空冷塔對大氣環(huán)境溫度濕度影響的數(shù)值模擬

陳厚江,廖傳華*,王銀峰,王小軍

空冷塔對大氣環(huán)境溫度濕度影響的數(shù)值模擬

陳厚江1,廖傳華1*,王銀峰1,王小軍2,3

(1.南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇 南京 211816；2.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210029；3.水利部應(yīng)對氣候變化研究中心,江蘇 南京 210029)

運(yùn)用FLUENT建立空冷塔模型進(jìn)行數(shù)值模擬,研究不同出口溫度、環(huán)境溫度和側(cè)風(fēng)速度下空冷塔與大氣環(huán)境之間的傳熱.結(jié)果表明:不同出口溫度及環(huán)境溫度對空冷塔與大氣環(huán)境間的換熱有顯著影響.其中,當(dāng)出口溫度升高到328K時(shí),空冷塔近地面層空氣溫度上升6.22K,而其相對濕度由47.7%降至31.78%,空氣干燥程度增大;隨著環(huán)境溫度與排氣溫度間溫差增大,換熱效果更為顯著,表現(xiàn)為冬季空氣干燥程度變化最大,春秋次之,夏季最小.不同環(huán)境風(fēng)速對空冷塔與大氣環(huán)境間換熱區(qū)域影響顯著,其中,當(dāng)側(cè)風(fēng)風(fēng)速為7m/s時(shí),熱交換影響區(qū)域可達(dá)11.17km,且空冷塔近處相對濕度由47.7%降至39.47%.

空冷塔；對流換熱；數(shù)值模擬；氣候變化

發(fā)電廠空冷技術(shù)始于1930年末的德國,在20世紀(jì)中期廣泛應(yīng)用.自1980年后,由于水資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)的需要,眾多國家都進(jìn)一步發(fā)展空冷技術(shù)[1].我國資源分布不均,西北地區(qū)煤炭豐富,但水資源極為稀缺.為滿足電力開發(fā)需要,西北地區(qū)大多數(shù)火電廠采用空冷技術(shù).由于大型空冷系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,排放大量熱量,嚴(yán)重影響局部地區(qū)氣候.高鳳嬌等[2]指出火電廠的熱量釋放對當(dāng)?shù)貧鉁厣仙酗@著影響,夏季最強(qiáng),春秋季次之,冬季最弱.空冷塔放熱已嚴(yán)重影響到近地面層的生態(tài)環(huán)境,因此,開展空冷塔與大氣間換熱相關(guān)研究十分迫切.

近年來,受益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速進(jìn)步,傳熱領(lǐng)域逐漸開始引入數(shù)值模擬.早在二十世紀(jì)70年代,眾多國內(nèi)外學(xué)者利用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行數(shù)值模擬研究自然通風(fēng)空冷塔[3-7].Valéry等[8]利用風(fēng)洞試驗(yàn),以冬、春兩季作量化對照來研究空冷塔.數(shù)值模擬結(jié)果不僅可以模擬其羽流擴(kuò)散規(guī)律,還能在不同風(fēng)速情況下任意改變其狀態(tài).田松峰等[9]對2×300MW機(jī)組SCAL型間接空冷塔內(nèi)外進(jìn)行三維數(shù)值模擬,研究了在夏季高溫條件下側(cè)風(fēng)風(fēng)速對其運(yùn)行性能的影響.楊璐[10]使用FLUENT對煙塔合一技術(shù)煙氣排放進(jìn)行數(shù)值模擬并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)性分析.王炫等[11]采用SACTI對彭澤核電站冷卻塔的環(huán)境影響進(jìn)行了模擬計(jì)算,為核電廠環(huán)境影響評價(jià)提供重要參考依據(jù).靳超然[12]使用FLUENT模擬在不同側(cè)風(fēng)風(fēng)速、氣溫層結(jié)下,空冷島附近流場及溫度場的分布情況,得到邊界層內(nèi)速度、湍流能、溫度等參數(shù)的變化特征.但研究重點(diǎn)多是針對空冷塔內(nèi)外流場的研究,對于空冷塔對大氣環(huán)境影響研究較少.李非等[13]證實(shí)了空冷島對溫度的影響范圍主要集中在100m高度以下,隨著高度的增加,影響逐漸減弱.因此,本研究是國內(nèi)首次針對空冷塔對大氣環(huán)境的影響開展研究.在大氣環(huán)境中,空冷塔排放的熱量傳遞到大氣中.因熱氣流的存在,改變了大氣的最初溫度,進(jìn)而影響近地面層生態(tài)環(huán)境.空冷塔排氣溫度上升,近地面層的環(huán)境溫度也隨之上升,進(jìn)而導(dǎo)致土壤與大氣之間的熱質(zhì)交換加劇,從而減弱土壤的保濕能力.土壤保濕能力的減弱可能是導(dǎo)致土壤沙化的一個(gè)重要原因,對于生態(tài)環(huán)境脆弱的地區(qū),這種影響更加顯著.除此之外,大氣環(huán)境側(cè)風(fēng)風(fēng)速及環(huán)境溫度顯著地影響熱氣流與大氣環(huán)境換熱的影響區(qū)域和程度.因此,出口溫度、環(huán)境溫度及側(cè)風(fēng)風(fēng)速需要特別關(guān)注.

