步兆彬, 孫更生, 江廣旭, 呂 賽, 楊繼沖, 何鎖盈, 高 明

(1．山東華聚能源股份有限公司趙樓綜合利用電廠,山東菏澤 274700;2．山東大學(xué) 能源與 動(dòng)力工程學(xué)院,高效節(jié)能及儲(chǔ)能技術(shù)與裝備山東省工程實(shí)驗(yàn)室,濟(jì)南 250061)

根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù),2022年火力發(fā)電量為5.88×1012kW·h,占總發(fā)電量約67%,可見火力發(fā)電依然是我國(guó)的主要發(fā)電方式[1]。冷卻塔是電廠冷端系統(tǒng)中重要的冷卻設(shè)備,其對(duì)發(fā)電機(jī)組出力和安全運(yùn)行具有重要影響[2-4]。配水區(qū)和填料區(qū)是冷卻塔的主要傳熱傳質(zhì)區(qū),針對(duì)此兩區(qū)的節(jié)能增效技術(shù)及優(yōu)化改進(jìn),國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究[5]。

對(duì)于填料區(qū)的增效研究,主要包括填料本身的改進(jìn)[6-7]以及填料布置方式的優(yōu)化。Gao等[8-9]的研究結(jié)果表明,無(wú)風(fēng)和側(cè)風(fēng)條件下非等高填料布置可增加空氣流場(chǎng)分布的均勻性,提高換熱性能。王淼等[10]研究發(fā)現(xiàn)填料非等高布置可使塔內(nèi)氣水比分布均勻,強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)。此外,Chen等[11-12]和Yang等[13]發(fā)現(xiàn)填料非等片距布置可明顯改善塔內(nèi)流場(chǎng)及溫度場(chǎng)的均勻性,增強(qiáng)全塔通風(fēng),緩解側(cè)風(fēng)的不利影響,有效提高了冷卻塔冷卻性能。

對(duì)于配水區(qū)的增效研究,許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)分區(qū)配水可增強(qiáng)冷卻塔熱力性能[14]。Li等[15]研究了三分區(qū)配水形式對(duì)出塔水溫的影響,結(jié)果顯示水的溫降最大可提升0.958 K。Zhou等[16]提出了一種新型的四分區(qū)配水形式,研究發(fā)現(xiàn)其可顯著提高塔內(nèi)區(qū)的傳熱傳質(zhì)性能。黨志剛[17]、Zhang等[18]和王為術(shù)等[19]協(xié)同分析了非等片距填料與分區(qū)配水對(duì)冷卻塔熱阻特性的影響,結(jié)果表明全塔冷卻性能可進(jìn)一步提升。陳瑞等[20]發(fā)現(xiàn)側(cè)風(fēng)下非等片距填料和分區(qū)配水協(xié)同優(yōu)化依然能有效提高全塔熱力性能,并隨風(fēng)速的增大優(yōu)化效果減弱。

通過(guò)上述分析,部分學(xué)者協(xié)同研究了非均勻填料布置和分區(qū)配水,但未考慮多工況下填料與配水參數(shù)耦合對(duì)全塔熱力性能的影響。鑒于此,筆者基于數(shù)值方法,開展填料非均勻布置耦合分區(qū)配水研究,揭示不同工況下填料非均勻布置耦合分區(qū)配水對(duì)冷卻塔熱力性能的影響,獲得各個(gè)工況下相對(duì)最佳的耦合方案,可為大型濕式冷卻塔的性能優(yōu)化以及工程改造提供指導(dǎo)。

1 物理模型

以某300 MW火力發(fā)電機(jī)組配備的大型濕式冷卻塔為研究對(duì)象,該塔名義淋水面積為5 500 m2,塔頂標(biāo)高為114.7 m,進(jìn)風(fēng)口標(biāo)高為7.728 m,填料為片距30 mm S波填料,且高度為1 m。

