間接空冷散熱器和空冷塔的流動傳熱特性研究

張薇，杜小澤，楊立軍，楊勇平

1.華北電力大學(xué)電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室，北京102206

2.華北水利水電大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，河南鄭州450001

間接空冷散熱器和空冷塔的流動傳熱特性研究

張薇1，2，杜小澤1，楊立軍1，楊勇平1

1.華北電力大學(xué)電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室，北京102206

2.華北水利水電大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，河南鄭州450001

環(huán)境風(fēng)對間接空冷散熱器和空冷塔的性能影響顯著。本文基于2×350 MW間接空冷機組散熱器塔外垂直布置空冷系統(tǒng)，采用CFD數(shù)值模擬的方法對空冷散熱器和空冷塔的流動換熱特性進(jìn)行了分析，獲得了空冷散熱器和空冷塔在不同環(huán)境條件下的流場、溫度場和空冷機組的風(fēng)量和換熱量隨環(huán)境風(fēng)速變化的規(guī)律。結(jié)果表明：隨著環(huán)境風(fēng)速的增加，空冷散熱器的散熱量和空冷塔的通風(fēng)量不斷減少，在12 m/s時達(dá)到臨界值，隨后空冷散熱器換熱量隨著環(huán)境風(fēng)的增加有所改善。

間接空冷散熱器；空冷塔；流動傳熱

1　引言

空冷是“富煤缺水”地區(qū)火電廠的主要冷卻方式，分為直接空冷和間接空冷。間接空冷系統(tǒng)主要由凝汽器、空冷塔和散熱器構(gòu)成。間接空冷系統(tǒng)根據(jù)凝汽器的型式不同以及空冷散熱器的布置方式不同，主要分為海勒式間接空冷系統(tǒng)、哈蒙式間接空冷系統(tǒng)和SCAL型間接空冷系統(tǒng)。SCAL型間接空冷系統(tǒng)由表面式凝汽器和塔外垂直布置空冷散熱器組成。間接空冷塔的工作特性使其冷卻效率明顯受到環(huán)境氣象條件的影響，尤其是橫向自然風(fēng)的影響。關(guān)于空冷塔及空冷散熱器的流動換熱特性的研究，大多都考慮了環(huán)境風(fēng)對間接空冷系統(tǒng)的影響。Al-Waked和Behnia［1］采用三維數(shù)值模擬的方法研究側(cè)風(fēng)作用下的空冷塔換熱性能，并提出采用擋風(fēng)墻的方法抵御大風(fēng)影響。Du Preez和Kroger［2］將通過數(shù)值模擬研究的方法揭示了特定的散熱器布置方式在有風(fēng)條件下的影響。Yang等［3］針對某電廠間接空冷機組模擬了不同環(huán)境風(fēng)速和風(fēng)向下的流動換熱特性。M.D.Su等［4］采用數(shù)值方法模擬了空冷塔內(nèi)外的流場和溫度場，揭示了空冷塔在環(huán)境風(fēng)作用下流動換熱性能惡化的主要原因。Yang等［5］建立了間接空冷散熱器空氣側(cè)流動換熱計算模型并獲得不同環(huán)境風(fēng)作用下的空氣流場、壓力場和溫度場。以上研究成果均從不同角度反映了環(huán)境風(fēng)作用下空冷塔內(nèi)部空氣流場分布狀態(tài)及變化規(guī)律，只是很少有結(jié)合凝汽器性能進(jìn)行耦合迭代計算的間接空冷系統(tǒng)流動換熱特性的研究。本文基于2×350 MW間接空冷機組散熱器塔外垂直布置空冷系統(tǒng)，采用CFD數(shù)值模擬的方法獲得了空冷散熱器和空冷塔的流場和溫度場，獲得了考核工況下和不同環(huán)境條件下空冷散熱器換熱量和空冷塔通風(fēng)量隨環(huán)境風(fēng)速變化的規(guī)律。