空冷塔與大氣環(huán)境間換熱的分析研究不僅可以得出空冷塔周圍大氣環(huán)境溫度、相對濕度分布及變化趨勢,還為改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境提供理論基礎(chǔ),具有重要的學(xué)術(shù)意義.本文通過數(shù)值模擬的方法研究了不同出口溫度、環(huán)境溫度和側(cè)風(fēng)風(fēng)速下空冷塔與大氣環(huán)境換熱的影響區(qū)域和溫度、相對濕度分布情況.

1 數(shù)值分析方法

1.1 幾何模型

圖1 幾何模型

為距離地面的高度;為與空冷塔間的距離;為環(huán)境風(fēng)速及風(fēng)向

以自然通風(fēng)空冷塔為例,研究空冷塔排出的熱氣流在不同條件下對周圍大氣溫度變化的影響.由于計(jì)算域達(dá)千米級,無法使用計(jì)算機(jī)對空冷塔進(jìn)行完全模擬,在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下簡化空冷塔幾何模型,將空冷塔相關(guān)參數(shù)進(jìn)行概化,其中塔高為200m,塔底直徑為170m,出口直徑為110m,喉部高度為150m,直徑為90m.空冷塔數(shù)值模擬幾何模型如圖1.

1.2 數(shù)值方法

邊界條件:進(jìn)風(fēng)邊界是速度進(jìn)口,頂部和出口是壓力出口,空冷塔出口是速度出口,其他邊界均設(shè)為壁面邊界,且忽略其對熱交換的影響,僅考慮其對空氣流動(dòng)產(chǎn)生的影響.

1.3 資料分析

中國的陜北大致包括延安市中北部和榆林市,蘊(yùn)藏著豐富的煤炭資源,是我國的重要能源基地,火力發(fā)電廠眾多.然而,其地理環(huán)境非常惡劣,北陲廣闊沙漠,南鄰山峁溝壑,處于黃土高原向內(nèi)蒙荒漠草原過渡的邊緣地帶,生態(tài)環(huán)境極其脆弱.隨著陜北能源化工基地能源的大規(guī)模開發(fā),能源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境脆弱的矛盾十分突出.因此,本文擬以陜北地區(qū)為例,考察其眾多火力發(fā)電廠在用空冷塔對大氣環(huán)境的影響.

根據(jù)其2011~2017年氣象統(tǒng)計(jì)報(bào)告,設(shè)置計(jì)算條件:春季和秋季平均最高溫度為291K,平均最低溫度為278K,相對濕度為52.1%;夏季平均最高溫度為301K,平均最低溫度為289K,相對濕度為47.7%;冬季平均最高溫度為275K,平均最低溫度為263K,相對濕度為63.0%;環(huán)境側(cè)風(fēng)風(fēng)速為1,3,5,7m/s;空冷塔出口溫度為318,323,328K.

1.4 相對濕度計(jì)算

濕空氣是由干空氣和水蒸汽混合而成.在濕空氣中,水蒸汽的含量雖少,但在研究氣候變化時(shí),濕空氣中水蒸汽含量變化對其影響顯著.自然通風(fēng)冷卻塔以空氣作為冷卻介質(zhì),在運(yùn)行過程中,僅存在傳熱過程且其水蒸汽含量變化較小,故主要研究因熱交換空氣溫度及相對濕度的變化.

