抗震冷却塔金属淋水填料研究

常 亮，李海燕

（1.中国核电工程有限公司河北分公司，河北 石家庄 050000；2.中核第四研究设计有限公司，河北 石家庄 050021）

抗震冷却塔金属淋水填料研究

常 亮1，李海燕2

（1.中国核电工程有限公司河北分公司，河北 石家庄 050000；2.中核第四研究设计有限公司，河北 石家庄 050021）

冷却塔的冷却效果主要由淋水填料的冷却数和冷却塔的有效高度决定，淋水填料的换热性能决定了冷却塔的主要换热效果。为提高抗震冷却塔的抗震效果，淋水填料采用金属填料。通过在某工程中抗震冷却塔金属填料与普通塑料填料应用的对比分析，研究金属填料的特点及适用性，为抗震冷却塔的设计提供依据。

冷却塔；金属淋水填料；热力阻力特性参数

1 研究背景

抗震冷却塔目前已应用于核电和相关核工程项目中，中核集团的田湾核电5、6机组、中广核红沿河5、6机组，中广核广西防城港3、4机组等项目均设置了额外冷却系统作为核岛热阱系统的备用，抗震冷却塔是整个系统的关键设备。冷却塔的冷却效果主要由淋水填料的冷却数和冷却塔的有效高度决定，淋水填料的换热性能决定了冷却塔的主要换热效果。淋水填料的作用是将配水系统溅落的水滴，经多次溅散成微细小水滴或水膜，以增大水和空气的接触面积，延长接触时间，保证空气和水中间良好的热、质交换作用。水的冷却过程主要是在淋水填料中进行，所以填料是冷却塔的关键部件。

冷却塔的空气动力特性是确保冷却塔高效的设计关键。李红莉等［1］采用Fluent软件，对内陆核电重要厂用水系统鼓风式机械通风冷却塔在不同塔型条件下的空气动力特性进行了数值模拟计算，获得了冷却塔塔型与冷却塔阻力及填料断面风速分布均匀性的关系，并认为填料安装高度对鼓风式机械通风冷却塔整塔阻力影响不大，但会影响填料断面上风速分布均匀性，填料安装高度越低，风速分布越均匀，填料阻力系数越小影响越明显；出口收缩段的高度越高，整塔阻力越小，风速分布越均匀。郭富明等［2］研究了不同填料特性对研究高位收水冷却塔的冷却性能影响，并认为不同填料阻力和集水装置深度对冷却塔阻力特性影响较小。

本文针对金属淋水填料，通过室内测试装置，研究了断面风速等不同条件下填料的热力阻力特性。研究结果将为抗震机械通风冷却塔的设计提供依据。

2 工程概况

2.1工程概况某工程冷却设施采用抗震冷却塔作为核反应堆事故后的最终热阱，抗震冷却塔采用机械通风钢筋混凝土鼓风式填料冷却塔。冷却塔为2座，1B、1A系列冗余布置，满足系统1×100%。每座冷却塔配2个鼓风机，2×50%设计，鼓风机风量为18万m3/h，每座冷却塔最大循环水量为330 m3/h，考虑20%的富裕水量，每座冷却塔设计循环水量为396 m3/h，循环水温差为8℃。每座冷却塔包括2个冷却塔单元，2个冷却塔单元之间相互连通，如图1所示。每座冷却塔分为2格，每格淋水面积为5×5=25 m2。

图1 鼓风式冷却塔的平面、剖面图

2.2气象参数及进出水温要求气象参数见表1。

表1 气象参数

2.3填料的选择填料材质应具备较强的抗震能力，经历SSE地震后可以正常工作；具备较好的冷却能力，水和空气的接触表面积较大、接触时间较长；具备较好的亲水性能，容易被水湿润和附着；材料容易加工；质轻、耐腐蚀、抗老化，满足阻燃特性；便于施工，可以维修等能力。根据本工程设计水量少，对抗震能力要求较高等特点，因此选用金属材质的不锈钢填料，型式为薄膜式，斜折波。填料参数见表2，每层填料高200 mm，填料外形图见图2。

