水冷式换热系统阻垢与防腐的新技术应用

水电行业暖通空调技术的发展相对来说滞后于工民建行业，但随着水电建设事业的发展，水电暖通空调专业的技术水平亦得到了很大的发展和提高。从20世纪70年代开始，为满足我国水电建设发展的需要，在水电暖通方面开展了大规模的调研工作，摸索总结出了一批符合水电站的规律、特点的暖通空调设计经验，编制出我国自己的水电暖通空调设计的规程、规范及手册。在此基础上，设计了一大批符合水电站特点、通风效果良好、工作环境适宜的水电暖通空调系统和装置，积累了许多成功的经验。如利用大坝大体积混凝土的巨大蓄放热特性，通过大坝廊道、地下电站的交通廊道对室外新鲜空气进行降温去湿处理，利用坝前深层低温水库水对送风进行一级预冷或喷淋降温，利用无压尾水洞引入室外空气等节能降温措施，以及高大厂房的分层空调、高窗厂房的自然通风，利用水轮发电机余热作为冬季供暖的热源等，均成为后来工程设计的借鉴范例。

一般水电站从暖通空调技术的角度来看具有以下特点：

1)热、湿区分明，即布置电气设备部位的发热量大，布置水处理设备的部位以及厂房的水下部位产湿量大；

2)可以根据实际情况合理利用水库深层冷水、廊道风、无压尾水洞等天然冷源；

3)主厂房发电机层空间大而实际工作区空间小；

4)厂房大、部位多、而运行管理人员却很少，且均集中在中控室、电算室、通讯室及单元控制室等部位；

5)可利用电气设备损耗发热作为冬季供暖的热源；

6)施工期长，通风空调系统要满足机组分期投产的需要。

在水电站的通风空调设计中，采用从尾水隧洞或坝体廊道取风，使空气经过简单的天然冷却处理，然后送入厂房内，对厂房内的降温去湿具有一定的作用。同时，其节能效果显著，可节省30%～80%的空调能耗，节省设备费用。这一点在实际工程运行以及传统设计计算中已经得到了证实。然而，传统的设计计算多以经验为主，缺少理论设计依据，并存在无法实现系统换热动态变化计算的不足之处。本文采用大型通用有限元分析软件ANSYS，对水电站坝体廊道取风的温降效应进行动态数值模拟分析，用以为水电站通风空调设计提供一种行之有效的新方法。

本文选择了已有传统设计计算和实测数据的漫湾水电站（位于云南省临沧地区云县与思茅地区景东县的交界处）作为研究对象，主要是为了将ANSYS数值模拟结果与设计计算结果及实测数据相比较，验证ANSYS数值模拟这一方法的可靠性。

2.1.1 温度场的分析结果

坝体廊道位于混凝土重力坝中。混凝土坝处于外界大气、山体岩石和水库水的包围之中。坝体同时受到不确定温度场和稳定温度场的影响。这里仅列出温度场分析的结论。

对混凝土重力坝不稳定温度场的分析结果表明：对于大体积混凝土坝的温度场，在坝体外部与水和空气的接触面上，温度波以周期性简谐波的形式向坝体深部传递。当深度达到10 m时，温度波幅可以忽略不计。与库水或空气接触的坝体表面10 m进深范围为不稳定温度场。而夹在年平均水温和年平均气温界面中间的坝体，可视为稳定温度场，与漫湾通风有关的坝体廊道均处在稳定温度场内，这是本文要重点研究讨论的廊道通风温降效应的部位。

对混凝土重力坝稳定温度场的分析计算结果表明：坝体中部的温度场基本在15～20℃之间。

2.1.2 坝体廊道温降理论计算结果

空气与坝体廊道壁的换热，按不稳定传热计算。

计算方程式为

K_τ (t_x－t_r)sdx+crvfdt_x=0   (1)

运算整理后得

t_x= t_r+(t_h－t_r)e^{-(KτF)/(crG)}   (2)

式(1)，(2)中t_x ——坝体廊道末端气温，℃；

    t_h——室外气温，30℃（夏季通风温度）；

    t_r——坝体廊道通风前壁面温度，19℃（年平均温度）；

    c——空气比热容，1 kJ/(kg·℃)；

    F——廊道内壁换热面积，5 000 m²；

    r——空气密度，1. 105 kg/m³；

    K_τ——不稳定传热系数，17. 05 kJ/ (m²·h·℃)；

    G——通风量，100 000 m³/h。

  最终算得t_x=24.1℃。

1995年5～8月对漫湾水电站坝体廊道通风作了现场测定，整理结果见表1。

表1 坝体廊道通风实测数据

	项目	5月	6月	7月	8月
室外空气	温度/℃ 相对湿度/% 露点温度/℃	34.6 33 17.2	25.6(雨) 75 21.6	30.5 57 21.0	31.5 52 20.5
坝廊出风口	温度/℃ 相对湿度/% 露点温度/℃	23.6 77 19.0	22.8 95 21.9	22.6 93 21.3	23.0 88 21.0
通风量/(万 m3/h)		40	40	40	40
降温量/℃		11	2.8	7.9	8.5
水库水位/m		985	985	985	985

