太陽能增強型間接空冷塔流動換熱特性及其受環(huán)境側(cè)風(fēng)的影響機制

摘 要：通過建立太陽能增強型間接空冷塔的三維數(shù)值模型，從塔內(nèi)外流場、溫度場分布以及塔內(nèi)不同高度層空氣溫度、速度的趨勢變化剖析太陽輻射對塔流動換熱的增效作用以及受環(huán)境側(cè)風(fēng)影響后的變化規(guī)律，并與傳統(tǒng)間接空冷塔的性能變化進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明：太陽輻射的引入降低了側(cè)風(fēng)對間接空冷塔流動換熱的不利影響，具體為減弱塔內(nèi)渦流及提升塔側(cè)風(fēng)區(qū)、背風(fēng)區(qū)換熱器的進(jìn)氣與散熱能力。在無風(fēng)和低風(fēng)速下，太陽能增強型間接空冷塔在地面和集熱器附近的空氣速度、溫度均高于傳統(tǒng)間接空冷塔，且地面附近空氣受太陽輻射影響更大，其溫升更高，而中間高度層上空氣溫度會稍小于傳統(tǒng)間接空冷塔；高風(fēng)速下，受塔內(nèi)渦流影響，太陽能增強型間接空冷塔內(nèi)背風(fēng)區(qū)的進(jìn)氣溫度沿徑向呈下降趨勢。側(cè)風(fēng)下太陽能增強型間接空冷塔的通風(fēng)量與散熱量均要高于傳統(tǒng)間接空冷塔，最大分別提升10.5%和5.8%，且其對環(huán)境側(cè)風(fēng)的敏感度要小于傳統(tǒng)間接空冷塔。

關(guān)鍵詞：冷卻塔；太陽能；數(shù)值模擬；側(cè)風(fēng)；通風(fēng)散熱

中圖分類號：TK519" " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

間接空冷技術(shù)是一種成熟的熱力循環(huán)冷卻技術(shù)，因顯著的節(jié)水效應(yīng)在傳統(tǒng)火電機組中得到廣泛應(yīng)用［1］，依賴塔的自然通風(fēng)散熱可避免直接空冷技術(shù)中風(fēng)機設(shè)備的噪聲污染和高昂電耗，在大容量機組中的節(jié)能優(yōu)勢會更明顯。此外，間接空冷尺寸較直接空冷大，其抗環(huán)境擾動的能力也稍強。

隨著新能源發(fā)電的強勢及多元發(fā)展，兼具常規(guī)動力循環(huán)的地?zé)?、太陽能熱發(fā)電技術(shù)也向大容量發(fā)展，以此降低發(fā)電成本，這便導(dǎo)致地?zé)?、太陽能熱發(fā)電技術(shù)與間接空冷技術(shù)越發(fā)契合。澳大利亞昆士蘭地?zé)崮茉醋吭街行臄M在澳大利亞建立一座采用間接空冷技術(shù)的地?zé)岷吞柲軣岚l(fā)電站［2］，并資助了昆士蘭大學(xué)進(jìn)行相關(guān)匹配性及系統(tǒng)特性研究，發(fā)現(xiàn)間接空冷塔冷卻能力對環(huán)境條件變化十分敏感，尤其是在夏季高溫時，散熱量會急劇下降［3-4］。

鄒政等［5］結(jié)合太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)想，提出太陽能增強型間接空冷塔，利用太陽輻射加熱塔內(nèi)氣流，增大塔內(nèi)外空氣溫差以提升浮力來提高空冷塔的通風(fēng)與散熱能力。而后，研究者聚焦于環(huán)境因素對太陽能增強型間接空冷塔冷卻性能的影響，苑立軍等［6］研究了環(huán)境溫度對太陽能增強型間接空冷塔冷卻效率的影響，發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度從283.15 K升高到305.15 K，散熱量減小了45.3%；王秋環(huán)等［7］建立考慮太陽輻射效應(yīng)的離散坐標(biāo)三維數(shù)值模型，研究太陽輻照度和環(huán)境壓力對太陽能增強型間接空冷塔冷卻效率的影響；辛光磊等［8］構(gòu)建小型太陽能增強型空冷塔實驗臺，實驗結(jié)果表明，有太陽輻射時平均換熱率比無太陽輻射時提高16.4%；何鎖盈等［9］又研究了蓄熱層形狀對太陽能增效空冷塔換熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)矩形蓄熱層效果最好，波紋形次之，平面形最差。

除環(huán)境溫度、太陽輻照度和環(huán)境壓力外，側(cè)風(fēng)也是一個重要的影響因素，范皓龍等［10］通過數(shù)值模擬研究側(cè)風(fēng)風(fēng)速對太陽能增強型冷卻塔排熱量的影響，主要對3種典型防風(fēng)裝置及其耦合方式的防風(fēng)效果進(jìn)行評估；徐夢菲等［11］對比分析配置鋸齒形和圓弧形散熱器的太陽能增強型間接空冷塔在不同環(huán)境風(fēng)速下的冷卻性能，發(fā)現(xiàn)配置鋸齒形散熱器的太陽能增強型間接空冷塔性能隨風(fēng)速衰減更小。雖然研究者已關(guān)注到側(cè)風(fēng)對太陽能增強型間接空冷塔內(nèi)外流場、溫度場以及冷卻性能的影響，但鮮有能將太陽輻射對流動換熱的增效作用與所形成的塔內(nèi)不同區(qū)塊、高度層上氣流速度、溫度分布及沿程趨勢變化進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，更缺乏對這種關(guān)聯(lián)關(guān)系受環(huán)境風(fēng)影響的闡述。

