泡沫金屬與PVC材質(zhì)冷卻塔收水器的對比研究

李治潔，張連強(qiáng)，李 雪，王印忠，尹建華，樊利華

(自然資源部天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192)

1 前言

冷卻塔是常用的廢熱排放設(shè)備，通常采用空氣與待冷卻循環(huán)水逆流或錯流直接接觸散熱，吸收熱量的濕熱空氣從塔頂排出，夾帶部分循環(huán)水小液滴，稱為飄滴。飄滴中含有各種難降解的水處理藥劑及可溶性鹽類(海水冷卻塔飄滴含有鹽分)，會對環(huán)境和人體健康造成不利影響[1-4]。PVC(聚氯乙烯)折板型收水器是應(yīng)用最廣的解決冷卻塔飄滴問題的塔芯構(gòu)件。普通PVC收水器一般由PVC折板按照一定規(guī)律排布制作，相鄰板片形成彎曲的孔道，利用氣體與液滴慣性不同，在通道中迅速轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)液滴脫除。液滴在折板處匯集，形成液膜，然后回流到塔內(nèi)。當(dāng)氣速較大時(shí)，折板上液膜會再次形成液滴被氣流夾帶，這個(gè)氣速成為冷卻塔收水器操作上限。隨著環(huán)保要求逐漸提高和特殊情況下飄滴的認(rèn)識加強(qiáng)(海水冷卻塔飄滴鹽沉積)，對于冷卻塔收水器飄滴控制要求正逐步提高。需收水器在一定壓降下實(shí)現(xiàn)更高的小液滴脫除效果，受限于單一慣性脫除原理，普通PVC收水器對于細(xì)小液滴的收集效果有限，因此，亟待開發(fā)新型收水器，滿足環(huán)保和應(yīng)用要求。

絲網(wǎng)收水器是一種化工、石化行業(yè)中常用的氣體液滴分離裝置，一般由多層絲網(wǎng)疊加，形成多孔介質(zhì)區(qū)域，利用多孔介質(zhì)的過濾特性，過濾氣體中夾帶的小液滴。絲網(wǎng)收水器對小液滴有良好的脫除效果，但是通常比折板型收水器壓降高。結(jié)合這兩種液滴分離裝置的優(yōu)點(diǎn)，以可接受壓降和提高小液滴的脫除效果為目標(biāo)，一種基于泡沫金屬材質(zhì)折板收水器—泡沫金屬收水器引起研究人員的興趣，以期通過慣性和過濾共同作用達(dá)到在一定壓降下實(shí)現(xiàn)細(xì)小液滴去除的目的。

液滴收集效率和壓降是收水器最重要的性能指標(biāo)，主要與收水器內(nèi)部氣液兩相流動相關(guān)。然而，獲取收水器內(nèi)部氣液兩相流動狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)研究比較困難，隨著計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的發(fā)展，CFD已經(jīng)成為研究折板型收水器內(nèi)氣體和液滴流動的重要工具。Zhao等[5]使用響應(yīng)面法與CFD結(jié)合的方法研究了折板型收水器的性能，結(jié)果顯示折板型收水器的液滴分離效率與折板的高度、折角、長度等幾何參數(shù)密切相關(guān)，該模型可以用于收水器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。Venkatesan 等[6]建立了2維冷卻塔收水器的氣液兩相流動模型，作者對比了不同模型下模擬結(jié)果，結(jié)果顯示波模型是最好的液滴破碎模型，升力對結(jié)果幾乎沒有影響，Spalart-Almarasmodel和Realizable k-ε湍流模型最合適用于封閉模型。Galletti[7]等研究了無渦流相互作用模型、恒定渦流相互作用模型和可變渦流相互作用模型三種模型對收水器CFD模擬結(jié)果的影響，結(jié)果顯示可變渦流相互作用模型可得到更優(yōu)的結(jié)果。Zamora 等[8]使用相似方法建立了四種收水器的CFD模型，作者發(fā)現(xiàn)SST湍流模型得到的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最接近，近壁區(qū)y+的處理對模擬結(jié)果有顯著影響。Ruiz等[9]對比了大渦模擬(LES)和雷諾平均納維—斯托克斯模型(RANS)的收水器模擬結(jié)果，兩種模擬無量綱的壓降和液滴去除效率平均偏差在3%～7%之間，LES模擬所用的時(shí)間是RANS的7倍～10倍。CFD方法由于其省時(shí)、低成本、能夠提供完整的氣液流動情況，已成為冷卻塔收水器研究和優(yōu)化的重要方法。

