逆流薄膜填料表面水膜特性的实验研究

蔡 辉，章立新*，尹 证,2，黄科诚，张跃中，沈 艳，李远进，袁 广

(1.上海理工大学 能源与动力工程学院&上海市动力工程多相流动与传热重点实验室，上海 200093； 2.北京玻璃钢设计研究院有限公司，北京 101111；3.平湖市三久塑料有限公司，浙江 平湖 314205； 4.上海同驰换热设备科技有限公司，上海 200433；5.厦门烟草工业有限责任公司，福建 厦门 361022)

冷却塔是将被冷却循环水直接或者间接的与大气充分接触，使冷却水将热量传到大气中的装置。冷却塔内被冷却循环水与空气直接接触称为开式塔和闭式塔，反之则为闭式塔；淋水薄膜填料是冷却塔内关键部件，在湿式冷却塔的散热中，其散热作用约占60%～70%[1-2]。薄膜填料的材质一般为聚氯乙稀或聚丙稀等塑料，先通过压制延展形成平片，然后使平片在填料模具上经过真空吸塑或者热压的环节制作为成型片，最后成型片通过节点粘连或者穿杆构成组装块。按照淋水在填料区冷却过程的存在形式，填料可以分为点滴式、薄膜式和点滴薄膜式三种类型[3]。

近些年来，国内外学者对于填料做了许多研究。陈友良[4]等利用仿真模拟对比竹格填料与薄膜填料在热力性能及阻力性能等方面的差别，并且通过案例分析，得出了两种填料的适用范围。王明勇[5]等在原来填料等高等间距的基础上改用不等高及不等间距布置的优化设计，结果表明，优化后的不等高及不等间距设计使冷却塔温降增加0.7～1.0℃。王淼[6]等对比分析了5种填料布置对超大型冷却性能的影响，发现S波冷却效率最好，降低填料内区和外区高度，使得空气流速增加，空气流场分布更加均匀。Pooriya Shahali[7]研究了三种不同类型填料对湿式冷却塔换热效果的影响，最后得出三种填料中罗纹较为密集的填料热性能比较好。Wang,Miao[8]等建立了高水位集水自然通风湿式冷却塔与通常的自然通风湿式冷却塔之间的冷却性能优化的三维数值模型，设定三种波纹填料(双斜波，双向波和S波)和四种填充高度的影响条件，结果表明，S波在两个塔的三次填充中具有最高的冷却效率，并且高水位集水自然通风湿式冷却塔换热性能优于通常的自然通风湿式冷却塔。Zhang Y等[9]以石墨纳米片作为导电组分，以甲基四氢邻苯二甲酸酐和聚醚砜混合形成三维连续填料网络，然后通过实验验证，结果表明此种填料的导热系数是纯环氧树脂填料的3.5倍，并且冲击强度也得到大幅度提高。

国内对于填料的研究很多是基于冷却塔的优化，而国外对于填料的材质研究比较多。本文在前人研究填料的方法上作了新的探索，针对逆流薄膜填料，选择从水在填料表面流动形成的扩散角和水膜滞留时间及水膜重量进行了研究。为此设计并搭建了水在填料上流动的可视化实验台和填料湿重实验台，研究了8种逆流填料上水在某种平均风速和不同流速下的扩散角、滞留时间，以及不同淋水密度下的水膜重量，用来预判填料散热性能的优劣。通过对测试结果数据进行分析，可以快速地筛选出换热性能比较好的填料，省去了筛选阶段进行的填料热力性能测试环节，有效节约了企业的测试成本。

1 实验原理及实验台设计

1.1 水在逆流填料上流动的可视化实验

本实验研究的方法是将填料处在某平均风速、不同淋水密度的情况下，通过拍摄示踪剂在填料单侧表面的扩散角以及记录示踪剂从实验腔观察面的注射口流过一定距离所需的时间，来预判填料换热性能的优劣。

1.水泵;2.调节阀;3.流量计;4.布水管;5.流量计;5.实验腔;6.布水槽;7.均压腔;8.风机;9.风速测量口;10.水平溢流槽孔;11.封板;12.布水纱布;13.示踪剂注入孔;14.有机玻璃面板;15.底板;16.挡水沿;17.试验台支架;18.集水槽;19.填料.

