填料非均匀布置对大型冷却塔冷却性能的影响

摘要：为分析填料非均匀布置对自然通风逆流湿式冷却塔冷却性能的影响机制，建立了某大型冷却塔冷却性能计算的三维数值计算模型，结合实测工况验证了所建模型的正确性，发现填料增高是冷却塔冷却性能改善的主要原因。填料增高强化了该区冷却性能，降低了该区空气流速及其上方空气密度，使冷却塔抽力增大，从而强化填料中间和内围通风，改善了冷却塔中间、内围及其整体冷却性能。高速自然风下，填料非均匀布置使塔内上升空气流速下降较多，其对冷却塔冷却性能的改善作用也相应减小。本文主要讨论填料非均匀布置对大型冷却塔冷却性能的影响。

关键词：冷却塔；填料；非均匀布置；冷却性能

中图分类号：TU279文献标识码： A

一、某大型自然通风逆流湿式冷却塔塔型参数

循环水经配水系统以水滴形式喷洒在填料层顶部，并在填料内形成下落水膜，最后以水滴形式由填料底面落入集水池内，形成塔内气–水两相热质传递的配水区、填料区和雨区；而环境空气则在塔内外压差的驱动下，由进风口依次进入雨区、填料区和配水区，吸热吸湿后由塔顶出风口排出。

某1000MW火电机组所备大型自然通风逆流湿式冷却塔塔型参数为：淋水面积为 12000m2，塔高165m，进风口高11.64m，直径为133.21m，喉部直径 75.21m，出口直径 80.08m，塔高与直径比为 1.24，塔高与壳底直径比为1.32，喉部高度与塔总高比为0.77，进风口高面积与淋水面积比为0.38。等高布置双向波填料高为1.5m，其底面标高12.39m。

1、几何模型和数学模型

在冷却塔运行工况和环境气象条件一定时，塔内外空气流动及塔内气–水两相传热传质过程可认为是稳态非平衡过程。考虑到冷却塔结构设计的轴对称性，在环境自然风恒定时，塔内外空气流场及塔内气–水参数分布关于自然风风向所在冷却塔塔心纵剖面对称，所以可取设计冷却塔的一半作为研究对象，建立高990m、半径为700m的计算域，如图所示：

计算域高为冷却塔本身高度的6倍，计算域直径为冷却塔塔底半径的10.5倍。环境自然风下，大计算域的选取使冷却塔塔体对迎风侧进口及计算域顶部空气流动的影响可以忽略不计，保证了计算域迎风侧进口和顶部设置为速度入口边界条件的正确性。

鉴于冷却塔本身尺寸及计算域尺寸的超大性，而塔内气–水两相传热传质仅发生在雨区、填料区和配水区，且塔内空气流场主要受进风口和塔顶出风口附近空气流场的影响。因此可对计算域分区域进行网格划分，细化冷却塔进风口、雨区、填料区、配水区、塔筒及冷却塔塔顶出口附近网格，而对塔外大空间则可使网格按一定比例逐渐放大。分区域划分计算域后得网格总数为83万、97万和143万的3套网格，网格独立性分析表明网格总数为97万的

网格系统可实现该冷却塔冷却性能的准确计算。

考虑到塔内外空气压力变化相对较小，认为空气为不可压缩流体，而仅考虑传热和传质引起空气温度和组分变化所造成空气密度的变化；采用雷诺平均Navier-Stokes 方程描述计算域内空气运动，并采用标准k-ε湍流模型进行湍流封闭；考虑冷却水z 向运动的主导性，忽略淋水倾斜，认为冷却水竖直下落；塔内滴状循环水与空气两相间的动量传递、热量传递和质量传递可由离散相模型描述。

2、边界条件和计算方法

计算域边界条件定义：侧风风向所在计算域对称面定义为对称边界条件；塔壁、地面、水池水面均定义为固壁无滑移边界条件，并采用标准壁面函数法对空气运动控制方程进行近壁面处理；自然风条件下，计算域迎风侧入口和计算域顶部均定义为速度入口边界条件，计算域背风侧空气出口定义为压力出口边界条件；无环境自然风影响时，计算域两侧边界条件定义为压力入口边界条件，计算域顶部出口定义为压力出口边界条件；却水自图所示配水面向下进入传热传质区，配水面冷却水初始体积流量为Vm，进塔水温为twi。