為了研究泡沫金屬收水器的特性，在前人已驗(yàn)證模型的基礎(chǔ)上[7-8,10]，文章以歐拉—拉格朗日兩相流模型為基礎(chǔ)，建立了泡沫金屬與PVC材質(zhì)折板型收水器的CFD三維穩(wěn)態(tài)模型；通過模擬兩種收水器內(nèi)部氣液兩相流的流動狀態(tài)，分析泡沫金屬收水器與普通PVC收水器內(nèi)收集狀態(tài)的差異，比較得出了泡沫金屬收水器的優(yōu)缺點(diǎn)，為工業(yè)應(yīng)用提供了依據(jù)。

2 收水器的氣液兩相流模型

2.1 數(shù)學(xué)模型

收水器氣液兩相流研究中，由于液相體積分?jǐn)?shù)小于10%，因此，視空氣為連續(xù)相，液滴為分散相，選用歐拉—拉格朗日模型?？紤]到泡沫金屬的多孔介質(zhì)特性，泡沫金屬收水器計(jì)算域被劃分為具有獨(dú)立傳輸方程的流體域和多孔介質(zhì)域兩部分。多孔介質(zhì)域與流體域之間通過界面進(jìn)行氣體組分輸運(yùn)。PVC收水器僅設(shè)置流體域一個(gè)部分，兩模型氣液兩項(xiàng)流設(shè)置方法和參數(shù)相同，側(cè)重于收水器內(nèi)部通道的兩相流模擬，并進(jìn)行一些假設(shè)：

不穩(wěn)定力(升力、虛擬質(zhì)量力等)和液滴之間的相互作用可以忽略，僅考慮曳力、重力和浮力對液滴運(yùn)動的影響;液滴在收水器中運(yùn)動時(shí)間足夠短，蒸發(fā)過程可以忽略；液滴碰撞產(chǎn)生的熱量足夠小，可以忽略，溫度恒定;所有進(jìn)入多孔介質(zhì)區(qū)域的液滴，在流體域與多孔介質(zhì)域交界面處全部被吸收。

氣液之間作用主要考慮了重力、浮力和曳力的影響，曳力系數(shù)CD采用Schiller-Naumann公式計(jì)算：

(1)

恒定渦流相互作用模型(constant EIM)假設(shè)液滴遇到由時(shí)間尺度和長度尺度表征的漩渦：

(2)

(3)

漩渦由連續(xù)相的控制方程計(jì)算而出，時(shí)間尺度和長度尺度隨著漩渦的位置而變化。當(dāng)液滴進(jìn)入漩渦后，速度受到漩渦影響：

(4)

(5)

Nr是平均數(shù)為零，標(biāo)準(zhǔn)差為1的高斯分布函數(shù)。式(4)能保證重建流場的均方根速度與原始流場的均方根速度相等。

在多孔介質(zhì)域計(jì)算中，控制方程結(jié)合了時(shí)均化的雷諾方程和達(dá)西定律，模型假設(shè)“極小”的控制體積和表面足夠大到多孔介質(zhì)的間隙間距，而小到求解連續(xù)體方程的尺度。模擬氣速范圍內(nèi)，雷諾數(shù)為1 530～12 260，在雷諾數(shù)大于4 000的湍流范圍內(nèi)，使用SST湍流模型求解湍流模型。

2.2 物理模型和網(wǎng)格劃分

折板收水器由固定間距的折板組合而成，相鄰折板間組成氣液流動通道。在普通PVC收水器內(nèi)部，相鄰?fù)ǖ篱g由PVC折板的阻隔，相互獨(dú)立，只需模擬單個(gè)通道即可分析收水器氣液流動。由于泡沫金屬的多孔介質(zhì)特性，泡沫金屬基片收水器相鄰?fù)ǖ篱g氣流可以透過泡沫金屬交通，因此需建立多通道泡沫金屬收水器模型。前期試驗(yàn)表明，單通道氣流影響范圍僅在相鄰最近的兩通道，為了節(jié)約計(jì)算資源，泡沫金屬收水器模型采用四塊泡沫金屬收水器基片的模型，以中間通道氣液流動為研究對象。收水器物理模型如圖1、圖2所示。

