自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔三維熱力性能測(cè)試方法與評(píng)價(jià)模型研究.pdf

1、冷卻塔作為工業(yè)中一種普遍使用的換熱設(shè)備，其熱力性能的好壞對(duì)于熱力系統(tǒng)中能量利用效率具有十分重要的影響。其中，自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔是目前我國(guó)電力行業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的冷卻塔型式。但是實(shí)踐中人們發(fā)現(xiàn)這種冷卻塔的冷卻效率并不高，僅有50％～60％，這其中有疏于維護(hù)的原因，但是從根本上很重要的原因是由于設(shè)計(jì)中未考慮環(huán)境側(cè)風(fēng)的影響。事實(shí)上，由于環(huán)境側(cè)風(fēng)對(duì)空氣動(dòng)力場(chǎng)的影響，塔內(nèi)氣水換熱情況已發(fā)生了顯著變化，按靜風(fēng)狀態(tài)計(jì)算和評(píng)價(jià)冷卻塔的熱力性能已不足

2、以反應(yīng)實(shí)際情況，尤其隨著塔型的不斷增大，這種矛盾將更加突出。
　　對(duì)于自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔，其氣水換熱特性與空氣動(dòng)力特性是相互耦合的，側(cè)風(fēng)破壞了塔內(nèi)氣水換熱的軸對(duì)稱性而使其在塔內(nèi)的巨大空間內(nèi)具有復(fù)雜的三維分布特性，再疊加淋水密度、進(jìn)塔水溫、環(huán)境氣溫等變工況因素的影響，使冷卻塔的熱力性能變化規(guī)律更加復(fù)雜。但是目前在這方面的研究還十分有限，礙于自然通風(fēng)冷卻塔的巨大體積和復(fù)雜結(jié)構(gòu)，關(guān)于其三維熱力性能的實(shí)測(cè)資料十分缺乏;室內(nèi)的模型試驗(yàn)往

3、往結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，研究的內(nèi)容難以深入;對(duì)冷卻塔三維熱力性能評(píng)價(jià)模型的研究尚未見(jiàn)報(bào)道;盡管通過(guò)數(shù)值模擬，形式上實(shí)現(xiàn)了對(duì)冷卻塔三維熱力性能的部分預(yù)測(cè)和分析，但是其應(yīng)用過(guò)程十分繁瑣，計(jì)算成本較高，模型和結(jié)論也需經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)。
　　鑒于此，本文從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、熱態(tài)模型試驗(yàn)、理論分析與建模、先進(jìn)測(cè)試技術(shù)的開(kāi)發(fā)等幾個(gè)方面入手，改進(jìn)了目前的試驗(yàn)方法和測(cè)試方法，研究了側(cè)風(fēng)下冷卻塔三維熱力性能的變化規(guī)律，提出了已有性能優(yōu)化措施的指導(dǎo)原則和新的優(yōu)化措

4、施，建立了冷卻塔三維熱力性能測(cè)試方法和評(píng)價(jià)的理論基礎(chǔ)。本文進(jìn)行的主要工作如下:
　　1.提出了自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔三維熱力性能的測(cè)試方法。通過(guò)對(duì)冷卻塔進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和進(jìn)風(fēng)示蹤試驗(yàn)，研究了側(cè)風(fēng)對(duì)冷卻塔進(jìn)風(fēng)的影響;通過(guò)對(duì)塔內(nèi)風(fēng)速和氣溫的測(cè)量，得到了不同側(cè)風(fēng)風(fēng)速下塔內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)的變化情況，并引用定義的均勻性評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別對(duì)側(cè)風(fēng)下塔內(nèi)風(fēng)速和氣溫分布的均勻性進(jìn)行了評(píng)價(jià);在此基礎(chǔ)上，分析了側(cè)風(fēng)對(duì)冷卻塔熱力性能的影響機(jī)理，得到的主要結(jié)論

