蒸發(fā)冷卻設(shè)備飄水率測(cè)量方法的實(shí)驗(yàn)研究及精確度對(duì)比

章立新， 卓 靜， 高 明， 何仁兔， 沈 艷

(1. 上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200093；2. 浙江金菱制冷工程有限公司， 浙江諸暨 311802； 3. 上海同馳換熱設(shè)備科技有限公司， 上海 200433)

蒸發(fā)冷卻設(shè)備是一種將熱力或制冷循環(huán)中所產(chǎn)生的廢熱在短時(shí)間內(nèi)排放到環(huán)境中的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于電力、石油和化工等行業(yè)，包括開式冷卻塔、閉式冷卻塔、蒸發(fā)冷卻器和蒸發(fā)冷凝器，其工作原理是通過水與空氣的顯熱和潛熱交換，將循環(huán)工質(zhì)的熱量傳給大氣，其熱力性能的好壞直接影響到工業(yè)經(jīng)濟(jì)性.以600 MW發(fā)電機(jī)組為例，出塔水溫每降低1 K，機(jī)組熱效率可提高0.23%，發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗可以降低0.738 g/(kW·h)[1].對(duì)于大型火力發(fā)電廠，通常采用自然通風(fēng)冷卻塔來冷卻循環(huán)水，但其初期投資高，建設(shè)周期長(zhǎng).不同于自然通風(fēng)冷卻塔，機(jī)力通風(fēng)冷卻塔依靠電動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)的動(dòng)力來滿足冷卻塔風(fēng)量，具有占地少、效率高等特點(diǎn)，逐漸應(yīng)用于城市電廠中[2].然而，機(jī)力通風(fēng)冷卻塔在運(yùn)行過程中會(huì)存在水霧飄滴的問題，快速流動(dòng)的空氣使水膜表面的湍動(dòng)程度加劇，水膜受到強(qiáng)大的剪切力作用，形成大液團(tuán),液團(tuán)在下落過程中被返流的高速空氣吹散，形成液滴[3]且被氣流帶到塔外，從而形成飄水.

對(duì)于飄水，最早的研究是核電站中放射性核物質(zhì)可能通過飄水傳播，并且使用海水或鹽水冷卻塔的核電站，其順風(fēng)口的植被會(huì)受到鹽分積累的影響[4].此外，鹽分含量較高的飄水會(huì)對(duì)設(shè)備、管道和鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生腐蝕，甚至?xí)?dǎo)致電力系統(tǒng)故障[5].在冬季，飄水還可能會(huì)導(dǎo)致周邊路面或建筑物結(jié)冰，埋下安全隱患.另外，飄水損失也是蒸發(fā)冷卻設(shè)備運(yùn)行水損失中重要的一部分[6]，因此有必要對(duì)蒸發(fā)冷卻設(shè)備的飄水排放量進(jìn)行控制.目前，許多國(guó)家限制了飄水排放量，如西班牙的相關(guān)法規(guī)限制冷卻塔的飄水量不得高于循環(huán)冷卻水量的0.05%[7].在我國(guó)，飄水率定義為單位時(shí)間飄水的質(zhì)量流量與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)工況下冷卻水質(zhì)量流量之比，并規(guī)定冷卻水質(zhì)量流量<1 000 t/h的冷卻塔，其飄水率不大于0.015%[8]；冷卻水質(zhì)量流量≥1 000 t/h的冷卻塔，其飄水率不大于0.005%[9].飄水率是評(píng)價(jià)蒸發(fā)冷卻設(shè)備節(jié)水性能的重要指標(biāo)，飄水率大意味著蒸發(fā)冷卻設(shè)備耗水量大、浪費(fèi)水資源.目前市場(chǎng)上各種品牌的蒸發(fā)冷卻設(shè)備飄水率差異較大，嚴(yán)格控制蒸發(fā)冷卻設(shè)備的飄水率是節(jié)水環(huán)保的重要手段，而準(zhǔn)確測(cè)量蒸發(fā)冷卻設(shè)備飄水率是其基礎(chǔ)，只有準(zhǔn)確測(cè)出其值，才能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，采取切實(shí)可行的措施來減少飄水量，制造出更環(huán)保節(jié)能節(jié)水的新產(chǎn)品.

