专利名称：超大型湿式冷却塔雨区热力特性仿真计算方法
技术领域：
本发明涉及冷却塔设计的仿真技术，特别是涉及超大型湿式冷却塔雨区热力特性仿真计算方法。
背景技术：
逆流式自然通风湿式冷却塔(以下简称自然塔)广泛地应用于国民经济的诸多部门，例如有电力、石油、化工等，其作用是将挟带废热的冷却水在塔内与空气直接接触进行热交换，使废热传输给空气并散入大气。这种类型冷却塔通风筒常采用双曲线形，用钢筋混凝土浇制，塔筒底部为进风口，空气从进风口进入塔体，穿过填料下的雨区，和热水流动成相反方向流过填料，再从塔筒出口流出。目前，冷却塔热力特性计算设计方法有一维仿真方法、二维仿真方法、三维仿真方·法。一维仿真方法在计算时将淋水区、填料区、雨区等三个区作为一个区处理，即将室内淋水填料实测的热力特性作为冷却塔的热力特性进行冷却塔的设计；二维仿真方法可以计算喷淋及填料区、雨区的每一点的热交换，可以对塔内的非均匀配水配风进行优化计算，但是二维仿真方法比较复杂，不适用于冷却塔的整体优化；三维仿真方法尚处在初级阶段，就是对冷却塔进行三维数值建模，生成冷却塔整体计算域的三维计算网格，仅适用于冷却塔特定工况的影响分析。故此，国内现有逆流式自然通风湿式冷却塔设计中的热力特性设计技术一般仅适用于“塔底直径< 110m，进风口高度为< 11m”的冷却塔。经改进，修正一维热力计算公式可延用到“塔底直径为110 140m，进风口高度为11 12. 5m”的中大型逆流式自然通风冷却塔，且误差相对较小。但对于“塔底直径>140m，进风口高度>12. 5m”的超大型冷却塔，运用现有方式会有较大的误差。将会使冷却塔在建造设计时，选型不合理，造成工程成本的浪费，以及预期设计工况与实际运行工况存在较大偏差。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种超大型湿式冷却塔雨区热力特性仿真计算方法，能准确地对超大型冷却塔的工程需要做出计算，便于选型优化。一种超大型湿式冷却塔雨区热力特性的仿真计算方法，包括建立冷却塔的雨区模拟模型，其中，设置该模型的底部直径大于110米、进风口高度大于11米；在预设不同工况的条件下，计算所述雨区模拟模型的雨滴当量直径；根据所述雨滴当量直径进行运动仿真，获取所述雨区模拟模型的热力特性数学模型。一种超大型湿式冷却塔雨区热力特性的仿真计算应用方法，包括应用如前所述的热力特性数学模型进行冷却塔的选型。在其中一个实施例中，所述热力特性数学模型为
N = (-0. 0014h2+0. 061h_0. 1496) λ 0-0182h+0-0124o一种超大型湿式冷却塔雨区热力特性的仿真计算模拟装置，包括模型建立模块，用于建立冷却塔的雨区模拟模型；参数采集模块，用于在预设不同工况的条件下，采集所述雨区模拟模型的雨滴当
量直径；数学模型转换模块，用于根据所述雨滴当量直径进行模拟计算，获取所述雨区模拟模型的热力特性数学模型。实施本发明，具有如下有益效果由于超大型冷却塔的体积庞大，内部结构复杂，本发明的超大型湿式冷却塔雨区·热力特性的仿真计算方法，首先建立超大型冷却塔内部雨区的物理模型，再通过数据采集、模拟计算将物理模型转换成数学模型。获取符合“底部直径大于110m、进风口高度大于11m、淋水面积大于12000m2”的超大型逆流式自然通风湿式冷却塔雨区热力数值计算公式。本发明的仿真应用方法，应用所述热力数值计算公式进行冷却塔的建造设计，选型优化，能够节省工程成本，使预期设计工况与实际运行工况相符，误差较小。
