湿式冷却塔加装挡风布的数值研究

杨燕燕， 李永华

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003)

湿式冷却塔加装挡风布的数值研究

杨燕燕， 李永华

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003)

针对我国北方冬季湿式冷却塔运行时填料下表面、进风口以及基环面等处容易结冰的问题，提出一种挡风布的布置方式，即横向全周加装挡风布。建立冷却塔的三维数值模型，模拟塔内传热传质。选用内蒙某600 MW机组的参数验证模型的正确性。根据上述模型得出不同横向风速和环境温度下刚好可以防止冷却塔内结冰的最佳挡风面积。研究结果表明：横向全周悬挂挡风布比纵向间隔悬挂挡风板的方案节省面积，避免冷却塔内结冰，提高冷却塔性能。

冷却塔； 挡风布； 数值模拟； 结冰； 挡风面积

0 引言

近年来，冷却塔三维数值模拟得到了一定的发展，尤其在考虑侧风[1-4]、进风口流场[5]等三维性因素对冷却塔效率影响方面。在各项因素中，环境因素对冷却塔的热力性能影响相当大[6]。例如，当环境温度较低时，循环水和空气之间的换热强度较大，冷却塔内某些区域容易产生结冰现象，影响冷却塔的安全经济运行。进风口结冰后进塔空气量呈下降趋势，继而冷却性能降低；此外，填料结冰会严重影响填料效率，造成填料塌落；混凝土多次冻融使塔体结构受损，减少使用寿命[7]。因此，冷却塔在较低环境温度下运行时需要采取一定的防冻措施。

目前，在冷却塔的进风口处加装挡风板是防止塔内结冰的常见方式。文献[8-10]模拟分析了冷却塔在加装不同层数挡风板后，冷却塔内热力特性，然而，在这些横向分层悬挂的实际操作中存在一些问题，例如，用时长，悬挂过程中容易出现人身事故，且只保证了冷却塔不结冰并没找到最佳的挡风面积，不利于机组的经济性。文献[11]提出了纵向间隔悬挂挡风板并分析了挡风面积对塔内水温的影响，得到了一定环境温度和风速下对应的最佳挡风面积。本文在纵向间隔悬挂挡风板模型的基础上提出了一种挡风布的布置方式，即横向全周加装挡风布，对冷却塔填料下平面速度空气场，以及3个特征面的最低水滴温度进行了数值模拟。给出风速对塔内空气温度场的影响规律，并模拟计算出为了防冻在冷却塔进风口加装的最佳挡风面积，对挡风装置的优化具有一定的参考价值。

1 计算模型

在自然通风逆流湿式冷却塔的运行的过程中，传热和传质是同时进行的。塔内冷却水主要的冷却方式是接触式冷却和蒸发式冷却，且辐射散热量很小，本文不予考虑。应用合理的数学模型对其合理的简化及假设继而进行计算。1.1离散相模型

因为冷却塔中水气体积比低于10%，因此选用离散相模型来计算冷却塔内的流场，其中空气看作连续相，选用欧拉法求解，水滴看作离散相，采用拉格朗日法求解。欧拉法是研究流场内流体的运动规律;拉格朗日法是研究流场中单个质点的运动规律，进而研究流体的整体运动规律。1.2多孔介质模型

多孔介质模型是用来模拟复杂结构的模型，例如模拟不容易使用网格处理和压力降存在的区域，如过滤器、管网和其他密集结构。在本文中，冷却塔的收水器需要借助多孔介质模型完成数值计算，该模型中的动量方程在原动量方程的基础上有2个源项，即内部耗损项和粘性损失项，其方程为:

(1)

式中：Si为各方向动量源项;μ为空气粘度，Pa·s;vj为j向空气速度，m/s;D,C分别为粘性损失与内部损失的系数矩阵，一般为自定义的经验值。

1.3热质交换模型

在自然通风湿式逆流冷却塔中，循环水以液滴的状态，自配水槽自上而下喷射方式进入填料区，在填料表面形成膜状，到雨区呈液滴形式落入集水池，这3个过程均与冷空气进行换热。所涉及的换热方式有蒸发换热、对流换热和辐射换热，其中辐射换热量相比前两者小很多，本文不予考虑。

