（热能工程专业论文）基于空气动力场的逆流湿式冷却塔填料优化布置.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 冷却水的冷却过程是电力生产中一个十分重要的过程，研究冷却水的温降 措施具有很重要的意义。在电厂中，凝汽器的低温状态是由冷却水循环来保证 的。冷却塔性能的好坏在很大程度上影响电厂的经济性和稳定性。淋水填料作 为冷却塔传热传质的“心脏部位”，其性能的好坏直接影响着冷却塔效率的高低。 本文以双曲型逆流式湿式自然通风冷却塔为典型的研究对象，在三维坐标 空间的基础上对冷却塔内外空气动力场，塔内淋水运动，塔内气、水之间的热 质交换，以及塔内气、水阻力建立控制方程，并采用七一s 湍流模型对控制方程 进行湍流封闭，采用了“热态模型”。 数值计算运用了流体动力计算软件( c f d ) ，对计算区域采用六面体网格， 用有限体积法构造差分格式，并运用s i m p l e 方法对冷却塔内流场和温度场进 行数值模拟。 计算结果显示，本文所建立的逆流湿式自然通风冷却塔塔内空气流动和热 质传递的数学物理模型和计算方法是可行的、可靠的。 通过对计算结果的分析发现，塔内水平布置的填料出口的大部分区域，空 气的焓值、含湿量跟以水温为准的饱和值相比，还有明显的差值，也就是说， 在填料径向的很大区域内，填料的冷却能力并没有充分的发挥。所以本文提出 填料布置空间优化的概念，依此概念为基础，对冷却塔填料进行改造。基于数 值计算的结果，提出两种填料空间优化布置的方案：4 撑填料和5 群填料。填料空 间优化布置后的冷却塔总温降有所增加，计算结果显示：4 撑填料冷却塔的总温 降比改造前增加了0 6 3 9 k ，5 撑填料冷却塔的总温降比改造前增加了o 4 5 5 k 。而 且改造后，填料区温降在总温降中所占的比重也有所增加。 通过数值计算分析侧风对冷却塔运行的影响，侧风使冷却塔的冷却效果变 差得主要原因是：第一，侧风破坏了冷却塔进风口处的进风均匀性，在塔的背 风面处催生气流漩涡，从而减少了背风面处的进风，而且风速过大时还会出现 穿堂风；第二，由于侧风的影响，填料底部进风面的空气流结构会出现变化， 产生多个气流高温区，这样就使得填料下表面的空气温度增加，造成填料区热 质传递的减少，而最终使水滴温度升高。改造后的填料在侧风的影响下，传热 性能也会有所降低，其变化趋势与水平填料相似。 通过室内模拟塔试验台，本文对数值模拟的结果进行试验验证，用密度傅 山东大学硕士学位论文 式数相等作为动力相似准则。试验结果表明，改造后的填料的冷却效果要好于 原填料，这与数值计算的结果一致。而且，随着淋水量的增大，冷却塔的温差 逐渐变小。改造后的填料和水平填料在冷却效果方面，受侧风的影响是类似的， 这说明改造后的填料并不会因为侧风而改变其有效性。 本课题的研究成果对冷却塔的全面优化设计和改善冷却塔的冷却性能提供 了理论依据。 关键词：冷却塔填料空气动力场优化 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i ti si r l l p o r 眦t 0 咖d yt l l ec 0 0 1 i n gt o w e rm p o w e rp l a m t h ep r o c e s so fc o o l m g w a t e ri sav e 巧i m p o r t a n tp a r tmt h ep r o d u c t i o no fp o 、e rp 1 锄t t h e1 0 wt e m p e r a t u r eo f c o n d e n s e ri s t 1 1 er e s u l to fc i i u l a t i n gw a t e r s o 协ep e o m a n c eo fc o o l 洫gt o w e r i i l f l u e n c et 1 1 ee c o n o m i ca n ds 切b i l i t ) rd e 印l y n ef i l li st l l e h e a n ”o fc o o l m gt o w e ra i l d i ti s t i l em o s ti m p o i r t a i l tp a r ti nm eh e a t m a s st r a l l s f e r t h ep r o p e r 哆o ff i ni s t 1 1 ek e y f i a c t o rt h a ti r l f l u e n c et l l ee 伍c i e n c yo fc o o l i n gt o w e r 1 1 1 et l l e 肌a jp e 墒m a l l c eo fn 栅a ld r mw e tc o o l i n gt o w e r s ( n d w c t ) h a sb e e n i n v e s t i g a t e dr m m e r i c a l l y t h eg o v e n 】血ge q u a t i o n sa r eu t i l i z e