章立新， 卓 靜， 高 明， 何仁兔， 沈 艷

(1. 上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院， 上海市動力工程多相流動與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200093；2. 浙江金菱制冷工程有限公司， 浙江諸暨 311802； 3. 上海同馳換熱設(shè)備科技有限公司， 上海 200433)

蒸發(fā)冷卻設(shè)備是一種將熱力或制冷循環(huán)中所產(chǎn)生的廢熱在短時(shí)間內(nèi)排放到環(huán)境中的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于電力、石油和化工等行業(yè)，包括開式冷卻塔、閉式冷卻塔、蒸發(fā)冷卻器和蒸發(fā)冷凝器，其工作原理是通過水與空氣的顯熱和潛熱交換，將循環(huán)工質(zhì)的熱量傳給大氣，其熱力性能的好壞直接影響到工業(yè)經(jīng)濟(jì)性.以600 MW發(fā)電機(jī)組為例，出塔水溫每降低1 K，機(jī)組熱效率可提高0.23%，發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗可以降低0.738 g/(kW·h)[1].對于大型火力發(fā)電廠，通常采用自然通風(fēng)冷卻塔來冷卻循環(huán)水，但其初期投資高，建設(shè)周期長.不同于自然通風(fēng)冷卻塔，機(jī)力通風(fēng)冷卻塔依靠電動機(jī)、風(fēng)機(jī)的動力來滿足冷卻塔風(fēng)量，具有占地少、效率高等特點(diǎn)，逐漸應(yīng)用于城市電廠中[2].然而，機(jī)力通風(fēng)冷卻塔在運(yùn)行過程中會存在水霧飄滴的問題，快速流動的空氣使水膜表面的湍動程度加劇，水膜受到強(qiáng)大的剪切力作用，形成大液團(tuán),液團(tuán)在下落過程中被返流的高速空氣吹散，形成液滴[3]且被氣流帶到塔外，從而形成飄水.

對于飄水，最早的研究是核電站中放射性核物質(zhì)可能通過飄水傳播，并且使用海水或鹽水冷卻塔的核電站，其順風(fēng)口的植被會受到鹽分積累的影響[4].此外，鹽分含量較高的飄水會對設(shè)備、管道和鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生腐蝕，甚至?xí)?dǎo)致電力系統(tǒng)故障[5].在冬季，飄水還可能會導(dǎo)致周邊路面或建筑物結(jié)冰，埋下安全隱患.另外，飄水損失也是蒸發(fā)冷卻設(shè)備運(yùn)行水損失中重要的一部分[6]，因此有必要對蒸發(fā)冷卻設(shè)備的飄水排放量進(jìn)行控制.目前，許多國家限制了飄水排放量，如西班牙的相關(guān)法規(guī)限制冷卻塔的飄水量不得高于循環(huán)冷卻水量的0.05%[7].在我國，飄水率定義為單位時(shí)間飄水的質(zhì)量流量與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)工況下冷卻水質(zhì)量流量之比，并規(guī)定冷卻水質(zhì)量流量<1 000 t/h的冷卻塔，其飄水率不大于0.015%[8]；冷卻水質(zhì)量流量≥1 000 t/h的冷卻塔，其飄水率不大于0.005%[9].飄水率是評價(jià)蒸發(fā)冷卻設(shè)備節(jié)水性能的重要指標(biāo)，飄水率大意味著蒸發(fā)冷卻設(shè)備耗水量大、浪費(fèi)水資源.目前市場上各種品牌的蒸發(fā)冷卻設(shè)備飄水率差異較大，嚴(yán)格控制蒸發(fā)冷卻設(shè)備的飄水率是節(jié)水環(huán)保的重要手段，而準(zhǔn)確測量蒸發(fā)冷卻設(shè)備飄水率是其基礎(chǔ)，只有準(zhǔn)確測出其值，才能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，采取切實(shí)可行的措施來減少飄水量，制造出更環(huán)保節(jié)能節(jié)水的新產(chǎn)品.

不同國家采用不同的方法測量蒸發(fā)冷卻設(shè)備飄水率，如英國標(biāo)準(zhǔn)4485.2(1988)和日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS B8609(1981)采用的是化學(xué)平衡法，通過在循環(huán)冷卻水中加入放射性示蹤劑，待示蹤劑與循環(huán)冷卻水完全混合后，先后2次取樣并分析示蹤劑濃度，將測量結(jié)果代入相關(guān)計(jì)算式即可算出飄水率.美國冷卻技術(shù)協(xié)會的CTI ATC-140(11)采用等動力采樣示蹤劑分析法，將采樣器與速度傳感器同時(shí)置于蒸發(fā)冷卻設(shè)備出風(fēng)口氣流中，待采樣器入口速度與蒸發(fā)冷卻設(shè)備出風(fēng)口氣流速度大小和方向一致后開始采樣，采樣器中溫度較高的吸收器吸收樣品中的水滴并使其蒸發(fā)，水中的示蹤劑被黏留在吸收器中，再經(jīng)過過濾等將空氣排出，最后以吸收器所吸收的示蹤劑量來計(jì)算飄水率.我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7190—2008 《玻璃纖維增強(qiáng)塑料冷卻塔》中推薦單層濾紙法來測量飄水率，根據(jù)出風(fēng)口直徑大小布置測點(diǎn)，將蒸發(fā)冷卻設(shè)備出風(fēng)口劃分為3～5個(gè)等面積環(huán)，每個(gè)環(huán)中對稱布置2個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)使用120 mm×120 mm的等面積濾紙取樣，根據(jù)測試前后濾紙的增重，計(jì)算出飄水率.

