横流填料热力与阻力性能实验研究

2020-11-02王丽莎章立新陈雨豪

广州化学 2020年5期

王丽莎，章立新，陈雨豪，杨豪

（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）

淋水填料（以下简称填料）是冷却塔的核心换热部件，特别是开式冷却塔，其60%～70%的散热靠填料完成[1]，故填料的热力性能直接关系到冷却塔的冷却效果。同时因填料结构复杂，是冷却塔中阻力最大的部件，其阻力性能也极其重要。

填料的热力及阻力性能大多通过冷却塔模拟实验装置进行测试，再将测试数据拟合成经验公式，供设计和对比使用。横流薄膜式填料发展至今，结构已大有不同，其进风格栅、收水格栅与散热区是一体的；而目前对于这类填料的性能经验式报道较少，公开的大多都是款式较为老旧的填料的特性公式[2],难以应用于现在的横流冷却塔设计。同时目前存在的填料实验台大多遵循行业标准《DL/T 933-2005 冷却塔淋水填料、除水器、喷溅装置性能试验方法》[3]设计，流场分布与实塔有较大差异，淋水均匀性也有所不同[4-5]，其测试结果直接用于冷却塔设计会有较大误差。

针对上述问题，本文将介绍一种新型填料性能测试实验台，该实验台可在接近实塔的气流与淋水分布条件下研究填料的热力及阻力性能；并使用该实验台对一款横流薄膜式填料进行测试，拟合该填料的热力及阻力特性经验公式；将实验台测试结果与实塔数据进行比对，以反映填料测试的准确性，从而为准确设计当前广泛使用的薄膜填料横流冷却塔提供技术路线。

1 实验台及实验对象

1.1 实验台

目前，国内横流填料性能实验台形式大都按照行业标准《DL/T 933-2005》设计，标准中所示实验台，流场分布与实塔有较大差异，详见图1。

图1 标准横流填料性能实验台与横流冷却塔示意图

另外，实塔一般采用小孔布水或者喷溅式喷头布水，其与实验台布水方式的差异也会导致填料特性式用于实塔设计的偏差。

针对上述问题，本文所使用的上海市动力工程多相流动与传热重点实验室的填料性能测试实验台（见图2）通风完全参照实塔设计，布水设计也尽量接近实塔，故该实验台可在接近实塔流场与布水的状况下进行填料特性的研究，也可在多种工况下对不同尺寸的横流、逆流填料进行热力、阻力性能测试。

实验台的横流实验区采取单面进风方式，测试横流填料时，将横、逆流实验区中间隔板拆除，关上逆流进风窗，装上被测试填料后即可进行实验。

横流实验区的进风宽度为1.5 m，可测试最大的横流填料尺寸为3.1 m×1.6 m，实验台布水系统采取特制的3D 打印小喷头，喷头间距40 mm，呈梅花形布置；可通过给喷头加塞的方法来适应不同径深的横流填料测试，可通过封闭进风口的方式来适应不同高度的横流填料测试。

在横流实验区的填料进风口与出风口处沿竖直方向安装间隔500 mm 的笛形管，以测试空气经过填料的平均压损。由于本实验台接近实塔，测压截面上的气流流向不全在水平方向，实验时通过旋转笛形管以调整取压孔轴线与气流方向匹配。

图2 填料热力与阻力性能测试实验台

1.2 实验台测试系统

实验台系统如图3 所示，测试仪器及精度见表1。

图3 实验台系统示意图

表1 测试仪器

1.3 横流填料中水气热质交换的数学模型

横流淋水填料的水气流动见图1b 所示。水均匀分布于填料顶部，在重力作用下沿着填料表面向下流动，空气由填料侧面进入，在冷却塔风机的抽吸作用下横向流过填料间的缝隙，并与冷却水进行传热传质。由于填料上水膜饱和湿空气层与进入填料的空气基质之间存在湿差与焓差，推动着饱和湿空气层中的水蒸气向空气基质中扩散进行热质交换，促使水膜中的水不断地蒸发带走汽化潜热，从而使冷却水得到冷却。焓、湿增高的空气从填料的另一侧流出，被风机送入大气中[6]。

横流填料水气热质交换可简化为图4，然后通过热量、质量以及麦克尔方程，推导出横流填料的热力控制方程组如式（1）、（2）所示。

图4 横流填料水气热质交换简图

将式（1）在横流填料换热区积分式（3）所示。

式中：N，冷却数，无量纲；V，填料体积，m3；Q，被冷却水流量，m3/h；H、L，填料高度、径深，m。

一般将淋水填料的实验数据整理为式（4）、（5）方程来反映其热力性能好坏：

阻力性能整理为如方程式（6）所示。

1.4 被测横流填料

所测试的横流穿杆式聚氯乙烯薄膜填料的成型片见图5，该填料由进风格栅、散热区和收水格栅三部分组成，散热区高2.2 m，径深1.1 m，填料片距为15.5 mm。该填料散热区的主波纹为正弦波，同时在正弦波面上设有“V”形二次波纹。

图5 被测试横流填料

2 横流填料测试实验及结果分析

2.1 实验测试

测试时，淋水密度调节为0、25、31、38、44、51 t/ (m2‧h)，每个淋水密度工况进行4 次不同风速下的测试，风速范围为1.6～3.8 m/s。

测试完成后，将实验数据按《DL/T 933-2005》要求整理成式（4）～（6）的形式，冷却数N 按平均焓差法计算，并用最小二乘法进行拟合，得到了该款横流填料的热力与阻力特性方程式如式（7）～（11）。

2.2 结果分析

该填料已在某系列横流冷却塔中实际运用，按实塔测试工况计算的N、与式（6）～（7）计算的N、对比如表2、表3 所示。

表2 冷却数N 对比

表3 容积散质系数对比

利用式（7）～（8）进行300 WT 标准横流冷却塔（干球温度31.5℃，湿球温度28℃，进塔水温37℃，出塔水温32℃）的设计，塔的淋水密度为截面平均风速为为此时塔的进风截面需4.5 m，设计冷却能力为100%，这样的设计结果，填料阻力仅47 Pa，并且有条件采用较大直径和较低转速的轴流风机，不仅能耗低，而且有利于降低噪声和飘水，能够达到《GB/T 7190.1 机械通风冷却塔第1 部分：中小型开式冷却塔》中较好的指标。但横流塔在实际应用时，特别在空调工况，受占地面积制约，一直有向紧凑型发展的趋势，即在气水比不变的前提下，缩小进风截面宽度，增大截面风速。以上述设计塔为例，当将进风截面宽度缩为2.65 m 时，淋水密度达到截面平均风速达到4.69 m/s 时，此时冷却塔的冷却能力也能达到设计能力的98%，而可达为充分发挥该填料的散热潜力，在上述冷却塔气水比、填料体积、整体结构不变的情况下，继续加大冷却水量，使淋水密度达到截面平均风速提高至5.47 m/s，此时冷却塔的冷却能力也能达到设计能力的97.6%，而高达虽然第二种情况的淋水密度已经超过实验范围，但上述两种产品塔通过的冷却能力测试，与上述理论预测基本一致。需要指出的是，紧凑型发展的趋势虽然可以满足空间布置要求，并且大幅降低产品成本，但会导致产品能耗较高，满足国标的耗电比要求比较困难，所以其经济性要从产品寿命和运行费用两方面综合评估。