dt o d e s c r i b et h ea i r d y i 姗l i cf i e l do fi n s i d ea n do u t s i d eo fc o o l i n gt o 、v e r ，t h em o v e m e n to fw a t e r 证c 0 0 1 i n g t o w e r ，t l l eh e a t m a s s 觚l s f e rb e 觚e e na i ra i l dw a t e r ，锄dt l l er e s i s t a n c eo fa i r 锄dw a t e r i i l c o o l i n g t o w e r t h et h r e ed i m e n s i o n a lm o d e lh a l su t i l 娩e dt l l es t a l l ( h r d 后一st i 】r b u l e n c em o d e l嬲t h et u r b u l e n c ec l o s u r e a t1 a 瓯m e “h o tm o d e l ”i s e s t a b l i s h e d t h ec o m p u t a t i o n a ln u i dd y n a m i c ( c f d ) s o 矗m ，a r ei su t i l i z e df o rn u i l l e r i c a l c a l c u l a t i o n t h eh e x a h e ( 1 r a lm e s hi su s e di nt 1 1 ec a l c u l a t i o nr e g i o n t h ef h l i t ev o l 啪e m e t l l o di su s e dt o 蛐r u c t u r et l l ed i f r e r e n c es c h e m e 1 1 l es i m p l em e t l l o di su s e di n n u i n e r i c a ls i i n u l a t i o no ff l o wf i e l d s 锄dt e m p e r a t u r ef i e l di i lc o o l i i l gt o 、v e r 1 1 1 ev “d a t i o np r o c e s so ft l l ec u r r e n tm o d e lh 硒b e e nc o n d u c t e da g a i n s tt l l ed e s i 印 c o n d i t i o n so ft h en d w c t 龇l d 血er e s u l ti sw e l l a sac 0 1 1 s e q u e n c e ，t 1 1 ec u r r e n tc o d ei s u t i l i z e dt o 叭e s t i g a t ee 艉c to fd i 髓r e n tc o n d i t i o n so nt l l et h e 衄a 1p e 怕m a l l c eo f n a t u r a ld r a rw e tc 0 0 1 i n gt o w e r s t h er e s u l to fm em o d e ls h o w st h a tt 1 1 ee n t h a l p ya n dt h eh u m i d i 够c o m e n to ft l l e f i l l u pf i a c ea r el o w e r t 1 1 a nm ev a l u em a tr e l a yo nt 1 1 ew a t e rt e m p e r a ：t u r e i ti sm e a i 】j i l g t l l a tt l l e c a p a b i l i t ) ro ft 1 1 e f i uc a nb eu s e db e n e r a sar e s u l t ，t h ec o n c e p to f “o p t i m i z a t i o ns p a c e i sp r o p o s e df i r s t l yi nt h ep a p e r t 1 1 er e f o m lo fc 0 0 l i l l gt o w e r t h a t b 2 l s e do nt 1 1 ec o n c e p tc o n t a i l l st o ws c h e m e s ：4 # f i n 锄d5 # f i l l n l er e s u l to ft 1 1 er e f o m i st 1 1 巩4 群f i l la n d5 撑f i l lm a k et 1 1 et e m p e r a n j r ed r o p p 洫go fc o o l i n gt 0 、ri 】r e a s e 0 6 3 