濕式冷卻塔進風(fēng)口加裝導(dǎo)風(fēng)板的優(yōu)化設(shè)計

金琦凡 王宏光

摘要：基于兩相流傳熱傳質(zhì)理論，利用Fluent 軟件模擬300 MW 機組冷卻塔填料區(qū)使用多孔介質(zhì)時的通風(fēng)率，采用離散相模型（DPM ）在配水區(qū)上表面加入熱水，模擬研究新型旋流型葉片導(dǎo)風(fēng)板的優(yōu)化能力，給定不同弧度及安裝角，分別在0、3和7 m · s?1風(fēng)速下計算冷卻塔出塔水溫，并分析側(cè)風(fēng)對冷卻塔冷卻性能的影響。研究結(jié)果表明：加裝導(dǎo)風(fēng)板可以降低側(cè)風(fēng)引起的不利影響，導(dǎo)風(fēng)板數(shù)量為50塊時效果最好，旋流型葉片導(dǎo)風(fēng)板的最佳安裝角為20°，此時旋流型葉片的最佳弧度為15°，最大溫降可達0.7874 K。研究結(jié)果為火電廠選擇導(dǎo)風(fēng)板提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)風(fēng)板;側(cè)風(fēng);數(shù)值模擬;多孔介質(zhì);冷卻塔

中圖分類號： TK124??? 文獻標志碼： A

Optimal design of air deflector installed in the wet cooling tower

JIN Qifan，WANG Hongguang

（School of Energy and Power Engineering/Shanghai Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer in PowerEngineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract：Based on the heat and mass transfer of two-phase flow， the ventilation rate of packing area with porous media in the cooling tower of 300 MW unit was simulated using Fluent software. The optimization of new type of swirl vane air deflector under different radians and installation angles was simulated using the discrete phase model （DPM） combined with adding hot water on the surfaceof water distribution zone. The outlet water temperature of the cooling tower at the air velocity of50.?The optimum installation angle of swirl vane deflector was 20°.?Meanwhile the optimum radian of the swirl vane was 15°.?And the maximum temperature drop of 0.787 4 K was achieved at last. The research results could provide a theoretical basisforthe selection of air deflectorin the power plant.

Keywords：air deflector; crosswind; numerical simulation; porous media; cooling tower

自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔是一種大型空間薄壁開口結(jié)構(gòu)，是火電廠熱力循環(huán)中重要的冷端設(shè)備。近年來隨著用電負荷急劇增加，能源日益緊張，冷卻塔的節(jié)能潛力巨大。冷卻性能受環(huán)境因素影響，尤其是受環(huán)境側(cè)風(fēng)的影響。冷卻塔性能差會使循環(huán)冷卻水的溫度升高，導(dǎo)致凝汽器真空度下降，汽輪機效率降低，最終使機組發(fā)電煤耗增加，影響電廠熱效率[1–4]。以300 MW 機組冷卻塔為例，出塔水溫每提高1 C，其效率降低0.23%，發(fā)電標準煤耗增加0.738 g·（kW ·h）?1。

趙元賓等[5]對風(fēng)速廓線指數(shù)和雨滴當量直徑進行了敏感性分析，結(jié)果表明，側(cè)風(fēng)造成進風(fēng)口進風(fēng)相對偏離度增大，從而影響冷卻塔冷卻性能。周蘭欣等[6]基于Poppe熱質(zhì)交換模型以及 Fluent 軟件自定義源項方法，建立了比較完善、適用的冷卻塔數(shù)值求解模型，并對不同風(fēng)速下塔內(nèi)外空氣動力場進行了研究。 Al-Waked 等[7]發(fā)現(xiàn)在冷卻塔內(nèi)部加裝十字隔墻可以改善由于側(cè)風(fēng)引起的冷卻塔冷卻性能下降問題，并提出了新型的防風(fēng)墻措施。Al-Waked 等[8–10]采用標準的 k?ε模型對不同運行工況下的冷卻塔進行了傳熱傳質(zhì)模擬，發(fā)現(xiàn)在冷卻塔內(nèi)放置多孔性固體墻可以改善冷卻塔冷卻性能。金童等[11]對冷卻塔加裝導(dǎo)風(fēng)板進行了數(shù)值模擬，分析了安裝角對冷卻塔冷卻性能的影響。

