改善間冷塔換熱性能方案分析

楊照

摘要：環(huán)境風(fēng)速變化使間冷塔內(nèi)外空氣流場發(fā)生改變，導(dǎo)致其換熱性能發(fā)生變化，因此如何優(yōu)化間冷塔內(nèi)外空氣流場具有重要意義。以某660MW機組SCAL型間冷塔為研究對象，建立了三維模型并利用CFD換熱器中簡單效能法結(jié)合多孔介質(zhì)模型，在不同環(huán)境風(fēng)速下，對間冷塔空氣流場分布及換熱性能進行了數(shù)值模擬。根據(jù)間冷塔流場分布提出了3種改善方案，并定義了反映改善程度的改善系數(shù)。結(jié)果表明：間冷塔內(nèi)外同時布置擋風(fēng)墻（D方案）對其換熱性能改善最大，間冷塔內(nèi)部布置擋風(fēng)墻（C方案）對其換熱性能改善最小;D、C兩方案分別在18m/s和8m/s時對間冷塔換熱性能改善最大，改善系數(shù)約為17.34%和4.29%;D方案和B方案相比C方案換熱性能均有一定改善，在18m/s時均取得最大值，分別約為14.69%和15.39%。因此，對于風(fēng)向較固定的地區(qū)，D方案可以有效改善間冷塔的換熱性能。

關(guān)鍵詞：環(huán)境風(fēng)速;間冷塔;空氣流場;換熱性能;改善系數(shù);擋風(fēng)墻

1 前言

在我國西北干旱地區(qū)，隨著小型火電機組逐漸被中大型火電機組取代，大型間接空冷系統(tǒng)則顯得越來越重要。間接空冷塔（簡稱間冷塔）作為間接空冷系統(tǒng)中的重要部件，通過空氣與循環(huán)冷卻水換熱后使其溫度降低，達到循環(huán)利用的目的。SCAL型間冷塔由于具有節(jié)約廠用電、結(jié)構(gòu)較簡單等優(yōu)點，近年來被廣泛采用。由于環(huán)境風(fēng)速變化使間冷塔內(nèi)外空氣流場發(fā)生改變，導(dǎo)致其換熱性能發(fā)生變化，故許多學(xué)者對其展開了深入的研究。

以某660MW機組SCAL型間冷塔為研究對象，在夏天最不利的條件下，利用CFD換熱器中簡單效能法并結(jié)合多孔介質(zhì)模型，對無擋風(fēng)墻（A方案）進行數(shù)值模擬，根據(jù)流場分布提出3種改善方案，即塔外布置擋風(fēng)墻（B方案）、塔內(nèi)布置擋風(fēng)墻（C方案）和塔內(nèi)外同時布置擋風(fēng)墻（D方案），并探討了循環(huán)水平均出口水溫變化，從而為擋風(fēng)墻的布置方案提供一定的參考。

2 模型建立

2.1 幾何模型、網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

選取某660MW機組SCAL型間冷塔為研究對象，其相關(guān)尺寸如表1所示。散熱器局部示意圖如圖1所示。為了便于統(tǒng)計和分析數(shù)據(jù)，將散熱器分為24個扇區(qū)，其中7扇區(qū)和18扇區(qū)包括5個冷卻三角，其它扇區(qū)包括6個冷卻三角。迎風(fēng)區(qū)為1到3和22到24扇區(qū)，側(cè)風(fēng)區(qū)為4到9和16到21扇區(qū)，背風(fēng)區(qū)為10到15扇區(qū)。分別研究了3種不同擋風(fēng)墻改善方案，其尺寸大小及位置如表1所示。B方案是在塔外側(cè)風(fēng)區(qū)的正中央垂直于風(fēng)向布置兩個擋風(fēng)墻，C方案是在塔內(nèi)沿圓周方向均勻布置10個擋風(fēng)墻，D方案是B方案和C方案的組合。間冷塔擋風(fēng)墻不同方案及散熱器分區(qū)如圖2所示。選取計算域為X×Y×Z（500m×500m×500m）。

圖1散熱器局部示意圖

網(wǎng)格劃分：采用Map和Cooper方式劃分網(wǎng)格。當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為5.5m/s時，對網(wǎng)格無關(guān)性進行驗證。取網(wǎng)格數(shù)為448萬、511萬和598萬進行數(shù)值計算，結(jié)果表明塔出口質(zhì)量流量偏差約小于1.98%，故認為進行了網(wǎng)格無關(guān)性驗證。最終確定網(wǎng)格總數(shù)為511萬。邊界條件設(shè)置：迎風(fēng)面設(shè)置為velocity-inlet，背風(fēng)面設(shè)置為outflow。間冷塔不同高度處環(huán)境風(fēng)速采用冪指數(shù)函數(shù)變化，即：

式中：v10為10m高度處的風(fēng)速大小，m/s;z為間冷塔進風(fēng)口不同高度，m。該間空冷機組大風(fēng)期出現(xiàn)在夏季，風(fēng)向沿X負方向。

