自然通風(fēng)濕式冷卻塔填料性能優(yōu)化理論研究綜述

劉思宇，關(guān)多嬌

（沈陽工程學(xué)院 能源與動力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

冷卻塔作為火電廠中不可或缺的制冷散熱設(shè)施，其冷卻效率對發(fā)電廠的發(fā)電效率影響頗深。因此，對冷卻塔熱力計算模型、數(shù)學(xué)模型、淋水填料區(qū)熱力阻力特性以及填料區(qū)結(jié)構(gòu)形式和布置方式等開展相關(guān)研究具有重要意義，具體原因如下：

1）火電廠節(jié)能優(yōu)化的核心工作主要分布在汽輪機、鍋爐及發(fā)電機上，而對冷卻塔的優(yōu)化改造是明顯不足的。

2）系統(tǒng)中循環(huán)水溫度深受冷卻效果的影響，冷卻塔出塔水溫與發(fā)電機組安全性的關(guān)系如圖1 所示［1］，冷卻塔出塔水溫與發(fā)電機組經(jīng)濟性的關(guān)系如表1所示［2］。

圖1 冷卻塔出塔水溫與發(fā)電機組安全性的關(guān)系

表1 冷卻塔出塔水溫每降低1 ℃發(fā)電機組各參數(shù)變化情況

3）在不考慮環(huán)境自然風(fēng)時，配水區(qū)、填料區(qū)和雨區(qū)的冷卻負荷比例為1:7:2，由此可見填料區(qū)是最關(guān)鍵的傳熱傳質(zhì)區(qū)。

4）對冷卻塔的冷卻效果構(gòu)成影響的主要原因還包括冷卻塔的規(guī)模，填料區(qū)中心的空氣及冷卻塔半徑方向上的熱力分布。

1 冷卻塔熱力計算模型

1.1 假設(shè)Lewis因子為1的Merkel模型

文獻［3］初次推算了冷卻塔內(nèi)氣-水兩相間的傳熱傳質(zhì)過程的原始方程，其前提條件是忽略對流傳質(zhì)過程中的循環(huán)水蒸發(fā)損失量：

1）假設(shè)Lewis因子等于1；

2）假設(shè)從塔內(nèi)排出的是飽和空氣。

根據(jù)能量守恒方程，定義驅(qū)動力為溫差和含濕量合并產(chǎn)生的焓差，并以此推進氣-水間傳遞熱質(zhì)的過程，從而以循環(huán)水溫和空氣焓值建立了Merkel模型［4］：

1.2 空氣焓值和含濕量關(guān)于水溫變化的Poppe模型

在對冷卻塔的整體性能進行宏觀分析時，對流傳質(zhì)時的水分蒸發(fā)損失是不容忽視的一部分。文獻［5］在分析過程中采用Bosnjakovic 關(guān)聯(lián)式［6］，對Lewis 因子進行定義、整合、計算，在模型中引入常微分方程，以此組成Poppe 模型，并使用該模型對出塔空氣狀態(tài)參數(shù)（溫度和濕度）進行了精準預(yù)測。在應(yīng)用Poppe 模型時，主要以區(qū)域內(nèi)空氣的飽和程度來界定采用何種控制方程，主要分為以下兩類：

1）當(dāng)填料區(qū)內(nèi)濕空氣未達到飽和值時，采用的控制方程為

2）當(dāng)填料區(qū)內(nèi)濕空氣過飽和時，采用的控制方程為

式中，wsw為飽和空氣含濕量；w為濕空氣平均含濕量；mw為水的流量；ma為空氣流量；wsa為空氣溫度對應(yīng)的飽和空氣含濕量。

1.3 基于Merkel理論的e-NTU模型

基于與Merkel 模型完全相同的兩種假設(shè)，并在分析時同樣不將對流傳質(zhì)過程中的循環(huán)水蒸發(fā)損失量納入研究范圍。文獻［7-8］在冷卻塔性能分析中引入換熱器理論中的換熱量與換熱面積的比值（e）和單位時間內(nèi)換熱能力參數(shù)（NTU）概念，在此基礎(chǔ)上建立了e-NTU 模型。文獻［9-10］假設(shè)飽和空氣焓與溫度關(guān)系可以用一次函數(shù)來表示，在e-NTU 算法的基礎(chǔ)上得到了水和空氣溫度的解析解，指出忽略蒸發(fā)所引起的水流量的減少。

2 冷卻塔數(shù)學(xué)模型

2.1 一維計算模型

濕式冷卻塔的一維模型在分析計算傳熱傳質(zhì)以及氣-水運動過程時只把垂直方向納入考慮范圍。文獻［11-12］提到了一維數(shù)值模型在早期濕式冷卻塔的相關(guān)計算中被采用，國內(nèi)相關(guān)科學(xué)研究院繪制的冷卻塔計算步驟均為一維模型。一維模型的優(yōu)點是研究了傳熱傳質(zhì)及氣-水在豎直方向的運動過程，精簡了計算過程；缺點是這類計算模型的精確度不高。