2　間冷空冷散熱器和空冷塔的物理模型

為了研究間接空冷系統(tǒng)的流動換熱特性，建立與實際尺寸一致的空冷塔和空冷散熱器物詳細(xì)幾何模型，包括混凝土塔、塔門、百葉窗、散熱器上下封板、冷卻三角頂部和底部三角封板、延展平臺等，如圖1所示。以空冷塔的中心線為軸，垂直向上方向為Z軸正方向。間冷四排管翅片垂直布置在空冷塔四周，由于空冷塔內(nèi)外冷熱空氣密度差引起的抽力使得空氣由翅片流道流經(jīng)散熱器加熱，熱空氣從空冷塔出口流出。圓形基管外部嵌套平直鋁制矩形大翅片，管內(nèi)為循環(huán)冷卻水，管外是冷卻空氣，翅片管束采用Radiator模型處理其內(nèi)部的流動散熱器情況。針對無風(fēng)條件和5種不同環(huán)境風(fēng)速（（4 m/s，6 m/s，9 m/s，12 m/s，15 m/s和18 m/s）研究其流動換熱特性，分析不同環(huán)境風(fēng)作用下冷卻空氣流場、壓力場和溫度場，并計算每個冷卻扇段入口空氣流量、換熱量和散熱器出口水溫，在此基礎(chǔ)上獲得空冷塔出塔水溫和機組背壓隨環(huán)境風(fēng)速的變化規(guī)律。

圖1　空冷塔及空冷散熱器幾何模型Fig.1 Geometrical models of air-cooled radiator and tower

3　間冷空冷散熱器和空冷塔的數(shù)學(xué)模型

為了便于模擬計算，對間接空冷塔和空冷散熱器的三維數(shù)學(xué)模型作如下假設(shè)：空氣側(cè)流動與換熱均認(rèn)為是穩(wěn)態(tài)的，且流體在固體壁面無滑移；忽略空冷塔和空冷散熱器計算過程中的輻射換熱；管內(nèi)熱水流動狀態(tài)為穩(wěn)流，管壁設(shè)為定壁溫邊界條件；不考慮空氣密度變化對流動換熱的影響，翅片的導(dǎo)熱系數(shù)為常量；未考慮空冷塔百葉窗、X型支架、塔內(nèi)膨脹水箱、管道等輔助設(shè)備。描述空冷塔內(nèi)外空氣流動和換熱的連續(xù)性方程、動量方程、能量方程，以及描述空冷塔鋼筋混凝土壁面導(dǎo)熱的導(dǎo)熱微分方程可以統(tǒng)一寫成以下的通用形式。

式中：ρ為密度；uj為xj方向的速度分量；φ為通用變量代表u，v，w，T等求解變量，Г?、S?分別代表廣義擴散系數(shù)和廣義源項；動量方程采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程湍流模型，并考慮由于溫度變化而導(dǎo)致的空氣密度的變化和浮升力影響。為了節(jié)約計算時間，采用的分塊非均勻網(wǎng)格進(jìn)行區(qū)域離散?？绽渌?nèi)部網(wǎng)格劃分較細(xì)，周圍空間網(wǎng)格劃分較粗。為了滿足計算精度和時間要求，確保網(wǎng)格質(zhì)量，通過采用不同的網(wǎng)格數(shù)目進(jìn)行模擬計算，檢驗計算結(jié)果的網(wǎng)格無關(guān)性。最終確定的總網(wǎng)格數(shù)為5 514 407。控制微分方程的離散化采用有限容積法。地面為固體壁面邊界條件。大氣邊界層環(huán)境風(fēng)速為梯度風(fēng)，環(huán)境風(fēng)入口采用速度入口邊界條件，編寫用戶自定義函數(shù)（UDF）程序。

