蓄熱層形狀對太陽能增效空冷塔換熱性能的影響研究

何鎖盈，王 蕊，張治愚，閆明暄，劉嚴(yán)雪，高 明

(山東大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，濟(jì)南 250061)

冷卻塔是熱力發(fā)電廠重要的冷端設(shè)備，其性能好壞直接影響電廠的循環(huán)熱效率。冷卻塔按照空氣和水的接觸方式，可分為空冷塔、水冷塔和干濕混合冷卻塔[1]．自然通風(fēng)空冷塔是一種典型的空冷塔，與機(jī)械通風(fēng)塔相比初投資較高，與水冷塔相比換熱性能較差．自然通風(fēng)空冷塔利用自然浮升力驅(qū)動塔內(nèi)空氣流動，其運(yùn)行不需要風(fēng)機(jī)，無風(fēng)機(jī)的電耗，且?guī)缀鯚o水損耗，近年來在干旱地區(qū)越來越受重視[2]．但是自然通風(fēng)空冷塔基于空氣與換熱器內(nèi)循環(huán)熱水的對流換熱進(jìn)行散熱，與水冷塔的蒸發(fā)相變散熱相比，換熱性能差，特別是夏季高溫季節(jié)，其冷卻能力非常低.為此，國內(nèi)外研究人員進(jìn)行了很多探索，如蒸發(fā)預(yù)冷進(jìn)風(fēng)[3]、直接噴淋散熱器[4]、太陽能輔助增效[5]等．

太陽能增效空冷塔的塔體設(shè)計(jì)為雙曲線結(jié)構(gòu)[6-7].太陽能增效空冷塔的核心部件是太陽能集熱裝置，主要包括集熱棚、地面蓄熱層、翅片管換熱器，翅片管換熱器垂直布置在太陽能集熱裝置的外沿，太陽能透過集熱棚(玻璃)被地面蓄熱層吸收，地面蓄熱層被加熱．太陽能增效空冷塔的運(yùn)行原理為，環(huán)境空氣首先流經(jīng)空冷塔入口處的翅片管換熱器，與翅片管換熱器內(nèi)的循環(huán)水換熱，空氣被加熱而循環(huán)水被冷卻，熱空氣進(jìn)入太陽能集熱裝置進(jìn)一步被地面蓄熱層加熱；地面蓄熱層的加熱，增大了空冷塔內(nèi)部空氣與環(huán)境空氣的溫度差，有利于提升空冷塔的浮升力，進(jìn)而增大塔內(nèi)通風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)換熱．蓄熱層表面由平面形改為矩形和波紋形可增大空氣的擾流度，從而強(qiáng)化此處的換熱．因此，本文重點(diǎn)研究蓄熱層形狀為平面形、矩形、波紋形情況下太陽能增效空冷塔換熱性能的變化規(guī)律．

Zou 等[5]對太陽能增效空冷塔(solar enhanced natural draft dry cooling tower，SENDDCT)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，研究發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)空冷塔相比，相同排熱量時太陽能增效空冷塔所需的塔高顯著降低，且集熱棚直徑越大優(yōu)勢越明顯，這為空冷塔的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了新思路．苑立君等[8]研究了環(huán)境溫度、濕度和換熱器布置等因素對太陽能增效空冷塔換熱性能的影響，獲得了不同條件下塔內(nèi)空氣流量和排熱量的變化規(guī)律．范皓龍等[9]通過數(shù)值模擬，研究了側(cè)風(fēng)風(fēng)速對太陽能增效空冷塔內(nèi)部空氣動力場、速度場和冷卻性能的影響，同時對3 種典型防風(fēng)裝置及其耦合方式的防風(fēng)效果進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流板和擋風(fēng)板在不同的側(cè)風(fēng)條件下各具優(yōu)勢；優(yōu)化后的防風(fēng)措施是導(dǎo)流板耦合120°角分布的擋風(fēng)板，此時太陽能增效空冷塔的排熱量最大可提高10.6%．

