摘 要

我国的西北地区煤矿丰富，很适宜发展火力发电，建设了许多大型的火力发电厂，然而西北地区的水资源却非常匮乏，过去用冷却水冷却燃料的技术非常的浪费水。为了实现可持续发展，开始采用空气冷却系统，相比用循环冷却水冷却，不仅节水，效率还更高。然而空冷系统工作时排出的热空气会形成对流，导致大气与土壤发生传热传质过程，对土环境有一定的影响。西北地区的水土流失已经很严重，土地沙化造成的影响也很恶劣。

本文首先对空气冷却系统技术的定义、工作原理、优点和空冷系统的发展历程进行了介绍，还概述了对环境保护的意义。土壤是一种复杂的多孔介质，根据公式建立了理论模型并对在空气冷却系统影响下的土壤中水热迁移进行了研究和数值模拟，计算土壤温度场和湿度场的变化。

关键词：空冷系统 土环境 传热 传质

Abstract

The study on air cooling system and mass transfer process of soil environment

The northwest region of China is rich in coal mines, which is suitable for developing thermal power generation. Many large thermal power plants have been built. However, the water resources in Northwest China are very scarce, and the old cooling technology wasted a lot of water. In order to realize sustainable development, air cooling system is adopted. Compared with circulating cooling water, it not only saves water, but also has higher efficiency. However, the hot air emitted from the air-cooling system will form convection, resulting in heat and mass transfer between the atmosphere and soil, which has a certain impact on the soil environment. The soil erosion in Northwest China is very serious, and the impact of land desertification is very bad.

In this paper, the definition, working principle, advantages and development of air cooling system are introduced, and the significance of air cooling system to environmental protection is also summarized. Soil is a kind of complex porous medium. The theoretical model is established according to the formula and the water and heat transfer in soil under the influence of air cooling system is studied and numerically simulated to calculate the change of soil temperature field and moisture field.

Key Words: Air cooling system; soil environment;Heat transfer; mass transfer

目 录

摘 要 1

Abstract 2

第一章 绪论 4

1.1 课题的背景及意义 4

1.2 国内外研究进展 4

1.2.1 热岛效应 4

1.2.2土壤的传热传质研究 4

1.3本课题的研究内容 5

第二章 空冷系统的分析 6

2.1空气冷却的概念 6

2.2国内外空冷系统的发展及现状 6

第三章 空气冷却系统与土环境的传质过程研究 10

3.1 土壤组成 10

3.2.1 土壤物性 11

3.3 大气与土环境传质传热 13

第四章 数值模拟分析 15

4.1 空冷塔和土环境的数学模型的建立 15

4.2 控制方程 17

4.3 边界条件及参数设置 19

4.4 模拟结果分析 20

第五章 总结 25

参考文献 26

致 谢 28

第一章 绪论

1.1 课题的背景及意义

火电建设发展在我国已经有一百多年的历史，取得了巨大的进展，火电在总供电占比超过60%，是我国电力主要来源。火电厂中原先使用循环水来进行冷却，用水量占全厂用水量的六成以上^[1]，十分浪费水资源。火力发电厂的建设需要燃料和水两大丰富资源的条件，众所周知，我国水资源总量丰富，但时空分布上差距却非常悬殊，尤其是在我国西北、华北这些煤矿资源富饶很适合发展火力发电的地区，水资源匮乏^[2]。空气冷却系统能减少七成以上的用水量^[3]。所以生产过程中，空气冷却系统成为了解决这一矛盾的有效方法^[4]。

然而空冷系统工作时会排放出大量高温气体，造成大气对流，会与外界环境发生热量传递，同时还会从外界大气、水、土壤中吸收水分，会加剧西北地区的水土流失和土地沙化，不利于可持续发展，所以希望通过这次课题研究为防治沙化提供一些帮助。

1.2 国内外研究进展

1.2.1 热岛效应

热岛效应是指一个地区的气温高于周围地区的现象，热岛效应的形成不仅跟天气条件和地表覆盖和土地利用有关，人为排放出的热量也对会造成影响，如燃料燃烧排放，空调器排放等等排放量都非常惊人^[5]，中心城市的气候会被人为排放导致的气温上升而改变，并且带来不好的影响。

