側(cè)風(fēng)對(duì)于自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔傳熱傳質(zhì)影響機(jī)制的研究.pdf

1、自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔作為有效的冷卻設(shè)備，廣泛用于電站熱力系統(tǒng)循環(huán)水的冷卻，其冷卻性能直接影響電站冷端系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行。冷卻塔內(nèi)氣-水兩相間復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)極易受環(huán)境空氣溫度、濕度及側(cè)風(fēng)的影響。環(huán)境側(cè)風(fēng)可破壞無(wú)側(cè)風(fēng)時(shí)塔內(nèi)軸對(duì)稱(chēng)的空氣動(dòng)力場(chǎng)，引起冷卻塔進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速周向分布不均，弱化冷卻塔傳熱傳質(zhì)，對(duì)電站熱力系統(tǒng)的高效節(jié)能運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。冷卻塔傳熱傳質(zhì)區(qū)由配水區(qū)、填料區(qū)和雨區(qū)組成，因各區(qū)在塔內(nèi)的位置及其結(jié)構(gòu)的不同，側(cè)風(fēng)對(duì)各區(qū)傳熱傳質(zhì)有著

2、不同的影響機(jī)理。為明確環(huán)境側(cè)風(fēng)對(duì)冷卻塔傳熱傳質(zhì)的影響機(jī)制，以更為有效地提高冷卻塔冷卻性能，有必要針對(duì)環(huán)境側(cè)風(fēng)對(duì)塔內(nèi)各區(qū)傳熱傳質(zhì)的影響機(jī)理進(jìn)行深入地系統(tǒng)研究。 本文建立了側(cè)風(fēng)條件下自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔傳熱傳質(zhì)分析的三維數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)側(cè)風(fēng)條件下冷卻塔空氣動(dòng)力場(chǎng)及塔內(nèi)氣-水兩相間的傳熱傳質(zhì)進(jìn)行了三維數(shù)值計(jì)算，研究了側(cè)風(fēng)對(duì)冷卻塔各區(qū)傳熱傳質(zhì)及其冷卻性能的影響機(jī)理，以及側(cè)風(fēng)條件下導(dǎo)風(fēng)板、十字隔墻等控風(fēng)方案的作用機(jī)理及其耦合。并基于冷卻

3、塔的熱態(tài)模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行試驗(yàn)，對(duì)所建三維數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行了驗(yàn)證，為側(cè)風(fēng)下冷卻塔冷卻性能評(píng)價(jià)理論模型的建立奠定了基礎(chǔ)。主要研究工作如下： （1）側(cè)風(fēng)條件下，冷卻塔氣-水兩相間傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型的完善?；谒?nèi)氣-水兩相間傳熱傳質(zhì)的基本原理，分析了氣-水間對(duì)流傳熱和對(duì)流傳質(zhì)的類(lèi)似性，指出了冷卻塔傳熱傳質(zhì)傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的不足，其中一維模型和二維模型無(wú)法考慮環(huán)境側(cè)風(fēng)的影響，已有三維模型采用水滴代替水膜近似模擬填料區(qū)傳熱傳質(zhì)，降低了側(cè)風(fēng)下冷

4、卻塔傳熱傳質(zhì)性能計(jì)算分析的準(zhǔn)確性。本文修正了冷卻塔內(nèi)空氣和水物性參數(shù)的計(jì)算方法，充分考慮了側(cè)風(fēng)條件下塔內(nèi)空氣和水兩相溫度、速度、含濕量等參數(shù)的三維分布對(duì)局部傳熱傳質(zhì)的影響，在側(cè)風(fēng)條件下引入了修正的Lef因子關(guān)聯(lián)式實(shí)現(xiàn)了填料區(qū)空氣和水膜間對(duì)流傳熱系數(shù)和對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)計(jì)算的三維關(guān)聯(lián)，參考離散相模型計(jì)算了空氣和水滴兩相間的對(duì)流傳熱系數(shù)和對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)，在側(cè)風(fēng)條件下建立了完善的塔內(nèi)氣-水兩相間傳熱傳質(zhì)的三維數(shù)學(xué)模型，為研究側(cè)風(fēng)對(duì)冷卻塔傳熱傳質(zhì)的影響

