逆流式冷卻塔內部空氣流場特性數值模擬與分析

譚小衛 劉文浩 劉桂雄

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逆流式冷卻塔內部空氣流場特性數值模擬與分析

譚小衛1劉文浩2劉桂雄2

（1.新菱空調（佛岡）有限公司 2.華南理工大學機械與汽車工程學院）

冷卻塔是循環冷卻系統的重要組成部分，針對逆流式冷卻塔熱質交換過程，采用-湍流、面射流、離散相、多孔介質和組分輸運等5種模型，分別實現噴淋區、填料區、雨區熱質傳遞數值模擬。結果表明：本文建立的模型出水溫度預測值與實際值偏差在±4.2%以內，并發現逆流式冷卻塔填料區的風速在靠近內壁區域比中間區域高，且越靠近進風口的填料層卡門渦街現象越明顯，進風口靠近塔內壁處和塔底部集水盤附近存在低速氣流區。

逆流式冷卻塔；空氣流場；數值模擬

0 引言

冷卻塔作為末端冷卻裝置，是循環冷卻系統的重要組成部分，在工廠、空調系統、能源生產行業廣泛應用[1]。逆流式冷卻塔內水與空氣流動方向相反、相對速度較大、熱交換效率高，但填料體積小且風阻較大[2]。

逆流式冷卻塔內部特性是其優化控制的基礎與理論指導，當前主要采用黑箱建模和數值模擬2種方法進行研究。張春蕾等（2011）在Merkel方程求解過程中引入Simpson數值積分公式，歸納出冷卻塔熱力性能評價指標經驗公式[3]；Asvapoositkul Wanchai等（2012）根據質量蒸發速率方程，提出一種不需測定空氣流率的濕式冷卻塔性能預測方法，可實現冷卻塔設計條件下熱力性能評估[4]。在數值模擬方面，浙江大學能源清潔利用國家重點實驗室（2013）基于冷卻塔內兩相傳熱傳質理論，發現冷卻塔中心區域濕空氣速度較小，換熱效率較差的特性[5]；葉必朝等（2016）建立了逆流式冷卻塔熱質交換過程仿真模型，實現空氣干濕球溫度、冷卻水流量與水溫對冷卻塔換熱量影響分析[6]；國核電力規劃設計研究院（2016）建立超大型冷卻塔冷態氣流阻力試驗模型，提出了逆流式冷卻塔進風口區域阻力系數計算公式[7]。由上述可見，數值模擬技術在冷卻塔換熱特性研究中逐漸成為主流[8-9]。本文針對開式逆流冷卻塔的熱交換過程，提出一種CFD數值模擬方法，重點研究其熱交換過程的塔內空氣速度分布，以期為冷卻塔的優化控制提供理論指導。

1 逆流式冷卻塔工作機理與數值模擬策略

1.1 逆流式冷卻塔工作機理

冷卻水在熱交換器中進行熱交換，帶走工業或生活廢熱，溫度上升；高溫冷卻水經由進水泵進入冷卻塔，由布水器將水均勻分布于冷卻塔內，經一段時間的落體運動之后，以水滴的形式進入冷卻塔填料中；冷卻水填料中下落過程沿著波紋組織像裂變一樣將水流不斷細分，實現熱交換面積較大的強制對流熱質交換；最后，低溫冷卻水流出填料，進入集水池，由出水泵再次輸送回熱交換器中。圖1為逆流式冷卻塔工作原理圖。逆流式冷卻塔發生熱質交換的3個主要區域為：噴淋區、填料區和雨區。其中填料區可完成整個冷卻塔降溫能力的75％~85％，雨區換熱量占總傳熱的10％~20％，噴淋區換熱量最少，僅占總換熱量的百分之幾。為實現逆流式冷卻塔準確的數值模擬，關鍵是對冷卻塔內布水過程，噴淋區、填料區與雨區熱質交換過程進行準確建模。

1.2 逆流式冷卻塔數值模擬策略

由于研究對象冷卻水在整個熱質交換的過程中具有多種情況，其數值模擬也應采用不同的數學模型：1) 在冷卻水進入布水器前，其在水管中以湍流的形式輸送至布水器，故采用可以準確描述流體流動特性的湍流模型；2) 在冷卻水進入布水器的噴淋過程中，流體以雷諾數Nu較大的情況從管口射出，與周圍空氣混合，在重力作用下流動，故應使用考慮重力影響的面射流模型，模擬冷卻水噴淋過程；3) 當冷卻水在噴淋區達到穩定時，其以水滴形式受重力影響下降，水流不連續采用經典的連續相模型計算會存在較大誤差，必須引入考慮重力影響的離散相模型模擬該過程；4) 冷卻水在填料區中，像裂變一樣不斷細分，實現熱交換面積較大的強制對流熱質交換，故應采用多孔介質模型描述填料、組分輸運模型計算冷卻水與濕空氣間的熱質交換；5) 冷卻水離開填料進入雨區，其過程與噴淋區穩定時一致，也采用考慮重力影響的離散相模型；6) 進入集水池后，水流連續，但雷諾數Nu較小，應考慮雷諾數影響，選擇使用湍流模型或層流模型。上述步驟1)~6)為整個冷卻塔數值模擬策略。具體采用模型及作用如表1所示。