9 ka n d0 4 5 5 kr e s p e c t i v e l y a i l dt 1 1 et e m p e r a t u r ed r o p p i n gi i ln l ef i l li i l c r e a u s e d o b v i o u s l y i 山东大学硕士学位论文 t h ec r o s s w 砌o fe n 、怖衄e n td e c r e 墩s 恤e 伍c i c yo fc o o l i l l gt o w e r 1 1 1 e r e a r et o wm a i nr e 笛o r 塔f i r ! ；t l y ，t h eu n i f 0 枷够o ft l l ea i rt l l a tn o wi i l _ t 0t l l et o w e ri s d e s 仃0 y e db yn l ec r o s s 缸也a n d 血ev o r t e xi sr a i s e di i lt h eb ko f 血et o w e rw k c h 抵砌t 1 1 ea i ri 1 1 m 止o n 也e 湘h a n d ，t l l ec r o s sv e m i l a t i o n 、】l ，i nb e 舀m e r a t e dw h e n n l ev e l o c i t ) ro fc r o s s w i i l di sb i g 既o u 曲s e c o n d l y ，t l l es 协l c t u r eo ft h ea 硼o wu n d e r t l l ef i l li s 曲岫g e db yt 1 1 ec r o s s v 枷趾d v e r a ll l i 曲t e m p e r a t u r er e 西o n sa r eg e i 】嘲a t e d w h i c hm a k en l ea i rt e m p i 。r a ：t u r e 托i 血e r e t h e t 、) l ，of a c t o r sd e c 陀鹊et h el l e a t 觚d m 觞s 位心衔i i l 也ef i l la n dr a j s et h e 咖t e m 删鹏a tl a s t 1 1 1 er e f o m l e df i l l sh a v e t 1 1 es a m e p r o p e r t yi i lt h ec r o s s w i i l d 、) l ，i t l lt 1 1 ep r e v i o u s l yi nm ec r o s s 砌 t h em o d e lt e s to fc 0 0 l i n gt o w e ri sa l s oc 删e do u t a n d 也er e s u l ts 1 1 0 w st l l a tt 1 1 e 他f o m e df i l l s 的r km o r ee m 枷v em 锄m e p r e 、，i o u sw k c hf i tt l l ec a l c u l a t i o nw e l l t h er e s m ta l s 0s h o w s 也a t 廿l et e m p 疆l ：t u r eo fo u t l e tw a ：t e r 、衍l lb er a i s e dw h e nt h e s p 邺7w a t e rc o m e n ti i l c r e a s e d t h er e f 0 肋e df i l l s 、析u1 1 0 td 幽【g e 也e 缸i va i ：i t a g ei i lt 1 1 e c r o s s w i i l d 1 kr e s l l l to ft h i ss t l l d yp r 0 v i d e sab 舔i sf o r 血eo p t i n l a ld e s i 印锄dp e r f o m 姗c e i n l p r o v e m 饥to fc 0 0 l i i l gt o w 既 k 呵w o r d s ：c 0 0 l i n gt o w e r ，f i l l ，a i rd y n a n l i c 丘e l 也哪瓜r 1 1 i z a t i o n 山东大学硕士学位论文 g 水的蒸发散热量，k j ； 符号表 温度为水温t 时饱和空气比焓，k j 瓜g ； 屹塔顶的环境来流风速，州s ； p 气体压力，p a ； g 气体质量，k g ； p 气体密度，k m 3 ； p ”，饱和湿空气中的水蒸气分压力，p a ； r空气湿球温度，； 见大气压力，l ( p a ； z 空气的含湿量，k g 瓜g ； 门 l 水蒸气的比热， k j ( 埏) 4 r 水蒸气的比焓，k j 瓜g ； 日。