制系统以PLC为核心，通过温度传感器分别传送回来的4组温度信号，分别为进水温度、出水温度、干球温度、湿球温度；主要观察进水温度与出水温度的温差，一般工况下冷却水系统的进水温度为37℃，出水温度为32℃。在保证介质流量为4.71L/min的常规工作流速下，加热器的功率保持不变，令出水温度加热到所需工况下的温度如37℃。通过打开风扇数量和顺序，来观察冷却效果，找出该工况下最佳的运行状态，同时也可以通过对介质流速的微调来来提高冷却效果。通过温度和流量大小的数据采集，经过PLC程序的判断来决定风机的启停数目，启停顺序和介质流速的改变。图3-13简单控制策略3.6控制箱箱体控制设备及电气设备的布置图由上文的电气设备选型和控制回路中一些控制设备的选型可以知道，这些设备的大小尺寸，而且在整个箱体的大小设计的时候，我们也为这些设备预留了足够的位置。如图所示图3-14控制箱体平面布置图图3-15控制箱体三维模型图3-16控制箱体及电气设备三维图4冷却水系统模型实验平台实验4.1实验一变工况性能测试实验由公式4-1可知在控制的过程中主要是控制的水的流量和温度着两个变量，其他数值在加热器功率一定的情况下，都可以认为是一个定值[19]。，（4-1）C=4200J/(kg·℃）在中央空调系统中，水泵和风机流量Q、压力P、转速n和功率N满足如下关系：流量Q与转速n成正比的关系;Q=a*n（4-2）压力P与转速n2成正比的关系;P=b*n2（4-3）功率N与转速n3成正比的关系：N=g*n3（4-4）表4-1冷却塔参数与电机的参数关系表冷量2.52.52.52.52.52.5温差℃2.52.753.133.584.185.0水流量Q1.00.90.80.70.60.5泵转速n1.00.90.80.70.60.5水压力P1.00.810.640.490.360.25电机轴功率N1.00.730.510.340.220.13节电率00.270.490.660.780.87由公式5-5知，流量Q与转速成正比，由表知转速n又与电机的功率与节电率成正比。因此在设计时为了节能我们只能设计成小流量与大温差，但是扩大温差、降低流量不能任意进行，是受约束的。GB50019—2003的推荐值是：冷水供回水温差一般为5℃，热水供回水温差一般为了10℃。4.1.1流量一定，改变温度表4-2定流量改变温度关系表流量（t/h）tintouttt冷负荷冷却设备数量风机启动最大数量风机启动顺序当流量一定时，根据风机启动的数量及顺序来测定出口的温度，n、s与出口温度的关系，就是Q与出口温度之间的关系，从而将数字量与模拟量之间的对应关系转换成了模拟量之间的对应关系、从而省略掉了D/A转换的繁琐步骤，然后根据公式4-1可得出Q与tout之间关系，然后选择被控过程处于开环、稳态时，将选定的输入量电加热器功率做一阶跃变化，测试记录输出量的变化数据，所得到的记录曲线就是被控过程的阶跃响应曲线：图4-1Q与tout的关系图由于该过程是一个延迟比较大的过程因此，在模型的选择时我选择了一个延迟时间Tao,由于回水温度不可能无限度的低，它和湿球温度间有一个关系，当他们之差小于2.8℃时，无论风机的开启数量怎么变化，回水温度也将不在变化，因此在选型时我选择了一个一阶的惯性环节，综上所述模型选用如下：参数的求解：通过调节功率调节器，给其一个阶跃信号30%-40%变化时的，通过图获得曲线得出tout的稳态值，，，，根据曲线和数据，可以近似得出：Q1、Q2、Q1/Q2，当比值小于0.32时，为一阶惯性环节，当0.32<Q1/Q2<0.46时，为二阶惯性环节，n=2，当0.46<Q1/Q2，查表即可得出n的值，然后根据下面公式算得T的值。4.1.2温度一定，改变流量表4-3定温差时的流量变化tintouttt流量（t/h）冷负荷冷却设备数量风机启动最大数量风机启动顺序由公式4-1知，当温度一定时，流量与Q成线性关系。4.1.3流量温度同时改变表4-4流量温度同时改变表tintouttt流量（t/h）冷负荷冷却设备数量风机启动最大数量风机启动顺序由于温度流量同时改变，由于此时改变两个量，要求系统反应更加的准确灵敏，因此在设计时加了一个前馈控制器，前馈信号为进口温度，当进口温度改变时根据公式4-1可以得出此时的Q,然后根据单塔及塔组实验得出的Q与风机的开启顺序与数量的函数关系式及其图像，便可快速的得出此时应该开几台风机与风机的启动顺序，单闭环控制加前馈控制系统系统框图如下所示：图4-2前馈控制图