CN113297661B - 一种用于改善空冷器工作环境的遮阳棚的设计方法 - Google Patents

一种用于改善空冷器工作环境的遮阳棚的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于改善空冷器工作环境的遮阳棚的设计方法，方法的步骤中含有：确定遮阳棚的遮阳角度α；构建空冷器模型和遮阳棚模型，导入计算流体力学软件中进行散热仿真，将遮阳棚高度H作为变量调整遮阳棚模型进行仿真，以确定遮阳棚水平放置时不影响空冷器进出口工作条件的遮阳棚高度H的临界值；将步骤S02得到的遮阳棚高度H的临界值作为遮阳棚高度H，将遮阳棚长度方向上绕中心轴倾斜的倾斜角度γ作为变量调整遮阳棚模型进行仿真，以确定遮阳棚不会引起热风回流的倾斜角度γ的临界值；优化倾斜角度γ和遮阳棚高度H；根据优化结果得最优的倾斜角度γ和遮阳棚高度H，并同时修正遮阳棚的尺寸参数。本发明改善了空冷器工作环境，提高了空冷器的使用性能和寿命。

Description

一种用于改善空冷器工作环境的遮阳棚的设计方法
技术领域
本发明涉及一种用于改善空冷器工作环境的遮阳棚的设计方法。
背景技术
目前，空冷器作为一种高效、可靠、便捷的外冷设备，在石油、化工、冶金、电力等行业得到广泛应用。因使用条件的限制，空冷器通常暴露于户外，遭受风吹日晒，加快了空冷器零部件的老化，缩短其使用寿命。太阳光的照射使环境温度升高，严重影响空冷器的散热性能，导致其冷却能力下降，无法满足使用要求。遮阳棚作为廉价、简单的防护措施不仅可以挡风遮雨，还可以遮挡阳光的直射，有效降低空冷器工作区域的温度，明显改善空冷器的工作环境。
目前，国内对于用于居民窗户、隧道口的遮阳棚设计方法有一定的研究。对用于空冷器这种特殊设备上面的遮阳棚设计方法的研究尚处于空白状态。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种用于改善空冷器工作环境的遮阳棚的设计方法，它改善了空冷器工作环境，提高了空冷器的使用性能和寿命。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种用于改善空冷器工作环境的遮阳棚的设计方法，方法的步骤中含有：
S01：确定遮阳棚的遮阳角度α；
S02：根据空冷器的尺寸参数构建空冷器模型，根据遮阳棚的遮阳角度α、空冷器的尺寸参数和遮阳棚高度H得遮阳棚的尺寸参数并构建遮阳棚模型，将空冷器模型和遮阳棚模型导入计算流体力学软件中进行散热仿真，将遮阳棚高度H作为变量调整遮阳棚模型进行仿真，以确定遮阳棚水平放置时不影响空冷器进出口工作条件的遮阳棚高度H的临界值；
S03：将步骤S02得到的遮阳棚高度H的临界值作为遮阳棚高度H，将遮阳棚长度方向上绕中心轴倾斜的倾斜角度γ作为变量调整遮阳棚模型进行仿真，以确定遮阳棚不会引起热风回流的倾斜角度γ的临界值；其中，倾斜角度γ的合理取值范围为：0°≤γ≤90°-α；
S04：优化倾斜角度γ和遮阳棚高度H：以一定步长增加倾斜角度γ，保证增加倾斜角度γ后的遮阳棚不会引起空冷器热风回流，在增加倾斜角度γ后为保证空冷器进出口工作条件同时增加遮阳棚高度H，直到每增加倾斜角度γ后得到的遮阳棚尺寸减少值≤每增加遮阳棚高度H引起的遮阳棚尺寸增加值；
S05：根据优化结果得最优的倾斜角度γ和遮阳棚高度H，并同时修正遮阳棚的尺寸参数。
进一步提供了一种较为方便的遮阳棚遮阳角度α的确定方法，其有益于方案的实现，确定遮阳棚的遮阳角度α的方法为：
根据地表单位面积所接受的太阳能量确定遮阳棚的遮阳角度α。
进一步，根据地表单位面积所接受的太阳能量确定的遮阳角度α的合理取值范围为：45°≤α≤60°。
进一步提供了一种更加准确的遮阳棚遮阳角度α的确定方法，使遮阳棚的设计更加精确，确定遮阳棚的遮阳角度α的方法为：
根据空冷器允许的最高进风温度确定遮阳棚的遮阳角度α。
