逆流式自然通风冷却塔热力性能的三维数值模拟

郑水华¹，金台¹，罗坤¹，唐磊²，易超²，樊建人¹

(1. 浙江大学 能源清洁利用国家重点实验室，浙江 杭州，310027；

2. 湖南省电力勘测设计院，湖南 长沙，410007)

摘要：基于冷却塔内两相传热传质理论和CFD软件特点，建立适用于逆流式自然通风冷却塔热力特性计算的三维数值计算模型。经过验证后，应用该计算模型对某一逆流式自然通风冷却塔内气液两相流动及传热传质情况进行三维数值模拟，计算分析塔内速度场、温度场分布，研究塔内竖井结构的影响，对比分析3种不同的填料和配水方式对塔内流动及传热传质的影响。研究结果表明：所建立的数值计算模型可以较准确地计算分析冷却塔的热力特性；冷却塔中心区域湿空气速度较小，换热效率较差；采用合适的填料不等高布置和分区配水的方法可以有效地改善冷却塔内部的速度分布，强化传热传质，提高冷却塔的冷却性能。

关键词：冷却塔；传热传质；热力性能；三维数值模拟

中图分类号：TK124                文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2013)09-3898-06

Three-dimensional numerical simulation on thermal performance in counter flow natural draft cooling tower

ZHENG Shuihua¹, JIN Tai¹, LUO Kun¹, TANG Lei², YI Chao², FAN Jianren¹

(1. State Key Laboratory of Clean Energy Utilization, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China;

2. Hunan Electric Power Design Institute, Changsha 410007, China)

Abstract: Based on the heat and mass transfer theory in counter flow natural draft cooling tower and characteristics of CFD software, a three-dimensional numerical computation model was established. After validation, this computation model was used to analyze the distributions of flow and temperature field in a running cooling tower. The gas-liquid flow，heat and mass transfer process under three different fills and water distribution methods were analyzed. The results show that the thermal performance of cooling tower can be correctly calculated using this computation model. The wet air velocity is relatively lower and heat changing efficiency is poor in the central area of cooling tower. The velocity distribution and cooling efficiency can be improved by the non-uniform fill and water distribution methods.

Key words: cooling tower; heat and mass transfer; thermal performance; three-dimensional numerical simulation

逆流式自然通风冷却塔的冷却效率高，冷却极限低，可达到环境空气的湿球温度，是热电厂和核电厂的重要冷端设备，其热力特性影响着整个热力系统的效率。随着电力行业的发展和水资源的日益稀缺，人们对冷却塔冷却效率的要求逐渐提高，并不断地对冷却塔的性能进行研究。早期冷却塔的设计计算主要基于Merkel模型、Poppe模型^[1-4]，对均匀高度填料和均匀配水工况下的冷却塔热力特性进行一维和拟二维计算, 但其结果不能很好地描述冷却塔内部的复杂流动和换热过程。随着计算流体动力学的现代流体流动与传热数值计算方法的发展，许多学者采用数值试验的方法研究了冷却塔内复杂流动和换热情况^[5-8]。近年来，冷却塔三维数值模拟在研究侧风^[9-12]、进风口流场^[13]等三维性因素对冷却塔效率的影响方面得到了一定的发展，但国内外对塔内结构(如竖井、人字柱等)以及填料和配水方式对冷却塔热力特性影响的研究尚不多见。基于此，本文作者建立适用于冷却塔热力特性计算的三维数值计算模型，在与实测数据进行验证分析的基础上，研究塔内的流动及传热传质情况，并对比分析不同的填料和配水方式对塔内流场、温度场以及冷却效果的影响。

1  计算方法

采用喷淋区、填料区、雨区3个区来对冷却水传热传质进行模拟。在喷淋区和雨区，冷却水滴为离散相，湿空气为连续相，采用离散相模型模拟离散相和连续相之间的相互作用；在填料区，为了增加气液间的接触时间和换热面积，由波纹板组成的填料层通常布置紧密且数量众多，冷却水沿波纹板呈膜状流动，要精确模拟其流动状态尚难实现，因此，填料区的传热传质采用自定义函数添加源项的方法进行模拟计算。

1.1  连续相运动控制方程

冷却塔内湿空气流动当作连续介质运动，其运动状态可以采用质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及组分平衡方程进行描述。方程的通用形式为

         (1)

式中：ρ为湿空气密度，kg/m³；u_i为各方向速度，m/s；为通用变量，分别表示各方向速度分量(u，v，w)、水蒸气组分Y、温度T等；为广义扩散系数；为广义扩散源项。

1.2  离散相控制方程

在喷淋区和雨区，冷却水以液滴形式自由下落，使用离散相模型^[14]可以跟踪液滴运动轨迹，耦合计算液滴与气相间的热质传递，液滴的动量、质量、能量方程为：

      (2)

            (3)

         (4)