表2 填料参数

图2 填料外形

3 金属淋水填料物理模型试验

金属填料物理模型试验研究包括2个方面：（1）测试金属淋水填料的热力特性；（2）测试金属淋水填料阻力特性。

试验用淋水填料采用表2为2所列的填料型式，截面积为0.5 m×0.5 m规格的试验样品，填料每层高200 mm。试验中的填料试验高度分别为0.4、0.6、0.8及1.0 m，各层之间采用交错布置。

3.1试验装置及试验方法试验在试验室内的抽风式逆流冷却塔模拟装置进行。试验装置系统示意见图3。塔体试验段高3.0 m，淋水面积0.36 m2（0.6 m×0.6 m），最大尾高1.8 m；系统淋水密度可调范围在4.0～20.0（×103kg/（m2·h）），淋水填料断面处风速可调范围在0.5～3.5 m/s。

图3 试验装置系统示意

填料的热力阻力性能试验目的是获得填料冷却性能参数，供冷却塔设计计算使用。试验通过改变填料断面淋水密度和风速来调节不同气水比，每个工况试验调节3种淋水密度（约7，10，13 m3/（m2·h））和4个断面风速（1.0，1.5，2.0，2.5 m/s）。完成各组试验后，求出每一组试验的特性参数，进而求出该填料热力阻力特性表达式及曲线。测试参数包括进塔干湿球温度、出塔干湿球温度、进出塔水温、进塔空气流量和进塔水量、大气压等。当各参数相对稳定后进行数据采集并作热平衡计算，控制热平衡误差在±5%以内。

淋水填料热力及阻力特性参数及表达式计算方法如下：

（1）冷却数N［3］

式中：i″为与水温相应的饱和空气焓，kJ/kg；i为空气焓，kJ/kg；Cw为水的比热，kJ/（kg·℃）；t1、t2为进、出塔水温，℃。

用试验数据计算出相应的冷却数和气水比，用最小二乘法整理出冷却数与气水比的关系式。即：

式中：N为冷却数；λ为气水比；An、c为试验常数。

（2）容积散质系数Ka（kg/（m3·h））

式中：q为淋水密度，m3/（m2·h）；h为填料高度，m。

容积散质系数Ka表示淋水填料单位体积的散热性能，通常根据试验资料整理成如下表达式：

式中：g为质量风速，kg/（m2·h）；q为淋水密度，m3/（m2·h）；A、m、n为试验常数。

系数A和指数m、n为试验常数，用所有工况的Ka、q、g值按最小二乘法求得。由于Ka值与g、q两个参数有关，还可以分别固定g或q，改变另一个参数，求得指数m和n，将每一工况的g和q值和已求得m和n值代入上式，求出每一工况的Ai值平均，即可求出A值。

（3）阻力特性。淋水填料的阻力表达式，是根据实测数据整理而成：

其中：Ap=Axq2+Ayq+Az；M=Mxq2+Myq+Mz。

式中：q为淋水密度，m3/（m2·h）；v为断面风速，m/s；γ为空气比重，N/m3；Ax、Ay、Az、Mx、Mx、Mz为试验系数。

3.2试验结果热力阻力特性参数汇总见表3。

表3 淋水填料热力阻力特性汇总

4 淋水填料对比分析

4.1前提在进行冷却塔设计计算时，冷却塔填料下方的横梁尺寸较大，其阻风面积占冷却塔淋水面积的36%。同时由于单格冷却塔面积较小，仅25 m2（5 m×5 m），应考虑壁流影响，对冷却塔冷却效率进行10%折减。综合上述考虑在进行冷却塔设计计算时，冷却塔冷却性能应考虑46%的折减，以确保冷却塔满足设计要求。

4.2淋水填料对比分析

4.2.1 填料高度的确定 确定淋水填料断面风速为2.0 m/s，即汽水比0.93时，冷却塔风机风量为180 000 m3/h。在汽水比0.93，表1的气象资料条件下，冷却任务数（冷却数N）经过辛普逊（simpson）近似积分法计算为0.986。

（1）金属填料。金属填料高度400 mm的时候，经过热力计算及相关折减后，冷却塔填料特性N′计算为0.87；金属填料高度600 mm的时候，经过热力计算及相关折减后，冷却塔填料特性N′计算为1.131。