图1所示为水在填料上流动的可视化实验台，主要由风机、带流量调节阀水泵、均压腔、横流风道、实验腔、布水槽、集水槽、水流量计、调节阀、风速仪及实验台支架组成。

实验腔由底板和透明的有机玻璃面板构成窄长形的空间，布水槽固定在底板的后面。

布水槽设计为封闭的空腔结构，设置在实验腔底板的背面，并在实验腔底板上边沿以下15～20cm处有一高为4～5mm并与布水槽的内部等宽的水平溢流槽孔，布水槽与实验腔通过水平溢流槽孔相连通。布水槽内还贯穿有一根均布小孔的布水管(图中未表示)，布水管上包裹纱布，纱布的自由端穿过水平溢流槽孔伸到被测填料成型片测试表面的上端，纱布与被测填料成型片等宽，使水流能够均匀地分布到被测填料成型片的该侧表面。

布水管上均布2～3mm的小孔，孔的中心距2～3cm。布水槽的上端面可以打开，以便更换调整纱布和封闭不在被测填料成型片宽度范围内的水平溢流槽孔。

水泵的进水口与集水槽连接并连通，水泵的出水口经调节阀和水流量计后从布水槽的侧面连接并连通到布水槽6内的布水管上。

在透明的有机玻璃面板的上部有水平均布的几个示踪剂注入口。

实验前，首先计算在不同淋水密度下填料单侧表面所对应的水流量：

(1)

式中， Q表示水的流量，m3/h； α表示溢流口的宽度，m；b表示填料的波高，m； ρ表示冷却塔的淋水密度，m3/(h·m2)。

实验设定了3个不同的淋水密度ρ，ρ，ρ3和某一平均风速，然后按式(1)计算出3组不同的水流量。对同一种填料，在3个不同气水比的工况下，对每个气水比工况分别进行不少于3次的重复测试和记录。待实验全部完成以后，对拍摄的照片进行图像处理，通过角度测试软件对照片中示踪剂形成的角度进行测量，结合示踪剂滞留时间进行分析。

开始测试时，先合上水泵开关，使循环水在系统内循环，根据实验设定的淋水密度，通过控制水量调节阀调节转子流量计的流量。待系统运行稳定后，通过注射器吸取定量的示踪剂，在有机玻璃面板上开的小孔处将示踪剂垂直于底板的方向注射到填料表面，同时拍摄记录其扩散过程。示踪剂采用某种进口油漆且短期不溶于水，密度和清水差不多。

1.2 填料湿重实验台

图2所示为填料湿重实验台的原理示意图，本次实验研究块状逆流填料在不同的淋水密度表面形成的水膜情况，然后计算出横流填料的布水湿重，因此淋水区域的设计成为了该实验的关键因素。

流量根据所要求淋水密度X和淋水面积A1求得，单位为t/h，公式如下：

Q=X×A1

(2)

根据淋水密度和淋水面积的要求，设计合适的孔数与排布方式，并且需要估算出所需的布水小孔孔径和水位高度，求出设计的布水盆高度。布水面积为所有布水孔面积之和：

(3)

式中，n为布水孔个数，根据伯努利方程，有：

(4)

式中，g为重力加速度，h为水位高度，v为水流速，ρ为水密度；水流速可由流量求得：

(5)

式中， Q为流量， A为布水面积；

由(1)(2)(3)(4)式整合可得：

(6)

式中， x为淋水密度，d为布水小孔直径。

实验开始前，对填料架和填料进行称重，记录下所称的数据，然后开启水泵，调到实验时的循环水淋水密度，再对湿的填料架和填料分别进行称重。未放置填料时，称量填料架重量，：

(7)

放置填料后，称量填料架重量+填料干重，即四个台秤的数值之和：

(8)

放置填料后前，调节淋水密度为x，称量该淋水密度下的填料架湿重：

(9)

放置填料后，调节淋水密度为x，记录该淋水密度下的填料架湿重+填料湿重，即为：

(10)

则有填料干重：

(11)

淋水密度为X时填料湿重：

(12)

淋水密度为X时填料时水膜重量：

(13)

1.辅助调节旁通阀;2.流量调节阀;3.水泵;4.流量计;5.布水管; 6.消能管组(带有3D打印小喷头442个);7.集水盆;8.填料架立柱; 9.布水盆;10.台秤

图2所示为填料湿重实验台简图。主要由台秤，水泵，旁通阀，调节阀，浮子流量计，布水盆，集水箱和消能管组组成。本实验的目的是得出8种填料在不同淋水密度下表面的水膜重量，比较不同填料湿重的情况。

