侧风下分区配水对冷却塔性能的影响研究

陈 瑞，孙更生，孙浩然，何锁盈，高 明

（1.高效节能及储能技术与装备山东省工程实验室（山东大学能源与动力工程学院），山东 济南 250061； 2.山东华聚能源股份有限公司赵楼电厂，山东 菏泽 274700）

冷却塔作为电厂重要的冷端设备，可带走蒸汽在锅炉中吸收的约55%的热量，这蕴藏着巨大的节能潜力[1-2]。配水区作为冷却塔气水间换热的起始区域，影响冷却塔主要传热传质区的气水比，间接影响冷却塔的冷却效率[3-4]。

传统的超大型湿式冷却塔一般采用均匀配水的方式[5-6]，但研究发现分区配水能有效改善传热传质区域的气水比，进而提高冷却塔冷却效率[7-9]。赵顺安等[10]推导出了冷却塔外区配水的一维热力计算方法。李江云等[11-12]利用三维数值模拟方法，研究了喷淋管网布置和内外分区配水对超大型冷却塔冷却效果的影响，发现适当提高外区淋水密度可提高换热效率。杨静[13]、段文博[14]等研究发现，分区配水可以有效降低出塔水温，提高冷却塔的效率和经济性。Zhang等人[15]研究发现，采用分区配水后，出水温降提高0.21 ℃，通风量提高了6.68%。除分区配水的优化方式外，王东等[16]针对管式配水方式，对喷头、配水管网、中央竖井、配水槽等作为整体进行研究，并对喷头进行选型优化；王东海[17]基于遗传算法，对配水管热力系统进行简化假设；王丰等[18]提出冷却塔管式配水系统优化方式。针对侧风研究表明，侧风的影响是不可忽略的[19-21]，基于热态模型试验，高明等[22-24]研究发现侧风破坏塔底部进风均匀性；基于三维数值计算方法，赵元宾等[25-26]研究表明，侧风存在降低了塔内纵向通风量，恶化冷却塔冷却性能。

以上对分区配水的研究均未考虑侧风的影响，因此，有必要对侧风环境下冷却塔配水区进行优化设计。本文利用三维数值模拟方法，研究侧风环境下分区配水对超大型湿式冷却塔冷却性能的影响，并提出优化的配水方案。

1 冷却塔物理模型及简化假设

本文以某超大型湿式冷却塔为对象进行建模研究，其实际淋水面积为12 944 m2。该冷却塔的尺寸参数如图1所示。

额定工况下，大气压为100.14 kPa，空气干球温度为16.3 ℃，空气湿球温度为14.3 ℃，循环水流量为90 720 t/h，相对湿度为80%，进塔水温为31.54 ℃，设计出塔水温为21.11 ℃。

填料选用高度为2 m的20 mm S波和30 mm的斜折波。填料热力和阻力性能参数见表1和表2。表1、表2中：N为默克尔数；λ为气水比；A、y为实验测定值；Ka为传质系数，kg/(m3·s)；ga为空气质量流速，t/(m2·h)；q为循环水质量流量，t/(m2·h)；B、a和b为填料淋水实验测定的参数；A0和m0为阻力性能相关参数。

表1 填料热力性能 Tab.1 Thermal characteristics of the fillings

表2 填料阻力性能 Tab.2 Resistance characteristics of the fillings

2 数值模型及边界条件

2.1 数学模型

塔内空气变化参数以质量守恒、动量守恒和能量守恒方程进行描述，可表示为：

式中：ρ为湿空气密度，kg/m3；i为坐标x、y和z；ui为湿空气流速，m/s；φ分别表示数值为1、空气流速、温度、气水间连续性方程、动量方程、能量方程、组分方程；Γφ为扩散系数；Sφ为方程源项。

统计5种任务(5种视觉行为状态)下的眼动数据,根据需求,本文拟统计每种情况下的注视停留时间注视点X坐标平均值坐标平均值平均眼跳持续时间平均眼跳速度平均眼跳幅度以及平均瞳孔直径并对结果进行差异性分析,结果如表1所示.对表1数据进行百分比归一化处理后绘制五种任务下的散点折线图如图5所示.