濕度是濕空氣中水氣的質(zhì)量與絕干空氣的質(zhì)量的比值[18].即

相對濕度是表征空氣狀態(tài)的重要參數(shù),它直接反映了濕空氣的吸濕能力.在一定的總壓下,相同溫度的濕空氣中水蒸汽分壓p與濕空氣飽和蒸氣壓p之比.即

由式(1)、(2)、(3)可知得:

計(jì)算相對濕度的過程中,不同溫度下濕空氣的飽和蒸氣壓s是一重要參數(shù).在工程計(jì)算中,一般可通過查表法獲得此參數(shù),但這種方法往往是幾個(gè)孤立的溫度點(diǎn)的值,其精度往往不能滿足要求,故本文選用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算各個(gè)溫度下的飽和蒸氣壓.本文計(jì)算溫度范圍為275~328K,故使用文獻(xiàn)[19-20]中的計(jì)算公式:

式中:

將濕空氣當(dāng)作理想氣體是濕空氣狀態(tài)參數(shù)計(jì)算理論的前提.根據(jù)文獻(xiàn)[21-22]的論述,濕空氣狀態(tài)參數(shù)的精確計(jì)算,選取濕空氣飽和水蒸汽壓計(jì)算公式是關(guān)鍵.同時(shí),在計(jì)算公式時(shí)使用的各個(gè)常數(shù)值得差異也將導(dǎo)致計(jì)算偏差.經(jīng)式(6)計(jì)算在273~ 473K范圍內(nèi)的相對誤差的最大值為1.235%,相對誤差的絕對值得平均值為0.293.計(jì)算結(jié)果精度高,滿足要求[23].

2 結(jié)果與討論

2.1 出口溫度對熱交換的影響

當(dāng)環(huán)境條件恒定時(shí),空冷塔排出熱氣流的溫度對環(huán)境有顯著影響.由圖2可知,隨熱氣流溫度的上升,近地面層的溫度也隨之上升;尤其在空冷塔近處,近地面處空氣溫度顯著升高,這是由于出口溫度升高,使熱氣流與大氣間的熱交換量增加.空冷塔排氣溫度升高到328K時(shí),空冷塔近處近地面層空氣溫度上升6.22K,影響區(qū)域內(nèi)環(huán)境空氣溫度顯著升高.

圖2 H=50m處熱氣流溫度對換熱的影響

空冷塔出口溫度318,323,328K;環(huán)境溫度301K;側(cè)風(fēng)風(fēng)速3m/s;距地面距離=50m

2.2 側(cè)風(fēng)風(fēng)速對熱交換的影響

當(dāng)環(huán)境溫度恒定時(shí),側(cè)風(fēng)風(fēng)速的變化顯著影響熱氣流與大氣間熱交換,這是由于側(cè)風(fēng)風(fēng)速的增加,使大氣的湍流強(qiáng)度增加,強(qiáng)化了熱氣流與大氣間的換熱.隨側(cè)風(fēng)風(fēng)速的增大,空冷塔排出熱氣流與大氣環(huán)境換熱越接近地面;其熱影響區(qū)域就越遠(yuǎn).計(jì)算模擬結(jié)果如圖3.

從圖4中能夠得到,側(cè)風(fēng)風(fēng)速越大,空冷塔排出熱氣流對近地面層影響區(qū)域就越大.側(cè)風(fēng)風(fēng)速是7m/s時(shí),空冷塔排出熱氣流影響區(qū)域可達(dá)11.17km.風(fēng)速越大,空冷塔近處的溫度就越低,在=50m處,側(cè)風(fēng)風(fēng)速為1m/s時(shí),空冷塔近處最高溫度為307.3K;側(cè)風(fēng)風(fēng)速為7m/s時(shí),空冷塔近處最高溫度為304.22K.