不同國(guó)家采用不同的方法測(cè)量蒸發(fā)冷卻設(shè)備飄水率，如英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)4485.2(1988)和日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS B8609(1981)采用的是化學(xué)平衡法，通過在循環(huán)冷卻水中加入放射性示蹤劑，待示蹤劑與循環(huán)冷卻水完全混合后，先后2次取樣并分析示蹤劑濃度，將測(cè)量結(jié)果代入相關(guān)計(jì)算式即可算出飄水率.美國(guó)冷卻技術(shù)協(xié)會(huì)的CTI ATC-140(11)采用等動(dòng)力采樣示蹤劑分析法，將采樣器與速度傳感器同時(shí)置于蒸發(fā)冷卻設(shè)備出風(fēng)口氣流中，待采樣器入口速度與蒸發(fā)冷卻設(shè)備出風(fēng)口氣流速度大小和方向一致后開始采樣，采樣器中溫度較高的吸收器吸收樣品中的水滴并使其蒸發(fā)，水中的示蹤劑被黏留在吸收器中，再經(jīng)過過濾等將空氣排出，最后以吸收器所吸收的示蹤劑量來計(jì)算飄水率.我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7190—2008 《玻璃纖維增強(qiáng)塑料冷卻塔》中推薦單層濾紙法來測(cè)量飄水率，根據(jù)出風(fēng)口直徑大小布置測(cè)點(diǎn)，將蒸發(fā)冷卻設(shè)備出風(fēng)口劃分為3～5個(gè)等面積環(huán)，每個(gè)環(huán)中對(duì)稱布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)使用120 mm×120 mm的等面積濾紙取樣，根據(jù)測(cè)試前后濾紙的增重，計(jì)算出飄水率.

我國(guó)采用的單層濾紙法中雖然實(shí)驗(yàn)裝置相對(duì)簡(jiǎn)單，但這種單層濾紙收水存在吸濕增重(因蒸發(fā)冷卻設(shè)備出風(fēng)口氣流接近飽和會(huì)使濾紙?jiān)鲋?和二次飄水(因風(fēng)筒中心負(fù)壓回流而從濾紙上方落到濾紙上的飄水)問題，導(dǎo)致測(cè)量值偏離實(shí)際值.同時(shí)，蒸發(fā)冷卻設(shè)備飄水量沿出風(fēng)口徑向和周向均為非均勻分布，由于濾紙?jiān)跍y(cè)量過程中無法覆蓋整個(gè)測(cè)量區(qū)域，選取3～5個(gè)等面積環(huán)布置測(cè)點(diǎn)，所得到的測(cè)量數(shù)據(jù)無法準(zhǔn)確反映整個(gè)蒸發(fā)冷卻設(shè)備出風(fēng)口的飄水量.章立新等[10]提出一種高效收水槽法，即在蒸發(fā)冷卻設(shè)備出風(fēng)口放置扇形收水槽采集飄水，通過量筒讀取所收集的水量來計(jì)算飄水率，該方法具有安全性高、穩(wěn)定性強(qiáng)和操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，但在飄水率很小的情況下測(cè)試時(shí)間過長(zhǎng)，甚至收不到水.

基于上述不同的測(cè)試方法，筆者采用高效收水槽法、單層濾紙法和三層扇形濾紙法對(duì)逆流開式冷卻塔的飄水率進(jìn)行了測(cè)量.筆者所討論的幾種測(cè)試方法均針對(duì)機(jī)力通風(fēng)的蒸發(fā)冷卻設(shè)備(不包括自然通風(fēng)冷卻塔).

1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象及相關(guān)儀器

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為一個(gè)逆流填料的熱力與阻力性能測(cè)試裝置，其淋水截面積為2.4 m×2.4 m，水的最大質(zhì)量流量為100 t/h；風(fēng)機(jī)直徑為1.80 m，設(shè)計(jì)風(fēng)量為50 000 m3/h，設(shè)計(jì)風(fēng)壓為140 Pa，功率為5.5 kW，可變頻運(yùn)行.收水器(見圖1)型號(hào)為JFT48-34，高度為120 mm，片距為44.5 mm.

