濕式冷卻塔加裝擋風板的數值研究

李永華， 甄海軍， 湯金明

（1.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，保定071003；2.內蒙古大唐國際托克托發電有限責任公司，呼和浩特010206）

由于我國北方冬季氣溫低造成濕式冷卻塔內傳熱不均，導致在冷卻塔的填料下表面、進風口以及基環面等處容易結冰，嚴重影響冷卻塔正常運行，同時也縮短了冷卻塔的使用壽命，增加了冷卻塔的運行成本［1］，因此考慮在冷卻塔的進風口處加裝擋風板［2］.擋風板的最佳層數與風速和氣溫有關，為了找到氣溫、風速與擋風板最佳層數的關系，需要對冷卻塔的內部流場進行數值模擬.

計算流體力學（CFD）是20世紀60年代起伴隨計算機技術迅速崛起的學科，而Fluent是大型商業化CFD軟件，目前被廣泛應用于數值計算領域.該軟件提供了大量計算流體問題的相關模型和算法，并設置了外接用戶端口（UDF），具有穩定性好、適用范圍廣、精度高和拓展性好等優點［3］，因此筆者選用Fluent作為冷卻塔的數值模擬平臺.

筆者以某電廠600MW機組逆流濕式自然通風冷卻塔為例，在進塔水溫為26.92℃、進水量為11 829.7kg／s的工況下，環境溫度為－10℃、未掛擋風板時對不同風速下冷卻塔填料下面的空氣溫度場以及水滴的最低溫度進行了數值模擬，糾正了通常認為水滴和空氣場的最低點溫度在迎風面且不隨風速變化的理論，并給出了在不同氣溫下、掛不同層數擋風板對塔內填料下面最低水滴溫度值的影響曲線，得出的結論對電廠在不同環境溫度下合理掛裝擋風板的層數具有參考價值.

1 計算模型

1.1 數學模型

冷卻塔內部為氣水兩相流場，傳熱傳質和摩擦碰撞同時存在.為了突出熱量與物質交換過程，筆者對計算模型作了適當簡化：①忽略塔體向環境的散熱和水滴內部熱阻，只考慮塔內蒸發散熱和接觸散熱，忽略輻射散熱；②填料層分布致密，結構復雜，對填料內部的質量、動量和能量交換以源項的形式并采用外接自定義函數求解；③在穩定運行工況下，塔內流動視為定常流，其中氣相運動呈軸對稱分布，液相為一維流動.

筆者采用 Merkel法 和e－NTU 法［4－6］計算 冷卻塔內部流場，忽略了冷卻水的蒸發損失并加入劉易斯因子，氣相流動為三維控制方程（見式（2）），并將水滴控制方程近似簡化為一維傳熱傳質方程（見式（3））.模型計算方法為：雨區和噴淋區用離散相模型模擬，選用標準k－ε湍流模型，在輸運方程中考慮了浮力項［7］，控制微分方程的離散化采用了有限差分法中的控制容積公式法，流場的計算則采用典型的Simple算法.

1.1.1 氣流控制方程

在穩定工況下，冷卻塔對空氣的抽力和內部阻力相平衡，得到通風量計算公式［8］：

式中：G為通風量，m3／h；D 為填料底層塔徑，m；He為冷卻塔有效高度，即配水噴嘴到塔頂的距離加上噴嘴到進風口中部距離的一半，m；ρm為塔外空氣密度，kg／m3，ρm＝（ρ1＋ρ2）／2；ρ1為塔外環境空氣密度，kg／m3；ρ2為塔內經過填料和配水層后的飽和或接近飽和的空氣密度，kg／m3；ξ為塔的總阻力系數，填料阻力系數［8］ξf＝0.525 Hf（Q／G）1.32，其中 Hf為填料層高度，m，Q為通過塔的冷卻水流量，m3／h.其他區域阻力系數可根據有關試驗數據取定值，分別為進風口ξj＝0.5，配水系統ξg＝0.5，收水器ξs＝3.5.