5、如下:
　　(1)靜風(fēng)時(shí)進(jìn)風(fēng)口氣流傾斜向下自然流入塔內(nèi)，在側(cè)風(fēng)風(fēng)速較小時(shí)，氣流由遠(yuǎn)及近加速流入塔內(nèi)，但是在高速側(cè)風(fēng)下，進(jìn)風(fēng)惡化嚴(yán)重，其中尤以側(cè)后方的135°區(qū)域?yàn)樯?，并且進(jìn)風(fēng)口中部區(qū)域比底部區(qū)域更為嚴(yán)重，整體上，隨著側(cè)風(fēng)風(fēng)速的增加，進(jìn)風(fēng)均勻性不斷降低。
　　(2)受側(cè)風(fēng)影響，迎風(fēng)側(cè)上升氣流速度逐漸降低，而背風(fēng)側(cè)上升氣流速度逐漸升高，塔內(nèi)通風(fēng)越來(lái)越偏離無(wú)側(cè)風(fēng)時(shí)的狀態(tài)，使周向通風(fēng)均勻性不斷降低，但是氣流的橫向穿透性增強(qiáng)，使徑向通

6、風(fēng)均勻性有所提高，整體上，冷卻塔的通風(fēng)均勻性還是不斷降低的。
　　(3)冷卻塔外圍0～1/3半徑區(qū)域的氣溫受側(cè)風(fēng)影響變化最大，表明該區(qū)域是側(cè)風(fēng)影響的敏感區(qū)域，工程上應(yīng)重視改善該區(qū)域的氣水換熱情況。
　　(4)側(cè)風(fēng)風(fēng)速?gòu)膙c/v0=1.0增加至vc/v0=4.9時(shí)，縱向通風(fēng)阻力系數(shù)增長(zhǎng)了約57％;冷卻效率由63％下降至46％，但是在風(fēng)速進(jìn)一步增大時(shí)，橫向通風(fēng)量對(duì)換熱的強(qiáng)化作用不可忽視。
　　2.基于冷卻塔的實(shí)際運(yùn)行工況，

7、建立了無(wú)側(cè)風(fēng)假定下冷卻塔熱力性能的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)與實(shí)測(cè)性能數(shù)據(jù)的比較，實(shí)現(xiàn)了對(duì)側(cè)風(fēng)影響的特異性評(píng)價(jià);通過(guò)定義不同的邊界條件，實(shí)現(xiàn)了側(cè)風(fēng)風(fēng)速改變時(shí)冷卻塔熱力性能的動(dòng)態(tài)特性分析;最后通過(guò)實(shí)際工程案例，提出了對(duì)冷卻塔通風(fēng)導(dǎo)流改造措施成效進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法，得到的主要結(jié)論如下:
　　(1)以4座淋水面積為3500m2～12000m2冷卻塔的設(shè)計(jì)工況進(jìn)行驗(yàn)證，表明建立的無(wú)側(cè)風(fēng)假定計(jì)算模型是有效的。
　　(2)側(cè)風(fēng)對(duì)冷卻塔熱力性能的影響是十

8、分顯著的，改善側(cè)風(fēng)影響能夠使冷卻塔釋放很大的節(jié)能潛力
　　(3)在側(cè)風(fēng)風(fēng)速改變時(shí)，出水溫度能夠迅速變化并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，而進(jìn)水溫度則需經(jīng)過(guò)相對(duì)較慢的系統(tǒng)平衡過(guò)程才能穩(wěn)定下來(lái);當(dāng)側(cè)風(fēng)風(fēng)速減小時(shí)，通風(fēng)量和冷卻數(shù)都是先增大后減小，其穩(wěn)態(tài)水平會(huì)高于風(fēng)速變化前;對(duì)冷卻數(shù)的分析表明，側(cè)風(fēng)對(duì)冷卻塔熱力性能的影響與環(huán)境氣候條件、進(jìn)水溫度和循環(huán)水量等變工況因素有關(guān)。
　　(4)采用通風(fēng)導(dǎo)流改造措施后，冷卻塔的性能得到了很大的提升，提出的評(píng)價(jià)方法