冷却塔的有效抽力高度，m ； 厅进风口高度，m ； h ，淋水装置顶到塔出口的距离，m ； d ，冷却塔进风口平均直径，m ； l 冷却塔的淋水面积，i n 2 ； 填料断面的气流速度，州s ； 考，淋水装置阻力系数； ，塔不淋水时从进风口到淋水装置以 上的阻力系数； 眚，塔筒出口+ 支柱的阻力系数； g淋水密度，m 3 ( m 2 h ) ； f ”。温度为f 册时的饱和空气比焓，l 【j l ( g 出冷却塔的冷却温差，； ，f z 。塔内水的质量流量，k ( m ? 。s ) ； i 沁雷诺数( 无量纲数) ； v 。冷却塔出口气流速度，叫s ； 卢。 以焓差为基准的容积散质系数， k 趴m j h ) ； 空气比焓，l 【j l ( g ； 1 ，。塔内填料高度处空气流速，州s ； y 气体体积，m 3 ； 丁气体温度，k ； 尺气体常数，j ( 埏k ) 。 p ，湿空气中的水蒸气分压力，p a ； 9 空气干球温度，； 空气的相对湿度； 门 。一干空气的比热， l ( j ( 1 【g ) ； 2 d 干空气的比焓，l j l ( g ： 水在摄氏零度时的汽化热， k j l ( g ； g 重力加速度，州s 2 ； 日淋水填料底部塔内径，m ； 日，填料底部到淋水装置顶部的距离，m ； d ，冷却塔出口直径，m ： 芒塔的总阻力系数； 成填料断面空气密度，k g m 3 ； s 进风口相对高度； 芒，雨区的阻力系数； 日冷却塔塔筒抽力，k ( m s 2 ) ； f 。冷却塔内的平均水温，； a 冷却塔内的气水比，k g l ( g ； 7 7 冷却塔的效率系数，； 历。塔内空气的质量流量，k 趴m 2 s ) ； 只密度傅氏数( 无量纲数) ； 环境风速，州s 。 v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：高缸 日 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：鸯磕氢 导师签名： 山东大学硕士学位论文 1 、前言 冷却塔是电厂的重要辅助生产设备，它的作用是将携带废热的冷却水在塔内 与空气进行热交换，使废热传输给空气并散入大气。如图1 1 所示的火电厂为例， 锅炉1 将水加热成高温高压蒸汽，推动汽轮机2 做功使发电机3 发电。经汽轮机 做功后的乏汽排入凝汽器4 ，与冷却水进行热交换凝结成水，再用水泵打回锅炉 循环使用。这一热力循环过程中，乏汽的废热在凝汽器中传给了冷却水，使水温 升高。携带废热的冷却水，在冷却塔5 中将其热量传给空气6 ，从塔筒出口排入 大气。在冷却塔内冷却过的水变为低温水，水泵将其再送入凝汽器，循环使用。 前一循环为锅炉中水的循环，后一循环为冷却水的循环。 1 1 冷却塔概述 图1 1 循环系统 1 锅炉； 2 一汽轮机：3 一发电机； 4 一凝汽器； 5 一冷却塔； 6 一湿热空气： 冷却塔的型式多种多样，分类的依据也有很多。根据塔内热质交换的形式， 可分为干式冷却塔和湿式冷却塔两大类：根据塔内水气流动方式可分为逆流式和 横流式两种；根据塔内通风方式可分为自然通风冷却塔、机械通风冷却塔及自然 与机械混合通风冷却塔三种。如无特别指明，本文中提及的冷却塔均指自然通风 湿式逆流冷却塔。 自然通风湿式逆流冷却塔是通过塔内空气逆流而上与落下的水直接接触，进 行传热传质达到降低循环水温的目的。冷空气在塔内升温后湿度增大，密度减小， 形成塔内、外空气密度差所引起的压差，使塔内产生具有一定浮力的上升气流。 这一浮力必须大于塔出口与进口之间的压差，才能保证塔的运行。自然通风冷却 塔具有运行费用低、故障少、较易于维护的特点；且因风筒高，在运行时飘滴和 山东大学硕士学位论文 雾气团对周围环境的影响小，因此在用水量大的电力系统中采用较为普遍。 出风口 r 。 图1 2 自然通风逆流湿式冷却塔结构图 逆流湿式冷却塔结构如图1 2 所示，共包括以下几部分： 通风筒：其作用是创造良好的空气动力条件，减少通风阻力，将湿热空气排 至大气层，减少湿热空气回流。 除水器：其作用是将冷却塔气流中携带的水滴与空气分离，减少循环水被空 气带走的损失。除水器通常是采用惯性撞击分离法技术原理设计的，一般由倾斜 布置的板条、波形或弧形叶板组成。 配水系统：其作用是将待冷却水雾化喷淋到整个淋水填料上。配水分布，直 接影响塔内空气动力场即冷源，并最终影响冷却水温降。 淋水填料：其作用是将热水溅散成水滴或水膜，以增加水和空气的接触面积 和接触时间，即增加水和空气的热交换强度。循环水的冷却过程主要在淋水填料 中进行。 集水池：设在冷却塔下部，汇集淋水填料落下的冷却水。 在逆流湿式冷却塔中，一方面热水从塔外引入塔内中央竖井，通过配水系统 喷淋到填料上，水通过填料后变成雨滴，经雨区，落到集水池中；另一方面冷空 气从进风口进入塔内，通过雨区、填料区、配水区，变为饱和的湿热空气，通过 风筒从出口排出。 2 山东大学硕士学位论文 1 2 冷却塔性能研究的必要性 在电厂中，凝汽器的低温状态是由冷却水循环来保证的。因此，冷却水的冷 却是电力生产中十分重要的过程。一般来讲，冷却塔性能的好坏会在很大程度上 影响电厂的经济性和稳定性。 首先从经济性上讲，电厂的冷源损失是各个环节损失中最大的一项。如果冷 却塔性能不好，或者是运行不稳定，将会使循环冷却水的温度升高，而冷却水温 的升高将使凝汽器的真空下降，汽轮机组的工作效率下降，从而导致发电的煤耗 量增加，使设备的出力降低，大大的影响了电厂的热效率。