斜交叉塑料淋水填料熱力阻力性能測試及分析

黃 凱 周亞素 丁 梟

東華大學環境科學與工程學院

斜交叉塑料淋水填料熱力阻力性能測試及分析

黃 凱 周亞素 丁 梟

東華大學環境科學與工程學院

本文以斜交叉薄膜淋水填料為實驗對象，測試并分析其熱力阻力性能。介紹具體的測試技術，得出在常用淋水密度下，效率增長率與阻力增長率的關系，給出迎面風速的合理范圍。

淋水填料 性能 冷卻效率

0 引言

隨著節能減排政策的開展和推進，直接蒸發冷卻技術和冷卻塔節能技術越來越受到企業和科研單位的關注。而淋水填料作為冷卻水循環設備的核心部件，測試和研究其熱工、阻力性能對提高冷卻效率極為關鍵。據研究表明：淋水填料在濕式冷卻塔內的冷卻效率可達到70%左右[1]。淋水填料按表面形式分為點滴、薄膜、點滴薄膜三種，眾多文獻和工程已對各種形式的填料進行比較分析，結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到點滴填料的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。傳統的填料實驗測試平臺放于室外，進風參數難以控制，靠天吃飯的問題難以解決。其次，傳統平臺測試填料的熱力、阻力性能往往不加以區分冷卻塔的三個區域：噴淋區、填料區、雨區，致使測試結果不精準。筆者在進行填料性能測試實驗時，在填料段進出口截面分布測點，排除噴淋及雨區的影響，使得測試結果更為客觀。本文具體介紹斜交叉淋水填料在模擬塔上的熱力、阻力性能測試技術及結果，并加以對比分析。此外，給出填料出水水溫計算模擬的一種方法，為實際工程選型提供參考。

1 填料的實驗研究

1.1 測試填料介紹

實驗填料來源于浙江平湖某塑料片材公司生產的斜交叉填料，如圖1所示。該填料的特點為：①材料為聚氯乙烯，組裝方式為片材層與層交叉，通過塑料粘結劑粘接，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填料迎風面尺寸為580mm×580mm，組裝高度為600mm。

圖1 測試填料示意圖

1.2 試驗平臺簡介

實驗裝置主要由以下三部分組成，如圖2。

1）空氣處理系統：被處理空氣通過表冷器、電加熱和蒸汽加濕段，隨后送入實驗間，維持實驗間溫濕度的恒定。從而能保持填料段的進風參數在相應的測試工況下。空氣進塔后與噴淋水發生熱、質交換，之后經風機排出實驗間。

2）噴淋水循環系統：噴淋水在恒溫水箱預熱達到設定噴淋溫度，經過噴淋泵由布水器均勻噴灑在測試填料上，冷卻后流回恒溫水箱再熱達到初始溫度，完成一個循環。

3）控制系統：通過變頻器改變測試塔風機和噴淋水泵頻率，控制進塔風量和噴淋水水量，從而使實驗能在不同氣水比工況下進行。

圖2 填料性能測試實驗平臺

1.3 測試技術

1）進塔、出塔空氣干濕球溫度，采用TSI9555通風儀測定，溫度測量范圍為5～60℃，測量精度±0.3℃。

2）填料下端迎面風速、靜壓以及冷卻塔出風段平均風速、靜壓，采用連接靜壓探針及畢托管的TSI9555通風儀測得，風速測量范圍0～50m/s，精度±3%，壓力測量范圍-3735~+3735Pa，精度為讀數的±1%。風速測定時采用等面積布點法測量，取各點風速的算數平均值[3]。進塔風量由風速乘以斷面面積得到。

3）實驗需測冷卻水溫度有：進塔水溫、進填料淋水水溫、出填料淋水水溫、經過雨區后最終的冷卻水水溫四種溫度。以上四種溫度均采用Pt100測定，精度為0.01，探頭上用足夠的紗布包裹，每種溫度取測點平均值。填料的換熱效率按式（1）計算

