側(cè)風對于自然通風逆流濕式冷卻塔傳熱傳質(zhì)影響機制的研究.pdf

1、自然通風逆流濕式冷卻塔作為有效的冷卻設備，廣泛用于電站熱力系統(tǒng)循環(huán)水的冷卻，其冷卻性能直接影響電站冷端系統(tǒng)的安全經(jīng)濟高效運行。冷卻塔內(nèi)氣-水兩相間復雜的傳熱傳質(zhì)極易受環(huán)境空氣溫度、濕度及側(cè)風的影響。環(huán)境側(cè)風可破壞無側(cè)風時塔內(nèi)軸對稱的空氣動力場，引起冷卻塔進風口風速周向分布不均，弱化冷卻塔傳熱傳質(zhì)，對電站熱力系統(tǒng)的高效節(jié)能運行產(chǎn)生不利影響。冷卻塔傳熱傳質(zhì)區(qū)由配水區(qū)、填料區(qū)和雨區(qū)組成，因各區(qū)在塔內(nèi)的位置及其結(jié)構(gòu)的不同，側(cè)風對各區(qū)傳熱傳質(zhì)有著

2、不同的影響機理。為明確環(huán)境側(cè)風對冷卻塔傳熱傳質(zhì)的影響機制，以更為有效地提高冷卻塔冷卻性能，有必要針對環(huán)境側(cè)風對塔內(nèi)各區(qū)傳熱傳質(zhì)的影響機理進行深入地系統(tǒng)研究。 本文建立了側(cè)風條件下自然通風逆流濕式冷卻塔傳熱傳質(zhì)分析的三維數(shù)值計算模型，對側(cè)風條件下冷卻塔空氣動力場及塔內(nèi)氣-水兩相間的傳熱傳質(zhì)進行了三維數(shù)值計算，研究了側(cè)風對冷卻塔各區(qū)傳熱傳質(zhì)及其冷卻性能的影響機理，以及側(cè)風條件下導風板、十字隔墻等控風方案的作用機理及其耦合。并基于冷卻

3、塔的熱態(tài)模型試驗和現(xiàn)場運行試驗，對所建三維數(shù)值計算模型進行了驗證，為側(cè)風下冷卻塔冷卻性能評價理論模型的建立奠定了基礎。主要研究工作如下： （1）側(cè)風條件下，冷卻塔氣-水兩相間傳熱傳質(zhì)數(shù)學模型的完善?；谒?nèi)氣-水兩相間傳熱傳質(zhì)的基本原理，分析了氣-水間對流傳熱和對流傳質(zhì)的類似性，指出了冷卻塔傳熱傳質(zhì)傳統(tǒng)數(shù)學模型的不足，其中一維模型和二維模型無法考慮環(huán)境側(cè)風的影響，已有三維模型采用水滴代替水膜近似模擬填料區(qū)傳熱傳質(zhì)，降低了側(cè)風下冷

4、卻塔傳熱傳質(zhì)性能計算分析的準確性。本文修正了冷卻塔內(nèi)空氣和水物性參數(shù)的計算方法，充分考慮了側(cè)風條件下塔內(nèi)空氣和水兩相溫度、速度、含濕量等參數(shù)的三維分布對局部傳熱傳質(zhì)的影響，在側(cè)風條件下引入了修正的Lef因子關(guān)聯(lián)式實現(xiàn)了填料區(qū)空氣和水膜間對流傳熱系數(shù)和對流傳質(zhì)系數(shù)計算的三維關(guān)聯(lián)，參考離散相模型計算了空氣和水滴兩相間的對流傳熱系數(shù)和對流傳質(zhì)系數(shù)，在側(cè)風條件下建立了完善的塔內(nèi)氣-水兩相間傳熱傳質(zhì)的三維數(shù)學模型，為研究側(cè)風對冷卻塔傳熱傳質(zhì)的影響

5、機制奠定了理論基礎。 （2）側(cè)風條件下，自然通風逆流濕式冷卻塔傳熱傳質(zhì)分析三維數(shù)值計算模型的建立。結(jié)合側(cè)風條件下塔內(nèi)氣-水兩相間傳熱傳質(zhì)的三維數(shù)學模型，采用標準κ-ε湍流模式和標準壁面函數(shù)法分別對空氣運動控制方程進行湍流封閉和近壁區(qū)處理，建立了側(cè)風條件下冷卻塔傳熱傳質(zhì)分析的三維數(shù)值計算模型。結(jié)合實測側(cè)風工況，驗證了所建三維數(shù)值計算模型的正確性，對計算結(jié)果進行了網(wǎng)格獨立性的考核，得到了與網(wǎng)格無關(guān)的數(shù)值解，研究了側(cè)風廓線指數(shù)和雨滴當

