（热能工程专业论文）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.pdf

摘要 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 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3 7 0 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c u 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c u 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3 0 0 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。 山东大学博士学位论文 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和安装角口对塔实际通风量g 和出 塔水温d 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乃的概念，量化了空气流在塔 内的有效停留时间。讨论了乃与板安装角a 的关系。 6 研究了最佳导风板安装数量，随冷却塔体尺寸变化的规律。利用 l e v e n b e r g - m a r q u a r d t 算法对进行了回归分析，得到了最佳导风板周向 间距的计算公式。 7 利用l c s d t l 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，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。若板安装数量偏离，则会增大塔进 风阻力并使g 减小，进风均匀系数g 减小。当板安装数量n n o p ，时，相邻 板间形成的进气流道数较少，g 和g 都随的增加而增大。当胗，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 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a 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a = 7 0 0 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 却效率孙当量传热系数锄等参数达最大值。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彳g 励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。 i i 摘要 ( 4 ) 试验结果和理论分析都表明板安装数量对通风量g 、出塔水温0 d 的影响 要比板安装角a 的影响大。 ( 5 ) 模拟的出塔水温计算误差不超过o 3 c ，出塔气温误差不超过0 5 c ，环境 气流的径向进风速度平均误差小于o 3 m 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“。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。 关键词：湿式冷却塔；性能优化；阻力模型；导风板；数值计算；模型试验 i i i 山东大学博士学位论文 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! a b s t r a c t t h et h e r m a lp e r f o r m & n c eo fc o o l i n gt o w e r ，w h i c hi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t e q u i p m e n t si ng e n e r a t i o ns t a t i o n ，g r e a t l ya f f e c t st h es a f e t ya n de c o n o m yo ft h e p o w e rp l a n t t h en a t u r a l d r a f tw e tc o u n t e r f l o wc o o l i n gt o w e r ( n d w c t ) i s t h em o s t w i d e l yu s e df o r mi nc h i n a ，a n di t st h e r m a lp e r f o r m a n c ei sg r e a t l yi n f l u e n c e db y e n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s ，e s p e c i a l l yt h ec r o s s w i n d sw h i c hm a yi n d u c et h ea i r s t r e a mt of l o wu n e v e n l yi n t ot h et o w e ra r o u n dt h ec i r c u m f e r e n c e ，m a yr e d u c et h e a i rv e n t i l a t i o na n dd i m i n i s ht h ec o o l i n ge f f i c i e n c yo fn d w c t h o w e v e r , t h e a d v e r s ee f f e c to fc r o s s w i n d si sn o tt a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o ni nm o s td e s i g na n d c a l c u l a t i o np r o c e s so fc o o l i n gt o w e r a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c h e sa b o u tn d w c t f o c u sm o s t l yo