本研究將填料區(qū)和配水區(qū)沿徑向分為圓形內(nèi)區(qū)和環(huán)形外區(qū),填料內(nèi)外區(qū)分別配置片距30 mm和26 mm的S波填料,重新分配配水內(nèi)外區(qū)配水占比,進(jìn)而形成填料非均勻布置耦合分區(qū)配水的節(jié)能增效模式,如圖1所示。其中:R1為配水分區(qū)半徑;R2為填料分區(qū)半徑。S波填料的熱力和阻力特性參數(shù)分別見表1和表2,其中A、m、A0和n0為填料熱力特性及阻力特性實(shí)驗(yàn)參數(shù);q為淋水密度,kg/(m2·s)。

圖1 填料非均勻布置耦合分區(qū)配水示意圖

表1 填料熱力特性參數(shù)

表2 填料阻力特性參數(shù)

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 空氣側(cè)控制方程

濕空氣的運(yùn)動(dòng)、傳熱及組分變化由質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒和組分守恒方程來(lái)描述,并利用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型對(duì)控制方程進(jìn)行湍流封閉。以上守恒方程可采用以下通用形式[13]表示:

?(ρa(bǔ)vφ)=?(Γφ?φ)+Sφ

(1)

式中:ρa(bǔ)為空氣的密度,kg/m3;v為空氣速度,m/s;φ為通用變量,當(dāng)φ=1時(shí)表示質(zhì)量守恒方程,當(dāng)φ為u、v和w時(shí)表示動(dòng)量守恒方程,當(dāng)φ=T時(shí)表示能量守恒方程,當(dāng)φ=Yv時(shí)表示組分守恒方程,當(dāng)φ為k和ε時(shí)表示湍流方程;Γφ為擴(kuò)散系數(shù);Sφ為控制方程源項(xiàng)。

2.2 循環(huán)水側(cè)控制方程

循環(huán)水在配水區(qū)和雨區(qū)內(nèi)以水滴形式與空氣進(jìn)行熱交換,而在填料區(qū)內(nèi)以液膜形式進(jìn)行傳熱傳質(zhì)。配水區(qū)和雨區(qū)內(nèi)水滴采用當(dāng)量直徑法來(lái)描述,且假設(shè)水滴為剛性球體,豎直下落。循環(huán)水的控制方程[13]如下:

(2)

(3)

(4)

式中:z為z向高度,m;Sm為質(zhì)量守恒方程源項(xiàng),kg/(m3·s);cw為循環(huán)水的比熱容,J/(kg·K);tw為循環(huán)水溫度,K;Swe為單位體積由循環(huán)水傳遞給空氣中的熱量(能量守恒方程源項(xiàng)),W/m3;vwz為循環(huán)水豎直下落速度,m/s;ρw為循環(huán)水的密度,kg/m3;fz為循環(huán)水所受的阻力,N;mw為單個(gè)水滴的質(zhì)量,kg;g為重力加速度,m/s2。

2.3 控制方程源項(xiàng)

循環(huán)水和空氣之間的交互作用采用方程源項(xiàng)來(lái)處理,其中包括質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程源項(xiàng)。

基于對(duì)流傳質(zhì)的單膜理論,質(zhì)量守恒方程的源項(xiàng)[2]如式(5)所示:

Sm=Ka(χ″-χ)

(5)

式中:Ka為傳質(zhì)系數(shù),kg/(m3·s);χ″為飽和濕空氣的含濕量,kg/kg;χ為濕空氣的含濕量,kg/kg。

循環(huán)水和空氣能量守恒方程的源項(xiàng)(即單位體積由循環(huán)水傳遞到空氣中的熱量以及空氣側(cè)吸收水側(cè)的熱量),如式(6)和式(7)[2]所示:

Swe=Ka(tw-Ta)+Smrw

(6)

Sae=(Kh+Smcv)(tw-Ta)

(7)

式中:rw為循環(huán)水的汽化潛熱,kJ/kg;Sae為空氣側(cè)吸收水側(cè)的熱量,W/m3;Kh為傳熱系數(shù),kW/(m3·K);cv為水蒸氣的比熱容,J/(kg·K);Ta為空氣溫度,K。

