侧风环境下机械通风冷却塔的三维热力特性与性能优化

发布时间：2020-11-03 22:08

　　 工业过程中机械通风逆流湿式冷却塔的热力性能对生产效率有重要影响,其性能受塔体构造、气水参数与风机抽力等多方面限制。由于场地受限,机械通风冷却塔塔群一般为背靠背阵列式布置,进风方式多为单侧进风。当单侧进风时,冷却塔雨区配风沿塔深方向很不均匀,内侧区域冷却效率较低。在侧风工况下,风速与风向直接影响了冷却塔的进风性能。目前关于侧风对机械通风冷却塔的影响机制研究较少,尤其是单侧进风冷却塔,侧风对冷却塔的作用机理尚不明确。基于此,本文将通过数值模拟方式研究单侧进风机械通风冷却塔的三维热力性能及不同因素尤其是外界侧风对塔性能的影响,分析各种因素下塔内流场、温度场、压力场等分布,在此基础上探讨冷却塔的三维增效机制。本文建立了关于单侧进风机械通风冷却塔的三维计算模型,并采用实型塔的实测数据证实了所建冷却塔模型的准确性。基于上述模型,计算分析单侧进风机械通风冷却塔在有无侧风时的热力性能,显示了冷却塔内流场、压力场与温度场等三维分布,采用通风量、出塔水温温降与冷却效率来评价冷却塔的热力特性。无风工况时,由塔内水气参数分布可知:空气流速沿塔深方向逐渐变小,空气温度与湿度水平不断增加,出塔水温逐渐增加,冷却塔内侧区域冷却效率较低。进风口上缘处出现纵向漩涡,使有效通风量减少,局部冷却效率降低。塔外区域出现了明显的出塔气流回流现象,使进塔气流温度与湿度水平提升。无风时,塔内填料层的水气间换热能力最强,雨区仅次于填料区。相比于填料层与雨区,配水区水气间换热能力较弱。当迎面进风时,通过对变工况下的冷却塔性能的研究可知:在所研究的侧风风速范围内,冷却塔的热力性能均随进塔水温的升高而升高,随循环水量与环境干球温度的升高而降低。当侧风风速va为2m/s,相比于0°进风,不同风向的塔内有效通风量均减少,当风向为90°、135°及180°时,出塔气流出现回流现象。风速与风向对单侧进风机械通风冷却塔性能有明显的影响。对于任一风速,风向为0°的冷却塔性能最好,45°进风的冷却塔性能次之,冷却塔的热力性能均随侧风风速的增加而增强,侧风的存在有利于冷却塔的运行。90°、135°及180°进风的冷却塔性能均较低,冷却塔冷却性能均随侧风风速的增加而减小。在所研究的侧风风速范围内,当风速va小于5m/s时,90°进风的冷却塔性能强于135°进风,180°进风的冷却塔冷却效率最低。风速va大于5m/s时,135°进风与180°进风的冷却塔性能反而强于90°进风。基于冷却塔内的三维传热特性,采用填料非等高布置与导风管布置以优化冷却塔的热力性能。填料非等高布置方式为:填料内区厚度减少,填料中外区厚度增加。侧风工况时,“123”填料布置的冷却塔性能一直强于填料等高布置与“133”填料布置冷却塔,但风速越大,此种填料布置方式对冷却塔增效效果越不明显。对于机械通风冷却塔,自然环境下的进塔风速一般低于8m/s,因此推荐采取“123”填料布置方式来提升冷却塔的热力性能。当雨区布置导风管后,冷空气经由导风管流入冷却塔内侧空间,因没有受到淋水阻力,其流速一直高于管外气体流速,改善了冷却塔内侧区域的流速分布,降低了空气温度与湿度水平,使换热能力加强。通过对横截面积Ap为3m2、4m2与6 m2导风管布置的冷却塔性能研究可知:无风时,导风管的存在对冷却塔性能产生不利影响。在所研究的侧风风速范围内,布置导风管后的冷却塔效率均随风速的增加而增大。其中,Ap为4 m2的导风管对冷却塔的增效效果最好,Ap为3 m2的导风管次之。当导风管Ap为6 m2时,其风速va大于5m/s时,导风管才对冷却塔性能有改善效果。由此可知,导风管的几何尺寸并不是越大越好,这由导风管内新风对塔内侧流场改善程度、导风管阻力大小及占雨区空间大小三方面共同决定。当布置尺寸合适的导风管,侧风工况下的冷却塔性能会有明显的提高。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TH43
【部分图文】：