集熱棚直徑增大，太陽能增效空冷塔的換熱性能提升，與此同時也造成了建造成本與后期維護(hù)費(fèi)用的增加[5]，本文在不改變太陽能增效空冷塔原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過改變蓄熱層形狀來增大空氣的擾動程度，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化換熱．本文采用數(shù)值模擬的方法，建立三維數(shù)值計(jì)算模型，并分別研究了蓄熱層形狀為平面形、波紋形、矩形時太陽能增效空冷塔的換熱性能，獲得了優(yōu)選的蓄熱層形狀，為更好地利用太陽能提升空冷塔換熱性能提供了理論指導(dǎo)．

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 控制方程

本文基于穩(wěn)態(tài)分析，假設(shè)空氣為不可壓縮流動，采用Navier-Stokes 方程描述氣側(cè)流場，用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，空氣側(cè)的控制方程為

式中：va為速度，m/s；ρa(bǔ)為空氣的密度，kg/m3；Ta為溫度，K；κa為傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；cpa為比熱容，J/(kg·K)；τ 為應(yīng)力張量；E 為空氣總能，J；Φ 為黏性耗散項(xiàng)，W /m3；Smo為質(zhì)量源項(xiàng)，kg/(m3·s)；Se為能量源項(xiàng)，W．

1) 能量分析空氣側(cè)和水側(cè)的熱平衡為

式中：cpa為空氣的比熱容，J/(kg·K)；cpw為水的比定壓熱容，J/(kg·K)；Ma為空氣質(zhì)量流量，kg/s；Mw為水質(zhì)量流量，kg/s；Taho為換熱器出口空氣溫度，K；Tai為入口空氣溫度，K；Twi為進(jìn)塔水溫，K；Two為出塔水溫，K．

在太陽能集熱棚內(nèi)部，主要傳熱方式是熱對流，熱輻射可以忽略，蓄熱層與空氣之間的熱平衡可表示為[10]

式中：Tac表示集熱棚內(nèi)空氣溫度，K；Tg為蓄熱層溫度，K．

2) 換熱器模型

本文采用翅片管換熱器進(jìn)行計(jì)算，換熱器采用散熱器邊界來模擬[11-12]．換熱系數(shù)h 可由式(6)計(jì)算．

式中Va為空氣流速，m/s．

換熱器壓降損失系數(shù)k 可由式(7)表示，式(8)和式(9)表示矩形蓄熱層和波紋形蓄熱層壓降損失系數(shù)[13-14]．

式中：um是最大速度的平均值，m/s；N 為矩形肋數(shù)；β是相鄰兩個波紋通道內(nèi)流體壓降，Pa；De為當(dāng)量直徑，m．

1.2 幾何模型

在環(huán)境條件和運(yùn)行條件恒定時，冷卻塔的結(jié)構(gòu)對稱，如圖1 所示．由于本研究重點(diǎn)探求蓄熱層形狀對太陽能增效空冷塔換熱性能的影響，故基于模擬時間和精度考慮，選取原模型1/12 的幾何模型進(jìn)行計(jì)算，空冷塔內(nèi)空氣流量和排熱量等性能參數(shù)均為模擬結(jié)果的12 倍. 此外，由于太陽能增效空冷塔是利用自然浮升力驅(qū)動塔內(nèi)空氣流動，為更準(zhǔn)確地模擬空氣流動，幾何模型沿集熱棚外沿延長一定的尺寸，增大計(jì)算域．幾何模型如圖2 所示，太陽能增效空冷塔的幾何參數(shù)及環(huán)境參數(shù)如表1 所示．

圖1 太陽能增效空冷塔Fig.1 Solar enhanced natural-draft dry cooling tower

圖2 矩形蓄熱層的太陽能增效空冷塔3D結(jié)構(gòu)(單位：m)Fig.2 3D model of a SENDDCT with rectangular ribs(unit：m)

表1 太陽能增效空冷塔的設(shè)計(jì)工況Tab.1 Design conditions of the solar-enhanced naturaldraft dry cooling tower

1.3 邊界條件

數(shù)值模擬時，假設(shè)集熱棚的材質(zhì)是玻璃(發(fā)射率和透射率值均為0.84)，地面蓄熱層是一個厚為10 m的天然儲能層，地面蓄熱層通過吸收太陽輻射后將熱量傳遞給流經(jīng)其的空氣，相當(dāng)于一個內(nèi)熱源．本文主要進(jìn)行可行性研究，太陽能輻射強(qiáng)度取為定值1 000 W/m2，計(jì)算時暫未考慮太陽輻射強(qiáng)度隨時間的變化，后續(xù)研究需結(jié)合實(shí)際情況設(shè)定太陽輻射強(qiáng)度．計(jì)算模型中各邊界條件設(shè)定如表2 所示[15]．

