太阳能增强型直排自然通风干冷塔中耦合传热与浮力驱动流动：集热器半径和环境条件的影响

《International Journal of Heat and Mass Transfer》：Coupled heat transfer and buoyancy-driven flow in solar-enhanced direct natural draft dry cooling towers: Effects of collector radius and environmental conditions

　　

摘要

太阳能增强型直接自然通风干冷塔（SEDNDDCT）利用太阳能加热来增强浮力驱动的通风效果，从而改善聚光太阳能发电（CSP）电厂的散热性能。然而，集热板半径与环境条件如何共同影响其冷却性能仍有待明确。本研究评估了四种具有不同集热板半径的SEDNDDCT在环境温度、横风速度、太阳辐射强度和太阳高度角变化条件下的冷却性能。为了确定最优集热板半径，本研究定义了一个边际效益指标，即单位集热板面积增量所对应的增量冷却能力。根据目标CSP电站在平均横风条件下的边际效益，选取了2.8R-SEDNDDCT作为研究对象。随后对其温度和速度场进行了分析，并建立了二次响应面模型，以量化环境参数的独立效应和交互效应。结果表明，横风速度是决定集热板半径选择的主要因素。当平均横风速度为4 m/s或更低时，推荐采用2.8 R的集热板半径；而在更高横风速度下，则优选2.1 R。较高的环境温度と横风速度通常会降低冷却能力，而增加太阳辐射强度则会增强冷却能力，太阳高度角的影响相对较弱。响应面分析确认，环境温度和横风速度是影响冷却能力的主导因素。太阳辐射强度在高温和有风条件下可提供一定的补偿作用，但无法抵消由此导致的冷却能力下降。这些发现为不同环境条件下SEDNDDCT的集热板半径选择和性能评估提供了指导。

引言

当前全球面临的一项重大挑战是如何在日益增长的能源需求与碳中和及能源安全目标之间取得平衡[1]。这一紧迫问题促使许多国家加快从化石燃料向可再生能源的转变[2]。聚光太阳能发电（CSP）技术是一种利用阳光捕获并产生电力的太阳能技术[3]。它提供清洁、可靠且灵活的电力，非常适合可再生能源系统[4]。

鉴于CSP电厂通常建在太阳能带的干旱沙漠地区，干冷却技术因其节水优势而被广泛采用[5]。作为一种基于自然通风的创新构型，直接自然通风干冷塔（DNDDCT）将空气冷却器（ACC）束与自然通风冷却塔（NDCT）集成在一起[6]。与常规干冷却系统相比，这种构型降低了寄生功耗、简化了系统并提高了冷却能力，特别适用于干旱地区的CSP电厂[7]。

尽管集成了ACC束，DNDDCT仍保留了NDCT的基本特性。因此，它仍然容易受到环境因素的影响，尤其是横风[8]和环境温度[9]。Strydom等人[10]报道，在横风速度为3 m/s、6 m/s和9 m/s时，小型、中型和大型塔分别出现44%、40%和40%的冷却能力损失。Kong等人[11]证明，当横风速度达到15 m/s时，DNDDCT的冷却能力下降了24.63%。为减少横风对NDCT的不利影响，改善横风条件下NDCT进、出口的流场是最直接的方法之一[12]。Ma等人[13]采用环形对齐的干（湿）填料作为挡风装置，在横风速度为8 m/s时，NDCT冷却能力最大提高了17.7%（26.9%）。Abbasi等人[14]报道，在横风速度为10 m/s时，在塔出口安装25 m挡风装置可将冷却能力从147 MW提高到182 MW。基于气流特性，Zhao等人[15]重构了冷却三角区的流场。结果表明，在无风条件下NDCT出口水温降低了0.13 °C，在横风速度为12 m/s时降低了0.19 °C。Wang等人[16]表明，基于最小机械能耗散原则优化NDCT内部挡板布置可有效减轻横风效应，在横风速度为16 m/s时压降最多降低76.9%，冷却能力增加43.34 MW。Li等人[17]表明，配备单弧形挡风装置的NDCT在横风速度为18 m/s时冷却能力提高了79.74%。

此外，NDCT的冷却性能取决于空气干球温度，通常随着环境温度升高而恶化。已有多种方法被报道用于减轻NDCT在高温期间的冷却性能恶化，尤其是空气预冷。Ma等人[18]报道，在NDCT中使用湿填料可有效将其冷却性能提高20.9%。Liu等人[19]证实喷雾预冷可降低通风率；然而在喷雾流量为16 kg/s时，与无喷雾情况相比，冷却能力增加了35.2%。Ruiz等人[20]表明，预冷可有效改善CSP电厂中NDCT的性能。与湿冷却塔相比，采用预冷NDCT的电厂效率仅低2.9%，而对于ACC，相应的降幅至少为7.2%。Luo等人[21]报道，对于一座120 m的NDCT，采用双圈喷嘴布置的喷雾预冷方案并结合Y型挡风装置，在横风速度为4 m/s时冷却能力增强了19.07 MW。

