分布式能源站冷卻塔冷卻性能影響因素研究

路亮亮 劉文韜 谷菁 趙大周

（1 石家莊華電供熱集團(tuán)有限公司 河北石家莊 050000 2 華電電力科學(xué)研究院有限公司 浙江杭州 310030 3 浙江省蓄能與建筑節(jié)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 浙江杭州 310030）

1 概述

分布式能源站是指分布在用戶端的能源綜合利用系統(tǒng)，以天然氣、可再生能源等綠色資源，為用戶端提供熱、電、冷等多種能源［1］，實(shí)現(xiàn)能源梯級(jí)利用，有效地提高了能源利用的安全性和靈活性。分布式能源站多采用電制冷供能，冷卻塔［2］是影響電制冷效率的關(guān)鍵因素。冷卻塔是利用水與空氣流動(dòng)接觸后進(jìn)行冷熱交換產(chǎn)生蒸汽，蒸汽揮發(fā)帶走熱量達(dá)到蒸發(fā)散熱，來散去工作系統(tǒng)產(chǎn)生的余熱降低水溫的蒸發(fā)散熱裝置［3］。

冷卻塔是常用的散熱設(shè)備，按氣水接觸方式，可分為干式、濕式和干濕混合式［4］。濕式冷卻塔因具有換熱效率高、運(yùn)行穩(wěn)定、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于電廠、制冷、空調(diào)等領(lǐng)域。濕冷塔中空氣充當(dāng)冷卻介質(zhì)，所以環(huán)境對(duì)濕冷塔的運(yùn)行性能有著重要的影響，換熱水溫、空氣溫度、空氣濕度等因素［5］均會(huì)對(duì)換熱效果產(chǎn)生影響。除以上因素外，由于分布式能源站靠近用戶，在其設(shè)計(jì)布置時(shí)還要考慮其噪聲對(duì)周圍環(huán)境的影響，多采用設(shè)置隔音墻減少噪音，圍墻也成為換熱效果重要影響因素之一。

相比于實(shí)驗(yàn)研究［5］，采用數(shù)值計(jì)算及計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)模擬［6-7］具有高效、低成本和可實(shí)現(xiàn)多工況分析的特點(diǎn)。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD 目前已被廣泛應(yīng)用。FLUENT 是1 種較為典型的CFD 商用軟件，可模擬流體、熱傳遞和化學(xué)反應(yīng)等，具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法和強(qiáng)大的前后處理功能。

本文采用數(shù)值計(jì)算研究空氣含濕量對(duì)冷卻塔冷卻效果的影響，采用Fluent 軟件模擬冷卻塔周圍流場(chǎng)，以確定圍墻對(duì)冷卻塔的影響，為分布式能源站工程應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

2 數(shù)值計(jì)算

分布式能源站冷卻塔為水和空氣直接接觸換熱，很多因素均會(huì)對(duì)換熱效果產(chǎn)生影響。換熱后，空氣含濕量會(huì)發(fā)生變化。按《冷卻塔驗(yàn)收測(cè)試規(guī)程》（T/CECS 118—2017）［8］，冷卻塔的冷卻效果可用冷卻數(shù)來衡量，冷卻數(shù)是表征冷卻塔內(nèi)包括噴淋區(qū)、淋水填料區(qū)和填料下的雨區(qū)在內(nèi)的臨水裝置的熱、質(zhì)交換能力的特征數(shù)［6］。本文采用相同冷卻數(shù)條件下計(jì)算不同空氣含濕量得到的出塔水溫，以研究空氣含濕量冷卻塔冷卻效果的影響，具體見公式（1）。

式中：Ωh為冷卻數(shù)；CW為水的比熱；Δt 為溫差；K 為蒸發(fā)冷卻帶走熱量系數(shù)；Δhmh為平均焓差。

蒸發(fā)冷卻帶走熱量系數(shù)計(jì)算式見式（2）。

式中：t2為出塔水溫。

平均焓差計(jì)算式見式（3）。

式中：Xs根據(jù)η 和ξ 查Xs計(jì)算圖求得，η、ξ 和δh″根據(jù)式（4）～（6）計(jì)算。

式中：h1為進(jìn)塔空氣焓；h1″為空氣溫度等于進(jìn)塔水溫時(shí)飽和空氣焓；h2″為空氣溫度等于出塔水溫時(shí)飽和空氣焓；λ 為氣水比。

干球溫度一定條件下，通過焓濕圖可得到不同空氣含濕量下的比焓，進(jìn)而可計(jì)算得到不同出塔溫度。本文研究空氣含濕量這一影響因素對(duì)冷卻效果的影響，取空氣含濕量在0.5～1.5 之間的相等間隔數(shù)據(jù)，得到比焓，結(jié)果見表1，通過公式（1）～（7）計(jì)算得到出塔溫度，結(jié)果見圖1。

圖1 不同比焓下出塔溫度和冷卻數(shù)的關(guān)系

表1 不同空氣組分?jǐn)?shù)下比焓值

可以看出，空氣含濕量越大，比焓越大；相同入口水溫條件下，出塔溫度隨空氣含濕量增大而增大，說明冷卻效果變差。這是由于在環(huán)境空氣中，入口空氣濕度越大，水分含量越多，在熱交換的過程中，所吸收的水分和熱量就會(huì)越少，因此才會(huì)降低冷卻的效率。

3 流場(chǎng)模擬

3.1 模型構(gòu)建

3.1.1 幾何模型

本文對(duì)石家莊某分布式能源站冷卻塔開展數(shù)值模擬，簡(jiǎn)化后建立的計(jì)算模型如圖2 所示，網(wǎng)格分布如圖3 所示。冷卻塔周圍空氣為湍流流動(dòng)，模型充分考慮空氣擴(kuò)散域，其中最內(nèi)側(cè)的黃色矩形為電制冷冷卻塔，外側(cè)的黃色為圍墻墻體，最外側(cè)為氣流流動(dòng)的流體域。冷卻塔部分尺寸為35 m×15 m×6 m，圍墻內(nèi)流體域尺寸為66 m×46 m×8m，外圍流體域尺寸為166 m×96 m×38 m。

