自然通风逆流湿式冷却塔三维热力性能测试方法与评价模型研究

摘要

冷却塔作为工业中一种普遍使用的换热设备，其热力性能的好坏对于热力系统中能量利用效率具有十分重要的影响。其中，自然通风逆流湿式冷却塔是目前我国电力行业中应用最为广泛的冷却塔型式。但是实践中人们发现这种冷却塔的冷却效率并不高，仅有50％～60％，这其中有疏于维护的原因，但是从根本上很重要的原因是由于设计中未考虑环境侧风的影响。事实上，由于环境侧风对空气动力场的影响，塔内气水换热情况已发生了显著变化，按静风状态计算和评价冷却塔的热力性能已不足以反应实际情况，尤其随着塔型的不断增大，这种矛盾将更加突出。
　　对于自然通风逆流湿式冷却塔，其气水换热特性与空气动力特性是相互耦合的，侧风破坏了塔内气水换热的轴对称性而使其在塔内的巨大空间内具有复杂的三维分布特性，再叠加淋水密度、进塔水温、环境气温等变工况因素的影响，使冷却塔的热力性能变化规律更加复杂。但是目前在这方面的研究还十分有限，碍于自然通风冷却塔的巨大体积和复杂结构，关于其三维热力性能的实测资料十分缺乏;室内的模型试验往往结构比较简单，研究的内容难以深入;对冷却塔三维热力性能评价模型的研究尚未见报道;尽管通过数值模拟，形式上实现了对冷却塔三维热力性能的部分预测和分析，但是其应用过程十分繁琐，计算成本较高，模型和结论也需经过实测数据的检验。
　　鉴于此，本文从现场测试、热态模型试验、理论分析与建模、先进测试技术的开发等几个方面入手，改进了目前的试验方法和测试方法，研究了侧风下冷却塔三维热力性能的变化规律，提出了已有性能优化措施的指导原则和新的优化措施，建立了冷却塔三维热力性能测试方法和评价的理论基础。本文进行的主要工作如下:
　　1.提出了自然通风逆流湿式冷却塔三维热力性能的测试方法。通过对冷却塔进行现场测试和进风示踪试验，研究了侧风对冷却塔进风的影响;通过对塔内风速和气温的测量，得到了不同侧风风速下塔内空气动力场和温度场的变化情况，并引用定义的均匀性评价指标，分别对侧风下塔内风速和气温分布的均匀性进行了评价;在此基础上，分析了侧风对冷却塔热力性能的影响机理，得到的主要结论如下:
　　(1)静风时进风口气流倾斜向下自然流入塔内，在侧风风速较小时，气流由远及近加速流入塔内，但是在高速侧风下，进风恶化严重，其中尤以侧后方的135°区域为甚，并且进风口中部区域比底部区域更为严重，整体上，随着侧风风速的增加，进风均匀性不断降低。
　　(2)受侧风影响，迎风侧上升气流速度逐渐降低，而背风侧上升气流速度逐渐升高，塔内通风越来越偏离无侧风时的状态，使周向通风均匀性不断降低，但是气流的横向穿透性增强，使径向通风均匀性有所提高，整体上，冷却塔的通风均匀性还是不断降低的。
　　(3)冷却塔外围0～1/3半径区域的气温受侧风影响变化最大，表明该区域是侧风影响的敏感区域，工程上应重视改善该区域的气水换热情况。
　　(4)侧风风速从vc/v0=1.0增加至vc/v0=4.9时，纵向通风阻力系数增长了约57％;冷却效率由63％下降至46％，但是在风速进一步增大时，横向通风量对换热的强化作用不可忽视。
　　2.基于冷却塔的实际运行工况，建立了无侧风假定下冷却塔热力性能的数学模型，通过与实测性能数据的比较，实现了对侧风影响的特异性评价;通过定义不同的边界条件，实现了侧风风速改变时冷却塔热力性能的动态特性分析;最后通过实际工程案例，提出了对冷却塔通风导流改造措施成效进行评价的方法，得到的主要结论如下:
　　(1)以4座淋水面积为3500m2～12000m2冷却塔的设计工况进行验证，表明建立的无侧风假定计算模型是有效的。
　　(2)侧风对冷却塔热力性能的影响是十分显著的，改善侧风影响能够使冷却塔释放很大的节能潜力
　　(3)在侧风风速改变时，出水温度能够迅速变化并达到稳定状态，而进水温度则需经过相对较慢的系统平衡过程才能稳定下来;当侧风风速减小时，通风量和冷却数都是先增大后减小，其稳态水平会高于风速变化前;对冷却数的分析表明，侧风对冷却塔热力性能的影响与环境气候条件、进水温度和循环水量等变工况因素有关。
　　(4)采用通风导流改造措施后，冷却塔的性能得到了很大的提升，提出的评价方法适合于对各种针对侧风影响的通风导流改造措施的成效进行评价。
