要想找出火力發(fā)電行業(yè)的節(jié)能關(guān)鍵點(diǎn)，有必要首先搞明白火力發(fā)電的流程和環(huán)節(jié)。眾所周知，火力發(fā)電以朗肯循環(huán)以為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。燃料在鍋爐燃燒室中燃燒釋放熱量，此時(shí)燃料中儲(chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能；水在鍋爐和過熱器中定壓吸熱成為過熱蒸汽，高溫高壓的熱蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)絕熱膨脹做功，水蒸汽的熱能又轉(zhuǎn)化為汽輪機(jī)的機(jī)械能；汽輪機(jī)最終通過電磁感應(yīng)定律將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，完成整個(gè)能量轉(zhuǎn)換。而在第二步能量轉(zhuǎn)換中，高溫高壓蒸汽在膨脹做功后變成乏汽，需進(jìn)入凝汽器放熱而凝結(jié)為水，以便經(jīng)歷下一次加熱和能量轉(zhuǎn)換。乏汽釋放的熱量被循環(huán)冷卻水吸收，循環(huán)冷卻水則通過冷卻塔將熱量轉(zhuǎn)移至環(huán)境空氣中，如此周而復(fù)始，完成火力發(fā)電的整個(gè)能量循環(huán)，從而源源不斷地產(chǎn)生電能，供給人們生產(chǎn)和生活。該循環(huán)過程如圖1-1所示。

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2冷卻塔熱力學(xué)理論

2.1基本傳熱傳質(zhì)原理

在所有商用CFD軟件中，F(xiàn)LUENT因?yàn)槠湄S富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法、強(qiáng)大的前后處理功能而使用最為廣泛。對(duì)于復(fù)雜流動(dòng)問題的求解，該軟件不僅可采用內(nèi)置的不同離散方式和數(shù)值模型，而且提供了用戶自定義函數(shù)（UDF）功能，允許用戶根據(jù)不同需要，編寫相應(yīng)的Ｃ程序方程，自行設(shè)定質(zhì)量、動(dòng)量和能量方程的求解。UDF也可以實(shí)現(xiàn)邊界條件、流體物性和初始條件等的自定義。鑒于FLUENT的諸多優(yōu)點(diǎn)和不少學(xué)者己經(jīng)基于此軟件得出的研究結(jié)果，本文也采用該軟件進(jìn)行冷卻塔性能的仿真模擬。FLUENT包含眾多模型和算法，內(nèi)置模塊龐大，下文只根據(jù)冷卻塔三維模型建立的需要，對(duì)用到的模型與方程做簡(jiǎn)要介紹。

2.2Merkel模型

由以上推導(dǎo)過程可以看出，無論Merkel模型還是Poppe模型，在給定填料性質(zhì)的情況下都能用于求解填料出日的水溫，但是對(duì)于填料出口的空氣狀態(tài)，兩個(gè)模型都只能給出空氣洽值，而不能單獨(dú)給出準(zhǔn)確的空氣溫度和濕度。與Merkel模型相比，Poppe模型的推導(dǎo)過程更為嚴(yán)謹(jǐn)，因此計(jì)算所得到的出口空氣狀態(tài)、也更為接近真實(shí)值。］通過大量具體的實(shí)驗(yàn)研究，也證實(shí)了這個(gè)結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)中，Poppe模型計(jì)算所得出口空氣狀態(tài)比Merkel模型更接近實(shí)際測(cè)定值�？紤]到準(zhǔn)確計(jì)算自然通風(fēng)濕式冷卻塔出口空氣狀態(tài)是準(zhǔn)確獲得冷卻塔抽力的先決條件，采用Poppe模型作為數(shù)值計(jì)算的基本理論模型就顯得十分必要。Merkel模型假定出塔空氣全部處于飽和狀態(tài)，從而通過洽值來判斷空氣溫度。在本研究中，采用Poppe模型，通過填料后的空氣狀態(tài)設(shè)置為飽和或者過飽和兩種。

3計(jì)算流體力學(xué)理論....19

3.1湍流模型......19
3.2標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)......21
3.3組分輸運(yùn)模型.........21
4冷卻塔三維模型建立與驗(yàn)證.............23
4.1原型冷卻塔介紹......23
4.2計(jì)算域和邊界條件.......24
4.3網(wǎng)格劃分..........25
5不同片距填料性能研究.....38
5.1熱力學(xué)性質(zhì)比較.....38
5.2三維模型驗(yàn)證分析.......40
5.3本章小結(jié)...44

