陳 瑞，孫更生，孫浩然，何鎖盈，高 明

（1.高效節(jié)能及儲能技術(shù)與裝備山東省工程實驗室（山東大學(xué)能源與動力工程學(xué)院），山東 濟(jì)南 250061； 2.山東華聚能源股份有限公司趙樓電廠，山東 菏澤 274700）

冷卻塔作為電廠重要的冷端設(shè)備，可帶走蒸汽在鍋爐中吸收的約55%的熱量，這蘊(yùn)藏著巨大的節(jié)能潛力[1-2]。配水區(qū)作為冷卻塔氣水間換熱的起始區(qū)域，影響冷卻塔主要傳熱傳質(zhì)區(qū)的氣水比，間接影響冷卻塔的冷卻效率[3-4]。

傳統(tǒng)的超大型濕式冷卻塔一般采用均勻配水的方式[5-6]，但研究發(fā)現(xiàn)分區(qū)配水能有效改善傳熱傳質(zhì)區(qū)域的氣水比，進(jìn)而提高冷卻塔冷卻效率[7-9]。趙順安等[10]推導(dǎo)出了冷卻塔外區(qū)配水的一維熱力計算方法。李江云等[11-12]利用三維數(shù)值模擬方法，研究了噴淋管網(wǎng)布置和內(nèi)外分區(qū)配水對超大型冷卻塔冷卻效果的影響，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)提高外區(qū)淋水密度可提高換熱效率。楊靜[13]、段文博[14]等研究發(fā)現(xiàn)，分區(qū)配水可以有效降低出塔水溫，提高冷卻塔的效率和經(jīng)濟(jì)性。Zhang等人[15]研究發(fā)現(xiàn)，采用分區(qū)配水后，出水溫降提高0.21 ℃，通風(fēng)量提高了6.68%。除分區(qū)配水的優(yōu)化方式外，王東等[16]針對管式配水方式，對噴頭、配水管網(wǎng)、中央豎井、配水槽等作為整體進(jìn)行研究，并對噴頭進(jìn)行選型優(yōu)化；王東海[17]基于遺傳算法，對配水管熱力系統(tǒng)進(jìn)行簡化假設(shè)；王豐等[18]提出冷卻塔管式配水系統(tǒng)優(yōu)化方式。針對側(cè)風(fēng)研究表明，側(cè)風(fēng)的影響是不可忽略的[19-21]，基于熱態(tài)模型試驗，高明等[22-24]研究發(fā)現(xiàn)側(cè)風(fēng)破壞塔底部進(jìn)風(fēng)均勻性；基于三維數(shù)值計算方法，趙元賓等[25-26]研究表明，側(cè)風(fēng)存在降低了塔內(nèi)縱向通風(fēng)量，惡化冷卻塔冷卻性能。

以上對分區(qū)配水的研究均未考慮側(cè)風(fēng)的影響，因此，有必要對側(cè)風(fēng)環(huán)境下冷卻塔配水區(qū)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。本文利用三維數(shù)值模擬方法，研究側(cè)風(fēng)環(huán)境下分區(qū)配水對超大型濕式冷卻塔冷卻性能的影響，并提出優(yōu)化的配水方案。

1 冷卻塔物理模型及簡化假設(shè)

本文以某超大型濕式冷卻塔為對象進(jìn)行建模研究，其實際淋水面積為12 944 m2。該冷卻塔的尺寸參數(shù)如圖1所示。

額定工況下，大氣壓為100.14 kPa，空氣干球溫度為16.3 ℃，空氣濕球溫度為14.3 ℃，循環(huán)水流量為90 720 t/h，相對濕度為80%，進(jìn)塔水溫為31.54 ℃，設(shè)計出塔水溫為21.11 ℃。

