自然通风空冷塔的热力性能分析及结构优化

摘要

间接空冷系统凭借其节约水资源、占地面积小、噪音小等优点得到了广泛应用。当冷却空气流经空冷散热器时，空冷塔内外空气产生密度差，从而形成抽吸力将受热后的空气经由空冷塔排到大气环境中，因此空冷塔的塔型及结构参数将对冷却空气的流场产生一定影响，进而影响空冷散热器的换热性能，因此有必要针对空冷塔塔型及结构参数展开优化研究。本文建立了双曲线、上直下锥、上直下曲以及直筒4种塔型的间接空冷系统数值计算模型，并结合Heat-exchanger模型，实现了空冷翅片管束和大型空冷散热器流动换热的跨尺度关联，进而对不同塔型的间接空冷系统在无风以及环境风影响下的流动换热特性进行了模拟研究。通过深入分析不同风速下的空气流场、压力场和温度场，以及定量对比空冷散热器的出口水温和汽轮机背压，最终得到了自然通风空冷系统的最优塔形。
　　无风时，双曲线、上直下锥以及上直下曲塔形所对应的间接空冷系统流动换热性能相近，而直筒塔型所对应的间接空冷系统换热量较小。小风速环境条件下，上直下锥、上直下曲以及直筒型冷却塔流动换热性能劣于传统双曲线冷却塔，并且直筒型冷却塔换热性能最差。大风速条件下，上直下曲型冷却塔内部空气流动漩涡较小且迎风扇区附近高压区域面积较大，因此其换热性能优于其他形式冷却塔。
　　针对上直下曲型冷却塔，本文研究了其直筒段和双曲线段的高度比例对冷却空气的流动换热性能影响。结合工程实际，本文初步设计了3种不同的直筒段和双曲线段高度比例。无风时，3种高度比例下的冷却塔浮升力相近，因此其换热性能基本相同。小风速环境条件下，塔1（直筒段高度/双曲线段高度为2∶1）的塔型阻力对冷却空气的流动影响较大，且塔内流体加速的空间相对较小，因此塔1的换热性能劣于塔2（直筒段高度/双曲线段高度为1∶1）和塔3（直筒段高度/双曲线段高度为1∶2），此外塔3的换热性能略优于塔2。大风速条件时，冷却空气的动压头对空冷系统的流动换热起主导作用，因此流体加速的影响较小。此外直筒段较高时，塔内空气流动阻力较小，并且塔内的空气流动漩涡相对较小，从而增大了有效流通截面积，因此塔1的换热性能最优。此外，大风速条件下塔2的换热性能稍优于塔3。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 间接空冷系统简介

1．3 国内外研究现状及成果

1．3．1 环境风作用下间接空冷系统性能的研究现状

1．3．2 空冷系统塔型优化及钢塔研究现状

1．4 论文的主要工作

第2章 间接空冷系统流动传热性能研究方法

2．1 数学模型与数值方法

2．2 换热器(MHE)模型

2．3 模型实验验证

2．4 本章小结

第3章 空冷塔塔型结构对间接空冷系统热力性能的影响

3．1 物理模型

3．2 数值模拟流程与收敛准则

3．3 四种塔型空冷系统的流场和温度场

3．3．1 无环境风时的流场和温度场

3．3．2 风速为20m／s时的流场和温度场

3．4 不同塔型的间冷空冷系统流动换热性能分析

3．5 本章小结

第4章 间接空冷系统塔型优化

4．1 物理模型

4．2 空冷系统的流场和温度场

4．2．1 无环境风时的流场和温度场

4．2．2 环境风速为8m／s时的流场和温度场

4．2．3 环境风速为20m／s时的流场和温度场

4．3 三种冷却塔的间冷空冷系统流动换热性能分析

4．3．1 冷却扇段的流动换热特性分析

4．3．2 三种塔的整体流动换热特性分析

4．4 本章小结

5．1 主要结论

5．2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