图I为逆流式自然通风湿式冷却塔的结构示意图；图2为本发明超大型湿式冷却塔雨区热力特性的仿真计算方法的雨区模拟模型示意图；图3为本发明超大型湿式冷却塔雨区热力特性的仿真计算方法的流程图；图4为本发明超大型湿式冷却塔雨区热力特性的仿真计算模拟装置示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。图I为逆流式自然通风湿式冷却塔的结构示意图。如图I所示，自然塔淋水面积是指冷却塔内“填料区顶部”的断面面积，按淋水面积A冷却塔可初步划分为小型塔A〈4000m2中型塔4000m2 ( A〈7000m2大型塔7000m2 ( A〈12000m2超大型塔A彡12000m2 (塔底部直径D>110m、进风口高度h>llm)自然通风逆流式冷却塔的散热包含了淋水区(图中配水区与填料之间的区域)、填料区和雨区(图中填料区以下、塔底水池水面以上的部分称为雨区)三个部分。目前，冷却塔热力设计计算方法有一维仿真方法、二维仿真方法、三维仿真方法。一维仿真方法计算时将淋水区、填料区、雨区等三个区作为一个区处理，即将室内淋水填料实测的热力特性作为冷却塔的热力特性进行冷却塔的设计；二维仿真方法可以计算喷淋及填料区、雨区的每一点的热交换，可以对塔内的非均匀配水配风进行优化计算，但是二维仿真方法比较复杂，一般适用于冷却塔的局部优化；三维仿真方法尚处在初级阶段，就是对冷却塔进行三维数值建模，生成冷却塔整体计算域的三维计算网格，一般适用于冷却塔特定工况的影响分析。随着冷却塔的淋水面积、塔高、塔底部直径增大，塔的进风口高度也响应增高，雨区的高度也随之增高，特别是超大型冷却塔底部直径一般大于140m、进风口高度大于12. 5m时，若仍沿用现有的修正一维热力计算(拟二维计算)公式进行冷却塔的设计计算，将会使冷却塔的设计工况与实际运行工况偏离增大，严重的会造成设计不合理甚至。图2为本发明超大型湿式冷却塔雨区热力特性的仿真计算方法的雨区模拟模型示意图。由于超大型冷却塔的体积庞大，内部结构复杂，本发明的超大型湿式冷却塔雨区热力特性的仿真计算方法，建立超大型冷却塔内部雨区的物理模型进行仿真研究。图3为本发明超大型湿式冷却塔雨区热力特性的仿真计算方法的流程图。下面结合图2、图3对本发明模拟仿真方法做进一步说明。SlOl :建立冷却塔的雨区模拟模型，其中，设置该模型的底部直径大于110米、进 风口闻度大于11米；S102 :在预设不同工况的条件下，计算所述雨区模拟模型的雨滴当量直径；S103 :根据所述雨滴当量直径进行运动仿真，获取所述雨区模拟模型的热力特性数学模型。对于“底部直径一般大于110m、进风口高度大于11m”的超大型逆流式自然通风湿式冷却塔，要获得冷却塔的雨区热力特性，通过原型观测的方法显然是不现实，须通过一套模拟仿真的方法来取得冷却塔的雨区热力特性。雨区热力特性模拟模型如图2所示。该模型主要由水循环和空气循环两个模拟系统组成，各模拟系统分别介绍如下水循环模拟系统水从集水池经水泵提升后进入电加热器进行加热，然后送至配水池内，配水池底部设有孔，孔下面有一层淋水填料将水散开形成淋水区，填料内不能通风没有热交换，淋水区的水滴回落在装置的下方集水池中循环利用。空气循环模拟系统由装置尾部的抽风机从进风口吸入外界空气，进入塔的测试段与水进行气、热交换后，再从风机出口排出。进塔风量通过变频器改变风机的电机的转速来控制。在装置上布置进塔空气的干、湿球温度测点、配水池上布置进塔水温测点、集水池中布置出塔水温的测点、在出口处布置出塔气温测点。温度采用多点温度测量系统进行测量，温度测量精度为O. 2V ;循环水流量在进塔竖管上布置电磁流量计，进塔风量在进风口采用风速表进行测量。建立冷却塔的雨区模拟模型的步骤，还包括设置所述雨区模拟模型的平面尺寸为ImX lm、高度15m、淋水高度为5m 15m、淋水密度在 7 — 13m3/m2 · h、风速为 O. 6m/s 2. 8m/s。测试时不安装填料只淋水，在模拟装置上测出循环水量、进水温度、出水温度、进气量、进气干球温度、湿球温度、大气压力，根据这些测试数据，可以算出冷却数及容积散质系数。(I)冷却数 N