在穩定工況下運行時，塔內外流場可當作穩態處理，采用以下通用控制方程［9］：

式中：ρ為各點空氣密度，kg／m3；ui為速度矢量；φ為通用變量，表示水蒸氣組分、溫度、湍動能和湍流耗散率；Γφ為廣義擴散系數；Sφ為廣義源項.

1.1.2 水滴控制方程

考慮到水滴運動的不連續性，針對每個控制單元需分析其中淋水的總體傳熱傳質效應，因此采用拉格朗日法計算噴淋區和雨區的水流場時，水滴的溫度變化應按如下關系式［10］計算：

式中：Tad、Tw分別為控制單元內氣相干球溫度和水滴溫度，K；Aw為水滴表面積，m2；mw為水滴流量，kg／s；cw為控制單元內水滴的平均比熱容，J／（kg·K）；ΔTw為控制單元內水滴溫度變化量，K；Cs為含1kg干空氣的水滴表面所含水蒸氣的質量；C∞為含1kg干空氣的濕空氣中所含水蒸氣的質量；hm為傳質系數，kg／（m2·s）；h為傳熱系數，W／（m2·K）；hfg為淋水蒸發潛熱，J／kg.

1.2 計算邊界條件

以某600MW機組為例，其幾何邊界條件為：塔高125m，環基外側直徑106.42m，塔盆直徑為96.42m，塔筒頂部直徑為57.01m，喉部直徑為52.2m，進風口高度為8m，填料厚度為1m，計算區域是直徑為500m、高度為500m的圓柱體.該機組擋風板的實際高度為2.66m.由于擋風板過高，懸掛每層擋風板后對塔內溫度場影響太大，所以筆者建議采用每層擋風板的高度為原高度的一半即1.33m.這樣，將進風口平均分為6層，即從上至下依次安裝1、2、3、4、5和6層擋風板.使用Gambit軟件生成相應的幾何模型以及計算網格.進口為速度邊界條件，出口為壓力邊界條件；塔壁、管壁、擋風板和地面為無滑移壁面邊界條件.在計算中考慮了重力和浮力影響，離散相邊界條件在環境進出口、進風口、水池底面以及收水器等邊界均為逃逸，在冷卻塔殼壁面為反射.圖1為計算邊界示意圖.

2 計算結果分析

2.1 未裝擋風板塔內空氣溫度和速度場分析

基于上述理論，在環境溫度為－10℃、進塔水溫為26.92℃、進水量為11 829.7kg／s工況下，對不同橫向風下的工況進行了數值模擬.圖2為不同橫向風條件與風向平行的冷卻塔縱向截面和填料下面截面的空氣溫度場分布.

圖1 計算邊界示意圖Fig.1 Computational boundary

圖2 不同工況下冷卻塔的空氣溫度場分布Fig.2 Air temperature distribution under different conditions at different zones

由圖2（b）可知：由于氣液間的熱質交換和相互作用力，無風時空氣溫度沿徑向由外向內逐漸升高，速度逐漸降低，塔中心處空氣的溫度最高，速度最低，塔進風最均勻，氣水接觸也最均勻，所以熱質交換效果也最好.由圖2（d）可知：當橫向風速V＝2 m／s時，入口風的流場已經不再是軸對稱分布；由于橫向風在雨區傳熱，所以塔的背風側空氣溫度較高.但是，當橫向風速增大時，由于氣流在進風口的流通面積急劇收縮，其流速增大，在填料底部形成低壓環流區，妨礙了進風口附近填料區的進風，因此最高氣溫出現在向風側.在塔的背風側，氣流流動好，空氣和水滴的傳熱充分，所以溫度較低，見圖2（h）.正因為進口流場不均，使塔內氣水流場分布不均.氣液兩相間的熱質交換過程惡化，這是冷卻塔效能惡化的主要原因.在電廠實際運行中，由于塔周圍的建筑物存在，一般風速比較低，因此空氣的高溫區出現在塔的背風側.