2.2 計算模型

為了更準確地模擬循環(huán)水和空氣的換熱過程，選取了CFD中換熱器模型中簡單效能法并結(jié)合多孔介質(zhì)模型。單個macro的換熱量是該macro所包含的所有網(wǎng)格單元計算得到的換熱量總和，其計算式為：

換熱器區(qū)域總的換熱量為：

式中：qmacro為單個macro的換熱量，W。

2.3 數(shù)值模型驗證

間冷塔驗證工況參數(shù)如表2所示。對其工況參數(shù)進行了模擬驗證，其結(jié)果如表3所示。在誤差允許的范圍內(nèi)，證明了該數(shù)值模型的正確性。

2.4 改善系數(shù)

定義I為不同改善方案下相比A方案的改善系數(shù)，即：相同條件下，不同改善方案下的換熱量Q與A方案下的換熱量Q0之比減去1后乘以100;定義M為不同改善方案相比最差改善方案的改善系數(shù)，即：相同條件下，不同改善方案的換熱量Q與最差改善方案的換熱量Qmin之比減去1后乘以100，即：

改善系數(shù)大小直觀地反映了各改善方案改善程度的大小。

3 各方案對間冷塔換熱性能的影響

當(dāng)無環(huán)境風(fēng)且無擋風(fēng)墻時，在塔的吸力作用下，塔外空氣通過散熱器對流換熱后均勻進入塔內(nèi)。此時擋風(fēng)墻不同布置方案對塔內(nèi)外流場影響很小，故各扇區(qū)的通風(fēng)量和換熱量近似相等。由于不同改善方案通風(fēng)量和換熱量變化趨勢在8m/s或12m/s發(fā)生轉(zhuǎn)折，故以8m/s和12m/s為例，對間冷塔換熱性能進行分析。

3.1 A方案對間冷塔換熱性能的影響

當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為8m/s和12m/s時，間冷塔內(nèi)外流場分布如圖3、圖4所示。結(jié)果表明：迎風(fēng)區(qū)換熱最好，背風(fēng)區(qū)其次，側(cè)風(fēng)區(qū)最差;當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為8m/s時，側(cè)風(fēng)區(qū)出現(xiàn)穿堂風(fēng)。原因如下：環(huán)境風(fēng)流過間冷塔散熱器外側(cè)時做“圓柱繞流”運動，且隨著環(huán)境風(fēng)速的增加而增強，結(jié)果使得側(cè)風(fēng)區(qū)和背風(fēng)區(qū)的通風(fēng)量減小;環(huán)境風(fēng)流過間冷塔側(cè)風(fēng)區(qū)散熱器外側(cè)時，由于切向速度大，使間冷塔吸力減小，使得側(cè)風(fēng)區(qū)通風(fēng)量減小;進入迎風(fēng)區(qū)和背風(fēng)區(qū)的氣流在塔內(nèi)相遇后形成近似關(guān)于X軸對稱的渦流，從而增大了背風(fēng)區(qū)空氣進入塔內(nèi)的阻力;隨著環(huán)境風(fēng)速的增加，迎風(fēng)區(qū)氣流對側(cè)風(fēng)區(qū)和背風(fēng)區(qū)的沖擊就越大;迎風(fēng)區(qū)通風(fēng)量隨著環(huán)境風(fēng)速的增加而增加，背風(fēng)區(qū)和側(cè)風(fēng)區(qū)隨著環(huán)境風(fēng)速的增加而減小，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速增加到某一值時出現(xiàn)穿堂風(fēng)。故迎風(fēng)區(qū)換熱性能最好，側(cè)風(fēng)區(qū)換熱性能最差。

3.2 B方案對間冷塔換熱性能的影響分析

當(dāng)環(huán)境風(fēng)速從8m/s增加到12m/s時，1到6扇區(qū)和19到24扇區(qū)通風(fēng)量增加，7到18扇區(qū)通風(fēng)量減小。由于通風(fēng)量增加幅度略大于其下降幅度，故塔的通風(fēng)量略增加，但側(cè)風(fēng)區(qū)和背風(fēng)區(qū)換熱性能下降幅度大于迎風(fēng)區(qū)換熱性能增加幅度，故塔的換熱性能下降。當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為8m/s時，與A方案相比：1到9扇區(qū)和16到24扇區(qū)通風(fēng)量均不同程度的增加，10扇區(qū)到15扇區(qū)通風(fēng)量減小，側(cè)風(fēng)區(qū)無穿堂風(fēng)存在。由于通風(fēng)量增加幅度大于其下降幅度，故使得塔通風(fēng)量增加，換熱性能有所提高。當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為12m/s時，與A方案相比：1到7扇區(qū)和18到24扇區(qū)通風(fēng)量增加，側(cè)風(fēng)區(qū)（8、9、16和17扇區(qū)）和背區(qū)13扇區(qū)出現(xiàn)穿堂風(fēng)，其余扇區(qū)通風(fēng)量減小。由于通風(fēng)量增加幅度大于其下降幅度，故使得塔通風(fēng)量增加，換熱性能有所提高。相同條件下受外側(cè)擋風(fēng)墻的影響：環(huán)境風(fēng)流經(jīng)擋風(fēng)墻時，切向速度突然減小為0，徑向速度增大，使得一部分環(huán)境風(fēng)改變方向后進入側(cè)風(fēng)區(qū)散熱器內(nèi)，從而增大了擋風(fēng)墻上游臨近扇區(qū)的通風(fēng)量;由于“圓柱繞流”運動減弱也使得該擋風(fēng)墻下游臨近扇區(qū)的通風(fēng)量增加;當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為12m/s時，側(cè)風(fēng)區(qū)開始出現(xiàn)穿堂風(fēng)，通風(fēng)量開始下降;受擋風(fēng)墻影響背風(fēng)區(qū)外側(cè)形成渦流且隨著風(fēng)速的增加其范圍越來越大，使得壓力降低，通風(fēng)量下降。

