間冷塔散熱器圓環(huán)布置對換熱性能的影響

李慧君， 楊長根

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

0 引言

在我國“三北”地區(qū)，為了解決富煤缺水矛盾，空冷發(fā)電機組得到了廣泛地應(yīng)用[1]?？绽浼夹g(shù)分為直接空冷和間接空冷。間接空冷塔(簡稱間冷塔)因具有顯著的節(jié)水優(yōu)點，逐漸成為大型空冷機組的發(fā)展方向。由于間冷塔的冷卻效率易受環(huán)境溫度、環(huán)境風大小和方向等因素影響，越來越多學者對影響間冷塔的換熱機理進行了深入的研究。

近幾十年來，數(shù)值模擬研究[2]和實驗研究[3]都得出了一個相似的結(jié)論，環(huán)境風能夠降低空冷塔的冷卻效率。楊立軍等[4]研究了散熱器翅片結(jié)構(gòu)尺寸對間冷塔傳熱性能的影響；杜小澤等[5]通過CFD模擬了不同溫度、不同風速和不同風向下間冷塔散熱器的運行特性；忻煒等[6]通過對間冷塔內(nèi)外空氣流動和傳熱性能進行了研究，分析了不同環(huán)境風速下傳熱性能和機組背壓的變化規(guī)律；席新銘等[6]通過數(shù)值模擬分析了環(huán)境風和煙塔高度對三塔合一間冷塔熱力性能的影響；王藍婧等[7]對660 MW SCAL 型間冷塔夏季安全運行改造方案進行了研究，并指出夏季環(huán)境風速為12 m/s時間冷塔的流動傳熱性能最差，機組發(fā)生大幅度降負荷和跳閘的可能性最大；Zhao等[9,10]通過分析了流經(jīng)單個冷卻柱、單個冷卻三角和每個扇區(qū)的流量和靜壓變化，并計算了冷卻柱的進口溫度和出口溫度變化，在此基礎(chǔ)上又指出散熱器外側(cè)布置導(dǎo)流板可以有效改善空氣流經(jīng)散熱器時的入流偏離角度，改善冷卻三角內(nèi)空氣的流場分布；李嵐等[11]以600 MW機組間接空冷塔為對象，研究了SCAL型間接空冷塔動態(tài)特性；Preez等[8]首次提出擋風墻的概念后眾多學者對此展開研究；張艾萍等[9]分析了外圍擋風墻的可能性；Zhai等[10]研究表明擋風墻應(yīng)當被垂直于環(huán)境風向布置在間冷塔的側(cè)邊，并且擋風墻的寬度應(yīng)當優(yōu)化；Goodarzi[11]提出了一種新型空冷塔出口結(jié)構(gòu)，以減弱側(cè)風情況下冷卻塔的縮喉效應(yīng)。Wang等[12]研究了間冷塔在側(cè)風下的配水方案，從而提高其換熱性能。隨著研究的深入，對傳統(tǒng)間冷塔散熱器的布置方案進行了研究。Preez等[13]發(fā)現(xiàn)了對于垂直布置的散熱器環(huán)境風的影響要大于塔內(nèi)部水平布置的散熱器；2014年，Goodarizi等[18]在保持有效受熱面積不變時，將圓形設(shè)置為橢圓型，并研究了三種短軸與長軸之比，分別為0.5、0.75和1時，其換熱性能隨環(huán)境風速的變化；Yang等[14]研究了間冷塔散熱器沿等邊三角形垂直布置對其換熱性能的影響；Du等[15]研究了在間冷塔內(nèi)部分別沿半徑和方形水平布置散熱器的流動特性和換熱性能。

目前，由于對間冷塔散熱器布置方案的研究還較少，故以某660 MW機組SCAL型間冷塔為研究對象，保持傳統(tǒng)方案間冷塔(簡稱鐵三角布置方案)鐵三角的總體積和總散熱面積不變，將散熱器沿塔中心圓周垂直布置成一個圓環(huán)形，利用Fluent軟件針對夏天最惡劣的氣象條件，分別考慮塔周圍有無建筑物的存在，對鐵三角和圓環(huán)布置方案進行數(shù)值模擬，對兩者進行分析對比，從而為間冷塔散熱器的布置方案提供一定的參考。