實(shí)驗(yàn)過程中選用轉(zhuǎn)輪風(fēng)速儀測(cè)量風(fēng)機(jī)風(fēng)速，測(cè)量范圍為0～20 m/s，最小刻度為0.1 m/s.測(cè)量風(fēng)速時(shí)，將兩側(cè)進(jìn)風(fēng)窗分別劃分為16個(gè)等面積矩形，選取每個(gè)等面積矩形中心為測(cè)點(diǎn)，最終結(jié)果取各測(cè)點(diǎn)的平均值.本實(shí)驗(yàn)工況下測(cè)得的總風(fēng)量為48 876 m3/h，其對(duì)應(yīng)的填料截面風(fēng)速為2.4 m/s.水體積流量采用電磁流量計(jì)測(cè)量，其量程為22～200 m3/h，并有4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出接口，精度等級(jí)為0.5級(jí).所測(cè)得的水體積流量為86 m3/h，其對(duì)應(yīng)的淋水密度為14.9 t/(m2·h)，濾紙質(zhì)量由電子天平(JA2003N)測(cè)得，電子天平測(cè)量范圍為0～210 g，精度為1 mg.

圖1 收水器實(shí)物圖

2 采用高效收水槽法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究

采用高效收水槽法對(duì)蒸發(fā)冷卻設(shè)備出風(fēng)口飄水周向的不均勻性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，將出風(fēng)口沿著周向劃分為12等分，收水槽置于對(duì)應(yīng)的12個(gè)位置上，每個(gè)位置測(cè)試10組數(shù)據(jù).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，各位置飄水量均較為穩(wěn)定，其A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度相對(duì)于平均值的最大偏差僅為3.84%，但相同時(shí)間內(nèi)不同位置處的飄水量差異較大，飄水率對(duì)比見圖2，其周向按實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差相對(duì)于周向平均值的不均勻度達(dá)到26.14%.出風(fēng)口飄水的不均勻性受其流場(chǎng)的影響，與出風(fēng)口的風(fēng)速、收水器的安裝位置、布水管網(wǎng)的布置方式和噴淋水分布均勻性等因素有關(guān).然而出風(fēng)口流場(chǎng)較為復(fù)雜，難以量化分析其與飄水率之間的關(guān)系，故為了提高測(cè)量的準(zhǔn)確度，可增加周向測(cè)試位置甚至以風(fēng)筒中心線為軸采用連續(xù)旋轉(zhuǎn)的測(cè)試方法.

圖2 出風(fēng)口不同位置處的飄水率

3 采用濾紙法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究

基于單層濾紙法存在的問題，改進(jìn)的濾紙法(即三層扇形濾紙法)采用三層扇形濾紙，且每層連續(xù)分布，能更準(zhǔn)確地測(cè)量飄水率.

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置及原理

三層扇形濾紙裝置[11]由對(duì)角的2個(gè)扇形結(jié)構(gòu)組成，測(cè)量時(shí)，其對(duì)角線中心與風(fēng)筒的圓心位置重合，如圖3所示.每個(gè)扇形結(jié)構(gòu)由數(shù)段不銹鋼框架依次連接構(gòu)成，各框架之間通過拉索連接.不銹鋼框架均為三層結(jié)構(gòu)，如圖4所示，濾紙夾在不銹鋼框架與不銹鋼絲圈之間，各層不銹鋼框架之間由定距套管分隔，采用連接螺栓固定.

圖3 三層扇形濾紙裝置示意圖

圖4 三層結(jié)構(gòu)示意圖

在該裝置中，底層濾紙吸收一次飄水和氣流中的濕汽，中層濾紙僅吸收氣流中的濕汽，而頂層濾紙吸收二次飄水和氣流中的濕汽.在計(jì)算飄水率時(shí)，底層濾紙的增重減去中層濾紙的增重，即可得到實(shí)際的飄水量；頂層濾紙的增重減去中層濾紙的增重，即為二次飄水量.理論上，濾紙實(shí)際迎風(fēng)面積與三層扇形濾紙裝置的面積是一致的，但考慮到裁剪誤差及不銹鋼絲圈的遮擋，需以濾紙實(shí)際迎風(fēng)面積為準(zhǔn).此時(shí)，將所測(cè)得的飄水量乘以三層扇形濾紙裝置面積占濾紙實(shí)際迎風(fēng)面積的百分比，可折算出三層扇形濾紙裝置所對(duì)應(yīng)面積的飄水量.由于該裝置是對(duì)角的2個(gè)扇形結(jié)構(gòu)，通過計(jì)算扇形弧度角占圓弧度角的比例，即可換算出蒸發(fā)冷卻設(shè)備出風(fēng)口的飄水量，再將測(cè)得的單位時(shí)間蒸發(fā)冷卻設(shè)備出風(fēng)口飄水質(zhì)量流量除以標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)工況下冷卻水質(zhì)量流量，即可得到飄水率.