6、量直徑等關(guān)鍵參數(shù)對計算結(jié)果的影響，結(jié)果表明所建三維數(shù)值計算模型可準確分析研究環(huán)境側(cè)風對自然通風逆流濕式冷卻塔傳熱傳質(zhì)的影響機制。 （3）環(huán)境側(cè)風對冷卻塔傳熱傳質(zhì)影響機理的研究。結(jié)合實測側(cè)風工況，從數(shù)值計算的角度研究了側(cè)風對冷卻塔雨區(qū)橫截面空氣動力場、縱剖面空氣動力場的影響，引入了橫向通風量、縱向通風量和總體進風量等概念，為分析環(huán)境側(cè)風對冷卻塔各區(qū)傳熱傳質(zhì)的影響機理創(chuàng)造了理論條件。 （4）環(huán)境側(cè)風對于冷卻塔進風口空氣動力場

7、影響機理的研究。由環(huán)境側(cè)風對進風口徑向壓力梯度和徑向進風風速周向分布的影響，分析研究了橫向通風量出現(xiàn)的原因和縱向通風量降低的機理。 （5）側(cè)風條件下，導風板控風方案對冷卻塔進風口空氣動力場及塔內(nèi)各區(qū)傳熱傳質(zhì)影響機理的研究。結(jié)合實驗數(shù)據(jù)，從數(shù)值計算的角度研究了導風板對冷卻塔各區(qū)平均傳熱系數(shù)和平均傳質(zhì)系數(shù)、各區(qū)冷卻水溫降及冷卻水總溫降等性能參數(shù)的影響。指出導風板可有效改善冷卻塔進風口空氣動力場，實現(xiàn)側(cè)風下填料區(qū)傳熱傳質(zhì)的強化，從而可

8、在側(cè)風條件下有效提高冷卻塔總體冷卻性能。 （6）側(cè)風條件下，雨區(qū)十字隔墻對冷卻塔各區(qū)傳熱傳質(zhì)影響機理的研究。結(jié)合實驗數(shù)據(jù)，從數(shù)值計算的角度研究了不同形式的十字隔墻，在不同風速的外界側(cè)風作用下，在不同的安裝位置時，對于塔內(nèi)各區(qū)傳熱傳質(zhì)的影響機理，獲得了最佳的十字隔墻安裝位置與最佳的十字隔墻形狀。 （7）側(cè)風條件下，導風板與十字隔墻兩種控風方案對冷卻塔冷卻性能耦合作用的研究。結(jié)合實驗數(shù)據(jù)，從數(shù)值計算角度，分析了導風板和十字隔

9、墻對冷卻塔冷卻性能的耦合作用：對于帶十字隔墻的冷卻塔，導風板可實現(xiàn)冷卻塔總體冷卻性能的強化；對于已安裝導風板的濕式冷卻塔，間隙十字隔墻對冷卻塔總體冷卻性能的影響與無導風板時的情況基本近似。 （8）側(cè)風作用下濕式冷卻塔的熱態(tài)模型實驗研究和現(xiàn)場運行實驗研究。通過實驗室冷卻塔的熱態(tài)模型試驗，在無導風板、有導風板、無十字隔墻、有十字隔墻、導風板與十字隔墻并存、十字隔墻布置方式和形狀變化、進塔水量變化和進塔水溫變化等不同條件下，分析了側(cè)風

10、對模型塔冷卻性能的影響規(guī)律，并與所建三維數(shù)值計算模型針對實型塔的相關(guān)數(shù)值計算分析進行了對比，驗證了側(cè)風條件下冷卻塔冷卻性能相關(guān)數(shù)值計算分析的正確性。通過已采用導風板冷卻塔的現(xiàn)場試驗和數(shù)值計算分析，進一步驗證了所建濕式冷卻塔三維數(shù)值計算模型的正確性。對比相同氣象條件下運行的無導風板冷卻塔現(xiàn)場試驗，進風口進風相對偏離度的實驗數(shù)據(jù)表明側(cè)風條件下導風板控風方案可實現(xiàn)冷卻塔進風口空氣動力場的優(yōu)化。 （9）側(cè)風條件下，自然通風逆流濕式冷卻塔

11、冷卻性能評價理論模型的建立。分析了冷卻塔常規(guī)設計和性能評價方法，指出常規(guī)方法未考慮環(huán)境側(cè)風影響。研究了側(cè)風條件下冷卻塔冷卻數(shù)、冷卻特性數(shù)、當量通風量以及總體阻力系數(shù)等的確定方法，并基于形體阻力的概念，分析了冷卻塔各部分阻力系數(shù)，提出了與側(cè)風影響下冷卻塔空氣動力場結(jié)構(gòu)有關(guān)的冷卻塔流場結(jié)構(gòu)阻力系數(shù)，建立側(cè)風條件下冷卻塔冷卻性能評價的理論模型，給出了性能評價指標，實現(xiàn)了相同氣象條件下運行的冷卻塔冷卻性能的橫向比較，并結(jié)合工程實例進行了性能評價