自然通风湿式冷却塔加装挡风板优化设计
李永华，甄海军'，马建坤”
（1.华北电力大学能源动力与机械工程学院，保定071003；2.华能上安电厂，石家庄050310）
机组湿式冷却塔的传热传质模型，主要的换热区域如填料、而区和喷淋区采用离教相模型.由 摘要：以湿冷机组自然通风冷却塔相关理论为基础，借助于CFD模拟软件，建立了火电于冬季气温较低和塔内的换热不均，在冷却塔的填料下面、进风口处、基环面容易结冰，提出了在进风口处加装指风板的方案，数值模拟分析结果显示，该方案改善了塔内温度场，有效的防止了塔内结冰.
关键词：冷却塔；档风板；数值模拟；高数相模型
中图分类号：TK264文献标志码：A文章编号：1009-3230（2011)11-0044-05
OptimizationDesignofInstallingWindshieldBoardOn NaturalDraftWetCoolingTower
LI Yong-hua’ ZHEN Hai-jun' MA Jian-kun²
(1. Energy Power and Mechanical Engineering School of North China Electrie Power University Baoding 071003 China; 2. Huaneng Shangan Power Plant Shijiazhuang 050510 Chinz)
Abstract: Based on the relative theorise of the wet cooling tower this simulation builds the heat and mass transfer model through CFD. The main heat transfer area such as fillers rain and spray zonediscrete phase model. As the air temperature is low in winter and the hest transfer is uneven in thetower the water is easy to freeze below the packing of the cooling tower at the air inlet and on thebase torus. A method is presented that s wind shield is installed at the air inlet numerical simulation results show which improves the temperature field in the tower and efectively prevents freezing
Key words: Cooing tower; Windshield board; Numerical simulation; Discrete phase model
层加装挡风板方案，对600MW机组逆流湿式自然通风冷却塔在不同的环境温度下和不同的横向风下，对冷却塔的热力特性进行了模拟，从而得出进风口加装挡风板起到防结冰作用的结论.
0引言
目前华北和东北地区运行的冷却塔均有结冰现象存在.严重影响了冷却塔的正常运行，同时也缩短了冷却塔的使用寿命，并增加了塔的运行成本.
1物理计算模型
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，对计算模型作适当简化：（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构复杂，对填料内部的质量、动量和能量交换以源 触散热，忽略辐射散热：（2）填料层分布致密，结项的形式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
采用Merkel法和e-NTU法计算冷却塔内部流场，忽略了冷却水的蒸发损失，加人刘易斯因子，并将水滴控制方程近似简化为一维传热传质方程，气相流动为三维控制方程.本文针对冷却塔在冬季运行时出现结冰问题，采用在进风口分
外空气密度，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，为塔的总阻力系数，填料阻力系数由式（5）确定，其他区域阻力系数可根据有关实验数据取定值，分别为进风口=0.5，配水系统e=0.5，收水器=3.5.在稳定工况下运行时，塔内外流场可当作稳态处理；采用如下通用控制方程[
动呈轴对称分布，液相为一维流动.
模型计算方法为：雨区和喷淋区用离散相模型模拟，选用标准流模型，在输运方程中考虑了浮力项，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几何模型
以某600MW机组为例，其几何边界条件为：96.42m，塔筒顶部直径57.01m，喉部直径52.2m， 塔高125m，环基外侧直径106.42m，塔盆直径进风口高度8m，填料厚度1m，计算区域为直径为500m、高度为500m的圆柱体.每层挡风板的高为1.33m，将进风口平均分6层，从上至下依次为1、2、3、4、5、6层挡风板布置，其中第6层挡风板留作进风口.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.计算中考虑重力和浮力 影响，离散相边界条件在环境进出口、进风口、水池底面、收水器等边界均为逃逸，在冷却塔壳壁面为反射.计算边界如图1所示.
(2)
式中：p为各点空气密度，u为速度矢量，为通用变量，表示水蒸气组分、温度、当动能和流耗散率，r.为广义扩散系数，S.为广义源项.