进一步，根据空冷器允许的最高进风温度确定遮阳棚的遮阳角度α具体为：
统计空冷器安装地点全年最热月地表温度随时间的变化数据；
根据变化数据绘制最热月平均温度随时间变化的曲线；
选择空冷器允许的最高进风温度与曲线两个交点处的时间，分别计算此时刻下所对应的太阳高度角，以较小的太阳高度角作为遮阳棚的遮阳角α。
进一步根据要求的遮阳效果，确定了合理的遮阳棚尺寸，减少了后续的优化工作，遮阳棚水平放置时，空冷器的中心与遮阳棚的中心在同一垂直线上；
步骤S02中，遮阳棚的尺寸参数包括遮阳棚的长度La和宽度Lb，La＝2(W+a)，Lb＝2(W+b)；其中，W＝H/tanα，H为遮阳棚高度，α为遮阳棚的遮阳角度，a为空冷器占地面积的长度的一半，b为空冷器占地面积的宽度的一半，W为遮阳棚长度或宽度方向上单边超出空冷器的距离。
进一步，在步骤S02中，仿真时，输入空冷器的参数，通过不断修改遮阳棚高度H，观察空冷器安装区域内气流的压力和温度云图，并结合粒子迹线和速度矢量图，确定遮阳棚水平放置时不影响空冷器进出口工作条件的遮阳棚高度H的临界值。
进一步，在步骤S04中，遮阳棚高度H增加ΔH引起的遮阳棚尺寸增加值
Figure BDA0003106470200000021
每增加倾斜角度γ后得到的遮阳棚尺寸减少值
Figure BDA0003106470200000031
其中，W＝H/tanα，H为遮阳棚高度，α为遮阳棚的遮阳角度，a为空冷器占地面积的长度的一半，ΔΗ为遮阳棚高度H的增加值。
采用了上述技术方案后，通过本方法确定了合理的遮阳棚尺寸、遮阳棚高度、倾斜角度及安装方位，实现了不在空冷器工作区域形成热风循环的状态，在其上方增加遮阳棚以改善空冷器工作环境，并使的遮阳棚的尺寸最优的目的，对于提高空冷器的使用性能和使用寿命具有重要意义。
附图说明
图1为本发明的空冷器和遮阳棚的布置立体图；
图2(a)为本发明水平放置遮阳棚的尺寸计算示意图一；
图2(b)为本发明水平放置遮阳棚的尺寸计算示意图二；
图3为倾斜后的遮阳棚尺寸计算示意图。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
如图1～3所示，一种用于改善空冷器工作环境的遮阳棚的设计方法，方法的步骤中含有：
S01：确定遮阳棚1的遮阳角度α；
S02：根据空冷器2的尺寸参数构建空冷器模型，根据遮阳棚1的遮阳角度α、空冷器2的尺寸参数和遮阳棚高度H得遮阳棚1的尺寸参数并构建遮阳棚模型，将空冷器模型和遮阳棚模型导入计算流体力学软件中进行散热仿真，将遮阳棚高度H作为变量调整遮阳棚模型进行仿真，以确定遮阳棚1水平放置时不影响空冷器进出口工作条件的遮阳棚高度H的临界值；空冷器进出口工作条件具体为空冷器进风温度及出口压力；
S03：将步骤S02得到的遮阳棚高度H的临界值作为遮阳棚高度H，将遮阳棚长度方向上绕中心轴倾斜的倾斜角度γ作为变量调整遮阳棚模型进行仿真，以确定遮阳棚1不会引起空冷器热风回流的倾斜角度γ的临界值；其中，倾斜角度γ的合理取值范围为：0°≤γ≤90°-α；
S04：优化倾斜角度γ和遮阳棚高度H：以一定步长增加倾斜角度γ，保证增加倾斜角度γ后的遮阳棚1不会引起空冷器2热风回流，并在增加倾斜角度γ后为保证空冷器2进出口工作条件同时增加遮阳棚高度H，直到直到增加倾斜角度γ后得到的遮阳棚尺寸减少值≤每增加遮阳棚高度H引起的遮阳棚尺寸增加值；
S05：根据优化结果得最优的倾斜角度γ和遮阳棚高度H，并同时修正遮阳棚的尺寸参数。
在本实施例中，步骤S02通过仿真结果初步确定了不会引起空冷器工作区域热风循环的遮阳棚最小高度H，确定了此高度下遮阳棚的尺寸，减少了后续的优化工作；步骤S03通过仿真结果初步确定了不会引起空冷器工作区域热风循环的遮阳棚最大倾斜角度γ，可进一步减小遮阳棚的尺寸；步骤S04通过不断的优化最终确定了最优的遮阳棚高度和倾斜角度，确定遮阳棚的最终设计参数。