圖4 H=50m處不同側(cè)風(fēng)風(fēng)速下溫度分布

側(cè)風(fēng)風(fēng)速1,3,5,7m/s;環(huán)境溫度301K;空冷塔出口溫度318K;距地面距離=50m

2.3 環(huán)境溫度對熱交換的影響

空冷塔排出熱氣流溫度恒定,隨著環(huán)境溫度與排氣溫度間溫差增大,對近地面處的影響就越大,主要表現(xiàn)為相同側(cè)風(fēng)風(fēng)速條件下,冬季時(shí)環(huán)境溫度較低,近地面層溫度變化較大,其次是春秋季,夏季最小.這是由于在一定溫差范圍內(nèi),提高傳熱溫差能夠增加傳熱系數(shù),熱氣流出口溫度與冬季環(huán)境溫度相差較大,其換熱效果較為明顯.計(jì)算模擬結(jié)果如圖5.

圖5 H=50m處不同環(huán)境溫度下的大氣溫度分布

環(huán)境溫度275,291,301K;側(cè)風(fēng)風(fēng)速3m/s;空冷塔出口溫度318K;距地面距離=50m

從圖5中能夠得到,在側(cè)風(fēng)風(fēng)速和出口溫度相同時(shí),冬季環(huán)境溫度較低,與排氣溫度間的溫差較大,其換熱效果較為明顯,環(huán)境溫度顯著上升.而夏季環(huán)境溫度較高,與熱氣流出口間的溫差較小,環(huán)境溫度上升幅度小.

2.4 出口溫度對環(huán)境相對濕度的影響

當(dāng)環(huán)境條件恒定時(shí),空冷塔排出熱氣流的溫度對環(huán)境相對濕度有顯著影響.從圖6中能夠得到,在同一大氣壓下,隨熱氣流溫度上升,近地面層的溫度隨之上升,空氣的飽和蒸氣壓增大,空氣水蒸汽含量穩(wěn)定,相對濕度降低,空氣變干;尤其距離空冷塔近處,近地面處空氣相對濕度顯著降低,這是由于出口溫度升高,使熱氣流與大氣間的熱交換量增加[24].空冷塔熱氣流出口溫度升高時(shí),空冷塔近處近地面層相對濕度明顯降低;當(dāng)升高到328K時(shí),空冷塔近處近地面層空氣相對濕度降低至31.78%,影響區(qū)域內(nèi)環(huán)境相對濕度顯著降低,空氣干燥程度增大.

圖6 H=50m處熱氣流溫度對環(huán)境相對濕度的影響

空冷塔出口溫度318,323,328K;環(huán)境溫度301K;側(cè)風(fēng)風(fēng)速3m/s;距地面距離=50m

2.5 側(cè)風(fēng)風(fēng)速對環(huán)境相對濕度的影響

當(dāng)環(huán)境溫度恒定時(shí),側(cè)風(fēng)風(fēng)速的變化顯著影響環(huán)境相對濕度,這是由于側(cè)風(fēng)風(fēng)速的增加,使大氣的湍流強(qiáng)度增加,強(qiáng)化熱氣流與大氣間的換熱,環(huán)境溫度升高,空氣的飽和蒸氣壓增加,空氣水蒸汽含量穩(wěn)定,相對濕度降低[25].隨側(cè)風(fēng)風(fēng)速的增大,空冷塔排出熱氣流與大氣環(huán)境換熱越接近地面,其熱影響區(qū)域就越遠(yuǎn).計(jì)算結(jié)果如圖7.

從圖8中能夠得到,風(fēng)速越小,空冷塔附近的環(huán)境溫度就越高,相對濕度下降程度越大,在=50m處,側(cè)風(fēng)風(fēng)速為1m/s,其附近相對濕度降至35.67%;側(cè)風(fēng)風(fēng)速為7m/s,其附近的空氣相對濕度降至39.47%.

圖8 H=50m處不同側(cè)風(fēng)風(fēng)速對環(huán)境相對濕度的影響

側(cè)風(fēng)風(fēng)速1,3,5,7m/s;環(huán)境溫度301K;空冷塔出口溫度318K;距地面距離=50m

2.6 環(huán)境溫度對環(huán)境相對濕度的影響

空冷塔排出熱氣流溫度恒定,隨著環(huán)境溫度與排氣溫度間溫差增大,對近地面處的影響就越大,主要表現(xiàn)為相同側(cè)風(fēng)風(fēng)速條件下,冬季時(shí)環(huán)境溫度較低,近地面層相對濕度降低幅度較大,其次是春秋季,夏季最小.這是由于在一定溫差范圍內(nèi),提高傳熱溫差能夠增加傳熱系數(shù),熱氣流出口溫度與冬季環(huán)境溫度相差較大,其換熱效果較為明顯,水蒸汽含量穩(wěn)定時(shí),相對濕度顯著降低[26].計(jì)算結(jié)果如圖9.