Zou等人[22]提出了一种太阳能增强型间接自然通风干冷塔（SEINDDCT），以提高冷却能力。其原理是利用太阳辐射加热塔内空气，从而增强浮力。Ghorbani等人[23]报道，当SEINDDCT应用于250 MW电站时，热效率提高了0.54%。Wang等人[24]观察到，在较高的环境压力和更高的太阳辐射强度下，SEINDDCT的冷却能力得到增强。Yuan等人[25]指出，通过减小换热器尺寸并部分限制集热板入口，可以抑制涡旋发展，从而改善塔体冷却性能。此外，Xu等人[26]发现，采用锯齿形布置可有效减轻横风干扰并增强SEINDDCT的冷却能力。Wang等人[27]创新性地将ACC与SEINDDCT集成，形成了太阳能增强型DNDDCT（SEDNDDCT）。其模拟结果表明，与DNDDCT相比，SEDNDDCT不仅提供了增强的冷却性能，还优化了内部流场，从而减轻了横风导致的冷却能力下降。

SEDNDDCT为热电厂的废热排放提供了一种被动解决方案，无需额外的水耗或寄生功耗需求。之前的研究[27]证实了SEDNDDCT的冷却增强效果，并考察了其在不同横风速度下的冷却性能。然而，集热板半径的对比仅在改变横风速度的情况下进行，而环境温度、太阳辐射强度和太阳高度角保持不变。因此，在更广泛的环境条件范围内，边际效益（定义为单位集热板面积增量所对应的增量冷却能力）如何变化仍不清楚。这些条件的变化是否会影响最优集热板半径也需要进一步研究。除了集热板半径选择之外，环境条件对SEDNDDCT冷却性能和太阳能引起的冷却增强的影响尚未完全阐明。环境条件对冷却能力的独立效应和交互效应也仍有待定量评估。特别是，虽然太阳能加热可以增强浮力驱动的通风，但这种增强能在多大程度上抵消高温和强横风导致的冷却性能下降仍不清楚。

为弥补上述研究空白，本工作首先评估了四种不同集热板半径的SEDNDDCT在不同环境条件下的冷却能力。通过单位集热板面积增量对应的增量冷却能力来确定边际效益最高的集热板半径。基于此评估，选取2.8R-SEDNDDCT作为优选构型进行深入研究。随后对温度和速度场进行了详细分析，以阐明环境参数如何影响内部流场结构、浮力发展、集热效率和太阳能引起的冷却增强。最后，基于140次数值模拟建立了二次响应面模型（RSM），以量化并排序关键环境因子的影响。本研究阐明了环境条件对SEDNDDCT流场和传热特性的影响，并为提高其天气适应能力提供了指导，从而支持其在CSP电厂中的更广泛应用。

章节摘要

参考几何构型

为中国青海的一座50 MW CSP电厂设计了一座基准DNDDCT，其在环境温度11 °C、横风速度0 m/s条件下的额定冷却能力为65 MW [27]。基准塔由24个冷却三角区组成，顶角为60°。入口高度、喉部高度和塔高分别为9 m、51 m和61 m，底部、喉部和出口直径分别为44 m、29 m和30 m，如图1所示。结合塔体几何形状和ACC

控制方程

由于静压变化可忽略不计，空气被视为不可压缩理想气体[32]。塔内及塔外的流场由雷诺平均Navier–Stokes方程控制。已有研究表明，RANS湍流模型的性能取决于流场构型，没有单一模型在所有流场量上始终优于其他模型[33]。采用标准k-ε模型，因为它已被广泛应用于SEINDDCT的数值研究

四种SEDNDDCT在不同环境条件下的热性能对比

本节对比了四种SEDNDDCT在不同环境温度、太阳辐射强度和太阳高度角下的冷却能力和边际效益。目的是确定在不同环境条件下具有最高边际效益且适应性强的集热板半径。

结论

本研究基于边际效益探讨了太阳能增强型直接自然通风干冷塔（SEDNDDCT）在不同环境条件下的集热板半径选择和冷却性能。分析了环境温度、横风速度、太阳辐射强度和太阳高度角对冷却能力和边际效益的影响。以2.8R-SEDNDDCT作为代表构型，随后对其进行了详细的流场和温度场分析

CRediT作者贡献声明

Fengqi Si（司锋麒）：可视化、监督、资源、项目管理、资金获取、概念化。Huan Ma（马欢）：写作——审稿与编辑、可视化、监督、资源、资金获取、形式化分析。Yexin Li（李亦鑫）：软件、数据整理。Baigong Wang（王百工）：写作——审稿与编辑、写作——初稿撰写、验证、软件、调查研究、形式化分析。

利益冲突声明

代表我的合作者和我本人，声明我们在所提交的工作相关事务中不存在任何商业或关联利益，不存在利益冲突。

致谢

本研究的资金支持来自国家自然科学基金委员会（项目编号：52206007）和中国博士后科学基金资助计划（项目编号：GZC20230426），特此致谢。

Baigong Wang|Huan Ma|Yexin Li|Fengqi Si

东南大学能源与环境学院，南京 211189，中国