漫湾水电站坝体廊道属无限长地下深埋拱形断面工程，取廊道长为100 m，其横断面的尺寸如图1所示。

图1 坝体廊道横断面示意图

本文所研究的坝体廊道（岩壁）属于三维空间问题，根据轴对称原理，在ANSYS建模过程中只需建立1/2的坝体廊道几何模型（关于y轴对称），其断面设置为绝热面。对于廊道内的流体（即空气），其平均温度是研究的重点，因此在本课题的模拟中将空气简化为一维的空气线。

在本文的模拟过程中，分别创建了10 m，20 m，50 m三种不同厚度岩壁的实体模型。在此只给出几何模型的示意图，见图2，3。

图2 坝体廊道实体模型               图3 坝体廊道几何模型

参考地道风的应用：地道风一般只用于夏季降温，因此，本文主要对漫湾水电站坝体廊道取风的夏季工况进行数值模拟分析计算。为了在有限时间内模拟并比较多种不同厚度(10 m，20 m，50 m)岩壁作用下的温降效应，本文仅模拟流体（空气）在1天之内与岩壁进行换热所产生的变化。24 h波动的室外气温由夏季空调室外计算逐时温度来确定^[5]。

τ时刻的室外气温计算式为

t_w·τ =t_{w· p}+(t_w·max－t_w·p)cos(15τ－225) (3)

式中t_{w· p} ——夏季空调室外计算日平均温度，30℃；

t_w·max－t_w·p ——设计日室外气温波动波幅，(30～35.4℃)。

由上式算得的波动的室外气温，将作为表格化边界条件加载，可使用表格编辑器定义APDL(ANSYS parametric design language)表格。最终生成的APDL表格载荷的曲线如图4所示。

图4 APDL表格载荷的曲线

将10 m，20 m，50 m三种不同厚度工况下，以各个节点的坐标值为横坐标，温度值为纵坐标，将空气线模型上的节点温度值绘制在同一张图中（见图5），比较图中的三条曲线，可以直观地看出不同岩壁厚度对系统（空气与岩壁）换热的影响。

图5 24 h不同厚度影响下FLUID116上节点的温度曲线

横向比较各对应结点的温度值，会发现：在相同求解时间内，不同的岩壁厚度对空气出口温度的影响并不大。三种工况的空气出口温度分别为23. 5，23.1和23.3℃。

求解完成后，使用时间历程后处理器 (POST26)查看温度随时间变化的情况。定义空气入口与出口的两个节点(Nodal DOF result)分别为需要绘制曲线的变量，将这两个节点温度随时间的变化规律曲线绘制在同一张曲线图中，入口节点温度与出口节点温度的差值即为空气的温降。从而在温度随时间变化的曲线图中，可以清晰地观察到空气在整个换热过程中的温降效应。24 h温度随时间变化曲线如图6所示。

图6 岩壁厚度为10 m时空气入、出口温度随时间变化曲线

由图6可以直观地观察到，当给空气入口以及廊道入口端面温度施加正弦温度曲线边界条件时，廊道内空气的温降是随外界气温的变化而变化的，基本上呈正弦规律变化。当室外气温较高时，廊道内空气温降也较大；当室外气温较低时，廊道内空气温降也随之变小。在54 000 s的时候，室外气温达到最高35.4℃，此时廊道内空气温降达8.6℃，为最大温降；然而此时廊道内的气温为26.8℃，由图6可以观察到，此时的温度并不是廊道内空气的最低温度，此时如果不开制冷机，厂房内送风温度有可能偏高。在进口气温最低时也有约3℃的温降，总体来讲，廊道内空气的温降效果还是令人满意的，可以节约大量的人工制冷能耗。计算结果也表明，数值动态模拟是可行的。

由上述模拟可以看出，使用大型通用有限元分析软件ANSYS对水电站坝体廊道引风的温降效应进行动态数值模拟是有效可行的。通过模拟不同厚度的岩壁对系统换热的影响得出结论：不同岩壁厚度对空气出口温度的影响很小，由于坝体廊道位于山体之中，具体厚度不易测量，建议在实际的模拟计算中，取运算较为简便的10 m厚岩壁进行建模。

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