譚小衛(wèi) 劉文浩 劉桂雄

?

逆流式冷卻塔內(nèi)部空氣流場(chǎng)特性數(shù)值模擬與分析

譚小衛(wèi)1劉文浩2劉桂雄2

（1.新菱空調(diào)（佛岡）有限公司 2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院）

冷卻塔是循環(huán)冷卻系統(tǒng)的重要組成部分，針對(duì)逆流式冷卻塔熱質(zhì)交換過程，采用-湍流、面射流、離散相、多孔介質(zhì)和組分輸運(yùn)等5種模型，分別實(shí)現(xiàn)噴淋區(qū)、填料區(qū)、雨區(qū)熱質(zhì)傳遞數(shù)值模擬。結(jié)果表明：本文建立的模型出水溫度預(yù)測(cè)值與實(shí)際值偏差在±4.2%以內(nèi)，并發(fā)現(xiàn)逆流式冷卻塔填料區(qū)的風(fēng)速在靠近內(nèi)壁區(qū)域比中間區(qū)域高，且越靠近進(jìn)風(fēng)口的填料層卡門渦街現(xiàn)象越明顯，進(jìn)風(fēng)口靠近塔內(nèi)壁處和塔底部集水盤附近存在低速氣流區(qū)。

逆流式冷卻塔；空氣流場(chǎng)；數(shù)值模擬

0 引言

冷卻塔作為末端冷卻裝置，是循環(huán)冷卻系統(tǒng)的重要組成部分，在工廠、空調(diào)系統(tǒng)、能源生產(chǎn)行業(yè)廣泛應(yīng)用[1]。逆流式冷卻塔內(nèi)水與空氣流動(dòng)方向相反、相對(duì)速度較大、熱交換效率高，但填料體積小且風(fēng)阻較大[2]。

逆流式冷卻塔內(nèi)部特性是其優(yōu)化控制的基礎(chǔ)與理論指導(dǎo)，當(dāng)前主要采用黑箱建模和數(shù)值模擬2種方法進(jìn)行研究。張春蕾等（2011）在Merkel方程求解過程中引入Simpson數(shù)值積分公式，歸納出冷卻塔熱力性能評(píng)價(jià)指標(biāo)經(jīng)驗(yàn)公式[3]；Asvapoositkul Wanchai等（2012）根據(jù)質(zhì)量蒸發(fā)速率方程，提出一種不需測(cè)定空氣流率的濕式冷卻塔性能預(yù)測(cè)方法，可實(shí)現(xiàn)冷卻塔設(shè)計(jì)條件下熱力性能評(píng)估[4]。在數(shù)值模擬方面，浙江大學(xué)能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（2013）基于冷卻塔內(nèi)兩相傳熱傳質(zhì)理論，發(fā)現(xiàn)冷卻塔中心區(qū)域濕空氣速度較小，換熱效率較差的特性[5]；葉必朝等（2016）建立了逆流式冷卻塔熱質(zhì)交換過程仿真模型，實(shí)現(xiàn)空氣干濕球溫度、冷卻水流量與水溫對(duì)冷卻塔換熱量影響分析[6]；國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院（2016）建立超大型冷卻塔冷態(tài)氣流阻力試驗(yàn)?zāi)Ｐ停岢隽四媪魇嚼鋮s塔進(jìn)風(fēng)口區(qū)域阻力系數(shù)計(jì)算公式[7]。由上述可見，數(shù)值模擬技術(shù)在冷卻塔換熱特性研究中逐漸成為主流[8-9]。本文針對(duì)開式逆流冷卻塔的熱交換過程，提出一種CFD數(shù)值模擬方法，重點(diǎn)研究其熱交換過程的塔內(nèi)空氣速度分布，以期為冷卻塔的優(yōu)化控制提供理論指導(dǎo)。

