具有导风板的自然通风逆流湿式冷却塔进风阻力研究及性能优化

摘要

冷却塔是大型发电厂中重要的热力设备之一，其运行性能对电厂的安全性和经济性都有很大影响。自然通风湿式逆流冷却塔是目前国内应用最为广泛的一种冷却塔形式，其热力性能受环境因素影响较大，尤其是环境侧风的作用使塔周向进风极不均匀，减小了塔内通风量，严重降低了其冷却效率。然而在冷却塔的设计和计算中没有充分重视侧风的影响。目前关于冷却塔的研究多集中于塔内传热传质，较少涉及冷却塔的通风阻力，但通风量和进风阻力是湿式冷却塔的设计、评价过程中极为重要的热力参数。在冷却塔进风口周围安装导风板可减小侧风带来的不利影响，但尚未有关于侧风下导风板对冷却塔热力性能影响规律的系统理论研究和报道。
　　 因此，本文从模型试验、正交理论分析、阻力模型推导、数值计算及塔内传热传质机理分析等几个方面入手，研究了侧风下带有导风板的自然通风湿式逆流冷却塔的进风阻力计算及其性能优化问题，进行的主要工作如下：
　　 1.基于运动相似和动力相似准则理论，建立了冷却塔冷态试验模型。利用山东大学的风洞试验平台对该模型进行了冷态吹风试验，试验工况共计约370个，试验过程以及实验阶段的设计均遵循正交理论。研究了导风板对塔进风均匀性及通风量的影响规律，并提出了进风均匀系数Cu的概念用于量化冷却塔周向进风的均匀程度，得到了各导风板布置参数(包括板的安装角度、安装数量、板的形状及尺寸)对Cu和通风量G的影响规律。
　　 2.在现有的热态模型试验台的基础上进行了完善，增设了进风口的几个不同防风方案模型，研究了侧风下冷却塔热力性能优化的措施，通过300多个热态试验工况，找到了冷却塔各热力性能参数随导风板各布置参数的变化规律。提出了当量通风量、当量传热系数与当量传质系数的概念，减小了传统热力参数中因环境温度变化而导致评价结果不准确的影响。采用拟水平法对各个热力参数进行了极差分析和方差分析，得到了各导风板布置参数对冷却塔热力性能影响的主次程度。
　　 3.建立了侧风下、安装有导风板的湿式冷却塔进风口区域的阻力源三维计算模型，并结合冷却塔内气水两相间传热传质的三维数学模型和气水接触阻力的计算公式，给出了侧风下、具有防风措施的湿式冷却塔内外空气动力场的数值计算方法。对某工程实例冷却塔进行了数值模拟和相关的现场试验。
　　 4.数值计算研究了工程实型冷却塔导风板布置的最优化方案。以工程实型冷却塔为研究对象讨论了导风板安装数量Ⅳ和安装角α对塔实际通风量G和出塔水温two的影响，得到了不同工况下塔内的气流速度场分布和集水池表面温度场分布。
　　 5.分析了关键因素对冷却塔传热传质性能的影响机理。通过对冷却塔内气水换热过程的研究，提出了无量纲气水接触时间Tl的概念，量化了空气流在塔内的有效停留时间。讨论了Tl与板安装角α的关系。
　　 6.研究了最佳导风板安装数量Nopt随冷却塔体尺寸变化的规律。利用Levenberg-Marquardt算法对Nopt进行了回归分析，得到了最佳导风板周向间距的计算公式。
　　 7.利用LCS-DTL型充气二极管式固体激光器所产生的片光对冷却塔背风侧导风板间的空气流动情况进行了示踪试验，得到了侧风下具有导风板的冷却塔风口空气流态的变化规律。
　　 通过以上研究，本文得出了以下主要结论：
　　 (1)存在一个最佳的导风板安装数量Nopt使通风量G最大、并保证塔周向进风最为均匀，可视化试验表明此时环境空气平稳的流入塔内，而且在相邻导风板之间所形成流道的充满度较高。若板安装数量N偏离Nopt则会增大塔进风阻力并使G减小，进风均匀系数Cu减小。当板安装数量N＜Nopt时，相邻板间形成的进气流道数较少，Cu和G都随N的增加而增大。当N＞Nopt时，由于相邻板间的间隙太小导致空气流开始形成小的漩涡，其扰动程度随N的增加而不断增大，流道中空气的充满度逐渐变差，进塔阻力逐渐增加。
　　 (2)板安装角α越小则环境气流在塔周切向的速度分量越大，轴向速度分量所占比例相应减小，使得塔内空气流在横向截面上形成强度更大的漩涡，增大了气水的有效接触时间，但此时的进风阻力也随之增大。采用α=70°的导风板安装角可以使塔的实际通风量G与气水接触时间的配合效果最好，使冷却效率η当量传热系数Kh’等参数达最大值。采用翼型板不仅大幅提高了塔的冷却效率，还使得塔内接触散热占总散热量的比例△Qc/△Q较高，充分强化了塔内的传热过程。
　　 (3)双参数的F检验表明冷态试验和热态试验的误差影响较小，试验结果比较可靠，为进一步理论研究导风板各因素对塔热力性能的影响机制、侧风下塔的通风量和阻力计算等问题奠定了基础。
　　 (4)试验结果和理论分析都表明板安装数量N对通风量G、出塔水温two的影响要比板安装角α的影响大。
　　 (5)模拟的出塔水温计算误差不超过0.3℃，出塔气温误差不超过0.5℃，环境气流的径向进风速度平均误差小于0.3m/s，因此所建立的数学模型反映出了冷却塔进风流场的分布规律，可用于工程实例的计算。
　　 (6)若导风板高度明显低于塔进风口高度，会在塔背风侧导风板之上的区域产生空气漩涡回流，使该处的进风速度明显偏低，导致背风侧two偏高，因此导风板越高越长，会使塔冷却效率越高。
　　 本文所建立的数学模型为冷却塔的设计和阻力计算提供了理论基础，提出的当量通风量和无量纲的汽水接触时间等概念为冷却塔的评价提供了新思路、新方法，试验结果和推导出的最佳导风板周向间距的计算公式为火电厂中的冷却塔现场改造提供了实际指导和帮助，所得结论具有一定的理论价值和工程应用价值。