可是长期以来由于种 种原因，电厂缺乏对冷却塔节能潜力的认识，许多电厂甚至忽略冷却塔的维护和 监督，导致冷却能力降低。据北美经济可行性会议提供的数据表明，美国发电厂 每年因冷却塔问题造成的电能损失达1 8 5 g 讹，这导致经济损失达1 0 0 多万美元， 其中冷却塔热力性能缺陷产生损失约2 5 万美元。可见冷却塔的节能潜力是十分巨 大的。 由于目前电厂的锅炉效率和汽轮机效率都已经达到9 0 以上，节能优化的空 间已经不是很大，而迄今为止人们对冷却塔节能潜力的认识还远远不够。如果能 从这个方面着手进行节能改造，必将带来比较明显的节能效果。有数据表明，对 于使用汽轮发电机组的发电厂，冷却水温度的下降和热效率的提高成正比关系， 对中压机组，冷却水温每下降一度能够提高效率o 4 7 ；对高压机组提高0 3 5 ； 核电厂则提高0 7 。李秀云【l 】分析了冷却塔的节能潜力，指出了冷却塔出塔水温 每升高1 对发电机组的效率的影响，如表1 1 所示： 表1 1 出塔水温升高l 的经济性变化 机组容量( m w ) 2 5 5 0】2 52 0 0 3 0 03 5 0 效率降低( ) o 4 5 10 3 8 l0 3 1o 3 2 8o 2 3o 2 4 2 煤耗率增加( g l ( w h ) 1 9 4 1 5 21 0 3 31 1 0 7 0 7 9 80 7 3 8 热耗率增加( k j l ( w h ) 5 6 8 64 4 8 43 0 2 83 2 4 42 3 3 92 1 6 3 煤耗量增加( t h ) 3 4 05 3 69 0 41 5 5 01 6 7 61 8 0 8 其次，冷却塔性能的优劣还会影响到电厂运行的安全性和稳定性。冷却水温 过高，会造成汽轮机末几级过负荷和轴向推力的增加。此时末级蒸汽回流，使汽 轮机振动大大增加，严重影响设备的寿命 凝结水的温度越低，汽轮机的热效率越高；反之，不仅影响汽轮机的热效率， 山东大学硕士学位论文 甚至会危及汽轮机运行的稳定性。从这两个角度讲，冷却塔性能的优化就成为了 一个很现实也是很迫切的课题。 冷却塔的心脏”部位为淋水填料。填料区产生的温降达整个塔温降的 6 0 哆扣7 0 。填料性能的好坏直接影响着冷却塔效率的高低。所以，填料性能的研 究是冷却塔研究的一项重要内容。目前电厂冷却塔填料均为水平布置，这种布置 方式并不能完全发挥填料的作用。均匀布置时，填料上层沿径向的气流温度分布 存在着严重的不均匀性，而且，尾部水温场沿径向也存在着很大差别。这说明， 塔内的冷却效率严重不均。而要使填料发挥最大作用，就要对其进行优化布置， 在冷却效率高的部分加厚填料，效率低的部分减薄，使综合的冷却效率达到最佳 另外，冷却塔的冷却性能受环境的影响很大，特别是受环境侧风的影响时， 塔内流场分布不均，且产生纵向漩涡和横向漩涡，使空气流动性能减弱，降低了 冷却塔的冷却能力。实验数据表明，侧风愈大，流场内形成的漩涡对冷却塔的影 响愈严重。从表1 2 【2 】可以看出，侧风即横向风风速愈大，出口风速愈小。这样势 必会影响冷却塔的效率。 表1 2 侧风风速对塔内空气流量的影响 项目试验结果计算结果 k ( 毗) 0 1 4 1 92 10579 矿州( 眺) 5 0 54 3 94 0 33 8 45 5 55 0 l4 3 33 7 7 注：匕为侧风风速；为冷却塔出口平均风速 本课题考虑从填料的角度出发，研究侧风对冷却塔填料区传热传质的影响。 1 3 冷却塔填料的发展 随着技术的发展，电厂冷却塔填料的形式已是多种多样。我们可以从材料与 形状两个方面对冷却塔填料进行分类分析。 1 3 1 材料分析 冷却塔填料用到的材料有木材，石棉水泥，水泥网格，塑料，玻璃钢，陶瓷 等。 最早的冷却塔内用到的材料只有木材。由于木材容易得到，从冷却塔出现到 二十世纪六十年代，冷却塔内的填料几乎都是由木材制成。 4 山东大学硕士学位论文 红木由于它的防腐特性，是早期冷却塔填料最常用的材料。生长时间长的红 木外形直而且结实，使用寿命长，容易利用，因此价格比较高。后来，老红木开 始短缺，并且价格不断攀升。而生长时间短的新红木并不能满足要求，一些用新 红木作材料的塔甚至没法建造起来。花旗松曾经代替了一段时间的红木。然而， 虽然花旗松有着笔直的外形，但是它的密度太高，并不能很好地吸收防腐剂，在 冷却塔潮湿的内部环境中很容易产生污染腐蚀。有些破损是无法用肉眼看到的， 他们会使木头产生微洞并且变得脆弱。在冷却塔的局部，经常会有非常大的集中 负荷，而且由风暴或飓风产生的风负荷，会对冷却塔产生很大的外在压力，这种 低强度的木材会给冷却塔带来灾难性的后果。人们开始寻找新的可靠的代替材料。 2 0 世纪五、六十年代，石棉水泥薄板曾作为冷却塔填料的材质而广泛应用。 这种材料有很好的防腐蚀性，但人们发现石棉水泥在加工生产过程中对环境有害， 所以这种材料的应用逐渐减少，有些国家已经禁用。 7 0 年代左右，塑料填料的出现是冷却塔发展的一个重大革新 3 】。塑料填料晟 先应用是在采暖通风与空调行业，后来又应用到精炼与电厂工业。这种填料的特 点是防腐蚀性很好，可以长期利用。