袁 廣， 章立新*， 張辛辛， 陳 浩， 沈 艷， 葉 軍， 尤藝昊

（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.華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310030；3.上海同馳換熱設(shè)備科技有限公司，上海 200433；4.浙江萬享科技股份有限公司，浙江 湖州 313199）

冷卻塔現(xiàn)今作為通用機(jī)械設(shè)備廣泛應(yīng)用于化工、能源、冶金以及制冷空調(diào)等領(lǐng)域，其主要的功能為帶走廢熱、保持工藝系統(tǒng)的正常運(yùn)行[1]。整塔壓損是影響冷卻塔冷卻能耗的重要因素，而填料的壓損占整塔壓損的30%～40%左右[2]，所以確定填料阻力特性至關(guān)重要。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)填料壓損測試及其阻力特性做了大量的研究。胡三季等[3]研究了逆流塔中淋水填料在不同高度下阻力性能與熱力性能的關(guān)系。黃凱等[4]專門搭建了逆流塔淋水填料測試平臺(tái)，對(duì)不同片距、不同結(jié)構(gòu)的淋水填料以及不同波形的填料進(jìn)行熱工性能測量和分析；Farhard 等[5]在不同氣水比下對(duì)冷卻塔及填料性能進(jìn)行了對(duì)比研究。

通用測壓裝置主要有標(biāo)準(zhǔn)畢托管、S 型皮托管、笛形管及壓力計(jì)等。黃凱等[6]采用靜壓探針對(duì)斜交叉塑料淋水填料阻力性能進(jìn)行了測試。在冷卻塔填料測試標(biāo)準(zhǔn)[7]中，采用笛形管來測試填料的阻力。但由于測量截面大、氣流不穩(wěn)定、淋水影響大、畢托管頭工作條件不好，致使測量誤差大[8]。特別是淋水堵塞測壓孔，會(huì)直接導(dǎo)致測壓裝置失效，這類問題在化工裝置的填料阻力特性測試中也普遍存在，所以在使用基于畢托管原理改良的全壓管網(wǎng)測量壓力時(shí)，解決淋水堵塞難題十分重要。

針對(duì)該難題，本文開發(fā)了一種適用于在噴淋液雨區(qū)中的全壓測量裝置[9]，并通過兩種阻力特性不同的填料實(shí)驗(yàn)，研究了具有擋雨設(shè)計(jì)的測壓裝置的可靠性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)

本實(shí)驗(yàn)所用的逆流填料阻力特性實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖1 所示?？諝庠谳S流風(fēng)機(jī)的吸力作用下，從進(jìn)風(fēng)窗進(jìn)入，依次通過下部全壓測試管網(wǎng)及下部靜壓測試裝置、淋水填料、上部全壓測試管網(wǎng)及上部靜壓測試裝置、噴淋管網(wǎng)、收水器，最終從軸流風(fēng)機(jī)排出塔體；水從集水池通過噴淋水泵升壓，依次經(jīng)過上水管、布水管網(wǎng)，由噴頭噴灑到填料上，再回到集水池。實(shí)驗(yàn)臺(tái)淋水截面（亦為通風(fēng)截面）尺寸為1 300 mm×500 mm。

在冷態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)（即水不加熱），下部全壓測試管網(wǎng)所測壓力與下部靜壓測試裝置所測壓力之差可計(jì)算出填料的截面風(fēng)速，且同上部全壓測試管網(wǎng)所測壓力與上部靜壓測試裝置所測壓力之差計(jì)算出的填料截面風(fēng)速應(yīng)相等；下部全壓測試管網(wǎng)所測壓力與上部全壓測試管網(wǎng)所測壓力之差即為所測風(fēng)速下填料的壓損，其也應(yīng)等于下部靜壓測試裝置所測壓力與上部靜壓測試裝置所測壓力之差。所測截面風(fēng)速可以與轉(zhuǎn)輪風(fēng)速儀在進(jìn)風(fēng)窗處所測的風(fēng)速比對(duì)，以檢驗(yàn)測試的可靠性。

圖1 逆流填料阻力特性實(shí)驗(yàn)臺(tái)

1.2 取壓裝置

本文所開發(fā)的測壓裝置，包含取壓器、擋雨罩、取壓管網(wǎng)及壓差測量設(shè)備。所述取壓器，安裝在填料上下側(cè)的氣液逆流區(qū)域內(nèi)且與具有連通管的取壓管網(wǎng)相連接，用于采集氣液逆流區(qū)域的檢測點(diǎn)處的氣壓，接入壓差測量設(shè)備。測壓裝置包括：取壓管，具有取壓端和安裝端；以及擋雨罩，用于容納取壓管來防止取壓端被氣液逆流區(qū)域的噴淋水滴堵塞，其中，擋雨罩具有擋雨罩主體以及與該擋雨罩主體的一端相連接的連接座，連接座朝向擋雨罩主體的端面上設(shè)置有取壓管安裝孔，側(cè)部上設(shè)置有至少兩個(gè)與取壓管安裝孔連通用于與連通管連接且連通的連通口，取壓管位于擋雨罩主體內(nèi)的中央位置且通過安裝端安裝在取壓管安裝孔內(nèi)而固定設(shè)置在擋雨罩內(nèi)，如圖2 所示。