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

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

5）填料層阻力通過填料下端進風截面與冷卻塔出口風管斷面全壓差，減去同等條件下空塔（無填料）下端進風截面與冷卻塔出口斷面的全壓差計算得到[4]。

1.4 試驗工況

1）大氣壓力：998.9kPa；2）進塔干球溫度：31.5℃；

3）進塔空氣相對濕度：77%（±3%）；

4）進塔水溫：經調試，確保噴灑在填料上的水溫為36℃+0.4℃，溫度波動在合理范圍之內；

5）填料迎面風速：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 實驗結果與分析

將5種淋水密度及8種風量組合成40種工況，對淋水填料在這40種工況下進行換熱及阻力性能測量，測試結果整理在表1、表2中，并將換熱效率和阻力繪成曲線圖，見圖3、圖4。

由圖3可看出：在相同的淋水密度下，迎面風速越大，換熱效率值隨之變大。淋水密度在6.12m3/(m2·h)，風速0.97m/s時，填料淋水進出口溫差是2.71℃，換熱效率為33.88%，當風速增加到2.43m/s時，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，換熱效率會相應減小，淋水密度在10.08m3/(m2·h)，風速1m/s時，填料淋水進出口溫差是1.96℃，換熱效率為24.50%，當風速增加到2.43m/s時，溫差是3.02℃，換熱效率升高至33.75%，效率增值為9.25%，相對淋水密度為6.12m3/(m2·h)，增值減小了7.75%。這是因為淋水密度過大時，布在填料片材上的水膜過厚，部分較大的水珠直接掉落，冷卻時間和冷卻面積都變小了。其次，填料片材在粘接時會形成形狀略有不同的蜂窩，水量過大時，填料塊的每一個蜂窩形成了不同的水流，空氣更多地進入阻力小的填料孔，導致換熱不均勻，出水平均水溫也隨之升高。與此同時，相同的淋水密度，隨著風速的增大，空氣阻力也會越來越大，因此不能一味增加風速來求得更高的換熱效率，導致風機的能耗升高。

表1 出填料溫度及換熱效率實測值

表2 填料阻力實測值（Pa）

圖3 效率與迎面風速的關系

圖4 阻力與迎面風速的關系

為了更好地分析，將換熱效率，阻力與迎面風速繪在同一張圖上，如圖5是淋水密度8.12m3/(m2·h)的效率，阻力與迎面風速關系圖。將圖5兩條曲線繪制成較為光滑的趨勢線，并作這兩條曲線在各工況點斜率的比值，如圖6所示，縱坐標就是風速的變化導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個臨水密度工況下效率曲線與阻力曲線導數的比值如圖 6所示。從圖 6可以看出，淋水密度在6.12～8.12m3/(m2·h)，風速小于1.4m/s時，曲線值沒有明顯變化，為1.5，說明在此段區間內，隨著風速的增加，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，隨著風速的增加，曲線值開始下降，當比值小于1時，說明換熱效率增加速率已經小于阻力的增加率，淋水密度6.12，7.2，8.12，9.1m3/(m·h)對應的分界速度依次是1.95m/s，1.75m/s，1.63m/s，1.36m/s。而淋水密度在10.08m3/(m·h)時，迎面風速v＞1.21m/s，換熱效率的增加率已經小于阻力增加率。

圖5 淋水密度8.12m3/（m·h）時效率、阻力與迎面風速的關系

圖6 效率增加率與阻力增加率比值與迎面風速的關系

3 結論

本次實驗研究了一種PVC斜交叉淋水填料，通過控制進風及噴淋水參數，更客觀地測試出填料熱力阻力性能。根據實驗數據整理換熱效率及阻力性能曲線，得出在常用淋水密度下，隨著迎面風速的增加，填料換熱效率和氣流阻力值都會隨之升高。淋水密度在6.12～8.12m3/(m2·h)，風速小于1.4m/s時，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.冷卻塔運行與實驗[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展[J].建筑熱能通風空調, 2009,27(5):27-31

[3] 中國工程建設標準化協會.冷卻塔驗收測試規程(CECS118：2000)[S].北京:中國建筑工業出版社,2000

[4] 趙振國.冷卻塔[M].北京:中國水利水電出版社,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；上海松江區人民北路2999號4號學院樓3137（201620）；E-mail:huangk1027@163.com