塑料膜式填料更是冷却塔发展史上的一大创 新，由于它增加了水与空气的接触面积，从而具有更好的冷却能力。但是在冷却 塔高温潮湿的工作条件下，塑料填料在工作三年左右的时间后会发生老化变形的 现象，影响冷却效率。而且冬季结冰也会对塑料填料造成比较大的影响，结冰引 起负载增大，冰块将小块填料从栅格中拉掉，产生大量的填料碎片，阻塞滤网或 凝汽器，影响机组的经济运行。 近些年来，陶瓷填料渐渐应用于电厂冷却塔中1 4 】。陶瓷填料的特点是防老化， 不易发生几何变形，不脆裂，而且防腐蚀，耐酸、耐碱性能好。这种填料还有一 个特点就是防冻性非常好，1 5 浸透2 h ，融2 h ( 室温水) ，反复5 0 次不裂。所 以，陶瓷填料的寿命比较长，使用寿命的设计时间为3 0 年。这种填料的初投资比 较大，机组服役3 0 年不用更换填料，运行维护维修费用相比其他材料也比较低。 1 3 2 形状分析 形状的不同，决定了水在冷却塔填料中冷却方式的不同。填料的结构形式按 照水在淋水填料中被淋洒成的冷却表面形式，可分为点滴式，薄膜式，点滴薄膜 式。 点滴式填料是最早用于冷却塔的填料。填料按一定规则布置在塔内，当淋水 山东大学硕士学位论文 下落时，碰到这种溅水条就会被溅碎成无数小水滴，通过层层溅落，水滴越来越 细，分布也越来越均匀。淋水分成的水滴越小，形成的比表面积也就越大。淋水 就是通过小水滴的巨大比表面积，利用水的蒸发以及空气和水的热传导带走水中 热量达到冷却降温的目的。 现在，大多的点滴式填料用在横流塔中。这种填料的组成包括，木条，侧板， 管状垂直栅格，和水平栅格板。特点是具有好的反污染特性。但是与薄膜式填料 比起来，他们的单位体积的冷却效率要低很多。低的冷却能力，决定了点滴式填 料塔的占地面积的增多和耗能的增加。 点滴式填料的劣势在于，这种填料大多是悬挂在塔内的。这就加大了安装的 难度。而且悬挂系统并不如底部支撑系统耐用，还有，悬挂系统使塔内维护更加 困难，它限制了塔的入口，即使把填料移走也很难进入塔内。 但在大型横流塔中，点滴式填料仍在广泛使用。原因是这种填料对横向气流 的阻力小，单位体积的耗材较小，允许淋水密度大。常见的形式有，弧形板条， m 形板，蜂窝形板等。 薄膜式填料的出现，是冷却塔填料的一大进步。这种填料是目前冷却塔应用 最多最广的填料，它是一种被热压成各种波纹形状的p v c 材质的薄片，使用时按 一定片距粘接成一块块立方体放人塔内。当淋水下落时，淋水就会在这种填料片 两个侧面形成二层薄薄的水膜。复杂波纹的填料片既有较大的比表面积，又能使 淋水下流时不断再分布，增加淋水在填料片上的停留时间和分布的均匀性，淋水 就是通过这种填料具有的巨大比表面积，利用水的蒸发以及空气和水的热传导带 走水中热量，达到冷却降温的目的。 塑料薄膜式填料出现于7 0 年代，先用于采暖通风空调工业，后来又发展到化 工与电厂。当时斜纹薄膜式填料在美国市场占主要地位。薄膜式填料的换热性能 很好，大约是点滴式填料的三倍多。其缺点是，由于薄膜式填料内的水速相对较 慢，容易形成污染，造成冷却塔效率降低。 薄膜式填料的设计目的是在最小的阻力损失条件下达到最大的传热和传质性 能，基于这点，在减小能量损失的前提下增加填料的性能( 提供更冷的水或冷却 更多水的能力) 是追求的目标。 薄膜式填料由于形状的形式比较多，所以种类也较多，如图1 3 所示。 6 山东大学硕士学位论文 s 波填料差竹正弦波填辩台阶式梯形斜坡填料 圆形斜梯教臻科料趸错填科 图l3 各种薄膜式填辩 这些填料主要可以分为两大类：交错波纹式和垂直波纹式。 交错波纹式在横流塔和逆流塔中均适用，特点是水和空气以相反的角度流过 填科。但当横流塔的填料高度要求过高时，交错波纹填辩并不适用。当微观结构 合理，交错波纹式填料的热力性能会是早期点滴式填料的三倍多。这种高热力性 能的填料成为具有高品质冷却水的工业设备的首选。 这种填料中，水流过的填料面积相对较人，而且不是垂直流动。因此水流过 通道的速度较低。这样就给污染造成隐患。在流速低的区域，容易有小的堵塞从 而形成凝胶状的物体，其中含有一些微生物和悬浮颗粒。这些微生物会迅速生长， 造成严重的堵塞。轻微的阻塞并年会对冷却塔的热力性能造成影响，但如果污染 遗成水膜分布区域的破坏和空气流动的受阻，那对冷却塔热力性能韵影响就比较 大了。实践表明，交错式波纹填料在前乒1 3 个月的使用中，会有很高的热力效 率，但随后由于污染会使其热力性能急剧下降。 垂直波纹填料一般只用于逆流塔中，水从填料顶部垂直进入，每隔5 肌1 0 0 毫米，流道会有一个角度的转变这种形式的角度转变贯穿整个填料的始终。 还有一种垂直分支流式填料，用于逆流塔中。特点是水和空气保持垂直的流 动，只在薄板的交界处产生分支。其致计时考虑徽观结构卜小表面的浮雕和波纹。 垂直波纹式填料在提高效率和防止污染方而都有不错表现。在过去的2 0 年， 他们被成功地用在了精炼厂和电厂的逆流式冷却塔巾。然而，其平均冷却能力会 比交错波纹式填料低1 5 。这种填料主要通过优化微观壁面的结构来提高热力性 能。其垂直的流道使水流速度很高，从而可以避免了污染的产生。 