湿式冷却塔加装挡风板的数值研究

李永华， 甄海军， 汤金明

（1.华北电力大学 能源动力与机械工程学院，保定071003；2.内蒙古大唐国际托克托发电有限责任公司，呼和浩特010206）

由于我国北方冬季气温低造成湿式冷却塔内传热不均，导致在冷却塔的填料下表面、进风口以及基环面等处容易结冰，严重影响冷却塔正常运行，同时也缩短了冷却塔的使用寿命，增加了冷却塔的运行成本［1］，因此考虑在冷却塔的进风口处加装挡风板［2］.挡风板的最佳层数与风速和气温有关，为了找到气温、风速与挡风板最佳层数的关系，需要对冷却塔的内部流场进行数值模拟.

计算流体力学（CFD）是20世纪60年代起伴随计算机技术迅速崛起的学科，而Fluent是大型商业化CFD软件，目前被广泛应用于数值计算领域.该软件提供了大量计算流体问题的相关模型和算法，并设置了外接用户端口（UDF），具有稳定性好、适用范围广、精度高和拓展性好等优点［3］，因此笔者选用Fluent作为冷却塔的数值模拟平台.

笔者以某电厂600MW机组逆流湿式自然通风冷却塔为例，在进塔水温为26.92℃、进水量为11 829.7kg／s的工况下，环境温度为－10℃、未挂挡风板时对不同风速下冷却塔填料下面的空气温度场以及水滴的最低温度进行了数值模拟，纠正了通常认为水滴和空气场的最低点温度在迎风面且不随风速变化的理论，并给出了在不同气温下、挂不同层数挡风板对塔内填料下面最低水滴温度值的影响曲线，得出的结论对电厂在不同环境温度下合理挂装挡风板的层数具有参考价值.

1 计算模型

1.1 数学模型

冷却塔内部为气水两相流场，传热传质和摩擦碰撞同时存在.为了突出热量与物质交换过程，笔者对计算模型作了适当简化：①忽略塔体向环境的散热和水滴内部热阻，只考虑塔内蒸发散热和接触散热，忽略辐射散热；②填料层分布致密，结构复杂，对填料内部的质量、动量和能量交换以源项的形式并采用外接自定义函数求解；③在稳定运行工况下，塔内流动视为定常流，其中气相运动呈轴对称分布，液相为一维流动.

笔者采用 Merkel法 和e－NTU 法［4－6］计算 冷却塔内部流场，忽略了冷却水的蒸发损失并加入刘易斯因子，气相流动为三维控制方程（见式（2）），并将水滴控制方程近似简化为一维传热传质方程（见式（3））.模型计算方法为：雨区和喷淋区用离散相模型模拟，选用标准k－ε湍流模型，在输运方程中考虑了浮力项［7］，控制微分方程的离散化采用了有限差分法中的控制容积公式法，流场的计算则采用典型的Simple算法.

1.1.1 气流控制方程

在稳定工况下，冷却塔对空气的抽力和内部阻力相平衡，得到通风量计算公式［8］：

式中：G为通风量，m3／h；D 为填料底层塔径，m；He为冷却塔有效高度，即配水喷嘴到塔顶的距离加上喷嘴到进风口中部距离的一半，m；ρm为塔外空气密度，kg／m3，ρm＝（ρ1＋ρ2）／2；ρ1为塔外环境空气密度，kg／m3；ρ2为塔内经过填料和配水层后的饱和或接近饱和的空气密度，kg／m3；ξ为塔的总阻力系数，填料阻力系数［8］ξf＝0.525 Hf（Q／G）1.32，其中 Hf为填料层高度，m，Q为通过塔的冷却水流量，m3／h.其他区域阻力系数可根据有关试验数据取定值，分别为进风口ξj＝0.5，配水系统ξg＝0.5，收水器ξs＝3.5.

在稳定工况下运行时，塔内外流场可当作稳态处理，采用以下通用控制方程［9］：

式中：ρ为各点空气密度，kg／m3；ui为速度矢量；φ为通用变量，表示水蒸气组分、温度、湍动能和湍流耗散率；Γφ为广义扩散系数；Sφ为广义源项.