當前文獻研究的導(dǎo)風(fēng)板均為直板型，針對導(dǎo)風(fēng)板的形狀、結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的研究還很少，故本文將對導(dǎo)風(fēng)板的形狀、弧度、數(shù)量及安裝角等進行優(yōu)化設(shè)計，分析在環(huán)境側(cè)風(fēng)影響下，不同導(dǎo)風(fēng)板結(jié)構(gòu)參數(shù)對冷卻塔冷卻性能的影響。

1計算方法

1.1連續(xù)相控制方程

自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔內(nèi)，在配水區(qū)、雨區(qū)及填料區(qū)采用離散相模型模擬冷卻塔的流場，其中：水滴作為離散相，采用拉氏法求解;空氣作為連續(xù)相，采用歐拉法求解。在離散型中選擇蒸發(fā)模型，填料區(qū)的阻力采用多孔介質(zhì)模型進行計算。

空氣作為連續(xù)相，在機組工況穩(wěn)定運行時，將塔內(nèi)外的流場當作穩(wěn)態(tài)進行計算，控制方程的通用形式[12]為

?·（ρui??Γ???）= S ?+ S p?

式中：ρ為空氣密度， kg · m?3;ui為各方向速度矢量，m · s?1;?為通用變量，可代表各方向速度分量（ u 、v 、w ）和溫度 T 及動能 k 和湍流耗散率ε;Γ?為廣義擴散系數(shù);S ?為濕空氣中所含水滴蒸發(fā)的質(zhì)量匯;S p?為因濕空氣和水滴相互作用的額外源項;?為微分算子。

1.2離散相控制方程

在自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔內(nèi)，冷卻水以水滴的形式自由下落，附著在填料層上成為模態(tài)流動，與空氣進行熱交換。其換熱形式主要以水氣接觸對流換熱和冷卻水蒸發(fā)換熱為主，塔內(nèi)輻射換熱量很小，可忽略不計。

將水滴作為離散相，計算水滴的軌跡、質(zhì)量、動量和能量傳遞。在配水區(qū)及雨區(qū)，冷卻水以水滴的形式自由下落，水滴的溫度可通過其熱

平衡得出。熱平衡的計算式將水滴的焓變與兩相流的對流傳熱和汽化潛熱聯(lián)系起來[13]，即

Mp cp = hAp （Tadb? Tp）+hfg???? （2）

式中：Mp為水滴質(zhì)量， kg; cp為水滴比熱， J ·（ kg·K ）?1;Tp為水滴溫度， K ; t 為時間， s; h為對流傳熱系數(shù)，W ·（m2?K ）?1;Ap為水滴表面積，m2;Tadb為單元內(nèi)氣相干球溫度， K ;hfg為液體的汽化潛熱， J ·g?1。

1.3填料區(qū)多孔介質(zhì)模型

在填料區(qū)使用多孔介質(zhì)模型，通過定義黏性慣性阻力系數(shù)及孔隙率，模擬流體流過填料層所受的阻力及通風(fēng)率，根據(jù)經(jīng)驗公式（Darcy 定律）確定系數(shù)大小。本文中采用 Ergun 模型，并在動量方程中增加一個源項，源項代表動量消耗，公式為

式中： S i為i方向（x，y ，z ）的動量源項; D 和 C 是規(guī)定的矩陣; u為流體動力黏度， m2· s?1; v為空氣速度， m · s?1。

本文中孔隙率為0.85，y 向慣性阻力系數(shù)為14，x 向和 z 向慣性阻力系數(shù)為均171。

空氣流經(jīng)配水區(qū)及雨區(qū)時所受阻力可通過編寫用戶自定義函數(shù)（ UDF ）計算。單位體積雨滴對空氣造成的阻力[14–16]為

Fx =? CdRedvx?? （4）

Fy =? CdRed （vy+ vw） （5）

Fz =? CdRedvz?? （6）

式中： q為淋水密度， t ·（m2· h）?1;vx、vy、vz分別為空氣3個方向的速度， m · s?1;vw為水滴的下落速度，m · s?1;dp為水滴直徑，m;ρw為水的密度，kg · m?3;Red為濕空氣相對于球形雨滴運動的雷諾數(shù); Cd為球形雨滴的阻力系數(shù)。