表2 中，hs表示空氣與集熱棚的對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；εext表示集熱棚的透射率；pi表示環(huán)境相對壓力，Pa；po表示塔出口相對壓力，Pa．

1.4 網(wǎng)格獨(dú)立性及模型驗(yàn)證

對于140 m 高的太陽能增效空冷塔，在進(jìn)塔水溫333.15 K(60 ℃)、環(huán) 境 溫 度 303.15 K(30 ℃)、1 000 W/m2輻射強(qiáng)度下，表3 給出了太陽能增效空冷塔在蓄熱層形狀為矩形時不同網(wǎng)格數(shù)下的空氣質(zhì)量流量和排熱量．從表3 可以看出，網(wǎng)格數(shù)1.03×106可同時滿足計(jì)算時間和計(jì)算精度的要求．因此，選取網(wǎng)格數(shù)1.03×106進(jìn)行矩形蓄熱層情況的計(jì)算．同理，波紋形蓄熱層的計(jì)算網(wǎng)格數(shù)為1.88×106．

表2 邊界條件Tab.2 Boundary conditions

表3 網(wǎng)格獨(dú)立性Tab.3 Grid independence

數(shù)值計(jì)算模型通過本文的計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[5]對比，實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證．本文計(jì)算得到地面蓄熱層形狀為平面時，塔內(nèi)空氣流量和排熱量分別為15 485 kg/s 和132.9 MW，文獻(xiàn)[5]中140 m 高的太陽能增效空冷塔，在進(jìn)塔水溫333.15 K(60 ℃)、環(huán)境溫度303.15 K(30℃)、太陽輻射強(qiáng)度1 000 W/m2的條件下，相應(yīng)的空氣流量為15 358 kg/s，排熱量為135.9 MW，模擬的結(jié)果與文獻(xiàn)[5]相比，空氣流量和排熱量的誤差分別為0.8%和2.1%，誤差較小，因此本文提出的數(shù)值計(jì)算模型可用于后續(xù)的研究．

2 結(jié)果與討論

2.1 蓄熱層形狀對換熱性能的影響

本部分均為進(jìn)塔水溫333.15 K(60 ℃)、環(huán)境溫度為303.15 K(30 ℃)工況下的計(jì)算結(jié)果．

圖3 給出了地面蓄熱層為矩形的溫度云圖，可以看出蓄熱層能進(jìn)一步加熱來自換熱器處的空氣．

圖3 矩形蓄熱層太陽能增效空冷塔的溫度分布Fig.3 Temperature distributions of the SENDDCT with rectangular ribs

圖4和圖5 分別給出了矩形和波紋形蓄熱層太陽能增效空冷塔的溫度分布．高度2 m、4 m、6 m、10 m 和14 m 為空氣距離地面的高度值．由圖4 和圖5 可以看出，矩形蓄熱層與波紋形蓄熱層的空氣溫度隨距塔中軸線距離的變化趨勢基本一致，靠近地面蓄熱層的空氣溫度高于遠(yuǎn)離地面蓄熱層的空氣溫度，這是由于太陽能透過集熱棚被地面蓄熱層吸收，蓄熱層與靠近的空氣進(jìn)行對流換熱加熱空氣．14 m 處的空氣溫度波動較大，因?yàn)榇烁叨染嚯x集熱棚頂部僅為1 m，集熱棚頂部高度為15 m，此處空氣流動與換熱較為復(fù)雜，既存在由于地面蓄熱層加熱導(dǎo)致的氣流浮升與集熱棚頂部反彈，又有集熱棚頂部與空氣間的對流換熱和輻射換熱．