因此，本文擬建立太陽能增強型間接空冷塔的三維數(shù)值模型，從塔內(nèi)外流場、溫度場分布以及塔內(nèi)不同高度層空氣溫度、速度的趨勢變化剖析太陽輻射對塔流動換熱的增效作用以及受環(huán)境風(fēng)的影響機制，并與傳統(tǒng)間接空冷塔的性能變化進(jìn)行對比分析，從而為更好地利用太陽能增強型間接空冷塔提供理論基礎(chǔ)。

1 模型計算與分析

1.1 物理模型

太陽能增強型間接空冷塔的塔體采用雙曲線形結(jié)構(gòu)［12］，半透明材質(zhì)的太陽能集熱器在距離地面一定高度處、環(huán)繞塔底安裝，同時在集熱器下方的地面上布置一定厚度的蓄熱層，換熱器沿太陽能集熱器的外邊緣垂直放置，如圖1所示。太陽能增強型間接空冷塔工作過程為空氣首先流經(jīng)換熱器管束與內(nèi)部的循環(huán)水進(jìn)行熱交換，受熱后的空氣密度降低，因而在塔內(nèi)外形成一定的空氣壓差，塔體內(nèi)外壓差推動環(huán)境空氣往塔內(nèi)流動并進(jìn)入塔內(nèi)，而太陽能集熱器和蓄熱層因吸收太陽輻射溫度快速升高，會進(jìn)一步加熱集熱器下方的空氣，使得塔內(nèi)空氣浮力提高，導(dǎo)致流經(jīng)換熱器的空氣量增加，最終空氣沿塔體從塔頂出口流出。

本文研究的太陽能增強型間接空冷塔結(jié)構(gòu)參數(shù)和環(huán)境參數(shù)如表1所示。為得到精確的計算結(jié)果，選取包含間接空冷塔在內(nèi)的圓柱體為數(shù)值計算域，圓柱體的直徑和高度均為空冷塔的5倍。因空冷塔沿風(fēng)向呈軸對稱結(jié)構(gòu)且對稱部分的流動和換熱規(guī)律基本一致，為減小計算負(fù)荷，只建立半塔模型進(jìn)行計算和分析。

1.2 傳熱模型

本文基于穩(wěn)態(tài)分析，揭示太陽輻射與換熱器釋熱雙熱源誘導(dǎo)的自然通風(fēng)作用的強弱關(guān)系及對應(yīng)形成的多物理場分布特征。太陽能增強型間接空冷塔中的熱交換主要存在于換熱器和太陽能集熱器內(nèi)，如圖2所示。

流經(jīng)換熱器的空氣與換熱器內(nèi)水的熱交換可由式（1）描述：

式中：[Qhx]——循環(huán)水通過換熱器傳給空氣的熱量，kW；[ma]——空氣質(zhì)量流量，kg/s；[cpa]——空氣比熱容，J/（kg?K）；[Tao]——離開換熱器的空氣溫度，K；[Tai]——進(jìn)入換熱器的空氣溫度，K；[mw]——水的質(zhì)量流量，kg/s；[cpw]——水比熱容，J/（kg?K）；[Twi]——換熱器進(jìn)水溫度，K；[Two]——換熱器出水溫度，K。

太陽輻射熱量是地面蓄熱層的主要熱量來源，地面蓄熱層吸收太陽輻射后，以導(dǎo)熱向地源深處傳遞熱量、與空氣進(jìn)行對流換熱以及與集熱器進(jìn)行輻射換熱，地面蓄熱層的熱交換可由式（2）表示［13］。

式中：[τc]——集熱器對太陽輻射的穿透比；[αg]——蓄熱地面對太陽輻射的吸收比；[S]——太陽輻照度，W/m2；[Ug]——地面穿透傳熱系數(shù)，W/（m2?K）；[Tgi]——集熱器入口處地面溫度，K；[Tgo]——集熱器出口處地面溫度，K；[Tc]——集熱器表面溫度，K；[Tf]——集熱器內(nèi)氣流平均溫度，K；[Tg]——蓄熱地面地表平均溫度，K；[hg，f]——地面對空氣的對流換熱系數(shù)，W/（m2?K）；[hr，g，c]——地面對集熱器的輻射換熱系數(shù)，W/（m2?K）。

傳入集熱器的熱量為太陽輻射和地面蓄熱層輻射，傳出的熱量為集熱器對空氣的對流換熱以及集熱器對環(huán)境的熱輻射和對流換熱，集熱器的熱交換可由式（3）表示。

式中：[αc]——集熱器對太陽輻射的吸收比；[hc，f]——集熱器對空氣的對流換熱系數(shù)，W/（m2?K）；[Uc]——集熱器對空氣的熱損失系數(shù)，W/（m2?K）。

