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基于数值模拟的自然通风冷却塔防冻装置自动控制研究

作　者: 甄海军
导　师: 李永华
学　校: 华北电力大学
专　业: 工程热物理
关键词: 冷却塔挡风板防结冰热力特性数值模拟
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

由于我国北方地区冬季气温较低和冷却塔内换热不均,在冷却塔的填料下面、进风口、基环面等处容易结冰,影响机组的正常运行。为防止冷却塔结冰现象的出现,通常采用悬挂挡风板的方法。目前采用人工悬挂挡风板,不易调节冷却塔内运行工况,所以有必要研究一种根据环境温度对挡风板悬挂位置及面积进行自动控制的挡风装置。为了找出冷却塔在不同的环境温度和横向风速下运行应挂挡风板的精确悬挂层数,利用FLUENT软件对600MW机组的自然通风湿式冷却塔进行了数值模拟研究,模拟的结果接近实际情况,为人工和自动悬挂挡风板提供了参考依据。论文建立了湿冷机组冷却塔内的传热传质模型。根据自然通风冷却塔的相关理论,对喷淋区和雨区采用离散相模型计算,对填料区采用多孔介质模型,并通过自定义函数UDF描述控制方程中的源项；在所建立模型的基础上,主要模拟并分析冷却塔的塔内空气温度场的变化规律；以及分析不同的横向风速和环境温度对塔内最低水温和最低空气温度的变化规律。最后还分析总结不同的风速、环境温度加装不同层数挡风板的防结冰规律。结果表明：低风速(小于4m/s)时塔内的背风面区域空气温度较高,随着风速的增加,高温区逐渐向迎风侧转移；特征平面的最低水滴温度和最低空气温度随着横向风的增加先升高再降低,并在横向风速V=4m/s时达到最大值。在低温环境下和大于6m/s风速时,对出塔水温的影响很大,因为气水在雨区的换热被强化,导致出塔水温降低,容易结冰；而且塔内最低水温、最低空气温度随着环境温度的下降而降低。冷却塔在变工况运行下,计算中揭示以下几点：①当环境温度为-10℃、风速为2m/s、6m/s、8m/s时,挂1层挡风板可有效防止特征面水滴结冰。②当环境温度为-17℃,横向风速分别为2m/s、4m/s、6m/s和8m/s,分别挂1、1、2、4层挡风板可有效防止3个特征面最低水滴结冰。③当环境温度为-23℃,风速分别为2m/s、4m/s、6m/s、8m/s时,分别挂4、1、3、5层挡风板可有效防止3个特征面最低水滴结冰；此外,还研究了挡风板自动控制装置。根据温度传感器测量的环境温度,实现PLC自动控制电机转动(也可手动操作),从而达到控制挡风板在冷却塔进风口不同高度的布置面积。论文所得结论对此类问题的研究具有借鉴意义,自动控制装置为防止冷却塔结冰、保证机组的正常运行提供了新的手段。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-15
  1.1 研究背景及意义  10
  1.2 国内外研究概况现状  10-12
  1.3 冷却塔概述  12-14
    1.3.1 冷却塔的类型  12-13
    1.3.2 自然通风冷却塔结构  13-14
  1.4 本文的研究工作  14-15
第2章数值模拟软件简介  15-22
  2.1 FLUENT软件结构  15-16
  2.2 GAMBIT网格生成器  16-17
    2.2.1 网格的类型  16
    2.2.2 网格的选择及其生成过程  16-17
  2.3 FLUENT求解器  17-18
  2.4 数值模拟计算的部分理论依据  18-22
    2.4.1 离散相模型  18-19
    2.4.2 湍流模型  19-20
    2.4.3 SIMPLE算法  20
    2.4.4 亚松弛格式  20-21
    2.4.5 用户自定义函数(UDF)  21-22
第3章 600MW冷却塔加装挡风板数值模拟模型的建立  22-29
  3.1 离散相模型  22-26
    3.1.1气相控制方程  22-23
    3.1.2 水滴控制方程  23-26
  3.2 填料区热质传递模型  26-27
  3.3 塔内流动阻力模型  27
  3.4 边界条件  27-29
    3.4.1 几何边界条件  27-28
    3.4.2 离散相初始条件和边界条件  28
    3.4.3 物理边界条件  28-29
第4章 600MW机组冷却塔加装挡风板的数值模拟结果分析  29-39
  4.1 未装挡风板塔内空气温度场分布  29-31
  4.2 不同风速对未装挡风板塔内空气温度及水滴温度的影响  31-33
  4.3 不同温度对未装挡风板塔内空气温度及水滴温度的影响  33-36
  4.4 加装挡风板防结冰分析  36-38
  4.5 本章小结  38-39
第5章 600MW机组冷却塔挡风板自动控制设计  39-58
  5.1 机械结构设计方案  39-42
    5.1.1 机械框架结构布置方案  39-41
    5.1.2 机械传动工作原理  41-42
  5.2 电器控制方案设计  42-57
    5.2.1 电机控制原理图  42-44
    5.2.2 挡板及传感器布置结构  44-45
    5.2.3 PLC基础知识  45-47
    5.2.4 挡板控制程序框图及PLC外部接线图  47-48
    5.2.5 PLC控制过程  48-50
    5.2.6 自动/手动控制梯形图程序  50-57
  5.3 本章小结  57-58
第6章结论与展望  58-60
  6.1 主要结论  58-59
  6.2 后续工作的展望  59-60
参考文献  60-62
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  62-63
致谢  63

基于数值模拟的自然通风冷却塔防冻装置自动控制研究

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