　　3.对热态模型试验台进行了改造、设计，将模型塔塔筒做成了与实型塔一致的双曲线型，将配水系统设计为支管、母管可灵活组合的四分扇面形式，对每个扇面独立供水，大大改善了配水的均匀性，提高了配水方式的灵活性，另外还使用了便于裁剪和热力性能优良的填料材质，测试表明该热态模型试验系统可以准确的模拟侧风下实际冷却塔的三维热力性能。在此基础上，通过对模型塔内测点的合理布置和测试技术的改进，实现了对冷却塔三维热力性能的测试和分析。
　　4.利用热态模型试验系统对侧风下冷却塔出口气流进行了研究，并提出在塔顶覆盖丝网的方法以改善侧风影响，结果表明:
　　(1)随着侧风风速的提高，侧风会对出口气流分别产生侵入、排挤、封盖和引射作用，并在侧风风速达到0.2m/s(相当于实际风速2m/s)时，冷空气的侵入份额达到最大。提高进水温度和增加循环水量均能降低冷空气的侵入份额。由于侧风对出口气流的影响，水温差普遍减小2％～3％，最多减小约4％。
　　(2)随着侧风风速的提高，出口侧风使冷却塔通风阻力系数先增加后减小，最大增加25％～35％。
　　(3)在塔出口覆盖丝网能够有效减小冷空气侵入，同时减轻侧风下塔筒内气流的偏斜程度，但是丝网的孔隙率应该合理选择，避免过小而使通风阻力增加太多，试验中效果较好的丝网孔隙率为0.857。
　　5.利用定义的气温和水温分布均匀性指标，对侧风下塔内气水换热的均匀性进行了分析，讨论了其变化规律;在此基础上对填料非等高布置的影响机理进行了分析，提出了工程指导原则;并提出了加长导风板的优化措施，以提高塔内更大范围内气水换热的均匀性。研究结果表明:
　　(1)无侧风时0.707R～0.837R的环形区域是塔内部高温区和外围低温区之间的过渡区，侧风下包括该环形区域的0.707R～0.949R区域气温变化最为剧烈，同时水池内0.707R处水温受侧风的影响也最大。
　　(2)侧风下，径向气温均匀系数ψθr不断增大，而周向气温均匀系数ψθc先减小后增大，侧风对周向气水换热均匀性的影响大于径向。
　　(3)提高进水温度和增大淋水密度均有利于提升塔内气水换热的均匀性，但是提高进水温度的边际效果是递减的，而增大淋水密度的边际效果是递增的。另外，环境温度的升高会使侧风下塔内气水换热的均匀性降低。
　　(4)在不增加总体积的前提下，填料的不等高布置可以使塔内气温分布更加均匀，冷却性能得到提高，分三区布置时增加中间区的范围有利于提高侧风下周向气温均匀性，但不利于提高径向气温均匀性，因此中间区外延的合理值为0.71R。
　　(5)加长导风板可以有效提高塔内更大范围内气温分布的周向均匀性，同时提高中心区域的气温，使侧风下冷却塔的通风量提高，从而使其整体上对热力性能的改善效果优于普通导风板。
　　6.提出了纵向通风量和横向通风量的计算方法，并由此将侧风下冷却塔的冷却效果分为自然通风冷效和强制通风冷效，进一步建立了侧风下冷却塔冷却数的计算模型，定义了侧风敏感度系数a3、a4，并通过热态模型试验研究了淋水密度、进水温度、环境气温、塔内空气流速等变工况因素对a3、a4的影响规律，分别得到了关于常数K3、K4的函数关系式，建立了普适性的变工况条件下冷却塔三维热力性能的预测模型，并给出了预测方法。过程中得到了以下结论:
　　(1)侧风下，按等面积环法在模型塔喉部测量了冷却塔的纵向通风量，结果表明其变化规律与本文所建的纵向通风量预测模型相符，证明了该模型的正确性。
　　(2)淋水密度越小，进水温度越低，环境气温越高，塔内空气流速越高，冷却塔的侧风敏感度系数越大。
　　(3)对模型中常数K3、K4进行辨识时使用的工况数据应大于4组，至少为5组。
　　(4)通过使用课题组开发的，经过长期验证的三维数值计算模型，对上文实测过的某自然通风冷却塔进行建模，并将计算结果与本文的理论模型预测结果进行比较，表明本文理论模型基本正确反映了侧风下冷却塔冷却数的变化规律。
　　7.基于ZigBee技术，设计了冷却塔三维热力性能无线数据采集系统，并以某9000m2自然通风逆流湿式冷却塔为例，介绍了测点的布置和安装方案。使用该系统可以对塔内热力参数在三维空间的分布进行同时采集，实现对冷却塔三维热力性能的整体分析和评价;并大大提高数据的采集效率，使大量数据的长期采集经济可行;通过上位机软件将采集到的数据以画面和动画的形式形象而有条理的显示出来，方便的实现了对测点状态的监控和对历史数据的保存、查询、管理和分析。
　　通过以上研究，建立了侧风下冷却塔三维热力性能评价的理论模型，形成了侧风下冷却塔三维热力性能的试验方法、测试方法和评价方法，提出了侧风下提高冷却塔性能的优化措施，所得结论具有较高的理论价值和工程应用价值。