nt h eh e a ta n dm a s st r a n s f e rp r o c e s sw i t h i nt h et o w e ra n ds e l d o m i n v o l v ei n t ot h ev e n t i l a t i o nr e s i s t a n c eo ft h et o w e r , w h e r e a st h ev e n t i l a t i o n r e s i s t a n c ei sas i g n i f i c a n tt h e r m a lp a r a m e t e rf o rt h ed e s i g na n de v a l u a t i o no f c o o l i n gt o w e r i ti sf o u n dt h a tt h ea i rd e f l e c t o r si n s t a l l e da r o u n dt h ea i ri n l e to ft h e t o w e rc o u l dc o u n t e r a c tt h ed i s a d v a n t a g e so fc r o s s w i n d s ，b u tt h e r ea r ef e w t h e o r e t i c a ll i t e r a t u r e sa n ds y s t e m a t i ci n v e s t i g a t i o n sa b o u tt h ei m p a c to fa i r d e f l e c t o r so nt h et h e r m a lp e r f o r m a n c eo fn d w c t h e n c e ，t h ev e n t i l a t i o nr e s i s t a n c ec a l c u l a t i o n a n dt h et h e r m a lp e r f o r m a n c e o p t i m i z a t i o no fn d w c t i n s t a l l e dw i t ha i rd e f l e c t o r su n d e rc r o s s w i n d sc o n d i t i o n s a r ei n v e s t i g a t e d ，b ym e a n so ft h em o d e lt e s t s ，o r t h o g o n a la n a l y s i s ，t h em a t h e m a t i c a l m o d e lo ft h ev e n t i l a t i o nr e s i s t a n c e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h eh e a ta n dm a s s t r a n s f e rm e c h a n i s mw i t h i nt h et o w e r t h em a i nr e s e a r c h e sa r ea sf o l l o w s 1 t h ec o l ds t a t em o d e lt o w e rt h a tc o n f o r m st ot h ek i n e m a t i ca n dd y n a m i cs i m i l a r i t y c r i t e r i o n sw a se s t a b l i s h e da n dt e s t e di nt h ew i n dt u n n e ll a b o r a t o r yi ns h a n d o n g u n i v e r s i t y t h e r ew e r ea b o u t3 7 0t e s tc o n d i t i o n s ，a n dt h et e s tp r o c e d u r ew a s d e s i g n e dt oc o n f o r mt ot h eo r t h o g o n a lt h e o r y t h ec o n c e p to ft h eu n i f o r m i t y c o e f f i c i e n to ft h ei n l e ta i rew a sp u tf o r w a r dt oe v a l u a t et h eu n i f o r m i t yo ft h e i n l e ta i rf l o wf i e l da r o u n dt h ec i r c u m f e r e n c e ，t h e nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e d e f l e c t o r si n s t a l l a t i o nm o d e s ( i n c l u d i n gt h es e t t i n ga n g l e ，q u a n t i t y , s h a p ea n ds i z e o ft h ed e f l e c t o r s ) a n dc 0a n dt h ea i rv e n t i l a t i o ngw a ss t u d i e d i v a b s t r a c t 2 t h eh o ts t a t em o d e lt o w e rw a sm o d i f i e d ，a n ds e v e r a ld i f f e r e n tw i n d b r e a km o d e l s w e r ei n s t a l l e dt os t u d yt h eo p t i m i z a t i o np r o g r a ma b o u tt h et h e r m a lp e r f o r m a n c e o fn d w c t t h e nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed e f l e c t o r si n s t a l l a t i o nm o d ea n d t h et h