基于仿真模擬的熱風循環研究

劉重強

(廣州高瀾節能技術股份有限公司，廣東 廣州 510663)

CFD是近代流體力學、數值數學和計算機科學結合的產物，是一門具有強大生命力的邊緣科學。它以電子計算機為工具，應用各種離散化的數學方法，對流體力學的各類問題進行數值試驗、計算機模擬和分析研究，以解決各種實際問題[1]，包括Fluent、Icepak、Gambit、FloEFD、Phoenics、Polyflow等。其中Icepak和Fluent擁有豐富的模型庫，能夠實現快速建模；擁有先進的網格技術，可以生成高質量的計算網格；支持參數化設計，對變量進行參數化控制實現不同結構、不同工況下的分析計算，達到優化設計的目的；具有強大的解算能力和可視化的后處理能力[2]，在通信與電子行業中得到了廣泛的應用[3-6]，一般用于元器件及其組合裝置的熱仿真，針對建筑物級的熱仿真還未涉及。本文結合工程實際，利用Icepak和Fluent軟件對某換流站空冷器的熱風循環進行熱仿真模擬，根據模擬的結果提出相應的解決方案，并驗證方案的可靠性。

1 設計背景

我國西北地區冬季氣溫較低，換流站閥冷卻系統外風冷管道中的冷卻水極易結冰，導致外風冷閥門滲漏、管道破裂，嚴重時將導致直流輸電系統長時間停運。而極度嚴寒的惡劣條件下，冷卻器較大的換熱面積增大了結凍的可能，給閥冷系統的可靠運行帶來極大風險[7]。為避免閥冷系統在冬季故障停運或停電檢修，室外換熱設備及室外管道內部結凍，需設置室外防護裝置(防凍棚)，室外換熱設備(空氣冷卻器和閉式冷卻塔)安裝于防凍棚內部。閥冷系統運行期間，防凍棚進出風處電動卷簾門處于打開狀態；在冬季閥冷系統故障停運或停電檢修期間電動卷簾門處于關閉狀態，內部設置暖風機進行加熱，防止設備結凍。

由于室外換熱設備布置于換流站控制樓、換流變廣場之間，夏天容易受到自然風的影響，自然風的失衡將熱風吹至墻面，導致熱風循環，提高了空冷器進風溫度，降低了空冷器的冷卻效率。因此，需要計算設置防凍棚后熱風循環對空冷器的影響。

由于熱風循環主要影響因素是進風溫度和速度[8]，因此僅考慮夏天的影響，其他季節環境溫度較低，暫不考慮。風速根據《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》所記錄的該站典型氣象年數據，典型氣象年7月每4 h平均風速最大為7 m/s。進風溫度可以參考多年平均年極端最高氣溫35.1 ℃和歷史累年極端最高氣溫38.1 ℃。

2 總體方案

根據換流變廣場的建筑布局，將空冷器、防凍棚、換流變防火墻和控制樓及閥廳建成如圖1和圖2所示的模型，建模依照以下的依據和方法。

a.將控制樓、閥廳、空氣冷卻器、防凍棚和換流變防火墻抽象出立方體的幾何模型。

b.假定空氣冷卻器平面高度一定，并均勻分布在同一高度的防凍棚內，換熱功率為額定冷卻功率。

c.防凍棚高為12.398 m，頂棚不計的話高為10 m；空冷器的高為1.5 m。

d.風速以典型氣象年7月的風速，不高于7 m/s，故進風可以設計為7 m/s進行計算。

e.空冷器的風速為每組空冷器62.47 kg/s，進風溫度(環境溫度)為38 ℃，出風溫度為44.5 ℃，風速為6.02 m/s，共8組。

f.加了防凍棚以后，高度達到了12 m，已經超過了換流變防火墻的高度，因此只考慮吹向控制樓方向的風向。

g.采用Fluent二維模型進行仿真計算，然后采用Icepak三維模型進行設計校核。

圖1 換流變廣場建筑布局二維模型圖

圖2 換流變廣場建筑布局三維模型圖

3 仿真模擬

防熱風循環主要以回流率來反映。通常用回流率描述熱風回流現象[9]，定義為空冷器進風中所含有的由空冷器排出又重新吸入空冷器進口的空氣質量流量與空冷器入口處的總質量流量的比值：

