干濕聯(lián)合機力塔換熱管束數(shù)值分析

劉學，邵青，寶志堅

（華電重工股份有限公司，北京 100070；2.中國電力工程有限公司，北京 100048；3.華北電力大學，北京 102206）

為了有效消除白霧影響，對濕式冷卻塔進行消霧設計，減少冷卻塔出塔霧雨可見性。機力塔消霧主要有加熱型、冷凝型及加熱混合型三種技術。本文主要介紹加熱混合型消霧技術，該消霧塔一般采用干式聯(lián)合方式布置，在位于濕冷塔的除水器上面濕冷塔的兩側布置干段換熱器，利用進塔熱水和冷空氣進行熱交換后的干熱空氣進入塔內(nèi)氣室區(qū)，在這里和冷卻塔下面上升的熱飽和空氣混合，降低了冷卻塔的出塔熱空氣濕度，從而在塔外冷凝時不會產(chǎn)生白霧。

1 物理及計算模型

1.1 物理模型

換熱器由不銹鋼管軋制鋁翅片制成的表面式翅片管加工制成，熱的循環(huán)冷卻水在管內(nèi)流動，冷卻空氣在翅片間流動，通過塔頂軸流風機抽吸作用，使經(jīng)過表面式換熱器的冷空氣得到加熱，并冷卻了循環(huán)水，降低空氣的相對濕度，為在塔內(nèi)氣室混合熱飽和空氣提供了低濕度的空氣量。

計算物理模型假定：所有翅片間的空氣流道是均勻的，由于所有基管的中心間距都相同，所有翅片的間距也相同，因此，模型的幾何結構是具有對稱性和周期性特點，數(shù)值計算只需對一列翅片管進行研究即可。

初定四排管寬度為240mm，基管按照等邊三角形布置，通過對基管間距A=58mm、60mm、62mm、64mm、66mm 五個模型不同風速下模擬分析，初步得出消霧塔干段換熱器的翅片管束的最優(yōu)布置方式。

表1 空氣參數(shù)

表2 翅片管參數(shù)

1.2 控制方程及邊界條件

迎面風速在1 ～4m/s 范圍取值，分別對五種不同間距的翅片管模型進行數(shù)值模擬，初步計算冷空氣的雷諾數(shù)約3600 ～16000。認為翅片管模型內(nèi)的流動和換熱為雷諾數(shù)較低的紊流狀態(tài)，因此，數(shù)值模擬過程可以采用紊流模型，使用不可壓縮的空氣流體進行三維穩(wěn)態(tài)計算。數(shù)值計算系統(tǒng)的控制方程如下：

連續(xù)性方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

為簡化計算，除假設空氣流體為不可壓縮氣體之外，忽略重力對傳熱過程和阻力的影響；也不考慮因加工等因素所造成的翅片管變形等影響；由于幾何結構是具有對稱性和周期性特點，模擬區(qū)域只對一列翅片管單元進行三維換熱數(shù)值計算。同時，為使來流均勻及避免出口產(chǎn)生回流，數(shù)值計算區(qū)域進行適當延長，在翅片管入口來流方向延長50mm，出口流出方向延長100mm。數(shù)值計算邊界的條件如下：入口為均勻速度入口邊界，翅片管道的迎面風速為1 ～4m/s，空氣入口溫度為300K；空氣出口為壓力出口，出口空氣直接和環(huán)境大氣相通；整個數(shù)值計算域和基管的上、下平面均設為周期性邊界條件，即上、下界面的速度、溫度、壓力都相等；基管表面為無滑移邊界，管內(nèi)壁面為第一類邊界條件，壁面溫度為333K；基管和翅片的接觸面為耦合計算壁面，計算時采用自身導熱和壁面對流換熱進行耦合計算。

1.3 參數(shù)定義

主要考察翅片管型用于消霧塔干段時空氣側的傳熱性能和流阻性能。

2 數(shù)值求解與結果分析

數(shù)值計算在三維直角坐標中進行，三維不可壓、穩(wěn)態(tài)、湍流流動，動量和能量方程的離散采用二階迎風格式，其中壓力與速度耦合采用SIMPLE 算法，采用六面體和四面體混合的結構化網(wǎng)格劃分，為消除網(wǎng)格數(shù)對模擬結果造成的較大影響，先需要進行網(wǎng)格精度驗證，為保證計算精度，本次計算網(wǎng)格數(shù)量約為124 萬個，整個計算域的網(wǎng)格質量不低于0.95。

2.1 不同翅片間距下翅片流阻和換熱性能分析

2.1.1 翅片流阻的比較

以管束入口速度即迎面風速為2m/s 作為參考工況，分析翅片的阻力特性，即出入口壓降，基于設定的出口相對壓力為0Pa。計算結果表明間距為58mm 的翅片管阻力最大，隨著管間距逐漸變大，阻力逐漸在減小。結果表明間距為58mm的翅片管較間距為66mm 的阻力要高出57.15%左右。

2.1.2 翅片換熱系數(shù)比較

以管束入口速度即迎面風速為2m/s 作為參考工況，分析翅片的換熱特性，即翅片傳熱系數(shù)。翅片間距為58mm 的換熱系數(shù)明顯最大，隨著翅片間距變大，換熱系數(shù)逐漸變小，較翅片間距為66mm 的換熱系數(shù)高出約8.83%。

2.1.3 不同間距翅片管的綜合換熱性能比較

在相同的輸送功率下，比較不同間距翅片管的綜合換熱性能，利用綜合性能評價因子進行換熱性能和阻力性能綜合比較，把基準計算工況作為綜合換熱效果的評價標準，數(shù)值越大，綜合換熱性能越佳。即在相同換熱條件下，傳遞熱量越多。

2.2 迎面風速對翅片管換熱性能的影響

迎面風速是影響換熱器換熱性能的關鍵因素，隨著風速增大換熱系數(shù)逐漸增大。

3 結語

綜上可見，隨著風速增大各翅片管的綜合性能相差變小，風速較小時，間距64mm 的翅片管綜合性能最優(yōu)。對于整體消霧型環(huán)保機力塔，但從干段換熱器的角度考慮，在實際工程風速為1.5 ～3m/s 的條件下，間距為64mm 的翅片管的綜合性能最好。為保證消霧型環(huán)保機力塔的整體性能，需全面考慮干、濕段的換熱及阻力，干段換熱器還需進一步優(yōu)化。