橫流填料熱力與阻力性能實(shí)驗(yàn)研究

王麗莎，章立新，陳雨豪，楊 豪

（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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093）

淋水填料（以下簡稱填料）是冷卻塔的核心換熱部件，特別是開式冷卻塔，其60%～70%的散熱靠填料完成[1]，故填料的熱力性能直接關(guān)系到冷卻塔的冷卻效果。同時因填料結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是冷卻塔中阻力最大的部件，其阻力性能也極其重要。

填料的熱力及阻力性能大多通過冷卻塔模擬實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行測試，再將測試數(shù)據(jù)擬合成經(jīng)驗(yàn)公式，供設(shè)計(jì)和對比使用。橫流薄膜式填料發(fā)展至今，結(jié)構(gòu)已大有不同，其進(jìn)風(fēng)格柵、收水格柵與散熱區(qū)是一體的；而目前對于這類填料的性能經(jīng)驗(yàn)式報道較少，公開的大多都是款式較為老舊的填料的特性公式[2],難以應(yīng)用于現(xiàn)在的橫流冷卻塔設(shè)計(jì)。同時目前存在的填料實(shí)驗(yàn)臺大多遵循行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《DL/T 933-2005 冷卻塔淋水填料、除水器、噴濺裝置性能試驗(yàn)方法》[3]設(shè)計(jì)，流場分布與實(shí)塔有較大差異，淋水均勻性也有所不同[4-5]，其測試結(jié)果直接用于冷卻塔設(shè)計(jì)會有較大誤差。

針對上述問題，本文將介紹一種新型填料性能測試實(shí)驗(yàn)臺，該實(shí)驗(yàn)臺可在接近實(shí)塔的氣流與淋水分布條件下研究填料的熱力及阻力性能；并使用該實(shí)驗(yàn)臺對一款橫流薄膜式填料進(jìn)行測試，擬合該填料的熱力及阻力特性經(jīng)驗(yàn)公式；將實(shí)驗(yàn)臺測試結(jié)果與實(shí)塔數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，以反映填料測試的準(zhǔn)確性，從而為準(zhǔn)確設(shè)計(jì)當(dāng)前廣泛使用的薄膜填料橫流冷卻塔提供技術(shù)路線。

1 實(shí)驗(yàn)臺及實(shí)驗(yàn)對象

1.1 實(shí)驗(yàn)臺

目前，國內(nèi)橫流填料性能實(shí)驗(yàn)臺形式大都按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《DL/T 933-2005》設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)中所示實(shí)驗(yàn)臺，流場分布與實(shí)塔有較大差異，詳見圖1。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)橫流填料性能實(shí)驗(yàn)臺與橫流冷卻塔示意圖

另外，實(shí)塔一般采用小孔布水或者噴濺式噴頭布水，其與實(shí)驗(yàn)臺布水方式的差異也會導(dǎo)致填料特性式用于實(shí)塔設(shè)計(jì)的偏差。

針對上述問題，本文所使用的上海市動力工程多相流動與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的填料性能測試實(shí)驗(yàn)臺（見圖2）通風(fēng)完全參照實(shí)塔設(shè)計(jì)，布水設(shè)計(jì)也盡量接近實(shí)塔，故該實(shí)驗(yàn)臺可在接近實(shí)塔流場與布水的狀況下進(jìn)行填料特性的研究，也可在多種工況下對不同尺寸的橫流、逆流填料進(jìn)行熱力、阻力性能測試。

實(shí)驗(yàn)臺的橫流實(shí)驗(yàn)區(qū)采取單面進(jìn)風(fēng)方式，測試橫流填料時，將橫、逆流實(shí)驗(yàn)區(qū)中間隔板拆除，關(guān)上逆流進(jìn)風(fēng)窗，裝上被測試填料后即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

橫流實(shí)驗(yàn)區(qū)的進(jìn)風(fēng)寬度為1.5 m，可測試最大的橫流填料尺寸為3.1 m×1.6 m，實(shí)驗(yàn)臺布水系統(tǒng)采取特制的3D 打印小噴頭，噴頭間距40 mm，呈梅花形布置；可通過給噴頭加塞的方法來適應(yīng)不同徑深的橫流填料測試，可通過封閉進(jìn)風(fēng)口的方式來適應(yīng)不同高度的橫流填料測試。

在橫流實(shí)驗(yàn)區(qū)的填料進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口處沿豎直方向安裝間隔500 mm 的笛形管，以測試空氣經(jīng)過填料的平均壓損。由于本實(shí)驗(yàn)臺接近實(shí)塔，測壓截面上的氣流流向不全在水平方向，實(shí)驗(yàn)時通過旋轉(zhuǎn)笛形管以調(diào)整取壓孔軸線與氣流方向匹配。

圖2 填料熱力與阻力性能測試實(shí)驗(yàn)臺

1.2 實(shí)驗(yàn)臺測試系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)臺系統(tǒng)如圖3 所示，測試儀器及精度見表1。

圖3 實(shí)驗(yàn)臺系統(tǒng)示意圖

表1 測試儀器

1.3 橫流填料中水氣熱質(zhì)交換的數(shù)學(xué)模型

橫流淋水填料的水氣流動見圖1b 所示。水均勻分布于填料頂部，在重力作用下沿著填料表面向下流動，空氣由填料側(cè)面進(jìn)入，在冷卻塔風(fēng)機(jī)的抽吸作用下橫向流過填料間的縫隙，并與冷卻水進(jìn)行傳熱傳質(zhì)。由于填料上水膜飽和濕空氣層與進(jìn)入填料的空氣基質(zhì)之間存在濕差與焓差，推動著飽和濕空氣層中的水蒸氣向空氣基質(zhì)中擴(kuò)散進(jìn)行熱質(zhì)交換，促使水膜中的水不斷地蒸發(fā)帶走汽化潛熱，從而使冷卻水得到冷卻。焓、濕增高的空氣從填料的另一側(cè)流出，被風(fēng)機(jī)送入大氣中[6]。