9、適合于對(duì)各種針對(duì)側(cè)風(fēng)影響的通風(fēng)導(dǎo)流改造措施的成效進(jìn)行評(píng)價(jià)。
　　3.對(duì)熱態(tài)模型試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了改造、設(shè)計(jì)，將模型塔塔筒做成了與實(shí)型塔一致的雙曲線型，將配水系統(tǒng)設(shè)計(jì)為支管、母管可靈活組合的四分扇面形式，對(duì)每個(gè)扇面獨(dú)立供水，大大改善了配水的均勻性，提高了配水方式的靈活性，另外還使用了便于裁剪和熱力性能優(yōu)良的填料材質(zhì)，測(cè)試表明該熱態(tài)模型試驗(yàn)系統(tǒng)可以準(zhǔn)確的模擬側(cè)風(fēng)下實(shí)際冷卻塔的三維熱力性能。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)模型塔內(nèi)測(cè)點(diǎn)的合理布置和測(cè)試技術(shù)的

10、改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)冷卻塔三維熱力性能的測(cè)試和分析。
　　4.利用熱態(tài)模型試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)側(cè)風(fēng)下冷卻塔出口氣流進(jìn)行了研究，并提出在塔頂覆蓋絲網(wǎng)的方法以改善側(cè)風(fēng)影響，結(jié)果表明:
　　(1)隨著側(cè)風(fēng)風(fēng)速的提高，側(cè)風(fēng)會(huì)對(duì)出口氣流分別產(chǎn)生侵入、排擠、封蓋和引射作用，并在側(cè)風(fēng)風(fēng)速達(dá)到0.2m/s(相當(dāng)于實(shí)際風(fēng)速2m/s)時(shí)，冷空氣的侵入份額達(dá)到最大。提高進(jìn)水溫度和增加循環(huán)水量均能降低冷空氣的侵入份額。由于側(cè)風(fēng)對(duì)出口氣流的影響，水溫差普遍減小2％～

11、3％，最多減小約4％。
　　(2)隨著側(cè)風(fēng)風(fēng)速的提高，出口側(cè)風(fēng)使冷卻塔通風(fēng)阻力系數(shù)先增加后減小，最大增加25％～35％。
　　(3)在塔出口覆蓋絲網(wǎng)能夠有效減小冷空氣侵入，同時(shí)減輕側(cè)風(fēng)下塔筒內(nèi)氣流的偏斜程度，但是絲網(wǎng)的孔隙率應(yīng)該合理選擇，避免過(guò)小而使通風(fēng)阻力增加太多，試驗(yàn)中效果較好的絲網(wǎng)孔隙率為0.857。
　　5.利用定義的氣溫和水溫分布均勻性指標(biāo)，對(duì)側(cè)風(fēng)下塔內(nèi)氣水換熱的均勻性進(jìn)行了分析，討論了其變化規(guī)律;在此基礎(chǔ)上

12、對(duì)填料非等高布置的影響機(jī)理進(jìn)行了分析，提出了工程指導(dǎo)原則;并提出了加長(zhǎng)導(dǎo)風(fēng)板的優(yōu)化措施，以提高塔內(nèi)更大范圍內(nèi)氣水換熱的均勻性。研究結(jié)果表明:
　　(1)無(wú)側(cè)風(fēng)時(shí)0.707R～0.837R的環(huán)形區(qū)域是塔內(nèi)部高溫區(qū)和外圍低溫區(qū)之間的過(guò)渡區(qū)，側(cè)風(fēng)下包括該環(huán)形區(qū)域的0.707R～0.949R區(qū)域氣溫變化最為劇烈，同時(shí)水池內(nèi)0.707R處水溫受側(cè)風(fēng)的影響也最大。
　　(2)側(cè)風(fēng)下，徑向氣溫均勻系數(shù)ψθr不斷增大，而周向氣溫均勻系數(shù)ψθ

13、c先減小后增大，側(cè)風(fēng)對(duì)周向氣水換熱均勻性的影響大于徑向。
　　(3)提高進(jìn)水溫度和增大淋水密度均有利于提升塔內(nèi)氣水換熱的均勻性，但是提高進(jìn)水溫度的邊際效果是遞減的，而增大淋水密度的邊際效果是遞增的。另外，環(huán)境溫度的升高會(huì)使側(cè)風(fēng)下塔內(nèi)氣水換熱的均勻性降低。
　　(4)在不增加總體積的前提下，填料的不等高布置可以使塔內(nèi)氣溫分布更加均勻，冷卻性能得到提高，分三區(qū)布置時(shí)增加中間區(qū)的范圍有利于提高側(cè)風(fēng)下周向氣溫均勻性，但不利于提高徑向

