逆流式自然通風(fēng)冷卻塔二維數(shù)值模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、 水 2003 年 10 月 利 學(xué) 報(bào) 第 10 期 SHUILI XUEBAO r，F(xiàn)n=(unrnr；Pe=Fe/De，Pw=Fw/Dw，Ps=Fs/Ds ，Pn=Fn/Dn；A(|P|=|0,1-0.5|P|，符號(hào)|A,B| 表示取 A、B 中較大者。 表 2 方程 連續(xù)方程 X 向動(dòng)量方程 計(jì)算參數(shù) S 0 1 u 0 µe µe µe / k µe / v p u 1 + µe + µ e r g + Fx x x x x r r r 向動(dòng)量方程 v v 2 µ v p u 1 + µe µ

2、e r 2e + Fr + r r x r r r r Gk C1C k C 2 2 k K a (il ia 3600 k 方程 k 方程 空氣焓方程 ia µe / t 對(duì)于式(1至式(5和式(9，按上式(21離散方程采用 SIMPLE 方法迭代求解，迭代采用欠松弛， 通過調(diào)試松弛因子使迭代收斂，收斂的控制條件是以所有計(jì)算點(diǎn)所有方程的余額的和與塔的流入量比 小于 0.05%。而雨滴運(yùn)動(dòng)方程式(12、式(13和換熱方程式(9、式(10系常微分方程，采用四階龍格 庫塔法求解。 3 計(jì)算驗(yàn)證 表 3 計(jì)算結(jié)果與原型測試資料對(duì)比 水量 /(10 m /h 50.3 50.3 50.3 5

3、0.3 50.3 50.3 3 3 序號(hào) 1 2 3 4 5 6 干球溫度/ 28.23 27.66 27.14 26.79 26.22 25.36 濕球溫度/ 23.24 23.19 23.21 23.11 22.73 22.18 實(shí)測進(jìn)塔水溫/ 38.87 38.96 38.82 38.71 38.60 38.63 實(shí)測出塔水溫/ 32.51 32.45 32.35 32.14 30.06 31.64 計(jì)算出塔水溫/ 32.46 32.40 32.30 32.19 31.94 31.65 計(jì)算與實(shí)測差 / -0.05 -0.05 -0.05 0.05 -0.08 0.01 2 文獻(xiàn)8給出了

4、山西陽城電廠三號(hào)塔配水和填料均勻布置的原型觀測結(jié)果。三號(hào)塔面積為 5000m ， 塔總高 109.7m，進(jìn)風(fēng)口高 7.3m，喉部直徑為 49.76m，淋水填料為臺(tái)階型梯波。按此條件(填料的性能 采用文獻(xiàn)9室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果用本文建立的二維計(jì)算方法進(jìn)行出塔水溫予報(bào)計(jì)算結(jié)果見表 3。 計(jì)算結(jié)果與 實(shí)測結(jié)果相差非常小。 6 水 2003 年 10 月 利 學(xué) 報(bào) 第 10 期 SHUILI XUEBAO 4 工業(yè)塔優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例 2 某電廠新建 600MW 機(jī)組發(fā)電工程配用一座 8500m 逆流式自然通風(fēng)冷卻塔。塔總高 140.750m；冷卻 塔出口直徑 66.812m；喉部直徑 62.000m；進(jìn)風(fēng)口高

5、9.800m；進(jìn)風(fēng)口上沿直徑 105.514m，進(jìn)風(fēng)口平均 直徑 109.123m。淋水填料選用復(fù)合波，性能參數(shù)采用文獻(xiàn)9室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果。 基于塔的淋水填料及配水均勻布置情況數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，針對(duì)靠近塔中心部位的風(fēng)速較小，結(jié) 合工程設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，使外側(cè)水量比中心水量大些，不僅可以使外側(cè)有較大換熱量，同時(shí)，由于內(nèi)側(cè) 淋水密度減小，對(duì)空氣的阻力也減小，從而使氣流分布均勻性改善。另一方面還對(duì)填料的布置方案進(jìn) 行優(yōu)化，塔內(nèi)區(qū)風(fēng)速小熱交換量小，可減低塔中心區(qū)填料高度，或增加外區(qū)的填料高度，增加外區(qū)的 散熱能力，減小內(nèi)區(qū)的氣流阻力，使配風(fēng)均化，從而達(dá)到提高散熱效率。 對(duì)冷卻塔可能的實(shí)際運(yùn)行情況將塔配水分為內(nèi)