圖4 矩形蓄熱層的空氣溫度分布Fig.4 Air temperature distributions of rectangular ribs

圖5 波紋形蓄熱層的空氣溫度分布Fig.5 Air temperature distributions of corrugated ribs

在靠近地面處，如2 m 高度處，矩形蓄熱層的空氣平均溫度高于波紋形的空氣平均溫度．經(jīng)分析計(jì)算，矩形蓄熱層的空氣質(zhì)量流量為15 691 kg/s，高于波紋形的空氣質(zhì)量流量(15 561 kg/s)，亦即太陽能增效空冷塔在蓄熱層形狀為矩形時集熱棚內(nèi)的氣流速度高，進(jìn)一步證明矩形蓄熱層能更好地改善太陽能增效空冷塔的換熱性能．

2.2 進(jìn)塔水溫對換熱性能的影響

本節(jié)設(shè)定303.15 K 環(huán)境溫度、1 000 W/m2輻射強(qiáng) 度，變 化 進(jìn) 塔 水 溫 為 323.15 K 、328.15 K 、333.15 K，研究進(jìn)塔水溫變化對太陽能增效空冷塔在蓄熱層形狀分別為平面形、矩形和波紋形時換熱性能的影響規(guī)律，其排熱量的變化規(guī)律如圖6 所示．

圖6 進(jìn)塔水溫對不同蓄熱層形狀的太陽能增效空冷塔排熱量的影響Fig.6 Influence of inlet water temperature on the heat rejection rate of SENDDCTs with different heat storage shapes

由圖6 可以看出，3 種蓄熱層形狀的太陽能增效空冷塔的排熱量均隨進(jìn)塔水溫的升高而增大．對比平面形、矩形和波紋形蓄熱層的太陽能增效空冷塔，矩形的排熱量大于波紋形，波紋形大于平面形.323.15 K 的進(jìn)塔水溫工況下，蓄熱層表面為平面形、波紋形、矩形時冷卻塔的排熱量分別為95.8 MW、99.7 MW 和107.4 MW；328.15 K 的進(jìn)塔水溫工況下，蓄熱層表面為平面形、波紋形、矩形時冷卻塔的排熱量分別為115.3 M、123.1 MW 和129.1 MW；333.15 K 的進(jìn)塔水溫工況下，蓄熱層表面為平面形、波紋形、矩形時冷卻塔的排熱量分別為132.9 MW、145.3 MW、149.2 MW。綜述，在所研究的3 種進(jìn)塔水溫工況下，矩形蓄熱層對太陽能增效空冷塔換熱性能的改善效果均優(yōu)于波紋形和平面形，即應(yīng)優(yōu)選矩形的蓄熱層形狀以更好地利用太陽能提升空冷塔的換熱性能．

因此，工程應(yīng)用時，在滿足建造成本和施工難度等條件下，應(yīng)優(yōu)選矩形的蓄熱層形狀，以更好地利用太陽能提升空冷塔的換熱性能．

3 結(jié) 論

本文探究了增大空氣擾流度來強(qiáng)化太陽能增效空冷塔換熱性能的可行性．采用數(shù)值模擬的方法，分別研究了平面形、波紋形、矩形地面蓄熱層對太陽能增效空冷塔換熱性能的影響規(guī)律，并獲得了太陽能增效空冷塔地面蓄熱層形狀的優(yōu)化方案．本文的主要結(jié)論有：

(1) 增強(qiáng)氣流擾動，可以強(qiáng)化太陽能增效空冷塔的換熱．對于不同的蓄熱層形狀，冷卻塔的排熱量在矩形蓄熱層時最大，波紋形的次之，平面形的最??；

(2) 對本文研究的140 m 高太陽能增效空冷塔，在進(jìn)塔水溫 333.15 K(60 ℃)、環(huán)境溫度 303.15 K(30℃)的條件下，蓄熱層表面為平面形、波紋形、矩形時冷卻塔的排熱量分別為132.9 MW、145.3 MW和149.2 MW，即矩形蓄熱層對太陽能增效空冷塔性能的改善效果優(yōu)于波紋形，該結(jié)論同樣適用于進(jìn)塔水溫50 ℃、55 ℃的情況；

(3) 工程應(yīng)用時，在滿足建造成本和施工難度等條件下，建議優(yōu)選矩形的蓄熱層形狀，以更好地利用太陽能提升空冷塔的換熱性能．

本研究可用于太陽能增效空冷塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域，為太陽能增效空冷塔的實(shí)際應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)．