自然通风湿式冷却塔填料性能优化理论研究综述

刘思宇，关多娇

（沈阳工程学院 能源与动力学院，辽宁 沈阳 110136）

冷却塔作为火电厂中不可或缺的制冷散热设施，其冷却效率对发电厂的发电效率影响颇深。因此，对冷却塔热力计算模型、数学模型、淋水填料区热力阻力特性以及填料区结构形式和布置方式等开展相关研究具有重要意义，具体原因如下：

1）火电厂节能优化的核心工作主要分布在汽轮机、锅炉及发电机上，而对冷却塔的优化改造是明显不足的。

2）系统中循环水温度深受冷却效果的影响，冷却塔出塔水温与发电机组安全性的关系如图1 所示［1］，冷却塔出塔水温与发电机组经济性的关系如表1所示［2］。

图1 冷却塔出塔水温与发电机组安全性的关系

表1 冷却塔出塔水温每降低1 ℃发电机组各参数变化情况

3）在不考虑环境自然风时，配水区、填料区和雨区的冷却负荷比例为1:7:2，由此可见填料区是最关键的传热传质区。

4）对冷却塔的冷却效果构成影响的主要原因还包括冷却塔的规模，填料区中心的空气及冷却塔半径方向上的热力分布。

1.1 假设Lewis因子为1的Merkel模型

文献［3］初次推算了冷却塔内气-水两相间的传热传质过程的原始方程，其前提条件是忽略对流传质过程中的循环水蒸发损失量：

1）假设Lewis因子等于1；

2）假设从塔内排出的是饱和空气。

根据能量守恒方程，定义驱动力为温差和含湿量合并产生的焓差，并以此推进气-水间传递热质的过程，从而以循环水温和空气焓值建立了Merkel模型［4］：

1.2 空气焓值和含湿量关于水温变化的Poppe模型

在对冷却塔的整体性能进行宏观分析时，对流传质时的水分蒸发损失是不容忽视的一部分。文献［5］在分析过程中采用Bosnjakovic 关联式［6］，对Lewis 因子进行定义、整合、计算，在模型中引入常微分方程，以此组成Poppe 模型，并使用该模型对出塔空气状态参数（温度和湿度）进行了精准预测。在应用Poppe 模型时，主要以区域内空气的饱和程度来界定采用何种控制方程，主要分为以下两类：

1）当填料区内湿空气未达到饱和值时，采用的控制方程为

2）当填料区内湿空气过饱和时，采用的控制方程为

式中，wsw为饱和空气含湿量；
w为湿空气平均含湿量；
mw为水的流量；
ma为空气流量；
wsa为空气温度对应的饱和空气含湿量。

1.3 基于Merkel理论的e-NTU模型

基于与Merkel 模型完全相同的两种假设，并在分析时同样不将对流传质过程中的循环水蒸发损失量纳入研究范围。文献［7-8］在冷却塔性能分析中引入换热器理论中的换热量与换热面积的比值（e）和单位时间内换热能力参数（NTU）概念，在此基础上建立了e-NTU 模型。文献［9-10］假设饱和空气焓与温度关系可以用一次函数来表示，在e-NTU 算法的基础上得到了水和空气温度的解析解，指出忽略蒸发所引起的水流量的减少。

2.1 一维计算模型

湿式冷却塔的一维模型在分析计算传热传质以及气-水运动过程时只把垂直方向纳入考虑范围。文献［11-12］提到了一维数值模型在早期湿式冷却塔的相关计算中被采用，国内相关科学研究院绘制的冷却塔计算步骤均为一维模型。一维模型的优点是研究了传热传质及气-水在竖直方向的运动过程，精简了计算过程；
缺点是这类计算模型的精确度不高。

2.2 二维计算模型

在构建二维计算模型时，需要将塔内的空气流场假设为二维平面且轴对称的结构，同时将塔内传热传质及气-水运动过程在水平和垂直方向上的运动轨迹作为变量，继而分析半径方向的变量，综合考虑雨区及配水区的换热量。基于e-NTU 模型，分别对NTU 和e的定义进行了修正，并在分析冷却性能过程中采用修正后的二维数值计算方法［13-14］。然而，在将水滴形状的影响纳入考虑范围之后，着重分析了基于二维计算模型的空气速度场、湿度场和压力场等分布情况［15-16］。

但未对流场在圆周方向分布的规律进行研究是二维计算模型的缺点。

2.3 三维计算模型

三维计算模型对塔内各区域热力与阻力特性进行了更加细致的研究，并将环境侧风条件纳入考虑范围。文献［17］采用了k-ε标准湍流模型，同时忽略填料区内的液膜流动，并用水滴流动等量替换，进而构建了自然通风冷却塔的三维模型。

在CFD 软件平台上以两相流理论为基础，建立三维数值计算模型，着重对填料区中的气液两相热质传递过程进行更多的研究［18-19］。文献［20-23］采用Poppe 理论的数学模型对填料区进行模拟，并在配水区和雨区的研究中引入DPM 离散相模型，逐步构建针对冷却塔的三维数值计算模型。为了对塔内空气动力场以及热力阻力特性有更加精准的分析，文献［24-26］对填料放置形式、环境侧风和塔内支撑结构等方面进行了重点研究。

连续相运动控制方程［24］为

离散相控制方程［24］为

为了精简计算步骤，可以做如下假设：

1）假设TS=TW，即饱和空气膜的温度等于水温，且覆盖在填料区水膜的上层，由此可知该饱和空气膜中的湿空气的相对湿度为1.0，如图2 所示；
定义传热传质驱动力为饱和空气膜中的饱和含湿量fs、饱和焓值hs与外界湿空气的含湿量fG、焓值hG存在的差值。