參考International Standard ISO 3966[10]，取壓管外徑為6 mm、內(nèi)徑為2 mm、長度為15 mm；擋雨罩外徑為20 mm、內(nèi)徑為18 mm，呈鐘罩型。

圖2 全壓管網(wǎng)取壓頭、擋雨罩及其裝配圖

針對(duì)1 300 mm×500 mm 的通風(fēng)截面尺寸，根據(jù)等面積的測點(diǎn)布置原則，取2×7 網(wǎng)格共14 個(gè)測點(diǎn)，如圖3 所示。

圖3 全壓管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)圖

在圖1 所示的實(shí)驗(yàn)臺(tái)的填料上側(cè)截面之上和填料下側(cè)截面之下，即與上部測壓管網(wǎng)和下部測壓管網(wǎng)同一水平位置，分別布置了相對(duì)應(yīng)的上部靜壓測試裝置和下部靜壓測試裝置，每個(gè)水平面上布置有4 個(gè)相同的靜壓測試裝置，這4 個(gè)靜壓測試裝置連通匯總到一根管子，接入壓差測試設(shè)備。

另外，靜壓測試也要防止壁流堵塞測壓孔，故在壁面上開設(shè)了200 mm×40 mm 的方孔，與靜壓測試裝置連接。靜壓測試裝置貼附在塔體的外側(cè)，與方孔的連接通道略微向塔內(nèi)傾斜，類似于一個(gè)飄窗，以防止靜壓裝置內(nèi)積水。每個(gè)靜壓測試裝置上有3 個(gè)并聯(lián)的取壓孔。

1.3 測試填料

本文測試填料有兩種。第一種填料為PVC 材質(zhì)的薄膜填料，其單張成型片波形為S 波，斜波波距為50 mm，斜波波長為120 mm，波與垂直方向的夾角為30 o，直波波距為60 mm，直波波長為175 mm。同時(shí)這種填料也是逆流冷卻塔中最常用的填料。由16 張成型片拼成填料組裝塊，尺寸為500 mm×1 300 mm×250 mm，間距為30 mm。填料成型片如圖4 所示。

圖4 S 波填料成型片

圖5 5090 型水簾紙?zhí)盍辖M裝塊

第二種填料型號(hào)為5090 的水簾紙，材料為佳木斯原紙，波紋高度為5 mm，降溫效果好，但是相對(duì)應(yīng)的風(fēng)壓增大很多，此種填料的壓力測試值會(huì)更大。此外，由于這種填料的密度高，其多用于冷風(fēng)機(jī)的濕淋填料。填料組裝塊如圖5 所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)工況

本文實(shí)驗(yàn)主要以表1 中的因素作為變量進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

表1 實(shí)驗(yàn)的因素設(shè)置

根據(jù)上述變量，分別測出兩種填料在是否淋水的情況下的壓損情況，以及隨風(fēng)量大小的變化情況，并分析填料、淋水情況、風(fēng)量等條件與填料壓損的對(duì)應(yīng)關(guān)系。本次實(shí)驗(yàn)風(fēng)量分別為5 743 m3/h、4 649 m3/h、3 008 m3/h、1 367 m3/h，噴淋水量為2 800 L/h，為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，每個(gè)工況下的壓力分別讀取五次，最后取其平均。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖6 和圖7 分別是薄膜式S 波PVC 填料和5090 型水簾紙?zhí)盍显诓煌L(fēng)量、淋水與不淋水情況下靜壓差與全壓差的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖6 薄膜式S 波PVC 填料靜壓差、全壓差隨風(fēng)量的變

圖7 5090 型水簾紙?zhí)盍响o壓差、全壓差隨風(fēng)量的變化

通過圖6 和圖7 對(duì)比可知，在相同風(fēng)量下，5090 型水簾紙?zhí)盍系淖枇γ黠@大于薄膜式S 波PVC 填料的阻力；總體阻力大的5090 型水簾紙?zhí)盍希瑢?duì)淋水阻力更敏感；靜壓差和全壓差相比，本文原理上兩者應(yīng)一致。實(shí)際測試結(jié)果比對(duì)，5090 型水簾紙?zhí)盍洗_實(shí)幾乎一致，說明測試裝置中的擋雨措施對(duì)測試結(jié)果影響很小。但薄膜式S 波PVC 填料有一些偏差，原因在于5090 型水簾紙?zhí)盍祥g距較小，氣流紊亂度小，而薄膜式S 波PVC 填料片距大，氣流紊亂度較大，其偏差主要是由氣流紊亂度對(duì)全壓測試的影響造成的，而不是因擋雨罩和擋雨器造成的。