5、機(jī)制奠定了理論基礎(chǔ)。 （2）側(cè)風(fēng)條件下，自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔傳熱傳質(zhì)分析三維數(shù)值計(jì)算模型的建立。結(jié)合側(cè)風(fēng)條件下塔內(nèi)氣-水兩相間傳熱傳質(zhì)的三維數(shù)學(xué)模型，采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模式和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法分別對(duì)空氣運(yùn)動(dòng)控制方程進(jìn)行湍流封閉和近壁區(qū)處理，建立了側(cè)風(fēng)條件下冷卻塔傳熱傳質(zhì)分析的三維數(shù)值計(jì)算模型。結(jié)合實(shí)測(cè)側(cè)風(fēng)工況，驗(yàn)證了所建三維數(shù)值計(jì)算模型的正確性，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了網(wǎng)格獨(dú)立性的考核，得到了與網(wǎng)格無(wú)關(guān)的數(shù)值解，研究了側(cè)風(fēng)廓線(xiàn)指數(shù)和雨滴當(dāng)

6、量直徑等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，結(jié)果表明所建三維數(shù)值計(jì)算模型可準(zhǔn)確分析研究環(huán)境側(cè)風(fēng)對(duì)自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔傳熱傳質(zhì)的影響機(jī)制。 （3）環(huán)境側(cè)風(fēng)對(duì)冷卻塔傳熱傳質(zhì)影響機(jī)理的研究。結(jié)合實(shí)測(cè)側(cè)風(fēng)工況，從數(shù)值計(jì)算的角度研究了側(cè)風(fēng)對(duì)冷卻塔雨區(qū)橫截面空氣動(dòng)力場(chǎng)、縱剖面空氣動(dòng)力場(chǎng)的影響，引入了橫向通風(fēng)量、縱向通風(fēng)量和總體進(jìn)風(fēng)量等概念，為分析環(huán)境側(cè)風(fēng)對(duì)冷卻塔各區(qū)傳熱傳質(zhì)的影響機(jī)理創(chuàng)造了理論條件。 （4）環(huán)境側(cè)風(fēng)對(duì)于冷卻塔進(jìn)風(fēng)口空氣動(dòng)力場(chǎng)

7、影響機(jī)理的研究。由環(huán)境側(cè)風(fēng)對(duì)進(jìn)風(fēng)口徑向壓力梯度和徑向進(jìn)風(fēng)風(fēng)速周向分布的影響，分析研究了橫向通風(fēng)量出現(xiàn)的原因和縱向通風(fēng)量降低的機(jī)理。 （5）側(cè)風(fēng)條件下，導(dǎo)風(fēng)板控風(fēng)方案對(duì)冷卻塔進(jìn)風(fēng)口空氣動(dòng)力場(chǎng)及塔內(nèi)各區(qū)傳熱傳質(zhì)影響機(jī)理的研究。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從數(shù)值計(jì)算的角度研究了導(dǎo)風(fēng)板對(duì)冷卻塔各區(qū)平均傳熱系數(shù)和平均傳質(zhì)系數(shù)、各區(qū)冷卻水溫降及冷卻水總溫降等性能參數(shù)的影響。指出導(dǎo)風(fēng)板可有效改善冷卻塔進(jìn)風(fēng)口空氣動(dòng)力場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)側(cè)風(fēng)下填料區(qū)傳熱傳質(zhì)的強(qiáng)化，從而可