Ka和Kh的具體計(jì)算方法分別見文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[13]。

填料區(qū)的動(dòng)量方程源項(xiàng)可表示為單位體積填料內(nèi)濕空氣的z向阻力Fz,用壓降形式[20]表示:

(8)

(9)

式中:Δp為壓降,Pa;Hf為填料高度,m;vz為濕空氣的z向速度,m/s;A0和n0為不同填料的阻力特性參數(shù),見表2。

配水區(qū)和雨區(qū)的阻力Fi主要來(lái)自于水滴下落對(duì)空氣的阻礙作用,由式(10)和式(11)計(jì)算[20]:

(10)

(11)

式中:i為x、y和z方向;dw為水滴的當(dāng)量直徑,m;fi為單個(gè)水滴i方向所受的阻力,N;Cd為空氣與水滴之間的阻力系數(shù);Red為濕空氣的雷諾數(shù);μ為空氣的動(dòng)力黏度,Pa·s。

2.4 計(jì)算域和邊界條件

建立了直徑800 m和高度600 m的圓柱形計(jì)算區(qū)域,計(jì)算域和邊界條件如圖2所示。計(jì)算域頂部為壓力出口,地面和塔壁設(shè)置為壁面邊界類型,無(wú)風(fēng)時(shí)圓柱側(cè)面為壓力進(jìn)口,側(cè)風(fēng)時(shí)迎風(fēng)面為速度進(jìn)口、背風(fēng)面為壓力出口。側(cè)風(fēng)廓線函數(shù)表示風(fēng)速與高度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,如式(12)所示。

(12)

式中:vz-a為塔外z高度處的環(huán)境空氣流速,m/s;vref為zref高度處的空氣流速,m/s。

圖2 計(jì)算域和邊界條件Fig.2 Computational domain and boundary conditions

2.5 網(wǎng)格劃分和計(jì)算方法

采用Solidworks和ICEM軟件分別進(jìn)行幾何建模和網(wǎng)格劃分,如圖3所示。整體計(jì)算域包括外界計(jì)算域和冷卻塔部分,兩者單獨(dú)進(jìn)行六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,同時(shí)對(duì)冷卻塔主要傳熱傳質(zhì)區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格加密,然后合并成整體計(jì)算域網(wǎng)格系統(tǒng)。

利用Fluent軟件進(jìn)行模擬計(jì)算。定義用戶自定義變量(UDS)和編寫用戶自定義函數(shù)(UDF),用于計(jì)算循環(huán)水的控制方程,空氣和循環(huán)水的交互作用通過(guò)控制方程源項(xiàng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用Simple算法來(lái)耦合壓力和速度。當(dāng)能量殘差小于10-6,其他項(xiàng)殘差小于10-4,且連續(xù)迭代100次所監(jiān)測(cè)的水溫值基本不變時(shí),認(rèn)為迭代收斂。

(a) 整體計(jì)算域網(wǎng)格

(b) 冷卻塔網(wǎng)格圖3 網(wǎng)格劃分Fig.3 Meshing

2.6 模型驗(yàn)證

2.6.1 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

通過(guò)網(wǎng)格加密分別建立了網(wǎng)格數(shù)量為115萬(wàn)、140萬(wàn)、188萬(wàn)和196萬(wàn)的4套網(wǎng)格系統(tǒng),在設(shè)計(jì)工況下進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證,計(jì)算結(jié)果如表3所示。隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加,模擬所得出塔水溫值逐漸接近設(shè)計(jì)值,相對(duì)誤差越來(lái)越小。綜合考慮計(jì)算精確度和經(jīng)濟(jì)性,選擇網(wǎng)格數(shù)量為188萬(wàn)的網(wǎng)格系統(tǒng)(G-3)進(jìn)行后續(xù)研究。

表3 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

2.6.2 模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證

參考文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[5]的驗(yàn)證方法,根據(jù)濕式冷卻塔塔內(nèi)的熱力和阻力平衡方程,并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)系數(shù),通過(guò)迭代計(jì)算得到不同工況下的設(shè)計(jì)值?；诰W(wǎng)格系統(tǒng)G-3,選擇4種不同運(yùn)行工況用于驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性,計(jì)算結(jié)果見表4。模擬值與設(shè)計(jì)值之間最大相對(duì)誤差為3.53%,小于5%,表明所建立的三維數(shù)值模型滿足準(zhǔn)確性要求,可用于后續(xù)研究與模擬計(jì)算。