1.1.2 水滴控制方程

考虑到水滴运动的不连续性，针对每个控制单元需分析其中淋水的总体传热传质效应，因此采用拉格朗日法计算喷淋区和雨区的水流场时，水滴的温度变化应按如下关系式［10］计算：

式中：Tad、Tw分别为控制单元内气相干球温度和水滴温度，K；Aw为水滴表面积，m2；mw为水滴流量，kg／s；cw为控制单元内水滴的平均比热容，J／（kg·K）；ΔTw为控制单元内水滴温度变化量，K；Cs为含1kg干空气的水滴表面所含水蒸气的质量；C∞为含1kg干空气的湿空气中所含水蒸气的质量；hm为传质系数，kg／（m2·s）；h为传热系数，W／（m2·K）；hfg为淋水蒸发潜热，J／kg.

1.2 计算边界条件

以某600MW机组为例，其几何边界条件为：塔高125m，环基外侧直径106.42m，塔盆直径为96.42m，塔筒顶部直径为57.01m，喉部直径为52.2m，进风口高度为8m，填料厚度为1m，计算区域是直径为500m、高度为500m的圆柱体.该机组挡风板的实际高度为2.66m.由于挡风板过高，悬挂每层挡风板后对塔内温度场影响太大，所以笔者建议采用每层挡风板的高度为原高度的一半即1.33m.这样，将进风口平均分为6层，即从上至下依次安装1、2、3、4、5和6层挡风板.使用Gambit软件生成相应的几何模型以及计算网格.进口为速度边界条件，出口为压力边界条件；塔壁、管壁、挡风板和地面为无滑移壁面边界条件.在计算中考虑了重力和浮力影响，离散相边界条件在环境进出口、进风口、水池底面以及收水器等边界均为逃逸，在冷却塔壳壁面为反射.图1为计算边界示意图.

2 计算结果分析

2.1 未装挡风板塔内空气温度和速度场分析

基于上述理论，在环境温度为－10℃、进塔水温为26.92℃、进水量为11 829.7kg／s工况下，对不同横向风下的工况进行了数值模拟.图2为不同横向风条件与风向平行的冷却塔纵向截面和填料下面截面的空气温度场分布.

图1 计算边界示意图Fig.1 Computational boundary

图2 不同工况下冷却塔的空气温度场分布Fig.2 Air temperature distribution under different conditions at different zones

由图2（b）可知：由于气液间的热质交换和相互作用力，无风时空气温度沿径向由外向内逐渐升高，速度逐渐降低，塔中心处空气的温度最高，速度最低，塔进风最均匀，气水接触也最均匀，所以热质交换效果也最好.由图2（d）可知：当横向风速V＝2 m／s时，入口风的流场已经不再是轴对称分布；由于横向风在雨区传热，所以塔的背风侧空气温度较高.但是，当横向风速增大时，由于气流在进风口的流通面积急剧收缩，其流速增大，在填料底部形成低压环流区，妨碍了进风口附近填料区的进风，因此最高气温出现在向风侧.在塔的背风侧，气流流动好，空气和水滴的传热充分，所以温度较低，见图2（h）.正因为进口流场不均，使塔内气水流场分布不均.气液两相间的热质交换过程恶化，这是冷却塔效能恶化的主要原因.在电厂实际运行中，由于塔周围的建筑物存在，一般风速比较低，因此空气的高温区出现在塔的背风侧.

2.2 进风口加装不同层数挡风板的防结冰分析

因为循环水的散热量等于进入冷却塔的空气吸热量，所以只要减少进入冷却塔的空气流量，即增加挡风板层数就能提高冷却塔内的温度，从而降低塔内结冰的可能性.为了说明塔内的温度场温度随着挂挡风板层数的增加而提高，笔者以环境温度为－10℃、环境风速为2m／s的未挂挡风板和挂1、2、3、4和5层挡风板时填料下面空气最低温度场为例进行了数值模拟.图3为挂不同层数挡风板时的空气温度场.

图3 挂不同层数挡风板时的空气温度场Fig.3 Air temperature distribution in cooling tower with different layers of windshield installed

由图3（f）可知：填料下面的空气最低温度随着挡风板层数的增加而升高.图4为挂挡风板层数与填料下面最低空气温度的关系.

图4 挡风板层数与填料下面最低空气温度的关系Fig.4 Relationship between windshield layer and minimum air temperature

2.3 不同环境温度下挡板层数与塔内水温的关系

当横向风速为8m／s、进水温度为26.92℃、进水量为11 829.7kg／s工况下，由于塔内的水温分布不均，在填料下面、进风口上沿水平面和基环面容易结冰.所以笔者对这3个平面在环境温度分别为－10℃、－17℃和－23℃下对挡风板层数与最低水温进行了模拟，其关系见图5.