V K{u(\diiV — ~7； — I ~ Γ
Q- 1(2:1)
式中i" 一与水温相应的饱和空气比焓(kj/kg)；i—空气比焓(kj/kg)；Q—循环水量，Kg/s ；Cw-7jC 的比热(kj/ (kg · °C ))；11、t2—进、出塔水温(°C );h—淋水高度(即模拟进风口高度)(m);A—淋水面积(m2 )。(2 )容积散质系数 Ka (kg/ (m3 · h))
Κα= Γ (2-2)式中q—淋水密度(kg/(m2· h))；h-淋水高度(m)。计算所述雨区模拟模型的雨滴当量直径的步骤之前，包括预设数个淋水高度，在各个淋水高度下进行测试；采集循环水量、进水温度、出水温度、进气量、进气干球温度、湿球温度、大气压力进行雨滴当量直径的计算；将计算的结果存储为雨滴当量直径表，该表包含了淋水高度、冷却数、气水比、风速、淋水密度以及对应的雨滴当量直径。优选地，分别对淋水高度5. OmUO. Om和14. 5m进行测试，按式(2_1)和式(2 — 2)可整理出不同淋水高度的雨区的热力特性关系为淋水高度为5. Om时Ν=0· 246 λα227(2-3)淋水高度为10. Om时N=O. 422 λ0 214(2-4)淋水高度为14. 5m时N=O. 560 λ0311(2-5)假定淋水的雨滴为不变型的刚性球，刚性球在空气中运动的表面面积蒸发系数为 ' f ' 273 ) (2.2-2)水滴容积散质系数为
Ka=K-^-
p^td( 2.2-3 )式中v—气流流过水滴的速度，m/s ；d—水滴直径，m ；P w—水的密度，kg/m3 ；
vf-水滴下降速度，m/s ；T—空气的绝对温度，K。雨滴在空气中的运动受到两个力的作用，自身重力和空气的阻力，空气的阻力为/ ￥(" — ":) (22.4)
^ 24 6其中Q=I+TT^rR =#卜叫 e Ui式中μ f-空气的动力粘性系数(kg/(m2, s))；P w一空气的密度，kg/m3 ；u一空气的速度，m/s;uw一雨滴的的速度，m/s。雨滴的运动方程为
_ 6μ,i 二eY(W)
dt p^d 8( 2.2-5 )其余符号同前；淋水区中的空气流速由风机的风量决定，为已知量，雨滴的流速可由式(2. 2 - 5)求出，雨区的各点的容积散质系数可由式(2. 2-1)至式(2. 2-3)求得。有了雨区各点的水滴容积散质系数，可通过下式计算雨区的平均容积散质系数。
—YafkKn =—--
V(2.2-6)式中Λ V—小的单元体体积，m3 ；V—淋水区的体积，m3。最后雨区的平均容积散质系数，可按式(2-2)求出淋水区的冷却数。给定不同的雨滴当量直径可以计算出不同条件和淋水高度(模拟进风口高度)的雨区冷却数，根据测试数据，利用计算机的数据拟合程序，分析不同淋水高度雨滴当量直径与冷却数的关系，归纳为下式淋水高度为5m时
0.0003
_9](2.2-7)淋水高度为IOm时
ΑΓ 0.0003Ν 7(2.2-8)淋水高度为14. 5m时
Α7 0 003N = 7(2.2-9)
对比雨区的测试结果与不同当量直径的热力特性可以找出不同淋水高度、不同运行工况条件下的雨滴当量直径，在计算机内存储为雨滴当量直径表2. 2-1。表2. 2-1不同运行工况条件下的雨滴当量直径表
权利要求
1.一种超大型湿式冷却塔雨区热力特性的仿真计算方法，其特征在于，包括 建立冷却塔的雨区模拟模型，其中，设置该模型的底部直径大于110米、进风口高度大于11米； 在预设不同工况的条件下，计算所述雨区模拟模型的雨滴当量直径； 根据所述雨滴当量直径进行运动仿真，获取所述雨区模拟模型的热力特性数学模型。
