側風下分區配水對冷卻塔性能的影響研究

陳 瑞，孫更生，孫浩然，何鎖盈，高 明

（1.高效節能及儲能技術與裝備山東省工程實驗室（山東大學能源與動力工程學院），山東 濟南 250061； 2.山東華聚能源股份有限公司趙樓電廠，山東 菏澤 274700）

冷卻塔作為電廠重要的冷端設備，可帶走蒸汽在鍋爐中吸收的約55%的熱量，這蘊藏著巨大的節能潛力[1-2]。配水區作為冷卻塔氣水間換熱的起始區域，影響冷卻塔主要傳熱傳質區的氣水比，間接影響冷卻塔的冷卻效率[3-4]。

傳統的超大型濕式冷卻塔一般采用均勻配水的方式[5-6]，但研究發現分區配水能有效改善傳熱傳質區域的氣水比，進而提高冷卻塔冷卻效率[7-9]。趙順安等[10]推導出了冷卻塔外區配水的一維熱力計算方法。李江云等[11-12]利用三維數值模擬方法，研究了噴淋管網布置和內外分區配水對超大型冷卻塔冷卻效果的影響，發現適當提高外區淋水密度可提高換熱效率。楊靜[13]、段文博[14]等研究發現，分區配水可以有效降低出塔水溫，提高冷卻塔的效率和經濟性。Zhang等人[15]研究發現，采用分區配水后，出水溫降提高0.21 ℃，通風量提高了6.68%。除分區配水的優化方式外，王東等[16]針對管式配水方式，對噴頭、配水管網、中央豎井、配水槽等作為整體進行研究，并對噴頭進行選型優化；王東海[17]基于遺傳算法，對配水管熱力系統進行簡化假設；王豐等[18]提出冷卻塔管式配水系統優化方式。針對側風研究表明，側風的影響是不可忽略的[19-21]，基于熱態模型試驗，高明等[22-24]研究發現側風破壞塔底部進風均勻性；基于三維數值計算方法，趙元賓等[25-26]研究表明，側風存在降低了塔內縱向通風量，惡化冷卻塔冷卻性能。

以上對分區配水的研究均未考慮側風的影響，因此，有必要對側風環境下冷卻塔配水區進行優化設計。本文利用三維數值模擬方法，研究側風環境下分區配水對超大型濕式冷卻塔冷卻性能的影響，并提出優化的配水方案。

1 冷卻塔物理模型及簡化假設

本文以某超大型濕式冷卻塔為對象進行建模研究，其實際淋水面積為12 944 m2。該冷卻塔的尺寸參數如圖1所示。

額定工況下，大氣壓為100.14 kPa，空氣干球溫度為16.3 ℃，空氣濕球溫度為14.3 ℃，循環水流量為90 720 t/h，相對濕度為80%，進塔水溫為31.54 ℃，設計出塔水溫為21.11 ℃。

填料選用高度為2 m的20 mm S波和30 mm的斜折波。填料熱力和阻力性能參數見表1和表2。表1、表2中：N為默克爾數；λ為氣水比；A、y為實驗測定值；Ka為傳質系數，kg/(m3·s)；ga為空氣質量流速，t/(m2·h)；q為循環水質量流量，t/(m2·h)；B、a和b為填料淋水實驗測定的參數；A0和m0為阻力性能相關參數。

表1 填料熱力性能 Tab.1 Thermal characteristics of the fillings

表2 填料阻力性能 Tab.2 Resistance characteristics of the fillings

2 數值模型及邊界條件

2.1 數學模型

塔內空氣變化參數以質量守恒、動量守恒和能量守恒方程進行描述，可表示為：

式中：ρ為濕空氣密度，kg/m3；i為坐標x、y和z；ui為濕空氣流速，m/s；φ分別表示數值為1、空氣流速、溫度、氣水間連續性方程、動量方程、能量方程、組分方程；Γφ為擴散系數；Sφ為方程源項。

統計5種任務(5種視覺行為狀態)下的眼動數據,根據需求,本文擬統計每種情況下的注視停留時間注視點X坐標平均值坐標平均值平均眼跳持續時間平均眼跳速度平均眼跳幅度以及平均瞳孔直徑并對結果進行差異性分析,結果如表1所示.對表1數據進行百分比歸一化處理后繪制五種任務下的散點折線圖如圖5所示.

