冷卻塔上方遮擋物投影面積對風阻及換熱效果的影響分析

張敬爭，蘇輝

（1.中節能（合肥）可再生能源有限公司，安徽 合肥 231602；2.合肥德泰科通測控技術有限公司，安徽 合肥 231602）

0 引言

冷卻塔類型多樣，目前，自然通風式冷卻塔應用最為普遍，在電力、空調等領域都廣泛使用，其運行穩定，易于維護，空氣通過逆流與水接觸，將熱量充分散發出去，達到降溫目的，在這個過程中，由于冷空氣升溫后密度降低，形成上升氣流，導致冷卻塔底部氣壓降低，對周圍產生吸力，推動上方空氣排出，形成循環運轉[1]。

自然通風式冷卻塔對環境影響較小，但是卻受環境影響很大，尤其是周圍遮擋物導致的環境側風，對冷卻塔內部流場分布都有影響，這就很容易在塔內產生各種空氣旋渦，導致空氣流向復雜錯亂，影響降溫效率和冷卻效能，如果一旦冷卻塔運行出現異常，將會出現凝汽器真空惡化，汽輪機溫度升高，導致低壓缸受熱膨脹，進而故障停機。因此在冷卻塔建立之初，就要充分考慮各類因素，降低環境影響，但是在目前國內外冷卻塔建立時，對未來考慮還不能做到十分精準的控制[2]。因此，許多冷卻塔都面臨著遮擋物帶來的一系列經濟損失問題，因此，研究并解決這些問題具有十分重要的現實意義。

1 冷卻塔風阻和換熱效果的研究現狀

自上世紀初冷卻塔出現并逐漸備受關注，在普及發展過程中，人們對冷卻塔運行的各類影響因素進行了大量的研究，也掌握了許多科學的建設設計方法，特別是不少專家學者都研究了關于風阻以及換熱對冷卻塔運行效率的影響。趙振國通過模型試驗，推導出進風口阻力計算公式，驗證了在進塔風量方向，以及周圍圍墻等遮擋物對氣流速度影響。但是模型試驗環境為靜態無風環境，相關參數與實際數據有較大出入。趙順安推導出了在雙系統下冷卻塔的吸力和換熱效能。Sarker通過實驗測量了在不同的進風、濕度、溫度時冷卻塔熱力性能，得出冷卻塔的換熱效率與空氣壓力降低正相關關系[3]。

在計算機技術的支持下，生態模擬成為了研究冷卻塔換熱效果的重要方法，有學者將其通過數字化模擬空管形態，注入等量氣流體，模擬冷卻塔工作過程，但是場景簡陋，不能正確反映流場分布和溫度變化。也有學者通過氣水相互作用，采取公式求值，研究壓降和熱傳遞系數，并根據影響因子判斷塔中心和塔外圍溫度差，得出冷卻塔換熱的主要形式是蒸發換熱。

根據當前學術研究現狀，可知大多專家學者僅僅針對進風對風阻和換熱進行研究，沒有對進風的影響因素，即周圍遮擋物帶來的進風變化進行研究。研究方法多是單純的模擬環境，沒有充分考慮環境因素。本文將從冷卻塔上方遮擋物投影面積對冷卻塔進風量影響分析，建立進風阻力模型，研究塔內換熱機理，找到對冷卻塔最重要的影響因素，并根據理論進行優化調整，提高冷卻塔工作效能[4]。

2 冷卻塔進風阻力研究

冷卻塔在純理論中，周圍環境保持一致的情況下，其進風量應當是均勻分布，線性通風，但是環境復雜多變，尤其是周圍遮擋物導致的環境側風，將會使冷卻塔通風量減少，進而降低冷卻性能，對此需要進行一定的環境優化，加裝一些防風措施，但是這些加裝設備也會反過來影響冷卻塔，因此，需要進行深入研究實驗，才能得到進風阻力優化方案，并為這一領域提供有價值的參考資料。

2.1 實驗準備

首先進行模型構建，根據冷卻塔實際參數，按照比例構建模型，實現幾何相似和動力相似。具體針對某300MW機組冷卻塔，構建1:400模型塔，塔底直徑為0.25m，進風口高度為0.025m，出風口直徑為0.15m，總高度為0.33m。

其次對模型塔上方加裝遮擋物，研究遮擋物面積、數量、角度、尺寸等對冷卻塔通風量的影響，冷卻塔采用機械馬達風機進行抽風，模擬自然進風狀態。遮擋物的布置也要充分考慮不同天氣環境以及安裝數量、角度、尺寸不同組合形式對進風氣流的影響。

