環(huán)境風對間接空冷塔內空氣流場的影響

間接空冷塔的塔型優(yōu)化必須考慮各參數(shù)對空冷塔的經(jīng)濟安全產(chǎn)生的影響，而間接空冷塔以環(huán)境空氣為冷卻介質，已投產(chǎn)的國內外機組的運行情況表明，環(huán)境風對間接空冷塔的傳熱流動特性的影響十分顯著，本章借助Fluent軟件，對環(huán)境風對間接空冷塔的傳熱流動特性的影響進行了數(shù)值研究。

1.物理模型

本文以某600MW間接空冷塔為例進行了數(shù)值模擬，塔高為183m，出口直徑115.6m，喉部高度132m，喉部直徑106m，直徑164m，冷卻三角個數(shù)238個，塔的物理模型如圖3-1所示，為保證模擬結果不受空冷塔周圍非真實環(huán)境的影響，計算域的尺寸遠遠大于空冷塔的尺寸，無風工況下，為對稱模型，有風工況下為方形。

在進行網(wǎng)格劃分時，冷卻三角雖然尺寸相對較小，但卻是空冷塔換熱過程的關鍵，故而采取比較密集的網(wǎng)格，而空冷塔及其外選取的計算區(qū)域，由于尺寸較大，采取比較稀疏的網(wǎng)格。據(jù)統(tǒng)計，本模型的網(wǎng)格數(shù)為7853640。

2.數(shù)學模型

空氣穩(wěn)態(tài)對流換熱過程的控制方程可表示為

求解時，采取基于有限體積法的求解方法。上述控制方程采取的離散格式為一階迎風格式。選取的湍流模型為可實現(xiàn)化模型，壓力與速度的藕合選用SIMPLE算法。采用不可壓縮理想氣體模型，處理空氣密度隨溫度的變化關系。

模擬過程中，認為一切流動和換熱都己經(jīng)達到平衡狀態(tài)，故而不包含時間項，且過程中的輻射換熱也不考慮，在空冷塔內不考慮空氣密度對換熱產(chǎn)生的影響，翅片的導熱系數(shù)設為常量，X型支架等調節(jié)支撐設備也未考慮。

3.結果分析

（1）無風工況

在無風的情況下，空氣進入空冷塔內與散熱器內的循環(huán)冷卻水進行熱量交換，溫度升高后的空氣在塔的抽吸力作用下，流向塔外，速度沿塔的高度方向不斷增大，整塔的速度流線表現(xiàn)出比較大的均勻對稱性。

（2）風速4m/s工況

風速為4m/s時，整塔的流線已經(jīng)發(fā)生變化，此時空冷塔內空氣的流動已經(jīng)受到外界環(huán)境風的影響，在塔底散熱器迎風面入口處風速較高，此處換熱效果較好，可以看出在環(huán)境空氣的影響下，塔內空氣的流動發(fā)生偏轉，較無風工況，均勾對稱性消失，但受影響部分僅為一小部分，環(huán)境風對整塔的流動和換熱影響較小。

（3）風速8rn/s工況

在環(huán)境風速達到8m/s時，空冷塔內空氣的流動發(fā)生較大偏轉，受影響部分已經(jīng)擴散到空冷塔的一半還多，塔內空氣的流速整體偏低，還有部分空氣在環(huán)境風的作用下，從空冷塔底部一側的散熱器流入，從另一側的散熱器流出，而未從空冷塔的出口流出，即所謂的“穿膛風”，對空冷塔的流動和換熱產(chǎn)生了不好的效果。

（4）風速12m/s工況

當風速達到12m/s時，空冷塔內空氣的流動發(fā)生了更大的改變，幾乎整塔的空氣流速都較低，散熱器底部流出的空氣越來越多，從整塔的速度流線可以看出，由于環(huán)境風速較高，大部分空氣已經(jīng)不能從塔的出口流出，而是在外界環(huán)境風的壓制下，發(fā)生“倒灌”現(xiàn)象，到達塔出口后又流回塔內，造成空冷塔內空氣流動紊亂，這必然對整個空冷塔的流動和換熱產(chǎn)生十分惡劣的影響，甚至對機組的安全性造成威脅。

（5）風速16m/s工況

當環(huán)境風速達到16m/s時，塔出口空氣的“倒灌”現(xiàn)象越來越嚴重，只有很少的空氣可以流出塔外，絕大部分空氣在外界高速空氣的壓迫下，在塔內循環(huán)流動，形成漩禍，整塔空氣速度較低，熱量的攜帶者空氣無法流出塔外，塔內溫度必然升高，發(fā)生傳熱惡化，循環(huán)冷卻水的出口溫度必然升高，與之相應的機組背壓自然隨之升高，整個機組的熱效率大幅降低，不僅如此，由于塔內空氣長期無法流出，這對塔的安全性產(chǎn)生了十分大的威脅。

借助Fluent數(shù)值模擬軟件，以某600MW間接空冷塔為例進行了數(shù)值模擬，研究了環(huán)境風速變化對空冷塔內的流動換熱特性產(chǎn)生的影響，結果顯示：

（1）在無風情況下，塔內空氣流動呈現(xiàn)對稱性，換熱較好；（2）在環(huán)境風速不為0時，塔內空氣流動發(fā)生偏斜，風速達到一定程度時，部分空氣不能從空冷塔出口流出，發(fā)生“倒灌”現(xiàn)象，在環(huán)境風的壓迫下流回塔內，形成漩禍，塔內空氣流動紊亂，造成傳熱惡化。環(huán)境風速越高，“倒灌”現(xiàn)象越嚴重，當環(huán)境風速達到16m/s時，絕大部分的空氣無法流出塔外，這對機組的安全性和經(jīng)濟性產(chǎn)生了十分惡劣的影響。（3）在環(huán)境風的作用下，部分空氣會從空冷塔底部的一側散熱器流入，從另一側散熱器流出，而未從空冷塔的出口流出，形成“穿膛風”，這部分空氣的換熱效果較差，環(huán)境風速越高，“穿膛風”現(xiàn)象越嚴重。

（作者單位：邵陽學院）

作者簡介：胡必燊，湖南，邵陽學院，學生，機械系，熱能與動力工程，制冷與低溫方向。