1 逆流式冷卻塔工作機(jī)理與數(shù)值模擬策略

1.1 逆流式冷卻塔工作機(jī)理

冷卻水在熱交換器中進(jìn)行熱交換，帶走工業(yè)或生活廢熱，溫度上升；高溫冷卻水經(jīng)由進(jìn)水泵進(jìn)入冷卻塔，由布水器將水均勻分布于冷卻塔內(nèi)，經(jīng)一段時(shí)間的落體運(yùn)動(dòng)之后，以水滴的形式進(jìn)入冷卻塔填料中；冷卻水填料中下落過程沿著波紋組織像裂變一樣將水流不斷細(xì)分，實(shí)現(xiàn)熱交換面積較大的強(qiáng)制對(duì)流熱質(zhì)交換；最后，低溫冷卻水流出填料，進(jìn)入集水池，由出水泵再次輸送回?zé)峤粨Q器中。圖1為逆流式冷卻塔工作原理圖。逆流式冷卻塔發(fā)生熱質(zhì)交換的3個(gè)主要區(qū)域?yàn)椋簢娏軈^(qū)、填料區(qū)和雨區(qū)。其中填料區(qū)可完成整個(gè)冷卻塔降溫能力的75％~85％，雨區(qū)換熱量占總傳熱的10％~20％，噴淋區(qū)換熱量最少，僅占總換熱量的百分之幾。為實(shí)現(xiàn)逆流式冷卻塔準(zhǔn)確的數(shù)值模擬，關(guān)鍵是對(duì)冷卻塔內(nèi)布水過程，噴淋區(qū)、填料區(qū)與雨區(qū)熱質(zhì)交換過程進(jìn)行準(zhǔn)確建模。

1.2 逆流式冷卻塔數(shù)值模擬策略

由于研究對(duì)象冷卻水在整個(gè)熱質(zhì)交換的過程中具有多種情況，其數(shù)值模擬也應(yīng)采用不同的數(shù)學(xué)模型：1) 在冷卻水進(jìn)入布水器前，其在水管中以湍流的形式輸送至布水器，故采用可以準(zhǔn)確描述流體流動(dòng)特性的湍流模型；2) 在冷卻水進(jìn)入布水器的噴淋過程中，流體以雷諾數(shù)Nu較大的情況從管口射出，與周圍空氣混合，在重力作用下流動(dòng)，故應(yīng)使用考慮重力影響的面射流模型，模擬冷卻水噴淋過程；3) 當(dāng)冷卻水在噴淋區(qū)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，其以水滴形式受重力影響下降，水流不連續(xù)采用經(jīng)典的連續(xù)相模型計(jì)算會(huì)存在較大誤差，必須引入考慮重力影響的離散相模型模擬該過程；4) 冷卻水在填料區(qū)中，像裂變一樣不斷細(xì)分，實(shí)現(xiàn)熱交換面積較大的強(qiáng)制對(duì)流熱質(zhì)交換，故應(yīng)采用多孔介質(zhì)模型描述填料、組分輸運(yùn)模型計(jì)算冷卻水與濕空氣間的熱質(zhì)交換；5) 冷卻水離開填料進(jìn)入雨區(qū)，其過程與噴淋區(qū)穩(wěn)定時(shí)一致，也采用考慮重力影響的離散相模型；6) 進(jìn)入集水池后，水流連續(xù)，但雷諾數(shù)Nu較小，應(yīng)考慮雷諾數(shù)影響，選擇使用湍流模型或?qū)恿髂Ｐ?。上述步驟1)~6)為整個(gè)冷卻塔數(shù)值模擬策略。具體采用模型及作用如表1所示。

逆流式冷卻塔數(shù)值模擬模型與邊界條件示意圖如圖2所示，建模的關(guān)鍵參數(shù)包括：冷卻水塔塔體長(zhǎng)、寬、高；布水器位置、尺寸、數(shù)量；填料長(zhǎng)、寬、高與間隔；冷卻水入水口、出水口規(guī)格尺寸；入風(fēng)口、出風(fēng)口規(guī)格尺寸。同時(shí)在冷卻水入水口、出水口，入風(fēng)口、出風(fēng)口作為求解器的邊界條件，設(shè)置冷卻水入水速度、溫度、壓力，出水壓力；入風(fēng)壓強(qiáng)、溫度、濕度，出風(fēng)速度、壓強(qiáng)進(jìn)行模型的求解。