e r m a lp a r a m e t e r so fn d w c tw a si n v e s t i g a t e db ym e a n so fo v e r3 0 0t e s t c a s e s b e s i d e s ，t h ec o n c e p to ft h ee q u i v a l e n tv e n t i l a t i o n ，e q u i v a l e n th e a ta n d m a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n t sw e r ep u tf o r w a r dt oc o u n t e r a c tt h ed i s a d v a n t a g ea n d i n a c c u r a c yo ft h et r a d i t i o n a lm e t h o d sc a u s e db ye n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r e t h e q u a s i l e v e lm e t h o dw a su s e dt op e r f o r mr a n g ea n dv a r i a n c ea n a l y s i st ot h eh o t s t a t et e s td a t a ，a n dt h ei n f l u e n c i n ge x t e n to fe a c hs e r i n gp a r a m e t e r sf o rd e f l e c t o r s w a sr e s e a r c h e d 3 t h et h r e ed i m e n s i o n a lm a t h e m a t i c a lm o d e la b o u tt h ef l o wr e s i s t a n c eo fi n l e t a i r o fn d w c tw i t hd e f l e c t o r ss u b je c t e dt oc r o s s w i n d sw a se s t a b l i s h e d t h e ni ti s c o m b i n e dw i t ht h et h r e ed i m e n s i o n a lm a t h e m a t i c a lm o d e la b o u th e a ta n dm a s s t r a n s f e rp r o c e s sw i t h i nt h et o w e ra n dt h ec o n t a c tr e s i s t a n c eb e t w e e na i ra n dw a t e r t on u m e r i c a l l ys o l v et h ea e r o d y n a m i cf i e l do fn d w c t s u b j e c t e dt oc r o s s w i n d s a f t e rt h a tt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h er e l a t e df i e l dt e s t sw e r ee x e c u t e dt oa r e a lt o w e ro fap o w e r p l a n t 4 t h eo p t i m u mi n s t a l l a t i o nm o d ef o rt h ed e f l e c t o r so fr e a lt o w e rw a si n v e s t i g a t e d b ym e a n so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h e nt h ei m p a c to fd e f l e c t o rq u a n t i t yn a n d s e t t i n ga n g l ea o nv e n t i l a t i o ng a n dt h eo u t l e tw a t e rt e m p e r a t u r et w do fr e a lt o w e r w a sd i s c u s s e d t h ei n t e r i o ra e r o d y n a m i cf i e l da n dt h et e m p e r a t u r ef i e l do ft h e o u t l e tw a t e ri nb a s i nw e r ec a l c u l a t e d 5 t h ea c t i o nm e c h a n i s m so fs o m ek e yf a c t o r st oa f f e c tt h et o w e rw e r ea n a l y s e d t h ec o n c e p to fn o n d i m e n s i o n a lc o n t a c tt i m eb e t w e e nw a t e ra n da i rt lw a sp u t f o r w a r do nt h eb a s i so ft h er e s e a r c ha b o u th e a tt r a n s f e rp r o c e s sw i t h i nt h et o w e r i tq u a n t i f i e st h ee f f e c t i v er e s i s t a n c et i m eo fa i rw i t h i nt h et o w e r t h e nt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt ta n da i ss t u d i e d 6 t h ev a r i a t i o no ft h eo p t i m u mq u a n t i t yf o rd e f l e c t o r sw i t ht h et o w e rs i z ew a s i n v e s