实验前，将选好的8种逆流填料块放置在支撑托盘上。调节填料的位置，使填料正好处于布水区的中间位置。

由于称量的是填料的湿重，因此淋水部分极其重要。主要由集水箱、水泵、浮子流量计和带有消能管组的布水盘组成。淋水区有以下特点：(1)淋水区布水必须均匀；(2)淋水区布水需足够稠密；(3)布水稳定，避免不同区域布水速度差距过大的现象；(4)为了防止两侧进风口和收水口淋水，对布水区域必须精准；(5)根据填料的高度不同，布水区高度和淋水密度可调节。

待实验条件准备就绪后，然后对8种不同的逆流填料进行实验。先称量填料和填料架的干重，再开启水泵调节淋水密度，待临水稳定后分别对淋水后填料架和填料进行称重，计算出逆流填料的布水湿重。

2 实验结果及分析

2.1 本次实验研究的填料类型

本文对水在8种逆流填料上扩散角和滞留时间进行研究，选取的8种逆流填料特性如下：

表1 8种逆流填料的特性：

2.2 示踪剂在横流填料上测试结果与分析

本文选取的淋水密度ρ1-3分别为8m3/(h·m2)、12m3/(h·m2)、16m3/(h·m2)，通过公式(1)计算得到相应的流量为：Q1-3=52 L/h、78 L/h、117L/h。调节风机功率变速仪，是每一种淋水密度下的风速相差0.2m/s，得出三组数据取其平均值。

实验开始后，通过测量示踪剂在平均进口风速为2.09m/s的风速下，3种淋水密度下在填料表面形成的扩散角，得出8种逆流填料的扩散角分布情况：

图3 某风速和不同淋水密度下示踪剂在8种逆流填料形成的扩散角

从图3中可看出：

(1)8种逆流填料在某平均风速、不同淋水密度下做对比实验，淋水密度越大，示踪剂在填料表面形成的扩散角也反而越小。

(2)从图中可以明显看出，示踪剂在3号逆流填料表面所形成的扩散角度最大，预判3号逆流填料的热性能最好。

以下为示踪剂流过8种相同高度下不同波型逆流填料表面的滞留时间(单位：秒)：

图4 某风速和不同淋水密度下示踪剂在8种逆流填料表面的滞留时间

从图4中可看出：

(1)8种填料在某平均风速和不同淋水密度下做对比实验，淋水密度越大，示踪剂随水膜在填料表面的滞留时间越短，则表明当淋水密度在这三种中较小者成膜效果最好。

(2)从图中可以看出3号和5号逆流填料表面的滞留时间最长，但5号为多折斜波填料，因此示踪剂随水膜在填料表面的滞留较长，但扩散角明显小于3号逆流填料，因此预判3号逆流填料的热性能最好。

以下为8种逆流填料在5种淋水密度下的表面水膜重量的测试结果，得出8种块状填料单位体积上水膜的重量：

图5 不同淋水密度下8种逆流填料表面的水膜重量

从图5中可看出：

(1)8种逆流填料在不同淋水密度下做湿重对比实验，淋水密度越大，单位体积填料的表面水膜越重。

(2)其中3号逆流单位体积填料的水膜重量最大，这与平面接触角及平面滞水时间的实验结论相吻合，预判3号填料的热性能最好。

3 结论

本文以8种逆流填料为研究对象，设计并搭建了逆流填料实验台和填料湿重实验台。通过测试示踪剂在填料表面形成的扩散角大小、示踪剂从注射口流到填料底部的时间及循环水在块状填料表面形成的水膜重量，得到结论如下：

(1)对于逆流实验台，8种填料在某平均风速和不同淋水密度下做对比实验，淋水密度越大，示踪剂在填料表面形成的扩散角也反而越小，其中三号逆流填料表面形成的扩散角最大。

(2) 8种填料在某平均风速和不同淋水密度下做对比实验，淋水密度越大，示踪剂随水膜在填料表面的滞留时间越短，因此在冷却塔的运行之中，循环水流量过大会缩短水与空气的接触时间，不利于散热。3号和5号逆流填料表面的滞留时间最长，但5号为多折斜波填料，因此示踪剂随水膜在填料表面的滞留较长，但扩散角明显小于3号逆流填料，因此预判3号逆流填料的热性能最好。

(3)8种逆流填料在不同淋水密度下做湿重对比实验，淋水密度越大，单位体积填料的表面水膜越重。其中3号单位体积逆流填料的水膜重量最大，这与平面接触角及平面滞水时间的实验结论相吻合，预判3号填料的热性能最好。