1.4FLUENT气相控制方程模型

依据冷却塔气与水的流动特性以及FLUENT软件的特点，应用如下设置[12]：

(1)因为填料区受到气、水流场的影响可以被当成源项，所以采用外接自定义函数求解。

(2)选用稳态雷诺应力平均N-S方程,采用标准k-ε湍流模型。

(3)计算中，控制微分方程的离散化采用控制容积公式法，控制方程的对流项选用二阶迎风离散格式。

(4)流场的计算选用典型的SIMPLE算法。

(5)FLUENT求解器选用分离隐式。

(6)能量方程的收敛精度为10-6,其他的收敛精度为10-5。空气在冷却塔内除了与淋水进行传热传质流动特性受水滴影响很小，因此可以看成稳态流体，对其应用的控制方程如下:

连续性方程:

(2)

式中：ρ为空气密度，kg/m3;μi为各方向空气速度矢量;Sm为空气中水蒸气凝结量。

动量方程：

(3)

式中：μi，μj为ij方向的湿气空气速度矢量，m/s；p为空气静压，Pa;τij为应力张量；Fi为空气在塔内运动过程中i向的外部体积力，N。

能量方程：

(4)

式中：keff为有效导热系数;Jl为空气各组分热扩散流量，kg/(m2·s)；Sh为空气辐射换热量源项，kJ。

组分方程：

(5)

式中：ml为空气组分质量分数；Γl为空气组分传质系数；Rl为空气组分生成速率，kg/(m2·s)。

2 冷却塔计算边界条件

2.1几何边界条件

本文选用内蒙某600 MW机组的自然通风湿式逆流冷却塔，其几何边界条件如下：总高度125 m，基环的外径106.42 m，塔盆的直径96.42 m，填料底标高9.2 m，填料顶标高为10.2 m，塔的出口直径57.01 m，喉部直径52.20 m，喉部标高为93.9 m，进风口高度8 m。用GAMBIT软件几何建模并生成网格。

2.2离散相初始条件

初始计算时，需要考虑粒子的初始位置、速度、直径、温度和质量流量等参数。在本文中，离散相颗粒态的初始值如表1所示。

表1 离散相粒子流初始参数

2.3边界条件及网格划分

迎风面为速度边界条件，背风面和环境出口面为压力边界条件；塔壁、挡风布和地面为无滑移壁面边界条件。本文计算中考虑了重力和浮力影响，因此离散相边界条件在环境底面、基环面、收水器上面等均为逃逸边界。对计算模型进行多次网格划分试验，直到网格数的增加对计算结果的影响不大时，确定总网格数为1 405 633个，计算边界和网格划分如图1所示。

图1 计算边界及网格划分

2.4计算模型正确性验证

本文先对所建立的模型进行比较验证，计算网格总数取1 405 633个，验证结果见表2。从表2数据可以看出：出塔水温的实测值与计算值相差0.19K，相对误差为1.3%，验证了计算模型的正确性。

表2 出塔水温实测值与计算值对比

3 计算结果分析

3.1未采取防冻措施时塔内水温与环境温度的关系

基于上述理论对环境干球温度分别为-18 ℃、-15 ℃和-12 ℃，横向风速分别为1.5 m/s、4 m/s、6.5 m/s时，对填料下面、进风口上沿面、基环面最低水滴温度进行模拟计算，得到未采取防冻措施时不同环境温度与横向风速影响下3个特征面上的最低水滴温度，如表3所示。

表3 不同风速与环境温度下塔内最低水滴温度

以横向风速分别为1.5 m/s、4 m/s、6.5 m/s，环境干球温度分别为-18 ℃、-15 ℃和-12 ℃，的工况为例说明塔内不同特征平面上最低水滴温度与环境温度的关系，见图2。

图2 不同风速下3个特征面上最低水滴温度随环境温度的变化趋势

从图2可以看出，冷却塔内的水温受环境温度和风速的影响很大，环境温度下降时，塔内3个特征面上的水滴温度呈逐渐下降的趋势。在环境温度-18 ℃，风速6.5 m/s时，塔内3个特征面上温度下降程度最大，这是因为此时传热温差大，水与空气间的接触散热增强，因此塔内水滴温度下降的多，再者较大的风速也增强了气与水之间的蒸发散热与接触散热。综上冷却塔的冷却性能提高了，但同时也导致冷却水容易结冰。因此需要在进风口处加装挡风装置，使得温度场得以改善，防止冷却水结冰造成冷却塔各部件损坏。