橫流填料水氣熱質(zhì)交換可簡化為圖4，然后通過熱量、質(zhì)量以及麥克爾方程，推導(dǎo)出橫流填料的熱力控制方程組如式（1）、（2）所示。

圖4 橫流填料水氣熱質(zhì)交換簡圖

將式（1）在橫流填料換熱區(qū)積分式（3）所示。

式中：N，冷卻數(shù)，無量綱；V，填料體積，m3；Q，被冷卻水流量，m3/h；H、L，填料高度、徑深，m。

一般將淋水填料的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理為式（4）、（5）方程來反映其熱力性能好壞：

阻力性能整理為如方程式（6）所示。

1.4 被測橫流填料

所測試的橫流穿桿式聚氯乙烯薄膜填料的成型片見圖5，該填料由進(jìn)風(fēng)格柵、散熱區(qū)和收水格柵三部分組成，散熱區(qū)高2.2 m，徑深1.1 m，填料片距為15.5 mm。該填料散熱區(qū)的主波紋為正弦波，同時在正弦波面上設(shè)有“V”形二次波紋。

圖5 被測試橫流填料

2 橫流填料測試實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)測試

測試時，淋水密度調(diào)節(jié)為0、25、31、38、44、51 t/ (m2?h)，每個淋水密度工況進(jìn)行4 次不同風(fēng)速下的測試，風(fēng)速范圍為1.6～3.8 m/s。

測試完成后，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按《DL/T 933-2005》要求整理成式（4）～（6）的形式，冷卻數(shù)N 按平均焓差法計(jì)算，并用最小二乘法進(jìn)行擬合，得到了該款橫流填料的熱力與阻力特性方程式如式（7）～（11）。

2.2 結(jié)果分析

該填料已在某系列橫流冷卻塔中實(shí)際運(yùn)用，按實(shí)塔測試工況計(jì)算的N、與式（6）～（7）計(jì)算的N、對比如表2、表3 所示。

表2 冷卻數(shù)N 對比

表3 容積散質(zhì)系數(shù)對比

表3 容積散質(zhì)系數(shù)對比

利用式（7）～（8）進(jìn)行300 WT 標(biāo)準(zhǔn)橫流冷卻塔（干球溫度31.5℃，濕球溫度28℃，進(jìn)塔水溫37℃，出塔水溫32℃）的設(shè)計(jì)，塔的淋水密度為截面平均風(fēng)速為為此時塔的進(jìn)風(fēng)截面需4.5 m，設(shè)計(jì)冷卻能力為100%，這樣的設(shè)計(jì)結(jié)果，填料阻力僅47 Pa，并且有條件采用較大直徑和較低轉(zhuǎn)速的軸流風(fēng)機(jī)，不僅能耗低，而且有利于降低噪聲和飄水，能夠達(dá)到《GB/T 7190.1 機(jī)械通風(fēng)冷卻塔 第1 部分：中小型開式冷卻塔》中較好的指標(biāo)。但橫流塔在實(shí)際應(yīng)用時，特別在空調(diào)工況，受占地面積制約，一直有向緊湊型發(fā)展的趨勢，即在氣水比不變的前提下，縮小進(jìn)風(fēng)截面寬度，增大截面風(fēng)速。以上述設(shè)計(jì)塔為例，當(dāng)將進(jìn)風(fēng)截面寬度縮為2.65 m 時，淋水密度達(dá)到截面平均風(fēng)速達(dá)到4.69 m/s 時，此時冷卻塔的冷卻能力也能達(dá)到設(shè)計(jì)能力的98%，而可達(dá)為充分發(fā)揮該填料的散熱潛力，在上述冷卻塔氣水比、填料體積、整體結(jié)構(gòu)不變的情況下，繼續(xù)加大冷卻水量，使淋水密度達(dá)到截面平均風(fēng)速提高至5.47 m/s，此時冷卻塔的冷卻能力也能達(dá)到設(shè)計(jì)能力的97.6%，而高達(dá)雖然第二種情況的淋水密度已經(jīng)超過實(shí)驗(yàn)范圍，但上述兩種產(chǎn)品塔通過的冷卻能力測試，與上述理論預(yù)測基本一致。需要指出的是，緊湊型發(fā)展的趨勢雖然可以滿足空間布置要求，并且大幅降低產(chǎn)品成本，但會導(dǎo)致產(chǎn)品能耗較高，滿足國標(biāo)的耗電比要求比較困難，所以其經(jīng)濟(jì)性要從產(chǎn)品壽命和運(yùn)行費(fèi)用兩方面綜合評估。

3 總結(jié)

1）按實(shí)塔測試工況，用實(shí)驗(yàn)臺擬合的填料熱力特性式計(jì)算得到的對比用實(shí)塔測試結(jié)果計(jì)算的兩者最大偏差為3.7%，說明本文所述實(shí)驗(yàn)臺的測試結(jié)果及擬合所得特性式用于實(shí)塔設(shè)計(jì)有足夠的精度；

2）通過擬合所得特性式進(jìn)行冷卻塔設(shè)計(jì)，并不斷調(diào)整冷卻塔的淋水密度及截面風(fēng)速，在冷卻能力損失不大的情況下，以提高能耗為代價，該填料在空調(diào)型冷卻塔實(shí)際應(yīng)用中的容積散質(zhì)系數(shù)可高達(dá)30 002

3）在設(shè)計(jì)冷卻塔時，冷卻塔設(shè)計(jì)方法應(yīng)與填料特性公式整理方法一致，否則會有較大誤差。