圖2 計(jì)算模型

圖3 網(wǎng)格分布

3.1.2 邊界條件

入口條件采用速度入口，速度分別設(shè)為2.78 m/s，出口條件采用壓力出口。壁面設(shè)置為無滑移邊界條件。在定義所有邊界條件時(shí)必須給定溫度和水蒸汽質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

3.1.3 計(jì)算模型

流體運(yùn)動(dòng)以雷諾數(shù)Re 的大小決定，分為湍流與層流。本文流體為湍流運(yùn)動(dòng)，在Fluent 中有很多湍流計(jì)算方法，本文采用標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon 模型進(jìn)行N-S 方程求解。模擬采用穩(wěn)態(tài)壓力基處理器，采用組分模型，設(shè)定為濕空氣。求解方法采用Simple 方法。

3.2 存在圍墻模擬分析

3.2.1 南北向風(fēng)力模擬

研究夏季南北向風(fēng)力2.78 m/s，氣溫32 ℃時(shí)的氣流運(yùn)行情況，模擬結(jié)果如圖4 和圖5 所示。

圖4 南側(cè)進(jìn)風(fēng)速度分布圖

圖5 南側(cè)進(jìn)風(fēng)流線分布圖

選取典型截面進(jìn)行研究，可以看出，當(dāng)南北風(fēng)吹來時(shí)，遇到墻體氣流向上運(yùn)動(dòng)，墻后側(cè)形成低速區(qū)（動(dòng)力陰影區(qū)［9］），并在冷卻塔的左上方形成旋渦，導(dǎo)致冷卻塔上方的高溫氣體不易擴(kuò)散，影響散熱效果。

動(dòng)力陰影區(qū)影響高度計(jì)算公式［10］，見式（7）。

式中：Hk為動(dòng)力陰影區(qū)的影響高度；A 為迎風(fēng)面的面積。

計(jì)算可得Hk=5.75 m，略小于圍墻高度6 m，對(duì)冷卻塔周圍流體擴(kuò)散形成不良效果。

3.2.2 東西向風(fēng)力模擬

研究東西向風(fēng)力2.78 m/s，氣溫32 ℃時(shí)，冷卻塔周圍的氣流分布情況。模擬結(jié)果如圖6 和圖7 所示。

圖6 東側(cè)進(jìn)風(fēng)速度分布圖

圖7 東側(cè)進(jìn)風(fēng)流線分布圖

可以看出，當(dāng)風(fēng)從東側(cè)吹來，在圍墻與冷卻塔東側(cè)、冷卻塔頂部、冷卻塔與圍墻西側(cè)形成了空氣旋流，西側(cè)的旋流由冷卻塔頂部形成，一定程度上影響了冷卻塔的冷卻效果。

東西側(cè)進(jìn)風(fēng)時(shí)，圍墻內(nèi)仍然為低速區(qū)，同時(shí)冷卻塔頂部存在“動(dòng)力陰影區(qū)”，根據(jù)動(dòng)力陰影區(qū)影響高度計(jì)算公式計(jì)算得到Hk=6.89 m。即東西向進(jìn)風(fēng)由于迎風(fēng)面積大于南北方向進(jìn)風(fēng)，因此動(dòng)力陰影區(qū)的影響范圍大于南北向。

同時(shí)冷卻塔為東西兩側(cè)橫向進(jìn)風(fēng)，冷卻塔頂部排出的高濕空氣受動(dòng)力陰影區(qū)影響會(huì)再次從下方進(jìn)入冷卻塔，空氣濕度聚集增加，冷卻效果進(jìn)一步降低。

3.3 去掉圍墻后模擬

當(dāng)去掉圍墻后，研究夏季南北向風(fēng)力2.78 m/s、氣溫32 ℃時(shí)的氣流運(yùn)行情況，模擬結(jié)果如圖8 和圖9 所示。

圖8 去掉圍墻后南側(cè)進(jìn)風(fēng)速度分布圖

可以看出，當(dāng)去掉圍墻后，空氣碰到冷卻塔后仍會(huì)在上方產(chǎn)生渦流，但渦流影響范圍小了很多，僅在冷卻塔下風(fēng)向形成“動(dòng)力陰影區(qū)”。根據(jù)動(dòng)力陰影區(qū)影響高度計(jì)算公式計(jì)算得到Hk=2.85 m，遠(yuǎn)小于有圍墻時(shí)的動(dòng)力陰影區(qū)大小，因此較有圍墻時(shí)，散熱效果得到了加強(qiáng)。

4 結(jié)論

本文分別采用數(shù)值計(jì)算和Fluent 軟件模擬研究空氣濕度和設(shè)置圍墻對(duì)分布式能源站冷卻塔冷卻性能的影響，得出如下2 個(gè)結(jié)論：

（1）相同冷卻數(shù)下，出塔溫度隨空氣含濕量增大而增大，空氣含濕量的增加將不利于冷卻塔散熱，冷卻效果更差。

（2）由于“去工業(yè)化”增加的圍墻影響了氣流正常運(yùn)動(dòng)，圍墻后及冷卻塔上方產(chǎn)生渦流，動(dòng)力陰影區(qū)是未設(shè)置圍墻的2 倍以上，且東西側(cè)方向的動(dòng)力陰影區(qū)大于南北側(cè)，動(dòng)力陰影區(qū)越大，冷卻效果越差，熱量無法有效擴(kuò)散出去。