填料選用高度為2 m的20 mm S波和30 mm的斜折波。填料熱力和阻力性能參數(shù)見表1和表2。表1、表2中：N為默克爾數(shù)；λ為氣水比；A、y為實驗測定值；Ka為傳質(zhì)系數(shù)，kg/(m3·s)；ga為空氣質(zhì)量流速，t/(m2·h)；q為循環(huán)水質(zhì)量流量，t/(m2·h)；B、a和b為填料淋水實驗測定的參數(shù)；A0和m0為阻力性能相關(guān)參數(shù)。

表1 填料熱力性能 Tab.1 Thermal characteristics of the fillings

表2 填料阻力性能 Tab.2 Resistance characteristics of the fillings

2 數(shù)值模型及邊界條件

2.1 數(shù)學(xué)模型

塔內(nèi)空氣變化參數(shù)以質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒方程進(jìn)行描述，可表示為：

式中：ρ為濕空氣密度，kg/m3；i為坐標(biāo)x、y和z；ui為濕空氣流速，m/s；φ分別表示數(shù)值為1、空氣流速、溫度、氣水間連續(xù)性方程、動量方程、能量方程、組分方程；Γφ為擴(kuò)散系數(shù)；Sφ為方程源項。

統(tǒng)計5種任務(wù)(5種視覺行為狀態(tài))下的眼動數(shù)據(jù),根據(jù)需求,本文擬統(tǒng)計每種情況下的注視停留時間注視點X坐標(biāo)平均值坐標(biāo)平均值平均眼跳持續(xù)時間平均眼跳速度平均眼跳幅度以及平均瞳孔直徑并對結(jié)果進(jìn)行差異性分析,結(jié)果如表1所示.對表1數(shù)據(jù)進(jìn)行百分比歸一化處理后繪制五種任務(wù)下的散點折線圖如圖5所示.

基于此，將非致死性心肌梗死與非致死性腦卒中這兩個轉(zhuǎn)移狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移概率假設(shè)為0，心肌梗死后與腦卒中后這兩個轉(zhuǎn)移狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移概率也假設(shè)為0；無事件、心肌梗死后、腦卒中后這三個轉(zhuǎn)移狀態(tài)轉(zhuǎn)移到自身的轉(zhuǎn)移概率由1減去其他分支的轉(zhuǎn)移概率獲得；由心肌梗死后/腦卒中后轉(zhuǎn)移至心肌梗死后出血/腦卒中后出血的轉(zhuǎn)移概率等于無事件狀態(tài)轉(zhuǎn)移至嚴(yán)重不良出血事件的轉(zhuǎn)移概率；其余狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移概率則來源于其他已發(fā)表的CVD臨床試驗結(jié)果。部分狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率參數(shù)見表2；其余狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移概率由表2中參數(shù)推算獲得。

描述冷卻水運動控制方程時，認(rèn)為冷卻水只沿豎直方向運動，其質(zhì)量、能量和動量守恒方程為：

對課程的項目、內(nèi)容、工作過程、基本方法和工具、課程的理論支撐進(jìn)行全方位的總結(jié)，加強(qiáng)學(xué)生對系統(tǒng)知識的理解和機(jī)能的掌握。

5月，中國水務(wù)公司積極推動旗下上市公司錢江水利開展了非公開發(fā)行募投項目。錢江水利自2000年首發(fā)上市后，主要通過銀行貸款、發(fā)行債券等債務(wù)工具籌集發(fā)展所需資金。正處于發(fā)展關(guān)鍵階段的錢江水利，資本支出規(guī)模較大，依靠自有資金積累及銀行貸款難以完全滿足項目資金需求。而通過非公開發(fā)行，可以拓寬融資渠道，募集資金滿足項目建設(shè)需要，為公司實現(xiàn)跨越發(fā)展提供有力保障。募投項目投產(chǎn)后，公司的供水規(guī)模將顯著擴(kuò)大，核心競爭力將迅速提升。