山东大学硕士学位论文 现在存好多点滴式和薄膜式攮料混会安装韵冷却塔，设计者之所以这样考喜岛 丰要源币以下几点考虑： ( 1 每：增强热力牲能。 逆流塔q 撂篷郝装薄膜式填料 ：i 下都蠲轰滴式填料，这样可以降低填科财气 流的阻力，并减少污染，所以可增加热力性能。横流塔中，设计者让两种填料交 错排列，加强了冷l 毒l l 水- 懿气间得热、质传递过程，比单一的点滴式填料热力性 能高。 ( 2 ) 高的温度工貌； 在逆流塔年；。蕾v c 薄膜填料辅篙温p 、，c 薄膜填料所允许的最高冷却水温度 为5 2 和5 7 。更高温度时，项部的填料就应该更换。在项部安装点滴式填料可 以很好地解决这个问题。这种方法可以使最高工况提高到8 2 。 ( 3 ) 加快检修速度。 冷却塔运行过程中填料总会发生某些破坏，而破坏会经常发生在冷却水量最 大的时间段，一般顶部填料层最先会遭到破坏。这种加速维修可以用水平栅格或 涡轮喷溅填料代替膜式填料。而且涡轮填料的体积是膜式填料的七分之一，所以 更换起来会比较迅速。 运用这种填料，用户可以节省投资，降低年维护和运行费用。 1 4 国内外研究现状 从1 9 0 4 年第一座工业冷却塔在法国建成至今的一个世纪里，人们对冷却塔的 性能做了大量的研究t 作，摸索出了许许多多的设计和改造方法。传统的冷却塔 计算模型，是由m e r i ( e l 提出的焓差法模型【5 j 。在这个模型巾，假设散热和散质系 数以及湿空气的比热在整个过程中是常数，并假定水膜的表面温度与内部温度一 致，而在热平衡计算中由于蒸发水量不大，将蒸发水量略去。这个模型提出焓差 为推动力，得出了焓差的计算基本公式： d 致= 成，( 。一) ( 1 1 ) 式中，尾，以焓差为基准的容积散质系数； f t 。温度为水温t 时饱和空气比焓； 空气比焓。 i a f u 亿e j 提出了自然通风逆流式冷却塔塔内气流运动速度存全断面非均 匀分布的思想，并对塔内流动及传热做了计算。他将填料及其风简内气流简化为 8 山东大学硕士学位论文 一维流动，将填料以下的气流简化为横流流动；利用两相间各自的热平衡方程， 导出了填料和雨区的换热模型。计算中，雨区和填料区取相同的传质系数。计算 结果和实际情况偏差较大。 j f b r i s o n 【7 】等采用了n a v i e r s t o k e s 方程对柱形自然通风逆流式冷却塔塔 内流动进行了数值计算，采用有限单元法求解，计算中考虑了填料和雨区对气流 的阻力影响，计算结果较为合理。但是算例的局限性很大，和实际工况相差甚远， 如冷却塔的外形为柱形，气水比仅为0 0 1 4 等。 a k m 句啪d a r 【8 】等人以两相理论为基础提出冷却塔塔内流动及热质交换的 控制方程，建立起较准确的数学和物理模型，精确考虑了流动中质量、动量和能 量的守恒性。气流为二维轴对称运动，水流则近似为一维运动。控制方程采用有 限差分法计算。这是一次较成功的数值模拟，整个过程形成了一个叫v e 心d 的 程序包。但是数值模拟主要是针对机力塔而言，因此未涉及到雨区的物理模型。 d j b e n t o n 例等人提出用有限积分法分析冷却塔塔内传热传质和传递动量 的过程，对传热传质提出较好的模型，用b e m o u l l i 方程近似一维气相的动量守恒 方程求出压力场。 a a d r e y e r 【1 0 】等人对逆流冷却塔内的喷溅式填料进行了数学建模，并用 b o r l a n dt 1 】r b op a s c a l 计算机语言进行了模拟计算。他们的模型建立在麦克公式基 础上，用一维的方法进行模拟，模拟没有依靠实际测试的数据。最后，用实验的 数据与模拟数据进行对比，改变的趋势是一致的，而且压力降低的值吻合得也很 好。 f i s e n k o 【1 l 】和a s k a i s e r 【1 2 】等人对自然通风冷却塔内的水的冷却过程进行了 模拟。他们主要建立了喷溅的水滴冷却和水膜冷却两个模型，并对塔内的空气动 力场进行了分析。对空气动力场，他们用的是一维的方法进行计算，无法考虑侧 风的影响。在膜式冷却和水滴冷却模型中，他们考虑了各种因素的影响，例如湿 空气流速、温度、湿度和密度，水滴式冷却主要是考虑水底的大小对冷却效果的 影响。 m n a h a w l a d e r 【1 3 】等人对蒸发式冷却的自然通风冷却塔进行了数值模拟的 研究。他们建立了塔内湿空气流动模型和传热传质模型，考虑了水滴非球形时对 塔内冷却效率的影响。并计算得出在填料和雨区，蒸发散热占总传热的8 0 以上。 本次模拟的一个重大发现是模拟出了塔进风口上沿的漩涡，这与实际情况是相符 的，具有重要的工程指导意义。 9 山东大学硕士学位论文 j o h a i l n e sc o p p e r s 【1 4 】等人对冷却塔计算时湿式冷却塔填料的压力损失系 数进行了改进。他们对原来的经验公式进行了一些调整，并用各种填料做实验进 行验证，试验结果表明，他们的新公式能够更好的表达实际情况。这对以后的冷 却塔中填料压力损失系数的确定提供了参考。 j a m e e i u 卜r e h m 锄k h a i l 【1 5 j 等人对逆流湿式冷却塔进行了模拟和研究。他们 主要是应用工程方程解法器( e e s ) 对冷却塔进行了模型的建立。