斜交叉塑料淋水填料热力阻力性能测试及分析

黄 凯 周亚素 丁 枭

东华大学环境科学与工程学院

斜交叉塑料淋水填料热力阻力性能测试及分析

黄 凯 周亚素 丁 枭

东华大学环境科学与工程学院

本文以斜交叉薄膜淋水填料为实验对象，测试并分析其热力阻力性能。介绍具体的测试技术，得出在常用淋水密度下，效率增长率与阻力增长率的关系，给出迎面风速的合理范围。

淋水填料 性能 冷却效率

0 引言

随着节能减排政策的开展和推进，直接蒸发冷却技术和冷却塔节能技术越来越受到企业和科研单位的关注。而淋水填料作为冷却水循环设备的核心部件，测试和研究其热工、阻力性能对提高冷却效率极为关键。据研究表明：淋水填料在湿式冷却塔内的冷却效率可达到70%左右[1]。淋水填料按表面形式分为点滴、薄膜、点滴薄膜三种，众多文献和工程已对各种形式的填料进行比较分析，结果表明薄膜式淋水填料的热力性能较其他两种填料要好，且薄膜填料的换热性能可达到点滴填料的2到3倍[2]。

目前在薄膜填料中，使用广泛的为PVC斜交叉填料。传统的填料实验测试平台放于室外，进风参数难以控制，靠天吃饭的问题难以解决。其次，传统平台测试填料的热力、阻力性能往往不加以区分冷却塔的三个区域：喷淋区、填料区、雨区，致使测试结果不精准。笔者在进行填料性能测试实验时，在填料段进出口截面分布测点，排除喷淋及雨区的影响，使得测试结果更为客观。本文具体介绍斜交叉淋水填料在模拟塔上的热力、阻力性能测试技术及结果，并加以对比分析。此外，给出填料出水水温计算模拟的一种方法，为实际工程选型提供参考。

1 填料的实验研究

1.1 测试填料介绍

实验填料来源于浙江平湖某塑料片材公司生产的斜交叉填料，如图1所示。该填料的特点为：①材料为聚氯乙烯，组装方式为片材层与层交叉，通过塑料粘结剂粘接，片距15mm，比表面积fo=1.46。②填料波形由正弦波组成，均为直波，水平方向呈70°倾斜角，波距为35mm。正弦波上有滞留波，避免水在凸波上直接下泄。③填料迎风面尺寸为580mm×580mm，组装高度为600mm。

图1 测试填料示意图

1.2 试验平台简介

实验装置主要由以下三部分组成，如图2。

1）空气处理系统：被处理空气通过表冷器、电加热和蒸汽加湿段，随后送入实验间，维持实验间温湿度的恒定。从而能保持填料段的进风参数在相应的测试工况下。空气进塔后与喷淋水发生热、质交换，之后经风机排出实验间。

2）喷淋水循环系统：喷淋水在恒温水箱预热达到设定喷淋温度，经过喷淋泵由布水器均匀喷洒在测试填料上，冷却后流回恒温水箱再热达到初始温度，完成一个循环。

3）控制系统：通过变频器改变测试塔风机和喷淋水泵频率，控制进塔风量和喷淋水水量，从而使实验能在不同气水比工况下进行。

图2 填料性能测试实验平台

1.3 测试技术

1）进塔、出塔空气干湿球温度，采用TSI9555通风仪测定，温度测量范围为5～60℃，测量精度±0.3℃。

2）填料下端迎面风速、静压以及冷却塔出风段平均风速、静压，采用连接静压探针及毕托管的TSI9555通风仪测得，风速测量范围0～50m/s，精度±3%，压力测量范围-3735~+3735Pa，精度为读数的±1%。风速测定时采用等面积布点法测量，取各点风速的算数平均值[3]。进塔风量由风速乘以断面面积得到。

3）实验需测冷却水温度有：进塔水温、进填料淋水水温、出填料淋水水温、经过雨区后最终的冷却水水温四种温度。以上四种温度均采用Pt100测定，精度为0.01，探头上用足够的纱布包裹，每种温度取测点平均值。填料的换热效率按式（1）计算

式中：t1、t2分别为进填料淋水水温、出填料淋水水温，℃；τ1为填料进口空气湿球温度，℃。

4）喷淋水流量用电磁流量计PC-LDY测定，精度为0.3，量程0.3～4m3/h。

5）填料层阻力通过填料下端进风截面与冷却塔出口风管断面全压差，减去同等条件下空塔（无填料）下端进风截面与冷却塔出口断面的全压差计算得到[4]。

1.4 试验工况

1）大气压力：998.9kPa；2）进塔干球温度：31.5℃；

3）进塔空气相对湿度：77%（±3%）；

4）进塔水温：经调试，确保喷洒在填料上的水温为36℃+0.4℃，温度波动在合理范围之内；

5）填料迎面风速：0.97，1.17，1.36，1.56，1.75，1.95，2.28，2.43m/s；

6）喷淋密度：6.12，7.2，8.12，9.1，10.08m3/(m2·h)。

2 实验结果与分析

将5种淋水密度及8种风量组合成40种工况，对淋水填料在这40种工况下进行换热及阻力性能测量，测试结果整理在表1、表2中，并将换热效率和阻力绘成曲线图，见图3、图4。

