冷却塔的计算

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1、逆流式自然通风冷却塔二维数值模拟优化设计赵顺安(中国水利水电科学研究院北京100044）摘要：冷却塔是火力发电厂循环冷却水系统的主要设备，其效率直接影响电厂运行成本。塔内气流运动在无风时为二维轴对称运动，而目前国内的冷却塔设计计算为一维计算方法，无法对冷却塔进行优化设计。因此，建立二维冷却塔设计计算方法具有一定的意义。本文对气流运行采用雷诺时均方程，雷诺应力用k-ε双方程模型进行封闭，雨区的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型。通过与原型观测资料对比，本文所提出的二维计算方法出塔水温的计算结果与原型相差小于

2、0.1℃。结合某电厂工程设计实例，通过二维数值模拟计算，对塔内填料和配水进行优化布置，冷却塔出塔水温可降低0.52℃。关键词：逆流塔、数值模拟、优化设计、热力计算自然通风逆流式冷却塔效率的高低直接影响发电厂的运行成本，塔内淋水填料的布置和配水方式不同将影响冷却塔出塔水温。塔内的气流是轴对称二维湍流流动，而目前我国的冷却塔采用的一维设计方法，无法对塔的填料布置及配水进行优化设计。为使冷却塔设计达到［1］、［2］、［3］二维水平，前人已经作了大量工作。二维设计计算的一个关键问题是雨区热力阻力计算的雨滴等量直径的取值，文献［3］是国内第一次用二维模拟计算进行工程设计的，计算中

3、雨滴当量直径采用了假设值，湍流模［4］、［5］型采用计算区域内湍流粘性系数处处相同的工程代数模型。本文在前人试验研究基础上建立起的二维计算方法，计算出塔水温与原型观测资料对比，结果相当令人满意。结合一具体工程设计采用二维数值模拟计算给出了逆流式自然通风冷却塔配水及填料的优化布置。1二维计算方法数学模型1.1冷却塔空气流场数学模型自然通风冷却塔如图1所示，在无自然风时，塔内空气流场为轴对称的二维流动。冷却塔在稳定运行状态下，塔内气流动为定常流，空气为不可压缩。塔内填料顶面气流的雷诺数7可达10，为湍流状态。流动符合轴对称定常不可压二维雷诺时均方程，采用k-ε双方程湍［6］

4、流模型对雷诺应力进行封闭。图1冷却塔及坐标系示意图(1)、连续方程：∂(u)1∂(vr)+=0（1）∂xr∂r（2）、动量方程：∂(ρuu)1∂(ρruv)∂∂u1∂∂u∂p∂∂u1∂∂v+−(µe)−(µer)=−+(µe)+(µer)−ρg+Fx（2）∂xr∂r∂x∂xr∂r∂r∂x∂x∂xr∂r∂x∂(ρuv)1∂(ρrvv)∂∂v1∂∂v∂p∂∂u1∂∂v2µev+−(µe)−(µer)=−+(µe)+(µer)−2+Fr（3）∂xr∂r∂x∂xr∂r∂r∂r∂x∂rr∂r∂rr（3）k方程：∂1∂∂µ∂k1∂µ∂kee(ρuk)+(ρrvk)=()+(r)+G

5、−ρε（4）k∂xr∂r∂xσ∂xr∂rσ∂rkk（4）ε方程2∂1∂∂µ∂ε1∂µ∂εCGε−Cρεee1k2(ρuε)+(ρrvε)=()+(r)+（5）∂xr∂r∂xσ∂xr∂rσ∂rkεε式中：∂u2∂v2v2∂u∂v2Gk=µT(2(()+()+())+(+))(6)∂x∂rr∂r∂x3u、v为x、r向的气流速度（m/s）;ρ为气流密度(kg/m);p为压力(Pa)；g为重力加23速度(m/s)；Fx、Fr为x、r向的填料及水滴阻力(N/m)。μe为有效粘性系数，其值为：k2µe=µl+µt=µl+Cµρ(7)εCμ、C1、C2、σk、σε为湍流模型常数，其值

6、如下表。表1湍流模型常数表CμC1C2σkσε0.091.441.921.01.31.2塔内热交换数学模型冷却塔的热质交换共有三个区域，热水从喷溅装置喷出后至淋水填料顶面的喷淋区；淋水填料区；从淋水填料至冷却塔的集水池的雨区。热力计算采用焓差法，即："dQ=K(i−i)dV(8)at3"式中：dQ为微单元体内的换热量（J/h）；K为填料或雨滴的散质系数（kg/m/h）；iat为与单元体内水温相应的饱和蒸汽焓(J/kg)；i为单元体内的空气焓(J/kg)；dV为单元a3体积(m)。由式（8）可以推出水温t与空气焓的方程："∂1∂∂µe∂ia1∂µe∂iaKa(it−ia)

7、(ρui)+(ρrvi)=()+(r)+（9）aa∂xr∂r∂xσ∂xr∂rσ∂r3600tt"∂tK(i−i)ataqC=（10）w∂x3600"2式中：u、v、x、r、K、i、i同前。q为淋水密度（kg/m/s）;C为水的比热ataw（J/(kg·℃)）;t为水温（℃）。1.3散质系数的取值要利用式（9）及式（10）进行换热计算，须首先确定三个热交换区的的散质系数。目前我国试验室给定的填料的散质系数是包含了模拟试验塔的喷淋、填料及尾部的热力性能的综合结果，不同的试验单位有不同的尾部高度，在用一维计算方法进行热力计算时，采用不同单位的试