自然通风湿式冷却塔热力特性数值模拟_周兰欣

2009年2月水利学报SHUILIXUEBAO第40卷第2期收稿日期:2008-05-26作者简介:周兰欣(1956-),河北保定人,教授,主要从事热力设备的节能及状态监测等方面的研究。E-mail:jiangbo242@yahoo.com.cn文章编号:0559-9350(2009)02-0208-06自然通风湿式冷却塔热力特性数值模拟周兰欣,蒋波,陈素敏(华北电力大学电站设备状态检测与控制教育部重点实验室,河北保定071003)摘要:基于CFD软件和自然通风湿式冷却塔相关理论,对气流运动采用标准k-ε湍流模型,喷淋区和雨区采用离散相模型计算,对填料区建立了基于Poppe理论的数值求解模型。并通过编译自定义源项函数,实现其在FLUENT中的求解。基于该模型,在不考虑自然风情况下,对某300MW机组自然通风冷却塔的气水流动与热质交换进行数值模拟。分析了淋水密度、进塔水温和环境条件对冷却塔热力特性的影响。计算结果表明:基于CFD软件的冷却塔数值求解模型有很好的适用性,淋水密度和环境条件对出塔水温影响很大。关键词:冷却塔;热力特性;离散相;数值模拟中图分类号:TK264文献标识码:A1研究背景湿冷机组大部分都是采用自然通风冷却方式,改善冷却塔性能对提高凝汽器真空和机组效率至关重要。资料表明,对300MW机组,出塔水温度降低1℃,可使机组真空提高400Pa～500Pa,发电标准煤耗下降1.0～1.5g(kW·h)。由于热态冷却塔的流场存在相间的动量和热质交换,要精确求解其流场非常困难。近年来,冷却塔流场的数学模型和求解方法一直是研究者所关注的[1-8]。许多研究均是基于近似的麦克尔法和e-NTU法[9-13]。文献[5,7]得到较完善的冷却塔热质交换数学模型———Poppe模型,但求解困难。随着CFD软件的推广,基于复杂数学模型的数值求解法得以广泛应用。目前基于Poppe模型的数值模拟还很少,文献[14]应用该模型对冷却塔径向的热力不均性做了二维的数值模拟。本文通过编译自定义函数实现Poppe模型的数值求解,对某300MW机组冷却塔的变工况热力特性进行三维数值模拟,为完善冷却塔的设计和运行提供了参考依据。2物理模型及计算方法根据冷却塔介质的流动特性和FLUENT软件模型的特点,采用以下计算模型和设置:(1)由于冷却塔中水气体积比小于10%,在雨区和喷淋区运用离散相模型计算冷却塔的流场,其中空气被当作连续相,采用欧拉法求解,水滴被当作离散相,采用拉格朗日法计算;填料区对气水流场的影响被当做源项,通过外接自定义函数求解。(2)采用稳态雷诺应力平均NS方程,选用标准k-ε湍流模型,其中在输运方程中考虑了浮力项。(3)计算中,控制微分方程的离散化采用了有限差分法中的控制容积公式法,控制方程的对流项采用二阶迎风离散格式。(4)流场的计算则采用典型的SIMPLE算法。(5)FLUENT求解器采用分离隐式。(6)能量方程的收敛精度为10-6,其余方程的收敛精度为10-4。—208—DOI:10.13243/j.cnki.slxb.2009.02.0142.1连续相(湿空气)控制方程当机组稳定工况运行,且环境因素不变,冷却塔也将在稳定工况下运行,其内外流场可以当作稳态计算。因此气相的通用控制方程如下[15]:Δ·(ρui-ΓΔ)=S(1)式中:ρ为空气密度,ui为速度矢量,为通用变量,分别表示各方向速度分量(u、ν、w)、水蒸气组分Y、温度T、湍动能k和湍流耗散率ε,Γ为广义扩散系数,S为广义源项。2.2离散相(水滴)控制方程FLUENT离散相模型可以计算水滴的轨迹以及水滴的动量、质量和能量传递[15]。在湿冷塔的喷淋区和雨区,循环水以水滴型式自由下落,可以通过拉格朗日法计算其流场,并能耦合计算水滴与气相的热质交换。水滴的温度变化为:MpcpdTpdt=hAp(Tadb-Tp)+dMpdthfg(2)式中:Tadb、Tp、Ap、Mp分别是控制单元内气相干球温度和水滴温度,水滴表面积,和水滴质量。h、hfg和t分别为传热系数、水的蒸发潜热和时间。水滴的蒸发速率为:dMpdt=hDAp(Cs-C∞)Mw(3)式中:Cs为水滴表面蒸汽摩尔溶度,C∞为湿空气中蒸汽摩尔溶度,Mw为水的摩尔质量。hD为以浓度差为推动力的传质系数,它们通过Nusslet关系式得出[15]:Sh=hDDpDνa=2.0+0.6Re0.5Sc0.33ma(4)Nu=hDpkma=2.0+0.6Re0.5Pr0.33ma(5)当水滴和气相耦合计算时,相间能量、质量和动量传递将作为源项添加到主控方程。2.3填料内热质交换模型2.3.1模型简化湿冷塔设置填料层是为了增加气液间的接触时间和换热面积。在填料中,循环水沿着波纹板成膜状流动,由于波纹板结构紧密且数量众多,要精确模拟其流场还很难实