黃 凱 周亞素 丁 梟

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

斜交叉塑料淋水填料熱力阻力性能測(cè)試及分析

黃 凱 周亞素 丁 梟

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

本文以斜交叉薄膜淋水填料為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，測(cè)試并分析其熱力阻力性能。介紹具體的測(cè)試技術(shù)，得出在常用淋水密度下，效率增長(zhǎng)率與阻力增長(zhǎng)率的關(guān)系，給出迎面風(fēng)速的合理范圍。

淋水填料 性能 冷卻效率

0 引言

隨著節(jié)能減排政策的開(kāi)展和推進(jìn)，直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)和冷卻塔節(jié)能技術(shù)越來(lái)越受到企業(yè)和科研單位的關(guān)注。而淋水填料作為冷卻水循環(huán)設(shè)備的核心部件，測(cè)試和研究其熱工、阻力性能對(duì)提高冷卻效率極為關(guān)鍵。據(jù)研究表明：淋水填料在濕式冷卻塔內(nèi)的冷卻效率可達(dá)到70%左右[1]。淋水填料按表面形式分為點(diǎn)滴、薄膜、點(diǎn)滴薄膜三種，眾多文獻(xiàn)和工程已對(duì)各種形式的填料進(jìn)行比較分析，結(jié)果表明薄膜式淋水填料的熱力性能較其他兩種填料要好，且薄膜填料的換熱性能可達(dá)到點(diǎn)滴填料的2到3倍[2]。

目前在薄膜填料中，使用廣泛的為PVC斜交叉填料。傳統(tǒng)的填料實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)放于室外，進(jìn)風(fēng)參數(shù)難以控制，靠天吃飯的問(wèn)題難以解決。其次，傳統(tǒng)平臺(tái)測(cè)試填料的熱力、阻力性能往往不加以區(qū)分冷卻塔的三個(gè)區(qū)域：噴淋區(qū)、填料區(qū)、雨區(qū)，致使測(cè)試結(jié)果不精準(zhǔn)。筆者在進(jìn)行填料性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)時(shí)，在填料段進(jìn)出口截面分布測(cè)點(diǎn)，排除噴淋及雨區(qū)的影響，使得測(cè)試結(jié)果更為客觀。本文具體介紹斜交叉淋水填料在模擬塔上的熱力、阻力性能測(cè)試技術(shù)及結(jié)果，并加以對(duì)比分析。此外，給出填料出水水溫計(jì)算模擬的一種方法，為實(shí)際工程選型提供參考。

1 填料的實(shí)驗(yàn)研究

1.1 測(cè)試填料介紹

實(shí)驗(yàn)填料來(lái)源于浙江平湖某塑料片材公司生產(chǎn)的斜交叉填料，如圖1所示。該填料的特點(diǎn)為：①材料為聚氯乙烯，組裝方式為片材層與層交叉，通過(guò)塑料粘結(jié)劑粘接，片距15mm，比表面積fo=1.46。②填料波形由正弦波組成，均為直波，水平方向呈70°傾斜角，波距為35mm。正弦波上有滯留波，避免水在凸波上直接下泄。③填料迎風(fēng)面尺寸為580mm×580mm，組裝高度為600mm。

圖1 測(cè)試填料示意圖

1.2 試驗(yàn)平臺(tái)簡(jiǎn)介

實(shí)驗(yàn)裝置主要由以下三部分組成，如圖2。

1）空氣處理系統(tǒng)：被處理空氣通過(guò)表冷器、電加熱和蒸汽加濕段，隨后送入實(shí)驗(yàn)間，維持實(shí)驗(yàn)間溫濕度的恒定。從而能保持填料段的進(jìn)風(fēng)參數(shù)在相應(yīng)的測(cè)試工況下。空氣進(jìn)塔后與噴淋水發(fā)生熱、質(zhì)交換，之后經(jīng)風(fēng)機(jī)排出實(shí)驗(yàn)間。

2）噴淋水循環(huán)系統(tǒng)：噴淋水在恒溫水箱預(yù)熱達(dá)到設(shè)定噴淋溫度，經(jīng)過(guò)噴淋泵由布水器均勻噴灑在測(cè)試填料上，冷卻后流回恒溫水箱再熱達(dá)到初始溫度，完成一個(gè)循環(huán)。