热岛效应产生的后果：各种排放气体被热岛效应影响，都涌向城市中心地带，无法向周边排出，会让热岛内的居民染上疾病；还会引起暴雨，使河流水位上升，出现一些地质灾害^[8]。

1.2.2土壤的传热传质研究

空气冷却系统与土环境的传热传质过程可以当作是含湿多空介质的干燥过程，在此过程中，内部会出现一系列复杂的传热传质特征，现今人们对其的了解还很不足，因此研究多孔介质的湿热迁移规律有很大价值。

达西定律是研究水分在土壤中的运动的基本理论。Richards在1931年对达西定律进行了修正、扩充，使得其可以更加全面的研究土壤中水分的运动。^[9,10]在研究了水分的传递和温度之间的关系后，得到了更加成熟的理论模型。国外热湿迁移的模型 、^[11]、^[12，13]等。

我国夏彦儒和施明恒等人^[14]也对土壤的传热传质进行了研究，并引用热力学的方法，得出了土壤传热传质的相关规律。陈振乾、施明恒等人^[15]，建立了土壤热量和水分迁移过程的热力学方程。也对不同条件下对结果的影响进行了研究。

1.3本课题的研究内容

空气冷却系统在运作时会排放出的大量高温气体，会使周边地区的温度发生变化。高凤姣^[16]通过整合和分析近年来火电站周边平均气温的变化之后发现，随着距火电厂的距离减少，气温升高的速度就会上升。气温确实会被火电厂影响，并且会和距离较远的地区产生很大的差异。排出的热空气使空气对流，向外界冷空气释放热量，同时还会吸收水分，当外界空气中的水分被吸收殆尽时，则需要继续从游离水体中吸收水分，然而在西北等干旱地区，水体很匮乏，这时就需要将土壤中的水分蒸发出来弥补空气传质后水分的损失。这一空气与土壤的传质过程，便是课题研究主要内容。

本课题运用《化工原理》、《工程热力学》等方面的知识，分析空气冷却系统通过与大气环境换热，导致局部范围内大气温度升高，进而与局部地区内土壤发生的传质过程，分析此传质对过程对土壤的持水性的影响。

第二章 空冷系统的分析

2.1空气冷却的概念

空气冷却就是是利用空气的循环来对待冷却物进行冷却的技术。目前国内的大型火电厂在运行时，在汽轮机工作时产生热量通过利用空气等冷却介质对其排出的乏汽进行冷却，通过维持冷端释放热能的过程，同时减小了乏汽的体积，使其在输送的时候更加方便，可以进行循环利用。水冷系统工作时不仅需要循环冷却水，最后还是需要空气进行辅助冷却，空气流过进行过循环的冷却水之后会发生接触，发生换热，冷却水会因此而发生气化，这样会使得水分大量的减少。空气冷却技术则是只有空气和被冷却的介质进行热量的传递，不会发生蒸发现象，所以空冷系统消耗的水分很少，节水效果优异。

2.2国内外空冷系统的发展及现状

2.2.1国外发展及现状

世界上第一个空气冷却系统在1920年诞生在德国，德国的哈帕博士将其放入火电厂中进行试验并取得了较好的效果，但是由于当时德国正在进行世界大战，没有能够得到发展并运用在工业中，在1950年的第四次世界电力会议上，匈牙利的海勒教授发表了关于空气冷却研究的论文。在19世纪70年代,由于匈牙利教授福哥改造了空气冷凝蒸汽冷凝器，电厂开始使用空气冷却技术，空气冷却能力的提升越来越快，直到上个世纪80年代,空气冷却技术推广和应用在大型电厂越来越完善。伊朗国内对空气冷却技术的利用率是世界上最高的,接近一半的火电厂都采用了这项技术。空气冷却机组的技术开发，从未成熟走向成熟。

直冷技术在1980年以后，发展的速度非常快，为了解决水资源的问题，空气冷却电厂在南非开始投入建设。作为世界上最大的单机装机容量，南非的电站的投产标志着直接空冷技术的应用进入了一个新层面^[17]。直接空气冷却装置也被在另外一些国家得到发展，如英国的350MW空气冷却装置、美国的850MW空气冷却装置和伊朗的1170MW空气冷却装置。目前，正在德国建设一个拥有800兆瓦容量的直接风冷机组。

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