逆流薄膜填料表面水膜特性的實驗研究

蔡 輝，章立新*，尹 證,2，黃科誠，張躍中，沈 艷，李遠(yuǎn)進(jìn)，袁 廣

(1.上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院&上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室，上海 200093； 2.北京玻璃鋼設(shè)計研究院有限公司，北京 101111；3.平湖市三久塑料有限公司，浙江 平湖 314205； 4.上海同馳換熱設(shè)備科技有限公司，上海 200433；5.廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司，福建 廈門 361022)

冷卻塔是將被冷卻循環(huán)水直接或者間接的與大氣充分接觸，使冷卻水將熱量傳到大氣中的裝置。冷卻塔內(nèi)被冷卻循環(huán)水與空氣直接接觸稱為開式塔和閉式塔，反之則為閉式塔；淋水薄膜填料是冷卻塔內(nèi)關(guān)鍵部件，在濕式冷卻塔的散熱中，其散熱作用約占60%～70%[1-2]。薄膜填料的材質(zhì)一般為聚氯乙稀或聚丙稀等塑料，先通過壓制延展形成平片，然后使平片在填料模具上經(jīng)過真空吸塑或者熱壓的環(huán)節(jié)制作為成型片，最后成型片通過節(jié)點粘連或者穿桿構(gòu)成組裝塊。按照淋水在填料區(qū)冷卻過程的存在形式，填料可以分為點滴式、薄膜式和點滴薄膜式三種類型[3]。

近些年來，國內(nèi)外學(xué)者對于填料做了許多研究。陳友良[4]等利用仿真模擬對比竹格填料與薄膜填料在熱力性能及阻力性能等方面的差別，并且通過案例分析，得出了兩種填料的適用范圍。王明勇[5]等在原來填料等高等間距的基礎(chǔ)上改用不等高及不等間距布置的優(yōu)化設(shè)計，結(jié)果表明，優(yōu)化后的不等高及不等間距設(shè)計使冷卻塔溫降增加0.7～1.0℃。王淼[6]等對比分析了5種填料布置對超大型冷卻性能的影響，發(fā)現(xiàn)S波冷卻效率最好，降低填料內(nèi)區(qū)和外區(qū)高度，使得空氣流速增加，空氣流場分布更加均勻。Pooriya Shahali[7]研究了三種不同類型填料對濕式冷卻塔換熱效果的影響，最后得出三種填料中羅紋較為密集的填料熱性能比較好。Wang,Miao[8]等建立了高水位集水自然通風(fēng)濕式冷卻塔與通常的自然通風(fēng)濕式冷卻塔之間的冷卻性能優(yōu)化的三維數(shù)值模型，設(shè)定三種波紋填料(雙斜波，雙向波和S波)和四種填充高度的影響條件，結(jié)果表明，S波在兩個塔的三次填充中具有最高的冷卻效率，并且高水位集水自然通風(fēng)濕式冷卻塔換熱性能優(yōu)于通常的自然通風(fēng)濕式冷卻塔。Zhang Y等[9]以石墨納米片作為導(dǎo)電組分，以甲基四氫鄰苯二甲酸酐和聚醚砜混合形成三維連續(xù)填料網(wǎng)絡(luò)，然后通過實驗驗證，結(jié)果表明此種填料的導(dǎo)熱系數(shù)是純環(huán)氧樹脂填料的3.5倍，并且沖擊強度也得到大幅度提高。

國內(nèi)對于填料的研究很多是基于冷卻塔的優(yōu)化，而國外對于填料的材質(zhì)研究比較多。本文在前人研究填料的方法上作了新的探索，針對逆流薄膜填料，選擇從水在填料表面流動形成的擴散角和水膜滯留時間及水膜重量進(jìn)行了研究。為此設(shè)計并搭建了水在填料上流動的可視化實驗臺和填料濕重實驗臺，研究了8種逆流填料上水在某種平均風(fēng)速和不同流速下的擴散角、滯留時間，以及不同淋水密度下的水膜重量，用來預(yù)判填料散熱性能的優(yōu)劣。通過對測試結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以快速地篩選出換熱性能比較好的填料，省去了篩選階段進(jìn)行的填料熱力性能測試環(huán)節(jié)，有效節(jié)約了企業(yè)的測試成本。