空氣通過換熱器后進(jìn)入集熱器，以對流形式吸收來自地面蓄熱層及集熱器的熱量，可由式（4）表示。

式中：[Tfi]——集熱器入口空氣溫度，K；[Tfo]——集熱器出口空氣溫度，K；[A]——空氣與壁面的接觸面積，m2。

1.3 邊界條件

1.3.1 計算域入口

有風(fēng)時，計算域入口設(shè)為速度進(jìn)口邊界。不同高度的風(fēng)速可通過冪函數(shù)來求解［14］，即：

式中：[u10]——10 m高度的風(fēng)速，m/s；[z]——高度，m；[m]——與地面粗糙度和大氣穩(wěn)定性有關(guān)的指數(shù)。

1.3.2 換熱器

換熱器區(qū)域存在循環(huán)水與空氣的流動和傳熱，因此換熱器的模擬也分為流動壓降和傳熱特性模擬兩部分，其中換熱器流動壓降的模擬采用多孔介質(zhì)模型［15］，而傳熱特性的模擬采用換熱器邊界模型。換熱器的壓損系數(shù)[k]和對流換熱系數(shù)[h]參考文獻(xiàn)［16］提供的性能參數(shù)。

計算域出口采用壓強出口邊界條件，集熱器上表面、蓄熱層上表面、蓄熱層下表面和塔壁均采用壁面邊界條件。模型中各邊界參數(shù)詳細(xì)設(shè)定如表2所示，其中[Δp]為計算域出口相對壓強，Pa；[εg]為蓄熱層的輻射率。

1.4 網(wǎng)格獨立性及模型驗證

在無側(cè)風(fēng)條件下對空冷塔進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗，檢驗結(jié)果顯示當(dāng)整個計算域內(nèi)網(wǎng)格數(shù)量增加到300萬以上時，模擬結(jié)果基本保持不變，認(rèn)為網(wǎng)格質(zhì)量已滿足無關(guān)性要求。

本文采用SIMPLE算法，湍流選擇Standard k-ε模型，空氣采用不可壓縮理想氣體模型，空氣側(cè)的控制方程與文獻(xiàn)［9］一致，輻射模型采用Discrete Ordinates模型，并假設(shè)太陽輻射垂直照射在集熱器及地面上。太陽能增強型間接空冷塔可近似看作是一個在集熱器入口處有換熱器但在塔底無渦輪的太陽能煙囪［17］。如果在塔底引入壓力階躍邊界條件來表示渦輪的壓力損失，并去除換熱器邊界，那么所建太陽能增強型間接空冷塔模型可通過太陽能煙囪的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。本文使用來自武漢的一個太陽能煙囪實驗臺的實驗數(shù)據(jù)來驗證本文建立的模型［18］。對修改后的太陽能增強型間接空冷塔模型進(jìn)行數(shù)值模擬并與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果如表3所示，數(shù)值模擬的輸出功率比實驗稍高，而模擬數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)的偏差隨太陽輻照度的增加逐漸減小，當(dāng)太陽輻照度為1000 W/m2時，相對誤差僅為0.51%，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好。此外，通過計算得到在進(jìn)塔水溫333.15 K、環(huán)境溫度303.15 K、太陽輻照度1000 W/m2的條件下，太陽能增強型間接空冷塔內(nèi)空氣質(zhì)量流量和散熱量分別為16094 kg/s和141.6 MW，與文獻(xiàn)［16］結(jié)果相比，空氣質(zhì)量流量和散熱量的誤差分別為4.6%和4.0%，誤差在可接受范圍內(nèi)，因此綜合來講本文所建立的數(shù)值計算模型可用于后續(xù)研究。

2 結(jié)果與討論

2.1 空冷塔的溫度云圖和速度云圖

圖3為空冷塔結(jié)構(gòu)的切面示意圖，其中，圖3a為正視圖，圖中線A-A為集熱器內(nèi)距離地面2 m的直線，線B-B為集熱器內(nèi)距離地面7.5 m的直線，線C-C為集熱器內(nèi)距離地面13 m的直線；圖3b為俯視圖，在側(cè)風(fēng)條件下，為了便于分析，按正向來風(fēng)方向?qū)⒖绽渌M(jìn)風(fēng)區(qū)分為不同區(qū)域：0°～60°為迎風(fēng)區(qū)、60°～120°為側(cè)風(fēng)區(qū)、120°～180°為背風(fēng)區(qū)，圖中3條虛線分別表示在迎風(fēng)區(qū)、側(cè)風(fēng)區(qū)和背風(fēng)區(qū)內(nèi)選取的典型徑向線。

圖4為不同側(cè)風(fēng)風(fēng)速下太陽能增強型間接空冷塔與傳統(tǒng)間接空冷塔在[z=7.5] m橫切面上的溫度云圖。

由圖4可看出，無風(fēng)條件下，兩類塔的溫度場基本呈軸對稱分布。不同于傳統(tǒng)間接空冷塔內(nèi)溫度基本不變，太陽能增強型間接空冷塔越靠近中心區(qū)域空氣溫度越高。4 m/s側(cè)風(fēng)風(fēng)速下，兩類塔的溫度均不再呈軸對稱分布，迎風(fēng)區(qū)空氣溫度較低，側(cè)風(fēng)區(qū)和背風(fēng)區(qū)空氣溫度較高。當(dāng)側(cè)風(fēng)風(fēng)速增至12 m/s時，兩類塔的背風(fēng)區(qū)與迎風(fēng)區(qū)空氣溫差不斷升高，高溫區(qū)域也在不斷擴大。此外，在不同側(cè)風(fēng)風(fēng)速下，太陽能增強型間接空冷塔在中心區(qū)域的溫度均高于傳統(tǒng)間接空冷塔，這是因為在太陽能增強型間接空冷塔中，流經(jīng)換熱器后的底部空氣被地面進(jìn)一步加熱溫度升高，在塔體底部匯集后空氣在浮升力作用下向上流動。

