蓄热层形状对太阳能增效空冷塔换热性能的影响研究

何锁盈，王 蕊，张治愚，闫明暄，刘严雪，高 明

(山东大学能源与动力工程学院，济南 250061)

冷却塔是热力发电厂重要的冷端设备，其性能好坏直接影响电厂的循环热效率。冷却塔按照空气和水的接触方式，可分为空冷塔、水冷塔和干湿混合冷却塔[1]．自然通风空冷塔是一种典型的空冷塔，与机械通风塔相比初投资较高，与水冷塔相比换热性能较差．自然通风空冷塔利用自然浮升力驱动塔内空气流动，其运行不需要风机，无风机的电耗，且几乎无水损耗，近年来在干旱地区越来越受重视[2]．但是自然通风空冷塔基于空气与换热器内循环热水的对流换热进行散热，与水冷塔的蒸发相变散热相比，换热性能差，特别是夏季高温季节，其冷却能力非常低.为此，国内外研究人员进行了很多探索，如蒸发预冷进风[3]、直接喷淋散热器[4]、太阳能辅助增效[5]等．

太阳能增效空冷塔的塔体设计为双曲线结构[6-7].太阳能增效空冷塔的核心部件是太阳能集热装置，主要包括集热棚、地面蓄热层、翅片管换热器，翅片管换热器垂直布置在太阳能集热装置的外沿，太阳能透过集热棚(玻璃)被地面蓄热层吸收，地面蓄热层被加热．太阳能增效空冷塔的运行原理为，环境空气首先流经空冷塔入口处的翅片管换热器，与翅片管换热器内的循环水换热，空气被加热而循环水被冷却，热空气进入太阳能集热装置进一步被地面蓄热层加热；地面蓄热层的加热，增大了空冷塔内部空气与环境空气的温度差，有利于提升空冷塔的浮升力，进而增大塔内通风量，实现增强换热．蓄热层表面由平面形改为矩形和波纹形可增大空气的扰流度，从而强化此处的换热．因此，本文重点研究蓄热层形状为平面形、矩形、波纹形情况下太阳能增效空冷塔换热性能的变化规律．

Zou 等[5]对太阳能增效空冷塔(solar enhanced natural draft dry cooling tower，SENDDCT)进行了系统的研究，研究发现与传统空冷塔相比，相同排热量时太阳能增效空冷塔所需的塔高显著降低，且集热棚直径越大优势越明显，这为空冷塔的节能优化设计提供了新思路．苑立君等[8]研究了环境温度、湿度和换热器布置等因素对太阳能增效空冷塔换热性能的影响，获得了不同条件下塔内空气流量和排热量的变化规律．范皓龙等[9]通过数值模拟，研究了侧风风速对太阳能增效空冷塔内部空气动力场、速度场和冷却性能的影响，同时对3 种典型防风装置及其耦合方式的防风效果进行了研究，发现导流板和挡风板在不同的侧风条件下各具优势；优化后的防风措施是导流板耦合120°角分布的挡风板，此时太阳能增效空冷塔的排热量最大可提高10.6%．

集热棚直径增大，太阳能增效空冷塔的换热性能提升，与此同时也造成了建造成本与后期维护费用的增加[5]，本文在不改变太阳能增效空冷塔原有结构的基础上，通过改变蓄热层形状来增大空气的扰动程度，从而实现强化换热．本文采用数值模拟的方法，建立三维数值计算模型，并分别研究了蓄热层形状为平面形、波纹形、矩形时太阳能增效空冷塔的换热性能，获得了优选的蓄热层形状，为更好地利用太阳能提升空冷塔换热性能提供了理论指导．

1 数学模型

1.1 控制方程

本文基于稳态分析，假设空气为不可压缩流动，采用Navier-Stokes 方程描述气侧流场，用标准k-ε 模型进行数值计算，空气侧的控制方程为

式中：va为速度，m/s；ρa为空气的密度，kg/m3；Ta为温度，K；κa为传热系数，W/(m2·K)；cpa为比热容，J/(kg·K)；τ 为应力张量；E 为空气总能，J；Φ 为黏性耗散项，W /m3；Smo为质量源项，kg/(m3·s)；Se为能量源项，W．

1) 能量分析空气侧和水侧的热平衡为

式中：cpa为空气的比热容，J/(kg·K)；cpw为水的比定压热容，J/(kg·K)；Ma为空气质量流量，kg/s；Mw为水质量流量，kg/s；Taho为换热器出口空气温度，K；Tai为入口空气温度，K；Twi为进塔水温，K；Two为出塔水温，K．