2.2 實驗分析

通過模型反饋數據進行公式計算，結果顯示，當冷卻塔上方加裝遮擋物后，通風量和進風阻力明顯出現變化，并且不同遮擋物形狀、數量、角度都對通風量存在影響，在無環境側風情況下，冷卻塔通風量最大，當環境側風越來越大時，進風阻力越大，通風量逐漸降低，充分表明側風對冷卻塔工作的負面作用[5]。（1）遮擋物角度對風阻的影響，設遮擋物與水平線夾角為a，當a≥80°時冷卻塔的通風量的值達到最高水平，隨著夾角的不斷縮小，冷卻塔出風速率降低，進風量減小，當a趨近于0°時，塔的通風量最小，可以發現，a在80°及以上時，遮擋物對通風量影響保持較小波動，可以視為不變，當a小于80°時，隨著a的減小，進風阻力也在變大，通風量減少。由此可見，遮擋物的角度對通風量有直接影響。（2）遮擋物尺寸對風阻的影響，通過不同尺寸，以及不同加裝高度，可以發現，遮擋物尺寸大小和高度對進風阻力呈現線性關系，遮擋物尺寸長邊處于塔外，則進風阻力最大，高度越接近出風口，則對通風量影響越大，進風阻力也越大。（3）遮擋物數量對風阻的影響，在模型中加裝不同數量的遮擋物，冷卻塔進風阻力隨著數量的增多減小，并在加裝一定數量遮擋物后，進風阻力不變，可見遮擋物數量對風阻影響存在上限。

2.3 冷卻塔優化風阻分析

本次實驗僅針對模型進行采集數據，根據實驗可知，夾角、數量、尺寸都影響著進風阻力，另外遮擋物高度也對其有影響，在冷卻塔建造時，應該避免上方遮擋物影響，或者盡量降低其影響，應該采用具有一定傾斜角度、高度適宜、大小適中且少數量的遮擋物。同時，此次實驗僅對各個參數進行了單獨分析處理，不考慮對角度、數量、高度、大小等復合因素影響。實驗結果也只對風阻數據進行了分析，如果需要全面優化冷卻塔性能，還需要對其換熱效果進行研究。

3 冷卻塔換熱效果的影響分析

冷卻塔換熱效果與太陽輻射強度密切相關，根據實際考察冷卻塔運行狀態，發現，在太陽輻射強度一定時，通過換熱器的空氣流速與換熱率有會隨著環境溫度的升高產生變化。自然通風式逆流冷卻塔，在白天溫度較高時，冷卻效果會降低，此前有專家學者對換熱器的布置方式以及側風條件下冷卻效果進行了研究，對比了風干式冷卻塔、預冷式空冷塔和濕冷塔3種冷卻塔的冷卻性能。為了能夠深入研究冷卻塔上方遮擋物投影對換熱效果的影響，下面通過模擬實驗，對太陽輻射強度和環境溫度對其換熱性能的影響進行研究。

3.1 實驗方案

建立與實際數據吻合的小比例模型，并將其進行網格化區分，按照功能不同，分為冷卻塔塔身、換熱器、上方遮擋物、循環水路等模塊，其中遮擋物準備多個尺寸大小，在安裝布置時對其投影面積進行依此遞增布置。實驗原理是冷卻塔正常運轉，水通過管道進入換熱器中，外界流通空氣與水產生作用，帶走熱量并將其散發出去，通過換熱，降低冷卻水溫度，由于遮擋物的存在，導致太陽輻射強度變化，對內外氣壓差產生變化，氣壓差擴大為空氣流通提供了驅動力，增加了空氣流動，就強化了散熱，提高了冷卻效果。氣壓差縮小，則減低了空氣流動，換熱效果也就降低了。

3.2 實驗過程

將不同面積的遮擋物分別放置在冷卻塔的上方同一高度，外界環境也取白天晴朗天氣，固定時間段12:00—14:00，這個時間段太陽輻射最強，遮擋物對其影響也較大，可以有效降低其他環境因素干擾。在實驗過程中，重點觀察換熱器以及環境溫度變化情況，在換熱器上方、下方及中間分別布置熱電偶。

3.3 實驗結果

在忽視環境側風等其他環境因素影響情況下，根據實驗結果可知，不同環境溫度下冷卻塔空氣溫度增加趨勢與太陽輻射關聯，當遮擋物投影面積不變時，即太陽輻射強度不變時，由于環境溫度升高，塔內外的空氣溫差和密度差變小，空氣流動的驅動力降低，所以空氣流速變低，結果就是換熱器空氣流速隨著環境溫度升高而降低，例如，當環境溫度由15℃上升為30℃時，經公式計算，其空氣流速由0.22m/s降低為0.18m/s。環境溫度不變，遮擋物投影面積減少，即太陽輻射強度變大時，塔內空氣溫度越高，與外界空氣的溫度差和密度差越大，空氣流動的驅動力越大，導致通過換熱器的空氣流速越大。例如，在環境溫度等于25℃時，空氣流速由S=0W時的0.16m/s升到S=1000W時的0.25m/s。

在不同遮擋物實驗下，太陽輻射強度從無到有，換熱效率呈現出拋物線狀，根據實驗數據顯示，太陽輻射強度在13:00時達到峰值1200W/m2，換熱效果也隨著時間的變化先增大后減小，整體看，與太陽輻射強度變化趨勢保持一致。

4 結語

本文詳細研究了冷卻塔上方遮擋物對風阻及換熱效果的影響，并建立模型對具體數據進行詳細分析，進行實驗，探究遮擋物的角度、尺寸、數量、投影面積與風阻和換熱效果的關系曲線，證實遮擋物與水平線夾角大于85度，距離冷卻塔50厘米以上，投影面積8%以下，幾乎無風阻。為更好的提高冷卻塔運行效率提供了幫助和指導，未來，還將進行不同材料的遮擋物熱態試驗、冷態試驗，進一步揭示其對于冷卻塔產生作用的影響機理，為更好的建立冷卻塔的奠定了理論基礎。