由圖5可知，在無風(fēng)條件下，兩類塔的速度場均呈軸對稱分布?？諝鈴耐饨邕M(jìn)入塔內(nèi)，因為流動通道的收縮，空氣流速增大?？諝饬魉僮畲笾党霈F(xiàn)在集熱器與塔體入口的銜接處。在4 m/s的側(cè)風(fēng)風(fēng)速下，兩類塔內(nèi)的流場不再呈軸對稱分布，塔內(nèi)流場在[z=7.5] m平面整體表現(xiàn)為圍繞低壓中心的環(huán)繞流動。塔內(nèi)最低壓強在塔體中心附近，迎風(fēng)區(qū)入塔氣流在流向塔體中心區(qū)域時受抽力作用不斷加速，并在低壓中心與背風(fēng)區(qū)入塔氣流相匯形成渦流，該處渦流對背風(fēng)區(qū)氣流進(jìn)一步向塔內(nèi)流動形成阻力，削弱了該處通道的通風(fēng)能力。當(dāng)側(cè)風(fēng)風(fēng)速為12 m/s時，兩類塔在側(cè)風(fēng)區(qū)和背風(fēng)區(qū)出現(xiàn)了多個渦流，這些渦流嚴(yán)重阻礙了側(cè)風(fēng)區(qū)和背風(fēng)區(qū)的進(jìn)風(fēng)，使得附近換熱器幾乎喪失通風(fēng)能力，并導(dǎo)致塔內(nèi)高溫空氣在此積聚。此外，受太陽輻射的影響，太陽能增強型間接空冷塔在側(cè)風(fēng)條件下產(chǎn)生的渦流不如傳統(tǒng)間接空冷塔復(fù)雜，對側(cè)風(fēng)區(qū)和背風(fēng)區(qū)空氣流場的影響更小。

2.2 空冷塔徑向溫度和速度的變化趨勢

2.2.1 無風(fēng)條件

圖6為無風(fēng)時傳統(tǒng)間接空冷塔和太陽能增強型間接空冷塔在圖3a所示線A-A、線B-B和線C-C不同高度層上的空氣溫度分布和速度分布。

由圖6a可看出，在無風(fēng)條件下，當(dāng)高度一定時，隨著與塔中軸線距離的減少，傳統(tǒng)間接空冷塔的空氣溫度變化很小，而太陽能增強型間接空冷塔在地面附近（線A-A）和集熱器附近（線C-C）的空氣溫度呈明顯上升趨勢，且在離塔中軸線的距離一定時，地面附近的空氣溫度最高，集熱器附近的其次，中間層高度（線B-B）的最低。這是由于地面吸收了大部分的太陽輻射后溫度升高，集熱器只吸收了少部分的太陽輻射，地面溫度大于集熱器的溫度，地面通過對流換熱傳遞給地面附近空氣的熱量大于集熱器傳遞給附近空氣的熱量，地面和集熱器附近空氣再通過導(dǎo)熱將熱量傳遞給中間的空氣，因此隨著與塔中軸線距離的減少，地面附近的空氣溫度變化幅度最大，中間層高度的空氣溫度變化幅度最小。此外，當(dāng)離塔中軸線的距離一定時，太陽能增強型間接空冷塔在地面和集熱器附近的空氣溫度大于傳統(tǒng)間接空冷塔，但中間層高度上空氣溫度卻稍小于傳統(tǒng)間接空冷塔。這是因為地面和集熱器通過對流換熱將熱量傳遞給了附近的空氣使其溫度升高，密度減小，塔內(nèi)外密度差增大，流經(jīng)換熱器的空氣量增加，換熱器的散熱性能提升，通過換熱器后的空氣溫度下降，而中間層高度上的空氣從地面和集熱器附近空氣中吸收到的熱量較少，不足以抵消空氣量增加帶來的溫度下降影響，所以造成中間層高度上空氣溫度比傳統(tǒng)間接空冷塔低。

由圖6b可看出，在無風(fēng)條件下，當(dāng)高度一定時，隨著離塔中軸線距離的減少，兩類塔的空氣速度均呈上升趨勢。由于受太陽輻射的影響，太陽能增強型間接空冷塔內(nèi)空氣流速高于傳統(tǒng)間接空冷塔。此外，集熱器附近空氣在靠近集熱器出口時速度增大較快，這是因為此處空氣在集熱器內(nèi)屬于上層空氣，在豎直方向上無太大阻力，在靠近集熱器出口時豎直方向的速度較大。

2.2.2 側(cè)風(fēng)風(fēng)速4 m/s

圖7和圖8為側(cè)風(fēng)風(fēng)速4 m/s時在圖3b所示的3條徑向線上傳統(tǒng)間接空冷塔和太陽能增強型間接空冷塔的空氣溫度分布和速度分布圖。