從圖9中能夠得到,在側(cè)風(fēng)風(fēng)速和出口溫度相同時(shí),冬季環(huán)境溫度較低,與排氣溫度間溫差較大,熱交換效果更明顯,環(huán)境溫度顯著上升,環(huán)境相對濕度變化大,空氣明顯干燥.而夏季環(huán)境溫度較高,與熱氣流出口間的溫差較小,環(huán)境溫度上升幅度小,空氣相對濕度受影響程度相對較小.

圖9 H=50m處不同環(huán)境溫度下的環(huán)境相對濕度分布

環(huán)境溫度275,291,301K;側(cè)風(fēng)風(fēng)速3m/s;空冷塔出口溫度318K;距地面距離=50m

受空冷塔簡化模型的限制,本文對于流場受周圍建筑物的影響及園區(qū)內(nèi)其他熱源的影響均未考慮,今后仍需進(jìn)入深入研究及驗(yàn)證.

3 結(jié)論

3.1 當(dāng)環(huán)境條件恒定時(shí),空冷塔排出熱氣流的溫度對環(huán)境溫度、相對濕度影響顯著.空冷塔熱氣流出口溫度升高到328K時(shí),空冷塔近處近地面層空氣溫度上升6.22K,其空氣相對濕度降低至31.78%,影響區(qū)域內(nèi)環(huán)境相對濕度顯著降低,空氣干燥程度增大.

3.2 隨側(cè)風(fēng)風(fēng)速的變大,空冷塔排出熱氣流與近地面層間換熱越接近地面;其熱影響區(qū)域越廣.側(cè)風(fēng)風(fēng)速為7m/s時(shí),熱交換影響區(qū)域可至11.17km,空冷塔近處相對濕度降至39.47%.

3.3 隨著環(huán)境溫度與出口溫度間溫差的增大,對近地面處的溫度、相對濕度變化影響越大.表現(xiàn)為冬季空氣干燥程度變化最大,春秋次之,夏季最小.

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Numerical simulation of influence of air cooling tower on atmospheric environment temperature and humidity.

CHEN Hou-jiang1, LIAO Chuan-hua1*, WANG Yin-feng1, WANG Xiao-jun2,3

(1.School of Mechanical and Power Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 211816, China；2.State Key Laboratory of Hydrology, Water Resources and Hydraulic Engineering, Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China；3.Research Center for Climate Change of Ministry of Water Resources, Nanjing 210029, China)., 2019,39(12)：4959~4965

An air cooling tower model was developed with FLUENT tosimulate the heat transfer between air cooling tower and ambient atmospheric environment under different outlet temperature, ambient temperature, and crosswind velocity. The results showed that both outlet temperature and ambient temperature have significant effects in the heat transfer process.When the outlet temperature rose to 328K, the air temperature near the air cooling tower rose by 6.22K, its relative humidity decreased from 47.7% to 31.78%, and the degree of air dryness increased; Meanwhile, the heat transfer effect was enhanced with the increase of the temperature difference between the ambient and the exhaust gas, e.g. the air dryness in winter was the highest, followed by spring and autumn, and the lowest in summer. In addition, the crosswind velocity showed a significant effect on the heat transfer area. When thecrosswind velocity was 7m/s, the heat exchange affected area can reach 11.17km, and the relative humidity of the air cooling tower was reduced from 47.7% to 39.47%.

air cooling tower；convective heat transfer；numerical simulation；climate change

X16

A

1000-6923(2019)12-4959-07

陳厚江(1995-),男,河南商丘人,南京工業(yè)大學(xué)研究生,研究方向?yàn)閭髻|(zhì)傳熱方面的研究.

2019-05-05

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51309155);中國工程院重大咨詢項(xiàng)目專題資助(2016-ZD-08-05-02)

* 責(zé)任作者, 教授, lch@njtech.edu.cn