冷卻塔上方遮擋物投影面積對(duì)風(fēng)阻及換熱效果的影響分析

張敬爭，蘇輝

（1.中節(jié)能（合肥）可再生能源有限公司，安徽 合肥 231602；2.合肥德泰科通測控技術(shù)有限公司，安徽 合肥 231602）

0 引言

冷卻塔類型多樣，目前，自然通風(fēng)式冷卻塔應(yīng)用最為普遍，在電力、空調(diào)等領(lǐng)域都廣泛使用，其運(yùn)行穩(wěn)定，易于維護(hù)，空氣通過逆流與水接觸，將熱量充分散發(fā)出去，達(dá)到降溫目的，在這個(gè)過程中，由于冷空氣升溫后密度降低，形成上升氣流，導(dǎo)致冷卻塔底部氣壓降低，對(duì)周圍產(chǎn)生吸力，推動(dòng)上方空氣排出，形成循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)[1]。

自然通風(fēng)式冷卻塔對(duì)環(huán)境影響較小，但是卻受環(huán)境影響很大，尤其是周圍遮擋物導(dǎo)致的環(huán)境側(cè)風(fēng)，對(duì)冷卻塔內(nèi)部流場分布都有影響，這就很容易在塔內(nèi)產(chǎn)生各種空氣旋渦，導(dǎo)致空氣流向復(fù)雜錯(cuò)亂，影響降溫效率和冷卻效能，如果一旦冷卻塔運(yùn)行出現(xiàn)異常，將會(huì)出現(xiàn)凝汽器真空惡化，汽輪機(jī)溫度升高，導(dǎo)致低壓缸受熱膨脹，進(jìn)而故障停機(jī)。因此在冷卻塔建立之初，就要充分考慮各類因素，降低環(huán)境影響，但是在目前國內(nèi)外冷卻塔建立時(shí)，對(duì)未來考慮還不能做到十分精準(zhǔn)的控制[2]。因此，許多冷卻塔都面臨著遮擋物帶來的一系列經(jīng)濟(jì)損失問題，因此，研究并解決這些問題具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 冷卻塔風(fēng)阻和換熱效果的研究現(xiàn)狀

自上世紀(jì)初冷卻塔出現(xiàn)并逐漸備受關(guān)注，在普及發(fā)展過程中，人們對(duì)冷卻塔運(yùn)行的各類影響因素進(jìn)行了大量的研究，也掌握了許多科學(xué)的建設(shè)設(shè)計(jì)方法，特別是不少專家學(xué)者都研究了關(guān)于風(fēng)阻以及換熱對(duì)冷卻塔運(yùn)行效率的影響。趙振國通過模型試驗(yàn)，推導(dǎo)出進(jìn)風(fēng)口阻力計(jì)算公式，驗(yàn)證了在進(jìn)塔風(fēng)量方向，以及周圍圍墻等遮擋物對(duì)氣流速度影響。但是模型試驗(yàn)環(huán)境為靜態(tài)無風(fēng)環(huán)境，相關(guān)參數(shù)與實(shí)際數(shù)據(jù)有較大出入。趙順安推導(dǎo)出了在雙系統(tǒng)下冷卻塔的吸力和換熱效能。Sarker通過實(shí)驗(yàn)測量了在不同的進(jìn)風(fēng)、濕度、溫度時(shí)冷卻塔熱力性能，得出冷卻塔的換熱效率與空氣壓力降低正相關(guān)關(guān)系[3]。

在計(jì)算機(jī)技術(shù)的支持下，生態(tài)模擬成為了研究冷卻塔換熱效果的重要方法，有學(xué)者將其通過數(shù)字化模擬空管形態(tài)，注入等量氣流體，模擬冷卻塔工作過程，但是場景簡陋，不能正確反映流場分布和溫度變化。也有學(xué)者通過氣水相互作用，采取公式求值，研究壓降和熱傳遞系數(shù)，并根據(jù)影響因子判斷塔中心和塔外圍溫度差，得出冷卻塔換熱的主要形式是蒸發(fā)換熱。

根據(jù)當(dāng)前學(xué)術(shù)研究現(xiàn)狀，可知大多專家學(xué)者僅僅針對(duì)進(jìn)風(fēng)對(duì)風(fēng)阻和換熱進(jìn)行研究，沒有對(duì)進(jìn)風(fēng)的影響因素，即周圍遮擋物帶來的進(jìn)風(fēng)變化進(jìn)行研究。研究方法多是單純的模擬環(huán)境，沒有充分考慮環(huán)境因素。本文將從冷卻塔上方遮擋物投影面積對(duì)冷卻塔進(jìn)風(fēng)量影響分析，建立進(jìn)風(fēng)阻力模型，研究塔內(nèi)換熱機(jī)理，找到對(duì)冷卻塔最重要的影響因素，并根據(jù)理論進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，提高冷卻塔工作效能[4]。