3.2横向全周加装挡风布

在冷却塔进风口处横向全周加装挡风布后，冷却塔进风口的边界条件如下：将进风口分为3层，自上而下分别为1层、2层和3层。为了保证进风口的进风，将进风口底部0到1.33 m处设为进风区域，不悬挂挡风布，留作进风。中间层(即1.34 m)横向全周悬挂挡风布。上层与下层(即高为2.67 m)根据冬季防冻数值模拟需求纵向均匀悬挂挡风布，挡风布接近为矩形，每块挡风布的尺寸如下：上层的上下边宽度分别为1.68 m，1.74 m。下层的上下边宽度分别为1.79 m，1.82 m，如图3所示。

图3 挡风装置示意图

首先比较文献[11]178提出的纵向间隔挡风板如图3(b)与横向全周挡风布两者之间的区别，在环境温度为258.15 K，横向风速为6.5 m/s时刚好可以防止塔内结冰的最佳挡风面积下，截取雨区y=5.34 m高度处空气速度矢量图，模拟结果如图4所示。

图4 雨区y=5.34 m高度处空气速度分布

从图4的结果可看出，在冷却塔进风口处采用横向全周加装挡风布时的涡流数目(图4(a))明显多于采用纵向间隔加装挡风板时的涡流数目(图4(b))，这是因为中间横向全周挡风布的存在，增大了冷却塔内部扰流，使循环水和空气之间的对流换热增强，冷却塔的冷却性能得到了提升。模拟结果显示在环境温度为258.15 K，横向风速为6.5 m/s时，所需的最佳挡风面积分别为1 893.50 m2，1 988.44 m2。因此，在同样达到刚好不结冰的环境温度下,前者需要的挡风面积更小。通过上下层纵向间隔挡风布的配合，就可保证冷却塔在任何气候条件下都能正常高效运行。

4 横向全周加装挡风布防冻数值分析

4.1横向全周加装挡风布后环境温度和风速对最佳挡风面积的影响

为了解决冷却塔在上述情况下产生的结冰问题，同时避免出现由于不合理加装挡风布而导致的悬挂挡风布过多的情况，在一定的环境温度和横向风速下，需要找到最佳挡风面积。对冷却塔进风口横向全周加装挡风布后塔内最低水滴温度进行模拟计算，结果如表4～6所示。

表4 横向风速为1.5 m/s时不同特征面上最低水滴温度

表5 横向风速为4 m/s时不同特征面上最低水滴温度

表6 横向风速为6.5 m/s不同特征面上最低水滴温度

由表4～6可以看出，在环境温度分别为255.15 K和258.15 K，横向风速分别为1.5 m/s、4 m/s和6.5 m/s时，以及环境温度为261.15 K，横向风速分别为1.5 m/s和6.5 m/s时，采用表4～6中所示的横向全周加装挡风布的方案后，塔内基环面上最低水滴温度为274 K，刚好高于273.15 K，即刚好可以防止塔内出现结冰现象。因此，表4～6中所列的悬挂方式与挡风面积为在上述环境温度与横向风速下采用横向全周加装挡风布时恰好可以避免塔内结冰的最佳悬挂方案与最佳挡风面积。最佳挡风面积随横向风速和环境温度的变化趋势如图5所示。

图5 最佳挡风面积随横向风速和环境温度的变化趋势

从图5可以看出，在冷却塔的进风口处横向加装挡风布后，恰好可以防止塔内结冰的最佳挡风面积随环境温度的升高而减小。

4.2横向全周加装挡风布塔内空气温度场

以横向风速为6.5 m/s、环境温度为261.15 K为例，在冷却塔进风口处横向全周加装挡风布，挡风面积为1647.44 m2时，填料下面温度场与未采取防冻措施填料下面温度场进行对比。

本文假定塔内水滴温度高于结冰点，当水温低于273.15 K判定结冰后，再均匀悬挂可调挡风布进行模拟。模拟结果如表7所示。

表7 横向全周加装挡风布后不同特征面上最低水滴温度

图6 填料层下平面空气温度场

从图6空气温度分布图中可得：

(1)冷却塔进风口处未安装挡风布时，冷却塔背风侧空气温度较低，这是由于冷空气与水之间的湿度差、温度差变大，传热驱动力增大，换热效果增强，也正是因为湿度差增大使得塔内外压强差变大从而塔的抽力也变大，通风量增大，塔内最低水滴温度下降。

