侧风对喷淋蒸发预冷进风冷却塔换热性能的影响

韩 强，冯 雷，刘严雪，毋飞翔，李 鹏，何锁盈，高 明

（1.山东电力工程咨询院有限公司，济南 250013；2.山东大学 能源与动力工程学院 高效节能及储能技术与装备山东省工程实验室，济南 250061）

0 引言

自然通风空冷塔的换热器常见的有塔内布置和塔外布置，如图1所示。换热器塔内布置即在空冷塔内部一定高度位置处布置换热器，我国常见的空冷塔的换热器在塔外布置，即在空冷塔的进风位置布置换热器。本文以换热器塔内布置的自然通风空冷塔为例进行相关研究。

图1 自然通风空冷塔的换热器布置Fig.1 The heat exchanger arrangement of natural draft dry cooling towers

自然通风空冷塔与湿冷塔相比冷却效率偏低，且易受环境温度影响，特别是高温时段，空冷塔的冷却效率极低。

针对高温时期空冷塔效率低的问题，学者们提出雨淋冷却、干湿式冷却单元组合、蒸发预冷等多种优化措施，HE［1］对各种措施进行分析，指出了它们的优缺点后，认为喷淋蒸发预冷可使空冷塔的换热性能得到有效改善，具有压损小、便于维护、成本低廉等优点。鉴于此，带有喷淋蒸发预冷进风系统的空冷塔得以广泛探究和应用。如图2所示，喷淋蒸发预冷系统安装于空冷塔进风区域，借助液滴的蒸发带走入口空气的显热，增大空冷塔内换热器处的换热温差，使空冷塔性能得到有效改善。

图2 喷淋蒸发预冷的自然通风空冷塔示意Fig.2 Schematic diagram of NDDCT（natural draft dry cooling tower）with entering air evaporatively pre-cooled by water spray

国内外已针对喷淋预冷空冷塔进行了相关研究。SADAFI等［2］研究表明合适的喷嘴布置可使冷却效率提高2.9%；田松峰等［3］指出，喷淋系统设计时应合理布置喷嘴，控制喷淋水量以降低喷淋水到达换热器表面造成腐蚀结垢的问题；SUN等［4-5］研究发现喷嘴喷淋方向、喷嘴位置等会直接影响喷淋蒸发预冷效果。喷淋蒸发预冷系统可提升自然通风空冷塔在高温时段的冷却性能，但侧风的存在会使空冷塔内空气流场发生改变。万超等［6］对600 MW超临界机组SCAL（Surface Condenser Aluminium Exchangers） 型空冷塔进行数值模拟研究，发现侧风下空气流场发生改变，空气流动阻力增加，造成空冷塔进风量减少、性能恶化；赵元宾等［7］针对某660 MW机组进行建模分析，结果表明侧风的存在对最低出塔水温影响较小，但会极大影响水温分布均匀性，其主要原因是空气流场不均匀。HUANG等［8］建立喷淋蒸发冷却与侧风联合作用对自然通风空冷系统影响的三维数值模型，研究发现侧风下喷淋冷却有助于散热器入口处空气温度的降低，从而改善空冷塔冷却性能。

文献综述发现，喷淋蒸发预冷技术是改善高温时段空冷塔换热性能的有效途径，但侧风的存在会改变空冷塔内部及其周围的空气动力场，研究侧风对空冷塔内预喷淋系统的影响规律，对侧风下喷淋预冷系统的优化设计具有重要意义。因此，本文利用FLUENT 16.2软件建立三维数值计算模型，探究侧风对空冷塔内预喷淋系统的影响规律。

1 数学模型及计算方法

1.1 几何模型

研究所用空冷塔的几何模型如图3所示，其主要尺寸及运行参数见表1［9］。

图3 空冷塔几何模型Fig.3 Geometry model of dry cooling tower

表1 空冷塔参数Tab.1 Parameters of dry cooling tower

为考虑外部流场对空冷塔内部流动和换热情况的影响，将冷却塔外部高为600 m，半径为250 m的空间纳入模拟范围。为节省计算时间，取半塔模型进行计算，侧风与XZ面平行，模型设置中的边界条件如图4所示。

