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冷卻塔淋水填料的研究進展

更新時間:2022-05-11 11:30:18點擊次數:67次字號:T|T
作為水循環系統的主要設施之一,冷卻塔在工業生產中不可或缺,而淋水填料作為開式冷卻塔內換熱模塊的核心部件,得到了人們廣泛且深入的研究。

作為水循環系統的主要設施之一,冷卻塔在工業生產中不可或缺,而淋水填料作為開式冷卻塔內換熱模塊的核心部件,得到了人們廣泛且深入的研究。研究方向可以概括為(1)淋水填料的結構研究;(2)不同材質淋水填料對冷卻塔冷卻效率的影響研究;(3)結合計算機模擬研究淋水填料的冷卻率。


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圖1 全自動填料機
(圖片來源:湖南元亨科技股份有限公司)

近年來,淋水填料的深入研究工作對冷卻塔結構優化、冷卻效率提高及使用年限延長有著積極影響,進而對環境保護、水資源合理利用及能源節約方面有著重要意義。


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淋水填料結構的研究進展

在淋水填料結構方面,為了適應不同結構和設計的冷卻塔要求,已經出現了多種不同的淋水填料結構設計。根據循環冷卻水流道的不同設計,淋水填料按其結構可以分為點滴式淋水填料、薄膜式淋水填料和點滴薄膜式淋水填料。其中,研究較多且較為普遍使用的為薄膜式淋水填料,根據其水流道設計不同可以分為斜交錯式、S波式、臺階梯形斜波式和差位式正弦波等淋水填料。

S波填料屬于薄膜式填料結構,是由S型結構水流通道組成,以延長循環水與空氣接觸時間和接觸面積。該結構淋水填料應用十分廣泛。一些專家學者對其展開的研究包括:劉珊通過對冷卻塔內空氣和循環水逆向流動模型進行數值模擬研究,對比了S波、斜波和斜折波3種填料的冷卻效率和阻力系數,研究結果表明,S波淋水填料結構冷卻效率為0.437,是這3種結構中冷卻效率最高的,但其阻力系數也較大。對于S波填料阻力系數大的問題,王浩等設計了一種低阻尼S波淋水填料結構,通過增大S波結構使得水流通道和空氣通道更加順暢,有效降低了該結構的阻力系數。

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圖2 S波淋水填料

(圖片來源:互聯網)

斜交錯淋水填料屬于薄膜式填料結構,是由塑料薄膜組成不同角度且相互交錯的水流通道。它具有水流阻力小、自重較小和冷卻效率高等優點,我國斜交錯填料冷卻塔于1971年由北京市市政院等單位試制,經過試驗和生產運行表明斜交錯填料在冷卻塔中具有冷卻效果好、親水性能強、通風阻力小和水-氣接觸面積大等優點,實驗結果表明斜交錯填料技術先進,適用于橫流式、逆流式和橫逆混流式等各種冷卻塔。斜交錯波紋填料片及淋水填料解決了逆流式冷卻塔所用S波型和單斜波型兩種填料片各自的缺點,S波由于氣流堵塞而影響冷卻效果,單斜波因為水膜厚度增加而影響冷卻效果,設計的斜交錯填料片具有換熱性能高、通風阻力小和氣流暢通的優點。

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圖3 斜交錯淋水填料

(圖片來源:互聯網)

臺階梯形斜波淋水填料是于1990年由我國研究院研制而成的一種淋水填料,該種填料主要由聚乙烯和聚氯乙烯制成。該結構淋水填料橫截面積一般為梯形臺階狀,通過臺階結構延長了循環水在填料片表面停留時間,具有優良的散熱速率。同時,梯形斜波的熱力阻力、承載能力和單位體積重量等綜合指標均不夠理想,而由陳俊偉等設計的S型梯波淋水填料,平面形狀似S型,通過調整淋水填料截面形狀為其進一步增強了承載結構,降低了單位體積的淋水填料自重,在降低填料制造成本的前提下提高了冷卻效率和使用壽命。宗良等改進了填料的制造配方,有效提高了填料的剛度和強度。趙順安等還提出了梯形組群淋水填料,主要涉及與電廠冷卻塔配套使用的降溫淋水填料板,比現有同規格尺寸的斜直波產品降低2.1℃至2.8℃,節能效果顯著。

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圖4 臺階梯形斜波淋水填料
(圖片來源:互聯網)

斜折波型淋水填料與S波淋水填料結構比較類似,常用于冶金、化工和電力行業的水循環冷卻塔內。胡三季、于龍慶等發明的斜折波型降溫淋水填料板在冷卻波上均勻地增設了若干條滯流波槽,冷卻表面積增大30 %至40%,與同類產品相比,氣流阻力減少45%左右,通過減少通風阻力、加速通風量、均化水膜厚度,使填料薄膜表面的熱交換面積加大,節能效果顯著。

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圖5 斜折波型淋水填
(圖片來源:互聯網)