基于此，将非致死性心肌梗死与非致死性脑卒中这两个转移状态之间的转移概率假设为0，心肌梗死后与脑卒中后这两个转移状态之间的转移概率也假设为0；无事件、心肌梗死后、脑卒中后这三个转移状态转移到自身的转移概率由1减去其他分支的转移概率获得；由心肌梗死后/脑卒中后转移至心肌梗死后出血/脑卒中后出血的转移概率等于无事件状态转移至严重不良出血事件的转移概率；其余状态之间的转移概率则来源于其他已发表的CVD临床试验结果。部分状态转移概率参数见表2；其余状态之间的转移概率由表2中参数推算获得。

描述冷却水运动控制方程时，认为冷却水只沿竖直方向运动，其质量、能量和动量守恒方程为：

对课程的项目、内容、工作过程、基本方法和工具、课程的理论支撑进行全方位的总结，加强学生对系统知识的理解和机能的掌握。

5月，中国水务公司积极推动旗下上市公司钱江水利开展了非公开发行募投项目。钱江水利自2000年首发上市后，主要通过银行贷款、发行债券等债务工具筹集发展所需资金。正处于发展关键阶段的钱江水利，资本支出规模较大，依靠自有资金积累及银行贷款难以完全满足项目资金需求。而通过非公开发行，可以拓宽融资渠道，募集资金满足项目建设需要，为公司实现跨越发展提供有力保障。募投项目投产后，公司的供水规模将显著扩大，核心竞争力将迅速提升。

式中：q为淋水密度，kg/(m2·s)；Sm为对流传质速率，kg/(m3·s)；cw为水的比热容，kJ/(kg·℃)；tw为水温，℃；Swe为对流传质散发的热量，kW/(m3·s)；vwz为水滴竖直下落速度，m/s；ρw为循环水密度，kg/m3；g为重力加速度，kg/m3；fz为雨滴竖直下落所受空气阻力，N；mw为单个雨滴质量，kg。

配水区和雨区传质系数为：

式中：Ka为水气间对流传质系数，kg/(m3·s)；χw和χ为饱和空气含湿量和湿空气含湿量，kg/kg。

本文建立4个网格系统，利用Fluent软件进行数值模拟对网格进行独立性验证，结果见表3。比较 表3相对误差，同时兼顾模拟计算的时间成本，本文数值模拟采用网格数为2 066 737的网格进行计算。

式中：Kh为传热系数，kW/（m3·℃）；cv为水蒸气比热容，kJ/(kg·℃)；t为湿空气的温度，℃。

循环水能量守恒方程源项为：

式中：rw为冷却水蒸发潜热,kJ/kg。

基于单膜对流传质理论，得出气水间质量方程源项为：

5)本体的使用，需要进行优劣的评价，并且评价体系还需要贯穿整个本体的生命周期，以便于找到问题随时调整。对于地名本体而言，目前没有形成规范的评价体系和标准，也没有针对性的评价工具，有的干脆没有，有的则是自建自评。

式中：ρg为干空气的密度，kg/m3；Nrd为雨滴个数；Ard为单个雨滴表面局，m2；Dv,m为水蒸气扩散系数，m2/s；dw为雨滴当量直径；Red为雨滴当量直径的雷诺数；Sc为传质施密特数。

通常来说，发展成熟的多元化企业，其经营战略可以分为三个层次：即企业总体经营战略层次、事业部发展战略层次以及职能战略层次。其中，第一层次是企业战略体系的主体和基础，具体又分为稳定型、增长型和收缩型三种战略；第二层次具体规定了各项经营事业的目标和战略；第三层次又进一步将企业战略按照专门职能进行落实和具体化。本文在系统地分析了企业总体经营管理战略的基础上，结合企业生命周期的四阶段理论，得出了企业处于生命周期的不同发展阶段所应采取的不同经营战略。

三十年，三十年可以做什么？初生的婴孩三十年已然而立，时代飞速发展的当代，三十年足以改变一切事物，或者人的一生……

配水区和雨区的空气阻力计算式为：

成束的微电极可以同时记录超过200个细胞的电活动，但由于这些电极被置于细胞膜外表面附近，而非细胞膜内，只能检测到电活动中最剧烈的电位变化——动作电位。它们听不到那些乐曲中弱音——那些微小而不引起动作电位的电位变化。但这些阈下电位变化却至关重要，是它们的逐渐累积确定了神经元何时会产生动作电位。