2 冷卻塔進(jìn)風(fēng)阻力研究

冷卻塔在純理論中，周圍環(huán)境保持一致的情況下，其進(jìn)風(fēng)量應(yīng)當(dāng)是均勻分布，線性通風(fēng)，但是環(huán)境復(fù)雜多變，尤其是周圍遮擋物導(dǎo)致的環(huán)境側(cè)風(fēng)，將會(huì)使冷卻塔通風(fēng)量減少，進(jìn)而降低冷卻性能，對(duì)此需要進(jìn)行一定的環(huán)境優(yōu)化，加裝一些防風(fēng)措施，但是這些加裝設(shè)備也會(huì)反過來影響冷卻塔，因此，需要進(jìn)行深入研究實(shí)驗(yàn)，才能得到進(jìn)風(fēng)阻力優(yōu)化方案，并為這一領(lǐng)域提供有價(jià)值的參考資料。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

首先進(jìn)行模型構(gòu)建，根據(jù)冷卻塔實(shí)際參數(shù)，按照比例構(gòu)建模型，實(shí)現(xiàn)幾何相似和動(dòng)力相似。具體針對(duì)某300MW機(jī)組冷卻塔，構(gòu)建1:400模型塔，塔底直徑為0.25m，進(jìn)風(fēng)口高度為0.025m，出風(fēng)口直徑為0.15m，總高度為0.33m。

其次對(duì)模型塔上方加裝遮擋物，研究遮擋物面積、數(shù)量、角度、尺寸等對(duì)冷卻塔通風(fēng)量的影響，冷卻塔采用機(jī)械馬達(dá)風(fēng)機(jī)進(jìn)行抽風(fēng)，模擬自然進(jìn)風(fēng)狀態(tài)。遮擋物的布置也要充分考慮不同天氣環(huán)境以及安裝數(shù)量、角度、尺寸不同組合形式對(duì)進(jìn)風(fēng)氣流的影響。

2.2 實(shí)驗(yàn)分析

通過模型反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行公式計(jì)算，結(jié)果顯示，當(dāng)冷卻塔上方加裝遮擋物后，通風(fēng)量和進(jìn)風(fēng)阻力明顯出現(xiàn)變化，并且不同遮擋物形狀、數(shù)量、角度都對(duì)通風(fēng)量存在影響，在無環(huán)境側(cè)風(fēng)情況下，冷卻塔通風(fēng)量最大，當(dāng)環(huán)境側(cè)風(fēng)越來越大時(shí)，進(jìn)風(fēng)阻力越大，通風(fēng)量逐漸降低，充分表明側(cè)風(fēng)對(duì)冷卻塔工作的負(fù)面作用[5]。（1）遮擋物角度對(duì)風(fēng)阻的影響，設(shè)遮擋物與水平線夾角為a，當(dāng)a≥80°時(shí)冷卻塔的通風(fēng)量的值達(dá)到最高水平，隨著夾角的不斷縮小，冷卻塔出風(fēng)速率降低，進(jìn)風(fēng)量減小，當(dāng)a趨近于0°時(shí)，塔的通風(fēng)量最小，可以發(fā)現(xiàn)，a在80°及以上時(shí)，遮擋物對(duì)通風(fēng)量影響保持較小波動(dòng)，可以視為不變，當(dāng)a小于80°時(shí)，隨著a的減小，進(jìn)風(fēng)阻力也在變大，通風(fēng)量減少。由此可見，遮擋物的角度對(duì)通風(fēng)量有直接影響。（2）遮擋物尺寸對(duì)風(fēng)阻的影響，通過不同尺寸，以及不同加裝高度，可以發(fā)現(xiàn)，遮擋物尺寸大小和高度對(duì)進(jìn)風(fēng)阻力呈現(xiàn)線性關(guān)系，遮擋物尺寸長邊處于塔外，則進(jìn)風(fēng)阻力最大，高度越接近出風(fēng)口，則對(duì)通風(fēng)量影響越大，進(jìn)風(fēng)阻力也越大。（3）遮擋物數(shù)量對(duì)風(fēng)阻的影響，在模型中加裝不同數(shù)量的遮擋物，冷卻塔進(jìn)風(fēng)阻力隨著數(shù)量的增多減小，并在加裝一定數(shù)量遮擋物后，進(jìn)風(fēng)阻力不變，可見遮擋物數(shù)量對(duì)風(fēng)阻影響存在上限。

2.3 冷卻塔優(yōu)化風(fēng)阻分析

本次實(shí)驗(yàn)僅針對(duì)模型進(jìn)行采集數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知，夾角、數(shù)量、尺寸都影響著進(jìn)風(fēng)阻力，另外遮擋物高度也對(duì)其有影響，在冷卻塔建造時(shí)，應(yīng)該避免上方遮擋物影響，或者盡量降低其影響，應(yīng)該采用具有一定傾斜角度、高度適宜、大小適中且少數(shù)量的遮擋物。同時(shí)，此次實(shí)驗(yàn)僅對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行了單獨(dú)分析處理，不考慮對(duì)角度、數(shù)量、高度、大小等復(fù)合因素影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也只對(duì)風(fēng)阻數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，如果需要全面優(yōu)化冷卻塔性能，還需要對(duì)其換熱效果進(jìn)行研究。