从图5可知：随着挡风板层数增加，填料下面、进风口上沿面和冷却塔基环面的水温升高，这是由于挡风板层数的增加，进入塔内的空气量减少，使得空气和水滴的传热量减少，因而提高了塔内的温度.由图5（a）可知：当环境温度为－10℃时，未挂挡风板时填料下面、进风口上沿面的最低水温分别为274.75K和273.66K，而冷却塔基环面的最低水温为272.23K，挂1层挡风板时冷却塔基环面的最低水温为274K.综上所述，挂1层挡风板就可以有效防止冷却塔基环面上的水滴结冰.

从图5（b）可知：在环境温度为－17℃时，填料下面、进风口上沿面的最低水温分别由未挂挡风板时的270K、267K上升到挂2层挡风板时的276K和275K，所以挂2层挡风板可以有效防止填料下面以及上沿面的水滴结冰.基环面的最低水温由挂2层挡风板时的272K上升到挂3层挡风板时的277K，所以要有效防止水滴在基环面结冰必须挂3层挡风板.综上所述，挂3层挡风板可以有效防止冷却塔3个面的水滴结冰.

图5 不同环境温度下挡风板层数与最低水温的关系Fig.5 Relationship between windshield layer and lowest water temperature at different environmental temperatures

从图5（c）可知：在环境温度为－23℃时，填料下面和上沿面的最低水温分别由挂3层挡风板时的272K和271K上升到挂4层挡风板时的275K和274K，所以挂4层挡风板可以有效防止填料下面和上沿面的水结冰.基环面的水温由挂4层挡风板时的272K上升到挂5层挡风板时的278K，所以挂5层挡风板可以有效防止基环面的水滴结冰.综上所述，挂5层挡风板可以有效防止填料下面、上沿面以及基环面上的水滴结冰.

3 结 论

（1）由于横向风的存在，冷却塔内的温度场不再是轴对称分布.当风速较低时，进入塔内的空气流经雨区与淋水传热后，空气场的高温区域出现在塔的背风侧.当横向风速增大时，冷却塔内的空气温度场的高温区域向着迎风侧转移.

（2）当风速为8m／s时，不同环境温度下挂挡风板的最佳层数为：当环境温度为－10℃时，挂1层挡风板可有效防止塔内结冰；当环境温度为－17℃时，挂3层挡风板可有效防止塔内结冰；当环境温度为－23℃时，挂5层挡风板可有效防止塔内结冰.

［1］张志刚，王伟，曾德良，等.冷却塔出塔水温的迭代方法［J］.动力工程学报，2010，30（5）：372－373.ZHANG Zhigang，WANG Wei，ZENG Deliang，et al.The iterative calculation of cooling tower’s outlet water temperature［J］.Journal of Chinese Society of Power Engineering，2010，30（5）：372－373.

［2］王福军.计算流体动力学分析［M］.北京：清华大学出版社，2004.

［3］李奇军，李亚峰.自然通风冷却塔冬季结冰原因分析及设计处理措施［J］.核工业研究与设计，2011，84（2）：89－90.LI Qijun，LI Yafeng.Analysis of cooling tower freezing in winter and design treatment measures［J］.Research ＆ Design of Nuclear Engineering，2011，84（2）：89－90.

［4］周兰欣，蒋波，陈素敏.自然通风湿式冷却塔热力特性模拟［J］.水利学报，2009，4（2）：208－209.ZHOU Lanxin，JIANG Bo，CHEN Sumin.Numerical study of thermal performance on natural draft wet cooling tower［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2009，4（2）：208－209.

［5］Al－WAKED R，BEHNIA M.CFD simulation of wet cooling towers［J］.Applied Thermal Engineering，2006，26（4）：382－395.

［6］王凯.自然通风湿式冷却塔进风口空气动力场数值模拟及阻力研究［D］.济南：山东大学能源与动力工程学院，2006.

［7］KROGER D G.Air－cooled heat exchangers and cooling towers［M］.Tulsa，USA：PennWell Corp，2004.

［8］赵振国.冷却塔［M］.北京：中国水利水电出版社，1997.

［9］WILLAMSON N，ARMFIELD S，BEHNIA M.Numerical simulation of flow in a natural draft wet cooling tower－the effect of radial thermo fluid fields［J］.Applied Thermal Engineering，2008，28（2）：178－189.

［10］周兰欣，金童，尹建兴，等.火电机组湿式冷却塔加装导流板的数值研究［J］.汽轮机技术，2010，52（1）：13－14.ZHOU Lanxin，JIN Tong，YIN Jianxing，et al.Numerical study on wet coolingtower with baffle plates in thermal power generating units［J］.Turbine Technology，2010，52（1）：13－14.