14、氣溫均勻性，因此中間區(qū)外延的合理值為0.71R。
　　(5)加長(zhǎng)導(dǎo)風(fēng)板可以有效提高塔內(nèi)更大范圍內(nèi)氣溫分布的周向均勻性，同時(shí)提高中心區(qū)域的氣溫，使側(cè)風(fēng)下冷卻塔的通風(fēng)量提高，從而使其整體上對(duì)熱力性能的改善效果優(yōu)于普通導(dǎo)風(fēng)板。
　　6.提出了縱向通風(fēng)量和橫向通風(fēng)量的計(jì)算方法，并由此將側(cè)風(fēng)下冷卻塔的冷卻效果分為自然通風(fēng)冷效和強(qiáng)制通風(fēng)冷效，進(jìn)一步建立了側(cè)風(fēng)下冷卻塔冷卻數(shù)的計(jì)算模型，定義了側(cè)風(fēng)敏感度系數(shù)a3、a4，并通過(guò)熱態(tài)模型試驗(yàn)研究

15、了淋水密度、進(jìn)水溫度、環(huán)境氣溫、塔內(nèi)空氣流速等變工況因素對(duì)a3、a4的影響規(guī)律，分別得到了關(guān)于常數(shù)K3、K4的函數(shù)關(guān)系式，建立了普適性的變工況條件下冷卻塔三維熱力性能的預(yù)測(cè)模型，并給出了預(yù)測(cè)方法。過(guò)程中得到了以下結(jié)論:
　　(1)側(cè)風(fēng)下，按等面積環(huán)法在模型塔喉部測(cè)量了冷卻塔的縱向通風(fēng)量，結(jié)果表明其變化規(guī)律與本文所建的縱向通風(fēng)量預(yù)測(cè)模型相符，證明了該模型的正確性。
　　(2)淋水密度越小，進(jìn)水溫度越低，環(huán)境氣溫越高，塔內(nèi)空氣流

16、速越高，冷卻塔的側(cè)風(fēng)敏感度系數(shù)越大。
　　(3)對(duì)模型中常數(shù)K3、K4進(jìn)行辨識(shí)時(shí)使用的工況數(shù)據(jù)應(yīng)大于4組，至少為5組。
　　(4)通過(guò)使用課題組開(kāi)發(fā)的，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期驗(yàn)證的三維數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)上文實(shí)測(cè)過(guò)的某自然通風(fēng)冷卻塔進(jìn)行建模，并將計(jì)算結(jié)果與本文的理論模型預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，表明本文理論模型基本正確反映了側(cè)風(fēng)下冷卻塔冷卻數(shù)的變化規(guī)律。
　　7.基于ZigBee技術(shù)，設(shè)計(jì)了冷卻塔三維熱力性能無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并以某9000m2

17、自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔為例，介紹了測(cè)點(diǎn)的布置和安裝方案。使用該系統(tǒng)可以對(duì)塔內(nèi)熱力參數(shù)在三維空間的分布進(jìn)行同時(shí)采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻塔三維熱力性能的整體分析和評(píng)價(jià);并大大提高數(shù)據(jù)的采集效率，使大量數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期采集經(jīng)濟(jì)可行;通過(guò)上位機(jī)軟件將采集到的數(shù)據(jù)以畫(huà)面和動(dòng)畫(huà)的形式形象而有條理的顯示出來(lái)，方便的實(shí)現(xiàn)了對(duì)測(cè)點(diǎn)狀態(tài)的監(jiān)控和對(duì)歷史數(shù)據(jù)的保存、查詢、管理和分析。
　　通過(guò)以上研究，建立了側(cè)風(fēng)下冷卻塔三維熱力性能評(píng)價(jià)的理論模型，形成了側(cè)風(fēng)下冷卻塔三