在本实施例中，确定遮阳棚1的遮阳角度α的方法可以为：
方法一：根据地表单位面积所接受的太阳能量确定遮阳棚1的遮阳角度α。地表单位面积所接受的太阳能量为eα＝e·sinα(0°≤α≤90°)；其中，e为太阳高度角为90°时地表单位面积所接受的太阳能量。由正弦函数的特性可知，在太阳高度角由0°变化到90°时，地表单位面积所接受的能量逐渐增大。当太阳高度角为45°和60°，地表单位面积所接收到的能量为0.7e到0.85e，并且随着太阳高度角的继续增加，地表单位面积内所接受太阳光的能量减少量变化较小，因此确定遮阳棚较为合理的遮阳角度α范围为45°到60°之间，实际设计时可以根据当地的日照强度进行调整。
当然，在某些实施例中，确定遮阳棚1的遮阳角度α的方法还可以为：
方法二：根据空冷器允许的最高进风温度确定遮阳棚1的遮阳角度α。
根据空冷器允许的最高进风温度确定遮阳棚1的遮阳角度α具体为：
统计空冷器2安装地点全年最热月地表温度随时间的变化数据；
根据变化数据绘制最热月平均温度随时间变化的曲线；
选择空冷器最高进风温度与曲线两个交点处的时间，分别计算此时刻下所对应的太阳高度角，以较小的太阳高度角作为遮阳棚的遮阳角α。
方法一提供了一种较为方便的遮阳棚遮阳角度α确定方法，方法一有益于方案的实现；方法二提供了一种更加准确的遮阳棚遮阳角度α的确定方法，使遮阳棚的设计更加精确。在条件允许的情况下推荐优先使用方法二确定遮阳棚遮阳角。
在本实施例中，遮阳棚1水平放置时，空冷器2的中心与遮阳棚1的中心在同一垂直线上；
步骤S02中，遮阳棚1的尺寸参数包括遮阳棚1的长度La和宽度Lb，La＝2(W+a)，Lb＝2(W+b)；其中，W＝H/tanα，H为遮阳棚高度，α为遮阳棚的遮阳角度，a为空冷器占地面积的长度的一半，b为空冷器占地面积的宽度的一半，W为遮阳棚长度或宽度方向上单边超出空冷器的距离。该步骤根据要求的遮阳效果，确定了合理的遮阳棚尺寸，减少了后续的优化工作。
在步骤S02中，仿真时，输入空冷器2的参数，通过不断修改遮阳棚高度H，观察空冷器2安装区域内气流的压力和温度云图，并结合粒子迹线和速度矢量图，确定遮阳棚水平放置时不影响空冷器进出口工作条件的遮阳棚高度H的临界值。
在本实施例中，空冷器2的参数包括但不限于风机特性曲线、空冷器散热容量、环境温度、重力加速度。
在步骤S04中，每次修改遮阳棚高度H时，需修改遮阳棚尺寸：具体地，遮阳棚高度H增加ΔH引起的遮阳棚尺寸增加值
Figure BDA0003106470200000051
当遮阳棚倾斜角度改变，需修改遮阳棚尺寸：每增加倾斜角度γ后得到的遮阳棚尺寸减少值
Figure BDA0003106470200000052
其中，W＝H/tanα，H为遮阳棚高度，α为遮阳棚的遮阳角度，a为空冷器占地面积的长度的一半，ΔΗ为遮阳棚高度H的增加值。
具体地，公式
Figure BDA0003106470200000053
的推导过程如下：
如图3所示，OC所在的遮阳棚为倾斜后的遮阳棚，OA所在的遮阳棚为水平放置的遮阳棚；
在三角形OCA中，由三角形正弦定理可得：
Figure BDA0003106470200000054
已知OA＝W+a，所以求得OC：
Figure BDA0003106470200000055
由此OA-OC可得
Figure BDA0003106470200000056
本实施例的用于改善空冷器工作环境的遮阳棚的设计方法，确定了合理的遮阳棚尺寸、遮阳棚高度、倾斜角度及安装方位，实现了不在空冷器工作区域形成热风循环的状态，在其上方增加遮阳棚以改善空冷器工作环境，并使的遮阳棚的尺寸最优的目的，对于提高空冷器的使用性能和使用寿命具有重要意义。
以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

Claims (7)