(2)横向全周加装挡风布后迎风侧温度明显升高，高温区域所占的面积增大，这是由于冷却塔进风口处加装挡风布后，进风面积变小，通风阻力增大，通风量也就变小，循环水和冷空气之间的换热量减少，冷却性能就减弱了，塔内最低水滴温度有所提高。

(3)横向全周加装挡风布后，填料层下平面最低空气温度明显升高，有效地防止了冷却塔内结冰。

4.3进风口处的挡风面积对塔内最低水滴温度的影响

冷却塔进风口处横向全周加装挡风布后，横向风速为1.5 m/s，环境温度分为264.15 K例，对3个特征面上的最低水滴温度进行模拟计算，进风口横向全周加装挡风布的方案及塔内水温如表8所示，不同特征面上最低水滴温度受挡风面积影响如图7所示。

表8T=264.15 K时挡风面积与不同特征面上最低水滴温度的关系

参数工况1工况2工况3环境干球温度/K264152641526415挡风面积/m2646807276584895基环面最低水滴温度/K272273274进风口上沿平面最低水滴温度/K276277279填料层下平面最低水滴温度/K278279281

图7 不同特征面上最低水滴温度随着挡风面积的变化趋势

从图7可以看出，在环境温度为264.15 K时，3个特征面上的最低水滴温度与挡风面积同步变化。这是因为随着挡风面积的增加，进风口的通风量就减少了，循环水和空气之间的换热量减少，冷却塔的冷却性能就下降，使得塔内最低水滴温度升高。

5 结论

(1)冷却塔进风口处未加装挡风布时，环境干球温度分别为255.15 K，258.15 K,261.15 K塔内均出现结冰现象，塔内最低水滴温度随环境温度的下降而降低。

(2)进风口处加装挡风装置能有效地避免冷却塔各部件结冰，提高冷却塔效率。研究成果对冷却塔的优化设计提供新思路。

(3)环境温度和风速对冷却塔内循环水影响显著，特别在环境温度为-18 ℃，风速为6.5 m/s时，循环水温度下降最快，因为此时传热温差大，水和空气之间的接触散热的驱动力增强，同时大风速也增强了气与水的蒸发散热与接触散热。使得空气带走的热量就越多，塔内水滴温度也就下降的多。

(4)在冷却塔进风口处横向全周加装挡风布后，随着挡风面积的增大，塔内空气量减少，传热驱动力减弱，塔内最低水滴温度升高。因为随着挡风面积的增大，进风口的通风量就减少了，循环水和空气之间的换热量减少，冷却塔的冷却性能就下降，使得塔内最低水滴温度升高。

(5)横向全周加装挡风布相比于纵向间隔悬

挂挡风板的方案，前者可以找到一个挡风面积，使得冷却塔在不结冰的前提下所需的面积最小，出塔水温最低，有利于机组节能。

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Numerical Study on Thermal Performance of a Wet Cooling Tower with Windshield Cloth

YANG Yanyan， LI Yonghua

(School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003,China)

In view of the freezing problem in wet cooling towers in the areas such as the surface of the bottom filler, air inlet and base torus in winter in north China, an arrangement by using horizontal windshield cloth is proposed. The three-dimensional numerical model is established to simulate the heat and the mass transfer process in the tower. The correctness of the model is verified by the parameters of a 600 MW unit in Inner Mongolia. According to the proposed model, the optimum area to prevent the freezing at different horizontal wind speeds and ambient temperatures in the cooling tower can be obtained. The results show that the windshield cloth installed at a transverse direction is more economical than that installed in longitudinal direction. The freezing of the cooling tower can be avoided and the performance of the cooling tower can be improved.

cooling tower; windshield cloth; numerical simulation; freezing; windshield area

2017-05-07。

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.08.012

TK264

：A

：1672-0792(2017)08-0072-07

杨燕燕 (1990-)，女，硕士研究生，研究方向为火电机组节能与改造。

李永华(1961-)，女，教授，主要从事火电机组节能理论及节能技术方面的研究。