表4 模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證

3 結(jié)果與分析

首先研究填料分區(qū)半徑對(duì)冷卻塔熱力性能的影響,進(jìn)而優(yōu)化得到相對(duì)最佳的填料分區(qū)半徑。接著,基于優(yōu)化的填料分區(qū)半徑,通過(guò)改變配水分區(qū)半徑,重新分配配水內(nèi)外區(qū)配水占比,研究不同工況下分區(qū)配水參數(shù)對(duì)冷卻塔熱力性能的影響。最后,經(jīng)過(guò)分析得到各個(gè)工況下優(yōu)化的耦合增效方案。

3.1 填料非均勻布置對(duì)冷卻塔熱力性能的影響

以設(shè)計(jì)工況下無(wú)風(fēng)時(shí)為例,分析不同填料分區(qū)半徑對(duì)冷卻塔熱力性能的影響。圖4為冷卻數(shù)和體積傳熱系數(shù)隨填料分區(qū)半徑的變化曲線。由圖4可知,隨著填料分區(qū)半徑R2的增大,冷卻數(shù)和體積傳熱系數(shù)均先增大后減小。當(dāng)R2=25 m時(shí),冷卻數(shù)和體積傳熱系數(shù)最大,冷卻塔熱力性能最優(yōu)。與原始塔(片距30 mm的S波填料均勻布置且均勻配水)相比,冷卻數(shù)和體積傳熱系數(shù)分別增大了0.07 W/(m3·K)和7.92 W/(m3·K)。因此,設(shè)計(jì)工況下無(wú)風(fēng)時(shí),相對(duì)最佳的填料分區(qū)半徑為R2=25 m。

圖4 冷卻數(shù)和體積傳熱系數(shù)隨填料分區(qū)半徑的變化曲線

根據(jù)上述研究思路,同樣優(yōu)化得到設(shè)計(jì)工況下側(cè)風(fēng)v=2.5 m/s以及春夏秋冬季典型工況下(運(yùn)行和環(huán)境參數(shù)見表5)相對(duì)最佳的填料分區(qū)半徑,分別為15 m、10 m、20 m、7.5 m和2.5 m。經(jīng)以上分析,得到了各個(gè)工況下相對(duì)最佳的填料分區(qū)半徑,為后續(xù)填料非均勻布置耦合分區(qū)配水研究奠定了基礎(chǔ)。

表5 不同工況下運(yùn)行參數(shù)和環(huán)境參數(shù)

3.2 填料非均勻布置耦合分區(qū)配水下塔內(nèi)溫度場(chǎng)和氣水比場(chǎng)

以設(shè)計(jì)工況下無(wú)風(fēng)和側(cè)風(fēng)(v=2.5 m/s)時(shí)為例,分析塔內(nèi)溫度場(chǎng)和氣水比場(chǎng)。無(wú)風(fēng)與側(cè)風(fēng)時(shí),填料區(qū)分別以優(yōu)化的R2=25 m和R2=15 m進(jìn)行分區(qū),配水區(qū)分別以R1=25 m和R1=15 m進(jìn)行分割,并改變內(nèi)外區(qū)的配水占比,P表示內(nèi)區(qū)配水占比。

圖5和圖6分別為無(wú)風(fēng)和v=2.5 m/s時(shí)不同內(nèi)區(qū)配水占比下Y=0 m截面的空氣溫度場(chǎng)。圖7和圖8分別為無(wú)風(fēng)和v=2.5 m/s時(shí)不同內(nèi)區(qū)配水占比下填料底面的氣水比場(chǎng)。

圖5 無(wú)風(fēng)時(shí)不同內(nèi)區(qū)配水占比下Y=0 m截面的空氣溫度場(chǎng)