计算域内气–水运动控制方程的离散采用有限体积法，其中对流项采用二阶迎风格式，扩散项采用中心差分格式，压力和速度采用SIMPLE算法耦合迭代求解。计算稳定收敛标准为，各变量残差在104量级，一定迭代步内出塔水温变化小于0.01℃。

二、填料非均匀布置对大型塔性能的影响

1、填料布置方式对冷却塔冷却塔性能的影响

填料非均匀布置对除水器截面平均风速zv 也产生影响：低速自然风条件下，填料非均匀布置对zv 影响较小；高速自然风条件下，采用填料非均匀布置后，zv下降较大，使得填料非均匀布置对冷却塔冷却性能的改善作用有所减小。下文以所研究冷却塔实测工况C1 为例，分别结合vc=0和3m/s的2种自然风条件，分析填料非均匀布置对塔内气-水参数分布的影响规律，以揭示填料非均匀布置对冷却塔冷却性能的影响机制。

2、无自然风时填料非均匀布置作用机制

无环境自然风影响时，塔内气–水两相参数呈轴对称分布，塔内某一高度横截面气–水参数仅在径向上有变化。为分析填料非均匀布置对超大型冷却塔冷却性能的影响机制，取除水器顶部 16.2m高度处冷却塔塔筒横截面及 z0m 水池水面作为特征面，取特征面与冷却塔中心纵剖面的交线作为特征线，计算分析填料非均匀布置对塔内风速及出塔水温的影响机制。

在填料非均匀布置时，给出了塔内空气 z向流速vzn沿z16.2m 高横截面特征线的分布。相对于填料均匀布置时该截面特征线上空气 z 向流速vza。

冷却塔水池水面水温较低，内围水温较高。这表明C区冷却能力较大，内围A 区冷却能力较小。

对填料进行非均匀布置后，冷却塔C区因填料高度增加，填料区气–水两相传热传质面积增加，该区冷却能力进一步增加，在该区空气上升速度平均减小 0.028m/s 的情况下，C区水面水温平均减小0.244℃；B 区填料高度不变，填料非均匀布置增大了该区空气流速，强化了该区冷却性能，使B区水面水温平均减小 0.185℃；A区填料高度减小，使得该区通风阻力降低，空气流速增大较多，但因 A 区填料内传热传质面积的减小，该区水面水温平均减小 0.073℃。对比填料非均匀布置对塔内 A、B、C 这3区水面出塔水温的影响，可知塔内填料增高对冷却塔冷却性能改善起主要作用。

对于填料高度相等的区域，填料非均匀布置对空气流速较低区域冷却能力

的改善相对较大。设ρn为填料非均匀布置时除水器顶部z=16.2m 高度塔内横截面特征线上湿空气密度，ρa则为填料均匀布置时该特征线上湿空气密度。

C区填料高度的增加，增大了该区通风阻力，降低了该区空气流速，但同时增加了该区填料对应气–水两相传热传质面积，使该区冷却性能及冷却水总散热量均有所提高，从而使得该区单位质量空气吸热吸湿量增大，该区上方湿空气密度平均减小 0.00148kg/m3；B 区冷却性能也有所提高，但因湿空气流速增加，该区单位质量空气吸热吸湿量变化较小，B 区上方湿空气密度平均增大 0.00066kg/m3；A 区空气流速增大较多，而冷却能力只是略有改善，使得该区上方湿空气密度平均增加 0.00233kg/m3。

结语：

结合不同风速环境自然风，通过所建某淋水面积为 12000m2的大型冷却塔的三维数值计算模型，计算分析了填料非均匀布置对大型冷却塔冷却性能的影响机制。

参考文献：

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[2]．赵元宾．超大型冷却塔热力性能三维数值计算研究[R]．广州：广东省电力设计研究院，2011．

[3]．赵元宾，孙奉仲，王凯．十字隔墙湿式冷却塔冷却特性的数值研究[J]．中国电机工程学报，2009