由圖7a和圖8a可看出，在4 m/s的低風(fēng)速下，兩類塔在迎風(fēng)區(qū)的空氣溫度分布和速度分布與圖6無風(fēng)時的分布規(guī)律相差不大，只是在側(cè)風(fēng)影響下，迎風(fēng)區(qū)的空氣速度較無風(fēng)時稍有增大。

由圖7b和圖8b可看到，在4 m/s的低風(fēng)速下，當(dāng)離塔中軸線的距離一定時，兩類塔在側(cè)風(fēng)區(qū)不同高度層的空氣速度均小于迎風(fēng)區(qū)，流經(jīng)側(cè)風(fēng)區(qū)的空氣量減少，側(cè)風(fēng)區(qū)換熱器的散熱性能逐漸惡化，空氣溫度較高。在圖8b中，側(cè)風(fēng)區(qū)不同高度層的空氣速度比迎風(fēng)區(qū)有較為明顯的分層，當(dāng)距離塔中軸線較遠(yuǎn)時，地面附近（線A-A）的空氣速度大于中間層高度（線B-B）和集熱器附近（線C-C）的空氣速度，這也導(dǎo)致圖7b中地面附近空氣在距離塔中軸線較遠(yuǎn)時的溫度低于集熱器附近空氣的溫度。而當(dāng)距離塔中軸線較近時，集熱器附近空氣因為豎直方向上的阻力較小，其速度逐漸超過中間層高度和地面附近空氣速度。

由圖7c和圖8c可看出，在4 m/s的低風(fēng)速下，與側(cè)風(fēng)區(qū)相似，當(dāng)離塔中軸線的距離一定時，兩類塔在背風(fēng)區(qū)不同高度層的空氣速度也都小于迎風(fēng)區(qū)，空氣溫度都高于迎風(fēng)區(qū)。在圖8c中，背風(fēng)區(qū)不同高度層的空氣速度比側(cè)風(fēng)區(qū)分層更明顯，當(dāng)距離塔中軸線較遠(yuǎn)時，地面附近的空氣速度與中間層高度和集熱器附近的空氣速度差值變大，使得圖7c中地面附近空氣在距離塔中軸線較遠(yuǎn)時的溫度比集熱器附近的空氣溫度更低。

2.2.3 側(cè)風(fēng)風(fēng)速12 m/s

圖9和圖10為側(cè)風(fēng)風(fēng)速12 m/s時在3條徑向線上傳統(tǒng)間接空冷塔和太陽能增強型間接空冷塔的空氣溫度分布和速度分布圖。

由圖9a和圖10a可看出，在12 m/s的高風(fēng)速下，兩類塔在迎風(fēng)區(qū)不同高度層的空氣速度比側(cè)風(fēng)風(fēng)速4 m/s時均有較大增長，迎風(fēng)區(qū)的空氣溫度比側(cè)風(fēng)風(fēng)速4 m/s時也有所下降。在圖9a中，當(dāng)高度一定時，隨著離塔中軸線距離的減少，傳統(tǒng)間接空冷塔在迎風(fēng)區(qū)的空氣溫度變化不大，而太陽能增強型間接空冷塔雖然在集熱器附近（線C-C）的空氣溫度也變化不大，但在地面附近（線A-A）的空氣溫度呈明顯上升趨勢。這是因為圖10a中集熱器附近的空氣速度明顯高于其他高度，在太陽能增強型間接空冷塔內(nèi)，空氣在集熱器下方停留的時間短，吸收熱量不充分，溫度變化不大，而地面附近的空氣速度較小，且地面溫度比集熱器溫度高，地面附近空氣吸收的熱量較多，溫度上升明顯。

由圖9b和圖10b可看出，在12 m/s的高風(fēng)速下，隨著離塔中軸線距離的減少，兩類塔在側(cè)風(fēng)區(qū)的空氣溫度和速度波動較大，這是由圖5c中側(cè)風(fēng)區(qū)和背風(fēng)區(qū)出現(xiàn)的渦流導(dǎo)致的。當(dāng)離塔中軸線的距離一定時，兩類塔在側(cè)風(fēng)區(qū)不同高度層的空氣速度均小于迎風(fēng)區(qū)，空氣溫度均高于迎風(fēng)區(qū)，且差值較大。

由圖9c和圖10c可看出，在12 m/s的高風(fēng)速下，與側(cè)風(fēng)區(qū)相似，當(dāng)離塔中軸線的距離一定時，兩類塔在背風(fēng)區(qū)不同高度層的空氣速度均小于迎風(fēng)區(qū)，空氣溫度均高于迎風(fēng)區(qū)。在圖10c中，兩類塔在背風(fēng)區(qū)不同高度層的空氣速度存在分層，地面附近的空氣速度最大，集熱器附近的空氣速度最小，使得圖9c中地面附近的空氣溫度最低，集熱器附近的空氣溫度最高。在圖9c中，隨著離塔中軸線距離的減少，兩類塔在背風(fēng)區(qū)不同高度層的空氣溫度呈明顯下降趨勢，這是因為在高風(fēng)速的影響下，空冷塔側(cè)風(fēng)區(qū)和背風(fēng)區(qū)空氣在集熱器進(jìn)口處速度很小，換熱器的散熱及通流性能很差，導(dǎo)致高溫空氣積聚，如圖4c和圖5c塔內(nèi)側(cè)后方高溫區(qū)所示。隨著空氣沿程流動，迎風(fēng)區(qū)的低溫氣流和背風(fēng)區(qū)中僅有的低溫氣流在低壓中心相互碰撞，形成了低溫區(qū)域，該區(qū)域空氣溫度明顯低于背風(fēng)區(qū)集熱器進(jìn)口的空氣溫度，所以靠近塔中軸線，背風(fēng)區(qū)的進(jìn)氣溫度呈下降趨勢。此外，太陽能增強型間接空冷塔在地面附近的空氣溫度明顯高于傳統(tǒng)間接空冷塔。