3）控制系統(tǒng)：通過(guò)變頻器改變測(cè)試塔風(fēng)機(jī)和噴淋水泵頻率，控制進(jìn)塔風(fēng)量和噴淋水水量，從而使實(shí)驗(yàn)?zāi)茉诓煌瑲馑裙r下進(jìn)行。

圖2 填料性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

1.3 測(cè)試技術(shù)

1）進(jìn)塔、出塔空氣干濕球溫度，采用TSI9555通風(fēng)儀測(cè)定，溫度測(cè)量范圍為5～60℃，測(cè)量精度±0.3℃。

2）填料下端迎面風(fēng)速、靜壓以及冷卻塔出風(fēng)段平均風(fēng)速、靜壓，采用連接靜壓探針及畢托管的TSI9555通風(fēng)儀測(cè)得，風(fēng)速測(cè)量范圍0～50m/s，精度±3%，壓力測(cè)量范圍-3735~+3735Pa，精度為讀數(shù)的±1%。風(fēng)速測(cè)定時(shí)采用等面積布點(diǎn)法測(cè)量，取各點(diǎn)風(fēng)速的算數(shù)平均值[3]。進(jìn)塔風(fēng)量由風(fēng)速乘以斷面面積得到。

3）實(shí)驗(yàn)需測(cè)冷卻水溫度有：進(jìn)塔水溫、進(jìn)填料淋水水溫、出填料淋水水溫、經(jīng)過(guò)雨區(qū)后最終的冷卻水水溫四種溫度。以上四種溫度均采用Pt100測(cè)定，精度為0.01，探頭上用足夠的紗布包裹，每種溫度取測(cè)點(diǎn)平均值。填料的換熱效率按式（1）計(jì)算

式中：t1、t2分別為進(jìn)填料淋水水溫、出填料淋水水溫，℃；τ1為填料進(jìn)口空氣濕球溫度，℃。

4）噴淋水流量用電磁流量計(jì)PC-LDY測(cè)定，精度為0.3，量程0.3～4m3/h。

5）填料層阻力通過(guò)填料下端進(jìn)風(fēng)截面與冷卻塔出口風(fēng)管斷面全壓差，減去同等條件下空塔（無(wú)填料）下端進(jìn)風(fēng)截面與冷卻塔出口斷面的全壓差計(jì)算得到[4]。

1.4 試驗(yàn)工況

1）大氣壓力：998.9kPa；2）進(jìn)塔干球溫度：31.5℃；

3）進(jìn)塔空氣相對(duì)濕度：77%（±3%）；

4）進(jìn)塔水溫：經(jīng)調(diào)試，確保噴灑在填料上的水溫為36℃+0.4℃，溫度波動(dòng)在合理范圍之內(nèi)；

5）填料迎面風(fēng)速：0.97，1.17，1.36，1.56，1.75，1.95，2.28，2.43m/s；

6）噴淋密度：6.12，7.2，8.12，9.1，10.08m3/(m2·h)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

將5種淋水密度及8種風(fēng)量組合成40種工況，對(duì)淋水填料在這40種工況下進(jìn)行換熱及阻力性能測(cè)量，測(cè)試結(jié)果整理在表1、表2中，并將換熱效率和阻力繪成曲線圖，見(jiàn)圖3、圖4。

由圖3可看出：在相同的淋水密度下，迎面風(fēng)速越大，換熱效率值隨之變大。淋水密度在6.12m3/(m2·h)，風(fēng)速0.97m/s時(shí)，填料淋水進(jìn)出口溫差是2.71℃，換熱效率為33.88%，當(dāng)風(fēng)速增加到2.43m/s時(shí)，溫差是4.07℃，換熱效率升高至50.88%，效率增值顯著，為17%。

但若淋水密度變大，換熱效率會(huì)相應(yīng)減小，淋水密度在10.08m3/(m2·h)，風(fēng)速1m/s時(shí)，填料淋水進(jìn)出口溫差是1.96℃，換熱效率為24.50%，當(dāng)風(fēng)速增加到2.43m/s時(shí)，溫差是3.02℃，換熱效率升高至33.75%，效率增值為9.25%，相對(duì)淋水密度為6.12m3/(m2·h)，增值減小了7.75%。這是因?yàn)榱芩芏冗^(guò)大時(shí)，布在填料片材上的水膜過(guò)厚，部分較大的水珠直接掉落，冷卻時(shí)間和冷卻面積都變小了。其次，填料片材在粘接時(shí)會(huì)形成形狀略有不同的蜂窩，水量過(guò)大時(shí)，填料塊的每一個(gè)蜂窩形成了不同的水流，空氣更多地進(jìn)入阻力小的填料孔，導(dǎo)致?lián)Q熱不均勻，出水平均水溫也隨之升高。與此同時(shí)，相同的淋水密度，隨著風(fēng)速的增大，空氣阻力也會(huì)越來(lái)越大，因此不能一味增加風(fēng)速來(lái)求得更高的換熱效率，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的能耗升高。