圖1 逆流式冷卻塔工作原理圖

表1 數(shù)值模擬采用模型

圖2　逆流式冷卻塔數(shù)值模擬模型與邊界條件示意圖

根據(jù)上述總體思路，冷卻塔內(nèi)熱質(zhì)傳遞過程非常復(fù)雜，為提高數(shù)值模擬效率，需進(jìn)行下述簡(jiǎn)化：1) 冷卻塔內(nèi)傳熱傳質(zhì)是一個(gè)穩(wěn)態(tài)和穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過程；2) 傳熱和傳質(zhì)的區(qū)域是相同的；3) 冷卻塔塔壁不與外界發(fā)生熱交換；4) 水膜溫度等于填料水平同一高度水溫；5) 濕空氣比熱和水的汽化熱保持恒定；6) 水漂損失對(duì)傳熱傳質(zhì)的影響可忽略不計(jì)；7) 不考慮空氣在進(jìn)入冷卻塔前達(dá)到飽和狀態(tài)的情況；8) 在填料任意中間橫截面，空氣和水溫度均勻分布。

2 冷卻塔熱質(zhì)傳遞模型

2.1 連續(xù)相（濕空氣）控制方程

若負(fù)荷穩(wěn)定且外圍環(huán)境參數(shù)不變時(shí)，冷卻塔內(nèi)是一個(gè)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過程[10]。設(shè)濕空氣密度、速度矢量，廣義擴(kuò)散系數(shù)、廣義源相，空氣和水滴間的相互作用產(chǎn)生的附加源項(xiàng)，以通用變量表示各向速度分量。則連續(xù)相控制方程為

考慮到冷卻塔運(yùn)行時(shí)，氣液間存在傳熱傳質(zhì)，在流場(chǎng)仿真時(shí)須激活組分輸運(yùn)模型和能量方程組。設(shè)有效導(dǎo)熱系數(shù)eff、組分的質(zhì)量擴(kuò)散流量J、生成速率R、交換系數(shù)、質(zhì)量分?jǐn)?shù)m，則組分方程、能量方程分別為：

(2)

2.2 離散相（水滴）控制方程

采用離散相模型建立拉格朗日坐標(biāo)系以求解水滴軌跡及兩相間的質(zhì)量傳遞、動(dòng)量傳遞和能量交換。

2.2.1 水滴軌跡計(jì)算

設(shè)水滴的運(yùn)動(dòng)時(shí)間、運(yùn)動(dòng)軌跡r瞬間速度u，則水滴運(yùn)動(dòng)方程為

根據(jù)拉格朗日坐標(biāo)系下，運(yùn)動(dòng)方程涉及水滴軌跡的速度。水滴的軌跡通過所定義的在笛卡爾坐標(biāo)系方向上水滴合力的平衡來(lái)預(yù)測(cè)，即水滴受到曳力、浮力與其他力之和等于動(dòng)量導(dǎo)數(shù)，設(shè)水滴顆粒密度ρ，連續(xù)相速度，則有

(5)

2.2.2 水滴、濕空氣間熱質(zhì)傳遞計(jì)算

根據(jù)水滴內(nèi)發(fā)生的顯熱變化與水滴、空氣間發(fā)生的對(duì)流和蒸發(fā)熱量傳遞的熱量平衡，設(shè)微元內(nèi)氣相干球溫度T(K)、水滴溫度T(K)、水滴表面積A(m2)和水滴質(zhì)量M；傳熱系數(shù)(W/m2·K)、水的蒸發(fā)潛熱h，則水滴溫度變化表示為

傳質(zhì)系數(shù)，水滴顆粒表面水蒸氣摩爾濃度C、濕空氣中蒸氣摩爾濃度C、水的摩爾質(zhì)量，則水滴顆粒的蒸發(fā)速率為

(7)

設(shè)蒸發(fā)擴(kuò)散系數(shù)D、空氣導(dǎo)熱系數(shù)k，傳熱、傳質(zhì)系數(shù)可通過努賽爾關(guān)系式得到

其中，Nu為Nusselt數(shù)；Pr為濕空氣（連續(xù)相）Prandtl數(shù)。

2.3 離散相和連續(xù)相耦合控制方程

水滴流遵循與周圍空氣相同的軌跡所造成的熱量、質(zhì)量和動(dòng)量獲得或損失，源項(xiàng)被計(jì)算并納入到隨后的空氣相項(xiàng)計(jì)算中。