2.2 二維計算模型

在構(gòu)建二維計算模型時，需要將塔內(nèi)的空氣流場假設(shè)為二維平面且軸對稱的結(jié)構(gòu)，同時將塔內(nèi)傳熱傳質(zhì)及氣-水運動過程在水平和垂直方向上的運動軌跡作為變量，繼而分析半徑方向的變量，綜合考慮雨區(qū)及配水區(qū)的換熱量?；趀-NTU 模型，分別對NTU 和e的定義進行了修正，并在分析冷卻性能過程中采用修正后的二維數(shù)值計算方法［13-14］。然而，在將水滴形狀的影響納入考慮范圍之后，著重分析了基于二維計算模型的空氣速度場、濕度場和壓力場等分布情況［15-16］。

但未對流場在圓周方向分布的規(guī)律進行研究是二維計算模型的缺點。

2.3 三維計算模型

三維計算模型對塔內(nèi)各區(qū)域熱力與阻力特性進行了更加細致的研究，并將環(huán)境側(cè)風(fēng)條件納入考慮范圍。文獻［17］采用了k-ε標準湍流模型，同時忽略填料區(qū)內(nèi)的液膜流動，并用水滴流動等量替換，進而構(gòu)建了自然通風(fēng)冷卻塔的三維模型。

在CFD 軟件平臺上以兩相流理論為基礎(chǔ)，建立三維數(shù)值計算模型，著重對填料區(qū)中的氣液兩相熱質(zhì)傳遞過程進行更多的研究［18-19］。文獻［20-23］采用Poppe 理論的數(shù)學(xué)模型對填料區(qū)進行模擬，并在配水區(qū)和雨區(qū)的研究中引入DPM 離散相模型，逐步構(gòu)建針對冷卻塔的三維數(shù)值計算模型。為了對塔內(nèi)空氣動力場以及熱力阻力特性有更加精準的分析，文獻［24-26］對填料放置形式、環(huán)境側(cè)風(fēng)和塔內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)等方面進行了重點研究。

連續(xù)相運動控制方程［24］為

離散相控制方程［24］為

為了精簡計算步驟，可以做如下假設(shè)：

1）假設(shè)TS=TW，即飽和空氣膜的溫度等于水溫，且覆蓋在填料區(qū)水膜的上層，由此可知該飽和空氣膜中的濕空氣的相對濕度為1.0，如圖2 所示；定義傳熱傳質(zhì)驅(qū)動力為飽和空氣膜中的飽和含濕量fs、飽和焓值hs與外界濕空氣的含濕量fG、焓值hG存在的差值。

圖2 飽和空氣膜傳熱

2）假設(shè)此時的含濕量與焓值在等水溫條件下均處于相對恒定。

3）假設(shè)

式中，qcontact為接觸熱值；qevapor為蒸發(fā)熱值；Q為水排向大氣的總熱值。

4）假設(shè)

式中，Le為劉易斯數(shù)；Kb為傳質(zhì)系數(shù)；Ka?C為傳熱系數(shù)。

3 冷卻塔填料區(qū)熱力阻力特性

3.1 填料整體熱力性能

文獻［27］定義了基礎(chǔ)公式Runge-Kutta 方程，并將該方程應(yīng)用于建立濕式冷卻塔填料區(qū)的氣-水間熱質(zhì)傳遞模型中，進而構(gòu)建逆流濕式冷卻塔中的傳熱傳質(zhì)過程的理論基礎(chǔ)并加以研究。文獻［28-29］為了分析仿真填料區(qū)的傳熱傳質(zhì)的具體精準過程，詳細研究了Poppe 模型的適用場景，發(fā)現(xiàn)其適合應(yīng)用在填料區(qū)傳熱傳遞過程的計算中，因此建立了二維數(shù)值計算模型。

3.2 填料熱力阻力計算模型

在進行濕式冷卻塔內(nèi)填料壓力損失系數(shù)的計算時，尚存在計算精度不高的缺陷。文獻［30-31］優(yōu)化了計算模型，調(diào)整了一部分經(jīng)驗公式，并通過試驗對上述工作的可行性進行了驗證。