1 數(shù)值計算方法

1.1 幾何模型

本文選取某660 MW機組SCAL型間冷塔為研究對象，其相應(yīng)設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。選取的計算域為500 m×500 m×500 m(X×Y×Z)并創(chuàng)建間冷塔的幾何模型。散熱器局部圖如圖1所示。將散熱器分成24個扇區(qū)，如圖2所示?？紤]到實際電廠空冷塔周圍有建筑物的存在，鐵三角布置方案周圍建筑物分布與圓環(huán)布置方案相同，如圖3所示(1～9為建筑物)。

1.2 網(wǎng)格劃分、邊界條件和收斂準則

間冷塔散熱器和內(nèi)外流體區(qū)域采用Map和Cooper方式生成網(wǎng)格。選取鐵三角布置方案且塔周圍無建筑物，環(huán)境風速為5.5 m/s進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證。

表1 間冷塔和散熱器的結(jié)構(gòu)尺寸

圖1 散熱器局部圖

圖2 散熱器分區(qū)示意圖

圖3 圓環(huán)方案周圍建筑物布置圖

取網(wǎng)格數(shù)為257萬、335萬和421萬進行數(shù)值計算。結(jié)果表明：間冷塔出口質(zhì)量流量偏差小于2.6%，符合工程實際要求。因此，鐵三角布置方案有無建筑物的網(wǎng)格數(shù)為374萬和335萬；同理圓環(huán)布置方案有無建筑物的網(wǎng)格數(shù)為296萬和288萬。

邊界條件設(shè)置：進口為velocity-inlet，出口為outflow。間冷塔迎風面不同高度處風速采用冪指數(shù)規(guī)律變化函數(shù)，風速的計算公式為：

(1)

式中：ν0為離地面10 m高度處的環(huán)境風速，m/s；z為距地面的高度，m。

收斂準則：本文選取可實現(xiàn)(Realizable)k-ε湍流模型；環(huán)境風密度僅考慮溫度的影響，采用Boussinesq近似假設(shè)；在對控制方程離散化時采用一階差分迎風格式，為保證計算結(jié)果的準確性，收斂精度除能量離散方程殘差控制在10-6以下，其他方程殘差控制在10-4以下。

1.3 數(shù)值模型

對間冷塔各計算區(qū)域建立質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒、湍動能和湍動能耗散率等方程。采用換熱器中的簡單效能模型及多孔介質(zhì)模型來模擬水和空氣的換熱過程。在換熱器模型中，換熱器區(qū)域總的換熱量為：

(2)

式中：qmacro為單個macro的換熱量，W。

換熱器模型為整個換熱器的核心區(qū)域提供了更接近實際的換熱量的分配方法。

1.4 數(shù)值模型驗證

夏季工況間冷塔設(shè)計參數(shù)，如表2所示。對該設(shè)計工況進行模擬計算，結(jié)果如表3所示。因此，所建數(shù)值模型是符合要求的。

表2 間冷塔設(shè)計參數(shù)

表3 數(shù)值模擬驗證結(jié)果

2 影響間冷塔換熱性能的因素分析

對于沿間冷塔圓周垂直布置的散熱器，影響其換熱性能的主要因素有風速、散熱器布置方式及建筑物等。

選取環(huán)境風速為0 m/s、5.5 m/s、8 m/s、12 m/s、15 m/s、18 m/s和20 m/s，分別對不同方案進行模擬分析。

2.1 風速對間冷塔換熱性能的影響

當環(huán)境風速為12 m/s時，選取鐵三角布置方案且無建筑物。結(jié)果表明：迎風區(qū)通風量最大，背風區(qū)次之，側(cè)風區(qū)最小。這是因為環(huán)境風流經(jīng)間冷塔時，做“圓柱繞流”流動(該繞流的結(jié)果使塔外的壓力低于塔內(nèi)，同時使塔背風面的壓力下降)，減小了背風區(qū)和側(cè)風區(qū)的通風量，如圖4所示。