目录

文摘

英文文摘

符号说明

声明

第1章绪论

1.1课题研究背景

1.2侧风对冷却塔的影响

1.3冷却塔进风阻力的研究

1.4冷却塔传热及蒸发理论的研究

1.5冷却塔性能分析及优化的研究

1.6本文主要研究内容

第2章冷却塔进风阻力的冷态风洞试验

2.1引言

2.2试验的相似准则

2.3试验系统简介

2.3.1试验流程

2.3.2模型塔尺寸

2.3.3塔抽力和来流风速的选取

2.3.4填料层尺寸的选取

2.3.5导风板的布置方式

2.4试验结果分析

2.4.1导风板角度对进风阻力的影响

2.4.2导风板尺寸对进风阻力的影响

2.4.3导风板数量对进风阻力的影响

2.4.4导风板最优化的布置方案

2.5本章小结

第3章冷却塔传热传质性能优化的热态试验

3.1引言

3.2试验系统简介

3.2.1试验流程

3.2.2监测参数及所用仪表

3.2.3导风板布置方式

3.3冷却塔性能参数的计算方法

3.4试验结果分析

3.4.1当量通风量的概念和意义

3.4.2板优化方式对当量通风量影响的研究

3.4.3板优化方式对冷却效率影响的研究

3.4.4板优化方式对当量传热传质系数影响的研究

3.4.5板优化方式对蒸发水量影响的研究

3.5本章小结

第4章冷却塔的进风均匀性和通风量分析

4.1引言

4.2冷态下进风均匀性的正交试验与分析

4.2.1进风均匀性试验的正交设计

4.2.2进风均匀系数的极差分析

4.2.3多因子试验的方差分析

4.3冷态试验通风量的正交分析

4.3.1通风量的拟水平正交化处理

4.3.2通风量的极差分析和方差分析

4.3.3通风量与进风均匀系数的对比分析

4.4热态试验的正交化处理与数据分析

4.4.1热态试验数据的正交化处理

4.4.2冷却效率的极差分析与方差分析

4.4.3当量通风量的极差分析与方差分析

4.4.4传热系数与传质系数的极差分析与方差分析

4.5本章小结

第5章侧风下具有导风板的冷却塔进风阻力数学模型

5.1引言

5.2塔进风口阻力的三维数学模型

5.2.1模型假设

5.2.2空气运动的控制方程

5.2.3进风口区域的阻力源模型

5.3塔内部区域的气流阻力计算模型

5.3.1配水区和雨区的气流阻力计算方法

5.3.2填料区的阻力计算方法

5.3.3塔出口阻力及沿程阻力的处理

5.4侧风下塔内换热区域的传热传质模型

5.4.1气-水间相互运动的控制方程

5.4.2填料区的传热传质计算

5.4.3配水区和雨区的传热传质计算

5.5工程实例的数值计算

5.5.1工程实例改造简介

5.5.2模型计算区域及边界条件

5.5.3现场试验及计算结果验证

5.6本章小结

第6章设有导风板的冷却塔性能数值分析研究

6.1引言

6.2安装角度对塔性能的影响

6.2.1角度对通风量影响的分析

6.2.2角度对出塔水温影响的分析

6.3安装数量对塔性能的影响

6.3.1板数对通风量影响的分析

6.3.2板数对出塔水温影响的分析

6.4导风板尺寸对塔性能的影响

6.4.1板型对通风量影响的分析

6.4.2板型对出塔水温影响的分析

6.5本章小结

第7章导风板对冷却塔性能影响机理的研究

7.1引言

7.2影响冷却塔性能的关键因素分析

7.2.1冷却塔通风量

7.2.2气流的塔内有效停留时间

7.3板最佳安装数量的关联式分析

7.4导风板间气流漩涡的可视化试验

7.4.1系统与设备简介

7.4.2板安装数量对进风流态的影响

7.4.3安装角度对进风流态的影响

7.5本章小结

第8章全文总结与建议

8.1主要结论

8.2论文创新点

8.3未来研究展望与建议

附录

参考文献

致谢

攻读博士学位期间主要成果

ENGLISH DISSERTATION

PAPER Ⅱ：Experimental research of the guiding channels effect on the thermal performance of wet cooling towers subjected to crosswinds