4　結(jié)果與討論

圖2為4 m/s環(huán)境風(fēng)速下Y=0剖面空氣的靜壓云圖和溫度云圖，可見其流動換熱特性不同于無風(fēng)情況下呈現(xiàn)出明顯的空間特性?？绽渌挠L(fēng)面壓力明顯升高，環(huán)境風(fēng)對空冷塔頂部迎風(fēng)側(cè)的出流產(chǎn)生了抑制作用?？绽渌?nèi)延展平臺和散熱器底部附近出現(xiàn)了一定的回流現(xiàn)象，空冷塔塔內(nèi)背風(fēng)側(cè)回流區(qū)空氣溫度高于其迎風(fēng)側(cè)。此時空冷散熱器換熱量Qi和空冷塔通風(fēng)量mi分別為考核工況空冷散熱器換熱量Q0和空冷塔通風(fēng)量m0的101.63%和102.56%，可見在環(huán)境風(fēng)速4 m/s時空冷散熱器達(dá)到考核工況散熱量設(shè)計基準(zhǔn)。

圖2 4 m/s環(huán)境風(fēng)速下Y=0剖面空氣的靜壓云圖和溫度云圖Fig.2 Air static pressure nephogram and temperature contour of Y=0 section at 4 m/s wind speed

圖3為z=15 m高度水平截面的流場、溫度場，可見在空冷塔迎風(fēng)側(cè)空氣的平均流速升高，換熱量增加，進(jìn)塔空氣溫度較低。在背風(fēng)面?zhèn)壬崞魅阅芙柚绽渌某榱Q熱，但由于受到塔內(nèi)橫向氣流的抑制作用，進(jìn)風(fēng)量有所減小，進(jìn)塔空氣溫度較高。間冷塔兩側(cè)散熱器受塔外橫向風(fēng)的影響散熱器迎面風(fēng)速最低，進(jìn)塔空氣溫度最高。由于空冷塔散熱器換熱情況不同、散熱器表面平均和冷卻水溫度有所不同。同時，由于散熱器進(jìn)風(fēng)不均勻，造成空冷塔內(nèi)空氣流動情況比較復(fù)雜，出現(xiàn)渦流。

圖3 z=15 m高處速度云圖和溫度云圖Fig.3 Contours of air temperature and velocity at z=15

圖4為空冷散熱器的空氣質(zhì)量流量和熱負(fù)荷隨環(huán)境風(fēng)速的變化關(guān)系：可見隨著環(huán)境風(fēng)速增加，空冷散熱器的換熱量先減小，在12 m/s時達(dá)到臨界值，隨后散熱器換熱量隨環(huán)境風(fēng)速的增加有所改善。大風(fēng)條件下，流經(jīng)空冷塔空氣流量的變化趨勢與熱負(fù)荷有差異，因為大風(fēng)時存在熱風(fēng)穿透和熱風(fēng)回流現(xiàn)象，空冷塔內(nèi)的流場變得更為復(fù)雜。熱風(fēng)穿透導(dǎo)致背風(fēng)面冷卻扇段的進(jìn)風(fēng)量減小，換熱能力減弱。一方面受而風(fēng)速繼續(xù)增大時，從迎風(fēng)面流入背風(fēng)面冷卻三角的空氣流量增加，換熱能力有所改善。熱風(fēng)回流導(dǎo)致被加熱的空氣再次經(jīng)過冷卻三角，溫度甚至高于冷卻三角壁溫，經(jīng)過扇段的空氣質(zhì)量流量雖有增加，但是換熱反而惡化，因而熱負(fù)荷與空氣的質(zhì)量流量不再是單純的線性關(guān)系。受迎風(fēng)面進(jìn)入塔內(nèi)的熱空氣壓迫，背風(fēng)側(cè)空氣的流動受阻，從12 m/s開始已經(jīng)有穿堂風(fēng)的出現(xiàn)，而這種現(xiàn)象隨著風(fēng)速的增加更加的明顯。尤其是當(dāng)風(fēng)速為15 m/s時，側(cè)風(fēng)面的熱空氣滲透作用同樣影響到背風(fēng)面散熱器的進(jìn)風(fēng)能力，導(dǎo)致冷卻三角進(jìn)風(fēng)量的不斷減少，空氣入口溫度增加。當(dāng)環(huán)境風(fēng)速大于12 m/s時隨著風(fēng)速的增大，背風(fēng)面冷卻扇段熱負(fù)荷急劇較小，扇段的流動換熱能力不斷惡化。

