濕式冷卻塔加裝擋風(fēng)板的數(shù)值研究

李永華， 甄海軍， 湯金明

（1.華北電力大學(xué) 能源動力與機械工程學(xué)院，保定071003；2.內(nèi)蒙古大唐國際托克托發(fā)電有限責(zé)任公司，呼和浩特010206）

由于我國北方冬季氣溫低造成濕式冷卻塔內(nèi)傳熱不均，導(dǎo)致在冷卻塔的填料下表面、進風(fēng)口以及基環(huán)面等處容易結(jié)冰，嚴(yán)重影響冷卻塔正常運行，同時也縮短了冷卻塔的使用壽命，增加了冷卻塔的運行成本［1］，因此考慮在冷卻塔的進風(fēng)口處加裝擋風(fēng)板［2］.擋風(fēng)板的最佳層數(shù)與風(fēng)速和氣溫有關(guān)，為了找到氣溫、風(fēng)速與擋風(fēng)板最佳層數(shù)的關(guān)系，需要對冷卻塔的內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬.

計算流體力學(xué)（CFD）是20世紀(jì)60年代起伴隨計算機技術(shù)迅速崛起的學(xué)科，而Fluent是大型商業(yè)化CFD軟件，目前被廣泛應(yīng)用于數(shù)值計算領(lǐng)域.該軟件提供了大量計算流體問題的相關(guān)模型和算法，并設(shè)置了外接用戶端口（UDF），具有穩(wěn)定性好、適用范圍廣、精度高和拓展性好等優(yōu)點［3］，因此筆者選用Fluent作為冷卻塔的數(shù)值模擬平臺.

筆者以某電廠600MW機組逆流濕式自然通風(fēng)冷卻塔為例，在進塔水溫為26.92℃、進水量為11 829.7kg／s的工況下，環(huán)境溫度為－10℃、未掛擋風(fēng)板時對不同風(fēng)速下冷卻塔填料下面的空氣溫度場以及水滴的最低溫度進行了數(shù)值模擬，糾正了通常認為水滴和空氣場的最低點溫度在迎風(fēng)面且不隨風(fēng)速變化的理論，并給出了在不同氣溫下、掛不同層數(shù)擋風(fēng)板對塔內(nèi)填料下面最低水滴溫度值的影響曲線，得出的結(jié)論對電廠在不同環(huán)境溫度下合理掛裝擋風(fēng)板的層數(shù)具有參考價值.

1 計算模型

1.1 數(shù)學(xué)模型

冷卻塔內(nèi)部為氣水兩相流場，傳熱傳質(zhì)和摩擦碰撞同時存在.為了突出熱量與物質(zhì)交換過程，筆者對計算模型作了適當(dāng)簡化：①忽略塔體向環(huán)境的散熱和水滴內(nèi)部熱阻，只考慮塔內(nèi)蒸發(fā)散熱和接觸散熱，忽略輻射散熱；②填料層分布致密，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對填料內(nèi)部的質(zhì)量、動量和能量交換以源項的形式并采用外接自定義函數(shù)求解；③在穩(wěn)定運行工況下，塔內(nèi)流動視為定常流，其中氣相運動呈軸對稱分布，液相為一維流動.

筆者采用 Merkel法 和e－NTU 法［4－6］計算 冷卻塔內(nèi)部流場，忽略了冷卻水的蒸發(fā)損失并加入劉易斯因子，氣相流動為三維控制方程（見式（2）），并將水滴控制方程近似簡化為一維傳熱傳質(zhì)方程（見式（3））.模型計算方法為：雨區(qū)和噴淋區(qū)用離散相模型模擬，選用標(biāo)準(zhǔn)k－ε湍流模型，在輸運方程中考慮了浮力項［7］，控制微分方程的離散化采用了有限差分法中的控制容積公式法，流場的計算則采用典型的Simple算法.