7導(dǎo)風(fēng)板作用驗(yàn)證

7.1導(dǎo)風(fēng)板對(duì)進(jìn)風(fēng)口空氣動(dòng)力場(chǎng)影響

其次，由圖7-1（ａ）式看出沒有添加導(dǎo)風(fēng)板時(shí)，在側(cè)風(fēng)的影響下流場(chǎng)偏轉(zhuǎn)，迎風(fēng)側(cè)較高風(fēng)速空氣與背風(fēng)側(cè)較低空氣相遇，導(dǎo)致雨區(qū)塔中屯、偏背風(fēng)側(cè)，形成了一處不利于空氣流動(dòng)的禍旋。而在加裝60塊導(dǎo)風(fēng)板后，由于導(dǎo)風(fēng)整流的作用，進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速?gòu)淖罡?ｍ／ｓ下降到7.5ｍ／ｓ，且整個(gè)迎風(fēng)側(cè)雨區(qū)內(nèi)的空氣速度都相對(duì)減小。減小的空氣流速一方面消減了徑向方向的慣性力，另一方面也為迎風(fēng)側(cè)雨區(qū)內(nèi)空氣與冷卻水間的傳熱傳質(zhì)換來了時(shí)間，這都有利于迎風(fēng)側(cè)空氣的軸向流動(dòng)。加裝導(dǎo)風(fēng)板后流’場(chǎng)偏轉(zhuǎn)也得到較大的減輕，空氣流場(chǎng)中也更接近冷卻塔中也。而在未加裝導(dǎo)風(fēng)板時(shí)雨區(qū)塔中屯、形成的渦旋也在加裝導(dǎo)風(fēng)板之后獲得緩解。

7.2導(dǎo)風(fēng)板對(duì)填料子區(qū)冷卻性能影響

布置60塊導(dǎo)風(fēng)板時(shí)，冷卻塔內(nèi)6個(gè)填料區(qū)風(fēng)速相對(duì)均勻，此時(shí)風(fēng)速最高區(qū)是填料高度最小的迎風(fēng)側(cè)L1區(qū)，而最化風(fēng)速區(qū)則是迎風(fēng)側(cè)L3區(qū)，兩者相差0.374ｍ／ｓ；而在無導(dǎo)風(fēng)板時(shí)風(fēng)速最局區(qū)L1區(qū)和L3區(qū)差別達(dá)0.605ｍ／ｓ�？煽吹接捎谔盍现型�、區(qū)高度低而引起的L1區(qū)風(fēng)速最高與第6章填料非等高布置結(jié)果相一致。也應(yīng)注意到導(dǎo)風(fēng)板布置對(duì)背風(fēng)側(cè)填料R3區(qū)的不利影響，布置導(dǎo)風(fēng)板后填料R3區(qū)的通風(fēng)速度減少了0.13ｍ／ｓ，麥克爾數(shù)降低了0.166，而填料底水溫則增加了0.867K。推測(cè)該區(qū)域冷卻效率的降低可能與導(dǎo)風(fēng)板的形體阻力有關(guān)，因?yàn)楸筹L(fēng)側(cè)無需導(dǎo)風(fēng)板削減過大的進(jìn)風(fēng)速度，巧置導(dǎo)風(fēng)板后反而使得正常的進(jìn)風(fēng)曰速度降低，從而減少了冷卻塔的軸向通風(fēng)速度和通風(fēng)量�，F(xiàn)實(shí)中風(fēng)速和風(fēng)向具有較大不穩(wěn)定性，文獻(xiàn)中推薦導(dǎo)風(fēng)板均為圍繞冷卻塔均勻布置，能否根據(jù)冷卻塔所在區(qū)域主導(dǎo)風(fēng)向設(shè)置導(dǎo)風(fēng)板還未得到人們的關(guān)注。

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8結(jié)論與建議

本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：（1）所建冷卻塔三維數(shù)值模型，在填料區(qū)Wpoppe模型為基礎(chǔ)，采用離散化方式求解填料區(qū)內(nèi)冷卻水和空氣間的熱質(zhì)交換，極大地提高了數(shù)值模型的計(jì)算精度和穩(wěn)定度。（2）同也圓和分層式的填料區(qū)網(wǎng)格劃分格式，可以保證在一個(gè)模型上完成不同填料布置形式的研究，這樣既達(dá)到了研究的便利性，同時(shí)符合王程實(shí)用性。（3）研究導(dǎo)風(fēng)板對(duì)冷卻塔性能改善的原理時(shí)，分區(qū)確定了導(dǎo)風(fēng)板的作用，并首次指出導(dǎo)風(fēng)板在冷卻塔背風(fēng)側(cè)也會(huì)產(chǎn)生一定不利影響。本文為自然通風(fēng)濕式冷卻塔的性能優(yōu)化提供了一定思路，但是由于時(shí)間和水平有限，研究工作尚有許多不足和需要改進(jìn)的地方，下是對(duì)未來研究工作的展望和建議：（1）冷卻塔性能優(yōu)化是一個(gè)多渠道、多角度的科學(xué)問題，如何在性價(jià)比最高的情況下設(shè)計(jì)、建造和使用冷卻塔，還需要更全面的考慮；（2）由于計(jì)算機(jī)硬件限制和網(wǎng)格劃分技術(shù)制約，，本模型僅符合現(xiàn)有的研究需求。未來可在性能及配置更好的計(jì)算機(jī)上，通過設(shè)計(jì)不同的網(wǎng)格類型和網(wǎng)格數(shù)量，來提高研究精度和細(xì)化程度。（3）冷卻塔的噴淋區(qū)和雨區(qū)模型與現(xiàn)實(shí)尚有差距，仍然需要得到進(jìn)一步關(guān)注和研究?jī)?yōu)化。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號(hào)：63713