由圖5可知,無(wú)風(fēng)條件下,塔中心溫度高,外圍溫度較低,溫度場(chǎng)呈現(xiàn)左右對(duì)稱分布。與均勻配水P=37.69%相比,P=35%時(shí),雨區(qū)低溫區(qū)面積增加,塔中心高溫區(qū)面積顯著減小,分布更趨于均勻;P=45%時(shí),內(nèi)區(qū)配水量增加,導(dǎo)致塔中心傳熱傳質(zhì)集中,溫度劇烈上升。

圖6 v=2.5 m/s時(shí)不同內(nèi)區(qū)配水占比下Y=0 m截面的空氣溫度場(chǎng)

由圖6可知,由于側(cè)風(fēng)影響,塔內(nèi)溫度場(chǎng)對(duì)稱分布被破壞,塔高溫區(qū)向迎風(fēng)側(cè)偏移,背風(fēng)側(cè)出現(xiàn)低溫區(qū)。側(cè)風(fēng)下,與均勻配水P=12.85%相比,P=10%時(shí),塔中心的高溫區(qū)顯著減小,但當(dāng)P=15%時(shí),塔中心溫度升高,熱質(zhì)傳遞惡化。

圖7 無(wú)風(fēng)時(shí)不同內(nèi)區(qū)配水占比下填料底面的氣水比場(chǎng)

由圖7可知,在設(shè)計(jì)工況下(無(wú)風(fēng)),當(dāng)均勻配水P=37.69%時(shí),塔內(nèi)氣水比分布呈現(xiàn)內(nèi)區(qū)低外圍高的特點(diǎn),這是由于塔內(nèi)部氣體流速低,流量小,且內(nèi)外區(qū)配水密度一致,因此內(nèi)部的氣水比偏低。減小內(nèi)區(qū)配水量,即當(dāng)P=35%時(shí),塔中心區(qū)低氣水比面積顯著減小,全塔氣水比分布更趨于均勻。增加內(nèi)區(qū)配水量,即當(dāng)P=45%時(shí),塔中心區(qū)域氣水比降低,空氣質(zhì)量流量減小,傳熱傳質(zhì)性能惡化,但外圍區(qū)域氣水比有一定幅度增加。

由圖8可知,側(cè)風(fēng)下,迎風(fēng)面出現(xiàn)部分低氣水比區(qū)域,背風(fēng)面出現(xiàn)小面積的高氣水比區(qū)。與均勻配水P=12.85%相比,當(dāng)P=10%時(shí),塔中心的低氣水比區(qū)消失,但外圍氣水比有所下降;當(dāng)P=15%時(shí),與P=10%相反,內(nèi)區(qū)氣水比急劇下降,外區(qū)有所增大。

3.3 填料非均勻布置耦合分區(qū)配水對(duì)冷卻塔熱力性能的影響

設(shè)計(jì)工況下無(wú)風(fēng)時(shí),填料區(qū)以優(yōu)化的R2=25 m進(jìn)行分區(qū),改變配水分區(qū)半徑R1和內(nèi)區(qū)配水占比P,研究不同填料非均勻布置耦合分區(qū)配水方案下冷卻塔的熱力性能。

圖9為不同配水分區(qū)半徑下熱力性能指標(biāo)隨內(nèi)區(qū)配水占比的變化曲線。由圖9可知,不同配水分區(qū)半徑下冷卻數(shù)和體積傳熱系數(shù)均隨內(nèi)區(qū)配水占比的增大先增大后減小,當(dāng)配水分區(qū)半徑R1為15 m、20 m、25 m、30 m、35 m和40 m時(shí),相對(duì)最佳的內(nèi)區(qū)配水占比分別為10%、20%、35%、45%、69%和92.5%,與原始塔相比,冷卻數(shù)分別增大0.07、0.08、0.09、0.08、0.08和0.07,體積傳熱系數(shù)分別增大12.2 W/(m3·K)、13.5 W/(m3·K)、17.0 W/(m3·K)、16.9 W/(m3·K)、14.5 W/(m3·K)和8.3 W/(m3·K)。當(dāng)R1為15～35 m時(shí),適當(dāng)降低內(nèi)區(qū)配水占比,而當(dāng)R1=40 m時(shí),適當(dāng)增大內(nèi)區(qū)配水占比,均可提高冷卻塔整體熱力性能。因此,無(wú)風(fēng)時(shí),當(dāng)R1=25 m且P=35%時(shí),冷卻塔熱力性能相對(duì)最優(yōu)。