其中，M,0為水滴初始質(zhì)量；M,av為控制體內(nèi)水滴的平均質(zhì)量；?T為溫度變化；?M為質(zhì)量變化；m,0為水滴初始質(zhì)量流率；為水滴比熱；c為水蒸氣比熱；?為時(shí)間步長(zhǎng)。

式(8)就是面射流模型、離散相模型、組分輸運(yùn)模型的整合，而湍流模型、多孔介質(zhì)模型、層流模型是非常成熟的模型，在Fluent中可以直接調(diào)用，本文不再贅述。

3 仿真結(jié)果與分析

仿真對(duì)象選擇CEF-A系列玻璃鋼逆流方形冷卻塔，按照初始條件如表2所示。

表2 仿真對(duì)象初始條件

Fluent求解器需進(jìn)行以下設(shè)置：1) 采用方程求解濕空氣熱力與流動(dòng)特性；2) 控制微分方程的離散化采用有限容積法，控制方程的對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)離散格式；3) 采用經(jīng)典Simple算法求解離散形式的控制方程，使用亞松弛因子對(duì)計(jì)算精度與迭代速度進(jìn)行控制，亞松弛因子取值在0.3~0.7之間。

根據(jù)前面建立的CFD模型及分析的Fluent求解器內(nèi)設(shè)置，完成邊界條件設(shè)置及用戶自編程序?qū)牒?，運(yùn)行求解器，得到冷卻塔內(nèi)空氣速度矢量圖及速度分布圖如圖3、圖4所示。

圖3 冷卻塔內(nèi)空氣速度分布矢量圖

圖4 冷卻塔內(nèi)空氣速度分布圖

由圖3、圖4可以看出，在逆流濕式冷卻塔中，空氣以－45°從塔底部?jī)蓚?cè)進(jìn)風(fēng)口流入塔內(nèi)。由于填料效果采用差排方式近似模擬其對(duì)空氣的效果，顯示填料區(qū)存在繞流，可近似認(rèn)為填料區(qū)波紋狀組織附近空氣流速較大，流速約為4.5 m/s。離開填料區(qū)域后，空氣流速降低并逐漸趨于均勻穩(wěn)定。接近出口速度約為3.0 m/s。填料區(qū)波紋狀組織附近的繞流使填料區(qū)內(nèi)水膜與空氣充分進(jìn)行熱質(zhì)交換。填料區(qū)同一水平面上不同位置的風(fēng)速不同，風(fēng)速在靠近內(nèi)壁區(qū)域比中間區(qū)域高。在不同水平面上，越靠近進(jìn)風(fēng)口的填料層風(fēng)速越高，繞流越明顯。填料底部的風(fēng)速最大值為6.5 m/s，填料頂部風(fēng)速最大值為5.2 m/s。而且，由于進(jìn)風(fēng)方向成－45°使塔進(jìn)風(fēng)口上靠近塔內(nèi)壁處和塔底部集水盤附近形成了一個(gè)低速氣流區(qū)。

利用搭建的試驗(yàn)平臺(tái)，采集逆流濕式冷卻塔不同運(yùn)行工況下進(jìn)水量、進(jìn)風(fēng)量、干球溫度、濕球溫度、進(jìn)水溫度、出水溫度的5組實(shí)驗(yàn)測(cè)量值，并與相應(yīng)的仿真出水溫度值進(jìn)行對(duì)比，如表3所示?？梢钥闯霰疚慕⒌哪Ｐ统鏊疁囟阮A(yù)測(cè)值與實(shí)際值偏差在±4.2%以內(nèi)。