考虑了填料污 染物对冷却塔效率的影响，计算出污染平均可使冷却塔效率降低6 ，出水温度 平均降低1 2 。模型还用于各种参数对冷却塔效率的影响。 黜i f a t 【1 6 1 等人对湿式冷却塔进行了流体动力计算( c f d ) 模拟。他们建立了 自然通风冷却塔的三维模型，运用标准的k e 紊流模型对塔内的紊流进行收敛。 在气相运用的是欧拉方法，对水相运用拉格朗日方法。在模型中，还分析了一些 参数对塔的影响，例如，水滴直径，进水温度，水量等。这次研究的最大特点是 考虑了侧风对冷却塔工作效率的影响，三维模型是这种计算成为可能。结果显示， 高于7 5 m s 的侧风对冷却塔冷却有促进作用。 b i l a la q u r e s h i 【1 7 】等人对湿式冷却塔进行了全面的模拟，气水的热质交换用 的仍然是e e s 软件。他们考虑了污染物对冷却塔效率的影响。 邱一民【1 8 】等人作了冷却塔内的传热传质数学模拟，他们从流体力学和热力学 的基本方程出发，以“热态模型 为基础，提出了相应的描述冷却塔内传热传质 的数学模型和物理模型，并对方程组进行耦合求解，结合工程实际对冷却塔填料 的布置形式进行了优化设计。模型考虑塔内气流运动为轴对称的，水滴运动是一 维向下运动。数值计算使用的是s m d l e 方法。 黄东涛【1 9 1 等人作了逆流式冷却塔填料及淋水分布的数值优化设计。他们在逆 流式自然通风冷却塔流场、温度场和湿度场数值模拟工作的基础上，采用数值分 析的方法研究了非均匀填料分布及非均匀淋水分布对提高冷却效率的影响，并结 合某电厂的工程设计实例，给出了最佳的填料分布和淋水密度分布。气流场的模 型用的是二维轴对称n a 访e r s t o k e s 方程组，水流场以一维问题处理，刘易斯数假 设为1 。 赵顺安【2 0 】等人作了逆流式自然通风冷却塔二维数值模拟优化设计。他们认为 塔内气流在无风时为二维轴对称运动，对塔内空气运动的描述运用了雷诺时均方 程，雷诺应力用k e 双方程模型进行封闭。雨区热交换的雨滴当量直径采用已有 的冷却塔雨区热力特性研究成果，建立起二维自然通风逆流式冷却塔设计计算模 l o 山东大学硕士学位论文 型。通过与原型观测资料对比，计算结果与实际原形相差小于0 1 ，并且对塔内 的填料进行优化布置，算出出塔水温可降低o 5 2 。 随着人们对冷却塔研究的不断深入，自然风对冷却塔进风量的影响逐渐受到 学者们的重视，大量关于风影响的室内试验不断涌现。在进行模型试验时要满足 几何相似、气流流动相似和准则数相等的原则。塔内的填料、除水器等部件由于 尺寸过小，可由等阻力系数的物件代替。 翟志强、朱克勤等人【2 】通过模型试验手段研究了横向风对自然通风干式冷却 塔空气流场的影响。他们通过风洞试验( 显示与测量) ，有效地了解和掌握了横向 风对空冷塔气流场的影响情况和规律，并揭示了横向风对空冷塔流场影响的主要 原因：一是横向风引起圆柱绕流改变了空冷塔底部原有的压力分布，影响了空冷 塔底散热器两侧和背部空气的入流，从而改变了入流空气的流量和流形；另一方 面横向风直接从底部进入塔内，形成对流场的冲击( 甚至是穿堂风作用) ，影响了 塔内流场的均匀性和对称性，导致复杂涡流场的出现( 横向涡和纵向涡) ，进而影 响塔内整个流量的大小。 一 c b o 血l l o t 等1 2 1 】给出了某自然通风逆流式冷却塔自然风对其总阻力系数影 响的试验结果( 热态试验) 。在低风速时，即v 0 = l 3 以下，自然风的影响很 小；从屹= 1 3 到屹= 7 1 2 的范围，自然风产生不利的影响，这时总阻力 系数可增加5 0 ，风量可减小1 5 ；风速再增加时，风的影响变为有利。其中， k 为塔顶1 4 0 m 处的环境来流风速，v n 为塔内填料高度处的风速。 维庆鼎等【2 2 】通过全塔测试和风洞试验阐明了横向风不利于干式塔冷却效率 的机理。试验结果表明，在常规风速范围内，风的存在降低了塔的效率，原因有 三：其一，在塔进口处形成了一个不利的低压区；其二，破坏了塔顶的上升热气 流；其三，出口气流在塔壁处发生分离，并伴有冷空气倒灌入塔内。 张晓东和王清照【2 3 】在通用程序的基础上，建立了模拟空冷塔运行的三维计算 机模型，并系统地研究了在不同的侧风风速条件下，空冷塔冷却性能的变化情况， 特别是通风量和散热量的变化规律和特点。计算结果表明，当风速较小时( 在 4 o 州s 以下) ，侧风对空冷塔散热性能的影响不明显，空冷塔能够保持平稳运行。 而在较大风速时，空冷塔的散热能力明显下降。当环境风速达到6 6 州s 时，散热 量减少近1 0 ；而当风速达到8 5 i s 时，散热量减少近2 5 。侧风影响的主要体 现是使散热器两侧的压差发生变化，特别是侧后区压差降低，进气流动减弱，使 空冷散热器各扇段水温降发生变化，侧后区散热能力降低。因此，在经常出现大 山东大学硕士学位论文 风天气的地区采用空冷系统时，应该在优化设计中考虑大风的影响。 在冷却塔填料研究方面，前人也做了大量的工作。 s 娜s o n 和s h 删d 【2 4 】研究了填料为1 0 5 米高的木质材料时，强制通风冷却 塔的冷却能力。g o s h a