逆流式冷卻塔數值模擬模型與邊界條件示意圖如圖2所示，建模的關鍵參數包括：冷卻水塔塔體長、寬、高；布水器位置、尺寸、數量；填料長、寬、高與間隔；冷卻水入水口、出水口規格尺寸；入風口、出風口規格尺寸。同時在冷卻水入水口、出水口，入風口、出風口作為求解器的邊界條件，設置冷卻水入水速度、溫度、壓力，出水壓力；入風壓強、溫度、濕度，出風速度、壓強進行模型的求解。

圖1 逆流式冷卻塔工作原理圖

表1 數值模擬采用模型

圖2　逆流式冷卻塔數值模擬模型與邊界條件示意圖

根據上述總體思路，冷卻塔內熱質傳遞過程非常復雜，為提高數值模擬效率，需進行下述簡化：1) 冷卻塔內傳熱傳質是一個穩態和穩態流動過程；2) 傳熱和傳質的區域是相同的；3) 冷卻塔塔壁不與外界發生熱交換；4) 水膜溫度等于填料水平同一高度水溫；5) 濕空氣比熱和水的汽化熱保持恒定；6) 水漂損失對傳熱傳質的影響可忽略不計；7) 不考慮空氣在進入冷卻塔前達到飽和狀態的情況；8) 在填料任意中間橫截面，空氣和水溫度均勻分布。

2 冷卻塔熱質傳遞模型

2.1 連續相（濕空氣）控制方程

若負荷穩定且外圍環境參數不變時，冷卻塔內是一個穩態流動過程[10]。設濕空氣密度、速度矢量，廣義擴散系數、廣義源相，空氣和水滴間的相互作用產生的附加源項，以通用變量表示各向速度分量。則連續相控制方程為

考慮到冷卻塔運行時，氣液間存在傳熱傳質，在流場仿真時須激活組分輸運模型和能量方程組。設有效導熱系數eff、組分的質量擴散流量J、生成速率R、交換系數、質量分數m，則組分方程、能量方程分別為：

(2)

2.2 離散相（水滴）控制方程

采用離散相模型建立拉格朗日坐標系以求解水滴軌跡及兩相間的質量傳遞、動量傳遞和能量交換。

2.2.1 水滴軌跡計算

設水滴的運動時間、運動軌跡r瞬間速度u，則水滴運動方程為

根據拉格朗日坐標系下，運動方程涉及水滴軌跡的速度。水滴的軌跡通過所定義的在笛卡爾坐標系方向上水滴合力的平衡來預測，即水滴受到曳力、浮力與其他力之和等于動量導數，設水滴顆粒密度ρ，連續相速度，則有

(5)

2.2.2 水滴、濕空氣間熱質傳遞計算

根據水滴內發生的顯熱變化與水滴、空氣間發生的對流和蒸發熱量傳遞的熱量平衡，設微元內氣相干球溫度T(K)、水滴溫度T(K)、水滴表面積A(m2)和水滴質量M；傳熱系數(W/m2·K)、水的蒸發潛熱h，則水滴溫度變化表示為

傳質系數，水滴顆粒表面水蒸氣摩爾濃度C、濕空氣中蒸氣摩爾濃度C、水的摩爾質量，則水滴顆粒的蒸發速率為

(7)

設蒸發擴散系數D、空氣導熱系數k，傳熱、傳質系數可通過努賽爾關系式得到

其中，Nu為Nusselt數；Pr為濕空氣（連續相）Prandtl數。

2.3 離散相和連續相耦合控制方程

水滴流遵循與周圍空氣相同的軌跡所造成的熱量、質量和動量獲得或損失，源項被計算并納入到隨后的空氣相項計算中。

其中，M,0為水滴初始質量；M,av為控制體內水滴的平均質量；?T為溫度變化；?M為質量變化；m,0為水滴初始質量流率；為水滴比熱；c為水蒸氣比熱；?為時間步長。

式(8)就是面射流模型、離散相模型、組分輸運模型的整合，而湍流模型、多孔介質模型、層流模型是非常成熟的模型，在Fluent中可以直接調用，本文不再贅述。

3 仿真結果與分析

仿真對象選擇CEF-A系列玻璃鋼逆流方形冷卻塔，按照初始條件如表2所示。

表2 仿真對象初始條件

Fluent求解器需進行以下設置：1) 采用方程求解濕空氣熱力與流動特性；2) 控制微分方程的離散化采用有限容積法，控制方程的對流項采用二階迎風離散格式；3) 采用經典Simple算法求解離散形式的控制方程，使用亞松弛因子對計算精度與迭代速度進行控制，亞松弛因子取值在0.3~0.7之間。

根據前面建立的CFD模型及分析的Fluent求解器內設置，完成邊界條件設置及用戶自編程序導入后，運行求解器，得到冷卻塔內空氣速度矢量圖及速度分布圖如圖3、圖4所示。