式中：q為淋水密度，kg/(m2·s)；Sm為對流傳質(zhì)速率，kg/(m3·s)；cw為水的比熱容，kJ/(kg·℃)；tw為水溫，℃；Swe為對流傳質(zhì)散發(fā)的熱量，kW/(m3·s)；vwz為水滴豎直下落速度，m/s；ρw為循環(huán)水密度，kg/m3；g為重力加速度，kg/m3；fz為雨滴豎直下落所受空氣阻力，N；mw為單個雨滴質(zhì)量，kg。

配水區(qū)和雨區(qū)傳質(zhì)系數(shù)為：

式中：Ka為水氣間對流傳質(zhì)系數(shù)，kg/(m3·s)；χw和χ為飽和空氣含濕量和濕空氣含濕量，kg/kg。

本文建立4個網(wǎng)格系統(tǒng)，利用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬對網(wǎng)格進(jìn)行獨立性驗證，結(jié)果見表3。比較 表3相對誤差，同時兼顧模擬計算的時間成本，本文數(shù)值模擬采用網(wǎng)格數(shù)為2 066 737的網(wǎng)格進(jìn)行計算。

式中：Kh為傳熱系數(shù)，kW/（m3·℃）；cv為水蒸氣比熱容，kJ/(kg·℃)；t為濕空氣的溫度，℃。

循環(huán)水能量守恒方程源項為：

式中：rw為冷卻水蒸發(fā)潛熱,kJ/kg。

基于單膜對流傳質(zhì)理論，得出氣水間質(zhì)量方程源項為：

5)本體的使用，需要進(jìn)行優(yōu)劣的評價，并且評價體系還需要貫穿整個本體的生命周期，以便于找到問題隨時調(diào)整。對于地名本體而言，目前沒有形成規(guī)范的評價體系和標(biāo)準(zhǔn)，也沒有針對性的評價工具，有的干脆沒有，有的則是自建自評。

式中：ρg為干空氣的密度，kg/m3；Nrd為雨滴個數(shù)；Ard為單個雨滴表面局，m2；Dv,m為水蒸氣擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；dw為雨滴當(dāng)量直徑；Red為雨滴當(dāng)量直徑的雷諾數(shù)；Sc為傳質(zhì)施密特數(shù)。

通常來說，發(fā)展成熟的多元化企業(yè)，其經(jīng)營戰(zhàn)略可以分為三個層次：即企業(yè)總體經(jīng)營戰(zhàn)略層次、事業(yè)部發(fā)展戰(zhàn)略層次以及職能戰(zhàn)略層次。其中，第一層次是企業(yè)戰(zhàn)略體系的主體和基礎(chǔ)，具體又分為穩(wěn)定型、增長型和收縮型三種戰(zhàn)略；第二層次具體規(guī)定了各項經(jīng)營事業(yè)的目標(biāo)和戰(zhàn)略；第三層次又進(jìn)一步將企業(yè)戰(zhàn)略按照專門職能進(jìn)行落實和具體化。本文在系統(tǒng)地分析了企業(yè)總體經(jīng)營管理戰(zhàn)略的基礎(chǔ)上，結(jié)合企業(yè)生命周期的四階段理論，得出了企業(yè)處于生命周期的不同發(fā)展階段所應(yīng)采取的不同經(jīng)營戰(zhàn)略。

三十年，三十年可以做什么？初生的嬰孩三十年已然而立，時代飛速發(fā)展的當(dāng)代，三十年足以改變一切事物，或者人的一生……

配水區(qū)和雨區(qū)的空氣阻力計算式為：

成束的微電極可以同時記錄超過200個細(xì)胞的電活動，但由于這些電極被置于細(xì)胞膜外表面附近，而非細(xì)胞膜內(nèi)，只能檢測到電活動中最劇烈的電位變化——動作電位。它們聽不到那些樂曲中弱音——那些微小而不引起動作電位的電位變化。但這些閾下電位變化卻至關(guān)重要，是它們的逐漸累積確定了神經(jīng)元何時會產(chǎn)生動作電位。