1 實驗原理及實驗臺設(shè)計

1.1 水在逆流填料上流動的可視化實驗

本實驗研究的方法是將填料處在某平均風(fēng)速、不同淋水密度的情況下，通過拍攝示蹤劑在填料單側(cè)表面的擴散角以及記錄示蹤劑從實驗腔觀察面的注射口流過一定距離所需的時間，來預(yù)判填料換熱性能的優(yōu)劣。

1.水泵;2.調(diào)節(jié)閥;3.流量計;4.布水管;5.流量計;5.實驗腔;6.布水槽;7.均壓腔;8.風(fēng)機;9.風(fēng)速測量口;10.水平溢流槽孔;11.封板;12.布水紗布;13.示蹤劑注入孔;14.有機玻璃面板;15.底板;16.擋水沿;17.試驗臺支架;18.集水槽;19.填料.

圖1所示為水在填料上流動的可視化實驗臺，主要由風(fēng)機、帶流量調(diào)節(jié)閥水泵、均壓腔、橫流風(fēng)道、實驗腔、布水槽、集水槽、水流量計、調(diào)節(jié)閥、風(fēng)速儀及實驗臺支架組成。

實驗腔由底板和透明的有機玻璃面板構(gòu)成窄長形的空間，布水槽固定在底板的后面。

布水槽設(shè)計為封閉的空腔結(jié)構(gòu)，設(shè)置在實驗腔底板的背面，并在實驗腔底板上邊沿以下15～20cm處有一高為4～5mm并與布水槽的內(nèi)部等寬的水平溢流槽孔，布水槽與實驗腔通過水平溢流槽孔相連通。布水槽內(nèi)還貫穿有一根均布小孔的布水管(圖中未表示)，布水管上包裹紗布，紗布的自由端穿過水平溢流槽孔伸到被測填料成型片測試表面的上端，紗布與被測填料成型片等寬，使水流能夠均勻地分布到被測填料成型片的該側(cè)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開，以便更換調(diào)整紗布和封閉不在被測填料成型片寬度范圍內(nèi)的水平溢流槽孔。

水泵的進(jìn)水口與集水槽連接并連通，水泵的出水口經(jīng)調(diào)節(jié)閥和水流量計后從布水槽的側(cè)面連接并連通到布水槽6內(nèi)的布水管上。

在透明的有機玻璃面板的上部有水平均布的幾個示蹤劑注入口。

實驗前，首先計算在不同淋水密度下填料單側(cè)表面所對應(yīng)的水流量：

(1)

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

實驗設(shè)定了3個不同的淋水密度ρ，ρ，ρ3和某一平均風(fēng)速，然后按式(1)計算出3組不同的水流量。對同一種填料，在3個不同氣水比的工況下，對每個氣水比工況分別進(jìn)行不少于3次的重復(fù)測試和記錄。待實驗全部完成以后，對拍攝的照片進(jìn)行圖像處理，通過角度測試軟件對照片中示蹤劑形成的角度進(jìn)行測量，結(jié)合示蹤劑滯留時間進(jìn)行分析。

開始測試時，先合上水泵開關(guān)，使循環(huán)水在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，根據(jù)實驗設(shè)定的淋水密度，通過控制水量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子流量計的流量。待系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，通過注射器吸取定量的示蹤劑，在有機玻璃面板上開的小孔處將示蹤劑垂直于底板的方向注射到填料表面，同時拍攝記錄其擴散過程。示蹤劑采用某種進(jìn)口油漆且短期不溶于水，密度和清水差不多。