(a) R1=15 m

(b) R1=20 m

(c) R1=25 m

(d) R1=30 m

(f) R1=40 m圖9 不同配水分區(qū)半徑下熱力性能指標(biāo)隨內(nèi)區(qū)配水占比的變化曲線Fig.9 Variation curves of thermal performance with water distribution percentage in the inner zone and partition water distribution radius

結(jié)合第3.2節(jié)塔內(nèi)溫度場(chǎng)和氣水比場(chǎng)的分析,當(dāng)配水分區(qū)半徑R1較小時(shí),減小內(nèi)區(qū)配水量,可降低內(nèi)區(qū)的通風(fēng)阻力,增大空氣流速,強(qiáng)化傳熱傳質(zhì),緩解此區(qū)域的高溫高濕現(xiàn)狀,但同時(shí)也增大了外區(qū)的進(jìn)風(fēng)阻力。隨著R1的增大,外區(qū)覆蓋面積越來(lái)越小,增加此部分配水量,將會(huì)導(dǎo)致其淋水密度很大,嚴(yán)重影響進(jìn)風(fēng)效果,降低通風(fēng)性能,進(jìn)一步惡化傳熱傳質(zhì)性能,此時(shí)增加P可改善此情況,提高熱力性能。因此,可通過(guò)合理配置內(nèi)外分區(qū)半徑和配水量,使全塔內(nèi)外區(qū)的熱力性能達(dá)到最優(yōu)。

設(shè)計(jì)工況下側(cè)風(fēng)v=2.5 m/s時(shí),填料區(qū)以優(yōu)化的R2=15 m進(jìn)行分區(qū),同樣改變配水分區(qū)半徑R1和內(nèi)區(qū)配水占比P,研究側(cè)風(fēng)下不同填料非均勻布置耦合分區(qū)配水方案下冷卻塔的熱力性能。

圖10為設(shè)計(jì)工況下側(cè)風(fēng)v=2.5 m/s時(shí)不同配水分區(qū)半徑下冷卻數(shù)隨內(nèi)區(qū)配水占比的變化曲線。由圖10可知,設(shè)計(jì)工況下側(cè)風(fēng)v=2.5 m/s時(shí),不同配水分區(qū)半徑R1下,冷卻數(shù)均隨內(nèi)區(qū)配水占比P的增大先增大后減小。當(dāng)R1=10～40 m,優(yōu)化的P分別為5%、10%、20%、30%、69%和92.5%時(shí),與側(cè)風(fēng)v=2.5 m/s下的原始塔相比,冷卻數(shù)分別增大了0.06、0.06、0.08、0.07、0.07和0.06。因此,設(shè)計(jì)工況下側(cè)風(fēng)v=2.5 m/s時(shí),優(yōu)化的耦合方案為R2=15 m、R1=20 m、P=20%。與設(shè)計(jì)工況下無(wú)風(fēng)時(shí)的優(yōu)化方案相比,冷卻數(shù)低0.01。

圖10 設(shè)計(jì)工況下側(cè)風(fēng)v=2.5 m/s時(shí)不同配水分區(qū)半徑下冷卻數(shù)隨內(nèi)區(qū)配水占比的變化曲線

由于側(cè)風(fēng)影響,塔內(nèi)流場(chǎng)變得混亂,且高溫高濕區(qū)向迎風(fēng)側(cè)移動(dòng),物理場(chǎng)分布極不規(guī)律,導(dǎo)致傳熱傳質(zhì)惡化,側(cè)風(fēng)下填料非均勻布置耦合分區(qū)配水的增效程度低于無(wú)風(fēng)下的增效程度。