3 冷卻塔換熱效果的影響分析

冷卻塔換熱效果與太陽輻射強(qiáng)度密切相關(guān)，根據(jù)實(shí)際考察冷卻塔運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)，在太陽輻射強(qiáng)度一定時(shí)，通過換熱器的空氣流速與換熱率有會(huì)隨著環(huán)境溫度的升高產(chǎn)生變化。自然通風(fēng)式逆流冷卻塔，在白天溫度較高時(shí)，冷卻效果會(huì)降低，此前有專家學(xué)者對(duì)換熱器的布置方式以及側(cè)風(fēng)條件下冷卻效果進(jìn)行了研究，對(duì)比了風(fēng)干式冷卻塔、預(yù)冷式空冷塔和濕冷塔3種冷卻塔的冷卻性能。為了能夠深入研究冷卻塔上方遮擋物投影對(duì)換熱效果的影響，下面通過模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)太陽輻射強(qiáng)度和環(huán)境溫度對(duì)其換熱性能的影響進(jìn)行研究。

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

建立與實(shí)際數(shù)據(jù)吻合的小比例模型，并將其進(jìn)行網(wǎng)格化區(qū)分，按照功能不同，分為冷卻塔塔身、換熱器、上方遮擋物、循環(huán)水路等模塊，其中遮擋物準(zhǔn)備多個(gè)尺寸大小，在安裝布置時(shí)對(duì)其投影面積進(jìn)行依此遞增布置。實(shí)驗(yàn)原理是冷卻塔正常運(yùn)轉(zhuǎn)，水通過管道進(jìn)入換熱器中，外界流通空氣與水產(chǎn)生作用，帶走熱量并將其散發(fā)出去，通過換熱，降低冷卻水溫度，由于遮擋物的存在，導(dǎo)致太陽輻射強(qiáng)度變化，對(duì)內(nèi)外氣壓差產(chǎn)生變化，氣壓差擴(kuò)大為空氣流通提供了驅(qū)動(dòng)力，增加了空氣流動(dòng)，就強(qiáng)化了散熱，提高了冷卻效果。氣壓差縮小，則減低了空氣流動(dòng)，換熱效果也就降低了。

3.2 實(shí)驗(yàn)過程

將不同面積的遮擋物分別放置在冷卻塔的上方同一高度，外界環(huán)境也取白天晴朗天氣，固定時(shí)間段12:00—14:00，這個(gè)時(shí)間段太陽輻射最強(qiáng)，遮擋物對(duì)其影響也較大，可以有效降低其他環(huán)境因素干擾。在實(shí)驗(yàn)過程中，重點(diǎn)觀察換熱器以及環(huán)境溫度變化情況，在換熱器上方、下方及中間分別布置熱電偶。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在忽視環(huán)境側(cè)風(fēng)等其他環(huán)境因素影響情況下，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，不同環(huán)境溫度下冷卻塔空氣溫度增加趨勢與太陽輻射關(guān)聯(lián)，當(dāng)遮擋物投影面積不變時(shí)，即太陽輻射強(qiáng)度不變時(shí)，由于環(huán)境溫度升高，塔內(nèi)外的空氣溫差和密度差變小，空氣流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力降低，所以空氣流速變低，結(jié)果就是換熱器空氣流速隨著環(huán)境溫度升高而降低，例如，當(dāng)環(huán)境溫度由15℃上升為30℃時(shí)，經(jīng)公式計(jì)算，其空氣流速由0.22m/s降低為0.18m/s。環(huán)境溫度不變，遮擋物投影面積減少，即太陽輻射強(qiáng)度變大時(shí)，塔內(nèi)空氣溫度越高，與外界空氣的溫度差和密度差越大，空氣流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力越大，導(dǎo)致通過換熱器的空氣流速越大。例如，在環(huán)境溫度等于25℃時(shí)，空氣流速由S=0W時(shí)的0.16m/s升到S=1000W時(shí)的0.25m/s。

在不同遮擋物實(shí)驗(yàn)下，太陽輻射強(qiáng)度從無到有，換熱效率呈現(xiàn)出拋物線狀，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，太陽輻射強(qiáng)度在13:00時(shí)達(dá)到峰值1200W/m2，換熱效果也隨著時(shí)間的變化先增大后減小，整體看，與太陽輻射強(qiáng)度變化趨勢保持一致。

4 結(jié)語

本文詳細(xì)研究了冷卻塔上方遮擋物對(duì)風(fēng)阻及換熱效果的影響，并建立模型對(duì)具體數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，探究遮擋物的角度、尺寸、數(shù)量、投影面積與風(fēng)阻和換熱效果的關(guān)系曲線，證實(shí)遮擋物與水平線夾角大于85度，距離冷卻塔50厘米以上，投影面積8%以下，幾乎無風(fēng)阻。為更好的提高冷卻塔運(yùn)行效率提供了幫助和指導(dǎo)，未來，還將進(jìn)行不同材料的遮擋物熱態(tài)試驗(yàn)、冷態(tài)試驗(yàn)，進(jìn)一步揭示其對(duì)于冷卻塔產(chǎn)生作用的影響機(jī)理，為更好的建立冷卻塔的奠定了理論基礎(chǔ)。