逆流填料阻力特性測試中擋雨設(shè)計的可行性研究

袁 廣， 章立新*， 張辛辛， 陳 浩， 沈 艷， 葉 軍， 尤藝昊

（1.上海理工大學 能源與動力工程學院，上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室，上海 200093；2.華電電力科學研究院有限公司，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)外學者對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，對不同片距、不同結(jié)構(gòu)的淋水填料以及不同波形的填料進行熱工性能測量和分析；Farhard 等[5]在不同氣水比下對冷卻塔及填料性能進行了對比研究。

通用測壓裝置主要有標準畢托管、S 型皮托管、笛形管及壓力計等。黃凱等[6]采用靜壓探針對斜交叉塑料淋水填料阻力性能進行了測試。在冷卻塔填料測試標準[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，會直接導致測壓裝置失效，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，解決淋水堵塞難題十分重要。

針對該難題，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驗，研究了具有擋雨設(shè)計的測壓裝置的可靠性。

1 實驗

1.1 實驗臺

本實驗所用的逆流填料阻力特性實驗臺如圖1 所示。空氣在軸流風機的吸力作用下，從進風窗進入，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，最終從軸流風機排出塔體；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。實驗臺淋水截面（亦為通風截面）尺寸為1 300 mm×500 mm。

在冷態(tài)實驗時（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算出填料的截面風速，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算出的填料截面風速應(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。所測截面風速可以與轉(zhuǎn)輪風速儀在進風窗處所測的風速比對，以檢驗測試的可靠性。

圖1 逆流填料阻力特性實驗臺

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1 300 mm×500 mm 的通風截面尺寸，根據(jù)等面積的測點布置原則，取2×7 網(wǎng)格共14 個測點，如圖3 所示。

圖3 全壓管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)圖

在圖1 所示的實驗臺的填料上側(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，分別布置了相對應(yīng)的上部靜壓測試裝置和下部靜壓測試裝置，每個水平面上布置有4 個相同的靜壓測試裝置，這4 個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，類似于一個飄窗，以防止靜壓裝置內(nèi)積水。每個靜壓測試裝置上有3 個并聯(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，但是相對應(yīng)的風壓增大很多，此種填料的壓力測試值會更大。此外，由于這種填料的密度高，其多用于冷風機的濕淋填料。填料組裝塊如圖5 所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 實驗工況

本文實驗主要以表1 中的因素作為變量進行對比實驗。

表1 實驗的因素設(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，以及隨風量大小的變化情況，并分析填料、淋水情況、風量等條件與填料壓損的對應(yīng)關(guān)系。本次實驗風量分別為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，為保證實驗結(jié)果的準確性，每個工況下的壓力分別讀取五次，最后取其平均。

2.2 實驗結(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量、淋水與不淋水情況下靜壓差與全壓差的實驗結(jié)果。

圖6 薄膜式S 波PVC 填料靜壓差、全壓差隨風量的變

圖7 5090 型水簾紙?zhí)盍响o壓差、全壓差隨風量的變化

通過圖6 和圖7 對比可知，在相同風量下，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?，對淋水阻力更敏感；靜壓差和全壓差相比，本文原理上兩者應(yīng)一致。實際測試結(jié)果比對，5090 型水簾紙?zhí)盍洗_實幾乎一致，說明測試裝置中的擋雨措施對測試結(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)進風窗實測風速換算到通風截面風速后按伯努利方程計算的動壓與填料各部分的實測動壓隨風量變化的實驗結(jié)果，其中動壓的計算公式為其中按實驗時的氣溫20℃，取1.20 kg/m3。

圖8 薄膜式S 波PVC 填料實際測量的動壓與按風速計算的動壓值比較

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量的變化

從圖8 可知，按進風窗實測風速換算到通風截面風速后用伯努利方程計算的動壓與實測全壓與靜壓差（即實測動壓）比對，吻合度均較好，也進一步佐證了本文在測試裝置中采取的擋雨措施對測試結(jié)果影響很小，擋雨設(shè)計是成功的。

圖9 是 5090 型水簾紙?zhí)盍显诓煌L量情況下，填料上、下部有淋水與不淋水之間在不同風速下的靜壓差及全壓差的實驗結(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氣流額外增加的阻力。從圖9 中可以看出，在填料的下部，風速大小對淋水阻力增加值的影響不大，而在填料上部，隨風速增大淋水阻力的增加值迅速增大。這是因為在填料上部由三濺式噴頭噴出的淋水斜向落入填料且不可能均勻，氣流有向風機集中的傾向，兩者傾角較大，所以風速越大，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均勻，且淋水與氣流運動方向夾角近似180°，所以在淋水不很密集（即不造成氣堵）的情況下，風速對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（因為動壓不變），進一步佐證了本文在測試裝置中采取的擋雨措施對測試結(jié)果影響很小。

需要說明的是，因本實驗裝置通道較小，采用靜壓差測試或采用全壓差測試，結(jié)果基本一致，所以對小通道且只測填料壓損時，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。但在實際應(yīng)用中，因冷卻塔等實際設(shè)備的淋水截面（即通風截面）要大得多，會造成流速和壓力不均勻，所以對大截面的設(shè)備，仍建議用全壓管網(wǎng)和靜壓取壓裝置配合使用，這樣同時可以測出截面風速。對熱態(tài)運行的設(shè)備，須注意填料上部和填料下部氣流密度的變化，在計算填料壓損時，需對氣流密度的影響進行修正。

3 總結(jié)

本文針對逆流填料截面風速和阻力特性測量中淋水的干擾，設(shè)計了一種取壓器、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，在對兩種阻力特性相差較大的填料進行測試實驗，從全壓差與靜壓差比對、按不同測試方法的動壓比對，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，對測試結(jié)果的影響很小；并且填料上部的全壓管網(wǎng)或靜壓取壓裝置對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)用于上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室淋水填料測試臺、華電電科院冷卻塔淋水填料測試臺等多個測試臺，完全能達到工程測試精度的要求。