式中：i為坐標(biāo)x、y和z；fi為氣流與水滴的相互作用力，N。

填料熱力和阻力特性分別由傳質(zhì)系數(shù)和壓降的實驗擬合得出：

LAN Gang, WANG Xi-yong, GUO Da-wei, XIAO Huai-qing, XU Zhu-hui, ZHANG Zhi-hao

2.2 幾何建模和網(wǎng)格劃分

本文利用ICEM軟件進(jìn)行幾何建模和網(wǎng)格劃分，對計算域和冷卻塔分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為提高模擬計算的準(zhǔn)確性，對配水區(qū)、填料區(qū)和雨區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格加密。網(wǎng)格系統(tǒng)如圖2所示。

2018年，中央決定深化黨和國家機(jī)構(gòu)改革，組建文化和旅游部是其中的一項重要改革。文化和旅游合體既強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，又相輔相成。非物質(zhì)文化遺產(chǎn)是一個地區(qū)精神文化的象征，同旅游開發(fā)密不可分，所以，挖掘非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的精神核心成為了旅游開發(fā)的重點內(nèi)容之一，科學(xué)合理地進(jìn)行非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的開發(fā)能夠為當(dāng)?shù)氐穆糜伍_發(fā)注入精神內(nèi)涵，提高旅游產(chǎn)品的精神層次，從而為當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)的發(fā)展提供源源不斷的動力，促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展。

圖2 網(wǎng)格系統(tǒng) Fig.2 Grid system

2.3 計算域及邊界條件

本文建立高為700 m、半徑為500 m的計算域，計算域尺寸遠(yuǎn)大于冷卻塔尺寸，因此可以忽略塔體對計算邊界條件的影響。邊界條件如圖3所示。在側(cè)風(fēng)環(huán)境下，入口邊界條件設(shè)置為速度入口，出口邊界條件設(shè)置為壓力出口，塔壁和地面設(shè)置為無滑移壁面。側(cè)風(fēng)輪廓線函數(shù)用風(fēng)速和高度表示[27]。

圖3 邊界條件 Fig.3 Boundary conditions

2.4 計算方法和網(wǎng)格獨立性驗證

本研究采用SIMPLE算法耦合壓力和速度進(jìn)行迭代計算，利用亞松弛因子加速方程收斂，利用比例殘差判斷收斂性；能量方程比例殘差設(shè)置為10-6，其他方程比例殘差設(shè)置為10-4；當(dāng)連讀50迭代且出塔水溫變化小于0.01 ℃，則可認(rèn)為迭代計算收斂。

式中：Fz為空氣阻力，N；Δp為壓降，Pa；H為填料高度，m；v為空氣穿過填料區(qū)的平均速度，m/s；vz為濕空氣沿垂直方向的運動速度，m/s；A0、m0分別為根據(jù)實驗數(shù)據(jù)Ax、Ay、Az、mx、my和mz所確定的常數(shù)見表2。

塔內(nèi)濕空氣能量方程源項為：

表3 網(wǎng)格獨立性驗證 Tab.3 Grid-independence verification results

2.5 模型驗證

模擬計算該超大型濕式冷卻塔其他運行工況，得到出塔水溫模擬值，其與實際值對比結(jié)果見表4。由表4可見，模擬值與實際值之間的最大相對誤差為1.6%，表明本文所建模型滿足準(zhǔn)確性要求。

表4 模型準(zhǔn)確性驗證 Tab.4 Model accuracy validation results

3 結(jié)果分析

本文以風(fēng)速v=3 m/s、分區(qū)配水點50 m[27]為例，模擬計算內(nèi)區(qū)配水量5%～95%時，分區(qū)配水對空氣動力場溫度場和冷卻性能參數(shù)的影響。同時，研究側(cè)風(fēng)風(fēng)速v=1～3 m/s、分區(qū)配水對冷卻塔效率和出塔水溫的影響趨勢。