因此填料采用金属填料，高度600 mm满足设计要求。

（2）塑料填料。采用标准双向波塑料淋水填料，填料片距25 mm。每米淋水填料热力特性取值见表4，数据来源自《工业循环水冷却设计规范GB/T 50102—2014》［4］。

表4 双向波塑料淋水填料热力阻力特性

塑料填料高度1 000 mm的时候，经过热力计算及相关折减后，冷却塔填料特性N′计算为0.70；塑料填料高度1 250 mm的时候，经过热力计算及相关折减后，冷却塔填料特性N′计算为0.80；塑料填料高度1 500 mm的时候，经过热力计算及相关折减后，冷却塔填料特性N′计算为0.90；塑料填料高度2 000 mm的时候，经过热力计算及相关折减后，冷却塔填料特性N′计算为1.05。

因此填料采用塑料填料，填料高度至少为2.0 m。

（3）相同高度填料冷却性能的比较相同高度填料冷却性能的比较，详见表5。

表5 相同高度填料金属填料与塑料填料冷却性能对比

因此通过对比可以发现，在相同高度填料，金属填料的换热性能约为塑料填料的2～3倍。

4.2.2 冷却塔出水温度比较分析 在设计气象工况下，按照表1设计条件，计算2.0 m/s断面风速下冷却塔的进出塔水温，进出塔水温的计算参考《冷却塔》［5］，不同填料计算结果见表6。

表6 2.0 m/s断面风速下冷却塔计算结果

由计算结果可以看出，当淋水填料断面风速达到2.0 m/s时，冷却塔进出塔水温均满足设计要求。金属填料冷却塔进水温度为42.15℃，出水温度为34.15℃。塑料填料冷却塔进水温度为42.75℃，出水温度为34.75℃。

在热力性能满足的前提下，塑料填料冷却塔的出水温度比金属填料高0.5℃以上，金属填料冷却塔冷却效果显著。

5 结论

（1）同一高度的金属填料的热力特性是常规塑料填料的热力特性的2～3倍，金属淋水填料可广泛应用于核电及核工项目最终热阱抗震冷却塔中，可以减小冷却塔高度，节省土建费用，提高其抗震能力；（2）在换热性能满足的情况下，中小型抗震冷却塔应用金属淋水填料比普通塑料填料的出塔水温降低约0.5℃，冷却效果提高明显。

［1］ 李红莉，赵顺安.鼓风式机械通风冷却塔空气动力特性数值模拟研究［J］.中国水利水电科学研究院学报，2013，11（3）：206-209.

［2］ 郭富明，赵顺安，杨智.高位集水冷却塔集水装置阻力特性数值模拟研究［J］.中国水利水电科学研究院学报，2014，12（1）：93-97.

［3］ 机械通风冷却塔工艺设计规范，GB/T50392—2006［S］.北京：中国计划出版社，2007.

［4］ 工业循环水冷却设计规范，GB/T50102—2014［S］.北京：中国计划出版社，2014.

［5］ 赵振国.冷却塔［M］.北京：中国水利水电出版社，2002.

Absract：The cooling effect of cooling tower mainly depends on counter flow packing and effective height of it.The heat transfer performance of flow packing determines heat transfer effect of cooling tower.In or⁃der to improve anti-seismic performance of cooling tower，metallic flow packing is the best choice.Through comparative research between metallic flow packing and common packing on certain project，the characteris⁃tics of metallic flow packing of anti-seismic cooling tower has been revealed.The design condition of antiseismic cooling tower will be optimized in the future.

Research on metallic flow packing of anti-seismic cooling tower

CHANG Liang1，LI Haiyan2
（1.China Nuclear Power Engineering CO.，LTD.Hebei Branch，Shijiazhuang 050000，China；2.The Fourth Research and Design Engineering Corporation of CNNC，Shijiazhuang 050021，China）

cooling tower；metallic flow packing；the data of thermal resistance performance

TQ051.5

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2017.01.012

1672-3031（2017）01-0075-05

（责任编辑：李福田）

2016-03-28

常亮（1979-），男，辽宁朝阳人，高级工程师，主要从事于核电及核工程循环冷却水设计研究。E-mail：changliang@cnpe.cc