如圖5所示，將該裝置置于風(fēng)筒出口，形成3個(gè)區(qū)域：中心連接條①、中間多段梯形②和最外側(cè)一段梯形③.設(shè)該裝置的弧度角為α，中心連接條長(zhǎng)度為2Rc，而各段梯形的高度均為Ro，則一個(gè)測(cè)試區(qū)域的面積計(jì)算如下.

圖5 三層扇形濾紙裝置結(jié)構(gòu)示意圖

(1) 中心連接條：為了將兩對(duì)角的三層扇形濾紙裝置連接起來，使用一個(gè)長(zhǎng)度為2Rc的矩形連接條，該連接條中心與風(fēng)筒中心重合，故對(duì)應(yīng)的三角形高度為該矩形的半長(zhǎng)，該矩形的寬度接近于三角形的底邊.在測(cè)試過程中，可將濾紙裁剪為實(shí)際所需的三角形，該三角形面積SΔ為：

(1)

中間各段梯形的面積Si為：

(4)

(3) 最外側(cè)一段梯形在風(fēng)筒內(nèi)的部分：實(shí)際測(cè)試過程中，在風(fēng)筒的徑向較難布置整數(shù)個(gè)梯形裝置，因此最外側(cè)梯形裝置的部分面積(見圖5中陰影部分)在風(fēng)筒外，此部分不應(yīng)計(jì)入收水面積，故在實(shí)驗(yàn)中需將該部分用膠帶遮住以防止該部分濾紙吸水.設(shè)最外側(cè)梯形的編號(hào)i=n，風(fēng)筒半徑為R，最外側(cè)梯形在風(fēng)筒內(nèi)的面積Se為:

(5)

每層扇形濾紙裝置的收水面積S為：

(6)

設(shè)濾紙實(shí)際迎風(fēng)面積為Sa，頂層、中層和底層濾紙的實(shí)測(cè)增重為Δmt1、Δmm1和Δmb1，則折算為該裝置對(duì)應(yīng)面積的增重為Δmt、Δmm和Δmb，其單位均為g.

(7)

(8)

(9)

若測(cè)試時(shí)間為t(min)，則蒸發(fā)冷卻設(shè)備出風(fēng)口實(shí)際飄水量qm,n(kg/h)為：

(10)

二次飄水量qm,r為：

(11)

吸濕量qm,a為：

(12)

如蒸發(fā)冷卻設(shè)備在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)工況下冷卻水質(zhì)量流量為qm,t(kg/h)，其飄水率Pf為：

Pf=qm,n/qm,t

(13)

需要指出的是，不同于高效收水槽法和單層濾紙法，外界環(huán)境風(fēng)速對(duì)三層扇形濾紙法有一定的影響，測(cè)試時(shí)的環(huán)境風(fēng)速應(yīng)遵循GB/T 7190—2008《玻璃纖維增強(qiáng)塑料冷卻塔》中的限制條件(即飄水率與熱力性能要求同步檢測(cè)).

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)過程中，在相同工況和相同位置分別采用單層濾紙法和三層扇形濾紙法測(cè)量飄水率，兩者的實(shí)驗(yàn)步驟基本相同：

(1) 將各個(gè)裁剪干燥后的濾紙分別裝入密封袋，用天平稱量，并記錄各位置濾紙質(zhì)量.

(2) 用拉索連接不銹鋼框架，濾紙水平放置在對(duì)應(yīng)的框架上，采用不銹鋼絲圈與U形針固定.

(3) 單層濾紙法中僅需放置一層濾紙，而三層扇形濾紙法需放置三層濾紙，底層和中層濾紙置于不銹鋼框架下側(cè)，頂層濾紙放在不銹鋼框架上側(cè).

(4) 按照?qǐng)D3所示的布置方式開始測(cè)試，測(cè)試時(shí)間t為1～5 min.當(dāng)測(cè)試時(shí)間為0.5t時(shí)，將該裝置圍繞風(fēng)筒中心水平旋轉(zhuǎn)90°.測(cè)試結(jié)束時(shí)，取下吸濕后的濾紙放入對(duì)應(yīng)的密封袋，用天平稱量并記錄各個(gè)濾紙質(zhì)量.