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不同材質淋水填料的研究進展

塑料填料作為行業中較為普遍淋水填料,通常是由聚乙烯、聚氯乙烯及其改性高分子復合材料制成。其相比于金屬、木材、竹材、水泥和陶瓷等材質淋水填料具有諸多優點,如自身重量小、生產安裝方便、制造成本低、維護檢修方便、耐腐蝕強、冷卻性能高、使用壽命長、易加工成型和結構多樣等。目前在淋水填料市場上占比份額最大,然而,在冷卻塔內濕熱的工作環境下,塑料淋水填料容易發生老化現象導致其結構強度、韌性和力學性能降低,影響冷卻塔的冷卻效率和工作周期。在環境溫度降至零攝氏度以下后,由于部分循環水結冰會導致塑料淋水填料發生應力集中。淋水填料中循環水的結冰-融化過程會導致其結構遭到破壞,降低其使用壽命和冷卻塔的冷卻效率。為此,陳紹軍等總結了高分子材料發生老化的外在因素主要有氧氣、溫度、濕度、光照、化學介質和生物介質等。對于高分子材料的預防老化措施主要為在高分子材料成型階段加入抗氧化劑、增塑劑、光穩定劑、防霉劑和噴涂防水 薄膜等方式。

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圖6 塑料淋水填

(圖片來源:互聯網)

竹質填料相對于塑料填料來說,其上表面較為光滑潔凈,水流阻力小,并且附著有一層硬質自然保護層,抗腐蝕能力強,還具有喜水、不怕凍融和韌性強等優點。但是,未加工的竹片是直面的,難以形成較大的淋水面積,因而只具有滴濺功能,循環水停留時間短,冷卻效果差。魯繼平等發明的冷卻塔用竹格淋水填料克服了這些不足,該竹材淋水填料的竹片截面呈弧形,弧面上開有慣通厚度的引流槽或孔,增大了淋水面積,具有了薄膜熱交換功。通過對竹格柵填料以及PVC填料的比較可以看出,雖然PVC填料的熱工性能要好于竹格柵填料,但是竹格柵填料的能源效率和環境影響要更好。

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圖7 竹制淋水填

(圖片來源:互聯網)

陶瓷填料具有防老化、不易發生幾何變形、不易脆裂、抗腐蝕、抗酸抗堿性能強等特點,而且它的防凍性能特別好,就是初投資的成本較高,但是其使用壽命長,基本無需更換填料,進行維護維修的費用也比較低。Ramkrishnan等采用試驗和數值預測相結合的方案研究了V型、弧長20mm100mm弧形等3種陶瓷淋水填料結構對冷卻效率的影響規律,試驗及預測結果吻合度較好,皆表明具有較高的水膜面積和滯留時間的100mm弧長的弧形陶瓷淋水填料具有最佳冷卻效率。Kong等研究了一種名為“FGP-08的正弦波形型陶瓷泡沫淋水填料,針對循環水-空氣質量流量比對冷卻塔傳熱和傳質效率影響規律。該研究結果表明,隨著循環水-空氣質量流量值的提升,冷卻塔排出熱量提升,冷卻效率略有下降。

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圖8 陶瓷淋水填

(圖片來源:中國水利水電科學研究院

冷卻塔的淋水填料若是用水泥澆筑成型,一般外形尺寸都比較大,而且生產成本比較高,浪費原材料,即使經過了改進,降低了成本,耐久性強,力學強度高,對水質要求不是很嚴格,但是水泥網格填料因有笨重、勞動強度大、生產安裝麻煩、不耐腐蝕、表面粗糙等缺點,逐漸被淘汰。
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圖9 水泥網格淋水填

(圖片來源:互聯網

金屬填料雖然強度高,抗老化和抗腐蝕能力強,耐高溫性能優越,具有較好的熱交換能力,但是生產成本高,限制了它的推廣。對于金屬填料的研究也較少,李慧珍等通過對比常見的塑料淋水填料發現,不銹鋼淋水填料具有導熱性好、耐腐蝕、比表面積大和力學性能高等明顯優勢。在冷卻塔冷卻效率方面,S波、人字波和V波型不銹鋼淋水填料在進塔水溫37.5~38.5時冷卻效率最高。常亮等對比研究了斜折波式不銹鋼金屬薄膜填料和雙向波型塑料填料的熱力阻力特性和冷卻效果。研究結果表明,同一高度下,金屬淋水填料熱力特性是塑料淋水填料的2~3倍,此外冷卻效果獲得一定提升。

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圖10 金屬淋水填
(圖片來源:中國水利水電科學研究院

由于單一材質的淋水填料都有各自的缺點,如果可以有效的將兩種甚至多種材質的填料組合使用,發揮各種材質的優點,將會大大增加淋水填料的各項性能。有研究表明,竹材與PVC組合填料替換PVC斜波紋填料既保留了PVC較好的冷卻效果,又解決了填料破裂、堵塞的問題,很好地結合了兩種材質的優點。