图2 饱和空气膜传热

2）假设此时的含湿量与焓值在等水温条件下均处于相对恒定。

3）假设

式中，qcontact为接触热值；
qevapor为蒸发热值；
Q为水排向大气的总热值。

4）假设

式中，Le为刘易斯数；
Kb为传质系数；
Ka⋅C为传热系数。

3.1 填料整体热力性能

文献［27］定义了基础公式Runge-Kutta 方程，并将该方程应用于建立湿式冷却塔填料区的气-水间热质传递模型中，进而构建逆流湿式冷却塔中的传热传质过程的理论基础并加以研究。文献［28-29］为了分析仿真填料区的传热传质的具体精准过程，详细研究了Poppe 模型的适用场景，发现其适合应用在填料区传热传递过程的计算中，因此建立了二维数值计算模型。

3.2 填料热力阻力计算模型

在进行湿式冷却塔内填料压力损失系数的计算时，尚存在计算精度不高的缺陷。文献［30-31］优化了计算模型，调整了一部分经验公式，并通过试验对上述工作的可行性进行了验证。

1）填料区传质计算模型［30］

在填料区，湿空气和循环水之间的传质速率为

质量源项的计算式为

式中，Ka为每立方米内的传质系数，Ka=KAv；
Av是水和空气之间的总接触面积与每立方米的比值。

填料区传质系数Ka的关联式为

式中，b、x、y为试验系数；
q为淋水密度；
ga为塔内空气质量流速。

2）填料区传热计算模型［30］

由图2可知，总传热量为

在接触时的传热量为

在蒸发时的传热量为

因此，循环水的能量源项Swe的计算公式为

式中，Kh为每立方米对流传热系数，Kh=Avα。

湿空气的能量源项（不受外部温度影响）为

式中，cv为饱和水蒸气的比热。

3）填料区阻力计算模型［24］

空气在填料区流动过程中受到的阻力可转化为压力减小的过程：

空气流经填料区产生的压降与填料布置高度的比值可表示为每立方米湿空气的Z向运动阻力Fz：

式中，Hf为填料的布置高度。

4.1 结构形式

冷却水在填料中发生的热质交换过程被众多因素所约束。其中，最为主要的因素为冷却水以何种方式流动以及其在各区域的占比状况。

1）点滴式淋水填料

点滴式填料如图3 所示。冷却水是逐层落入填料的，在这段时间内冷却水由较大的水珠飞溅为细小的水珠，而这些水珠会把热量传递给空气［31］。

图3 点滴填料常见形式

2）薄膜式淋水填料

薄膜式填料如图4 所示。冷却水转变为水膜状态存在于填料片上，并受重力作用沿其左右两侧缓缓流下。填料薄片表面均呈坑洼不平坦状［32］。

图4 薄膜填料

3）点滴薄膜式淋水填料

点滴薄膜式淋水填料主要分为2 类：一类通过交叉错杂的方式将多层方格或六边管状填料累积起来；
另一类将模板填料制作呈网格状，主要材质包括水泥、塑料等［32］，如图5所示。

图5 点滴薄膜填料

3种形式填料的优缺点如表2所示。

表2 3种形式填料的优缺点

4.2 布置方式

目前，冷却塔性能改造的侧重点主要在于填料布置的优化。工业上一般将填料均匀布置在冷却塔的填料层上，然而相关学者通过研究证明了均匀布置方式并不能使冷却塔的冷却效果达到最佳。文献［33］指出，相较于塔心区域，填料塔壁侧将循环水冷却的能力更显著。文献［34］细致地对比了两种填料布置方式，证实了填料总体积的大小对冷却塔出塔水温有着很大的影响，基本呈反比趋势。文献［35］将均匀配风作为前提条件，指出将填料和配水进行协同优化可使出塔水温得到一定程度的降低。文献［36］在有无自然风的条件下进行了数值模拟研究，结果表明：无论与行进方向有正交分量的自然风是否存在，冷却塔的冷却性能均可通过填料不等高布置获得不同程度的优化。

然而，由于填料不等高布置存在循环水泵扬程过大、喷溅不均匀等缺点，越来越多的实际应用采用了填料不等间距布置。文献［37］将填料区分为内外两区，布置非等片距填料，数值模拟实验结果表明：外围填料间距与湿空气密度呈正比，与填料外围的空气阻力、气-水传热面积呈反比，即降低间距会使空气阻力和气-水传热面积增大，使湿空气密度减小，进而降低空气流速，达到增加塔内抽力的目的。

目前，针对冷却塔填料区的非均匀布置，主要采用的方式是沿径向将填料区分为内外两区，在内外两区布置不同间距的填料，以达到减小塔中心区域填料通风阻力，增强外围填料换热能力的目的。然而，对填料区其他分区数目的相关研究较为欠缺，且细化分区数目是未来填料区冷却性能优化研究不可忽略的一部分。因此，细化填料区分区数目对冷却塔冷却性能的改善具有一定的理论意义。

当前，能源需求的快速增长与生态环境的持续恶化使得节能减排的工作尤为重要。冷却塔是一种覆盖面非常广的工业循环热设备。本文根据现阶段国内外的研究情况，对冷却塔热力计算模型以及数学模型进行了详细地分析阐述，对冷却塔填料区热力阻力特性以及结构形式和布置方式进行了综述，并指出在填料区热力性能领域尚未解决的问题和布置方式的研究方向，对从事冷却塔性能改造研究具有一定的意义。