在太阳能集热棚内部，主要传热方式是热对流，热辐射可以忽略，蓄热层与空气之间的热平衡可表示为[10]

式中：Tac表示集热棚内空气温度，K；Tg为蓄热层温度，K．

2) 换热器模型

本文采用翅片管换热器进行计算，换热器采用散热器边界来模拟[11-12]．换热系数h 可由式(6)计算．

式中Va为空气流速，m/s．

换热器压降损失系数k 可由式(7)表示，式(8)和式(9)表示矩形蓄热层和波纹形蓄热层压降损失系数[13-14]．

式中：um是最大速度的平均值，m/s；N 为矩形肋数；β是相邻两个波纹通道内流体压降，Pa；De为当量直径，m．

1.2 几何模型

在环境条件和运行条件恒定时，冷却塔的结构对称，如图1 所示．由于本研究重点探求蓄热层形状对太阳能增效空冷塔换热性能的影响，故基于模拟时间和精度考虑，选取原模型1/12 的几何模型进行计算，空冷塔内空气流量和排热量等性能参数均为模拟结果的12 倍. 此外，由于太阳能增效空冷塔是利用自然浮升力驱动塔内空气流动，为更准确地模拟空气流动，几何模型沿集热棚外沿延长一定的尺寸，增大计算域．几何模型如图2 所示，太阳能增效空冷塔的几何参数及环境参数如表1 所示．

图1 太阳能增效空冷塔Fig.1 Solar enhanced natural-draft dry cooling tower

图2 矩形蓄热层的太阳能增效空冷塔3D结构(单位：m)Fig.2 3D model of a SENDDCT with rectangular ribs(unit：m)

表1 太阳能增效空冷塔的设计工况Tab.1 Design conditions of the solar-enhanced naturaldraft dry cooling tower

1.3 边界条件

数值模拟时，假设集热棚的材质是玻璃(发射率和透射率值均为0.84)，地面蓄热层是一个厚为10 m的天然储能层，地面蓄热层通过吸收太阳辐射后将热量传递给流经其的空气，相当于一个内热源．本文主要进行可行性研究，太阳能辐射强度取为定值1 000 W/m2，计算时暂未考虑太阳辐射强度随时间的变化，后续研究需结合实际情况设定太阳辐射强度．计算模型中各边界条件设定如表2 所示[15]．

表2 中，hs表示空气与集热棚的对流换热系数，W/(m2·K)；εext表示集热棚的透射率；pi表示环境相对压力，Pa；po表示塔出口相对压力，Pa．

1.4 网格独立性及模型验证

对于140 m 高的太阳能增效空冷塔，在进塔水温333.15 K(60 ℃)、环 境 温 度 303.15 K(30 ℃)、1 000 W/m2辐射强度下，表3 给出了太阳能增效空冷塔在蓄热层形状为矩形时不同网格数下的空气质量流量和排热量．从表3 可以看出，网格数1.03×106可同时满足计算时间和计算精度的要求．因此，选取网格数1.03×106进行矩形蓄热层情况的计算．同理，波纹形蓄热层的计算网格数为1.88×106．

表2 边界条件Tab.2 Boundary conditions

表3 网格独立性Tab.3 Grid independence

数值计算模型通过本文的计算结果与文献[5]对比，实现验证．本文计算得到地面蓄热层形状为平面时，塔内空气流量和排热量分别为15 485 kg/s 和132.9 MW，文献[5]中140 m 高的太阳能增效空冷塔，在进塔水温333.15 K(60 ℃)、环境温度303.15 K(30℃)、太阳辐射强度1 000 W/m2的条件下，相应的空气流量为15 358 kg/s，排热量为135.9 MW，模拟的结果与文献[5]相比，空气流量和排热量的误差分别为0.8%和2.1%，误差较小，因此本文提出的数值计算模型可用于后续的研究．

2 结果与讨论

2.1 蓄热层形状对换热性能的影响

本部分均为进塔水温333.15 K(60 ℃)、环境温度为303.15 K(30 ℃)工况下的计算结果．

图3 给出了地面蓄热层为矩形的温度云图，可以看出蓄热层能进一步加热来自换热器处的空气．

图3 矩形蓄热层太阳能增效空冷塔的温度分布Fig.3 Temperature distributions of the SENDDCT with rectangular ribs