(5) 根據(jù)相關(guān)公式，處理數(shù)據(jù)并分析結(jié)果.

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

單層濾紙法、三層扇形濾紙法和高效收水槽法3種測(cè)試方法的結(jié)果對(duì)比如圖6所示，其中位置1和位置2在出風(fēng)口處呈中心對(duì)稱.由圖6可知，3種測(cè)試方法都表明了出風(fēng)口飄水率的周向不均勻性.對(duì)于同一位置，高效收水槽法測(cè)得的飄水率位于2種濾紙法之間，這是由于在小飄水率(<0.013 5%)下，高效收水槽法收水時(shí)間過長(zhǎng)甚至收不到水，導(dǎo)致其測(cè)試結(jié)果小于單層濾紙法，符合文獻(xiàn)[10]給出的結(jié)論；單層濾紙法測(cè)得的飄水量包含了實(shí)際飄水量、吸濕量和二次飄水量，而三層扇形濾紙法可分別測(cè)得實(shí)際飄水量、吸濕量和二次飄水量，并去除了吸濕和二次飄水的影響，故該方法更為準(zhǔn)確.同時(shí)，三層扇形濾紙法測(cè)得的數(shù)據(jù)差異小于單層濾紙法.這是由于三層扇形濾紙法中實(shí)際飄水量、吸濕量和二次飄水量三者都會(huì)隨位置的不同而有所差異，詳見圖7.由圖7可知，吸濕量對(duì)測(cè)試結(jié)果影響較大，約占實(shí)際飄水量的55%，而二次飄水量對(duì)測(cè)試結(jié)果影響相對(duì)較小，僅占實(shí)際飄水量的8%.

圖6 3種測(cè)試方法的結(jié)果對(duì)比

圖7 不同位置各增重對(duì)比圖

在相同情況下通過3次重復(fù)測(cè)量，分析單位面積飄水量沿出風(fēng)口徑向的分布(見圖8).由圖8(a)可知，單層濾紙法測(cè)得的飄水量主要集中在680～720 mm內(nèi).由圖8(b)可知，三層扇形濾紙法測(cè)得的飄水量則主要集中在640～680 mm內(nèi).分析認(rèn)為，單層濾紙法在測(cè)試過程中將出風(fēng)口分為4個(gè)等面積環(huán)，取樣點(diǎn)少且濾紙所在區(qū)域不一定具有代表性，單位面積濾紙?jiān)鲋匾膊灰欢軠?zhǔn)確反映此點(diǎn)實(shí)際的飄水情況，而三層扇形濾紙法將濾紙連續(xù)布置在出風(fēng)口的徑向位置上，故其測(cè)量結(jié)果較單層濾紙法更為準(zhǔn)確.綜上所述，出風(fēng)口飄水主要集中在沿出風(fēng)口徑向0.71R～0.75R內(nèi).

(a) 單層濾紙法

(b) 三層扇形濾紙法

4 結(jié) 論

(1) 高效收水槽法、單層濾紙法和三層扇形濾紙法均能驗(yàn)證蒸發(fā)冷卻設(shè)備出風(fēng)口飄水的周向不均勻性，故增加周向測(cè)試位置甚至以風(fēng)筒中心線為軸采用連續(xù)旋轉(zhuǎn)的測(cè)試方法，有助于提高測(cè)量的精確度.

(2) 在小飄水率(<0.013 5%)下，單層濾紙法要優(yōu)于高效收水槽法，而采用三層扇形濾紙法所得測(cè)試結(jié)果更為準(zhǔn)確.

(3) 與GB/T 7190—2008 《玻璃纖維增強(qiáng)塑料冷卻塔》推薦的單層濾紙法相比，三層扇形濾紙法得到的飄水率差異較小.三層扇形濾紙法采用連續(xù)采樣，比單層濾紙法更具代表性，且蒸發(fā)冷卻設(shè)備出風(fēng)口的飄水主要集中在其徑向0.71R～0.75R內(nèi).

綜上所述，在飄水率較小的情況下，需采用濾紙法，而此時(shí)采用三層扇形濾紙法要優(yōu)于單層濾紙法.但三層扇形濾紙法在使用過程中需裝拆三層濾紙，耗時(shí)長(zhǎng)，操作復(fù)雜，且在拆濾紙的過程中增大蒸發(fā)量，可能對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生部分影響，故在此方面還有待進(jìn)一步改進(jìn).

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