一种基于流场优化的提升高级水收集冷却塔热性能的新方法

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：A new method to improve the thermal performance of high-level water collecting cooling towers based on the optimization of flow field

　　摘要：高层集水式冷却塔外壳附近的纵向涡流会降低外部区域的冷却效率。为解决这一问题，本文提出了一种新型环形导流装置，以优化内部流场。研究建立了五种不同结构导流装置的三层数值模型，通过数值计算分析了不同运行条件下的速度场、温度场以及关键性能参数。结果表明，该导流装置能够减弱外部区域的纵向涡流，但同时会在下游产生有害涡流。其整体效果取决于导流装置的横向和纵向尺寸，其中P4结构具有最佳的冷却性能。进水温度对P4导流装置的效果影响大于喷水密度。在无风条件下，P4导流装置可使通风率提高1.7%，水温下降幅度增加0.39℃，体积传热系数和梅尔克数分别提升4.5%和5.0%。在有侧风情况下，P4导流装置通过抑制纵向循环来优化流场，从而使通风率和水温下降幅度分别提高12.2%和0.75℃。本研究为高层集水式冷却塔的性能优化提供了新的思路。

引言：冷却塔对于将循环水中的废热排放到大气中至关重要。冷却塔热性能的下降不仅会降低发电机组的热效率，还会增加水泵的能耗。因此，优化冷却塔的热性能有助于提升热经济性并减少运行能耗。目前已有大量关于自然通风冷却塔性能优化的研究，现有技术方法主要可分为三类：填料结构优化、配水系统调整以及流场整流。在填料优化方面，学者们通过调整填料的形状、材质和布局来提高气液接触的均匀性。常见的结构化填料如倾斜波纹填料、双S形填料和直波填料，相比传统填料可使冷却效率分别提高15.3%、13.7%和14.4%。在填料上添加四槽结构还可使梅尔克数提高12.2%。在填料材料方面，纤维素、椰壳纤维和穿孔金属板都能显著提升传热性能。此外，非均匀分布的填料也被证明能有效优化流场均匀性，比如不同高度和非等距分布的填料组合、阶梯式填料布局以及横流与逆流相结合的填料布局，可使水温下降幅度分别增加0.17℃、0.29℃和0.41℃。有研究指出，相比20毫米的均匀间距，20毫米、26毫米和30毫米的混合间距可使水温下降幅度增加约0.2℃。在配水优化方面，将配水区域分为三区或四区，以及基于气水传热匹配的优化分区配水方法，可使水温下降幅度分别增加0.96℃、0.69℃和0.60℃。数值研究表明，将喷嘴布置在上层集管中，可使梅尔克数比布置在中下层集管中分别提高24%和37%。还有研究将配水优化与非均匀填料、干湿混合淋水区等措施结合，使水温下降幅度达到0.58℃和0.68℃，显示出多区域协同优化的巨大潜力。此外，Al2O3、CuO和ZnO等纳米流体也具有提升冷却塔传热性能的潜力。然而，上述优化方法主要能提升局部的气液换热效率，无法从根本上抑制冷却塔中的大规模纵向涡流。随着冷却塔尺寸的增大，流场的不均匀性成为导致性能下降的重要因素。为此，人们提出了多种辅助整流结构来调节扭曲的流场。例如，有研究者提出混合干湿淋水区模型，可有效降低通风阻力，使出水温度下降0.48℃，从而减少水滴带来的流动阻力；在干区风道中加装辅助风扇，可使通风率提高4.4%，出水温度下降0.68℃。此外，利用下落水滴的势能驱动风扇，以及在湿区安装风道和导流装置，也能显著改善侧风条件下的内部流场。与传统冷却塔相比，由于缺乏淋水区的导流作用，高层集水式冷却塔对环境参数更为敏感。尤其是纵向涡流会对高层集水式冷却塔的冷却能力产生显著的负面影响。基于这些特点，人们提出了多种改造方法，包括进水帽结构、混合通风方式、分区配水与导风结构相结合的方法，以及优化WCDs的布局，以此改变纵向涡流的分布并优化流场。不过，这些现有的改造技术存在两个突出的工程缺陷，限制了其在实际中的应用：一是大多数外部导风框架和挡风结构需要占用冷却塔外的空间，而那些冷却岛布局紧凑的电厂则没有足够空间；二是那些需要改造集水装置的方案，需要对冷却塔内部的组件进行大规模拆卸和焊接，从而导致机组停机时间延长，改造成本高昂。鉴于现有方法的局限性，亟需开发一种既不占用外部空间又不影响冷却塔原有结构的有效流场优化方法。为此，本文提出了一种新型环形导流装置来应对纵向涡流问题。本研究的主要贡献在于分析了所提出的环形导流装置对高层集水式冷却塔流场的影响机制。首先，建立了装有五种不同结构导流装置的高层集水式冷却塔的三维模型；其次，通过对速度场和温度场的对比分析，揭示了流场的分布特征；最后，阐明了在不同运行条件下，不同导流装置对冷却塔性能的影响。本研究为高层集水式冷却塔的流场优化提供了一种新方法。

几何模型：本研究中的高层集水式冷却塔是为1000兆瓦的发电单元设计的，其喷水面积约为20,000平方米。图1展示了装有环形导流装置的高层集水式冷却塔的示意图。如图1所示，该冷却塔包含82个位于填料下方的集水装置，每个集水装置由一块45°倾斜的板和一个U形水槽组成。环形导流装置安装在进风口与集水装置之间。本文共提出了五种不同尺寸的环形导流装置。

结果与讨论：本研究提出了一种新型环形导流装置，用于优化高层集水式冷却塔的流场。为了全面评估该冷却塔的通风和热性能，根据相关公式计算了四个性能参数，即空气质量流量ma、水温下降幅度Δtw、填料的体积传热系数K以及梅尔克数N。

主要研究发现：为优化高层集水式冷却塔的空气流场，本研究提出在集水装置下方安装新型环形导流装置，以减轻垂直涡流的不良影响。通过数值模拟，比较了装有和不装导流装置的冷却塔在不同工作条件下的流场、温度场以及热性能差异。主要研究结果如下：(1)环形导流装置能够有效引导气流进入最外层的集水装置，从而减弱纵向涡流的影响。

作者贡献声明：吕俊泽负责原文撰写、验证及正式分析；陈学红负责审稿与编辑、资源获取、概念设计；李远豪负责软件使用及数据整理；张新福负责可视化处理及验证。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。

致谢：感谢山东省自然科学基金项目ZR2022QE288的支持。

吕俊泽|陈学红|李远豪|张新福