3.1 分區(qū)配水量

該超大型濕式冷卻塔填料區(qū)采用非等片距填料布置方式，在內(nèi)區(qū)和外區(qū)分別布置30 mm和 20 mm片距填料。側(cè)風(fēng)風(fēng)速v=3 m/s時，內(nèi)區(qū)半徑為50 m[27]，因此，v=3 m/s工況下，分區(qū)配水點為50 m，當(dāng)內(nèi)區(qū)配水量占比為60.68%時內(nèi)外區(qū)淋水密度相同即均勻配水。在該分區(qū)配水點下，內(nèi)區(qū)配水量占比變化見表5。

表5 內(nèi)區(qū)配水量占比 Tab.5 Proportion of the inner zone water distribution

針對側(cè)風(fēng)風(fēng)速（v=1～3 m/s），分區(qū)配水點分別設(shè)置為50、45、50 m[27]，模擬計算各個風(fēng)速下內(nèi)區(qū)配水量5%～95%時的出塔水溫和冷卻效率，具體內(nèi)區(qū)配水量不再贅述。

3.2 分區(qū)配水對塔內(nèi)空氣動力場和溫度場影響

圖4為v=3 m/s時，該塔X=0截面的均勻配水和分區(qū)配水空氣動力場。圖4a)為內(nèi)區(qū)配水量占比60.68%，即均勻配水時的空氣動力場；圖4b)為內(nèi)區(qū)配水量為65%時的空氣動力場。由圖4對比可以看出，內(nèi)區(qū)配水量增加，導(dǎo)致塔中心區(qū)域的低風(fēng)速區(qū)域有所增大，但是由于外區(qū)配水量減少，外界環(huán)境風(fēng)更容易進(jìn)入塔內(nèi)部，空氣動力場更加均勻，有利于配水外區(qū)氣水間換熱。

圖4 X=0截面的均勻和分區(qū)配水空氣動力場 Fig.4 Aerodynamic field in cross section of X=0 in uniform and partition water distribution

圖5為風(fēng)速v=3 m/s時，該塔配水區(qū)底部截面的均勻配水和分區(qū)配水溫度場。由圖5可以明顯看出，內(nèi)區(qū)配水量增加會削弱中心區(qū)域氣水間傳熱傳質(zhì)，導(dǎo)致塔中心出現(xiàn)高溫區(qū)。但是，由于外區(qū)配水量減少，配水外區(qū)風(fēng)速增大，強(qiáng)化氣水間傳熱傳質(zhì)，外區(qū)溫度明顯降低，出現(xiàn)環(huán)形低溫場。

圖5 配水區(qū)底部截面的均勻和分區(qū)配水溫度場 Fig.5 Temperature field in bottom section of the spray zone in uniform and partition water distribution

3.3 分區(qū)配水對冷卻性能的影響

以v=3 m/s為例，分析分區(qū)配水對出塔水溫、冷卻效率、通風(fēng)量和蒸發(fā)損失的影響；同時，對比分析風(fēng)速v=1～3 m/s分區(qū)配水和均勻配水的出塔水溫和冷卻效率。

冷卻效率和蒸發(fā)損失計算公式為：

式中：t1、t2分別為進(jìn)、出塔水溫，℃；τ1為空氣濕球溫度，℃；G為通風(fēng)量，kg/s；mw2和mw1和分別為出、進(jìn)塔水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

圖6為v=3 m/s時，出塔水溫和冷卻效率隨內(nèi)區(qū)配水量占比的變化曲線。由圖6可見，隨內(nèi)區(qū)配水量占比的增加，出塔水溫先降低后升高，冷卻塔的冷卻效率先增大后減小。這是因為內(nèi)區(qū)配水量過小時，外區(qū)配水量較大，外界環(huán)境風(fēng)較難進(jìn)入塔內(nèi)與冷卻水進(jìn)行換熱，冷卻效率較低；隨著內(nèi)區(qū)配水量增大，外界環(huán)境風(fēng)更容易進(jìn)入塔內(nèi)實現(xiàn)氣水間換熱，提高冷卻效率；但是，當(dāng)內(nèi)區(qū)配水量過大時，外界環(huán)境風(fēng)較難進(jìn)入塔中心區(qū)域，并且風(fēng)速較大的外區(qū)配水量過小，導(dǎo)致風(fēng)水匹配不佳，冷卻效率降低。當(dāng)內(nèi)區(qū)配水量占比為65%時，出塔水溫最低為20.02 ℃，此時的冷卻效率最大為66.81%；相比于均勻配水（即內(nèi)區(qū)配水量占比60.68%），出塔水溫降低了0.14 ℃，冷卻效率提高了0.82%。