式中：F_D为作用在液滴上的拽力，N；u为湿空气速度，m/s；u_p为液滴速度，m/s；ρ_p为液滴密度，kg/m³；ρ_∞为湿空气密度，kg/m³；F_z为液滴下落所受到的湿空气的阻力，N；m_p为液滴质量，kg；A_p为汽液接触面积，m₂；h_d为表面传质系数，kg/(m²·s)；c_s和c_∞分别为液滴表面和湿空气中蒸汽浓度，(kg·mol)/m³；M_w为液滴摩尔质量，kg/(kg·mol)；c_p为液滴比定压热容，J/(g·K)；T_p为液滴温度，K；T_∞为湿空气温度，K；h_fg为液体的汽化潜热，J/g；h为液滴表面传热系数，kW/(m²·K)。

1.3  填料区传热传质计算

填料区中空气和水的流动比较复杂，经过填料区水的温度降幅很大，对于填料区的精确模拟研究是自然通风冷却塔热力计算的重要方面。在实际模拟中，采用传热传质模型来计算冷却水的蒸发量和温度降低值，再通过源项的方式加入到空气流中，达到对传热传质的模拟。

根据水蒸发的单膜理论，在填料区，湿空气和冷却水之间的质量传递可以表示为以含湿量差为动力的计算公式。当湿空气未达到饱和状态时，单位体积填料层内冷却水蒸发量由式(5)计算；当湿空气达到饱和状态时，采用式(6)进行计算。

          (5)

        (6)

式中：m_evap为单位体积蒸发量，kg/(m³·s)；β_xv为单位体积填料内的传质系数，kg/(m³·s)；ω_sat,Tw为冷却水温度下湿空气饱和含湿量，kg/kg；ω_a为湿空气的含湿量，kg/kg；ω_sat,Ta为湿空气温度下的湿空气的饱和含湿量，kg/kg。

塔内单位体积湿空气质量源项可表示为^[15]

                (7)

塔内单位体积湿空气能量源项可表示为

       (8)

式中：k_h为单位体积传热系数，kW/(m³·K)；S_m为单位体积冷却水蒸发量，kg/(m³·s)；c_p,v为水蒸气定压比热容，J/(g·K)；T_w和T_a分别为局部水温和湿空气温度，K。

1.4  阻力计算

自然通风冷却塔运行时阻力包括几何边界阻力和相间作用力，流体相间作用力对连续相压降的影响在离散相模型内部实现。冷却塔内部结构对连续相产生的阻力由式(9)表示，作为动量源项添加到连续相控制方程中进行模拟计算。

               (9)

式中：△p为连续相压降，N/m²；ξ为阻力系数；ρ_m为填料断面的湿空气密度，kg/m³；v₀为填料断面平均湿空气速度，m/s。

2  计算模型

2.1  计算模型、边界条件和数值格式

采用开发的三维数值计算模型对某正在运行的冷却塔进行了数值计算。该冷却塔塔高150.6 m，进风口高度为9.8 m，淋水面积为9 000 m²。冷却塔内部有1个中央竖井结构，长×宽为6.2 m×6.2 m。在进行冷却塔数值计算过程中，考虑到环境对于塔内流动的影响，通常在冷却塔周围扩充一个较大的环境区域进行计算，这样可以增加计算的稳定性和准确性。根据冷却塔几何模型建立如图1所示圆柱型计算区域，圆柱底面直径为500 m，高度为700 m，采用六面体网格对计算区域分区划分网格，填料区和雨区传热传质比较剧烈，网格进行局部加密，整体计算区域网格总数为212.8万。

图1  圆柱体计算区域

Fig. 1  Circular column computational domain

2.2  边界条件和数值格式

进出口温度、压力均取环境值，壁面为绝热条件。冷却水自喷射源喷洒入冷却塔内部，喷射源流量和温度由进塔冷却水参数决定。离散相边界条件为：进出口、水池面、地面均设为逃逸边界；冷却塔壁面为反射边界。

计算中，控制方程的离散采用有限容积法，对流项采用二阶迎风离散格式，流场的计算采用典型的SIMPLE算法，残差收敛至10^-4，塔内监测截面流量稳定，认为计算收敛。

3  结果与讨论

3.1  与实测结果对比验证

运用三维数值计算模型对某正在运行的冷却塔的3种工况进行数值计算，并与实测结果进行比较，结果如表1所示。从表1可见：3种工况下计算的塔水温与实测出塔水温分别相差0.03，0.11和0.12 K，说明采用所开发的三维数值计算模型针对不同工况所得出塔水温与实测出塔水温较吻合。

3.2  塔内流场和温度场分布

冷却塔内部流场和温度场相互耦合，流动对湿空气和冷却水间的传热传质有很大影响。下面以工况1条件下计算所得塔内流场、温度场为例进行分析。图2所示为冷却塔内部湿空气竖直方向速度分布图。从图2可见：进入雨区的湿空气在进风口阻力、水滴阻力等阻力作用下速度逐渐降低，到达中心区域时速度降至最低，速度在径向上分布较不均匀。由于竖井的阻挡作用，湿空气在竖井结构附近出现漩涡，竖直方向速度出现负值，即湿空气向下运动。这样，增大了湿空气停留时间，会对换热效率产生一定影响。

