摘 要

本文主要是根据所给初始条件进行空冷器的设计，并在设计之后使用Aspen EDR 软件进行模拟优化，根据模拟结果针对性的进行优化，通过改变参数优化原有的方案。

本文在开头对空冷器的分类、特点以及研究现状在进行说明，这对于之后的优化有很大帮助。计算方面，本文首先对原始数据进行分析，并依此选择空冷器的类型为干式空冷器，翅片管类型为G型翅片管，结构采用鼓风式，管箱采用丝堵式。查询资料对初始数据进行计算，先进行估计计算，根据计算结果，查表选择基管型号尺寸。根据以上选择，进行进一步的校核计算，并与估计结果进行对比，不断调试，直至符合要求。

优化方面，本文将上诉符合要求的数据及初始条件应用Aspen EDR专业换热器设计软件对其进行模拟优化，选择软件给出方案中的最优方案，与之前设计的方案进行大体的对比。应用软件对所选方案进行调试优化，增加面积余量，减小压降，完成优化。与之前模拟结果进行对比得出结论，完成计算部分内容。此次优化的难点主要是要通过多次调试其管子数、管长和管心距，来使其优化。

在所有优化结束之后，使用CAD画图软件对最终优化方案进行图画，完成设计。

关键词：热水冷却空冷器 软件模拟 设计优化

Study on Optimization Design of Hot Water Cooled Air Cooler

Abstract

The designs of the air cooler is according to the given initial conditions and uses Aspen EDR software after the design to optimize the simulation. According to the simulation results optimizes the model and optimizes the original scheme by changing the parameters.

The classification, characteristics and research status of air coolers has been explained at the beginning of this article, which helps greatly in the subsequent optimization. In terms of calculation, analyzing the raw data firstly and selects the type of air cooler as a dry air cooler, the fin tube type is a G-type fin tube, the structure adopts a blower type and the type of the tube box is silk plug type. Querying the data to calculate the initial data . After that, calculating and analyzing the calculation firstly. According to the calculation results, look up the table to select the base pipe model size. Based on the above selections, further verification calculations are conducted and compared with the estimated results, and debugging is continued until the requirements are met.

In terms of optimization, applying Aspen EDR to simulate appeal data optimization, choose the software to give the best program in the program and conduct with the previously designed program generally. The application software debugs and optimizes the selected program, increases the area margin. Reducing the pressure drop and completing the optimization. Comparing with the previous simulation results, completing the part of the calculation. The difficulty of this optimization is mainly through the number of debugging its number of tubes, tube length and tube center distance to optimize this solution

After all the optimizations have been completed, use the CAD drawing software to draw the final optimization plan and complete the design.

Keywords: Hot water cooling air cooler 、Software simulation 、Design optimization

目 录

摘要 I

第一章 引言 1

1.1空冷器定义及国内外研究现状 1

1.1.1 国内研究现状 1

1.1.2 国外研究现状 1

1.2 空冷器概念 2

1.2.1 干式空冷器 2

1.2.2 湿式空冷器 2

1.2.3 干湿联合式空冷器 2

1.2.4 管翅式空冷器 2

1.2.5 表面蒸发式空冷器 3

1.2.6 板式空冷器 3

1.3 研究空冷器的目的与意义 3

1.4 研究方法及手段 3

第二章 热水冷却空冷器的数值计算理论基础 4

2.1 热水冷却空冷器的热力学计算基础 4

2.2 热水冷却空冷器的数值模拟理论基础 5

第三章 设计计算说明书 6

3.1设计计算 6

3.2 Aspen EDR方案模拟优化 20

3.3 优化设计 22

第四章 结论与总结 24

致谢 25

参考文献 26

第一章 引言

1.1空冷器定义及国内外研究现状

对空冷器进行设计必先对空冷器有一个全面的了解。空冷器也称空气冷却器，其实是一种换热器，是通过用空气这种流体作为冷却介质对管内部的高温流体进行冷却或者冷凝的一种换热设备^[1]。空冷器械相对于之前曾广泛使用的水冷器械很大程度上的解决了工业大幅度用水致使供水不足和冷却设备泄露造成水体污染的问题。因此空冷器的经济性大大提高，慢慢替代了水冷，广泛应用于炼油厂、石化厂及发电厂^[2]。

国内研究现状

我国从20世纪60年代中期开始研制空冷技术，最开始用于石化工业^[3]。经过几十年大量的理论研究与试验，使各种空冷器广泛应用于石化、冶金、电力等行业。在20世纪70年代，我国经过不断努力，成功研制出湿式空冷器 ^[4]。而进入20世纪90年代，我国的兰州石油机械研究所经过不断地奋战，克服了当时的技术难题，研制出一种新型空冷器为：表面蒸发式空冷器 ^[5]。在2001年该研究所又再次创造奇迹，科学家们又开发了另一种新型的空冷器；板式空冷器 ^[6]。现如今国内对空冷器的研究依旧不断向前，华中科技大学的秦学^[7]、张绍林^[8]、韩文龙^[9]、闫洪远^[10]、周雪玲^[11]、梁晓林^[12]等人都对空冷器的各个方面进行了深入的研究与优化^[13]，使得我国空冷器的技术一直处于国际先进水平。对我国各个行业的发展影响巨大^[14]。