图4 半塔模型边界条件Fig.4 Boundary conditions of half-tower model

喷淋蒸发预冷进风空冷塔内，喷淋系统布置在空冷塔底部进风区域，大体积液体进入喷嘴，经压力作用喷出成为细小液滴，而后与空气作用进行热质传递。进行模拟计算时，通过FLUENT软件中自带的喷淋蒸发冷却模型引入喷淋过程，即通过该模型确定喷嘴类型、喷嘴的位置、喷淋流量、喷淋液滴的初始温度、液滴粒径、液滴初始速度等条件。

采用六面体网格进行网格划分。模拟过程中空气与散热器管束内的循环水换热，散热器处的参数和换热之后塔出口的参数尤为重要，因此建立网格数分别为 2 768 687，3 313 640，3 793 851的模型，对比塔出口和散热器处的参数，结果见表2。

表2 网格独立性验证Tab.2 Grid independence verification

由表2中数据可见，在模型网格数目从3 313 640增加到3 793 851时，所对比参数数值基本不发生变化，为保证计算精度并减少计算量，本文采用3 313 640网格数目的模型展开后续计算工作。

1.2 数值方法

采用Eulerian-Lagrangian方法对喷淋蒸发冷却的两相流过程进行描述，空气作为连续相由Eulerian法描述，液滴作为离散相由Lagrangian法描述，采用双向耦合算法，借助SIMPLE算法对压力速度耦合求解，压力采用标准离散格式。

1.2.1 连续相控制方程

空气被视作连续相，由雷诺时均Navier-Stokes方程进行描述，湍流作用采用k-ε模型。对N-S方程进行封闭，在空气的控制方程中添加液滴的质量、动量及能量源项，以考虑液滴对空气的影响。在Eulerian框架的描述下，空气的控制方程如下：

式中 ρ——密度，kg/m3；

vi，vj——空气速度分量，m/s；

Sm——质量源项，kg/（m3·s）；

g——重力加速度，m/s2；

P——压力，Pa；

μ——空气动力黏度，kg/（m·s）；

δ——平均应变张量，1/s；

Smo——动量源项，kg/（m2·s2）；

E——内能，J；

hi'——物质 i'的比焓，J/kg；

Ji'——物质 i'的扩散通量，kg/（m2·s）；

ka——空气导热系数，W/（m·K）；

T——连续相温度，K；

Φ——黏性耗散，W/m3；

Se——能量源项，W/m3；

Yj——物质j的质量分数。

Sm，Smo，Se为考虑液滴对空气作用而产生的质量、动量及能量源项。这些源项可由拉格朗日准则借助体积平均法进行交替计算，而后并入欧拉空气控制方程。对于每个计算单元，通过综合穿过单元的液滴的影响来计算体积平均源项［10］，其计算公式为：

式中 Vcell——计算单元体积，m3；

md——单液滴质量，kg；

Vd——液滴速度，m/s；

Ed——单液滴总能量，J。

1.2.2 离散相控制方程

由于喷淋过程液滴的数目十分巨大，若对每个液滴都进行单独的追踪，将带来巨大的计算成本。因此，为使计算得到简化，引入“液滴群”的概念，即每个“液滴群”代表一定质量流量的水，同时认为同一个“液滴群”中所有液滴状态完全相同，且遵循同一蒸发规律，通过这一简化，离散相的求解即可通过对所有“液滴群”的计算实现。

模拟过程中采用Rosin-Rammler分布函数描述液滴的粒径分布，采用LNN1.5型商用中空锥形喷嘴，单喷嘴喷淋水流量设为0.2 kg/s［11］。液滴雾化过程如图5所示。本文采用200个“液滴群”进行计算。液滴的控制方程如下：