2.3 側(cè)風(fēng)對冷卻塔通風(fēng)量與散熱量的影響

為進(jìn)一步分析側(cè)風(fēng)對太陽能增強型間接空冷塔和傳統(tǒng)間接空冷塔流動換熱的影響，在側(cè)風(fēng)風(fēng)速0～14 m/s范圍內(nèi)，對太陽能增強型間接空冷塔和傳統(tǒng)間接空冷塔的通風(fēng)量與散熱量進(jìn)行統(tǒng)計和對比，結(jié)果如圖11所示。

由圖11a可知，在不同側(cè)風(fēng)風(fēng)速下，太陽能增強型間接空冷塔的通風(fēng)量一直高于傳統(tǒng)間接空冷塔，在10 m/s側(cè)風(fēng)風(fēng)速時，通風(fēng)量的提升幅度達(dá)到最高，提升達(dá)10.5%。隨著側(cè)風(fēng)風(fēng)速的增長，兩類塔的通風(fēng)量均呈先下降后回升的趨勢。當(dāng)側(cè)風(fēng)為10 m/s時，傳統(tǒng)間接空冷塔的通風(fēng)量降至最低，下降了18.5%。而太陽能增強型間接空冷塔的通風(fēng)量在風(fēng)速為12 m/s時降至最低，下降了16%。

由圖11b可知，在不同側(cè)風(fēng)風(fēng)速下，太陽能增強型間接空冷塔的散熱量也一直高于傳統(tǒng)間接空冷塔，在10 m/s側(cè)風(fēng)風(fēng)速時，散熱量的提升幅度達(dá)到最高，提升了5.8%。隨著側(cè)風(fēng)風(fēng)速的增長，兩類塔的散熱量也呈先下降后回升的趨勢。當(dāng)側(cè)風(fēng)為10 m/s時，傳統(tǒng)間接空冷塔的散熱量達(dá)到最低，下降了12.9%。而太陽能增強型間接空冷塔的散熱量在風(fēng)速為12 m/s時降至最低，下降了10.2%。由此可見，太陽能增強型間接空冷塔的通風(fēng)量與散熱量隨側(cè)風(fēng)增大的下降幅度均小于傳統(tǒng)間接空冷塔，所以引入太陽輻射能有效降低間接空冷塔對側(cè)風(fēng)的敏感性。

根據(jù)圖4～圖10可知，側(cè)風(fēng)會極大削弱兩類空冷塔的側(cè)風(fēng)區(qū)和背風(fēng)區(qū)進(jìn)氣流速，導(dǎo)致塔內(nèi)側(cè)風(fēng)區(qū)和背風(fēng)區(qū)空氣溫度偏高，且造成這些區(qū)域散熱器的流動換熱性能不斷惡化。在低風(fēng)速下，側(cè)風(fēng)區(qū)和背風(fēng)區(qū)換熱器性能退化造成兩類塔的通風(fēng)量和散熱量隨風(fēng)速增大而下降。而在高風(fēng)速下，側(cè)風(fēng)區(qū)及背風(fēng)區(qū)換熱器喪失了絕大部分的散熱能力，空冷塔的冷卻作用幾乎完全依賴于迎風(fēng)區(qū)換熱器，而迎風(fēng)區(qū)換熱器的性能隨風(fēng)速增大持續(xù)增強，若風(fēng)速繼續(xù)增大，空冷塔的通風(fēng)量及散熱量則將呈回升趨勢，因此兩類空冷塔性能曲線上都存在著如圖11a和圖11b所示的拐點。

2.4 太陽輻射角度對冷卻塔流動換熱的影響

前文關(guān)于太陽能增強型間接空冷塔的算例均是假設(shè)太陽輻射垂直照射在集熱器及地面上的，然而實際情況中太陽輻射角度會發(fā)生變化。

圖12和圖13為不同側(cè)風(fēng)風(fēng)速下太陽輻射垂直照射和太陽輻射與地面呈60°夾角照射時空冷塔在[z=7.5] m橫切面上的溫度云圖和速度云圖。可看到，與太陽輻射垂直照射時相比，太陽輻射與地面呈60°夾角照射時塔內(nèi)空氣的流場和溫度場結(jié)構(gòu)相似，偏差較小。