由图3可看出：在相同的淋水密度下，迎面风速越大，换热效率值随之变大。淋水密度在6.12m3/(m2·h)，风速0.97m/s时，填料淋水进出口温差是2.71℃，换热效率为33.88%，当风速增加到2.43m/s时，温差是4.07℃，换热效率升高至50.88%，效率增值显著，为17%。

但若淋水密度变大，换热效率会相应减小，淋水密度在10.08m3/(m2·h)，风速1m/s时，填料淋水进出口温差是1.96℃，换热效率为24.50%，当风速增加到2.43m/s时，温差是3.02℃，换热效率升高至33.75%，效率增值为9.25%，相对淋水密度为6.12m3/(m2·h)，增值减小了7.75%。这是因为淋水密度过大时，布在填料片材上的水膜过厚，部分较大的水珠直接掉落，冷却时间和冷却面积都变小了。其次，填料片材在粘接时会形成形状略有不同的蜂窝，水量过大时，填料块的每一个蜂窝形成了不同的水流，空气更多地进入阻力小的填料孔，导致换热不均匀，出水平均水温也随之升高。与此同时，相同的淋水密度，随着风速的增大，空气阻力也会越来越大，因此不能一味增加风速来求得更高的换热效率，导致风机的能耗升高。

表1 出填料温度及换热效率实测值

表2 填料阻力实测值（Pa）

图3 效率与迎面风速的关系

图4 阻力与迎面风速的关系

为了更好地分析，将换热效率，阻力与迎面风速绘在同一张图上，如图5是淋水密度8.12m3/(m2·h)的效率，阻力与迎面风速关系图。将图5两条曲线绘制成较为光滑的趋势线，并作这两条曲线在各工况点斜率的比值，如图6所示，纵坐标就是风速的变化导致的换热效率变化量与阻力变化量的比值。同理依次作另外4个临水密度工况下效率曲线与阻力曲线导数的比值如图 6所示。从图 6可以看出，淋水密度在6.12～8.12m3/(m2·h)，风速小于1.4m/s时，曲线值没有明显变化，为1.5，说明在此段区间内，随着风速的增加，换热效率增加的速率比阻力增加的速率要快约1.5倍，但随后，随着风速的增加，曲线值开始下降，当比值小于1时，说明换热效率增加速率已经小于阻力的增加率，淋水密度6.12，7.2，8.12，9.1m3/(m·h)对应的分界速度依次是1.95m/s，1.75m/s，1.63m/s，1.36m/s。而淋水密度在10.08m3/(m·h)时，迎面风速v＞1.21m/s，换热效率的增加率已经小于阻力增加率。

图5 淋水密度8.12m3/（m·h）时效率、阻力与迎面风速的关系

图6 效率增加率与阻力增加率比值与迎面风速的关系

3 结论

本次实验研究了一种PVC斜交叉淋水填料，通过控制进风及喷淋水参数，更客观地测试出填料热力阻力性能。根据实验数据整理换热效率及阻力性能曲线，得出在常用淋水密度下，随着迎面风速的增加，填料换热效率和气流阻力值都会随之升高。淋水密度在6.12～8.12m3/(m2·h)，风速小于1.4m/s时，换热效率增加的速率比阻力增加的速率要快约1.5倍。淋水密度为6.12，7.2，8.12，9.1，10.08m3/(m2·h)，效率增加率等于阻力增加率的分界速度分别为 1.95m/s，1.75m/s，1.63m/s，1.36m/s，1.21m/s。

[1] 史佑吉.冷却塔运行与实验[M].北京:水利水电出版社,1990

[2] 刘东兴.冷却塔淋水填料的研究进展[J].建筑热能通风空调, 2009,27(5):27-31

[3] 中国工程建设标准化协会.冷却塔验收测试规程(CECS118：2000)[S].北京:中国建筑工业出版社,2000

[4] 赵振国.冷却塔[M].北京:中国水利水电出版社,1997

Test and Analysis of Thermal and Resistance Performance of the PVC Oblique Cross Film Packing

HUANG Kai,ZHOU Ya-su,DING Xiao
College of Environmental Science and Engineering,Donghua University

PVC oblique cross film packing were used as test object in this paper to analysis its heat exchange efficiency and resistance performance.Results show the relation curves of heat exchange efficiency and increase rate of resistance, reasonable velocities are also provided.

packing,performance,cooling efficiency

1003-0344（2015）04-011-4

2014-3-24

黄凯（1989～），男，硕士研究生；上海松江区人民北路2999号4号学院楼3137（201620）；E-mail:huangk1027@163.com