● 摘要
直接空冷系统因节水效果显著而被广泛应用在“富煤缺水”地区或干旱地区兴建的火力发电厂中。然而在炎热夏季高温时段，当环境风从锅炉房吹向空冷塔时，会在空冷塔下产生“热回流”，导致空冷散热器冷却能力下降，汽轮机背压急剧升高，甚至会造成系统停机，严重的影响了机组的安全运行。因此，研究空冷机组周围的热态风场特性，对提高直接空冷系统的散热效果，具有理论意义和工程价值。 本文采用理论分析方法研究热回流与各影响因素之间的关系，采用风洞模型试验方法研究空冷系统的热态风场特性。所取得的主要创新结果如下： 1．揭示热回流产生的机理及其主要影响因素，获得热回流的定量评价方法。 当自然风吹过空冷塔时，气流在塔顶发生分离，在空冷塔的背风面形成巨大的漩涡；在漩涡结构的边缘，从空冷散热器排出的热气在强烈的紊动剪切和混合作用下重新回到空冷塔的进风口，形成热回流。 影响热回流的主要因素有：环境因素、空冷塔几何尺寸因素、风机因素：这些因素相互联系，涉及到空气动力学，气象学以及传热学等多门学科。 通过理论分析证明了在空气比热不变的条件下，基于体积流率定义的热回流率和基于温差比值定义的热回流率是统一的；并针对简化的空冷散热器外形，建立了无风条件下热回流率与各影响因素之间的定量关系。 2．首次在低速风洞实验中对直接空冷系统模型进行热效应研究，发现了空冷塔周围热态流场、温度场以及塔底的平均回流率随环境因素的变化规律。 将直接空冷模型内通恒定的热水，构成热循环系统，在模拟大气边界层低速风洞中对直接空冷模型进行热效应实验，得到不同工况下空冷塔周围热态风场以及塔下温度场分布。 风向角相同时，塔下温度场分布随着风速比的增加而增加；回流率随着风速比的增加而增大，这主要是由于风速比增加，平台前后的漩涡强度增大，其紊动卷吸和混合作用增强，导致更多的热气流被卷吸到空冷塔下，进而导致热回流增加。 风速相同时，风向角对回流率具有很大的影响，当环境风从锅炉房吹过空冷塔时，塔下温度场分布最多，热回流率最大。 塔下温度场随着密度弗汝得数的增加而减少；回流率随着密度弗汝得数的增加而减少，这主要是由于热浮力效应增加，热气流向上的动能增加，因而克服来流惯性力的能力增强，空冷塔底部的热回流减少。 塔下温度场分布随着风机流量的增加而减小，回流率随着风机流量的增加而减小，这是因为风机流量增加，翅片管束出口的迎面风速增加，增加了出口热气流的动能，因而克服来流惯性力的能力增强，热回流减少。 3．揭示了空冷塔几何尺寸对热态风场结构以及空冷塔下热回流的影响规律。 激光片光和PIV测量结果表明，挡风墙高度对塔前后漩涡结构的形状、大小、强度有很大影响。适当增加空冷平台周围的挡风墙高度，可以改善空冷塔前后的流场结构，从而控制从空冷散热器排出的热气流的走向，降低热回流。 适当加长、加宽空冷平台有利于降低由于气流在空冷塔的边缘发生分离而产生的剪切流现象；增加进入风机的气流流量，增强气流与翅片管束的换热能力，从而降低塔下平均回流率。