2物理模型及邊界條件

2.1模型建立

本文以300 MW 機組冷卻塔為模擬對象。采用雙曲線型冷卻塔風(fēng)筒，并采用 SolidWorks 軟件按照冷卻塔實物尺寸繪制幾何模型。為便于模擬，對冷卻塔進行一定的簡化。簡化后的冷卻塔結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

在建立計算域時，認為計算域邊界空氣僅沿水平方向流動。定義風(fēng)速所在方向為 x 軸，在環(huán)境狀況和機組運行穩(wěn)定時，塔內(nèi)外的空氣流場也處于穩(wěn)態(tài)。計算區(qū)域邊界條件如圖1所示。計算區(qū)域高為500 m，約為冷卻塔本身高度的5倍;計算區(qū)域半徑為500 m，約為冷卻塔進風(fēng)口半徑的10.76倍。流體入口采用速度入口邊界條件，出口采用壓力出口邊界條件，表壓為0 Pa。工況參數(shù)通過實測得到，環(huán)境干球溫度為301.32 K，大氣壓力為98.1 kPa，進塔水溫為311 K，進塔水質(zhì)量流量為15000 kg· s?1，水滴直徑為5 mm，相對濕度為73%。

2.2網(wǎng)格劃分

采用 ICEM 軟件建立混合網(wǎng)格。冷卻塔網(wǎng)格示意圖如圖2所示。由于冷卻塔傳熱傳質(zhì)主要集中在配水區(qū)、填料區(qū)和雨區(qū)，故冷卻塔內(nèi)部采用結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格劃分，環(huán)境區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，模型網(wǎng)格總數(shù)約為100萬。網(wǎng)格劃分時不考慮導(dǎo)風(fēng)板的厚度，對塔筒內(nèi)、外網(wǎng)格做邊界層處理，以準確模擬塔筒周圍流場。對導(dǎo)風(fēng)板進行網(wǎng)格加密處理，以便準確模擬導(dǎo)風(fēng)板邊界層厚度，避免出現(xiàn)塔底進風(fēng)口阻力過大的現(xiàn)象。

3計算結(jié)果分析

3.1工況設(shè)置

對新型旋流型葉片導(dǎo)風(fēng)板進行數(shù)值模擬，并將其與目前常用的直板型導(dǎo)風(fēng)板進行分析、比較。對不同弧度及安裝角的旋流型葉片導(dǎo)風(fēng)板分別模擬計算出塔水溫，弧度分別為15°、30°、45°、60°，安裝角分別為0°、20°、30°、40°。圖3為旋流型葉片導(dǎo)風(fēng)板示意圖。表2為葉片導(dǎo)風(fēng)板計算工況。采用無風(fēng)（0 m· s?1）、低風(fēng)速（3 m· s?1）及高風(fēng)速（7 m· s?1）三種工況，以模擬不同環(huán)境風(fēng)速下導(dǎo)風(fēng)板的優(yōu)化效果。

3.2導(dǎo)風(fēng)板數(shù)量優(yōu)化

導(dǎo)風(fēng)板數(shù)量的選取會影響冷卻塔冷卻性能，而不同尺寸冷卻塔的最佳導(dǎo)風(fēng)板數(shù)量并不唯一，故本文中選取直板型導(dǎo)風(fēng)板，并分別在0、3、7 m· s?1風(fēng)速下，加裝10、20、30、40、50、60塊導(dǎo)風(fēng)板，以模擬最優(yōu)導(dǎo)風(fēng)板數(shù)量。導(dǎo)風(fēng)板均在雨區(qū)外圍相隔同等距離安裝，安裝角均為徑向（安裝角為0°）。不同導(dǎo)風(fēng)板數(shù)量 N 時的出塔水溫 t2和溫降Δt如圖4所示，其中溫降指加裝導(dǎo)風(fēng)板時的出塔水溫與未加裝導(dǎo)風(fēng)板時的出塔水溫相比的下降值。