国外研究现状

国外的许多科学家也在通过不断研究，使空冷技术技术更加完善。国外于20世纪30年代开始，空冷技术就应用于工业^[15]。至今空冷器作为冷凝、冷却设备已经覆盖了大部分行业^[16]。在1939年，当时技术先进的德国的GEA公司最先提出了要把空冷器应用于火电厂，这在当时十分轰动 ^[17]，而在50年代，匈牙利也研发出了一种新型的空冷系统系统；混合式凝汽器的间接空冷系统(即海勒系统)。70年代，经过几十年的发展，表面式凝汽器的间接空冷系统和直接空冷系统得到了飞速的提升，技术不断完善。在90年代,空器冷却技术在国外受到很大的重视，得到十分迅速发展并且还在不断完善中^[18]，20世纪90年代，美国在怀俄达克电厂，正式投入运行360MW的直接空冷机组。而后，该电厂又在在南非的马尤巴电厂又投入了3x675MW的直接空冷机组，成为当时最先进的空冷机组^[19]。

空冷器概念

空冷器分类可以有很多，其中按管束布置方式可分为:立式空冷、水平式空冷、斜顶式空冷、V形空冷、圆环式空冷、多边形空冷^[20]；按冷却方式可分为:干式空冷、湿式空冷(包括增湿型、喷雾蒸发型、湿面型)、联合型空冷；而按结构方式又可分为：管翅式空冷器、表面蒸发式空冷器、板式空冷器等^[21]。

干式空冷器

干式空冷器是只使用空气作为冷流体，通过空气温升的方式来交换热量并达到冷却或冷凝管内流体的目的，它通过依靠翅片管和风机强制循环方式来强化传热^[22]。其特点是结构相较其他空冷器来说简单，操作及使用都十分方便方便。但由于其对空气干球温度的要求很高，一般最多只能把管内流体的温度冷却至高于环境温度15~20℃，所以这种空冷气有地域限制^[23]。

湿式空冷器

湿式空冷器相当于空冷与水冷的结一种复合体^[24]，解决了干式空冷器在气温高时的无法将管内流体冷却到所需温度的问题，低温时，利用空气冷却，高温时，利用喷雾装置，向翅片管上喷淋雾状水，通过水的蒸发吸热达到强化传热的目的^[25]，使其具有更大的适应性。

干湿联合式空冷器

联合式空冷器则是干式空冷器与湿式空冷器的一种结合^[26]，其中干式空冷管束起到气体冷凝器的作用，湿式空冷管束起到液体冷凝器的作用^[27]。其优点是占地面积比较小，而且两种空冷器安装在一起，可以用一个平台，节约经济^[28]，老厂改进时也比较简单。

管翅式空冷器

管翅式空冷器的主体是由管束以矩形排列组成,每个管束的管子都是三角形排列,管子通常翅片管,也可以是光管，依据实际情况而定^[29]。介质的流向大部分是逆流，热流体从上往下流动，空气从下往上流动，以此冷却热流体。

表面蒸发式空冷器

表面蒸发式空冷器的强化传热与其他空冷不同，它是依靠管外水膜的蒸发吸热，来强化传热，与湿式空冷器相似，是使用水管把水池中的水喷淋到管外，并用过风机由下至上吸取空气，使水膜与空气流间发生显热传递和管外水膜的蒸发^[30]。

板式空冷器

板式空冷器是冷凝装置的重要组成部分，用过板式设备以及空冷式设备的完美融合来达到冷凝目的的设备，其优点是突破了原有的技术约束，对冷凝装置的设计与组成进行了高效的改进^[31]。

研究空冷器的目的与意义

由于如今空气冷却器相对于水冷器的优势，空冷器的应用越来越多，提高其性能的方法也是多种多样。其传热性能的大小是决定空冷器优良的一大因素，因此研究空冷器的优化设计具有重大意义。结合国内外的先进技术，通过数值计算与件模拟,针对其影响传热性能的因素进行优化调整是本此研究的主要方法。本次研究是热水冷却空冷器的优化设计，而热水冷却空冷器属于干式空冷器，是空气与水之间的换热，对空冷器来说有典型的代表意义，为空冷器的优化设计建立了基础。

研究方法及手段

目前，国内优化空冷器的方法比较单一，我们应该结合国外的技术对其进行优化。本文拟采用 Aspen 软件模拟等方法得出该空冷器在实际情况下的参数与运行工况等,对热水冷却空冷器进行设计和优化处理，确保能达到最相应的最佳工作状态和最高的换热效率。对于本课题，我将从以下几个方面进行：

首先，针对热水冷却空冷器，通过查阅相关文献资料及询问导师，分析其换热形式和相应的问题且清晰的认识热水冷却空冷器原理及特点，分析其优缺点，选择最好的设计方案。 然后根据自己的参数设计最优，最方便简洁的空冷器，并且检核校核换热器的结构以及压强等，分析其可行性。最后对热水冷却式空冷器的材料，壁厚等进行选择并校核其强度，设计出最优的热水冷却空冷器，使之能够正常的安全的使用。

第二章 热水冷却空冷器的数值计算理论基础

2.1 热水冷却空冷器的热力学计算基础

本文是对热水冷却空冷器的设计优化研究，这一部分将会介绍该空冷器的传热原理、传热方程式、阻力计算基础等。