图4和图5 分别给出了矩形和波纹形蓄热层太阳能增效空冷塔的温度分布．高度2 m、4 m、6 m、10 m 和14 m 为空气距离地面的高度值．由图4 和图5 可以看出，矩形蓄热层与波纹形蓄热层的空气温度随距塔中轴线距离的变化趋势基本一致，靠近地面蓄热层的空气温度高于远离地面蓄热层的空气温度，这是由于太阳能透过集热棚被地面蓄热层吸收，蓄热层与靠近的空气进行对流换热加热空气．14 m 处的空气温度波动较大，因为此高度距离集热棚顶部仅为1 m，集热棚顶部高度为15 m，此处空气流动与换热较为复杂，既存在由于地面蓄热层加热导致的气流浮升与集热棚顶部反弹，又有集热棚顶部与空气间的对流换热和辐射换热．

图4 矩形蓄热层的空气温度分布Fig.4 Air temperature distributions of rectangular ribs

图5 波纹形蓄热层的空气温度分布Fig.5 Air temperature distributions of corrugated ribs

在靠近地面处，如2 m 高度处，矩形蓄热层的空气平均温度高于波纹形的空气平均温度．经分析计算，矩形蓄热层的空气质量流量为15 691 kg/s，高于波纹形的空气质量流量(15 561 kg/s)，亦即太阳能增效空冷塔在蓄热层形状为矩形时集热棚内的气流速度高，进一步证明矩形蓄热层能更好地改善太阳能增效空冷塔的换热性能．

2.2 进塔水温对换热性能的影响

本节设定303.15 K 环境温度、1 000 W/m2辐射强 度，变 化 进 塔 水 温 为 323.15 K 、328.15 K 、333.15 K，研究进塔水温变化对太阳能增效空冷塔在蓄热层形状分别为平面形、矩形和波纹形时换热性能的影响规律，其排热量的变化规律如图6 所示．

图6 进塔水温对不同蓄热层形状的太阳能增效空冷塔排热量的影响Fig.6 Influence of inlet water temperature on the heat rejection rate of SENDDCTs with different heat storage shapes

由图6 可以看出，3 种蓄热层形状的太阳能增效空冷塔的排热量均随进塔水温的升高而增大．对比平面形、矩形和波纹形蓄热层的太阳能增效空冷塔，矩形的排热量大于波纹形，波纹形大于平面形.323.15 K 的进塔水温工况下，蓄热层表面为平面形、波纹形、矩形时冷却塔的排热量分别为95.8 MW、99.7 MW 和107.4 MW；328.15 K 的进塔水温工况下，蓄热层表面为平面形、波纹形、矩形时冷却塔的排热量分别为115.3 M、123.1 MW 和129.1 MW；333.15 K 的进塔水温工况下，蓄热层表面为平面形、波纹形、矩形时冷却塔的排热量分别为132.9 MW、145.3 MW、149.2 MW。综述，在所研究的3 种进塔水温工况下，矩形蓄热层对太阳能增效空冷塔换热性能的改善效果均优于波纹形和平面形，即应优选矩形的蓄热层形状以更好地利用太阳能提升空冷塔的换热性能．

因此，工程应用时，在满足建造成本和施工难度等条件下，应优选矩形的蓄热层形状，以更好地利用太阳能提升空冷塔的换热性能．

3 结 论

本文探究了增大空气扰流度来强化太阳能增效空冷塔换热性能的可行性．采用数值模拟的方法，分别研究了平面形、波纹形、矩形地面蓄热层对太阳能增效空冷塔换热性能的影响规律，并获得了太阳能增效空冷塔地面蓄热层形状的优化方案．本文的主要结论有：

(1) 增强气流扰动，可以强化太阳能增效空冷塔的换热．对于不同的蓄热层形状，冷却塔的排热量在矩形蓄热层时最大，波纹形的次之，平面形的最小；

(2) 对本文研究的140 m 高太阳能增效空冷塔，在进塔水温 333.15 K(60 ℃)、环境温度 303.15 K(30℃)的条件下，蓄热层表面为平面形、波纹形、矩形时冷却塔的排热量分别为132.9 MW、145.3 MW和149.2 MW，即矩形蓄热层对太阳能增效空冷塔性能的改善效果优于波纹形，该结论同样适用于进塔水温50 ℃、55 ℃的情况；

(3) 工程应用时，在满足建造成本和施工难度等条件下，建议优选矩形的蓄热层形状，以更好地利用太阳能提升空冷塔的换热性能．

本研究可用于太阳能增效空冷塔的优化设计领域，为太阳能增效空冷塔的实际应用奠定理论基础．