绪论??接触面进一步扩大。通过塔顶部风机的抽吸作用，塔外低温的干燥空气由进风口自??下而上流入塔内，向下落的高温循环水与向上流的干冷空气形成一个热交换体系。??当水膜和空气碰触时，以水蒸气表面和空气间的压力差为驱动力，水会产生蒸发现??象，带走汽化潜热，即蒸发传热，此外还发生对流传热及接触传热。最后水的热量??散至空气中，热量随空气排出。散热降温后的循环水经由雨区流到下部的水池，在??塔外再次循环使用。??在冷却塔中，塔内有效传热横截面上的淋水可近似看作均匀分布，若要使气水??间的传热传质强度沿横截面处处一致，雨区的进风均匀性是很关键的因素［４，５］。只有??当塔内各区域局部传热传质都较强时，冷却塔总体传热传质性能才会好。对于单侧??进风机械通风逆流湿式冷却塔，雨区流场分布不均，尤其是远离进风口区域，其空??气流量较少，冷却效果很差，这进一步造成了上方填料区及配水区的冷却效果差异。??在侧风作用下，冷却塔热力性能明显呈现三维分布特性。因此有必要加强塔内配风??的均匀性，使循环水与冷空气进行充分换热，提升冷却塔的热力性能。??］［赃气一?＿??ｆ???…ｗ一??ｔ?厂?＿??￣ｈ￣￣￣；?１????：Ｗ．．?Ａ?．?奢：?Ａ?Ｗ．??￥?ｒ?｜?Ｉ??＇．严?＆?Ｋ?＾??窆气逬口?Ｉ?Ｉ＇ＨｆＰ??＿水?Ｉ?雜暴?、＇（?＾??ｌ＞：二ｗ?二?ｒ?／?二二三？Ｊ?二二二二二；，：??＼射趑??图１－１机械通风逆流湿式冷却塔结构示意图??１１??

图１－２技术路线??

山东大学硕士学位论文??外界侧风??ｉ??压力出口：?速度入口??４??Ｉ?；??ｉＩ??图３－１计算域及边界条件设置??（ａ）传热传质区域网格图?（ｂ）塔筒区域网格图（ｃ）塔外区域局部网格图??图３－２计算域网格划分??为了使计算域具有更高的网格质量，将方形计算域整体划分为传热传质区域、??塔筒区域及塔外区域，并各自用软件ＧＡＭＢＩＴ进行网格划分，如图３－２所示。当进??行冷却塔的数值计算时，将划分好的三个区域网格依次导入ＦＬＵＥＮＴ，从而组合成??一个完整的计算域。在划分网格时，考虑到侧风工况下进风区域空气动力场的改变??及对冷却塔整体性能的重要性，此区域网格进一步加密。配水区、填料区及雨区作??为冷却塔内主要传热传质区，其重要程度不言而喻，所以每个区域的网格节点数都??较多，网格划分较为密集。整塔塔壁邻近空间也采用网格加密，这主要考虑了壁面??粘附力对气流造成的影响。基于以上三点，方形计算域网格总数为１０６万，并且又??构建两个总数为８５万和１４３万的计算域网格以证明数值计算的网格独立性。??图３－１显示了方形计算域的边界条件设置，具体内容如下：??在方形计算域内，将冷却塔塔壁、地面等设为无滑移壁面，并对其采取标准壁??面函数法。无外界侧风时，方形计算域所有侧面均设置成压力入口，顶部面设置成??３０??
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本文编号：2869171