圖6 出塔水溫和冷卻效率隨內(nèi)區(qū)配水量變化曲線 Fig.6 Variation curves of outlet water temperature and cooling efficiency with water distribution in the inner zone

圖7為v=3 m/s時通風(fēng)量和蒸發(fā)損失隨內(nèi)區(qū)配水量占比的變化曲線。

圖7 通風(fēng)量和蒸發(fā)損失隨內(nèi)區(qū)配水量變化曲線 Fig.7 Variation curves of ventilation and evaporation loss with water distribution in the inner zone

由圖7可見，通風(fēng)量呈先增加后減少的變化趨勢。這是因為最初內(nèi)區(qū)配水量較小，隨著內(nèi)區(qū)配水量增加，外區(qū)配水量減小，外界環(huán)境空氣更容易進(jìn)入塔內(nèi)，所以通風(fēng)量增加。當(dāng)內(nèi)區(qū)配水量占比過大時，外界環(huán)境空氣很難到達(dá)內(nèi)區(qū)，只能在外區(qū)與水進(jìn)行換熱，所以通風(fēng)量逐漸減小。此外，由式(14)可知，蒸發(fā)損失與通風(fēng)量呈正比關(guān)系，因此，蒸發(fā)損失的變化趨勢亦是先增大后減小。

考慮到人體會因大量熱量損耗而出現(xiàn)低溫麻醉現(xiàn)象，本文增加了一個生命損失間接影響因素，即潰壩發(fā)生季節(jié)與水溫環(huán)境。具體的十個生命損失間接影響因素見表1。

根據(jù)各個風(fēng)速的內(nèi)區(qū)配水點和內(nèi)區(qū)配水量，模擬計算得到風(fēng)速v=1～3 m/s時的出塔水溫和冷卻效率如圖8和圖9所示。由圖8和圖9可見，風(fēng)速v=1～3 m/s時，分區(qū)配水的出塔水溫均低于均勻配水，冷卻效率均高于均勻配水，表明在低風(fēng)速下分區(qū)配水能有效提高冷卻塔效率。

圖8 出塔水溫隨風(fēng)速的變化曲線 Fig.8 Variation curves of outlet water temperature with wind speed

圖9 冷卻效率隨風(fēng)速的變化曲線 Fig.9 Variation curves of cooling efficiency with wind speed

4 結(jié) 論

1）在風(fēng)速v=3 m/s工況下，分區(qū)配水改變了塔內(nèi)空氣動力場和溫度場的分布。

2）風(fēng)速v=3 m/s、內(nèi)區(qū)配水點為50 m時，隨內(nèi)區(qū)配水量占比的增加，出塔水溫先降低后升高，冷卻效率先增大后減小，通風(fēng)量和蒸發(fā)損失先增大后減小。當(dāng)內(nèi)區(qū)配水量占比為65%時，出塔水溫最低為20.02 ℃，冷卻效率最大為66.81%，與均勻配水（內(nèi)區(qū)配水量占比60.68%）相比，出塔水溫降低0.14 ℃，冷卻效率提高0.82%。

3）風(fēng)速v=1～3 m/s時，分區(qū)配水的出塔水溫低于均勻配水，冷卻效率高于均勻配水。低風(fēng)速下，分區(qū)配水能有效提高冷卻塔效率。