(1)

式中：mR為由空冷器排出又重新回到空冷器入口處的空氣流量；ml為空冷器入口處的總流量；T1為空冷器入口空氣溫度；T2為空冷器出口空氣溫度；T0為環境溫度[10]。

3.1 模型的建立

將空冷器、防凍棚和控制樓建成一個如圖 1的二維模型，其邊界條件列于表 1。

表1 邊界條件詳細說明

同時為了便于計算，需進行以下說明。

a.自然風以氣象站提供的風速u10，如式(2)所示：

(2)

b.將空冷器出風口設計成系統的進口，空冷器的進風口設計為系統的出口。

c.將空冷器的出風速度定為系統空冷器額定流量下的風速。

3.2 不同風速的回流率

通過二維模型計算回流率，分別計算防凍棚高度分別為2 m、4 m、6 m、8 m，自然風速分別為0.5 m/s、2 m/s、4 m/s、6 m/s、8 m/s時模型的回流率，從模擬結果可以看出增加防凍棚前后對空氣回流的影響，其結果如圖3所示。

(a)無防凍棚的速度云圖

(b)有防凍棚的速度云圖

(c)無防凍棚的溫度云圖

(d)有防凍棚的溫度云圖圖3 二維模型模擬云圖(風速為6 m/s)

由圖3可見，在未增加防凍棚的情況下，很容易產生熱風循環，導致空冷器的冷卻效率下降。而增加了防凍棚以后，基本上不會產生熱風循環，不同防凍棚高度下的空氣回流率變化值如圖4所示。

圖4 防凍棚高度下的空氣回流率

由圖4可見，在同一風速下，防凍棚的空氣回流率隨著高度的增加而下降；在同一高度下，防凍棚的空氣回流率隨著環境風速的增加而下降。

4 防熱風循環裝置的校核分析

通過二維模擬可見，增加了防凍棚以后可以有效減少熱風循環。可以通過三維模擬進行校核分析，三維模擬結果如圖5所示。由圖5可見，自然風吹過空冷器后，一部分自然風被控制樓擋住，向兩側流動，但未產生熱風回流循環現象。

圖6分析了換流站高端閥廳室外空氣冷卻器在環境溫度為38 ℃，安裝了防凍棚，靠近控制樓處的溫度分布情況。安裝了防凍棚以后，空冷器吹出來的熱風經過防凍棚的阻擋后從較高處流入環境中，空冷器進風口的溫度與環境溫度大體相當；而未安裝防凍棚，空冷器吹出來的熱風一部分直接被吸回空冷器，空冷器進口溫度明顯高于環境溫度，進而降低了空冷器的換熱效率。

圖5 防熱風循環與閥廳流速矢量分布圖

圖6 增加防凍棚前后空冷器與控制樓之間環境溫度比較

通過模擬可見，空冷器處于熱風循環區時，不加防凍棚的空冷器受熱風循環影響較大，安裝防凍棚以后，進風溫度與環境溫度相差不大，未形成熱風循環。

5 結論

防熱風循環及保溫結構能滿足在室外百年一遇的最大風速和最大降雪條件下，結構能夠保持強度穩定，長期運行可靠。防熱風循環及保溫結構設計使用年限為50 年，安全等級為一級。該換流站防凍棚充分吸取了以住工程的應用經驗，利用空氣冷卻器與防凍棚一體化設計，通過防熱風循環設計，減少了因部分空冷器布置在控制樓附近引起的熱風循環，提高了高環境溫度期間空冷器的換熱效率。通過熱仿真模擬及校核驗算，該站防凍棚的結構設計合理，減小了防凍棚占地面積，能夠滿足外冷設備的運行要求和防凍要求。