抗震冷卻塔金屬淋水填料研究

常 亮，李海燕

（1.中國核電工程有限公司河北分公司，河北 石家莊 050000；2.中核第四研究設(shè)計有限公司，河北 石家莊 050021）

抗震冷卻塔金屬淋水填料研究

常 亮1，李海燕2

（1.中國核電工程有限公司河北分公司，河北 石家莊 050000；2.中核第四研究設(shè)計有限公司，河北 石家莊 050021）

冷卻塔的冷卻效果主要由淋水填料的冷卻數(shù)和冷卻塔的有效高度決定，淋水填料的換熱性能決定了冷卻塔的主要換熱效果。為提高抗震冷卻塔的抗震效果，淋水填料采用金屬填料。通過在某工程中抗震冷卻塔金屬填料與普通塑料填料應(yīng)用的對比分析，研究金屬填料的特點及適用性，為抗震冷卻塔的設(shè)計提供依據(jù)。

冷卻塔；金屬淋水填料；熱力阻力特性參數(shù)

1 研究背景

抗震冷卻塔目前已應(yīng)用于核電和相關(guān)核工程項目中，中核集團的田灣核電5、6機組、中廣核紅沿河5、6機組，中廣核廣西防城港3、4機組等項目均設(shè)置了額外冷卻系統(tǒng)作為核島熱阱系統(tǒng)的備用，抗震冷卻塔是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。冷卻塔的冷卻效果主要由淋水填料的冷卻數(shù)和冷卻塔的有效高度決定，淋水填料的換熱性能決定了冷卻塔的主要換熱效果。淋水填料的作用是將配水系統(tǒng)濺落的水滴，經(jīng)多次濺散成微細小水滴或水膜，以增大水和空氣的接觸面積，延長接觸時間，保證空氣和水中間良好的熱、質(zhì)交換作用。水的冷卻過程主要是在淋水填料中進行，所以填料是冷卻塔的關(guān)鍵部件。

冷卻塔的空氣動力特性是確保冷卻塔高效的設(shè)計關(guān)鍵。李紅莉等［1］采用Fluent軟件，對內(nèi)陸核電重要廠用水系統(tǒng)鼓風(fēng)式機械通風(fēng)冷卻塔在不同塔型條件下的空氣動力特性進行了數(shù)值模擬計算，獲得了冷卻塔塔型與冷卻塔阻力及填料斷面風(fēng)速分布均勻性的關(guān)系，并認為填料安裝高度對鼓風(fēng)式機械通風(fēng)冷卻塔整塔阻力影響不大，但會影響填料斷面上風(fēng)速分布均勻性，填料安裝高度越低，風(fēng)速分布越均勻，填料阻力系數(shù)越小影響越明顯；出口收縮段的高度越高，整塔阻力越小，風(fēng)速分布越均勻。郭富明等［2］研究了不同填料特性對研究高位收水冷卻塔的冷卻性能影響，并認為不同填料阻力和集水裝置深度對冷卻塔阻力特性影響較小。

本文針對金屬淋水填料，通過室內(nèi)測試裝置，研究了斷面風(fēng)速等不同條件下填料的熱力阻力特性。研究結(jié)果將為抗震機械通風(fēng)冷卻塔的設(shè)計提供依據(jù)。

2 工程概況

2.1工程概況某工程冷卻設(shè)施采用抗震冷卻塔作為核反應(yīng)堆事故后的最終熱阱，抗震冷卻塔采用機械通風(fēng)鋼筋混凝土鼓風(fēng)式填料冷卻塔。冷卻塔為2座，1B、1A系列冗余布置，滿足系統(tǒng)1×100%。每座冷卻塔配2個鼓風(fēng)機，2×50%設(shè)計，鼓風(fēng)機風(fēng)量為18萬m3/h，每座冷卻塔最大循環(huán)水量為330 m3/h，考慮20%的富裕水量，每座冷卻塔設(shè)計循環(huán)水量為396 m3/h，循環(huán)水溫差為8℃。每座冷卻塔包括2個冷卻塔單元，2個冷卻塔單元之間相互連通，如圖1所示。每座冷卻塔分為2格，每格淋水面積為5×5=25 m2。

圖1 鼓風(fēng)式冷卻塔的平面、剖面圖

2.2氣象參數(shù)及進出水溫要求氣象參數(shù)見表1。

表1 氣象參數(shù)

2.3填料的選擇填料材質(zhì)應(yīng)具備較強的抗震能力，經(jīng)歷SSE地震后可以正常工作；具備較好的冷卻能力，水和空氣的接觸表面積較大、接觸時間較長；具備較好的親水性能，容易被水濕潤和附著；材料容易加工；質(zhì)輕、耐腐蝕、抗老化，滿足阻燃特性；便于施工，可以維修等能力。根據(jù)本工程設(shè)計水量少，對抗震能力要求較高等特點，因此選用金屬材質(zhì)的不銹鋼填料，型式為薄膜式，斜折波。填料參數(shù)見表2，每層填料高200 mm，填料外形圖見圖2。