1.3水滴控制方程
考虑到水滴运动的不连续性，针对每个控制单元考察其中淋水的总体传热传质效应，采用拉格朗日法计算喷淋区和雨区的水流场，水滴的温度变化服从如下关系式：
(3)
式中：7、T.Am，分别是控制单元内气相干球温度和水滴温度，水滴表面积，和水滴流量，C.为水滴表面蒸汽溶度，C.为湿空气中蒸汽溶度，h、h分别为传质、传热系数，h为淋水蒸发潜热.
2计算结果分析
2.1未装挡风板塔内温度及速度场分析
基于上述理论，在环境温度为-10℃、进塔水湿为26.92℃，进水量为11829.7kg/s的工况下，模拟不同横向风下的工况，下图为与风向平行 的冷却塔的纵向最大截面空气温度和速度分布图.
图1
1.2气流控制方程
力相平街，得通风量计算公式如下（3） 稳定工况下，冷却塔对空气的抽力和内部阻
(1)
式中：G为通风量，D为填料底层塔径，H，为冷却塔有效高度，即配水喷嘴到塔顶的距离加喷嘴到进风口中部距离的一半p=（pp）2.p为塔
图2空气温度场分布（V=0）
附3 速度场分布（V=0）
图4空气温度场分布（V=2m/s）
图5 管场分布（V=2
图7速度场分布（V=4m/s）
图8空气温度场分布（V=6m/s）
图9速度杨分布（V=6m/s）
由图2-3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4-5可知，横向 风为V=2m/s，人口风的流场已经不再是轴对称分布，由于横向风在雨区换热，所以塔的背风侧空
气湿度高.但是当横向风速增加时，由于气流在进风口流通面积急剧收缩，其流速增加，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.在塔的背风侧气流的流动好，空气和水滴的换热充分，所以温度低，如图6-9所示.也正因为进口流场不均， 使塔内汽水流场分布不均，相间热质交换过程恶化，这是冷却塔效能恶化的主要原因.总之，随着横向风速的增加，冷却塔内的空气温度场不同.般风速比较低，所以空气的高温区出现在塔的背 在实际电厂运行中，由于塔周围的建筑物存在，一风侧.
2.2进风口加装不同层数挡风板的防结冰分析
冷却塔进风口加装不同层数的挡风板可以提高塔内的温度，因为根据麦克尔理论的基本假定，循环水的散热量等于进塔空气吸收的热量，即： T=G△h/Q式中：△T为冷却幅度（C），△h为空气的热培变化（kcal/kg），G为空气流量（m/h），Q为冷却水量（m²/h）从上式可以看出，冷却幅度AT与进塔空气流量G成正比，只要减少进塔空量减少），就能使冷却幅度相应减小，提升冷却塔 气流量（即随着挡风板层数的增加，进塔空气流内的温度，降低塔内结冰的可能性.为了说明塔内的温度场的温度随着挂挡风板层数的增加，以环境湿度为-10℃填料下面空气最低温度场为 例说明.
图6未挂挡风板填料下面空气温度场
图7挂0.5层挡风板空气温度场2946*v/
图8挂1层挡风板空气温度场
图9挂1.5层挡风板空气温度场
图12.挡风板层数与填料下面的最低空气温度关系
（1）无风时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.但随着风速的增加，塔内的气流在进风口流通面积急剧收缩，其流速增加，在 空气温度场发生变化，在风速为7.8m/s时，由于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.因此向风侧比背风侧温度高.
以提高塔内的温度，从面可以有效的防止结冰，对 （2）冷却塔进风口加装不同层数的挡风板可实际的电厂运行具有指导意义.
参考文献
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图11挂2.5层挡风板空气温度场
着挡风板层数的增加而升高.挂挡风板层数与填 由图6-11可知，填料下面空气最低温度随料下面的最低空气温度如下图.
3结论
文中建立了冷却塔比较完善的数值求解模型.以某600MW机组自然通风冷却塔为例，模 拟并分析了其热力特性，并给出相应的防止塔内结冰的方案：
