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闭式冷却塔中空气与喷淋水同向和逆向流动的流阻试验研究

浏览:113 发表时间:2020-07-10 09:38:14

闭式冷却塔中空气与喷淋水同向和逆向流动的流阻试验研究

摘 要 一些高效逆流闭式冷却塔盘管管外的空气流动和喷淋水的流动方向相同(顺流),其空气流动阻力的规律性尚待进一步探索,本文对此进行了试验研究。设计构建了相关的试验装置、试验件,进行了一系列的试验。为便于对比,分别针对盘管管外的空气流动和喷淋水的流动方向同向以及逆向(逆流)进行了试验。通过改变喷淋水的喷淋量和空气的流速,得到了相关的空气流动阻力的规律性。试验表明,顺流型式比逆流型式的空气流动阻力大为降低,逆流型式存在空气流动阻力的突增点,顺流型式不存在阻力的突增点。


关键词 热工学;闭式冷却塔;空气流动阻力


冷却塔主要是通过空气与喷淋水直接接触,主要利用喷淋水的蒸发散热完成热量交换的设备[1],分为开式冷却塔和闭式冷却塔。对于闭式冷却塔(以下简称闭塔),被冷却流体在管内流动,喷淋水流过管束传热面带走管内流体的热量;空气与喷淋水接触,通过与喷淋水蒸发换热和对流换热带走喷淋水的热量[2]。闭塔的管内流体封闭循环,可保持洁净、无污染,可冷却高温水。闭塔既能冷却液体,也能冷凝气体。另外,闭塔在水环热泵系统、冷却塔直接供冷系统中也显示了很好的应用前景[3]

为降低喷淋水温度、提高单位传热管面积的散热效率,闭式冷却塔塔体内往往也布置填料。对于带填料的常规的逆流式闭塔,由于管外的空气既要流过管束、又要流过填料(串联地流过管束和填料),流动阻力较大,使得空气流量受到限制,会影响传热传质效果。


文献[4]提出了一种新型逆流闭式冷却塔,如图1所示。该塔上部布置填料、下部布置管束,风机与填料之间有配水管,配水管上连接有多个喷淋器,在填料与管束之间有池式配水器,在冷却塔的两个侧面中部分别开有上、下两个进风口,另两个侧面与两块通道隔板构成两个排风通道。从上进风口进入冷却塔的空气,向上流过填料后从冷却塔顶部排出,从下进风口进入冷却塔的空气向下流过管束,然后转向从排风通道向上流动,从冷却塔顶部排出。填料中空气与自上而下的喷淋水逆向流动;管束中空气和喷淋水同向流动且与管束内被冷却流体逆向流动。这种冷却塔最大的优点是空气并联地流过管束和填料,因而流动阻力小、流通截面大、风量大,传热传质效果好,具有很好的应用前景。

图1 新型中部进风闭式冷却塔结构示意图

上述新型闭塔的管束部分的流体流动不同于常规闭塔,其管外喷淋水与空气的流动方向相同,即成顺流的状态。美国BAC(Baltimore Aircoil Company)公司的主流闭式冷却塔和蒸发冷凝器系列中,也有管外喷淋水与空气同向流动的结构型式,如图2所示。这种顺流状态的空气流动阻力计算成为该类塔的设计难点之一。关于闭塔中管束空气流动阻力的计算大多只有逆流状态(空气与喷淋水逆向流动)的报道,缺乏顺流状态的报道。为了准确计算闭塔中管束外空气与喷淋水同向流动的流动阻力,以便与填料区的阻力匹配和风机选型,有必要进行相关的试验研究。