圖3 冷卻塔內空氣速度分布矢量圖

圖4 冷卻塔內空氣速度分布圖

由圖3、圖4可以看出，在逆流濕式冷卻塔中，空氣以－45°從塔底部兩側進風口流入塔內。由于填料效果采用差排方式近似模擬其對空氣的效果，顯示填料區存在繞流，可近似認為填料區波紋狀組織附近空氣流速較大，流速約為4.5 m/s。離開填料區域后，空氣流速降低并逐漸趨于均勻穩定。接近出口速度約為3.0 m/s。填料區波紋狀組織附近的繞流使填料區內水膜與空氣充分進行熱質交換。填料區同一水平面上不同位置的風速不同，風速在靠近內壁區域比中間區域高。在不同水平面上，越靠近進風口的填料層風速越高，繞流越明顯。填料底部的風速最大值為6.5 m/s，填料頂部風速最大值為5.2 m/s。而且，由于進風方向成－45°使塔進風口上靠近塔內壁處和塔底部集水盤附近形成了一個低速氣流區。

利用搭建的試驗平臺，采集逆流濕式冷卻塔不同運行工況下進水量、進風量、干球溫度、濕球溫度、進水溫度、出水溫度的5組實驗測量值，并與相應的仿真出水溫度值進行對比，如表3所示。可以看出本文建立的模型出水溫度預測值與實際值偏差在±4.2%以內。

表3 冷卻塔仿真模型驗證

4 結論

1) 針對逆流式冷卻塔工作流程，通過假設冷卻塔內熱質交換是穩態、穩態流動過程，熱質交換的區域是相同的，在填料任意中間橫截面，空氣和水溫度均勻分布，簡化熱質傳遞數學模型，分別實現噴淋區、填料區、雨區熱質傳遞數值模擬。

2) 經數值模擬發現，逆流式冷卻塔填料區風速在靠近內壁區域比中間區域高，越靠近進風口的填料層風速越高、卡門渦街現象越明顯，進風口上靠近塔內壁處和塔底部集水盤附近存在低速氣流區。若在冷卻塔優化控制時注意以上現象，將可提供優化控制的效果。

[1] Grobbelaar P J, Reuter H C R, Bertrand T P. Performance characteristics of a trickle fill in cross and counter-flow configuration in a wet-cooling tower[J]. Applied Thermal Engineering, 2013, 50(1): 475-484.

[2] Sirena J A. Electrical-fluid dynamic performance of mechanical draft water cooling towers[J]. Applied Thermal Engineering, 2013, 54(1): 185-189.

[3] 張春蕾,丁琦,魏巍.濕式機械通風逆流冷卻塔冷卻能力檢測[J].暖通空調,2011,41(9):79-81.

[4] Asvapoositkul W, Treeutok S. A simplified method on thermal performance capacity evaluation of counter flow cooling tower[J]. Applied Thermal Engineering, 2012, 38(38): 160- 167.

[5] 張東文,張宇陽.超大型自然通風冷卻塔進風口區域阻力特性研究[J].中國水利水電科學研究院學報,2016,14(5):328- 333.

[6] 葉必朝,吳振宏.逆流式冷卻塔熱力過程建模與仿真[J].低溫與超導,2016,44(4):89-92.

[7] 鄭水華,金臺,羅坤,等.逆流式自然通風冷卻塔熱力性能的三維數值模擬[J].中南大學學報(自然科學版),2013,44(9): 3898-3903.

[8] 劉桂雄,劉文浩,洪曉斌,等.基于TBVMC濕式冷卻塔熱力性能快速評估方法[J].中國測試,2014,40(6):1-5.

[9] 劉文浩.基于CFD逆流濕式冷卻塔熱力性能監控系統與遠程監控平臺[D].廣州:華南理工大學,2016.

[10] 魏明陽.自然通風逆流濕式冷卻塔結構優化方案的數值研究[D].北京:華北電力大學,2015.

Numerical Simulation and Analysis of Air Flow Field Characteristics inside Countercurrent Cooling Tower

Tan Xiaowei1Liu Wenhao2Liu Guixiong2

(1.SINRO (Fogang) Air-conditioning & Cooling Equipment Co., Ltd. 2.School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology)

Cooling tower is a most important part of cooling system. An exchange process model for counter flow cooling tower was established up by using 5 kinds of models, such asturbulence, jet flow, discrete phase, porous medium, and component transport. Numerical simulation were designed for spray area, filling area, and heat transfer area respectively. Result show that the predictive value of deviation within 4.2%, and found that the wind cooling tower in the filling area close to the inner wall area than the middle area, the closer to the packing layer of the air inlet and the Carmen vortex phenomenon more obvious, on the air inlet near the inner wall of the tower and the tower bottom water collecting tray there is a low velocity flow area.

Counter Flow Cooling Tower; Air Flow Field; Numerical Simulation

譚小衛，女，1971年生，本科，高級工程師，主要研究方向：智能測量與節能控制技術。

劉文浩，男，1990年生，碩士研究生，主要研究方向：CFD數值模擬技術與應用。

劉桂雄，男，1968年生，教授，主要研究方向：先進傳感器技術與應用。