干湿联合机力塔换热管束数值分析

刘学，邵青，宝志坚

（华电重工股份有限公司，北京 100070；2.中国电力工程有限公司，北京 100048；3.华北电力大学，北京 102206）

为了有效消除白雾影响，对湿式冷却塔进行消雾设计，减少冷却塔出塔雾雨可见性。机力塔消雾主要有加热型、冷凝型及加热混合型三种技术。本文主要介绍加热混合型消雾技术，该消雾塔一般采用干式联合方式布置，在位于湿冷塔的除水器上面湿冷塔的两侧布置干段换热器，利用进塔热水和冷空气进行热交换后的干热空气进入塔内气室区，在这里和冷却塔下面上升的热饱和空气混合，降低了冷却塔的出塔热空气湿度，从而在塔外冷凝时不会产生白雾。

1 物理及计算模型

1.1 物理模型

换热器由不锈钢管轧制铝翅片制成的表面式翅片管加工制成，热的循环冷却水在管内流动，冷却空气在翅片间流动，通过塔顶轴流风机抽吸作用，使经过表面式换热器的冷空气得到加热，并冷却了循环水，降低空气的相对湿度，为在塔内气室混合热饱和空气提供了低湿度的空气量。

计算物理模型假定：所有翅片间的空气流道是均匀的，由于所有基管的中心间距都相同，所有翅片的间距也相同，因此，模型的几何结构是具有对称性和周期性特点，数值计算只需对一列翅片管进行研究即可。

初定四排管宽度为240mm，基管按照等边三角形布置，通过对基管间距A=58mm、60mm、62mm、64mm、66mm 五个模型不同风速下模拟分析，初步得出消雾塔干段换热器的翅片管束的最优布置方式。

表1 空气参数

表2 翅片管参数

1.2 控制方程及边界条件

迎面风速在1 ～4m/s 范围取值，分别对五种不同间距的翅片管模型进行数值模拟，初步计算冷空气的雷诺数约3600 ～16000。认为翅片管模型内的流动和换热为雷诺数较低的紊流状态，因此，数值模拟过程可以采用紊流模型，使用不可压缩的空气流体进行三维稳态计算。数值计算系统的控制方程如下：

连续性方程：

动量守恒方程：

能量守恒方程：

为简化计算，除假设空气流体为不可压缩气体之外，忽略重力对传热过程和阻力的影响；也不考虑因加工等因素所造成的翅片管变形等影响；由于几何结构是具有对称性和周期性特点，模拟区域只对一列翅片管单元进行三维换热数值计算。同时，为使来流均匀及避免出口产生回流，数值计算区域进行适当延长，在翅片管入口来流方向延长50mm，出口流出方向延长100mm。数值计算边界的条件如下：入口为均匀速度入口边界，翅片管道的迎面风速为1 ～4m/s，空气入口温度为300K；空气出口为压力出口，出口空气直接和环境大气相通；整个数值计算域和基管的上、下平面均设为周期性边界条件，即上、下界面的速度、温度、压力都相等；基管表面为无滑移边界，管内壁面为第一类边界条件，壁面温度为333K；基管和翅片的接触面为耦合计算壁面，计算时采用自身导热和壁面对流换热进行耦合计算。

1.3 参数定义

主要考察翅片管型用于消雾塔干段时空气侧的传热性能和流阻性能。

2 数值求解与结果分析

数值计算在三维直角坐标中进行，三维不可压、稳态、湍流流动，动量和能量方程的离散采用二阶迎风格式，其中压力与速度耦合采用SIMPLE 算法，采用六面体和四面体混合的结构化网格划分，为消除网格数对模拟结果造成的较大影响，先需要进行网格精度验证，为保证计算精度，本次计算网格数量约为124 万个，整个计算域的网格质量不低于0.95。

2.1 不同翅片间距下翅片流阻和换热性能分析

2.1.1 翅片流阻的比较

以管束入口速度即迎面风速为2m/s 作为参考工况，分析翅片的阻力特性，即出入口压降，基于设定的出口相对压力为0Pa。计算结果表明间距为58mm 的翅片管阻力最大，随着管间距逐渐变大，阻力逐渐在减小。结果表明间距为58mm的翅片管较间距为66mm 的阻力要高出57.15%左右。

2.1.2 翅片换热系数比较

以管束入口速度即迎面风速为2m/s 作为参考工况，分析翅片的换热特性，即翅片传热系数。翅片间距为58mm 的换热系数明显最大，随着翅片间距变大，换热系数逐渐变小，较翅片间距为66mm 的换热系数高出约8.83%。

2.1.3 不同间距翅片管的综合换热性能比较

在相同的输送功率下，比较不同间距翅片管的综合换热性能，利用综合性能评价因子进行换热性能和阻力性能综合比较，把基准计算工况作为综合换热效果的评价标准，数值越大，综合换热性能越佳。即在相同换热条件下，传递热量越多。

2.2 迎面风速对翅片管换热性能的影响

迎面风速是影响换热器换热性能的关键因素，随着风速增大换热系数逐渐增大。

3 结语

综上可见，随着风速增大各翅片管的综合性能相差变小，风速较小时，间距64mm 的翅片管综合性能最优。对于整体消雾型环保机力塔，但从干段换热器的角度考虑，在实际工程风速为1.5 ～3m/s 的条件下，间距为64mm 的翅片管的综合性能最好。为保证消雾型环保机力塔的整体性能，需全面考虑干、湿段的换热及阻力，干段换热器还需进一步优化。