1.2 填料濕重實驗臺

圖2所示為填料濕重實驗臺的原理示意圖，本次實驗研究塊狀逆流填料在不同的淋水密度表面形成的水膜情況，然后計算出橫流填料的布水濕重，因此淋水區(qū)域的設(shè)計成為了該實驗的關(guān)鍵因素。

流量根據(jù)所要求淋水密度X和淋水面積A1求得，單位為t/h，公式如下：

Q=X×A1

(2)

根據(jù)淋水密度和淋水面積的要求，設(shè)計合適的孔數(shù)與排布方式，并且需要估算出所需的布水小孔孔徑和水位高度，求出設(shè)計的布水盆高度。布水面積為所有布水孔面積之和：

(3)

式中，n為布水孔個數(shù)，根據(jù)伯努利方程，有：

(4)

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

(5)

式中， Q為流量， A為布水面積；

由(1)(2)(3)(4)式整合可得：

(6)

式中， x為淋水密度，d為布水小孔直徑。

實驗開始前，對填料架和填料進(jìn)行稱重，記錄下所稱的數(shù)據(jù)，然后開啟水泵，調(diào)到實驗時的循環(huán)水淋水密度，再對濕的填料架和填料分別進(jìn)行稱重。未放置填料時，稱量填料架重量，：

(7)

放置填料后，稱量填料架重量+填料干重，即四個臺秤的數(shù)值之和：

(8)

放置填料后前，調(diào)節(jié)淋水密度為x，稱量該淋水密度下的填料架濕重：

(9)

放置填料后，調(diào)節(jié)淋水密度為x，記錄該淋水密度下的填料架濕重+填料濕重，即為：

(10)

則有填料干重：

(11)

淋水密度為X時填料濕重：

(12)

淋水密度為X時填料時水膜重量：

(13)

1.輔助調(diào)節(jié)旁通閥;2.流量調(diào)節(jié)閥;3.水泵;4.流量計;5.布水管; 6.消能管組(帶有3D打印小噴頭442個);7.集水盆;8.填料架立柱; 9.布水盆;10.臺秤

圖2所示為填料濕重實驗臺簡圖。主要由臺秤，水泵，旁通閥，調(diào)節(jié)閥，浮子流量計，布水盆，集水箱和消能管組組成。本實驗的目的是得出8種填料在不同淋水密度下表面的水膜重量，比較不同填料濕重的情況。

實驗前，將選好的8種逆流填料塊放置在支撐托盤上。調(diào)節(jié)填料的位置，使填料正好處于布水區(qū)的中間位置。

由于稱量的是填料的濕重，因此淋水部分極其重要。主要由集水箱、水泵、浮子流量計和帶有消能管組的布水盤組成。淋水區(qū)有以下特點：(1)淋水區(qū)布水必須均勻；(2)淋水區(qū)布水需足夠稠密；(3)布水穩(wěn)定，避免不同區(qū)域布水速度差距過大的現(xiàn)象；(4)為了防止兩側(cè)進(jìn)風(fēng)口和收水口淋水，對布水區(qū)域必須精準(zhǔn)；(5)根據(jù)填料的高度不同，布水區(qū)高度和淋水密度可調(diào)節(jié)。

待實驗條件準(zhǔn)備就緒后，然后對8種不同的逆流填料進(jìn)行實驗。先稱量填料和填料架的干重，再開啟水泵調(diào)節(jié)淋水密度，待臨水穩(wěn)定后分別對淋水后填料架和填料進(jìn)行稱重，計算出逆流填料的布水濕重。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 本次實驗研究的填料類型