表2 填料參數(shù)

圖2 填料外形

3 金屬淋水填料物理模型試驗

金屬填料物理模型試驗研究包括2個方面：（1）測試金屬淋水填料的熱力特性；（2）測試金屬淋水填料阻力特性。

試驗用淋水填料采用表2為2所列的填料型式，截面積為0.5 m×0.5 m規(guī)格的試驗樣品，填料每層高200 mm。試驗中的填料試驗高度分別為0.4、0.6、0.8及1.0 m，各層之間采用交錯布置。

3.1試驗裝置及試驗方法試驗在試驗室內(nèi)的抽風(fēng)式逆流冷卻塔模擬裝置進行。試驗裝置系統(tǒng)示意見圖3。塔體試驗段高3.0 m，淋水面積0.36 m2（0.6 m×0.6 m），最大尾高1.8 m；系統(tǒng)淋水密度可調(diào)范圍在4.0～20.0（×103kg/（m2·h）），淋水填料斷面處風(fēng)速可調(diào)范圍在0.5～3.5 m/s。

圖3 試驗裝置系統(tǒng)示意

填料的熱力阻力性能試驗?zāi)康氖谦@得填料冷卻性能參數(shù)，供冷卻塔設(shè)計計算使用。試驗通過改變填料斷面淋水密度和風(fēng)速來調(diào)節(jié)不同氣水比，每個工況試驗調(diào)節(jié)3種淋水密度（約7，10，13 m3/（m2·h））和4個斷面風(fēng)速（1.0，1.5，2.0，2.5 m/s）。完成各組試驗后，求出每一組試驗的特性參數(shù)，進而求出該填料熱力阻力特性表達式及曲線。測試參數(shù)包括進塔干濕球溫度、出塔干濕球溫度、進出塔水溫、進塔空氣流量和進塔水量、大氣壓等。當各參數(shù)相對穩(wěn)定后進行數(shù)據(jù)采集并作熱平衡計算，控制熱平衡誤差在±5%以內(nèi)。

淋水填料熱力及阻力特性參數(shù)及表達式計算方法如下：

（1）冷卻數(shù)N［3］

式中：i″為與水溫相應(yīng)的飽和空氣焓，kJ/kg；i為空氣焓，kJ/kg；Cw為水的比熱，kJ/（kg·℃）；t1、t2為進、出塔水溫，℃。

用試驗數(shù)據(jù)計算出相應(yīng)的冷卻數(shù)和氣水比，用最小二乘法整理出冷卻數(shù)與氣水比的關(guān)系式。即：

式中：N為冷卻數(shù)；λ為氣水比；An、c為試驗常數(shù)。

（2）容積散質(zhì)系數(shù)Ka（kg/（m3·h））

式中：q為淋水密度，m3/（m2·h）；h為填料高度，m。

容積散質(zhì)系數(shù)Ka表示淋水填料單位體積的散熱性能，通常根據(jù)試驗資料整理成如下表達式：

式中：g為質(zhì)量風(fēng)速，kg/（m2·h）；q為淋水密度，m3/（m2·h）；A、m、n為試驗常數(shù)。

系數(shù)A和指數(shù)m、n為試驗常數(shù)，用所有工況的Ka、q、g值按最小二乘法求得。由于Ka值與g、q兩個參數(shù)有關(guān)，還可以分別固定g或q，改變另一個參數(shù)，求得指數(shù)m和n，將每一工況的g和q值和已求得m和n值代入上式，求出每一工況的Ai值平均，即可求出A值。

（3）阻力特性。淋水填料的阻力表達式，是根據(jù)實測數(shù)據(jù)整理而成：

其中：Ap=Axq2+Ayq+Az；M=Mxq2+Myq+Mz。

式中：q為淋水密度，m3/（m2·h）；v為斷面風(fēng)速，m/s；γ為空氣比重，N/m3；Ax、Ay、Az、Mx、Mx、Mz為試驗系數(shù)。

3.2試驗結(jié)果熱力阻力特性參數(shù)匯總見表3。

表3 淋水填料熱力阻力特性匯總

4 淋水填料對比分析

4.1前提在進行冷卻塔設(shè)計計算時，冷卻塔填料下方的橫梁尺寸較大，其阻風(fēng)面積占冷卻塔淋水面積的36%。同時由于單格冷卻塔面積較小，僅25 m2（5 m×5 m），應(yīng)考慮壁流影響，對冷卻塔冷卻效率進行10%折減。綜合上述考慮在進行冷卻塔設(shè)計計算時，冷卻塔冷卻性能應(yīng)考慮46%的折減，以確保冷卻塔滿足設(shè)計要求。