1）填料區(qū)傳質(zhì)計算模型［30］

在填料區(qū)，濕空氣和循環(huán)水之間的傳質(zhì)速率為

質(zhì)量源項的計算式為

式中，Ka為每立方米內(nèi)的傳質(zhì)系數(shù)，Ka=KAv；Av是水和空氣之間的總接觸面積與每立方米的比值。

填料區(qū)傳質(zhì)系數(shù)Ka的關(guān)聯(lián)式為

式中，b、x、y為試驗系數(shù)；q為淋水密度；ga為塔內(nèi)空氣質(zhì)量流速。

2）填料區(qū)傳熱計算模型［30］

由圖2可知，總傳熱量為

在接觸時的傳熱量為

在蒸發(fā)時的傳熱量為

因此，循環(huán)水的能量源項Swe的計算公式為

式中，Kh為每立方米對流傳熱系數(shù)，Kh=Avα。

濕空氣的能量源項（不受外部溫度影響）為

式中，cv為飽和水蒸氣的比熱。

3）填料區(qū)阻力計算模型［24］

空氣在填料區(qū)流動過程中受到的阻力可轉(zhuǎn)化為壓力減小的過程：

空氣流經(jīng)填料區(qū)產(chǎn)生的壓降與填料布置高度的比值可表示為每立方米濕空氣的Z向運動阻力Fz：

式中，Hf為填料的布置高度。

4 填料區(qū)結(jié)構(gòu)形式與布置方式對熱力性能的影響

4.1 結(jié)構(gòu)形式

冷卻水在填料中發(fā)生的熱質(zhì)交換過程被眾多因素所約束。其中，最為主要的因素為冷卻水以何種方式流動以及其在各區(qū)域的占比狀況。

1）點滴式淋水填料

點滴式填料如圖3 所示。冷卻水是逐層落入填料的，在這段時間內(nèi)冷卻水由較大的水珠飛濺為細小的水珠，而這些水珠會把熱量傳遞給空氣［31］。

圖3 點滴填料常見形式

2）薄膜式淋水填料

薄膜式填料如圖4 所示。冷卻水轉(zhuǎn)變?yōu)樗顟B(tài)存在于填料片上，并受重力作用沿其左右兩側(cè)緩緩流下。填料薄片表面均呈坑洼不平坦狀［32］。

圖4 薄膜填料

3）點滴薄膜式淋水填料

點滴薄膜式淋水填料主要分為2 類：一類通過交叉錯雜的方式將多層方格或六邊管狀填料累積起來；另一類將模板填料制作呈網(wǎng)格狀，主要材質(zhì)包括水泥、塑料等［32］，如圖5所示。

圖5 點滴薄膜填料

3種形式填料的優(yōu)缺點如表2所示。

表2 3種形式填料的優(yōu)缺點

4.2 布置方式

目前，冷卻塔性能改造的側(cè)重點主要在于填料布置的優(yōu)化。工業(yè)上一般將填料均勻布置在冷卻塔的填料層上，然而相關(guān)學(xué)者通過研究證明了均勻布置方式并不能使冷卻塔的冷卻效果達到最佳。文獻［33］指出，相較于塔心區(qū)域，填料塔壁側(cè)將循環(huán)水冷卻的能力更顯著。文獻［34］細致地對比了兩種填料布置方式，證實了填料總體積的大小對冷卻塔出塔水溫有著很大的影響，基本呈反比趨勢。文獻［35］將均勻配風(fēng)作為前提條件，指出將填料和配水進行協(xié)同優(yōu)化可使出塔水溫得到一定程度的降低。文獻［36］在有無自然風(fēng)的條件下進行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明：無論與行進方向有正交分量的自然風(fēng)是否存在，冷卻塔的冷卻性能均可通過填料不等高布置獲得不同程度的優(yōu)化。

然而，由于填料不等高布置存在循環(huán)水泵揚程過大、噴濺不均勻等缺點，越來越多的實際應(yīng)用采用了填料不等間距布置。文獻［37］將填料區(qū)分為內(nèi)外兩區(qū)，布置非等片距填料，數(shù)值模擬實驗結(jié)果表明：外圍填料間距與濕空氣密度呈正比，與填料外圍的空氣阻力、氣-水傳熱面積呈反比，即降低間距會使空氣阻力和氣-水傳熱面積增大，使?jié)窨諝饷芏葴p小，進而降低空氣流速，達到增加塔內(nèi)抽力的目的。

目前，針對冷卻塔填料區(qū)的非均勻布置，主要采用的方式是沿徑向?qū)⑻盍蠀^(qū)分為內(nèi)外兩區(qū)，在內(nèi)外兩區(qū)布置不同間距的填料，以達到減小塔中心區(qū)域填料通風(fēng)阻力，增強外圍填料換熱能力的目的。然而，對填料區(qū)其他分區(qū)數(shù)目的相關(guān)研究較為欠缺，且細化分區(qū)數(shù)目是未來填料區(qū)冷卻性能優(yōu)化研究不可忽略的一部分。因此，細化填料區(qū)分區(qū)數(shù)目對冷卻塔冷卻性能的改善具有一定的理論意義。

5 結(jié)語

當(dāng)前，能源需求的快速增長與生態(tài)環(huán)境的持續(xù)惡化使得節(jié)能減排的工作尤為重要。冷卻塔是一種覆蓋面非常廣的工業(yè)循環(huán)熱設(shè)備。本文根據(jù)現(xiàn)階段國內(nèi)外的研究情況，對冷卻塔熱力計算模型以及數(shù)學(xué)模型進行了詳細地分析闡述，對冷卻塔填料區(qū)熱力阻力特性以及結(jié)構(gòu)形式和布置方式進行了綜述，并指出在填料區(qū)熱力性能領(lǐng)域尚未解決的問題和布置方式的研究方向，對從事冷卻塔性能改造研究具有一定的意義。