1.一种用于改善空冷器工作环境的遮阳棚的设计方法，其特征在于方法的步骤中含有：
S01：确定遮阳棚(1)的遮阳角度α；
S02：根据空冷器(2)的尺寸参数构建空冷器模型，根据遮阳棚(1)的遮阳角度α、空冷器(2)的尺寸参数和遮阳棚高度H得遮阳棚(1)的尺寸参数并构建遮阳棚模型，将空冷器模型和遮阳棚模型导入计算流体力学软件中进行散热仿真，将遮阳棚高度H作为变量调整遮阳棚模型进行仿真，以确定遮阳棚(1)水平放置时不影响空冷器进出口工作条件的遮阳棚高度H的临界值；
S03：将步骤S02得到的遮阳棚高度H的临界值作为遮阳棚高度H，将遮阳棚长度方向上绕中心轴倾斜的倾斜角度γ作为变量调整遮阳棚模型进行仿真，以确定遮阳棚(1)不会引起空冷器热风回流的倾斜角度γ的临界值；其中，倾斜角度γ的合理取值范围为：0°≤γ≤90°-α；
S04：优化倾斜角度γ和遮阳棚高度H：以一定步长增加倾斜角度γ，保证增加倾斜角度γ后的遮阳棚(1)不会引起空冷器(2)热风回流，并在增加倾斜角度γ后为保证空冷器(2)进出口工作条件同时增加遮阳棚高度H，直到增加倾斜角度γ后得到的遮阳棚尺寸减少值≤每增加遮阳棚高度H引起的遮阳棚尺寸增加值；
S05：根据优化结果得最优的倾斜角度γ和遮阳棚高度H，并同时修正遮阳棚的尺寸参数；
在步骤S02中，仿真时，输入空冷器(2)的参数，通过不断修改遮阳棚高度H，观察空冷器(2)安装区域内气流的压力和温度云图，并结合粒子迹线和速度矢量图，确定遮阳棚水平放置时不影响空冷器进出口工作条件的遮阳棚高度H的临界值。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，
确定遮阳棚(1)的遮阳角度α的方法为：
根据地表单位面积所接受的太阳能量确定遮阳棚(1)的遮阳角度α。
3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，
根据地表单位面积所接受的太阳能量确定的遮阳角度α的合理取值范围为：45°≤α≤60°。
4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，
确定遮阳棚(1)的遮阳角度α的方法为：
根据空冷器允许的最高进风温度确定遮阳棚的遮阳角度α。
5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，
根据空冷器允许的最高进风温度确定遮阳棚的遮阳角度α具体为：
统计空冷器(2)安装地点全年最热月地表温度随时间的变化数据；
根据变化数据绘制最热月平均温度随时间变化的曲线；
选择空冷器允许的最高进风温度与曲线两个交点处的时间，分别计算此时刻下所对应的太阳高度角，以较小的太阳高度角作为遮阳棚的遮阳角α。
6.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，
遮阳棚(1)水平放置时，空冷器(2)的中心与遮阳棚(1)的中心在同一垂直线上；
步骤S02中，遮阳棚(1)的尺寸参数包括遮阳棚(1)的长度La和宽度Lb，La＝2(W+a)，Lb＝2(W+b)；其中，W＝H/tanα，H为遮阳棚高度，α为遮阳棚的遮阳角度，a为空冷器占地面积的长度的一半，b为空冷器占地面积的宽度的一半，W为遮阳棚长度或宽度方向上单边超出空冷器的距离。
7.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，
在步骤S04中，遮阳棚高度H增加ΔH引起的遮阳棚尺寸增加值
Figure QLYQS_1
每增加倾斜角度γ后得到的遮阳棚尺寸减少值
Figure QLYQS_2
其中，W＝H/tanα，H为遮阳棚高度，α为遮阳棚的遮阳角度，a为空冷器占地面积的长度的一半，ΔH为遮阳棚高度H的增加值。
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