冷却塔性能评价方法研究

翟佳雷，涂淑平，朱月婷

(上海海事大学 商船学院，上海 201306)

前言

随着国家节能减排政策的实施，近几年冷却塔在钢铁冶金、电力电子、机械加工、空调系统等行业得到广泛的应用，同时冷却塔的类别和形式也越来越多，根据不同的要求和具体的条件，想要设计出符合需要又比较完善的冷却塔，至少应该满足下列几项要求：首先，应保证所要求的技术指标；其次，应有足够的强度和可靠的结构；第三，应便于制造、安装和检修；第四，经济上合理。这些要求之间往往是相互制约的，所以应该全面考虑制约的的因素，从而制定最好的方案。同时，在产品批量生产之后，也需要建立一套全面、客观的考核标准，以促进产品向着部件标准化、生产规范化、产品多样化、操作维修简便化的方向发展，这就提出了如何评价冷却塔的问题。

传统评价冷却塔的方法过于单一，不能统筹所有因素，且不同的评价方法评价结果不一，而模糊综合评价法能够统筹各个方面的因素，对冷却塔性能进行全面的、客观的评价。

1 传统的冷却塔性能评价方法

对冷却塔的热力性能作出评价时一般都是根据冷却塔试验的结果来进行的。进行评价的指标也是各种各样的，有的用冷却循环水的出口温度指标来评价，有用处理的循环水量指标来评价，有的以冷却效率指标来评价，当然还有其它许多评价指标，冷却塔的性能评价方法主要有以下几种[1-4]:

1.1 按计算冷却水温评价

1.2 按实测冷却水温评价

1.3 日本特性曲线评价方法

日本用下式评价冷却塔的性能

式中:

Ld—设计冷却水量；

L—修正到设计条件下的冷却水量。

由于实验条件与设计条件存在差异，故需将实验条件下所测得数据，修正到设计条件下。

在冷却塔特性曲线图上，可根据实测冷却塔的参数，求出修正到设计条件下的冷却水量L，将L代入上式计算。若ηt>95%，则视为该冷却塔达到设计要求。

1.4 美国冷却塔协会冷却塔评价方法(CTI)

美国冷却塔协会评价冷却塔性能的方法有两种：一种是利用特性曲线来评价冷却塔的性能，其方法与日本基本相同；另一种是利用冷却塔的操作曲线来评价冷却塔的性能。设计单位需要给出采用90%、100%和110%的设计冷却水量等的操作曲线图，其中曲线的横坐标为空气湿球温度τ，纵坐标为冷却塔中冷却水的出水温度T0，斜线为冷却幅高Δt=T0-τ，如图1、2、3所示[5]。

图1 设计冷却水量90%时操作曲线

图2 设计冷却水量100%时操作曲线

图3 设计冷却水量110%时操作曲线

将设计单位提供的性能曲线绘制成在实验条件下确定冷却塔能力的曲线。其步骤首先以实验湿球温度τ为基础，绘制一组以冷却幅高Δt为横坐标，冷却塔出口水温T0为纵坐标，冷却水量L为参变数的曲线，如图4所示。然后，由此组曲线，根据实验条件下冷却幅高Δt绘制一条冷却塔出口水温T0和冷却水量L之间的关系曲线，如图5所示。这样在实验条件下，由冷却塔出口水温度就可查得预计保证的冷却水量L，将实验条件下的冷却水量再进行空气阻力的修正。修正后的水流量与预计的水流量之比即可确定冷却塔逼近度。

图4 Δt与To关系曲线

图5 To与L关系曲线

2 模糊综合评价法

模糊综合评价法是一种基于模糊数学的综合评标方法。该综合评价法根据数学的隶属度理论将定性评价转化为定量评价，即用模糊数学对受到多种因素制约的事物或对象做出一个总体的评价。它具有结果清晰、系统性强的特点，能较好的解决模糊的、难以量化的问题，适合各种非确定性问题的解决。

模糊综合评价法应用于对冷却塔的评价，是把冷却塔众多的性能因素综合起来，将各个因素的隶属度和此因素在总体中所占的权重结合起来评价冷却塔的性能，下面介绍冷却塔模糊综合性能评价法的使用方法[1][5]：

2.1 建立权重集

冷却塔不同的性能指标其作用程度是不一样的，所以应该赋予不同的权重。冷却塔的性能因素有很多，比如：冷却水出口温度、逼近度、冷却效率、风机噪声、空气阻力、初投资、运行费用等等。我们将其分成三类，其中冷却水出口温度、逼近度、冷却效率等为A类，风机噪声、空气阻力等为B类，初投资、运行费用等为C类，它们在总评价集中的权重分别为XA，XB，XC。而在A类中，冷却水出口温度、逼近度、冷却效率等的权重分别为x1，x2，x3……；B类中，风机噪声、空气阻力等的权重分别为y1，y2……；C类中，初投资、运行费用等的权重分别为z1，z2……。

2.2 求解各个因素在各类中的隶属度

首先介绍一下备择集的概念，备择集是指以总评判的各种可能的结果为元素所组成的集合。而隶属度是指评判的某个对象隶属于备择集中第k个元素的程度。下面介绍冷却水出口温度、冷却效率、逼近度隶属度的算法[1]：