基于此，將非致死性心肌梗死與非致死性腦卒中這兩個轉移狀態之間的轉移概率假設為0，心肌梗死后與腦卒中后這兩個轉移狀態之間的轉移概率也假設為0；無事件、心肌梗死后、腦卒中后這三個轉移狀態轉移到自身的轉移概率由1減去其他分支的轉移概率獲得；由心肌梗死后/腦卒中后轉移至心肌梗死后出血/腦卒中后出血的轉移概率等于無事件狀態轉移至嚴重不良出血事件的轉移概率；其余狀態之間的轉移概率則來源于其他已發表的CVD臨床試驗結果。部分狀態轉移概率參數見表2；其余狀態之間的轉移概率由表2中參數推算獲得。

描述冷卻水運動控制方程時，認為冷卻水只沿豎直方向運動，其質量、能量和動量守恒方程為：

對課程的項目、內容、工作過程、基本方法和工具、課程的理論支撐進行全方位的總結，加強學生對系統知識的理解和機能的掌握。

5月，中國水務公司積極推動旗下上市公司錢江水利開展了非公開發行募投項目。錢江水利自2000年首發上市后，主要通過銀行貸款、發行債券等債務工具籌集發展所需資金。正處于發展關鍵階段的錢江水利，資本支出規模較大，依靠自有資金積累及銀行貸款難以完全滿足項目資金需求。而通過非公開發行，可以拓寬融資渠道，募集資金滿足項目建設需要，為公司實現跨越發展提供有力保障。募投項目投產后，公司的供水規模將顯著擴大，核心競爭力將迅速提升。

式中：q為淋水密度，kg/(m2·s)；Sm為對流傳質速率，kg/(m3·s)；cw為水的比熱容，kJ/(kg·℃)；tw為水溫，℃；Swe為對流傳質散發的熱量，kW/(m3·s)；vwz為水滴豎直下落速度，m/s；ρw為循環水密度，kg/m3；g為重力加速度，kg/m3；fz為雨滴豎直下落所受空氣阻力，N；mw為單個雨滴質量，kg。

配水區和雨區傳質系數為：

式中：Ka為水氣間對流傳質系數，kg/(m3·s)；χw和χ為飽和空氣含濕量和濕空氣含濕量，kg/kg。

本文建立4個網格系統，利用Fluent軟件進行數值模擬對網格進行獨立性驗證，結果見表3。比較 表3相對誤差，同時兼顧模擬計算的時間成本，本文數值模擬采用網格數為2 066 737的網格進行計算。

式中：Kh為傳熱系數，kW/（m3·℃）；cv為水蒸氣比熱容，kJ/(kg·℃)；t為濕空氣的溫度，℃。

循環水能量守恒方程源項為：

式中：rw為冷卻水蒸發潛熱,kJ/kg。

基于單膜對流傳質理論，得出氣水間質量方程源項為：

5)本體的使用，需要進行優劣的評價，并且評價體系還需要貫穿整個本體的生命周期，以便于找到問題隨時調整。對于地名本體而言，目前沒有形成規范的評價體系和標準，也沒有針對性的評價工具，有的干脆沒有，有的則是自建自評。

式中：ρg為干空氣的密度，kg/m3；Nrd為雨滴個數；Ard為單個雨滴表面局，m2；Dv,m為水蒸氣擴散系數，m2/s；dw為雨滴當量直徑；Red為雨滴當量直徑的雷諾數；Sc為傳質施密特數。

通常來說，發展成熟的多元化企業，其經營戰略可以分為三個層次：即企業總體經營戰略層次、事業部發展戰略層次以及職能戰略層次。其中，第一層次是企業戰略體系的主體和基礎，具體又分為穩定型、增長型和收縮型三種戰略；第二層次具體規定了各項經營事業的目標和戰略；第三層次又進一步將企業戰略按照專門職能進行落實和具體化。本文在系統地分析了企業總體經營管理戰略的基礎上，結合企業生命周期的四階段理論，得出了企業處于生命周期的不同發展階段所應采取的不同經營戰略。

三十年，三十年可以做什么？初生的嬰孩三十年已然而立，時代飛速發展的當代，三十年足以改變一切事物，或者人的一生……

配水區和雨區的空氣阻力計算式為：

成束的微電極可以同時記錄超過200個細胞的電活動，但由于這些電極被置于細胞膜外表面附近，而非細胞膜內，只能檢測到電活動中最劇烈的電位變化——動作電位。它們聽不到那些樂曲中弱音——那些微小而不引起動作電位的電位變化。但這些閾下電位變化卻至關重要，是它們的逐漸累積確定了神經元何時會產生動作電位。