图5 液滴雾化过程Fig.5 Droplet atomization process

式（8）中hC为对流传热系数，由如下经验公式确定［12-13］：

式（9）中hD为对流传质系数，由如下经验公式确定［12-13］：

式中 mw——液滴质量流量，kg/s；

Cp——比热容，J/（kg·K）；

ΔTd——液滴温降，K；

hC——传热系数，W/（m2·K）；

Sd——液滴表面积，m2；

Ta——空气温度，K；

Td——液滴温度，K；

md——液滴质量，kg；

hfg——水蒸发潜热，J/kg；

hD——传质系数，m/s；

D——液滴粒径，m；

Nu——努塞尔数，Nu=hCD/ka；

ReD——液滴雷诺数，ReD= ρa（v-Vd）D/μ；

Pr——普朗特数，Pr= μ cp/ka；

Sh——施伍德数，Sh=hDD/Df；

Df——扩散系数，m2/s；

Sc——施密特数，Sc=μ/（ρDf）。

在Lagrangian框架的描述下，液滴遵循牛顿第二定律进行运动，通过对液滴运动方程进行积分可以获得液滴的运动轨迹。为简化计算，假设有自身速度的液滴为球形时，单个液滴的动量方程可写为［14］：

CD指阻力系数，对于本文中液滴运动情况，CD可通过以下公式求得［14］：

CD——液滴阻力系数，无量纲；

D——液滴粒径，m；

ρa——空气密度，kg/m3。

1.2.3 散热器控制方程

计算过程中，开启FLUENT软件中自带的Radiator模型，将空冷塔内散热器简化为一个具有阻力系数和换热系数的面，换热器的压降和换热量可通过以下公式计算［9］：

式中 ΔP——压降，Pa；

Lf——阻力系数，无量纲；

Va——空气速度，m/s；

Q——换热量，W；

hr——换热系数，W/K；

Trd——散热器处温度，K。

阻力系数Lf和换热系数hr可由以下经验关系式获得［9］：

1.3 边界条件

如图4所示，在区域内迎风侧的表面使用速度入口边界条件，借助UDF程序对整个计算空间加载不同大小的侧风，侧风速度由下式决定：

式中 vw——侧风速度，m/s；

vwref——参考高度处风速，m/s；

z——高度，m；

zref——参考高度，本文取10 m；

α——风切变指数，根据环境取 0.2［15］。

1.4 模型验证

为验证上述计算方法及公式的可靠性，选取空气温度为15.6 ℃，散热器内水温为61.5 ℃，循环水流量为4 390 kg/s的工况进行验证。无侧风情况下将模拟数据与一维模拟数据［9］进行对比分析，结果见表3，可见三维模型可靠，可用于后续计算。

表3 模型验证Tab.3 Model verification

2 结果与讨论

喷淋蒸发预冷系统的提出是针对高温时段，以响应高峰用电需求，因此设置空气温度为40 ℃，相对湿度为40%，以代表高温时段的典型环境温湿度。自然通风空冷塔多应用于西北干旱地区，典型侧风风速为4 m/s左右［16］，本文基于上述参数进行数值模拟研究。

2.1 侧风对空冷塔换热性能的影响分析

前已述及，侧风的存在会使空冷塔及其周围的流场发生改变。如图6所示，无风工况下，空冷塔内空气流动均匀且流场对称，由于壁面阻滞作用的存在，空冷塔内空气流动呈由外部向中间逐渐靠拢的趋势［17］。

图6 无风时空冷塔的空气动力场Fig.6 Power field of dry cooling tower under no wind condition

侧风风速为4 m/s时，空冷塔内部的空气流场如图7所示，可以看出，侧风存在时空冷塔内流场开始变得不均匀。空冷塔内部迎风侧出现低速漩涡区，空气在塔内迎风侧不断被加热；相比而言，背风侧受侧风影响较小。模拟结果与文献［18-20］一致。

图7 侧风风速4 m/s时空冷塔的空气动力场Fig.7 Power field of dry cooling tower at crosswind speed of 4 m/s

空冷塔的空气动力场变化直接影响其内部换热，空冷塔在无风工况下各处换热均匀，空气通过散热器时和散热器内热水换热，温度有所提高。无侧风时空冷塔的空气温度场如图8所示。

图8 无风时空冷塔的空气温度场Fig.8 Air temperature field of dry cooling tower under no wind condition