4.2淋水填料對比分析

4.2.1 填料高度的確定 確定淋水填料斷面風(fēng)速為2.0 m/s，即汽水比0.93時，冷卻塔風(fēng)機風(fēng)量為180 000 m3/h。在汽水比0.93，表1的氣象資料條件下，冷卻任務(wù)數(shù)（冷卻數(shù)N）經(jīng)過辛普遜（simpson）近似積分法計算為0.986。

（1）金屬填料。金屬填料高度400 mm的時候，經(jīng)過熱力計算及相關(guān)折減后，冷卻塔填料特性N′計算為0.87；金屬填料高度600 mm的時候，經(jīng)過熱力計算及相關(guān)折減后，冷卻塔填料特性N′計算為1.131。

因此填料采用金屬填料，高度600 mm滿足設(shè)計要求。

（2）塑料填料。采用標準雙向波塑料淋水填料，填料片距25 mm。每米淋水填料熱力特性取值見表4，數(shù)據(jù)來源自《工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計規(guī)范GB/T 50102—2014》［4］。

表4 雙向波塑料淋水填料熱力阻力特性

塑料填料高度1 000 mm的時候，經(jīng)過熱力計算及相關(guān)折減后，冷卻塔填料特性N′計算為0.70；塑料填料高度1 250 mm的時候，經(jīng)過熱力計算及相關(guān)折減后，冷卻塔填料特性N′計算為0.80；塑料填料高度1 500 mm的時候，經(jīng)過熱力計算及相關(guān)折減后，冷卻塔填料特性N′計算為0.90；塑料填料高度2 000 mm的時候，經(jīng)過熱力計算及相關(guān)折減后，冷卻塔填料特性N′計算為1.05。

因此填料采用塑料填料，填料高度至少為2.0 m。

（3）相同高度填料冷卻性能的比較相同高度填料冷卻性能的比較，詳見表5。

表5 相同高度填料金屬填料與塑料填料冷卻性能對比

因此通過對比可以發(fā)現(xiàn)，在相同高度填料，金屬填料的換熱性能約為塑料填料的2～3倍。

4.2.2 冷卻塔出水溫度比較分析 在設(shè)計氣象工況下，按照表1設(shè)計條件，計算2.0 m/s斷面風(fēng)速下冷卻塔的進出塔水溫，進出塔水溫的計算參考《冷卻塔》［5］，不同填料計算結(jié)果見表6。

表6 2.0 m/s斷面風(fēng)速下冷卻塔計算結(jié)果

由計算結(jié)果可以看出，當淋水填料斷面風(fēng)速達到2.0 m/s時，冷卻塔進出塔水溫均滿足設(shè)計要求。金屬填料冷卻塔進水溫度為42.15℃，出水溫度為34.15℃。塑料填料冷卻塔進水溫度為42.75℃，出水溫度為34.75℃。

在熱力性能滿足的前提下，塑料填料冷卻塔的出水溫度比金屬填料高0.5℃以上，金屬填料冷卻塔冷卻效果顯著。

5 結(jié)論

（1）同一高度的金屬填料的熱力特性是常規(guī)塑料填料的熱力特性的2～3倍，金屬淋水填料可廣泛應(yīng)用于核電及核工項目最終熱阱抗震冷卻塔中，可以減小冷卻塔高度，節(jié)省土建費用，提高其抗震能力；（2）在換熱性能滿足的情況下，中小型抗震冷卻塔應(yīng)用金屬淋水填料比普通塑料填料的出塔水溫降低約0.5℃，冷卻效果提高明顯。

［1］ 李紅莉，趙順安.鼓風(fēng)式機械通風(fēng)冷卻塔空氣動力特性數(shù)值模擬研究［J］.中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報，2013，11（3）：206-209.

［2］ 郭富明，趙順安，楊智.高位集水冷卻塔集水裝置阻力特性數(shù)值模擬研究［J］.中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報，2014，12（1）：93-97.

［3］ 機械通風(fēng)冷卻塔工藝設(shè)計規(guī)范，GB/T50392—2006［S］.北京：中國計劃出版社，2007.

［4］ 工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計規(guī)范，GB/T50102—2014［S］.北京：中國計劃出版社，2014.

［5］ 趙振國.冷卻塔［M］.北京：中國水利水電出版社，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

（責(zé)任編輯：李福田）

2016-03-28

常亮（1979-），男，遼寧朝陽人，高級工程師，主要從事于核電及核工程循環(huán)冷卻水設(shè)計研究。E-mail：changliang@cnpe.cc