1.1.1 氣流控制方程

在穩(wěn)定工況下，冷卻塔對空氣的抽力和內(nèi)部阻力相平衡，得到通風(fēng)量計算公式［8］：

式中：G為通風(fēng)量，m3／h；D 為填料底層塔徑，m；He為冷卻塔有效高度，即配水噴嘴到塔頂?shù)木嚯x加上噴嘴到進風(fēng)口中部距離的一半，m；ρm為塔外空氣密度，kg／m3，ρm＝（ρ1＋ρ2）／2；ρ1為塔外環(huán)境空氣密度，kg／m3；ρ2為塔內(nèi)經(jīng)過填料和配水層后的飽和或接近飽和的空氣密度，kg／m3；ξ為塔的總阻力系數(shù)，填料阻力系數(shù)［8］ξf＝0.525 Hf（Q／G）1.32，其中 Hf為填料層高度，m，Q為通過塔的冷卻水流量，m3／h.其他區(qū)域阻力系數(shù)可根據(jù)有關(guān)試驗數(shù)據(jù)取定值，分別為進風(fēng)口ξj＝0.5，配水系統(tǒng)ξg＝0.5，收水器ξs＝3.5.

在穩(wěn)定工況下運行時，塔內(nèi)外流場可當(dāng)作穩(wěn)態(tài)處理，采用以下通用控制方程［9］：

式中：ρ為各點空氣密度，kg／m3；ui為速度矢量；φ為通用變量，表示水蒸氣組分、溫度、湍動能和湍流耗散率；Γφ為廣義擴散系數(shù)；Sφ為廣義源項.

1.1.2 水滴控制方程

考慮到水滴運動的不連續(xù)性，針對每個控制單元需分析其中淋水的總體傳熱傳質(zhì)效應(yīng)，因此采用拉格朗日法計算噴淋區(qū)和雨區(qū)的水流場時，水滴的溫度變化應(yīng)按如下關(guān)系式［10］計算：

式中：Tad、Tw分別為控制單元內(nèi)氣相干球溫度和水滴溫度，K；Aw為水滴表面積，m2；mw為水滴流量，kg／s；cw為控制單元內(nèi)水滴的平均比熱容，J／（kg·K）；ΔTw為控制單元內(nèi)水滴溫度變化量，K；Cs為含1kg干空氣的水滴表面所含水蒸氣的質(zhì)量；C∞為含1kg干空氣的濕空氣中所含水蒸氣的質(zhì)量；hm為傳質(zhì)系數(shù)，kg／（m2·s）；h為傳熱系數(shù)，W／（m2·K）；hfg為淋水蒸發(fā)潛熱，J／kg.

1.2 計算邊界條件

以某600MW機組為例，其幾何邊界條件為：塔高125m，環(huán)基外側(cè)直徑106.42m，塔盆直徑為96.42m，塔筒頂部直徑為57.01m，喉部直徑為52.2m，進風(fēng)口高度為8m，填料厚度為1m，計算區(qū)域是直徑為500m、高度為500m的圓柱體.該機組擋風(fēng)板的實際高度為2.66m.由于擋風(fēng)板過高，懸掛每層擋風(fēng)板后對塔內(nèi)溫度場影響太大，所以筆者建議采用每層擋風(fēng)板的高度為原高度的一半即1.33m.這樣，將進風(fēng)口平均分為6層，即從上至下依次安裝1、2、3、4、5和6層擋風(fēng)板.使用Gambit軟件生成相應(yīng)的幾何模型以及計算網(wǎng)格.進口為速度邊界條件，出口為壓力邊界條件；塔壁、管壁、擋風(fēng)板和地面為無滑移壁面邊界條件.在計算中考慮了重力和浮力影響，離散相邊界條件在環(huán)境進出口、進風(fēng)口、水池底面以及收水器等邊界均為逃逸，在冷卻塔殼壁面為反射.圖1為計算邊界示意圖.