当侧风存在时，一方面，迎风侧空气流速降低，与散热器内循环水换热时间增长，因此温度升高；另一方面，空冷塔内部迎风侧出现低速漩涡区，导致空气被不断加热，故散热器附近出现图9所示的迎风侧高温区。模拟结果与文献［18-19］一致。

图9 侧风风速4 m/s时空冷塔的空气温度场Fig.9 Air temperature field of dry cooling tower at wind speed of 4m/s

为具体分析侧风对空冷塔换热性能的影响，比较有无侧风工况下空冷塔的相关参数见表4。可见，侧风的存在改变了空冷塔内部空气动力场，使迎风侧出现低速漩涡区，从而使得空冷塔通风量较无风时下降14.5%，空气动力场的变化进一步影响空冷塔内换热情况，使空冷塔内换热不均，4 m/s侧风下空冷塔换热量较无风时降低12.9%，即侧风在较大程度上影响了空冷塔的换热性能。

表4 有无侧风工况下空冷塔性能相关参数对比Tab.4 Comparison of relevant performance parameters of dry cooling tower under no wind and crosswind conditions

2.2 侧风对空冷塔的预喷淋系统影响分析

由于空冷塔较大，加入喷淋后计算工作量大，故本文主要探究侧风对预喷淋系统的喷淋轨迹、蒸发规律的影响及有无侧风工况下预喷淋系统对空冷塔换热性能的影响。为此，选取空冷塔迎风侧、背风侧和边侧3处具有代表性的位置加装3个喷嘴，如图10所示。

图10 喷嘴布置示意Fig.10 Schematic diagram of nozzle layout

2.2.1 喷淋液滴运动情况分析

如图11，12所示，有无侧风的工况下，液滴运动情况存在较大差异。无风工况下，液滴呈向心运动趋势，所有液滴的蒸发均作用于塔内的空气，起到增强换热的作用，而侧风存在时，边侧液滴的部分轨迹和背风侧液滴的全部轨迹都在塔外，即这部分液滴对于增强塔内换热的作用较小。

图11 无风工况下液滴运动情况Fig.11 Droplet movement under no wind condition

无风工况下，液滴有以下主要运动趋势：（1）在重力的作用下部分大粒径液滴向地面运动，造成液滴掉落地面失效，退出计算过程；（2）因空冷塔进风的影响，粒径较小的液滴有向上和向塔中心运动的趋势，每个喷嘴喷出的液滴群整体呈发散状。侧风工况下，液滴群整体的发散性降低，更趋近于束状，这是因为此时侧风成为主导，液滴整体主要跟随侧风从迎风侧流向背风侧，也是在风力作用下，液滴向地面和向上方散热器运动的趋势均有所降低，故液滴掉落地面失效的可能性降低，同时对散热器附近空气的冷却作用减小，因此需要合理设置喷嘴的布置位置，使尽可能多的液滴发挥冷却作用。

2.2.2 有效蒸发量和有效蒸发比

由图11，12可见，与无风工况下相比，当侧风存在时，喷淋液滴主要跟随侧风从迎风侧向背风侧流动，在这种影响下，喷淋水蒸发后，部分随空气抵达散热器参与换热，其余部分随空气被吹出塔外而未参与换热，故定义参与换热的喷淋蒸发量为有效蒸发量，其占所有喷淋蒸发量的比例为有效蒸发比。由定义可知，有效蒸发量和有效蒸发比越高，则参与换热的喷淋蒸发量越高，说明喷嘴布置位置更合理。

2.2.3 喷淋液滴蒸发情况分析

喷淋液滴运动过程中不断与周围空气进行换热，同时蒸发进入空气中，使空气相对湿度增加并得到冷却，从而增大换热器处热水和空气的换热温差。喷淋蒸发后空气的相对湿度越高，其温度越接近于湿球温度，说明空气被冷却效果越好，越有利于后期散热器处的换热。喷淋蒸发后空气的相对湿度反映空气内所容纳水蒸气的多少，可以由水蒸气质量分数间接表征，是一个非常重要的参数。