水滴通過配水區(qū)進入填料層再進入雨區(qū)。提取降落到雨區(qū)底部的水滴平均溫度作為出塔水溫。從圖4中可以看出：當風(fēng)速為3 m · s?1、未加裝導(dǎo)風(fēng)板時，出塔水溫為302.9214 K;加裝10塊導(dǎo)風(fēng)板后，出塔水溫降至302.8460 K，只有0.0754 K 的溫降。這是由于冷卻塔塔底直徑為92.92 m，而導(dǎo)風(fēng)板數(shù)量只有10塊，每隔29.17 m 才有1塊導(dǎo)風(fēng)板，這不足以整流入口來流空氣，以使其往塔中心處偏轉(zhuǎn)。由于側(cè)風(fēng)風(fēng)速較大，橫向通風(fēng)量增加，大量空氣與背風(fēng)側(cè)空氣碰撞產(chǎn)生漩渦，部分空氣還會直接從背風(fēng)側(cè)流出，形成“穿堂風(fēng)”。由于導(dǎo)風(fēng)板數(shù)量少，只有導(dǎo)風(fēng)板附近的空氣速度有所下降，降溫效果不明顯。當導(dǎo)風(fēng)板數(shù)量增加后，出塔水溫逐漸降低，氣流量增加，并均勻流過填料層，增強了水氣間的熱質(zhì)交換。導(dǎo)風(fēng)板數(shù)量為50塊時，出塔水溫為302.3888 K，溫降達0.5326 K。當導(dǎo)風(fēng)板數(shù)量進一步增加時，出塔水溫反而逐漸升高。這是由于導(dǎo)風(fēng)板數(shù)量過多，間距過短，影響了通風(fēng)量，導(dǎo)致降溫效果變差。

3.3導(dǎo)風(fēng)板弧度及安裝角優(yōu)化

為便于分析比較，分別選取旋流型葉片導(dǎo)風(fēng)板弧度為15°、30°、45°、60°，直板型導(dǎo)風(fēng)板在本文等同于弧度0°，安裝角分別為0°、20°、30°、40°。圖5為導(dǎo)風(fēng)板安裝角示意圖。由前文模擬結(jié)果可知，未加裝導(dǎo)風(fēng)板時，出塔水溫為302.9214 K。圖6為不同弧度導(dǎo)風(fēng)板在各安裝角下的出塔水溫和溫降。

由圖6中可知，對于旋流型葉片導(dǎo)風(fēng)板，出塔水溫在導(dǎo)風(fēng)板安裝角為0°和20°時最低，此時冷卻塔的冷卻效果最好。對于直板型導(dǎo)風(fēng)板，安裝角為30°和40°時的出塔水溫相差不大，冷卻效果優(yōu)于安裝角為0°和20°時的直板型導(dǎo)風(fēng)板。由于篇幅有限，本文重點分析旋流型葉片，故主要分析0°和20°安裝角的冷卻塔空氣動力場分布。

當安裝角為0°時：弧度為30°的旋流型葉片導(dǎo)風(fēng)板降溫效果最明顯，與未加裝導(dǎo)風(fēng)板時相比，出塔水溫溫降可達0.7501 K ;加裝弧度為15°的旋流型葉片導(dǎo)風(fēng)板時溫降為0.7492 K，此時導(dǎo)風(fēng)板弧度較小，空氣從進風(fēng)口流入時切向角較小，氣流無法被整流至冷卻塔中心，水氣接觸面積減少，故冷卻效果不及30°旋流型葉片導(dǎo)風(fēng)板，但優(yōu)于直板型導(dǎo)風(fēng)板;而弧度為45°和60°的旋流型葉片導(dǎo)風(fēng)板優(yōu)化效果并不理想，出塔水溫高于直板型導(dǎo)風(fēng)板。但相較于未加裝導(dǎo)風(fēng)板時分別有0.4721、0.3419 K 的溫降。其原因是弧度大于一定值時，導(dǎo)風(fēng)板切向角度過大，在降低導(dǎo)風(fēng)板附近氣流速度的同時阻擋了部分氣流流入塔內(nèi)，使得通風(fēng)量減少，水氣換熱面積減少。