2 計算結(jié)果分析

2.1 未裝擋風(fēng)板塔內(nèi)空氣溫度和速度場分析

基于上述理論，在環(huán)境溫度為－10℃、進塔水溫為26.92℃、進水量為11 829.7kg／s工況下，對不同橫向風(fēng)下的工況進行了數(shù)值模擬.圖2為不同橫向風(fēng)條件與風(fēng)向平行的冷卻塔縱向截面和填料下面截面的空氣溫度場分布.

圖1 計算邊界示意圖Fig.1 Computational boundary

圖2 不同工況下冷卻塔的空氣溫度場分布Fig.2 Air temperature distribution under different conditions at different zones

由圖2（b）可知：由于氣液間的熱質(zhì)交換和相互作用力，無風(fēng)時空氣溫度沿徑向由外向內(nèi)逐漸升高，速度逐漸降低，塔中心處空氣的溫度最高，速度最低，塔進風(fēng)最均勻，氣水接觸也最均勻，所以熱質(zhì)交換效果也最好.由圖2（d）可知：當(dāng)橫向風(fēng)速V＝2 m／s時，入口風(fēng)的流場已經(jīng)不再是軸對稱分布；由于橫向風(fēng)在雨區(qū)傳熱，所以塔的背風(fēng)側(cè)空氣溫度較高.但是，當(dāng)橫向風(fēng)速增大時，由于氣流在進風(fēng)口的流通面積急劇收縮，其流速增大，在填料底部形成低壓環(huán)流區(qū)，妨礙了進風(fēng)口附近填料區(qū)的進風(fēng)，因此最高氣溫出現(xiàn)在向風(fēng)側(cè).在塔的背風(fēng)側(cè)，氣流流動好，空氣和水滴的傳熱充分，所以溫度較低，見圖2（h）.正因為進口流場不均，使塔內(nèi)氣水流場分布不均.氣液兩相間的熱質(zhì)交換過程惡化，這是冷卻塔效能惡化的主要原因.在電廠實際運行中，由于塔周圍的建筑物存在，一般風(fēng)速比較低，因此空氣的高溫區(qū)出現(xiàn)在塔的背風(fēng)側(cè).

2.2 進風(fēng)口加裝不同層數(shù)擋風(fēng)板的防結(jié)冰分析

因為循環(huán)水的散熱量等于進入冷卻塔的空氣吸熱量，所以只要減少進入冷卻塔的空氣流量，即增加擋風(fēng)板層數(shù)就能提高冷卻塔內(nèi)的溫度，從而降低塔內(nèi)結(jié)冰的可能性.為了說明塔內(nèi)的溫度場溫度隨著掛擋風(fēng)板層數(shù)的增加而提高，筆者以環(huán)境溫度為－10℃、環(huán)境風(fēng)速為2m／s的未掛擋風(fēng)板和掛1、2、3、4和5層擋風(fēng)板時填料下面空氣最低溫度場為例進行了數(shù)值模擬.圖3為掛不同層數(shù)擋風(fēng)板時的空氣溫度場.

圖3 掛不同層數(shù)擋風(fēng)板時的空氣溫度場Fig.3 Air temperature distribution in cooling tower with different layers of windshield installed

由圖3（f）可知：填料下面的空氣最低溫度隨著擋風(fēng)板層數(shù)的增加而升高.圖4為掛擋風(fēng)板層數(shù)與填料下面最低空氣溫度的關(guān)系.

圖4 擋風(fēng)板層數(shù)與填料下面最低空氣溫度的關(guān)系Fig.4 Relationship between windshield layer and minimum air temperature

2.3 不同環(huán)境溫度下?lián)醢鍖訑?shù)與塔內(nèi)水溫的關(guān)系

當(dāng)橫向風(fēng)速為8m／s、進水溫度為26.92℃、進水量為11 829.7kg／s工況下，由于塔內(nèi)的水溫分布不均，在填料下面、進風(fēng)口上沿水平面和基環(huán)面容易結(jié)冰.所以筆者對這3個平面在環(huán)境溫度分別為－10℃、－17℃和－23℃下對擋風(fēng)板層數(shù)與最低水溫進行了模擬，其關(guān)系見圖5.