圖14為太陽垂直照射和太陽與地面呈60°夾角照射時空冷塔的通風(fēng)量和散熱量隨側(cè)風(fēng)風(fēng)速的變化曲線?？煽吹剑柵c地面呈60°夾角照射時空冷塔在不同側(cè)風(fēng)風(fēng)速下的通風(fēng)量和散熱量與太陽垂直照射時均相差不大，且其隨側(cè)風(fēng)風(fēng)速的變化趨勢也一致。

前文重點研究了相比傳統(tǒng)間接空冷塔，太陽輻射的引入對塔流動換熱的增效作用以及受環(huán)境側(cè)風(fēng)影響后的變化規(guī)律，而通過圖12～圖14的對比可發(fā)現(xiàn)太陽輻射角度變化對這些規(guī)律及趨勢無結(jié)構(gòu)性影響。太陽輻射角度變化更偏向于對塔流動換熱動態(tài)過程的影響，因此針對太陽輻射角度的研究并結(jié)合實際情況在數(shù)值模擬過程中引入動態(tài)模型，將會是后續(xù)研究的一個重要方向。

3 結(jié) 論

本文對不同側(cè)風(fēng)風(fēng)速下的太陽能增強型間接空冷塔與傳統(tǒng)間接空冷塔進(jìn)行數(shù)值模擬，對其通風(fēng)量、散熱量等性能指標(biāo)進(jìn)行定量分析，結(jié)合空氣速度和溫度分布及趨勢變化，研究不同側(cè)風(fēng)風(fēng)速對太陽能增強型間接空冷塔和傳統(tǒng)間接空冷塔冷卻性能的影響并進(jìn)行對比，得出以下主要結(jié)論：

1）與傳統(tǒng)間接空冷塔類似，側(cè)風(fēng)會極大削弱太陽能增強型間接空冷塔側(cè)風(fēng)區(qū)和背風(fēng)區(qū)的空氣流速，使得側(cè)風(fēng)區(qū)和背風(fēng)區(qū)換熱器的流動換熱特性惡化。受到太陽輻射的增效作用，增強型間接空冷塔內(nèi)渦流不如傳統(tǒng)間接空冷塔復(fù)雜，側(cè)風(fēng)區(qū)和背風(fēng)區(qū)換熱器的進(jìn)氣及散熱條件相對更好。

2）在無風(fēng)和低風(fēng)速下，傳統(tǒng)間接空冷塔內(nèi)不同高度層上的空氣溫度基本不變，而太陽能增強型間接空冷塔在地面和集熱器附近的空氣受加熱影響，其速度和溫度均高于傳統(tǒng)間接空冷塔，且地面附近的溫升更高，而中間高度層上空氣因受加熱影響不如受空氣增量影響，溫度會稍小于傳統(tǒng)間接空冷塔的。高風(fēng)速下，受塔內(nèi)渦流作用，在太陽能增強型間接空冷塔側(cè)風(fēng)區(qū)上的空氣速度和溫度均有較大波動，且背風(fēng)區(qū)上進(jìn)氣沿流程溫度呈下降趨勢。

3）在側(cè)風(fēng)條件下，太陽能增強型間接空冷塔的通風(fēng)量與散熱量均要高于傳統(tǒng)間接空冷塔，最高可分別提升10.5%和5.8%，且其隨風(fēng)速增大的下降幅度也要小于傳統(tǒng)間接空冷塔，表明太陽輻射的引入降低了間接空冷塔對側(cè)風(fēng)的敏感性。

［參考文獻(xiàn)］

［1］ 張芳. 火力發(fā)電冷卻塔工程［J］. 價值工程， 2014， 33（28）： 58-59.

ZHANG F. Cooling tower engineering in thermal power generation［J］. Value engineering， 2014， 33（28）： 58-59.

［2］ LU Y S， GUAN Z Q， GURGENCI H， et al. Experimental study of crosswind effects on the performance of small cylindrical" natural" draft" dry" cooling" towers［J］. Energy conversion and management， 2015， 91： 238-248.

［3］ LI X X， GURGENCI H， GUAN Z Q， et al. Measurements of crosswind influence on a natural draft dry cooling tower for a solar thermal power plant［J］. Applied energy， 2017， 206： 1169-1183.

［4］ SUN Y B， GUAN Z Q， GURGENCI H， et al. Spray cooling system design and optimization for cooling performance enhancement of natural draft dry cooling tower in concentrated solar power plants［J］. Energy， 2019， 168： 273-284.

［5］ ZOU Z， GUAN Z Q， GURGENCI H， et al. Solar enhanced natural draft dry cooling tower for geothermal power applications［J］. Solar energy， 2012， 86（9）： 2686-2694.

［6］ YUAN L J， ZHU J L， LI T L， et al. Numerical simulation of flow and heat transfer characteristics in solar enhanced natural" draft" dry" cooling" tower［J］." Applied" thermal engineering， 2015， 87： 98-105.

［7］ WANG Q H， ZHU J L， LU X L. Numerical simulation of heat transfer process in solar enhanced natural draft dry cooling tower with radiation model［J］. Applied thermal engineering， 2017， 114： 977-983.

［8］ 辛光磊， 朱家玲， 姜豐， 等. 太陽輻射強度和溫度對增強型冷卻塔換熱性能影響的研究［J］. 太陽能學(xué)報， 2020， 41（1）： 41-46.