表1 出填料溫度及換熱效率實(shí)測(cè)值

表2 填料阻力實(shí)測(cè)值（Pa）

圖3 效率與迎面風(fēng)速的關(guān)系

圖4 阻力與迎面風(fēng)速的關(guān)系

為了更好地分析，將換熱效率，阻力與迎面風(fēng)速繪在同一張圖上，如圖5是淋水密度8.12m3/(m2·h)的效率，阻力與迎面風(fēng)速關(guān)系圖。將圖5兩條曲線繪制成較為光滑的趨勢(shì)線，并作這兩條曲線在各工況點(diǎn)斜率的比值，如圖6所示，縱坐標(biāo)就是風(fēng)速的變化導(dǎo)致的換熱效率變化量與阻力變化量的比值。同理依次作另外4個(gè)臨水密度工況下效率曲線與阻力曲線導(dǎo)數(shù)的比值如圖 6所示。從圖 6可以看出，淋水密度在6.12～8.12m3/(m2·h)，風(fēng)速小于1.4m/s時(shí)，曲線值沒(méi)有明顯變化，為1.5，說(shuō)明在此段區(qū)間內(nèi)，隨著風(fēng)速的增加，換熱效率增加的速率比阻力增加的速率要快約1.5倍，但隨后，隨著風(fēng)速的增加，曲線值開(kāi)始下降，當(dāng)比值小于1時(shí)，說(shuō)明換熱效率增加速率已經(jīng)小于阻力的增加率，淋水密度6.12，7.2，8.12，9.1m3/(m·h)對(duì)應(yīng)的分界速度依次是1.95m/s，1.75m/s，1.63m/s，1.36m/s。而淋水密度在10.08m3/(m·h)時(shí)，迎面風(fēng)速v＞1.21m/s，換熱效率的增加率已經(jīng)小于阻力增加率。

圖5 淋水密度8.12m3/（m·h）時(shí)效率、阻力與迎面風(fēng)速的關(guān)系

圖6 效率增加率與阻力增加率比值與迎面風(fēng)速的關(guān)系

3 結(jié)論

本次實(shí)驗(yàn)研究了一種PVC斜交叉淋水填料，通過(guò)控制進(jìn)風(fēng)及噴淋水參數(shù)，更客觀地測(cè)試出填料熱力阻力性能。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理?yè)Q熱效率及阻力性能曲線，得出在常用淋水密度下，隨著迎面風(fēng)速的增加，填料換熱效率和氣流阻力值都會(huì)隨之升高。淋水密度在6.12～8.12m3/(m2·h)，風(fēng)速小于1.4m/s時(shí)，換熱效率增加的速率比阻力增加的速率要快約1.5倍。淋水密度為6.12，7.2，8.12，9.1，10.08m3/(m2·h)，效率增加率等于阻力增加率的分界速度分別為 1.95m/s，1.75m/s，1.63m/s，1.36m/s，1.21m/s。

[1] 史佑吉.冷卻塔運(yùn)行與實(shí)驗(yàn)[M].北京:水利水電出版社,1990

[2] 劉東興.冷卻塔淋水填料的研究進(jìn)展[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào), 2009,27(5):27-31

[3] 中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì).冷卻塔驗(yàn)收測(cè)試規(guī)程(CECS118：2000)[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2000

[4] 趙振國(guó).冷卻塔[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,1997

Test and Analysis of Thermal and Resistance Performance of the PVC Oblique Cross Film Packing

HUANG Kai,ZHOU Ya-su,DING Xiao
College of Environmental Science and Engineering,Donghua University

PVC oblique cross film packing were used as test object in this paper to analysis its heat exchange efficiency and resistance performance.Results show the relation curves of heat exchange efficiency and increase rate of resistance, reasonable velocities are also provided.

packing,performance,cooling efficiency

1003-0344（2015）04-011-4

2014-3-24

黃凱（1989～），男，碩士研究生；上海松江區(qū)人民北路2999號(hào)4號(hào)學(xué)院樓3137（201620）；E-mail:huangk1027@163.com