式中：i为坐标x、y和z；fi为气流与水滴的相互作用力，N。

填料热力和阻力特性分别由传质系数和压降的实验拟合得出：

LAN Gang, WANG Xi-yong, GUO Da-wei, XIAO Huai-qing, XU Zhu-hui, ZHANG Zhi-hao

2.2 几何建模和网格划分

本文利用ICEM软件进行几何建模和网格划分，对计算域和冷却塔分别进行网格划分。为提高模拟计算的准确性，对配水区、填料区和雨区进行网格加密。网格系统如图2所示。

2018年，中央决定深化党和国家机构改革，组建文化和旅游部是其中的一项重要改革。文化和旅游合体既强强联合，又相辅相成。非物质文化遗产是一个地区精神文化的象征，同旅游开发密不可分，所以，挖掘非物质文化遗产的精神核心成为了旅游开发的重点内容之一，科学合理地进行非物质文化遗产的开发能够为当地的旅游开发注入精神内涵，提高旅游产品的精神层次，从而为当地旅游业的发展提供源源不断的动力，促进当地经济发展。

图2 网格系统 Fig.2 Grid system

2.3 计算域及边界条件

本文建立高为700 m、半径为500 m的计算域，计算域尺寸远大于冷却塔尺寸，因此可以忽略塔体对计算边界条件的影响。边界条件如图3所示。在侧风环境下，入口边界条件设置为速度入口，出口边界条件设置为压力出口，塔壁和地面设置为无滑移壁面。侧风轮廓线函数用风速和高度表示[27]。

图3 边界条件 Fig.3 Boundary conditions

2.4 计算方法和网格独立性验证

本研究采用SIMPLE算法耦合压力和速度进行迭代计算，利用亚松弛因子加速方程收敛，利用比例残差判断收敛性；能量方程比例残差设置为10-6，其他方程比例残差设置为10-4；当连读50迭代且出塔水温变化小于0.01 ℃，则可认为迭代计算收敛。

式中：Fz为空气阻力，N；Δp为压降，Pa；H为填料高度，m；v为空气穿过填料区的平均速度，m/s；vz为湿空气沿垂直方向的运动速度，m/s；A0、m0分别为根据实验数据Ax、Ay、Az、mx、my和mz所确定的常数见表2。

塔内湿空气能量方程源项为：

表3 网格独立性验证 Tab.3 Grid-independence verification results

2.5 模型验证

模拟计算该超大型湿式冷却塔其他运行工况，得到出塔水温模拟值，其与实际值对比结果见表4。由表4可见，模拟值与实际值之间的最大相对误差为1.6%，表明本文所建模型满足准确性要求。

表4 模型准确性验证 Tab.4 Model accuracy validation results

3 结果分析

本文以风速v=3 m/s、分区配水点50 m[27]为例，模拟计算内区配水量5%～95%时，分区配水对空气动力场温度场和冷却性能参数的影响。同时，研究侧风风速v=1～3 m/s、分区配水对冷却塔效率和出塔水温的影响趋势。

3.1 分区配水量

该超大型湿式冷却塔填料区采用非等片距填料布置方式，在内区和外区分别布置30 mm和 20 mm片距填料。侧风风速v=3 m/s时，内区半径为50 m[27]，因此，v=3 m/s工况下，分区配水点为50 m，当内区配水量占比为60.68%时内外区淋水密度相同即均匀配水。在该分区配水点下，内区配水量占比变化见表5。

表5 内区配水量占比 Tab.5 Proportion of the inner zone water distribution

针对侧风风速（v=1～3 m/s），分区配水点分别设置为50、45、50 m[27]，模拟计算各个风速下内区配水量5%～95%时的出塔水温和冷却效率，具体内区配水量不再赘述。

3.2 分区配水对塔内空气动力场和温度场影响

图4为v=3 m/s时，该塔X=0截面的均匀配水和分区配水空气动力场。图4a)为内区配水量占比60.68%，即均匀配水时的空气动力场；图4b)为内区配水量为65%时的空气动力场。由图4对比可以看出，内区配水量增加，导致塔中心区域的低风速区域有所增大，但是由于外区配水量减少，外界环境风更容易进入塔内部，空气动力场更加均匀，有利于配水外区气水间换热。