圖8 是薄膜式S 波PVC 填料根據(jù)進(jìn)風(fēng)窗實(shí)測風(fēng)速換算到通風(fēng)截面風(fēng)速后按伯努利方程計(jì)算的動(dòng)壓與填料各部分的實(shí)測動(dòng)壓隨風(fēng)量變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中動(dòng)壓的計(jì)算公式為其中按實(shí)驗(yàn)時(shí)的氣溫20℃，取1.20 kg/m3。

圖8 薄膜式S 波PVC 填料實(shí)際測量的動(dòng)壓與按風(fēng)速計(jì)算的動(dòng)壓值比較

圖9 5090 型水簾紙?zhí)盍仙舷虏快o壓和全壓所受到的淋水阻力隨風(fēng)量的變化

從圖8 可知，按進(jìn)風(fēng)窗實(shí)測風(fēng)速換算到通風(fēng)截面風(fēng)速后用伯努利方程計(jì)算的動(dòng)壓與實(shí)測全壓與靜壓差（即實(shí)測動(dòng)壓）比對(duì)，吻合度均較好，也進(jìn)一步佐證了本文在測試裝置中采取的擋雨措施對(duì)測試結(jié)果影響很小，擋雨設(shè)計(jì)是成功的。

圖9 是 5090 型水簾紙?zhí)盍显诓煌L(fēng)量情況下，填料上、下部有淋水與不淋水之間在不同風(fēng)速下的靜壓差及全壓差的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

在圖9 中，填料上部有淋水情況下的靜壓與不淋水情況下靜壓的差值、以及填料上部有淋水情況下的全壓與不淋水情況下全壓的差值，反映了在填料上部淋水分布和氣流紊亂度條件下淋水對(duì)氣流額外增加的阻力；填料下部有淋水情況下的靜壓與不淋水情況下靜壓的差值、以及填料下部有淋水情況下的全壓與不淋水情況下全壓的差值，反映了在填料下部淋水分布和氣流紊亂度條件下淋水對(duì)氣流額外增加的阻力。從圖9 中可以看出，在填料的下部，風(fēng)速大小對(duì)淋水阻力增加值的影響不大，而在填料上部，隨風(fēng)速增大淋水阻力的增加值迅速增大。這是因?yàn)樵谔盍仙喜坑扇秊R式噴頭噴出的淋水斜向落入填料且不可能均勻，氣流有向風(fēng)機(jī)集中的傾向，兩者傾角較大，所以風(fēng)速越大，因淋水增加的阻力也越大。而在填料下部，淋水經(jīng)過填料分布變得均勻，氣流在填料吸入口也相對(duì)均勻，且淋水與氣流運(yùn)動(dòng)方向夾角近似180°，所以在淋水不很密集（即不造成氣堵）的情況下，風(fēng)速對(duì)因淋水增加的阻力影響不大。因此填料上部的全壓管網(wǎng)或靜壓取壓裝置對(duì)填料阻力測試更為敏感。

另外，不論填料上部或填料下部，有淋水和無淋水間的靜壓差和全壓差吻合度很好，而理論上這兩者也應(yīng)吻合（因?yàn)閯?dòng)壓不變），進(jìn)一步佐證了本文在測試裝置中采取的擋雨措施對(duì)測試結(jié)果影響很小。

需要說明的是，因本實(shí)驗(yàn)裝置通道較小，采用靜壓差測試或采用全壓差測試，結(jié)果基本一致，所以對(duì)小通道且只測填料壓損時(shí)，采用靜壓差測試或采用全壓差測試都是可行的，兩者取其一即可。但在實(shí)際應(yīng)用中，因冷卻塔等實(shí)際設(shè)備的淋水截面（即通風(fēng)截面）要大得多，會(huì)造成流速和壓力不均勻，所以對(duì)大截面的設(shè)備，仍建議用全壓管網(wǎng)和靜壓取壓裝置配合使用，這樣同時(shí)可以測出截面風(fēng)速。對(duì)熱態(tài)運(yùn)行的設(shè)備，須注意填料上部和填料下部氣流密度的變化，在計(jì)算填料壓損時(shí)，需對(duì)氣流密度的影響進(jìn)行修正。

3 總結(jié)

本文針對(duì)逆流填料截面風(fēng)速和阻力特性測量中淋水的干擾，設(shè)計(jì)了一種取壓器、取壓裝置以及壓力測量設(shè)備、壓差測量設(shè)備，主要采取了擋雨措施，在對(duì)兩種阻力特性相差較大的填料進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn)，從全壓差與靜壓差比對(duì)、按不同測試方法的動(dòng)壓比對(duì)，證明在全壓取壓管網(wǎng)上采用鐘罩式擋雨罩和在壁面靜壓取壓裝置上采用飄窗式擋雨罩，對(duì)測試結(jié)果的影響很?。徊⑶姨盍仙喜康娜珘汗芫W(wǎng)或靜壓取壓裝置對(duì)填料阻力測試更為敏感。本文所開發(fā)的帶擋雨罩的逆流填料測壓裝置，已應(yīng)用于上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室淋水填料測試臺(tái)、華電電科院冷卻塔淋水填料測試臺(tái)等多個(gè)測試臺(tái)，完全能達(dá)到工程測試精度的要求。