表3 冷卻塔仿真模型驗(yàn)證

4 結(jié)論

1) 針對(duì)逆流式冷卻塔工作流程，通過假設(shè)冷卻塔內(nèi)熱質(zhì)交換是穩(wěn)態(tài)、穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過程，熱質(zhì)交換的區(qū)域是相同的，在填料任意中間橫截面，空氣和水溫度均勻分布，簡(jiǎn)化熱質(zhì)傳遞數(shù)學(xué)模型，分別實(shí)現(xiàn)噴淋區(qū)、填料區(qū)、雨區(qū)熱質(zhì)傳遞數(shù)值模擬。

2) 經(jīng)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，逆流式冷卻塔填料區(qū)風(fēng)速在靠近內(nèi)壁區(qū)域比中間區(qū)域高，越靠近進(jìn)風(fēng)口的填料層風(fēng)速越高、卡門渦街現(xiàn)象越明顯，進(jìn)風(fēng)口上靠近塔內(nèi)壁處和塔底部集水盤附近存在低速氣流區(qū)。若在冷卻塔優(yōu)化控制時(shí)注意以上現(xiàn)象，將可提供優(yōu)化控制的效果。

[1] Grobbelaar P J, Reuter H C R, Bertrand T P. Performance characteristics of a trickle fill in cross and counter-flow configuration in a wet-cooling tower[J]. Applied Thermal Engineering, 2013, 50(1): 475-484.

[2] Sirena J A. Electrical-fluid dynamic performance of mechanical draft water cooling towers[J]. Applied Thermal Engineering, 2013, 54(1): 185-189.

[3] 張春蕾,丁琦,魏巍.濕式機(jī)械通風(fēng)逆流冷卻塔冷卻能力檢測(cè)[J].暖通空調(diào),2011,41(9):79-81.

[4] Asvapoositkul W, Treeutok S. A simplified method on thermal performance capacity evaluation of counter flow cooling tower[J]. Applied Thermal Engineering, 2012, 38(38): 160- 167.

[5] 張東文,張宇陽(yáng).超大型自然通風(fēng)冷卻塔進(jìn)風(fēng)口區(qū)域阻力特性研究[J].中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào),2016,14(5):328- 333.

[6] 葉必朝,吳振宏.逆流式冷卻塔熱力過程建模與仿真[J].低溫與超導(dǎo),2016,44(4):89-92.

[7] 鄭水華,金臺(tái),羅坤,等.逆流式自然通風(fēng)冷卻塔熱力性能的三維數(shù)值模擬[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,44(9): 3898-3903.

[8] 劉桂雄,劉文浩,洪曉斌,等.基于TBVMC濕式冷卻塔熱力性能快速評(píng)估方法[J].中國(guó)測(cè)試,2014,40(6):1-5.

[9] 劉文浩.基于CFD逆流濕式冷卻塔熱力性能監(jiān)控系統(tǒng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)[D].廣州:華南理工大學(xué),2016.

[10] 魏明陽(yáng).自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的數(shù)值研究[D].北京:華北電力大學(xué),2015.

Numerical Simulation and Analysis of Air Flow Field Characteristics inside Countercurrent Cooling Tower

Tan Xiaowei1Liu Wenhao2Liu Guixiong2

(1.SINRO (Fogang) Air-conditioning & Cooling Equipment Co., Ltd. 2.School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology)

Cooling tower is a most important part of cooling system. An exchange process model for counter flow cooling tower was established up by using 5 kinds of models, such asturbulence, jet flow, discrete phase, porous medium, and component transport. Numerical simulation were designed for spray area, filling area, and heat transfer area respectively. Result show that the predictive value of deviation within 4.2%, and found that the wind cooling tower in the filling area close to the inner wall area than the middle area, the closer to the packing layer of the air inlet and the Carmen vortex phenomenon more obvious, on the air inlet near the inner wall of the tower and the tower bottom water collecting tray there is a low velocity flow area.

Counter Flow Cooling Tower; Air Flow Field; Numerical Simulation

譚小衛(wèi)，女，1971年生，本科，高級(jí)工程師，主要研究方向：智能測(cè)量與節(jié)能控制技術(shù)。

劉文浩，男，1990年生，碩士研究生，主要研究方向：CFD數(shù)值模擬技術(shù)與應(yīng)用。

劉桂雄，男，1968年生，教授，主要研究方向：先進(jìn)傳感器技術(shù)與應(yīng)用。