逆流填料阻力特性测试中挡雨设计的可行性研究

袁 广， 章立新*， 张辛辛， 陈 浩， 沈 艳， 叶 军， 尤艺昊

（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.华电电力科学研究院有限公司，浙江 杭州 310030；3.上海同驰换热设备科技有限公司，上海 200433；4.浙江万享科技股份有限公司，浙江 湖州 313199）

冷却塔现今作为通用机械设备广泛应用于化工、能源、冶金以及制冷空调等领域，其主要的功能为带走废热、保持工艺系统的正常运行[1]。整塔压损是影响冷却塔冷却能耗的重要因素，而填料的压损占整塔压损的30%～40%左右[2]，所以确定填料阻力特性至关重要。国内外学者对填料压损测试及其阻力特性做了大量的研究。胡三季等[3]研究了逆流塔中淋水填料在不同高度下阻力性能与热力性能的关系。黄凯等[4]专门搭建了逆流塔淋水填料测试平台，对不同片距、不同结构的淋水填料以及不同波形的填料进行热工性能测量和分析；Farhard 等[5]在不同气水比下对冷却塔及填料性能进行了对比研究。

通用测压装置主要有标准毕托管、S 型皮托管、笛形管及压力计等。黄凯等[6]采用静压探针对斜交叉塑料淋水填料阻力性能进行了测试。在冷却塔填料测试标准[7]中，采用笛形管来测试填料的阻力。但由于测量截面大、气流不稳定、淋水影响大、毕托管头工作条件不好，致使测量误差大[8]。特别是淋水堵塞测压孔，会直接导致测压装置失效，这类问题在化工装置的填料阻力特性测试中也普遍存在，所以在使用基于毕托管原理改良的全压管网测量压力时，解决淋水堵塞难题十分重要。

针对该难题，本文开发了一种适用于在喷淋液雨区中的全压测量装置[9]，并通过两种阻力特性不同的填料实验，研究了具有挡雨设计的测压装置的可靠性。

1 实验

1.1 实验台

本实验所用的逆流填料阻力特性实验台如图1 所示。空气在轴流风机的吸力作用下，从进风窗进入，依次通过下部全压测试管网及下部静压测试装置、淋水填料、上部全压测试管网及上部静压测试装置、喷淋管网、收水器，最终从轴流风机排出塔体；水从集水池通过喷淋水泵升压，依次经过上水管、布水管网，由喷头喷洒到填料上，再回到集水池。实验台淋水截面（亦为通风截面）尺寸为1 300 mm×500 mm。

在冷态实验时（即水不加热），下部全压测试管网所测压力与下部静压测试装置所测压力之差可计算出填料的截面风速，且同上部全压测试管网所测压力与上部静压测试装置所测压力之差计算出的填料截面风速应相等；下部全压测试管网所测压力与上部全压测试管网所测压力之差即为所测风速下填料的压损，其也应等于下部静压测试装置所测压力与上部静压测试装置所测压力之差。所测截面风速可以与转轮风速仪在进风窗处所测的风速比对，以检验测试的可靠性。

图1 逆流填料阻力特性实验台

1.2 取压装置

本文所开发的测压装置，包含取压器、挡雨罩、取压管网及压差测量设备。所述取压器，安装在填料上下侧的气液逆流区域内且与具有连通管的取压管网相连接，用于采集气液逆流区域的检测点处的气压，接入压差测量设备。测压装置包括：取压管，具有取压端和安装端；以及挡雨罩，用于容纳取压管来防止取压端被气液逆流区域的喷淋水滴堵塞，其中，挡雨罩具有挡雨罩主体以及与该挡雨罩主体的一端相连接的连接座，连接座朝向挡雨罩主体的端面上设置有取压管安装孔，侧部上设置有至少两个与取压管安装孔连通用于与连通管连接且连通的连通口，取压管位于挡雨罩主体内的中央位置且通过安装端安装在取压管安装孔内而固定设置在挡雨罩内，如图2 所示。

参考International Standard ISO 3966[10]，取压管外径为6 mm、内径为2 mm、长度为15 mm；挡雨罩外径为20 mm、内径为18 mm，呈钟罩型。

图2 全压管网取压头、挡雨罩及其装配图

针对1 300 mm×500 mm 的通风截面尺寸，根据等面积的测点布置原则，取2×7 网格共14 个测点，如图3 所示。

图3 全压管网的结构图

在图1 所示的实验台的填料上侧截面之上和填料下侧截面之下，即与上部测压管网和下部测压管网同一水平位置，分别布置了相对应的上部静压测试装置和下部静压测试装置，每个水平面上布置有4 个相同的静压测试装置，这4 个静压测试装置连通汇总到一根管子，接入压差测试设备。

另外，静压测试也要防止壁流堵塞测压孔，故在壁面上开设了200 mm×40 mm 的方孔，与静压测试装置连接。静压测试装置贴附在塔体的外侧，与方孔的连接通道略微向塔内倾斜，类似于一个飘窗，以防止静压装置内积水。每个静压测试装置上有3 个并联的取压孔。

1.3 测试填料

本文测试填料有两种。第一种填料为PVC 材质的薄膜填料，其单张成型片波形为S 波，斜波波距为50 mm，斜波波长为120 mm，波与垂直方向的夹角为30 º，直波波距为60 mm，直波波长为175 mm。同时这种填料也是逆流冷却塔中最常用的填料。由16 张成型片拼成填料组装块，尺寸为500 mm×1 300 mm×250 mm，间距为30 mm。填料成型片如图4 所示。