式中：i為坐標x、y和z；fi為氣流與水滴的相互作用力，N。

填料熱力和阻力特性分別由傳質系數和壓降的實驗擬合得出：

LAN Gang, WANG Xi-yong, GUO Da-wei, XIAO Huai-qing, XU Zhu-hui, ZHANG Zhi-hao

2.2 幾何建模和網格劃分

本文利用ICEM軟件進行幾何建模和網格劃分，對計算域和冷卻塔分別進行網格劃分。為提高模擬計算的準確性，對配水區、填料區和雨區進行網格加密。網格系統如圖2所示。

2018年，中央決定深化黨和國家機構改革，組建文化和旅游部是其中的一項重要改革。文化和旅游合體既強強聯合，又相輔相成。非物質文化遺產是一個地區精神文化的象征，同旅游開發密不可分，所以，挖掘非物質文化遺產的精神核心成為了旅游開發的重點內容之一，科學合理地進行非物質文化遺產的開發能夠為當地的旅游開發注入精神內涵，提高旅游產品的精神層次，從而為當地旅游業的發展提供源源不斷的動力，促進當地經濟發展。

圖2 網格系統 Fig.2 Grid system

2.3 計算域及邊界條件

本文建立高為700 m、半徑為500 m的計算域，計算域尺寸遠大于冷卻塔尺寸，因此可以忽略塔體對計算邊界條件的影響。邊界條件如圖3所示。在側風環境下，入口邊界條件設置為速度入口，出口邊界條件設置為壓力出口，塔壁和地面設置為無滑移壁面。側風輪廓線函數用風速和高度表示[27]。

圖3 邊界條件 Fig.3 Boundary conditions

2.4 計算方法和網格獨立性驗證

本研究采用SIMPLE算法耦合壓力和速度進行迭代計算，利用亞松弛因子加速方程收斂，利用比例殘差判斷收斂性；能量方程比例殘差設置為10-6，其他方程比例殘差設置為10-4；當連讀50迭代且出塔水溫變化小于0.01 ℃，則可認為迭代計算收斂。

式中：Fz為空氣阻力，N；Δp為壓降，Pa；H為填料高度，m；v為空氣穿過填料區的平均速度，m/s；vz為濕空氣沿垂直方向的運動速度，m/s；A0、m0分別為根據實驗數據Ax、Ay、Az、mx、my和mz所確定的常數見表2。

塔內濕空氣能量方程源項為：

表3 網格獨立性驗證 Tab.3 Grid-independence verification results

2.5 模型驗證

模擬計算該超大型濕式冷卻塔其他運行工況，得到出塔水溫模擬值，其與實際值對比結果見表4。由表4可見，模擬值與實際值之間的最大相對誤差為1.6%，表明本文所建模型滿足準確性要求。

表4 模型準確性驗證 Tab.4 Model accuracy validation results

3 結果分析

本文以風速v=3 m/s、分區配水點50 m[27]為例，模擬計算內區配水量5%～95%時，分區配水對空氣動力場溫度場和冷卻性能參數的影響。同時，研究側風風速v=1～3 m/s、分區配水對冷卻塔效率和出塔水溫的影響趨勢。

3.1 分區配水量

該超大型濕式冷卻塔填料區采用非等片距填料布置方式，在內區和外區分別布置30 mm和 20 mm片距填料。側風風速v=3 m/s時，內區半徑為50 m[27]，因此，v=3 m/s工況下，分區配水點為50 m，當內區配水量占比為60.68%時內外區淋水密度相同即均勻配水。在該分區配水點下，內區配水量占比變化見表5。

表5 內區配水量占比 Tab.5 Proportion of the inner zone water distribution

針對側風風速（v=1～3 m/s），分區配水點分別設置為50、45、50 m[27]，模擬計算各個風速下內區配水量5%～95%時的出塔水溫和冷卻效率，具體內區配水量不再贅述。

3.2 分區配水對塔內空氣動力場和溫度場影響

圖4為v=3 m/s時，該塔X=0截面的均勻配水和分區配水空氣動力場。圖4a)為內區配水量占比60.68%，即均勻配水時的空氣動力場；圖4b)為內區配水量為65%時的空氣動力場。由圖4對比可以看出，內區配水量增加，導致塔中心區域的低風速區域有所增大，但是由于外區配水量減少，外界環境風更容易進入塔內部，空氣動力場更加均勻，有利于配水外區氣水間換熱。