2.根据权利要求I所述的超大型湿式冷却塔雨区热力特性的仿真计算方法，其特征在于，建立冷却塔的雨区模拟模型的步骤，还包括 设置所述雨区模拟模型的平面尺寸为lmXlm、高度15m、淋水高度为5m 15m、淋水密度在 7 — 13m3/m2 · h、风速为 O. 6m/s 2. 8m/s。
3.根据权利要求2所述的超大型湿式冷却塔雨区热力特性的仿真计算方法，其特征在于，计算所述雨区模拟模型的雨滴当量直径的步骤之前，包括 预设数个淋水高度，在各个淋水高度下进行测试； 采集循环水量、进水温度、出水温度、进气量、进气干球温度、湿球温度、大气压力进行雨滴当量直径的计算； 将计算的结果存储为雨滴当量直径表，该表包含了淋水高度、冷却数、气水比、风速、淋水密度以及对应的雨滴当量直径。
4.根据权利要求I至3所述的超大型湿式冷却塔雨区热力特性的仿真计算方法，其特征在于，根据所述雨滴当量直径进行运动仿真的步骤，包括 构建所述雨区模拟模型的塔内气流运动数学模型； 将雨滴的属性设置为相同直径的刚性球，在所述塔内气流运动数学模型中计算所述雨滴的运动方程。
5.一种超大型湿式冷却塔雨区热力特性的仿真计算应用方法，其特征在于，包括 应用如权利要求I至4任一项所述的热力特性数学模型进行冷却塔的选型。
6.根据权利要求5所述的超大型湿式冷却塔雨区热力特性的仿真计算应用方法，其特征在于所述热力特性数学模型为 N= (-0. 0014h2+0. 061h-0. 1496) λ 0-0182h+0-0124o
7.一种超大型湿式冷却塔雨区热力特性的仿真计算模拟装置，其特征在于，包括 模型建立模块，用于建立冷却塔的雨区模拟模型； 参数采集模块，用于在预设不同工况的条件下，采集所述雨区模拟模型的雨滴当量直径; 数学模型转换模块，用于根据所述雨滴当量直径进行模拟计算，获取所述雨区模拟模型的热力特性数学模型。
8.根据权利要求7所述的超大型湿式冷却塔雨区热力特性的仿真计算模拟装置，其特征在于，所述模型建立模块包括 模型设置单元，用于设置该模型的底部直径大于110米、进风口高度大于11米，还用于设置所述雨区模拟模型的平面尺寸为lmXlm、高度15m、淋水高度为5m 15m、淋水密度在7 — 13m3/m2 · h、风速为 O. 6m/s 2. 8m/s。
9.根据权利要求8所述的超大型湿式冷却塔雨区热力特性的仿真计算模拟装置，其特征在于，参数采集模块包括测试单元，用于在预设的数个淋水高度下进行测试，采集循环水量、进水温度、出水温度、进气量、进气干球温度、湿球温度、大气压力； 计算单元，用于进行雨滴当量直径的计算； 存储单元，用于将计算的结果存储为雨滴当量直径表，该表包含了淋水高度、冷却数、气水比、风速、淋水密度以及对应的雨滴当量直径。
10.根据权利要求7至9所述的超大型湿式冷却塔雨区热力特性的仿真计算模拟装置，其特征在于，数学模型转换模块包括 气流仿真单元，用于构建所述雨区模拟模型的塔内气流运动数学模型； 运动仿真单元，用于将雨滴的属性设置为相同直径的刚性球，在所述塔内气流运动数学模型中计算所述雨滴的运动方程。
全文摘要
本发明公开了超大型湿式冷却塔雨区热力特性仿真计算方法。其中包括建立冷却塔的雨区模拟模型，其中，设置该模型的底部直径大于110米、进风口高度大于11米；在预设不同工况的条件下，计算所述雨区模拟模型的雨滴当量直径；根据所述雨滴当量直径进行运动仿真，获取所述雨区模拟模型的热力特性数学模型。采用本发明，可以对不同规模、不同运行工况条件的超大型冷却塔进行模拟计算，得出了超大型雨区的热力特性。
文档编号G06F17/50GK102819648SQ201210290800
公开日2012年12月12日 申请日期2012年8月15日 优先权日2012年8月15日
发明者龙国庆, 杨志, 毛卫兵, 汤东升, 罗必雄, 彭雪平, 乔旭斌, 匡俊, 李波, 朱嵩 申请人:中国能源建设集团广东省电力设计研究院