當安裝角為20°時：弧度為15°的旋流型葉片導(dǎo)風(fēng)板導(dǎo)風(fēng)性能最好，與未安裝導(dǎo)風(fēng)板時相比，出塔水溫降低0.7874 K;當弧度進一步增大，可以發(fā)現(xiàn)，弧度為60°的旋流型葉片導(dǎo)風(fēng)板出塔水溫為302.8210 K，高于未加裝導(dǎo)風(fēng)板時的出塔水溫。這是由于導(dǎo)風(fēng)板弧度過大，氣流進入雨區(qū)時受其弧度影響，徑向速度過小;且安裝角較大，氣流在導(dǎo)風(fēng)板附近有明顯的停滯區(qū)域，縱向通風(fēng)量減少，影響了塔內(nèi)的水氣換熱，導(dǎo)致溫降為負值。

3.4進風(fēng)口流場分析

圖板時雨區(qū)橫截面的空氣流線圖。由圖中可知，進風(fēng)口附近很多空氣流線沿切向角流出塔外，速度在進風(fēng)口處很大，形成“穿堂風(fēng)”。縱向通風(fēng)量減少，向上進入雨區(qū)及填料區(qū)的空氣量嚴重減少，大大減弱了空氣與水的熱質(zhì)交換。冷卻塔的換熱主要集中在雨區(qū)及填料區(qū)，致使出塔水溫升高，冷卻塔的冷卻效率降低。

圖20°、弧度為15°的旋流型葉片導(dǎo)風(fēng)板時在雨區(qū)橫截面的空氣流線圖。由前文可知，此時出塔水溫溫降最大，為0.7874 K。導(dǎo)風(fēng)板的弧度直接影響了氣流進入雨區(qū)時的切向扭轉(zhuǎn)角度，氣流沿特定角度進入塔內(nèi)，導(dǎo)風(fēng)板附近氣流速度降低。同時，氣流受到導(dǎo)風(fēng)板的誘導(dǎo)作用，在塔中心形成穩(wěn)定上升的氣流，增加了縱向通風(fēng)量，延長了氣流停留時間，增加了水氣接觸面積與時間，使換熱增強。

由圖7中可知，加裝導(dǎo)風(fēng)板是一種將空氣重新分配的簡單、有效的方法，簡稱空氣動力渦流裝置。通過誘導(dǎo)空氣按照一定的軌跡運動，使進塔的氣流均勻流過填料層及雨區(qū)，在冷卻塔內(nèi)形成一股旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定上升的氣流，減弱外界側(cè)風(fēng)對塔的不利影響。也由于裝置的誘導(dǎo)作用，空氣進風(fēng)量增加，增加了水氣接觸面積，改善了側(cè)風(fēng)對冷卻塔的不利影響。

3.5 y =0截面的空氣溫度場分析

圖 8（a）為 v =?0 m·s ?1 下 y =?0 截面空氣溫度分布。由于空氣與水的接觸散熱及水的蒸發(fā)散熱，無側(cè)風(fēng)時空氣溫度由外向內(nèi)沿徑向逐次升高。塔中心處的空氣溫度最高，溫度分布對稱。這是由于無側(cè)風(fēng)條件下，水氣接觸均勻，空氣從四周進入塔內(nèi)，逐漸與水發(fā)生熱量交換，空氣吸收熱量伴隨部分水滴蒸發(fā)，水蒸氣上升。雨區(qū)內(nèi)，空氣在中心處溫度最高;雨區(qū)以上的塔內(nèi)區(qū)域，空氣溫度由外向里逐漸升高。雨區(qū)外圍循環(huán)水冷卻最為充分，部分區(qū)域水溫甚至低于環(huán)境溫度，這是因為該區(qū)域水的蒸發(fā)散熱較強;冷卻塔中心的高溫水在落入雨區(qū)前冷卻得極不充分，影響了冷卻水的溫降，也降低了冷卻塔的換熱性能。