圖4　空冷散熱器的空氣質(zhì)量流量和熱負(fù)荷與環(huán)境風(fēng)速的變化關(guān)系Fig.4 Variable relationship between air flow rate and heat load of air-cooled radiator and environmental air velocity

5　結(jié)論

對在空冷塔外垂直布置的表面式空冷散熱器和空冷塔的流動換熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，獲得了空冷散熱器和空冷塔在不同環(huán)境條件下的流場和溫度場，研究結(jié)果表明：當(dāng)4 m/s環(huán)境風(fēng)速下，間接空冷散熱器達(dá)到考核工況下的設(shè)計要求。隨著環(huán)境風(fēng)速增加，空冷散熱器的換熱量先減小，在12 m/s時達(dá)到臨界值，隨后空冷散熱器換熱量隨著環(huán)境風(fēng)的增加有所改善。6 m/s環(huán)境風(fēng)速下，空冷散熱器的換熱量為設(shè)計工況下?lián)Q熱量的96.12%；9 m/s環(huán)境風(fēng)速下，空冷散熱器的換熱量為設(shè)計工況下?lián)Q熱量的80.34%。數(shù)值模擬是在來流穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)傳熱情況下的計算結(jié)果，與實際情況存在一定差異。數(shù)值計算結(jié)果還需要風(fēng)洞試驗和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的驗證。

［1］Al-Waked R，Behnia M.The performance of natural draft dry cooling towers under crosswind：CFD study［J］. International journal of energy research，2004，28（2）：147-161

［2］Du Preez AF，Kroger DG.Effect of Wind on Performance of a Dry Cooling Tower［J］.Heat Recovery System&CHP，1993，13（2）：139-146

［3］Yang LJ，Chen L，Du XZ，et al.Effects of ambient winds on the thermo-flow performances of indirect dry cooling system in a power plant［J］.International Journal of Thermal Sciences，2013，64（2）：178-187

［4］Su MD，Tang GF，F(xiàn)u S.Numerical simulation of fluid flow and thermal performance of a dry-cooling tower under cross wind condition［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1999，79（3）：289-306

［5］Yang LJ，Wu XP，Du XZ，et.al.Dimensional characteristics of wind effect on the performance of indirect dry cooling system with vertically arranged heat exchanger bundles［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2013，67：853-866

Study on Heat-flow Conduction Characteristics of IndirectAir-cooled Radiatorand Cooling Tower

ZHANG Wei1，2，DU Xiao-ze1，YANG Li-jun1，YANG Yong-ping1
1.Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment，Ministry of Education，North China Electric Power University，Beijing 102206，China
2.School of Environmental and Municipal Engineering/North China University of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China

As ambient winds have a great effect on the cooling performance of indirect air cooling system.Based on the vertical distribution air-cooled system outside 2×350 MW indirect air-cooled units，this paper analyzed their heat-flow conduction characteristics with CFD numerical simulation to get the transformation law which the velocity，temperature fields，amount of air and heat exchange went with wind speed under various environments.The results showed that the heat emission of air-cooled radiator and ventilation rate reduced gradually with the increase of environmental air velocity to reach the maximum at wind speed 12 m/s and then the amount of heat-exchange was improved with the increase of environmental wind.

Indirect air-cooled radiator；air cooling tower；heat-flow conduction

V231.1+3

A

1000-2324（2016）02-0296-04

2015-06-15

2015-10-25

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃：燃煤發(fā)電系統(tǒng)冷端高效釋熱、余熱梯級利用及多冷源集成（2015CB251503）；華水青基資助項目：直接空冷系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù)研究（HSQJ2009024）

張薇（1976-），女，博士研究生，副教授，主要從事電站空冷系統(tǒng)和傳熱優(yōu)化研究.E-mail：zhangwei@ncwu.edu.cn