3.4 不同季節(jié)典型工況下耦合優(yōu)化增效方案

以春季典型工況為例,分析不同季節(jié)典型工況下的耦合優(yōu)化增效方案。圖11為春季不同配水分區(qū)半徑下冷卻數(shù)隨內(nèi)區(qū)配水占比的變化曲線。由圖11可知,春季典型工況不同配水分區(qū)半徑R1下,冷卻數(shù)均隨內(nèi)區(qū)配水占比P的增大先增大后減小。以R1=15 m為例分析以上變化趨勢(shì),當(dāng)內(nèi)區(qū)配水占比較小時(shí),大部分的循環(huán)水分布在外區(qū),造成進(jìn)風(fēng)阻力較大,進(jìn)而影響內(nèi)部的熱質(zhì)傳遞;隨著內(nèi)區(qū)配水占比的增大,外區(qū)通風(fēng)阻力減小,空氣更容易進(jìn)入塔內(nèi)部,全塔的熱力性能提升,當(dāng)P=10%時(shí),冷卻數(shù)最大,熱力性能最優(yōu),此時(shí)內(nèi)區(qū)配水占比低于外區(qū);繼續(xù)增大內(nèi)區(qū)配水占比到均勻配水(P=12.85%)時(shí),內(nèi)外區(qū)淋水密度一致,內(nèi)區(qū)呈現(xiàn)高溫高濕現(xiàn)狀,換熱效果變差,熱力性能開始下降;內(nèi)區(qū)配水占比繼續(xù)增大時(shí),內(nèi)區(qū)的配水量逐漸增加,傳熱傳質(zhì)將急劇惡化,熱力性能減弱。

當(dāng)R1=10～40 m,優(yōu)化的P分別為1%、5%、10%、30%、70%和91.5%時(shí),與該工況下原始塔相比,冷卻數(shù)分別增大了0.10、0.11、0.12、0.11、0.10和0.10。因此,春季時(shí),當(dāng)R1=15 m且P=10%時(shí),冷卻塔的熱力性能相對(duì)最優(yōu)。

圖11 春季典型工況不同配水分區(qū)半徑下冷卻數(shù)隨內(nèi)區(qū)配水占比的變化曲線

根據(jù)上述春季工況研究思路,改變環(huán)境參數(shù)和運(yùn)行參數(shù),分別對(duì)夏季、秋季和冬季典型工況下的耦合增效方案進(jìn)行優(yōu)化研究,考慮到篇幅,不再一一描述,耦合優(yōu)化增效方案具體見表6。

表6 春夏秋冬四季典型工況下的耦合優(yōu)化增效方案

4 結(jié) 論

(1) 設(shè)計(jì)工況下無(wú)風(fēng)時(shí)隨著填料分區(qū)半徑的增大,冷卻數(shù)和體積傳熱系數(shù)均先增大后減小,相對(duì)最佳的填料分區(qū)半徑為R2=25 m。

(2) 與均勻配水相比,適當(dāng)減小內(nèi)區(qū)配水量時(shí),雨區(qū)低溫區(qū)面積增加,塔中心高溫區(qū)面積減小,溫度場(chǎng)分布更趨于均勻,同時(shí)可顯著提高內(nèi)區(qū)的氣水比。

(3) 設(shè)計(jì)工況下,不同配水分區(qū)半徑R1時(shí)冷卻數(shù)和體積傳熱系數(shù)均隨內(nèi)區(qū)配水占比P的增大先增大后減小。當(dāng)R1=15～35 m時(shí)適當(dāng)降低P,而當(dāng)R1=40 m時(shí)適當(dāng)增大P,均可提高冷卻塔的整體熱力性能。當(dāng)R1=25 m、P=35%時(shí),冷卻塔熱力性能相對(duì)最優(yōu),與原始塔相比,冷卻數(shù)增大了0.09,體積傳熱系數(shù)增大了17.0 W/(m3·K)。給出了設(shè)計(jì)工況側(cè)風(fēng)v=2.5 m/s和春夏秋冬四季典型工況時(shí)的耦合優(yōu)化增效方案。