圖 8（b）為 v =?3 m·s ?1 下 y =?0 截面的空氣溫度分布。由圖中可知，空氣溫度分布的軸對稱性被打破，空氣溫度場的高溫區(qū)域出現(xiàn)在塔的背風(fēng)側(cè)。迎風(fēng)面風(fēng)速高，背風(fēng)面風(fēng)速低，兩股氣流相遇后，在迎風(fēng)側(cè)進風(fēng)口上緣氣流相碰撞，引起空氣回流，延長水氣接觸時間，還會使進入冷卻塔的空氣量減少，致使冷卻塔出塔水溫增高，冷卻效率降低。

圖9（a）為加裝50塊直板型導(dǎo)風(fēng)板、安裝角為20°時 y =0截面的空氣溫度分布。圖9（b）為安裝50塊旋流型葉片導(dǎo)風(fēng)板，弧度為15°、安裝角為20°時 y =0截面的空氣溫度分布。與未加裝導(dǎo)風(fēng)板相比，加裝導(dǎo)風(fēng)板后空氣溫度分布更加均勻，中心區(qū)域溫度降低，高溫區(qū)域面積明顯減少。由于旋流型葉片導(dǎo)風(fēng)板本身具有一定的弧度，配合一定安裝角，四周的來流會沿給定角度整流后進入冷卻塔，使冷卻塔內(nèi)的通風(fēng)量增加。并在塔中心形成穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)上升氣流，增加了水氣接觸面積與時間，使氣流分配更均勻，從而使出塔水溫降低，冷卻效率提及。

4結(jié)論

采用空氣動力渦流裝置，為使導(dǎo)風(fēng)板的優(yōu)化效果最佳，對不同弧度旋流型葉片導(dǎo)風(fēng)板及直板型導(dǎo)風(fēng)板進行數(shù)值模擬。基于冷卻塔內(nèi)的兩相流傳熱傳質(zhì)理論，結(jié)合計算流體力學(xué)（CFD ）軟件特點，并在雨區(qū)及填料區(qū)使用用戶自定義編程（ UDF ）編寫阻力源項，多孔介質(zhì)模擬填料區(qū)通風(fēng)率，得出結(jié)論如下：

（1）導(dǎo)風(fēng)板數(shù)量對環(huán)境側(cè)風(fēng)下冷卻塔的冷卻效果有一定影響。導(dǎo)風(fēng)板數(shù)量為50塊時冷卻效果最好。當導(dǎo)風(fēng)板數(shù)量進一步增加，出塔水溫反而升高。

（2）導(dǎo)風(fēng)板的安裝角對不同類型的導(dǎo)風(fēng)板的冷卻效果影響不同。對于旋流型葉片導(dǎo)風(fēng)板，安裝角為20°時效果最優(yōu);對于直板型導(dǎo)風(fēng)板，安裝角為40°時效果最優(yōu)。

（3）旋流型葉片導(dǎo)風(fēng)板的弧度對冷卻塔的冷卻效果有很大影響。安裝角為20°時，弧度為15°的旋流型葉片導(dǎo)風(fēng)板溫降最大，可達0.7874 K;弧度為60°的旋流型葉片溫降反為負值，說明弧度過大對進風(fēng)不利;安裝角為0°時，弧度為30°的旋流型葉片導(dǎo)風(fēng)板降溫效果最好，優(yōu)于45°和60°的旋流型葉片導(dǎo)風(fēng)板，溫降可達0.7501 K。旋流型葉片導(dǎo)風(fēng)板能更好地提高冷卻塔冷卻效率，但其弧度的選擇非常重要，且配合不同的安裝角有不同的選擇要求。

自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔的冷卻效率受環(huán)境側(cè)風(fēng)的影響很大，而雨區(qū)外圍的空氣動力渦流裝置能改善側(cè)風(fēng)產(chǎn)生的不利影響，導(dǎo)風(fēng)板結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化與冷卻塔運行工況、環(huán)境氣候條件以及冷卻塔尺寸等諸多因素有關(guān)，針對具體的冷卻塔還需進行針對性的導(dǎo)風(fēng)板優(yōu)化設(shè)計。

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