圖4 12 m/s無建筑物時z=7.5 m截面速度場

而這種影響隨風速的增加而增強，使背風區(qū)和側(cè)風區(qū)的通風量進一步減少。環(huán)境風通過側(cè)風區(qū)散熱器時，因切向風速大、壓力低，故流入塔內(nèi)的通風量減小。此時，側(cè)風區(qū)部分扇區(qū)出現(xiàn)“穿堂風”，雖風量不大，但換熱性能變差。因迎風區(qū)通風量大于背風區(qū)，故進入塔內(nèi)的氣流相遇后，在塔底形成渦流場并且影響塔內(nèi)上升氣流流動和塔底側(cè)風區(qū)和背風區(qū)空氣的流入。

在環(huán)境風的作用下，塔出口處形成“風阻”效應(yīng)，如圖5所示。在一定范圍內(nèi)隨著風速的增大，該“風阻”效應(yīng)越來越明顯，即α越來越小，使塔內(nèi)氣流的有效通流面積變小，但同時由于風速過快造成對塔內(nèi)空氣的吸力加強，在兩者相互作用下，導(dǎo)致塔出口質(zhì)量流量下降。

圖5 12 m/s無建筑物時y=0 m截面速度場

不同環(huán)境風速下，單位扇區(qū)通風量變化如圖6所示。當無環(huán)境風時，由于在塔吸力作用下，塔四周空氣與散熱器對流換熱后均勻的進入到塔內(nèi)，故使得塔各扇區(qū)通風量和換熱量基本相等；迎風區(qū)換熱性能隨著環(huán)境風速的增加而提高；當環(huán)境風速為8 m/s時，側(cè)風區(qū)出現(xiàn)“穿堂風”，且在一定范圍內(nèi)隨著風速的增加，形成“穿堂風”的扇區(qū)數(shù)量增多；當環(huán)境風速不超過12 m/s時，側(cè)風區(qū)由于“穿堂風”量增加使得通風量減小，換熱性能下降，當環(huán)境風速超過12 m/s時，“穿堂風”量的增加反而使得側(cè)風區(qū)換熱性能略提高；背風區(qū)通風量隨著環(huán)境風速的增加而減小，換熱性能下降。

圖6 單位扇區(qū)通風量隨環(huán)境風速變化

2.2 散熱器布置方式對間冷塔換熱性能的影響

散熱器為鐵三角布置時，迎風區(qū)每個鐵三角內(nèi)的兩個散熱器換熱面與環(huán)境風向形成的夾角近似相同，故通風量近似相等且較大，使得鐵三角單元的換熱性能較好。

圖7為散熱器與風向的關(guān)系。側(cè)風區(qū)每個鐵三角內(nèi)的兩個散熱器的通風量相差較大，是因為環(huán)境風向與散熱器迎風面所形成的夾角不同，如圖7(a)所示。即散熱器2和4的夾角α1較大，散熱器1和3的夾角α2較小。因此，散熱器2和4的通風量大，其換熱性能較好，而散熱器1和3的通風量小，其換熱性能較差，使得鐵三角單元的換熱性能變差。從迎風區(qū)到側(cè)風區(qū)這種現(xiàn)象越來越明顯，即相當于有效換熱面被減少，使得換熱效果變差。故鐵三角布置散熱器時，相當一部分的散熱器的換熱面積沒有被充分利用，降低了間冷塔的換熱能力。

圖7 散熱器與風向的關(guān)系

對于圓環(huán)布置方案，在相同條件時，一定環(huán)境風速范圍內(nèi)可以較好地避免有效換熱面積被減少的現(xiàn)象，如圖7(b)所示。但風速較小時，散熱器的布置方式對其換熱能力的影響有限。當風速在一定范圍內(nèi)增大，迎風面圓環(huán)布置的有效換熱面積大于鐵三角布置，因此，換熱能力也高于鐵三角布置。