t i g a t e d t h el e v e n b e r g m a r q u a r d tm e t h o dw a su s e df o rt h er e g r e s s i o n a n a l y s i so fn 哆t ，a n dt h eo p t i m u mc i r c u m f e r e n t i a ls p a c i n gf o rd e f l e c t o r sa sa f u n c t i o no ft h et o w e rs i z ew a sa c q u i r e d v 山东大学博士学位论文 7 t h el c s - d t lg a s d i o d es o l i dl a s e rw a su s e dt oc r e a t el a s e rs h e e ta n dv i s u a l i z e t h ef l o wf i e l do ft h el e e w a r da i rs t r e a ma r o u n dt h ed e f l e c t o r st h r o u g ht r a c e rt e s t t h ef l o wf i e l d so ft h ei n l e ta i rs t r e a ma r o u n dt h ea i rd e f l e c t o r sw e r ei n v e s t i g a t e d a f t e rt h e s ei n v e s t i g a t i o n s ，t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sa r em a d e ： ( 1 ) t h e r ei sa l lo p t i m u mq u a n t i t y ff o rt h ed e f l e c t o r st og e tt h em a x i m u mg a n d g t h ev i s u a l i z a t i o nt r a c e rt e s ts h o w st h a ti nt h i sc o n d i t i o n ，t h ee n v i r o n m e n t a l a i rs t r e a mc o u l df l o ws m o o t h l yi n t ot h et o w e rw i t hah i g hf u l l n e s se x t e n ti nt h e f l o wp a s s a g e sf o r m e db yt w oa d j a c e n td e f l e c t o r s t h ed e v i a t i o no fnf r o mn o p t w o u l di n c r e a s et h ef l o wr e s i s t a n c eo fi n l e ta i ra n dr e d u c ega n dc u w h e n n n o p bs m a l ls p i r a l v o r t i c e sc o m ei n t ob e i n gi nt h ef l o wp a s s a g e sa n dt h e i rd i s t u r b a n c ee x t e n t i n t e n s i f i e sa sni n c r e a s e s ，t h i sw e a k e n st h ef u l l n e s se x t e n to ft h ea i ri nt h ef l o w p a s s a g e sa n dc a u s e st h ef l o wr e s i s t a n c et or i s e ( 2 ) t h es m a l l e rai s ，t h eh i g h e rt h et a n g e n t i a lv e l o c i t yo ft h ei n l e ta i ri s s ot h e a c c o u n to ft h ea x i a lv e l o c i t yd e c r e a s e s ，w h i c hi n t e n s i f i e st h es p i r a lv o r t e xo nt h e t r a n s v e r s es e c t i o no ft h et o w e ra n dp r o l o n g st h ec o n t a c tt i m eb e t w e e nw a t e ra n d a i r b u tt h ef l o wr e s i s t a n c eo fi n l e ta i rr i s e ss u b s e q u e n t l y a = 7 0 0c o u l dm a k eg m a t c ht h ec o n t a c tt i m eb e t w e e nw a t e ra n da i r , a n dg e tt h em a x i m u mc o o l i n g e f f i c i e n c y 叩，t h ee q u i v a l e n th e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tk h a n do t h e rt h e r m a l p a r a m e t e r s b e s i d e s ，t h ed e f l e c t o r sw i t ha i r f o i ls h a p ec o u l di m p r o v en o to n l y ，7 b u ta l s oa q d a q ，t h er a t i oo fc o n t a c th e a tt ot h eg r o s sh e a tr e j e c t i o n ，a n d i n t e n s i f i e st h eh e a tt r a n s f e rp r o c e s s ( 3 ) t h et w o - p a r a m e t e rf t e s ti n d i c a t