图2 BAC蒸发冷凝器

1 试验台及试件

试验台的结构如图3所示,图中尺寸单位为cm。试件(管束)置于风筒的下部、水箱的上部。喷淋水喷头置于管束上部,喷淋水自上而下流动,流入水箱后再由水泵输送至喷头喷淋。风机置于风筒的顶部,对于逆流试验,风机向上排风,空气与喷淋水逆流;对于顺流试验,风机向下鼓风,空气与喷淋水顺流。风道断面为31.5cm×31.5cm,进风口为喇叭扩口,迎风面为52.3cm×19.7cm。风机为上海应达风机有限公司生产的低噪声轴流风机,型号为SF No3.5-2,转速为2800r/min,全开标准风量为6000m3/h,风压为260Pa,电源(三相,电压为380V,频率为50Hz)。风量调节采用施耐德公司生产的ATV 31H异步电机变频器,能够实现对风机全频率范围(0~50Hz)、步长为0.1Hz的精确调节。喷淋水流量由转子流量计测量。采用非自记式转轮式风速仪(测量范围为0~10m/s,最小刻度为0.1m/s)测量风速,在细长的吸风口截面上等面积的三个平面中心测量风速,取平均值。在管束上部和下部的风筒壁面上开有静压孔,采用上海永智仪表设备有限公司YYT-2000B型倾斜式微压计(测量范围:0~200mmH2O,最小刻度0.1mmH2O)测量两个静压孔之间的压差,得到空气流经管束的阻力。

试件管束的管子为外径是19mm的光滑铜管,横向管间距为管径的2倍,采用正三角形叉排布置形式,总共6排。

图3 冷却塔管束空气流动阻力试验(图中尺寸单位为cm)

2 试验及结果分析

试验分别针对顺流和逆流两种流动方式进行。试验时,在一定淋水密度下,改变空气流速,测量对应的空气流动阻力,从而得到一系列工况的试验数据。根据管子长度和数量选择了三个喷淋水淋水密度,分别为0.90kg/(m2.s)、1.17kg/(m2.s)和1.52kg/(m2.s)。针对顺流和逆流流动方式、三个喷淋水流量的空气流动阻力试验结果如图4至图9所示。

图4 顺流淋水密度0.9kg/(m2.s)试验图线

图5 顺流淋水密度0.9kg/(m2.s)试验图线

图6 顺流淋水密度1.17kg/(m2.s)试验图线

图7 顺流淋水密度1.17kg/(m2.s)试验图线

图8 顺流淋水密度1.521kg/(m2.s)试验图线

图9 顺流淋水密度1.521kg/(m2.s)试验图线

图10 同风速下逆流风阻与顺流风阻的比例关系

由图4~图9可以看出几个现象,第一点是:逆流和顺流状态的空气流动阻力有较大差别。在大于1.5m/s的空气流速下,逆流状态的空气流动阻力明显大于顺流状态,这是因为逆流状态时,喷淋水与空气流动逆向,摩擦阻力增大。第二点是:在逆流状态下,在空气流速增大到某一数值(临界流速)之后,空气流动阻力忽然大幅增加,流动阻力曲线变得陡峭。分析认为,风和水逆向流动时,当风速大到一定程度,会在局部将喷淋水吹起,造成喷淋水的紊乱流动。这种喷淋水的紊乱流动对空气的流动形成更多的阻碍,形成类似”气堵”现象[6]。第三点是:从整体趋势上看,逆流状态空气流动阻力的突变点的空气流速随着喷淋水淋水密度的增加而减小。这一点比较好理解,淋水越密,产生“气堵”的风速越低。对最大空气流速小于逆流状态阻力突变点的区段,计算三组不同淋水密度下同空气流速时逆流和顺流空气流动阻力的比值,得到逆流与顺流状态的阻力比值关系曲线,如图10所示。

4 结论

1)闭式冷却塔中,管束外喷淋水与空气流动方向相同的顺流结构的空气流动阻力小于喷淋水与空气流动方向相反的逆流结构,而且随着喷淋密度和空气流速的增加,两者之间的空气流动阻力差距越来越大。在大的喷淋密度和高风速下,顺流形式的闭式冷却塔管束结构有更明显的优势。

2)逆流状态的空气流动阻力存在一个临界流速,高于此数值时,空气流阻会突然增大。这个临界流速随着喷淋密度的增大而降低。


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