塔周圍無建筑物且環(huán)境風速為12 m/s時，鐵三角和圓環(huán)布置方案在z=15 m時溫度場分布，如圖8所示。圓環(huán)布置方案迎風區(qū)和部分側(cè)風區(qū)平均溫度要略低于鐵三角布置方案，但其背風區(qū)平均溫度要高于鐵三角布置方案。

圖8 12 m/s無建筑物時z=15 m截面溫度場

取環(huán)境風速為5.5 m/s、8 m/s和12 m/s，鐵三角布置方案和圓環(huán)布置方案其單位扇區(qū)通風量隨環(huán)境風速變化如圖9所示。當環(huán)境風速從5.5 m/s增加到12 m/s時，圓環(huán)布置方案1到5扇區(qū)和20到24扇區(qū)通風量均大于鐵三角布置方案，故該扇區(qū)換熱性能提高；當環(huán)境風速為8 m/s時，圓環(huán)布置方案相比鐵三角布置方案：形成“穿堂風”的扇區(qū)數(shù)量增多，使得側(cè)風區(qū)換熱性能下降，而背風區(qū)換熱性能也下降，由于換熱性能下降的幅度大于其上升的幅度，故塔整體換熱性能下降；當環(huán)境風速為12 m/s時，圓環(huán)布置方案相比鐵三角布置方案：側(cè)風區(qū)換熱性能提高，但其背風區(qū)換熱性能下降且幅度較大，故塔整體換熱性能仍下降。

圖9 單位扇區(qū)通風量隨環(huán)境風速變化

2.3 建筑物對間冷塔換熱性能的影響

當環(huán)境風速為12 m/s時，選取鐵三角布置方案且塔周圍有建筑物時，間冷塔截面速度云圖分布，如圖10所示。環(huán)境風流過建筑物時，由于塔外通流面積減小，其流速大小和流向都將發(fā)生改變，并在建筑物的背面形成渦流。

選取環(huán)境風速為5.5 m/s、8 m/s和12 m/s，鐵三角布置方案有無建筑物其單位扇區(qū)通風量變化如圖11所示。相同條件下塔周圍有建筑物相比無建筑物：迎風區(qū)通風量略有增加，換熱性能變好；側(cè)風區(qū)形成“穿堂風”的扇區(qū)數(shù)量增加；10、11、12和13扇區(qū)通風量減小，而14和15扇區(qū)通風量增加。扇區(qū)通風量增加幅度略大于其下降幅度，故最終使得塔整體換熱性能略提高。

圖10 12 m/s有建筑物時z=7.5 m截面速度云圖

圖11 單位扇區(qū)通風量隨環(huán)境風速變化

3 不同風速及方案對換熱性能的影響

本文針對間冷塔散熱器圓環(huán)布置方案對換熱性能的影響進行了研究。首先，分別建立不同的幾何模型，并對網(wǎng)格劃分、邊界條件、收斂準則和數(shù)值模型進行了詳細介紹，又對數(shù)值模型進行了驗證，結(jié)果滿足了工程要求。然后，對影響間冷塔換熱性能的各因素進行了分析。其次，以通風量和換熱量為評價指標，對不同風速及布置方案對間冷塔換熱性能的影響進行了分析。最后，通過通風量改變度和換熱量改變度來描述圓環(huán)布置方案相比鐵三角布置方案的改善效果。結(jié)論如下：

不同環(huán)境風速下各方案通風量和換熱量變化如圖12和13所示。不同方案其通風量和換熱量均隨環(huán)境風速先減小后增加，均在12 m/s處為最小值。這是因為迎風區(qū)、背風區(qū)和側(cè)風區(qū)通風量的增減幅度不同造成，換熱量變化也是如此。相同條件下，同種布置方案塔周圍有建筑物相比無建筑物時，塔的換熱性能略有提高。