图4 S 波填料成型片

图5 5090 型水帘纸填料组装块

第二种填料型号为5090 的水帘纸，材料为佳木斯原纸，波纹高度为5 mm，降温效果好，但是相对应的风压增大很多，此种填料的压力测试值会更大。此外，由于这种填料的密度高，其多用于冷风机的湿淋填料。填料组装块如图5 所示。

2 结果与讨论

2.1 实验工况

本文实验主要以表1 中的因素作为变量进行对比实验。

表1 实验的因素设置

根据上述变量，分别测出两种填料在是否淋水的情况下的压损情况，以及随风量大小的变化情况，并分析填料、淋水情况、风量等条件与填料压损的对应关系。本次实验风量分别为5 743 m3/h、4 649 m3/h、3 008 m3/h、1 367 m3/h，喷淋水量为2 800 L/h，为保证实验结果的准确性，每个工况下的压力分别读取五次，最后取其平均。

2.2 实验结果与分析

图6 和图7 分别是薄膜式S 波PVC 填料和5090 型水帘纸填料在不同风量、淋水与不淋水情况下静压差与全压差的实验结果。

图6 薄膜式S 波PVC 填料静压差、全压差随风量的变

图7 5090 型水帘纸填料静压差、全压差随风量的变化

通过图6 和图7 对比可知，在相同风量下，5090 型水帘纸填料的阻力明显大于薄膜式S 波PVC 填料的阻力；总体阻力大的5090 型水帘纸填料，对淋水阻力更敏感；静压差和全压差相比，本文原理上两者应一致。实际测试结果比对，5090 型水帘纸填料确实几乎一致，说明测试装置中的挡雨措施对测试结果影响很小。但薄膜式S 波PVC 填料有一些偏差，原因在于5090 型水帘纸填料间距较小，气流紊乱度小，而薄膜式S 波PVC 填料片距大，气流紊乱度较大，其偏差主要是由气流紊乱度对全压测试的影响造成的，而不是因挡雨罩和挡雨器造成的。

图8 是薄膜式S 波PVC 填料根据进风窗实测风速换算到通风截面风速后按伯努利方程计算的动压与填料各部分的实测动压随风量变化的实验结果，其中动压的计算公式为其中按实验时的气温20℃，取1.20 kg/m3。

图8 薄膜式S 波PVC 填料实际测量的动压与按风速计算的动压值比较

图9 5090 型水帘纸填料上下部静压和全压所受到的淋水阻力随风量的变化

从图8 可知，按进风窗实测风速换算到通风截面风速后用伯努利方程计算的动压与实测全压与静压差（即实测动压）比对，吻合度均较好，也进一步佐证了本文在测试装置中采取的挡雨措施对测试结果影响很小，挡雨设计是成功的。

图9 是 5090 型水帘纸填料在不同风量情况下，填料上、下部有淋水与不淋水之间在不同风速下的静压差及全压差的实验结果。

在图9 中，填料上部有淋水情况下的静压与不淋水情况下静压的差值、以及填料上部有淋水情况下的全压与不淋水情况下全压的差值，反映了在填料上部淋水分布和气流紊乱度条件下淋水对气流额外增加的阻力；填料下部有淋水情况下的静压与不淋水情况下静压的差值、以及填料下部有淋水情况下的全压与不淋水情况下全压的差值，反映了在填料下部淋水分布和气流紊乱度条件下淋水对气流额外增加的阻力。从图9 中可以看出，在填料的下部，风速大小对淋水阻力增加值的影响不大，而在填料上部，随风速增大淋水阻力的增加值迅速增大。这是因为在填料上部由三溅式喷头喷出的淋水斜向落入填料且不可能均匀，气流有向风机集中的倾向，两者倾角较大，所以风速越大，因淋水增加的阻力也越大。而在填料下部，淋水经过填料分布变得均匀，气流在填料吸入口也相对均匀，且淋水与气流运动方向夹角近似180°，所以在淋水不很密集（即不造成气堵）的情况下，风速对因淋水增加的阻力影响不大。因此填料上部的全压管网或静压取压装置对填料阻力测试更为敏感。

另外，不论填料上部或填料下部，有淋水和无淋水间的静压差和全压差吻合度很好，而理论上这两者也应吻合（因为动压不变），进一步佐证了本文在测试装置中采取的挡雨措施对测试结果影响很小。

需要说明的是，因本实验装置通道较小，采用静压差测试或采用全压差测试，结果基本一致，所以对小通道且只测填料压损时，采用静压差测试或采用全压差测试都是可行的，两者取其一即可。但在实际应用中，因冷却塔等实际设备的淋水截面（即通风截面）要大得多，会造成流速和压力不均匀，所以对大截面的设备，仍建议用全压管网和静压取压装置配合使用，这样同时可以测出截面风速。对热态运行的设备，须注意填料上部和填料下部气流密度的变化，在计算填料压损时，需对气流密度的影响进行修正。

3 总结

本文针对逆流填料截面风速和阻力特性测量中淋水的干扰，设计了一种取压器、取压装置以及压力测量设备、压差测量设备，主要采取了挡雨措施，在对两种阻力特性相差较大的填料进行测试实验，从全压差与静压差比对、按不同测试方法的动压比对，证明在全压取压管网上采用钟罩式挡雨罩和在壁面静压取压装置上采用飘窗式挡雨罩，对测试结果的影响很小；并且填料上部的全压管网或静压取压装置对填料阻力测试更为敏感。本文所开发的带挡雨罩的逆流填料测压装置，已应用于上海市动力工程多相流动与传热重点实验室淋水填料测试台、华电电科院冷却塔淋水填料测试台等多个测试台，完全能达到工程测试精度的要求。