圖4 X=0截面的均勻和分區配水空氣動力場 Fig.4 Aerodynamic field in cross section of X=0 in uniform and partition water distribution

圖5為風速v=3 m/s時，該塔配水區底部截面的均勻配水和分區配水溫度場。由圖5可以明顯看出，內區配水量增加會削弱中心區域氣水間傳熱傳質，導致塔中心出現高溫區。但是，由于外區配水量減少，配水外區風速增大，強化氣水間傳熱傳質，外區溫度明顯降低，出現環形低溫場。

圖5 配水區底部截面的均勻和分區配水溫度場 Fig.5 Temperature field in bottom section of the spray zone in uniform and partition water distribution

3.3 分區配水對冷卻性能的影響

以v=3 m/s為例，分析分區配水對出塔水溫、冷卻效率、通風量和蒸發損失的影響；同時，對比分析風速v=1～3 m/s分區配水和均勻配水的出塔水溫和冷卻效率。

冷卻效率和蒸發損失計算公式為：

式中：t1、t2分別為進、出塔水溫，℃；τ1為空氣濕球溫度，℃；G為通風量，kg/s；mw2和mw1和分別為出、進塔水蒸氣質量分數。

圖6為v=3 m/s時，出塔水溫和冷卻效率隨內區配水量占比的變化曲線。由圖6可見，隨內區配水量占比的增加，出塔水溫先降低后升高，冷卻塔的冷卻效率先增大后減小。這是因為內區配水量過小時，外區配水量較大，外界環境風較難進入塔內與冷卻水進行換熱，冷卻效率較低；隨著內區配水量增大，外界環境風更容易進入塔內實現氣水間換熱，提高冷卻效率；但是，當內區配水量過大時，外界環境風較難進入塔中心區域，并且風速較大的外區配水量過小，導致風水匹配不佳，冷卻效率降低。當內區配水量占比為65%時，出塔水溫最低為20.02 ℃，此時的冷卻效率最大為66.81%；相比于均勻配水（即內區配水量占比60.68%），出塔水溫降低了0.14 ℃，冷卻效率提高了0.82%。

圖6 出塔水溫和冷卻效率隨內區配水量變化曲線 Fig.6 Variation curves of outlet water temperature and cooling efficiency with water distribution in the inner zone

圖7為v=3 m/s時通風量和蒸發損失隨內區配水量占比的變化曲線。

圖7 通風量和蒸發損失隨內區配水量變化曲線 Fig.7 Variation curves of ventilation and evaporation loss with water distribution in the inner zone

由圖7可見，通風量呈先增加后減少的變化趨勢。這是因為最初內區配水量較小，隨著內區配水量增加，外區配水量減小，外界環境空氣更容易進入塔內，所以通風量增加。當內區配水量占比過大時，外界環境空氣很難到達內區，只能在外區與水進行換熱，所以通風量逐漸減小。此外，由式(14)可知，蒸發損失與通風量呈正比關系，因此，蒸發損失的變化趨勢亦是先增大后減小。

考慮到人體會因大量熱量損耗而出現低溫麻醉現象，本文增加了一個生命損失間接影響因素，即潰壩發生季節與水溫環境。具體的十個生命損失間接影響因素見表1。

根據各個風速的內區配水點和內區配水量，模擬計算得到風速v=1～3 m/s時的出塔水溫和冷卻效率如圖8和圖9所示。由圖8和圖9可見，風速v=1～3 m/s時，分區配水的出塔水溫均低于均勻配水，冷卻效率均高于均勻配水，表明在低風速下分區配水能有效提高冷卻塔效率。

圖8 出塔水溫隨風速的變化曲線 Fig.8 Variation curves of outlet water temperature with wind speed

圖9 冷卻效率隨風速的變化曲線 Fig.9 Variation curves of cooling efficiency with wind speed

4 結 論

1）在風速v=3 m/s工況下，分區配水改變了塔內空氣動力場和溫度場的分布。

2）風速v=3 m/s、內區配水點為50 m時，隨內區配水量占比的增加，出塔水溫先降低后升高，冷卻效率先增大后減小，通風量和蒸發損失先增大后減小。當內區配水量占比為65%時，出塔水溫最低為20.02 ℃，冷卻效率最大為66.81%，與均勻配水（內區配水量占比60.68%）相比，出塔水溫降低0.14 ℃，冷卻效率提高0.82%。

3）風速v=1～3 m/s時，分區配水的出塔水溫低于均勻配水，冷卻效率高于均勻配水。低風速下，分區配水能有效提高冷卻塔效率。