圖1 收水器模型參數(shù)Fig.1 Model parameters of eliminator

模型總長160 mm，寬200 mm，高200 mm，包含4片泡沫金屬基片，單通道彎折角α為90°，導(dǎo)流段長λ為35 mm，通道寬45 mm，泡沫金屬基片厚度b為2 mm。泡沫金屬收水器模型的滲透率和阻力系數(shù)為3.96×10-9m2和0.000 353。模型采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，以壓降為指標(biāo)進(jìn)行了網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證。

圖2 泡沫金屬與PVC收水器物理模型和邊界條件Fig.2 Physical model and boundary condition of metal foam and PVC eliminator

2.3 邊界條件和模型初始化

為便于對比，泡沫金屬與PVC收水器模擬的邊界條件相同，設(shè)置如下：氣體由收水器入口進(jìn)入，選擇速度進(jìn)口為邊界條件，假設(shè)氣體在進(jìn)口處速度均勻分布，進(jìn)口氣速變化范圍為0.5 m/s～4 m/s。實(shí)驗(yàn)物系為空氣和水。液滴入口初始速度與氣體進(jìn)口相同，液滴尺寸采用JAMES[10]模型數(shù)據(jù)，液滴分布符合Rosin-Rammler方程，輸入為液滴進(jìn)口條件：

(6)

出口邊界條件設(shè)置為大氣壓力，出口處以射流形式向周圍環(huán)境排放流量。通過對出口處液滴數(shù)量及粒徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并與進(jìn)口處液滴數(shù)量及粒徑進(jìn)行對比可得到液滴的收集效率。所有的壁面采用無滑脫壁面邊界條件，近壁模型采用SST模型默認(rèn)處理方式，撞擊壁面的所有分散相液滴在壁面處被吸收。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 氣相流動對比

泡沫金屬收水器與普通PVC收水器的氣相速度矢量圖如圖3。在普通PVC收水器內(nèi)部，可以明顯的發(fā)現(xiàn)，氣流在通道的拐彎尖端處聚集，通過拐彎后，氣體的最大氣速隨著進(jìn)口氣速增大逐漸增大，最大氣速出現(xiàn)在最后一個(gè)拐彎處。通道內(nèi)的氣速對液滴的流動具有顯著影響，容易吹破液膜形成小液滴，在局部造成液滴夾帶，降低液滴收集效率。氣體的聚集還造成部分區(qū)域形成低壓區(qū)，氣速較低，液滴慣性小，不利于液滴分離。隨著氣速的增大，這兩個(gè)區(qū)域逐漸變大，影響液滴的分離效果。對于如圖3所示的冷卻塔泡沫金屬收水器，每個(gè)通道內(nèi)的氣流都可以透過泡沫片與左右相鄰兩個(gè)通道的氣體進(jìn)行交互，減少低壓區(qū)和高速區(qū)域的范圍。相比于普通冷卻塔收水器，冷卻塔泡沫金屬收水器內(nèi)的氣體流動，更利于提高分離效率，降低夾帶，提高操作上限。

圖3 冷卻塔泡沫金屬收水器與普通折板型泡沫金屬收水器氣相速度矢量圖Fig.3 Gas velocity vector diagram of cooling tower metal foam eliminatior and common vane eliminator

3.2 壓降對比

文章采用無量綱的壓力系數(shù)Kp來表征收水器的幾何特征對壓降造成的影響，計(jì)算公式如式(7)：

(7)

