冷却塔的计算

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  中国水利水电科学研究院北京摘要：冷却塔是火力发电厂循环冷却水系统的主要设备，其效率直接影响电厂运行成本。塔内气流运动在无风时为二维轴对称运动，而目前国内的冷却塔设计计算为一维计算方式，无法对冷却塔来优化设计。因此，建立二维冷却塔设计计算方式具有一定的意义。本文对气流运行采用雷诺时均方程，雷诺应力用kε双方程模型进行封闭，雨区的热交换的雨滴当量直径采用已有的冷却塔雨区热力特性研究成果，建立起二维自然通风逆流式冷却塔设计计算模型。通过与原型观测资料对比，本文所提出的二维计算方式出塔水温的计算结果与原型相差小于。结合某电厂工程设计实例，通过二维数值模拟计算，对塔内填料和配水来优化布置，冷却塔出塔水温可降低0关键词：逆流塔、数值模拟、优化设计、热力计算自然通风逆流式冷却塔效率的高低直接影响发电厂的运行成本，塔内淋水填料的布置和配水方法不一样将影响冷却塔出塔水温。塔内的气流是轴对称二维湍流流动，而目前我国的冷却塔采用的一维设计方法，无法对塔的填料布置及配水来优化设计。为使冷却塔设计达到二维水平，前人已经作了大量工作是国内第一次用二维模拟计算进行工程设计的，计算中雨滴当量直径采用了假设值，湍流模型采用计算区域内湍流粘性系数处处相同的工程代数模型。本文在前人试验研究基础上建立起的二维计算方式，计算出塔水温与原型观测资料对比，结果相当令人满意。结合一具体工程设计采用二维数值模拟计算给出了逆流式自然通风冷却塔配水及填料的优化布置。冷却塔空气流场数学模型自然通风冷却塔如图1所示，在无自然风时，塔内空气流场为轴对称的二维流动。冷却塔在稳定运作时的状态下，塔内气流动为定常流，空气为不可压缩。塔内填料顶面气流的雷诺数可达1ε双方程湍流模型为压力(Pa为重力加速度(Cμ、C1、C2C1C2塔内热交换数学模型冷却塔的热质交换共有三个区域，热水从喷溅装置喷出后至淋水填料顶面的喷淋区；淋水填料区；从淋水填料至冷却塔的集水池的雨区。热力计算采用焓差法，即：dV为单元体积(）可以推出水温t与空气焓的方程：3600同前。q为淋水密度（k散质系数的取值要利用式（9）进行换热计算，须首先确定三个热交换区的的散质系数。目前我国试验室给定的填料的散质系数是包含了模拟试验塔的喷淋、填料及尾部的热力性能的综合结果，不同的试验单位有不同的尾部高度，在用一维计算方式进行热力计算时，采用不一样单位的试验结果时，乖以不同的经验系数，但这样作并不科学。为此，中国水利水电科学研究院提出了更为科学的方法。一般喷溅装置的喷淋区高度，模拟塔与原型差别不大，可作为一个区考虑，只须将试验室数据去除尾部的冷效作为填料的散质系数，而雨区的散质系数取试验给出的公式，根据原型塔的高度、淋水密度及风速进行计算即可。雨区散质系数公式如下：同前；N为冷却数；h为雨区高度(；λ为气水比；Ka为雨区的平均散质系数雨滴运动数学模型雨滴在冷却塔中的运动是一个十分复杂的过程，计算时将雨滴简化为相同直径的刚性球。在此基础上按牛顿第二定理即可列出雨滴的运动方程。mgdxdumudtdxdxdudtdudxdumudtdrdxdudtdu为时时间作用用力为空气的动力粘性系数；为等效的雨滴直径或雨滴当量直径（m）。雨滴当量直径的大小与淋水密度、冷却塔的直径、雨区高度等有关，取值方法参见文献[其余同前。淋水填料对气流的作用力为：为填料的阻力系数；为填料的高度（m）,其余同前。雨区热交换的数学模型与阻力计算相仿，雨区的热交换亦将雨滴简化为相同大小的球，球的面积散质系数计算公式为：为雨区热交换的雨滴当量直径（m）。其值与雨区高度、淋水密度及风速等因素相关，确定其值时，先假定一个当量直径，按式（2）作对比，当二者相等时即为当量直径值。冷却塔进风口进风口给定为当地大气压力；u取值为0参照文献［7］给定，k为进风口上沿半径（m）,为进风口速度，分布如下图2所示。出口选在喉部出口为第二类边界条件：