8、在側(cè)風(fēng)條件下有效提高冷卻塔總體冷卻性能。 （6）側(cè)風(fēng)條件下，雨區(qū)十字隔墻對(duì)冷卻塔各區(qū)傳熱傳質(zhì)影響機(jī)理的研究。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從數(shù)值計(jì)算的角度研究了不同形式的十字隔墻，在不同風(fēng)速的外界側(cè)風(fēng)作用下，在不同的安裝位置時(shí)，對(duì)于塔內(nèi)各區(qū)傳熱傳質(zhì)的影響機(jī)理，獲得了最佳的十字隔墻安裝位置與最佳的十字隔墻形狀。 （7）側(cè)風(fēng)條件下，導(dǎo)風(fēng)板與十字隔墻兩種控風(fēng)方案對(duì)冷卻塔冷卻性能耦合作用的研究。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從數(shù)值計(jì)算角度，分析了導(dǎo)風(fēng)板和十字隔

9、墻對(duì)冷卻塔冷卻性能的耦合作用：對(duì)于帶十字隔墻的冷卻塔，導(dǎo)風(fēng)板可實(shí)現(xiàn)冷卻塔總體冷卻性能的強(qiáng)化；對(duì)于已安裝導(dǎo)風(fēng)板的濕式冷卻塔，間隙十字隔墻對(duì)冷卻塔總體冷卻性能的影響與無(wú)導(dǎo)風(fēng)板時(shí)的情況基本近似。 （8）側(cè)風(fēng)作用下濕式冷卻塔的熱態(tài)模型實(shí)驗(yàn)研究和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室冷卻塔的熱態(tài)模型試驗(yàn)，在無(wú)導(dǎo)風(fēng)板、有導(dǎo)風(fēng)板、無(wú)十字隔墻、有十字隔墻、導(dǎo)風(fēng)板與十字隔墻并存、十字隔墻布置方式和形狀變化、進(jìn)塔水量變化和進(jìn)塔水溫變化等不同條件下，分析了側(cè)風(fēng)

10、對(duì)模型塔冷卻性能的影響規(guī)律，并與所建三維數(shù)值計(jì)算模型針對(duì)實(shí)型塔的相關(guān)數(shù)值計(jì)算分析進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了側(cè)風(fēng)條件下冷卻塔冷卻性能相關(guān)數(shù)值計(jì)算分析的正確性。通過(guò)已采用導(dǎo)風(fēng)板冷卻塔的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了所建濕式冷卻塔三維數(shù)值計(jì)算模型的正確性。對(duì)比相同氣象條件下運(yùn)行的無(wú)導(dǎo)風(fēng)板冷卻塔現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，進(jìn)風(fēng)口進(jìn)風(fēng)相對(duì)偏離度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明側(cè)風(fēng)條件下導(dǎo)風(fēng)板控風(fēng)方案可實(shí)現(xiàn)冷卻塔進(jìn)風(fēng)口空氣動(dòng)力場(chǎng)的優(yōu)化。 （9）側(cè)風(fēng)條件下，自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔

11、冷卻性能評(píng)價(jià)理論模型的建立。分析了冷卻塔常規(guī)設(shè)計(jì)和性能評(píng)價(jià)方法，指出常規(guī)方法未考慮環(huán)境側(cè)風(fēng)影響。研究了側(cè)風(fēng)條件下冷卻塔冷卻數(shù)、冷卻特性數(shù)、當(dāng)量通風(fēng)量以及總體阻力系數(shù)等的確定方法，并基于形體阻力的概念，分析了冷卻塔各部分阻力系數(shù)，提出了與側(cè)風(fēng)影響下冷卻塔空氣動(dòng)力場(chǎng)結(jié)構(gòu)有關(guān)的冷卻塔流場(chǎng)結(jié)構(gòu)阻力系數(shù)，建立側(cè)風(fēng)條件下冷卻塔冷卻性能評(píng)價(jià)的理論模型，給出了性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了相同氣象條件下運(yùn)行的冷卻塔冷卻性能的橫向比較，并結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行了性能評(píng)價(jià)