冷却塔塔筒非稳态导热数值模拟

《冷却塔塔筒非稳态导热数值模拟》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、广东建材2010年第12期工艺与设备冷却塔塔筒非稳态导热数值模拟李乐(广东省电力设计研究院)摘要：本文考虑冷却塔初始运行的实际情况，根据瞬态温度场计算理论，对冷却塔塔筒非稳态导热问题进行了三维数值模拟，得出了塔筒冬季非稳态导热的时间特性。并对筒体不同壁厚情况下一维、三维非稳态导热计算及规范值计算三者进行了比较，给出了三者结果的差异。关键词：冷却塔；非稳态导热：温度应力火力发电厂。逆流式自然通风冷却塔冬季运行工况塔筒温度应力计算时，《火力发电厂水工设计规范》【11和《工业循环水冷却设计规范》[21均给出了温差计算公式，而这一公式是基于一维稳态导热推导出来的。若不考虑辐射放热，冷却塔在初

2、始运行时，塔筒主要以非稳态对流换热方式传递热量，其传热过程为：①冷却塔开始运行；②热蒸汽和塔筒内壁对流换热，塔筒内表面温度升高；③随着时间推移，温度变化波及的范围逐渐扩大；④塔筒白内向外，各截面温度依次升高，温度变化逐层传导到塔筒的外表面；⑤塔筒外表面湍度升高；⑥塔筒外表面与塔外空气对流换热；⑦随时问推移，壁而温差逐渐增高，接近恒定状态，此时，非稳态导热过程结束，进入稳态导热状态。因此，规范所给定的公式仅反映了塔筒进入稳态导热状态的情况，无法描述进入稳态导热状态的时问及壁面温差达到最大值的过程。为此，本文在《火力发电厂水工设计规范》和《水上混凝土结构设计规范》所提供热力学指标的基础E

3、，对冷却塔塔筒非稳态导热问题进行了i维数值模拟，给出了塔筒冬季导热的时问特性和不同壁厚非稳态导热的全部过程。1温度场计算理论根据固体传热学理论的傅立叶定律，对无内热源系统，瞬态温度场问题中第三类边界条件的热量平衡控制微分方程为{33：cp熹=鲁(入罟)+专(入罟)+砉(入鲁)TI瑚=f(x，y，z)一XaaSn_TI。2Q(T-Tr)I^(式1)式中，C为混凝士比热；p为混凝土密度，九为混凝土的导热系数，X，Y，z为结构计算域Q内的坐标；T为结构中(X，Y，Z)点处的混凝土在时刻的温度；f(X，Y，Z)为结构初始温度场；13为结构边界面的法线方向；T，为随时间变化的环境温度，本文按环

4、境温度为恒定值考虑；Q为A边界的对流换热系数；A为包围三维区域Q的封闭曲面。对(1)式的非稳态导热问题，可用变分原理来解决。令时间变量t斩时蚓定，先考虑在某具体瞬态下对泛函变分，然后再考虑t的变化把aT／at用差分展开。由变分原理可以证明，在各种温度边界条件下，结构的瞬态温度场控制方程等价于泛函：JlT(X，Y，Z，t)j2量{V’-【(aT一)+(2等)。+(罟)。十pc罟T])捌yaz+f『a(争TITfT)dA(式2)X‘一进行有限元分析时，将求解域离散，仟意t时刻单元内的温度分布函数取为：T=NT。(式3)式中，N：fN。，N。，⋯，N。J，m为单元节点数，Ni(i=l，2，

5、⋯，m)为单元形函数，T”=[T。，T。，⋯，T。]为单元节点温度向量。将(3)式带入(23式，再对单元节点温度向量在单元计算域内Q变分，即可导出求解温度场的有限元控制方程：k=ⅢXB7Bdxdydz+JQN7NdA(式5)O^一57一D式邛e、f胡『啪小灯式工艺与设备广东建材2010年第12期c=皿cpN7Ndxdydz(式6)n—p。=』aT，NrdA(式7)^．(式8)节点温度Te为时I司的函数，采用向后差分来禺散时问域，有：{熹)+=击盼T：心)(式9)式中，△t为时间步长。将(9)式带入(4)式，有(k+击cKe2pt+e击cTte心(式10)从(10)式可逐步计算时间离散

6、点匕的各空间离散图1黧萋銎字喜费计算图2您·一4zT⋯1．u，n时的三维有限元模型固二温度场云图州叫图3运行12．0h时的温度场云图图5冷却塔在运行2．0d时的温度场云图～S8一图4冷却塔在运行1．0d时的温度场云图图6冷却塔在运行3．0d时的温度场云图点处的温度，从而可得到非稳态温度场的数值解。2温度场计算模型选择某核电站方案论证阶段12000m2逆流式自然通风冷却塔为汁算模型，其主要几何参数为：冷却塔总高，170．Ore：进风口高度，11．6m；壳体底部斜率，0．30；底部直径131．08m；喉部直径75．188m；喉部高度，127．5m；壳体最大厚度1200mm；壳体最小厚度2

7、20mm；塔顶厚度400mm。采用空间六面体温度单元对上述壳体结构进行网格剖分，在厚度方向控制单元数为4个。按照上述网格剖分原则，冷却塔壳体结构的总单元数为17496个，节点数为23760个。冷却塔塔筒非稳态导热计算乏维有限元模型见图1。3温度场计算条件及计算结果3．1计算参数为方便与《火力发电厂水工设计规范》的稳态温度场筒壁温差值进行比较，混凝士的热力学参数与规范建议值取为一致，即：c=960．oJ／(kg·℃)；p=2500kg／m3；入=7128．O