e st h a tt h ee x p e r i m e n t a le r r o r so fc o l da n dh o t s t a t em o d e lt e s ta r es m a l l ，s ot h et e s td a t aa r er e l i a b l e i tl a y st h ef o u n d a t i o nf o r t h er e s e a r c ho fi n f l u e n c i n gm e c h a n i s mo fd e f l e c t o r sa n dt h ec a l c u l a t i o no fa i r v e n t i l a t i o na n df l o wr e s i s t a n c e ( 4 ) b o t ht h et e s td a t aa n dt h et h e o r e t i c a la n a l y s i ss h o wt h a tt h ee f f e c to fn o nga n d f w di sg r e a t e rt h a nt h a to fa ( 5 ) t h ec o m p u t a t i o n a le r r o r so ft h eo u t l e tw a t e ra n da i rt e m p e r a t u r ea r en om o r e t h a n0 3 a n d0 5 cr e s p e c t i v e l y , a n dt h em e a ne r r o ro ft h er a d i a lv e l o c i t yo f v i a b s t r a c t i n l e ta i ri sl e s st h a n0 3 m s h e n c e ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lc o u l dr e f l e c tt h e d i s t r i b u t i o nr e g u l a r i t i e so ft h ei n l e ta i ra n db e u s e dt os i m u l a t er e a lt o w e r ( 6 ) t h es p i r a lv o r t e xw o u l db ef o r m e do v e rt h ed e f l e c t o r sa r o u n dt h el e e w a r da i r i n l e ti ft h ed e f l e c t o r sa r el o w e rt h a nt h ea i ri n l e t ，w h i c hm a yr e d u c et h ei n l e ta i r v e l o c i t ya n dc a u s e “口t or i s e t h e r e f o r e ，t h eh i g h e ra n dl o n g e rt h ed e f l e c t o r sa r e ， t h eb e t t e r 叩i s t h ee s t a b l i s h e dm a t h e m a t i c a lm o d e ll a y st h ef o u n d a t i o nf o rt h ed e s i g na n d r e s i s t a n c ec a l c u l a t i o no fc o o l i n gt o w e r t h ec o n c e p t so fe q u i v a l e n tv e n t i l a t i o na n d n o n d i m e n s i o n a lc o n t a c tt i m eb e t w e e nw a t e ra n da i ro f f e ran e wm e t h o df o rt h e e v a l u a t i o no ft o w e rp e r f o r m a n c e b e s i d e s ，t h et e s tr e s u l t sa n dt h ef o r m u l ao f o p t i m u mc i r c u m f e r e n t i a ls p a c i n gf o rd e f l e c t o r sp r e s e n tp r a c t i c a li n s t r u c t i o n sf o rt h e e n g i n e e r i n gm o d i f i c a t i o no ft h et o w e r h e n c e ，t h e s ec o n c l u s i o n sa r eu s e f u lf r o mt h e t h e o r e t i c a la n de n g i n e e r i n gp o i n to fv i e w k e yw o r d s ：w e tc o o l i n gt o w e r ，p e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o n ，r e s i s t a n c em o d e l ，a i r d e f l e c t o r , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，m o d e lt e s t v i i 山东大学博士学位论文 符号说明 横截面积，m 2 填料层横截面积，m 2 单个液滴表面积，m 2 湿空气的定压比热，k j ( k g k ) 水蒸气的定压比热，k j ( k g k ) 液体水的定压比热，k j ( k g k ) 阻力系数 进风均匀系数 管径，m m 塔底直径，m 液滴当量直径，m 第i 个因素的自由度 误差自由度 单个液滴受到的阻力，k g m s 2 重力加速度，m s 2 冷却塔实际通风量，k g s 当量通风量，k g s 单位面积内的通风量，k g ( m 2 s ) 焓，k j k g 塔总高度，m 除水器厚度，m 填料层厚度，m 进风口高度，m 导风板高度，m 组分扩散的通量，k g ( m 3 s ) 湍动能，m 2 s 2 传热系数，k w ( m 2 k ) 当量传热系数，k w ( m 2 k 1 。