图3所示为冷却塔内部温度场分布。从图3可以看出：塔内温度场呈对称分布，在冷却塔雨区中心部位，湿空气速度较低，从高温水传递来的热量不能及时带出使得当地温度升高，造成塔内雨区中心部分温度较高，从而形成塔内温度分布的不均匀。湿空气经过填料区后与高温冷却水进行较剧烈的热质传递，温度明显升高。

表1  冷却塔实测工况参数表

Table 1  Measured results of a running cooling tower

图2  竖直截面湿空气速度分布

Fig.2  Contours of wet air velocity in vertical plane

图3  竖直截面温度场分布

Fig.3  Contours of temperature in vertical plane

3.3  竖井结构的影响

为了进一步研究竖井结构对塔内流动及换热的影响，在含竖井结构模型的基础上，建立不含竖井结构的冷却塔模型，并进行计算分析。竖井结构在塔内流动中作为一钝体结构，在侧风作用下会形成绕流。图4所示为不含竖井和含竖井结构情况下靠近竖井部分对称截面上的速度矢量图。从图4可以看出：在没有竖井的情况下，从不同方向进入雨区的湿空气在中心区域相互接触，只形成很小的涡流并最终形成向上的流动；而在带竖井情况下，湿空气在竖井附近形成1个明显的漩涡，这样增加了湿空气的停留时间，不能及时将热量带走，影响了冷却塔的换热效率。

图4  湿空气速度矢量图

Fig.4  Contours of wet air velocity vector

3.4  填料和配水方式的影响

淋水填料的选取是自然通风冷却塔设计的重要方面，填料区域是冷却水和空气传热传质的主要区域^[16]，塔内填料的加入扩大了气液两相间的接触面积，可以强化传热传质，同时，填料层的阻力也是塔内通风阻力的重要来源。选择既能满足冷却能力又能尽量减小通风阻力的填料布置方式是设计需要；此外，针对冷却塔运行中塔内主要换热部件中心区域风速较小、传热传质较弱的情况，考虑采用分区配水的措施来提高冷却塔效率。

为研究填料不均和分区配水对冷却塔热力性能的影响，本文针对3种填料布置及配水方案下不含竖井结构的冷却塔内流动和换热情况进行计算。其中：方案1采用1.0 m高淋水填料，均匀喷淋；方案2内区采用0.8 m高双斜波淋水填料、中区和外区采用1.0 m高双斜波淋水填料，如图5所示，内区、中区、外区淋水密度分别为6.83，8.02和8.97 t/(m²·h)；方案3内区、中区、外区填料高度分别为0.8，1.0和1.2 m，配水与方案2的相同。填料及配水方案见表2。

图5  填料布置示意图

Fig.5  Diagrammatic sketch of fill distribution

各方案在工况1下，填料底面湿空气速度沿径向的分布情况如图6所示。从图6可以看出：与方案1(不分区布置的同型冷却塔)相比，方案2和3的中心区域的速度有一定提高，截面沿径向速度分布更加均匀，这样使内外区填料可以得到更充分利用，有利于湿空气向上运动带走热量，其中方案3的效果较好。

填料区换热在整个冷却塔换热过程中占有很大比例。为了进一步分析各方案对填料区换热的影响，对比填料区截面温度的分布，如图7所示。从图7可以看出：采用方案2和方案3后，填料区截面的温度与方案1相比有一定降低，特别是在中心区域，说明湿空气吸收并带走了较多的热量；3种方案中，方案3的冷却效果较好。

在3种方案下，冷却塔出塔水温计算值比较如表2所示。从表2可以看出：采用方案2的出塔水温比方案1降低0.115 K，方案3则比方案1降低0.205 K。可见：采用填料不均和分区配水的方法可以有效地改善冷却塔内部的速度分布，降低冷却塔中心区域的阻力，使湿空气速度得到提高，从而强化传热传质，增强冷却塔的冷却效果。

图6  填料底面湿空气速度径向分布

Fig. 6  Radial profile of wet air velocity in bottom plane of fill

图7  填料区截面温度的径向分布

Fig.7  Radial profile of temperature in plane of fill zone

表2  不同填料布置和配水方式下冷却塔冷却效果比较表

Table 2  Comparison of thermal performance with different fill and water distribution methods

4  结论

(1) 基于逆流式自然通风冷却塔内两相传热传质理论和CFD软件特点，采用自定义源项的方法开发了适用于逆流式自然通风冷却塔热力特性计算的三维数值计算模型。模型计算结果与实测结果较吻合，表明所建立的数值模型是正确的。

(2) 冷却塔中心区域湿空气速度较小，换热效率较低；与均匀填料和配水布置相比，采用合适的填料不等高布置和分区配水可以有效地改善冷却塔内部的速度分布，从而提高冷却塔效率。计算结果可为冷却塔的优化设计提供参考。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2012-09-10；修回日期：2012-11-23

基金项目：全国百篇优秀博士学位论文作者专项资助项目(2007B4)

通信作者：郑水华(1977-)，男，浙江杭州人，博士研究生，从事两相流动与燃烧的研究；电话：13666610988； E-mail: zneu@163.com