图4 X=0截面的均匀和分区配水空气动力场 Fig.4 Aerodynamic field in cross section of X=0 in uniform and partition water distribution

图5为风速v=3 m/s时，该塔配水区底部截面的均匀配水和分区配水温度场。由图5可以明显看出，内区配水量增加会削弱中心区域气水间传热传质，导致塔中心出现高温区。但是，由于外区配水量减少，配水外区风速增大，强化气水间传热传质，外区温度明显降低，出现环形低温场。

图5 配水区底部截面的均匀和分区配水温度场 Fig.5 Temperature field in bottom section of the spray zone in uniform and partition water distribution

3.3 分区配水对冷却性能的影响

以v=3 m/s为例，分析分区配水对出塔水温、冷却效率、通风量和蒸发损失的影响；同时，对比分析风速v=1～3 m/s分区配水和均匀配水的出塔水温和冷却效率。

冷却效率和蒸发损失计算公式为：

式中：t1、t2分别为进、出塔水温，℃；τ1为空气湿球温度，℃；G为通风量，kg/s；mw2和mw1和分别为出、进塔水蒸气质量分数。

图6为v=3 m/s时，出塔水温和冷却效率随内区配水量占比的变化曲线。由图6可见，随内区配水量占比的增加，出塔水温先降低后升高，冷却塔的冷却效率先增大后减小。这是因为内区配水量过小时，外区配水量较大，外界环境风较难进入塔内与冷却水进行换热，冷却效率较低；随着内区配水量增大，外界环境风更容易进入塔内实现气水间换热，提高冷却效率；但是，当内区配水量过大时，外界环境风较难进入塔中心区域，并且风速较大的外区配水量过小，导致风水匹配不佳，冷却效率降低。当内区配水量占比为65%时，出塔水温最低为20.02 ℃，此时的冷却效率最大为66.81%；相比于均匀配水（即内区配水量占比60.68%），出塔水温降低了0.14 ℃，冷却效率提高了0.82%。

图6 出塔水温和冷却效率随内区配水量变化曲线 Fig.6 Variation curves of outlet water temperature and cooling efficiency with water distribution in the inner zone

图7为v=3 m/s时通风量和蒸发损失随内区配水量占比的变化曲线。

图7 通风量和蒸发损失随内区配水量变化曲线 Fig.7 Variation curves of ventilation and evaporation loss with water distribution in the inner zone

由图7可见，通风量呈先增加后减少的变化趋势。这是因为最初内区配水量较小，随着内区配水量增加，外区配水量减小，外界环境空气更容易进入塔内，所以通风量增加。当内区配水量占比过大时，外界环境空气很难到达内区，只能在外区与水进行换热，所以通风量逐渐减小。此外，由式(14)可知，蒸发损失与通风量呈正比关系，因此，蒸发损失的变化趋势亦是先增大后减小。

考虑到人体会因大量热量损耗而出现低温麻醉现象，本文增加了一个生命损失间接影响因素，即溃坝发生季节与水温环境。具体的十个生命损失间接影响因素见表1。

根据各个风速的内区配水点和内区配水量，模拟计算得到风速v=1～3 m/s时的出塔水温和冷却效率如图8和图9所示。由图8和图9可见，风速v=1～3 m/s时，分区配水的出塔水温均低于均匀配水，冷却效率均高于均匀配水，表明在低风速下分区配水能有效提高冷却塔效率。

图8 出塔水温随风速的变化曲线 Fig.8 Variation curves of outlet water temperature with wind speed

图9 冷却效率随风速的变化曲线 Fig.9 Variation curves of cooling efficiency with wind speed

4 结 论

1）在风速v=3 m/s工况下，分区配水改变了塔内空气动力场和温度场的分布。

2）风速v=3 m/s、内区配水点为50 m时，随内区配水量占比的增加，出塔水温先降低后升高，冷却效率先增大后减小，通风量和蒸发损失先增大后减小。当内区配水量占比为65%时，出塔水温最低为20.02 ℃，冷却效率最大为66.81%，与均匀配水（内区配水量占比60.68%）相比，出塔水温降低0.14 ℃，冷却效率提高0.82%。

3）风速v=1～3 m/s时，分区配水的出塔水温低于均匀配水，冷却效率高于均匀配水。低风速下，分区配水能有效提高冷却塔效率。