XIN G L， ZHU J L， JIANG F， et al. Effects of solar radiation intensity and ambient temperature on heat transfer performance of solar enhanced natural draft dry cooling tower［J］. Acta energiae solaris sinica， 2020， 41（1）： 41-46.

［9］ 何鎖盈， 王蕊， 張治愚， 等. 蓄熱層形狀對太陽能增效空冷塔換熱性能的影響研究［J］. 天津大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)與工程技術(shù)版）， 2021， 54（4）： 405-410.

HE S Y， WANG R， ZHANG Z Y， et al. Effect of thermal storage layer shape on cooling performance of solar-enhanced natural-draft dry cooling towers［J］. Journal of Tianjin University （science and technology）， 2021， 54（4）： 405-410.

［10］ 范皓龍， 李君， 苑立君， 等. 側(cè)風(fēng)對太陽能增強型冷卻塔排熱量影響的數(shù)值模擬與分析［J］. 太陽能學(xué)報， 2017， 38（3）： 826-832.

FAN H L， LI J， YUAN L J， et al. Numerical simulation and analysis of crosswind influence on the heat dumping rate of solar enhanced natural draft dry cooling tower［J］. Acta energiae solaris sinica， 2017， 38（3）： 826-832.

［11］ XU M F， HE S Y， CHENG J， et al. Investigation on heat exchanger arrangement in solar enhanced natural draft dry cooling towers under various crosswind conditions［J］. Case studies in thermal engineering， 2021， 28： 101505.

［12］ AL-WAKED R， BEHNIA M. The effect of windbreak walls on the thermal performance of natural draft dry cooling towers［J］. Heat transfer engineering， 2005， 26（8）： 50-62.

［13］ ZHOU X P， XU Y Y， ZHANG F. Evaluation of effect of diurnal ambient temperature range on solar chimney power plant performance［J］. International journal of heat and mass transfer， 2017， 115： 398-405.

［14］ YANG L J， DU X Z， YANG Y P. Space characteristics of the thermal performance for air-cooled condensers at ambient winds［J］. International journal of heat and mass transfer， 2011， 54（15/16）： 3109-3119.

［15］ HOOMAN K， GURGENCI H. Porous medium modeling of air-cooled" "condensers［J］." "Transport" in" porous" media， 2010， 84（2）： 257-273.

［16］ ZOU Z， GUAN Z Q， GURGENCI H. Numerical simulation of solar enhanced natural draft dry cooling tower［J］. Solar energy， 2014， 101： 8-18.

［17］ 徐毅. 太陽能增效空冷塔內(nèi)換熱器優(yōu)化布置研究［D］. 濟(jì)南： 山東大學(xué)， 2019.

XU Y. Study on the optimal layout of heat exchanger in solar" enhanced" natural" draft" dry" cooling" towers［D］. Ji’nan： Shandong University， 2019.

［18］ ZHOU X P， YANG J K， XIAO B， et al. Simulation of a pilot solar chimney thermal power generating equipment［J］. Renewable energy， 2007， 32（10）： 1637-1644.

FLOW AND HEAT TRANSFER CHARACTERISTICS OF SOLAR-ENHANCED INDIRECT DRY COOLING TOWER AND ITS MECHANISMS INFLUENCIED BY ENVIRONMENTAL CROSSWIND

Zhang Li，Ma Huan，Si Fengqi

（Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education， Southeast University， Nanjing 210096， China）

Abstract：With a well-developed three-dimensional numerical model of the solar-enhanced indirect dry cooling tower （IDCT），the effects of solar radiation on fluid flow and heat transfer of the tower and the varying mechanisms caused by the environmental crosswind were evaluated. The distributions of the air flow and temperature fields inside and outside the tower， as well as the varying trends of the air temperature and velocity at different altitudes inside the tower were exported and analyzed. The performance comparison was carried out between the traditional and solar-enhanced IDCTs. The results showe that the introduction of solar radiation helps to mitigate the adverse impact of crosswind on fluid flow and heat transfer of the IDCT， especially reducing the vortexes inside the tower and improving the air intake and heat dissipation capacity of the sideward and leeward heat exchangers of the tower. Under no crosswind and low crosswind speed conditions， the internal air velocity and temperature near the ground and the collector of the solar-enhanced IDCT are higher than those of the traditional IDCT. The internal air near the ground gets more affected by solar radiation and has a higher temperature rise，while the internal air temperature at the middle altitude between the ground and the collector is slightly lower than that inside the traditional IDCT. At high crosswind speed， internal air temperature inside the leeward region of the solar-enhanced IDCT decreases along the radial direction of the tower due to the great internal vortex. The ventilation and heat dissipation rates of the solar-enhanced IDCT under crosswind are higher than those of the traditional IDCT with a maximum increase of 10.5% and 5.8%， respectively. Besides，compared with the traditional IDCT，cooling performance of the solar-enhanced IDCT is less sensitive to environmental crosswind.

Keywords：cooling towers； solar energy； numerical simulation； crosswind； ventilation and heat dissipation

收稿日期：2022-06-26

基金項目：國家自然科學(xué)基金（51976031；52206007）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金（2242021R20019）

通信作者：司風(fēng)琪（1973—），男，博士、教授，主要從事熱力系統(tǒng)建模、仿真、優(yōu)化及電力大數(shù)據(jù)等方面的研究。fqsi@seu.edu.cn