目录

声明

摘要

符号说明

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 冷却塔传热传质基础理论研究

1．3 冷却塔热力性能计算及评价方法的研究

1．4 冷却塔热力性能的试验研究

1．5 环境侧风下冷却塔热力性能及优化措施的研究

1．6 本文主要研究内容

第2章 侧风对冷却塔性能影响的现场测试研究

2．1 引言

2．2 现场测试方法及数据处理

2．2．1 测点的布置和数据的采集

2．2．2 性能参数的计算方法

2．2．3 试验结果的不确定度

2．3 侧风对冷却塔热力性能影响的机理分析

2．3．1 侧风对冷却塔进风的影响

2．3．2 侧风对塔内空气动力场的影响

2．3．3 侧风对塔内温度场的影响

2．3．4 侧风对冷却塔热力性能的影响

2．4 本章小结

第3章 侧风对冷却塔性能影响的特异性定量分析方法

3．1 引言

3．2 实测工况中无侧风假定的计算模型

3．2．1 数学模型

3．2．2 无侧风假定下计算边界条件和计算方法

3．2．3 模型计算有效性验证

3．3 侧风影响的特异性分析

3．3．1 侧风对出水温度的影响

3．3．2 侧风对通风量的影响

3．3．3 侧风对冷却数的影响

3．4 冷却塔通风导流改造技术的评价

3．5 本章小结

第4章 冷却塔三维热力性能的热态模型试验研究

4．1 引言

4．2 自然通风逆流湿式冷却塔热态模型试验设计

4．2．1 相似准则的讨论

4．2．2 模型试验系统的介绍

4．2．3 试验流程及参数采集

4．2．4 无侧风下模型塔的热力特性

4．3 侧风下冷却塔出口气流形态和热力性能分析

4．3．1 出口气流流态的变化

4．3．2 冷空气入侵分析

4．3．3 对冷却水温降和通风阻力系数影响的评价

4．3．4 一种改善方法及其作用机理的研究

4．4 侧风下塔内气水换热均匀性分析及优化措施的评价

4．4．1 塔内气水换热均匀性分析

4．4．2 变工况条件下塔内气水换热均匀性分析

4．4．3 填料不等高布置的影响分析

4．4．4 加长导风板的影响分析

4．5 本章小结

第5章 侧风下冷却塔热力性能的预测方法

5．1 引言

5．2 侧风下冷却塔热力性能预测模型的建立

5．2．1 通风量的分析

5．2．2 冷却数的分析

5．3 变工况下侧风对热力性能影响的变化规律

5．3．1 纵向通风量的变化规律

5．3．2 冷却数的变化规律

5．3．3 侧风敏感度系数a3、a4与变工况因素关系的讨论

5．4 侧风下冷却塔性能参数的预测方法

5．4．1 无侧风条件下冷却数和塔内空气流速的计算

5．4．2 模型中常数的辨识

5．4．3 侧风下性能参数的计算

5．5 关于模型有效性的讨论

5．6 本章小结

第6章 冷却塔无线数据采集系统的设计与开发

6．1 引言

6．2 无线数据采集系统的设计

6．2．1 ZigBee无线数据传输技术

6．2．2 系统的结构和设备组成

6．2．3 系统设备的性能指标和技术要求

6．3 测点布置和安装方案

6．4 上位机软件的设计和开发

6．4．1 主界面设计

6．4．2 信号收集和处理

6．4．3 数据查询和管理

6．5 本章小结

第7章 全文总结与建议

7．1 主要结论

7．2 创新点

7．3 展望与建议

参考文献

致谢

攻读博士学位期间主要成果

ENGLISH DISSERTATION

PAPER Ⅰ：Experimental Research for Preventive Method Against Crosswind Effect on Airflow at Outlet to Enhance Thermal Performance of Large Cooling Tower

PAPER Ⅱ：Performance Analysis of Natural Draft Wet Cooling Tower Before and After Modification