圖12 通風量隨環(huán)境風速變化

圖13 換熱量隨環(huán)境風速變化

當環(huán)境風速為12 m/s時，不同方案換熱量比較如表4所示。該風速下塔周圍無建筑物時，圓環(huán)布置方案相比鐵三角布置方案塔的通風量雖然增加，使得迎風區(qū)和側(cè)風區(qū)換熱量均增加，但由于背風區(qū)通風量較小，換熱量減小幅度較大，故塔的換熱量仍下降，塔的換熱性能也下降。該風速下塔周圍有建筑物時，圓環(huán)布置方案相比鐵三角布置方案，塔的換熱性能變化也是如此。當環(huán)境風速超過12 m/s后，圓環(huán)布置方案相比鐵三角布置方案，背風區(qū)“穿堂風”量增加，故塔的換熱性能有所改善。

表4 12 m/s不同方案換熱量比較 MW

4 改善性能分析

為了更完整地描述圓環(huán)布置方案相比鐵三角布置方案的改善效果，引入通風量改善度M和換熱量改善度Q。

M定義為：圓環(huán)布置方案的通風量Mcir與鐵三角布置方案的通風量Mtrad之差與鐵三角布置方案的通風量Mtrad之比；Q定義為：圓環(huán)布置方案的換熱量Qcir與鐵三角布置方案的換熱量Qtrad之差與鐵三角布置方案的換熱量Qtrad之比。即：

(3)

(4)

有無建筑物時圓環(huán)布置方案相比鐵三角布置方案通風量和換熱量的改善度M和Q隨環(huán)境風速的變化，如圖14所示。

圖14 M和Q隨環(huán)境風速變化

塔周圍無建筑物時，M和Q分別在20 m/s和15 m/s時最大，分別約為7.52%和3.28%；塔周圍有建筑物時，M和Q均在15 m/s時最大，分別約為3.97%和3.92%；塔周圍有無建筑物時，M和Q在無環(huán)境風時均約為0，則說明圓環(huán)布置方案在該風速下對其換熱性能幾乎無影響。Kong等[16]對兩個相鄰鐵三角之間的夾角進行了研究，當兩個相鄰鐵三角之間的夾角為180°時，該布置方案在約8 m/s到14 m/s范圍內(nèi)時，其換熱性能不如相鄰鐵三角之間夾角為60°時的布置方案。該圓環(huán)布置方案一定程度上是相鄰兩個鐵三角夾角為180°的特殊情況，但又與相鄰兩個鐵三角夾角為180°的鐵三角布置方案略有不同。Q在8 m/s和12 m/s時均小于0，則說明圓環(huán)布置方案在該風速下?lián)Q熱性能不如鐵三角布置方案，該結(jié)果較好地吻合了Kong等[16]的結(jié)果。

5 結(jié)論

(1)鐵三角和圓環(huán)布置方案出現(xiàn)“穿堂風”時對應(yīng)的環(huán)境風速均為8 m/s；相同條件下，圓環(huán)布置方案迎風區(qū)和側(cè)風區(qū)的換熱性能高于鐵三角布置方案；塔周圍有建筑物相比無建筑物時，塔的換熱性能略增加。

(2)隨著環(huán)境風速的增加，鐵三角和圓環(huán)布置方案間冷塔換熱性能均先下降后提高，均在12 m/s處為最小值。當環(huán)境風速為8 m/s和12 m/s時，鐵三角布置方案間冷塔換熱性能優(yōu)于圓環(huán)布置方案；其它環(huán)境風速下圓環(huán)布置方案間冷塔換熱性能優(yōu)于鐵三角布置方案。

(3)塔周圍無建筑物時，圓環(huán)布置方案相比鐵三角布置方案M和Q分別在20 m/s和15 m/s時最大，分別約為7.52%和3.28%。塔周圍有建筑物時，M和Q均在15 m/s時最大，分別約為3.97%和3.92%。