7 5 ) 单位体积内的传热系数，k w ( m 3 k ) 传质系数，k g ( m 2 s ) 当量传质系数，k g ( m 2 s k o ) 单位体积内的传质系数，k g ( m 3 - s ) 蒸发水带走的热量系数 因素x 某水平的全部数据和 板长，特征长度，m 刘易斯系数 当量刘易斯系数，i k o 。5 质量流量，k g s 进塔水流量，k g s 单个液滴质量，k g 导风板安装数量 最佳导风板数 单位体积内的液滴数 空气的压强，p a 大气压，k p a 塔内淋水密度，k ( m 2 s ) 热量，k w 接触换热，k w 蒸发换热，k w 距原点的径向距离，r n 空气的气体常数，k j ( k m o l k ) 水蒸气的气体常数，k j ( k m o l k ) 水的蒸发潜热，k j k g 数据极差 单位体积内气水间的传热速率， k w m 3 单位体积空气受到的阻力， k g ( m 2 - s 2 ) k，kk 厮三 匆，匆 册 m 肌 p 砌 g q g g 厂 r 风鼢 彳 砂厶 畅 铷 钾劬 g d d 仉 石 f g g 吼 办 日 凰 毋塌 吼 ， 七 锄。鲰 如 符号说明 - _ l i _ _ _ l - _ l - _ l - l i _ i i _ - i _ l i _ _ m l - _ l _ - - l - l i - _ l _ l _ _ _ l - _ l _ l _ _ _ _ - _ _ l _ l o ! ! & 因素i 引起的偏差 跏单位时间单位体积内水滴的蒸发 量，k g ( m 3 s ) s 簟数据总偏差 ， 温度， o 州环境湿球温度， 死 无量纲的气水接触时间 v空气流速，m s v c 侧风速度，n t i s 液滴速度，m s l水蒸气的质量组分，k g k g 希腊字母 口导风板安装角度，o 水蒸汽的层流扩散系数，m 2 s 局 水蒸汽的湍流扩散系数，m 2 s s 湍动能耗散率，m 2 s 3 己除水器阻力系数 8 的湍流普朗特数 吼 湍动能k 的湍流普朗特数 a 湿空气的层流导热系数，w ( m k ) 九湿空气的湍流导热系数，w ( m k ) 卵冷却效率，1 0 0 p空气密度，k g m 3 却密度差，k g m 3 印压差，p a 彳，温差， z f f m 。蒸发水量，k g s 卢空气的层流动力粘度，k g ( m - s ) 胁空气的湍流动力粘度，k g ( m s ) 9相对湿度，1 0 0 z含湿量，k g k g 口 冷却数 无量纲数 三p 刘易斯数 m 雷诺数 矾 密度弗雷德数 e u欧拉数 普朗特数 施密特数 上角标 ” 饱和状态 下角标 a空气 a v g 平均 c 侧风 f 填料 i入口 m 模型 0出口 p 原型 r e f 参考点 v水蒸汽 w 水水滴 w e t 湿球 x ，y ，z 坐标分量 i x 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：垄鱼12 日期：! ：兰：生! 芏 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 至堑d 导师签名： 日期：翌皇：! 兰：! 垆 第l 章绪论 第1 章绪论 冷却塔是火电厂的重要辅助生产设备，其工作过程就是把火电厂汽轮机末 端的排汽在凝结成水的过程中所要散发出的大量热释放到大气中，使凝结水获 得较低的水温。 冷却塔的型式多种多样，分类的依据也有很多。根据塔内热质交换的形式， 即空气与水是否直接接触，可分为干式冷却塔和湿式冷却塔和混合式( 闭式) 冷却塔；根据塔内水气流动的方向可分为逆流式塔和横流式塔；根据塔内通风 方式可分为自然通风冷却塔、机械通风冷却塔及自然与机械混合通风冷却塔三 种。 1 1 课题研究背景 自然通风湿式逆流冷却塔是目前我国电力系统中采用最普遍的冷却塔形 式。它具有运行费用低、故障少、较易于维护的特点；且因风筒高，在运行时 飘滴和雾气团对周围环境的影响小。运行时，塔内空气逆流而上与落下的水直 接接触，进行传热传质达到降低循环水温的目的。冷空气在塔内升温后湿度增 大，密度减小，形成塔内、外空气密度差所产生的压差，使塔内具有一定浮力 的上升气流。当这一浮力大于塔出口与进口之间的压差时，周围环境空气被源 源不断的吸入塔内，维持冷却塔的正常运行。自然通风湿式冷却塔的工作过程 示意图如图1 1 所示。 热滟7e 流 x i产 图1 - 1 自然通风湿式逆流冷却塔工作过程示意图 冷却塔的冷却性能受环境影响较大，尤其是环境侧风。研究表明【1 , 2 】，当有 山东大学博士学位论文 环境侧风时，塔内流场分布不均，且产生纵向漩涡和横向漩涡，使空气流动性 能减弱，降低了冷却塔的通风量和冷却能力。 在冷却塔的设计过程中【3 8 】，涉及到塔的选型、尺寸选择、出塔水温和气 温等热力参数的计算，其中需要计算塔的通风量和通风阻力。但是目前国内外 冷却塔的设计建造，都还未充分考虑环境侧风带来的影响。该问题是涉及传热 传质的、具有复杂边界的湍流三维流动问题。对侧风下冷却塔进风阻力的研究， 可以为冷却塔的设计计算和性能评价分析提供理论基础；对于完善湿式冷却塔 内汽液两相流的传热、水滴蒸发传质理论，现有冷却塔的增效也具有重要的理 论指导意义。 循环水的冷却过程是电力生产中十分重要的过程。冷却塔性能的好坏在很 大程度上影响电厂的经济性和稳定性。首先从经济性上讲，电厂的冷源损失是 各个环节损失中最大的一项。一个3 0 0 m w 机组满负荷运行时，冷却塔每秒向 环境放热量约为5 1 0 5 l ( j 。如果冷却塔性能不好，或者是运行不稳定，将会使 循环冷却水的温度升高，而冷却水温的升高将使凝汽器的真空下降，汽轮机组 的工作效率下降，从而导致发电的煤耗量增加，使设备的出力降低，大大的影 响了电厂的热效率。 以一3 0 0 m w 机组为例【9 】，循环水温每升高1 ，循环热效率降低o 2 3 9 6 ， 机组煤耗增加0 7 9 8 9 ( k w h ) ，热耗增加2 3 4 k j ( k w h ) ，机组每年多耗煤约1 6 8 0 吨，若按照每吨标煤6 0 0 元，则厂运行费用每年直接增加约1 0 0 万元。此外， 由于热耗增加，锅炉给水泵出力增大【1 0 】，而煤耗增加使得磨煤机出力增大；在 汽轮机侧由于真空降低而导致了发电量的减小，这样由于其他辅机运行成本的 增加，给电厂带来的间接经济损失每年也有