6、外兩區(qū)， 內(nèi)外區(qū)分別采用不同口徑噴頭， 按文獻(xiàn)10 方法進(jìn)行配水水力計(jì)算得到塔內(nèi)淋水密度；結(jié)合配水管標(biāo)高及噴頭噴濺高度要求以及填料組裝的可能 性將填料高度分為三種高度 0.75m，1.00m，1.25m 進(jìn)行組合計(jì)算。以均勻布水為基準(zhǔn)來看不同方案組 合的水溫及改善情況，從表 5 可看出，進(jìn)行配水優(yōu)化可降低 0.3，填料與配水結(jié)合后的出塔水溫可降 低 0.52。 表 5 優(yōu)化設(shè)計(jì)水溫計(jì)算結(jié)果 配水分區(qū)示意圖 填料分區(qū)示意圖 方案組合 填料分區(qū) 填料高度/m 內(nèi)外分區(qū) 淋水密度 出塔水溫 / r1 1 2 3 4 5 6 7 8 0.19 0.19 0.19 0.19 0.19 0.19 0.19

7、 0.19 r2 0.77 0.77 0.77 0.77 0.77 0.77 0.77 0.77 h1 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 0.75 1.00 1.00 h2 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 h3 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.25 1.25 1.25 r 1.00 0.54 0.54 0.60 0.60 0.60 0.60 0.60 q1 7.73 4.94 6.34 6.45 5.91 5.91 5.91 5.91 q2 7.73 7.42 8.32 8.39 9.67 8.67 8.67

8、 8.67 27.64 27.39 27.41 27.35 27.34 27.11 27.17 27.12 5 結(jié) 語 本文提出的二維設(shè)計(jì)計(jì)算方法，湍流模型選擇合理，有試驗(yàn)研究作基礎(chǔ)，計(jì)算結(jié)果與原型觀測結(jié) 果差小于 0.1，十分令人滿意。與一維計(jì)算相比可對(duì)塔內(nèi)的配水填料布置進(jìn)行優(yōu)化，通過一工程實(shí)例 優(yōu)化設(shè)計(jì)給的配水及填料布置，優(yōu)化后的出塔水溫可以降低 0.52，可供工程設(shè)計(jì)參考。 參 考 文 獻(xiàn)： 1 趙順安.逆流式自然通風(fēng)冷卻塔塔氣流場及換熱的數(shù)值模擬A.見：水利水電科學(xué)研究院論文集(第 33 集C.北 京：水利水電出版社，1990. 7 水 2003 年 10 月 利 學(xué) 報(bào) 第 10 期

9、 SHUILI XUEBAO 2 陳仙松.濕式自然通風(fēng)冷卻塔熱態(tài)數(shù)值模擬R.北京：水利水電科學(xué)研究院，1993. 3 黃東濤，等.逆流式冷卻塔填料及淋水分布的數(shù)值優(yōu)化設(shè)計(jì)J.應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào).2000，17(1：102-109. 4 趙振國，等.冷卻塔雨區(qū)的熱力特性J.水利學(xué)報(bào).2000，(3：12-18. 5 趙振國，等.逆流式自然通風(fēng)冷卻塔通風(fēng)阻力的研究J.水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展.1993，(4：462-474. 6 周力行.湍流兩相流動(dòng)與燃燒的數(shù)值模擬M.北京：清華大學(xué)出版社，1991. 7 Benocci C, et al. Prediction of the air drop interac

10、tion in inlet section of a natural draught cooling towerA. 5th cooling tower workshop. IAHR. 1986. 8 趙順安.山西陽城電廠三號(hào)冷卻塔測試報(bào)告R.北京：中國水利水電科學(xué)研究院，2002，9. 9 趙順安，陸振鐸.十二種逆流塔填料測試報(bào)告R.北京：水利水電科學(xué)研究院，1992. 10 許玉林，等.邯峰電廠冷卻塔虹吸式配水模型試驗(yàn)報(bào)告R.北京：中國水利水電科學(xué)研究院，1999. Two dimensional optimal design of counter flow natural draught

11、 cooling tower ZHAO Shun-an1, LIAO Nei-ping2, XU Ming2 (1.China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100084, China; 2.Southwest Electric Design Institute, Chengdu 610040, China Abstract: The method for 2-D design of counter flow natural draught cooling tower is proposed. The

12、 axial symmetrical turbulent flow in the tower is discribed by the 2-D time averaged Reynolds equation. For numerical simulation of the flow the k- model is adopted and the equivalent rain drop diameter in the rain area is determined by experiment data. The predicted outlet temperature of the cooling tower designed by this method is in good agreement with prototype observation with difference less than 0.1. An example is given for demonstration of the proposed design method. By optimizing the arrangement of filling mate