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國內外淋水填料研究進展


國外對于冷卻塔填料的研究主要針對塑料薄膜填料,Farhard等人通過實驗證對比了垂直波紋比水平波紋兩種不同結構淋水填料冷卻效率,經過對比不同結構的冷卻塔中這兩種波紋的淋水填料冷卻效率,研究結果表明具有垂直波紋的PVC淋水填料具有更好的冷卻效果。Goshayshi等通過研究不同粗糙度的波紋狀塑料填料發現了傳質系數隨填料高度、肋高與肋間距之比的升高而降低。A.A.Vaganov和A.S.Timonin對蜂窩狀冷卻塔填料傳熱傳質試驗表明常規蜂窩狀填料的傳熱傳質強度明顯優于聚乙烯管形填料、塑料波形薄膜填料、網格棱鏡填料。

黃凱對于人字波型、S波型以及復合波型的填料進行比較研究發現這三種結構的淋水填料在常用水-汽流量比范圍內,復合波型冷卻效果最。呂爭青等對折波、全梯波、斜折波、復合波、雙向波、雙斜波、斜梯波、S波和改型臺階波等 9種不同結構的塑料填料片進行測試,結果表明不同填料波形對熱處理后的淋水填料力學性能無影響,并根據檢測結果制定了不同結構塑料淋水填料的力學性能指標。

淋水填料使用環境中存在氧氣、濕熱、化學介質和生物介質等多種外界環境因素侵蝕,淋水填料的老化問題已經成為影響冷卻塔冷卻效率不可忽視的因素。國內外對于淋水填料老化的研究比較少,呂爭青等研究了PVC塑料片材在濕熱老化實驗中的性能變化,研究結果表明,PVC片材的力學性能在冷卻塔的濕熱老化環境后由韌而硬變得硬而脆,PVC分子出現了離子型降解。陳禮生等通過對比研究不同冷卻塔中使用了9年的竹制淋水填料,經過對其力學性能、密度、晶體結構和微觀形貌等性能測試分析,研究結果表明,經過9年的實際工作情況使用后的竹質淋水填料的力學性能殘余率達75%~87%,表面仍存在少量結晶淀粉顆粒,老化過程未出現真菌感染情況。

淋水填料的材質和結構在不斷更新,為研究其傳熱傳質性能和阻力性能,只有通過不同試驗條件獲得數據,進而將這些數據歸納轉換成對應關系式,以便通過計算機模擬研究對淋水填料結構或冷卻塔結構設計進行優化。為了對淋水填料的進行深入的研究和分析,Hisham等對三相流化床冷卻塔的特性進行了實驗評價,測量了空氣側壓降和最小流化速度與水/空氣質量流量比、靜態床層高度和熱水入口溫度的關系。以實驗數據為基礎,通過數值模擬與試驗結果相結合方式,分析了傳質系數、水/空氣質量流量比、冷卻塔結構參數和氣壓對冷卻塔冷卻效率的影響規律。Bedekar等從逆流填料床機械冷卻塔的特性、出水溫度、水-氣流量比(L/G比)和效率等方面進行了分析,進行了數值模擬研究并得出了水氣比對塔性能反向變化的影響規律。Singh等對網格、蜂窩薄膜和木質淋水填料的冷卻塔進行試驗及計算機仿真研究,通過研究冷卻溫度范圍、冷卻塔特性比、冷卻效率以及循環水蒸發率這4個參數為研究對象。以空氣-循環水質量流速比作為設計變量,結合試驗結果通過遺傳算法模擬優化各個參數,研究結果表明,網格狀淋水填料是試驗中冷卻效率最高的淋水填料。

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圖11 淋水填料實驗臺
(圖片來源:中國水利水電科學研究院

在淋水填料仿真研究領域,我國的相關研究人員開發了淋水填料的模擬研究平臺,并做了大量試驗探索與模型優化研究。楊強生等在總結了國內外冷卻塔淋水填料試驗研究平臺基礎上開發了一種具有環形風道和淋水噴頭可調的試驗平臺。在大量試驗數據采集和分析的基礎上,總結歸納出了不同結構淚水填料的相關熱力學性能公式及其曲線。在淋水填料的不同布置方案對冷卻效率的影響規律方面,王明勇等建立了等高等間距、等高不等間距和等間距不等高3種不同的淋水填料布置方式的三維數學模型。在多種設定工作環境下模擬分析了該3種淋水填料布置方式對冷卻效果的影響規律。研究結果表明,兩種不等間距的淋水填料布置方式在同等工況下可循環冷卻水降溫差0.2℃,該結果與試驗測試結果對比相吻合。

總之,冷卻塔淋水填料的發展有以下兩個趨勢:一是高效節能,在目前能源日益緊張的趨勢下,如何使得淋水填料獲得更高的散熱導熱性、高水流-空氣質量比、高比表面積和強表面疏水性是其發展的主要方向;二是綠色且穩定,綠色環保的理念已經逐漸深入人心,淋水填料的防腐和防老化研究是解決淋水填料長期穩定應用的重要動力來源。在淋水填料長期的發展過程中,多種材質、結構和設計的淋水填料已經難以被試驗逐一對比研究,如何建立適用廣泛的淋水填料模擬研究系統是目前值得研究重點方向。

(編輯:rrkj2017)
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