2.2 進風口加裝不同層數擋風板的防結冰分析

因為循環水的散熱量等于進入冷卻塔的空氣吸熱量，所以只要減少進入冷卻塔的空氣流量，即增加擋風板層數就能提高冷卻塔內的溫度，從而降低塔內結冰的可能性.為了說明塔內的溫度場溫度隨著掛擋風板層數的增加而提高，筆者以環境溫度為－10℃、環境風速為2m／s的未掛擋風板和掛1、2、3、4和5層擋風板時填料下面空氣最低溫度場為例進行了數值模擬.圖3為掛不同層數擋風板時的空氣溫度場.

圖3 掛不同層數擋風板時的空氣溫度場Fig.3 Air temperature distribution in cooling tower with different layers of windshield installed

由圖3（f）可知：填料下面的空氣最低溫度隨著擋風板層數的增加而升高.圖4為掛擋風板層數與填料下面最低空氣溫度的關系.

圖4 擋風板層數與填料下面最低空氣溫度的關系Fig.4 Relationship between windshield layer and minimum air temperature

2.3 不同環境溫度下擋板層數與塔內水溫的關系

當橫向風速為8m／s、進水溫度為26.92℃、進水量為11 829.7kg／s工況下，由于塔內的水溫分布不均，在填料下面、進風口上沿水平面和基環面容易結冰.所以筆者對這3個平面在環境溫度分別為－10℃、－17℃和－23℃下對擋風板層數與最低水溫進行了模擬，其關系見圖5.

從圖5可知：隨著擋風板層數增加，填料下面、進風口上沿面和冷卻塔基環面的水溫升高，這是由于擋風板層數的增加，進入塔內的空氣量減少，使得空氣和水滴的傳熱量減少，因而提高了塔內的溫度.由圖5（a）可知：當環境溫度為－10℃時，未掛擋風板時填料下面、進風口上沿面的最低水溫分別為274.75K和273.66K，而冷卻塔基環面的最低水溫為272.23K，掛1層擋風板時冷卻塔基環面的最低水溫為274K.綜上所述，掛1層擋風板就可以有效防止冷卻塔基環面上的水滴結冰.

從圖5（b）可知：在環境溫度為－17℃時，填料下面、進風口上沿面的最低水溫分別由未掛擋風板時的270K、267K上升到掛2層擋風板時的276K和275K，所以掛2層擋風板可以有效防止填料下面以及上沿面的水滴結冰.基環面的最低水溫由掛2層擋風板時的272K上升到掛3層擋風板時的277K，所以要有效防止水滴在基環面結冰必須掛3層擋風板.綜上所述，掛3層擋風板可以有效防止冷卻塔3個面的水滴結冰.

圖5 不同環境溫度下擋風板層數與最低水溫的關系Fig.5 Relationship between windshield layer and lowest water temperature at different environmental temperatures

從圖5（c）可知：在環境溫度為－23℃時，填料下面和上沿面的最低水溫分別由掛3層擋風板時的272K和271K上升到掛4層擋風板時的275K和274K，所以掛4層擋風板可以有效防止填料下面和上沿面的水結冰.基環面的水溫由掛4層擋風板時的272K上升到掛5層擋風板時的278K，所以掛5層擋風板可以有效防止基環面的水滴結冰.綜上所述，掛5層擋風板可以有效防止填料下面、上沿面以及基環面上的水滴結冰.

3 結 論

（1）由于橫向風的存在，冷卻塔內的溫度場不再是軸對稱分布.當風速較低時，進入塔內的空氣流經雨區與淋水傳熱后，空氣場的高溫區域出現在塔的背風側.當橫向風速增大時，冷卻塔內的空氣溫度場的高溫區域向著迎風側轉移.

（2）當風速為8m／s時，不同環境溫度下掛擋風板的最佳層數為：當環境溫度為－10℃時，掛1層擋風板可有效防止塔內結冰；當環境溫度為－17℃時，掛3層擋風板可有效防止塔內結冰；當環境溫度為－23℃時，掛5層擋風板可有效防止塔內結冰.

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