3.3 C方案對間冷塔換熱性能的影響

當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為8m/s和12m/s時，其單位扇區(qū)通風(fēng)量。由于通風(fēng)量增加的幅度小于其下降的幅度，故塔的通風(fēng)量下降，換熱性能也下降。當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為8m/s時，與A方案相比：迎風(fēng)區(qū)和背風(fēng)區(qū)通風(fēng)量變化不大，側(cè)風(fēng)區(qū)通風(fēng)量增加，故塔的通風(fēng)量增加，換熱性能略提高。當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為12m/s時，與A方案相比：迎風(fēng)區(qū)通風(fēng)量變化不大，側(cè)風(fēng)區(qū)通風(fēng)量增加，背風(fēng)區(qū)通風(fēng)量略減小。由于通風(fēng)量增加的幅度略大于其下降的幅度，故塔的通風(fēng)量略增加，換熱性能也略提高。相同條件下受內(nèi)側(cè)擋風(fēng)墻的影響：塔內(nèi)一定范圍內(nèi)形成孤立的區(qū)域，從而在一定程度上減弱了迎風(fēng)區(qū)氣流對背風(fēng)區(qū)氣流的沖擊作用，使得穿堂風(fēng)量減小，同時容積流量減小使得壓力升高，故渦流數(shù)量隨著環(huán)境風(fēng)速的增加而增多，使得背風(fēng)區(qū)通風(fēng)量減小;“圓柱繞流”作用減弱，使得側(cè)風(fēng)區(qū)通風(fēng)量增加。

3.4 D方案對間冷塔換熱性能的影響

由于通風(fēng)量增加幅度略大于其下降幅度，故塔的通風(fēng)量略增加，但側(cè)風(fēng)區(qū)和背風(fēng)區(qū)換熱性能下降幅度大于迎風(fēng)區(qū)換熱性能上升幅度，故塔的換熱性能下降。當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為8m/s時，與A方案相比：迎風(fēng)區(qū)通風(fēng)量變化較小，側(cè)風(fēng)區(qū)通風(fēng)量增加，背風(fēng)區(qū)通風(fēng)量減小。由于通風(fēng)量增加幅度大于其下降幅度，故塔的通風(fēng)量增加，換熱性能提高。當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為12m/s時，與A方案相比：迎風(fēng)區(qū)和側(cè)風(fēng)區(qū)的通風(fēng)量都增加，背風(fēng)區(qū)通風(fēng)量下降，且形成穿堂風(fēng)的扇區(qū)數(shù)量減小。由于通風(fēng)量增加幅度大于其下降幅度，故塔的通風(fēng)量增加，換熱性能提高。相同條件下受內(nèi)外擋風(fēng)墻的影響：迎風(fēng)區(qū)通風(fēng)量隨著環(huán)境風(fēng)速增加其增幅變大;側(cè)風(fēng)區(qū)由于“

圓柱繞流”運動減弱，使得通風(fēng)量增加;背風(fēng)區(qū)由于塔內(nèi)和塔外渦流影響，其風(fēng)量下降且下降幅度略變緩。

4 結(jié)語

（1）建立了間冷塔三維數(shù)值模型，利用CFD換熱器中簡單效能法結(jié)合多孔介質(zhì)模型;對不同環(huán)境風(fēng)速下間冷塔換熱性能進行了模擬研究;根據(jù)其流場分布提出了B方案、C方案和D方案來改善間冷塔換熱性能，并定義了改善系數(shù)。

（2）B、C和D方案相比A方案換熱性能均有改善;C方案當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為8m/s時I取得最大值，約為4.29%;B和D方案當(dāng)環(huán)境風(fēng)速為18m/s時I均取得最大值，分別約為16.63%和17.34%。

（3）B方案和D方案相比C方案換熱性能也得到改善，均在18m/s時M達到最大，分別約為14.69%和15.39%。

（4）D方案為最優(yōu)方案，C方案為最差方案。因此對于風(fēng)向較固定的地區(qū)，D方案可以有效改善間冷塔的換熱性能。

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