圖4是泡沫金屬收水器與普通冷卻塔收水器壓力系數(shù)Kp隨氣速的變化圖。從圖中可以看出，泡沫金屬收水器與冷卻塔收水器的變化趨勢相同，壓力系數(shù)隨著雷諾數(shù)的增大而降低。泡沫金屬收水器壓力系數(shù)Kp比普通PVC收水器大。這是因?yàn)樵谂菽饘偈账鲀?nèi)部，氣體流動在轉(zhuǎn)向阻力損失和泡沫金屬過濾損失之間達(dá)到平衡。由于泡沫金屬具有孔隙率大，比表面積大的特點(diǎn)，因此氣體在穿過泡沫金屬過程中造成了較大的損失。因此，泡沫金屬收水器的壓降系數(shù)Kp主要與泡沫金屬的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，通過調(diào)節(jié)泡沫金屬的孔隙率，進(jìn)而調(diào)節(jié)滲透率和阻力系數(shù)，可以達(dá)到優(yōu)化壓降系數(shù)Kp的目的。分別調(diào)節(jié)滲透率和阻力系數(shù)為1.11×10-8m2和 0.057，可以看出在模擬氣速范圍內(nèi)，壓降系數(shù)Kp顯著下降。泡沫金屬的壓降優(yōu)化可以通過調(diào)節(jié)泡沫金屬的厚度、孔隙率、PPI等參數(shù)，來降低壓降系數(shù)。

圖4 不同雷諾數(shù)下壓力系數(shù)Fig.4 Pressure coefficient at different Reynolds numbers

3.3 液滴收集效率對比

圖5是不同氣速下液滴收集效率圖。

圖5 泡沫金屬與PVC收水器對不同粒徑液滴的收集效率Fig.5 Collection efficiency of metal foam and PVC eliminators for droplets of different sizes

從圖5中可以看出在低氣速下，泡沫金屬收水器對計(jì)算粒徑范圍內(nèi)的液滴收集效率都大于普通PVC收水器，這是因?yàn)樵跉馑佥^小情況下，液滴的慣性較小，更易隨氣體流動，隨空氣夾帶到出口處。由于泡沫金屬收水器不僅采用慣性原理收集小液滴，還通過過濾原理去除小液滴，綜合作用使得液滴收集效率高于普通收水器。隨著氣速的增大，液滴慣性也逐漸增大，更多的大液滴被收水器收集，可以看出兩種收水器對于大液滴的收集效率逐步接近，泡沫金屬對于小液滴的收集效率仍然顯著高于普通泡沫金屬收水器，驗(yàn)證了過濾和慣性雙重作用對于細(xì)小液滴收集的良好效果，說明了泡沫金屬基片在提升折板型收水器效率中的獨(dú)特作用。通過泡沫金屬基片的過濾作用，可以使冷卻塔收水器中液滴粒徑范圍發(fā)生變化，提高平均粒徑，進(jìn)而提高收集效率。

4 結(jié)論

普通折板型冷卻塔收水器具有對微小液滴收集效率差的缺點(diǎn)，逐漸不能滿足環(huán)保要求和冷卻塔應(yīng)用需求。文章采用計(jì)算流體力學(xué)模擬的方法對比研究了改進(jìn)型泡沫金屬收水器的特點(diǎn)，以歐拉—拉格朗日兩相流模型為基礎(chǔ)，分別建立了冷卻塔泡沫金屬與PVC收水器內(nèi)部三維數(shù)學(xué)模型。氣液兩相的相互作用通過動量源項(xiàng)進(jìn)行考慮，恒定渦流相互作用模型(constant EIM)用來表征渦對液滴流動的影響。通過將模擬得到了泡沫金屬與PVC收水器內(nèi)部氣相流動、壓降、液滴收集效率等結(jié)果進(jìn)行對比研究，得出結(jié)論如下：

1)泡沫金屬收水器內(nèi)部通道內(nèi)部氣體可以與相鄰?fù)ǖ纼?nèi)部的氣體進(jìn)行流通，流通的氣體中夾帶的液滴通過泡沫金屬的過濾作用去除，同時(shí)通道內(nèi)液滴采用慣性原理去除。泡沫金屬收水器采用過濾和慣性結(jié)合方法脫除空氣中的小液滴。

2)泡沫金屬收水器通道內(nèi)氣流分布比普通PVC收水器更均勻，漩渦區(qū)域和高氣速區(qū)域范圍更小，不易使液膜破碎，可減少再夾帶，提高操作上限。

3)泡沫金屬基片通過過濾作用改變了收水器通道內(nèi)液滴的粒徑分布，過濾掉了部分小液滴，使得泡沫金屬收水器對小液滴的收集效率高于普通PVC收水器。

4)泡沫金屬的設(shè)置會對泡沫金屬的壓降產(chǎn)生影響，使壓降高于普通PVC收水器，可以通過調(diào)節(jié)泡沫金屬的厚度、孔隙率、PPI等參數(shù)來降低壓降。