2.2.1 冷却水出口温度隶属度

冷却塔冷却水出口温度隶属度用下式表示：

2.2.2 冷却效率隶属度

冷却效率系数反映了冷却塔中热量交换的完善程度，其隶属度用下式表示：

f(η)=1 -e-(η-0.2)2

2.2.3 逼近度隶属度

逼近度是指冷却塔中循环水的出口温度与周围环境的湿球温度之差，逼近度越大，则我们所说的逼近度则越弱[6]。逼近度是不可能达到0℃。

逼近度隶属度用下式表示：

还有风机噪声、空气阻力、初投资、运行费用等的隶属度，它们有些由工程经验得出，这里不再阐述。

2.3 建立单类因素模糊评判集

假设要评价Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三种型号的冷却塔的性能。

2.3.1 首先，建立隶属度矩阵

如下：

2.3.2 其次，建立单类因素模糊评判集

以A类为例，如下：

(A1，A2，A3)

(A1，A2，A3)表示单考虑A类因素时，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三种型号的冷却塔的优良程度分别为A1，A2，A3。同理，仅考虑B类因素和C类因素时，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三种型号的冷却塔的优良程度分别为B1，B2，B3和C1，C2，C3。

2.4 建立模糊综合评判集

将单类因素模糊评判集矩阵与它们在总评价集中的权重相乘即可得到模糊综合评判集，如下：

Y=(Y1,Y2,Y3)

其中Y1,Y2,Y3就是这三种产品的模糊综合评价指标。

3 模糊综合评价法应用实例

表1列出了三种型号的冷却塔的性能参数。

若单以冷却水出口温度为评价指标，则型号Ⅲ性能最优；若单以逼近度为评价指标，则同样型号Ⅲ性能最优；若单以冷却效率为评价指标，则型号Ⅰ性能最优。下面以模糊综合法评价三种型号的冷却塔性能优良。

3.1 建立权重集

一般情况下，取A、B、C类在综合集中的权重XA，XB，XC分别为0.4、0.3、0.3。A类中冷却塔的冷却水出口温度、逼近度、冷却效率的权重x1，x2，x3取0.6,0.2,0.2；B类中风机噪声、空气阻力的权重y1，y2分别取0.4、0.6；C类中初投资、运行费用的权重z1，z2分别为0.5、0.5。

3.2 求解各个因素在各类中的隶属度

分别计算型号Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ冷却塔的A类因素中冷却水出口温度、逼近度、冷却效率的隶属度。

型号Ⅰ：冷却水出口温度隶属度：

逼近度隶属度：

冷却效率隶属度：

f(η1) = 1 -e-(1.37-0.2)2=0.838

型号Ⅱ：冷却水出口温度隶属度：

逼近度隶属度：

冷却效率隶属度：

f(η2) = 1 -e-(0.84-0.2)2=0.336

表1 三种型号的冷却塔的性能参数

型号指标 ⅠⅡⅢ冷却水出口温度(℃)31.832.1631.11逼近度(℃)5.76.114.84冷却效率1.370.841.12

型号Ⅲ：冷却水出口温度隶属度：

逼近度隶属度：

冷却效率隶属度：

f(η3) = 1 -e-(1.12-0.2)2=0.688

根据工程经验B类因素中的噪声、空气阻力隶属度，C类因素中的初投资、运行费用隶属度列于表2。

表2 初投资和运行费用隶属度

ⅠⅡⅢ噪声0.50.60.7空气阻力0.2380.1730.192初投资0.70.30.5运行费用0.30.90.6

3.3 建立单类因素模糊评判集

A类：(A1，A2，A3)

=(0.5184,0.4098,0.5122)

由以上结果可知，仅考虑A类因素时，型号Ⅰ的优良程度为51.84%，型号Ⅱ的优良程度为40.98%，型号Ⅲ的优良程度为51.22%，型号Ⅰ最优。

B类：(B1，B2，B3)

=(0.3428，0.3438，0.5352)

所以，仅考虑B类因素时，型号Ⅰ的优良程度为34.28%，型号Ⅱ的优良程度为34.38%，型号Ⅲ的优良程度为53.52%，型号Ⅲ最优。

C类：(C1，C2，C3)

=(0.5，0.6，0.55)

所以，仅考虑C类因素时，型号Ⅰ的优良程度为50%，型号Ⅱ的优良程度为60%，型号Ⅲ的优良程度为55%，型号Ⅱ最优。

3.4 建立模糊综合评判集

将单类因素模糊评判集矩阵与它们在总评价集中的权重相乘即可得到模糊综合评判集，如下

Y=(Y1,Y2,Y3)

=(0.4602，0.4471，0.5304)

所以，综合考虑时，型号Ⅰ的优良程度为46.02%，型号Ⅱ的优良程度为44.71%，型号Ⅲ的优良程度为53.04%，型号Ⅲ最优。

4 结论

冷却塔的性能指标评价有很多方法，传统的方法往往只以一个指标作为标准，而模糊综合评价法可以综合各种因素做出一个整体的评价，实践证明：综合模糊评价法结果清晰、系统性强，能够较全面的解决冷却塔的评价问题，弥补传统评价方法的缺陷，但是也存在实际操作很复杂的不足。

[1] 李永安.空调用封冷却塔[M].北京：中国建筑工业出版社，2007

[2] 苗永昌.冷却塔性能的评价[J].甘肃科技纵横，2009,38(6)：58，127

[3] 朱庆云.热闭式冷却塔技术研究及选型软件开发[D].上海：上海海事大学，2013

[4] 陶罗飞.闭式冷却塔性能优化研究及测试台研制[D].上海：上海海事大学，2013

[5] ASHRAE.Handbook and Product Directory-Equipment,chap.21,American Socirety of Heating.Refrigerating and Air conditioning Engeering,Atlanata,GA,USA,1975

[6] 胡永宏，贺恩辉.综合评价方法[M].北京：科学出版社，2000:167-188

[7] 朱羽中.冷却塔冷却效率评价计算方法[J].工业用水与废水，2003，(12)：62-65