本文對水在8種逆流填料上擴散角和滯留時間進(jìn)行研究，選取的8種逆流填料特性如下：

表1 8種逆流填料的特性：

2.2 示蹤劑在橫流填料上測試結(jié)果與分析

本文選取的淋水密度ρ1-3分別為8m3/(h·m2)、12m3/(h·m2)、16m3/(h·m2)，通過公式(1)計算得到相應(yīng)的流量為：Q1-3=52 L/h、78 L/h、117L/h。調(diào)節(jié)風(fēng)機功率變速儀，是每一種淋水密度下的風(fēng)速相差0.2m/s，得出三組數(shù)據(jù)取其平均值。

實驗開始后，通過測量示蹤劑在平均進(jìn)口風(fēng)速為2.09m/s的風(fēng)速下，3種淋水密度下在填料表面形成的擴散角，得出8種逆流填料的擴散角分布情況：

圖3 某風(fēng)速和不同淋水密度下示蹤劑在8種逆流填料形成的擴散角

從圖3中可看出：

(1)8種逆流填料在某平均風(fēng)速、不同淋水密度下做對比實驗，淋水密度越大，示蹤劑在填料表面形成的擴散角也反而越小。

(2)從圖中可以明顯看出，示蹤劑在3號逆流填料表面所形成的擴散角度最大，預(yù)判3號逆流填料的熱性能最好。

以下為示蹤劑流過8種相同高度下不同波型逆流填料表面的滯留時間(單位：秒)：

圖4 某風(fēng)速和不同淋水密度下示蹤劑在8種逆流填料表面的滯留時間

從圖4中可看出：

(1)8種填料在某平均風(fēng)速和不同淋水密度下做對比實驗，淋水密度越大，示蹤劑隨水膜在填料表面的滯留時間越短，則表明當(dāng)淋水密度在這三種中較小者成膜效果最好。

(2)從圖中可以看出3號和5號逆流填料表面的滯留時間最長，但5號為多折斜波填料，因此示蹤劑隨水膜在填料表面的滯留較長，但擴散角明顯小于3號逆流填料，因此預(yù)判3號逆流填料的熱性能最好。

以下為8種逆流填料在5種淋水密度下的表面水膜重量的測試結(jié)果，得出8種塊狀填料單位體積上水膜的重量：

圖5 不同淋水密度下8種逆流填料表面的水膜重量

從圖5中可看出：

(1)8種逆流填料在不同淋水密度下做濕重對比實驗，淋水密度越大，單位體積填料的表面水膜越重。

(2)其中3號逆流單位體積填料的水膜重量最大，這與平面接觸角及平面滯水時間的實驗結(jié)論相吻合，預(yù)判3號填料的熱性能最好。

3 結(jié)論

本文以8種逆流填料為研究對象，設(shè)計并搭建了逆流填料實驗臺和填料濕重實驗臺。通過測試示蹤劑在填料表面形成的擴散角大小、示蹤劑從注射口流到填料底部的時間及循環(huán)水在塊狀填料表面形成的水膜重量，得到結(jié)論如下：

(1)對于逆流實驗臺，8種填料在某平均風(fēng)速和不同淋水密度下做對比實驗，淋水密度越大，示蹤劑在填料表面形成的擴散角也反而越小，其中三號逆流填料表面形成的擴散角最大。

(2) 8種填料在某平均風(fēng)速和不同淋水密度下做對比實驗，淋水密度越大，示蹤劑隨水膜在填料表面的滯留時間越短，因此在冷卻塔的運行之中，循環(huán)水流量過大會縮短水與空氣的接觸時間，不利于散熱。3號和5號逆流填料表面的滯留時間最長，但5號為多折斜波填料，因此示蹤劑隨水膜在填料表面的滯留較長，但擴散角明顯小于3號逆流填料，因此預(yù)判3號逆流填料的熱性能最好。

(3)8種逆流填料在不同淋水密度下做濕重對比實驗，淋水密度越大，單位體積填料的表面水膜越重。其中3號單位體積逆流填料的水膜重量最大，這與平面接觸角及平面滯水時間的實驗結(jié)論相吻合，預(yù)判3號填料的熱性能最好。