從圖5可知：隨著擋風(fēng)板層數(shù)增加，填料下面、進風(fēng)口上沿面和冷卻塔基環(huán)面的水溫升高，這是由于擋風(fēng)板層數(shù)的增加，進入塔內(nèi)的空氣量減少，使得空氣和水滴的傳熱量減少，因而提高了塔內(nèi)的溫度.由圖5（a）可知：當(dāng)環(huán)境溫度為－10℃時，未掛擋風(fēng)板時填料下面、進風(fēng)口上沿面的最低水溫分別為274.75K和273.66K，而冷卻塔基環(huán)面的最低水溫為272.23K，掛1層擋風(fēng)板時冷卻塔基環(huán)面的最低水溫為274K.綜上所述，掛1層擋風(fēng)板就可以有效防止冷卻塔基環(huán)面上的水滴結(jié)冰.

從圖5（b）可知：在環(huán)境溫度為－17℃時，填料下面、進風(fēng)口上沿面的最低水溫分別由未掛擋風(fēng)板時的270K、267K上升到掛2層擋風(fēng)板時的276K和275K，所以掛2層擋風(fēng)板可以有效防止填料下面以及上沿面的水滴結(jié)冰.基環(huán)面的最低水溫由掛2層擋風(fēng)板時的272K上升到掛3層擋風(fēng)板時的277K，所以要有效防止水滴在基環(huán)面結(jié)冰必須掛3層擋風(fēng)板.綜上所述，掛3層擋風(fēng)板可以有效防止冷卻塔3個面的水滴結(jié)冰.

圖5 不同環(huán)境溫度下?lián)躏L(fēng)板層數(shù)與最低水溫的關(guān)系Fig.5 Relationship between windshield layer and lowest water temperature at different environmental temperatures

從圖5（c）可知：在環(huán)境溫度為－23℃時，填料下面和上沿面的最低水溫分別由掛3層擋風(fēng)板時的272K和271K上升到掛4層擋風(fēng)板時的275K和274K，所以掛4層擋風(fēng)板可以有效防止填料下面和上沿面的水結(jié)冰.基環(huán)面的水溫由掛4層擋風(fēng)板時的272K上升到掛5層擋風(fēng)板時的278K，所以掛5層擋風(fēng)板可以有效防止基環(huán)面的水滴結(jié)冰.綜上所述，掛5層擋風(fēng)板可以有效防止填料下面、上沿面以及基環(huán)面上的水滴結(jié)冰.

3 結(jié) 論

（1）由于橫向風(fēng)的存在，冷卻塔內(nèi)的溫度場不再是軸對稱分布.當(dāng)風(fēng)速較低時，進入塔內(nèi)的空氣流經(jīng)雨區(qū)與淋水傳熱后，空氣場的高溫區(qū)域出現(xiàn)在塔的背風(fēng)側(cè).當(dāng)橫向風(fēng)速增大時，冷卻塔內(nèi)的空氣溫度場的高溫區(qū)域向著迎風(fēng)側(cè)轉(zhuǎn)移.

（2）當(dāng)風(fēng)速為8m／s時，不同環(huán)境溫度下掛擋風(fēng)板的最佳層數(shù)為：當(dāng)環(huán)境溫度為－10℃時，掛1層擋風(fēng)板可有效防止塔內(nèi)結(jié)冰；當(dāng)環(huán)境溫度為－17℃時，掛3層擋風(fēng)板可有效防止塔內(nèi)結(jié)冰；當(dāng)環(huán)境溫度為－23℃時，掛5層擋風(fēng)板可有效防止塔內(nèi)結(jié)冰.

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