对比无风工况和侧风工况下散热器面的水蒸气质量分数如图13所示。无风工况下，受液滴发散状运动的影响，高水蒸气质量分数区域的分布较为分散，喷淋液滴影响的区域更为广泛，得到冷却的空气更多；而侧风工况下，液滴运动受主导侧风影响，高水蒸气质量分数区域沿侧风方向呈带状分布，受冷却的空气较少。

图13 散热器面处空气的水蒸气质量分数云图Fig.13 Nephogram of water vapor mass fraction on radiator surface

散热器面的部分物理参数见表5。由表可见，同样的喷嘴布置，相同的喷淋流量，喷淋系统的性能在有无侧风工况下存在较大差异，具体表现为：（1）无风工况下被冷却的空气流量可达1 838.02 kg/s，而侧风工况下被冷却的空气流量仅为642.67 kg/s；（2）无风工况下有效蒸发量为0.40 kg/s，有效蒸发比高达100%，即所有喷淋蒸发量均参与换热；而侧风工况下有效蒸发量只有0.07 kg/s，有效蒸发比仅为17.5%，参与换热的喷淋蒸发量十分有限；（3）从冷却面积看，无风工况下喷淋冷却面积更大，侧风工况下喷淋冷却面积较小。

表5 有/无侧风工况下散热器面的物理参数对比Tab.5 Comparison of physical parameters of radiator surface under no wind and crosswind conditions

2.2.4 空冷塔换热性能分析

喷淋液滴蒸发进入空气后，空气温度下降，散热器处的换热温差增大，空冷塔换热量提高。有无侧风工况下喷淋液滴运动情况和蒸发情况的不同直接影响空冷塔的换热性能。

半塔模型中仅引入3个喷嘴喷淋时，喷淋前后空冷塔换热性能的对比见表6。可见，无风工况下，所有喷淋液滴均能进入空冷塔参与换热过程，则喷淋对空冷塔换热量的影响较大，由于换热温差增大，空冷塔换热量则较喷淋前增加1.0%；侧风存在时，大量喷淋液滴被侧风吹出塔外，不能参与换热过程，喷淋对空冷塔换热量的影响较小，喷淋后的换热量较喷淋前仅提高0.3%。

表6 有无侧风工况下空冷塔换热量对比Tab.6 Comparison of heat transfer flux of dry cooling tower under no wind and crosswind conditions

表6中喷淋前后空冷塔换热性能的提升量较小的原因是，模拟过程中在半塔模型中仅引入3个喷嘴喷淋，喷淋水量非常小，如果布置更多喷嘴，喷淋对空冷塔换热性能的提升量将进一步大幅提高。后续将进行更多喷嘴的模拟研究。

经以上分析可见，有无侧风存在时喷淋系统有着根本差异，因此有必要对侧风下的喷淋系统进行优化设计，通过对其进行主动调控，以最大化利用水资源。

3 结论

（1）相较于无风工况，侧风的存在使液滴的运动情况发生了较大的改变，主要表现为液滴跟随侧风从迎风侧向背风侧流动，掉落地面和流向散热器的趋势均有所减弱。

（2）针对半塔模型中仅引入3个喷嘴喷淋的情况，无风和侧风工况下液滴有效蒸发量分别是0.40，0.07 kg/s，对应的有效蒸发比分别为100%和17.5%，即无风工况下所有喷淋蒸发量均参与换热，而侧风工况下参与换热的喷淋蒸发量十分有限。无风工况下，喷淋使得空冷塔换热量提高1.0%，而侧风工况下，喷淋仅使得空冷塔换热量提高0.3%。

（3）侧风的存在影响了喷淋系统的性能，空冷塔的进风预喷淋设计时需要考虑侧风的影响，应针对侧风提出预喷淋系统的主动调控策略，以减少不必要的水资源浪费，利用少量水实现高温时段空冷塔换热性能提升的最大化。

由于空冷塔较大，加入喷淋后计算工作量大，本文仅在半塔模型中3个典型位置引入3个喷嘴喷淋，故喷淋水量非常小，喷淋前后空冷塔换热性能的提升量较小。但本文研究探明了侧风对液滴运动轨迹和蒸发规律的影响，为后续更多喷嘴的优化研究奠定基础。后续将进行更多喷嘴的模拟优化研究。