我國采用的單層濾紙法中雖然實(shí)驗(yàn)裝置相對簡單，但這種單層濾紙收水存在吸濕增重(因蒸發(fā)冷卻設(shè)備出風(fēng)口氣流接近飽和會使濾紙?jiān)鲋?和二次飄水(因風(fēng)筒中心負(fù)壓回流而從濾紙上方落到濾紙上的飄水)問題，導(dǎo)致測量值偏離實(shí)際值.同時(shí)，蒸發(fā)冷卻設(shè)備飄水量沿出風(fēng)口徑向和周向均為非均勻分布，由于濾紙?jiān)跍y量過程中無法覆蓋整個(gè)測量區(qū)域，選取3～5個(gè)等面積環(huán)布置測點(diǎn)，所得到的測量數(shù)據(jù)無法準(zhǔn)確反映整個(gè)蒸發(fā)冷卻設(shè)備出風(fēng)口的飄水量.章立新等[10]提出一種高效收水槽法，即在蒸發(fā)冷卻設(shè)備出風(fēng)口放置扇形收水槽采集飄水，通過量筒讀取所收集的水量來計(jì)算飄水率，該方法具有安全性高、穩(wěn)定性強(qiáng)和操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，但在飄水率很小的情況下測試時(shí)間過長，甚至收不到水.

基于上述不同的測試方法，筆者采用高效收水槽法、單層濾紙法和三層扇形濾紙法對逆流開式冷卻塔的飄水率進(jìn)行了測量.筆者所討論的幾種測試方法均針對機(jī)力通風(fēng)的蒸發(fā)冷卻設(shè)備(不包括自然通風(fēng)冷卻塔).

1 實(shí)驗(yàn)對象及相關(guān)儀器

實(shí)驗(yàn)對象為一個(gè)逆流填料的熱力與阻力性能測試裝置，其淋水截面積為2.4 m×2.4 m，水的最大質(zhì)量流量為100 t/h；風(fēng)機(jī)直徑為1.80 m，設(shè)計(jì)風(fēng)量為50 000 m3/h，設(shè)計(jì)風(fēng)壓為140 Pa，功率為5.5 kW，可變頻運(yùn)行.收水器(見圖1)型號為JFT48-34，高度為120 mm，片距為44.5 mm.

實(shí)驗(yàn)過程中選用轉(zhuǎn)輪風(fēng)速儀測量風(fēng)機(jī)風(fēng)速，測量范圍為0～20 m/s，最小刻度為0.1 m/s.測量風(fēng)速時(shí)，將兩側(cè)進(jìn)風(fēng)窗分別劃分為16個(gè)等面積矩形，選取每個(gè)等面積矩形中心為測點(diǎn)，最終結(jié)果取各測點(diǎn)的平均值.本實(shí)驗(yàn)工況下測得的總風(fēng)量為48 876 m3/h，其對應(yīng)的填料截面風(fēng)速為2.4 m/s.水體積流量采用電磁流量計(jì)測量，其量程為22～200 m3/h，并有4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號輸出接口，精度等級為0.5級.所測得的水體積流量為86 m3/h，其對應(yīng)的淋水密度為14.9 t/(m2·h)，濾紙質(zhì)量由電子天平(JA2003N)測得，電子天平測量范圍為0～210 g，精度為1 mg.

圖1 收水器實(shí)物圖

2 采用高效收水槽法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究

采用高效收水槽法對蒸發(fā)冷卻設(shè)備出風(fēng)口飄水周向的不均勻性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，將出風(fēng)口沿著周向劃分為12等分，收水槽置于對應(yīng)的12個(gè)位置上，每個(gè)位置測試10組數(shù)據(jù).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，各位置飄水量均較為穩(wěn)定，其A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度相對于平均值的最大偏差僅為3.84%，但相同時(shí)間內(nèi)不同位置處的飄水量差異較大，飄水率對比見圖2，其周向按實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差相對于周向平均值的不均勻度達(dá)到26.14%.出風(fēng)口飄水的不均勻性受其流場的影響，與出風(fēng)口的風(fēng)速、收水器的安裝位置、布水管網(wǎng)的布置方式和噴淋水分布均勻性等因素有關(guān).然而出風(fēng)口流場較為復(fù)雜，難以量化分析其與飄水率之間的關(guān)系，故為了提高測量的準(zhǔn)確度，可增加周向測試位置甚至以風(fēng)筒中心線為軸采用連續(xù)旋轉(zhuǎn)的測試方法.

圖2 出風(fēng)口不同位置處的飄水率

3 采用濾紙法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究

基于單層濾紙法存在的問題，改進(jìn)的濾紙法(即三層扇形濾紙法)采用三層扇形濾紙，且每層連續(xù)分布，能更準(zhǔn)確地測量飄水率.

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置及原理

三層扇形濾紙裝置[11]由對角的2個(gè)扇形結(jié)構(gòu)組成，測量時(shí)，其對角線中心與風(fēng)筒的圓心位置重合，如圖3所示.每個(gè)扇形結(jié)構(gòu)由數(shù)段不銹鋼框架依次連接構(gòu)成，各框架之間通過拉索連接.不銹鋼框架均為三層結(jié)構(gòu)，如圖4所示，濾紙夾在不銹鋼框架與不銹鋼絲圈之間，各層不銹鋼框架之間由定距套管分隔，采用連接螺栓固定.

圖3 三層扇形濾紙裝置示意圖

圖4 三層結(jié)構(gòu)示意圖

在該裝置中，底層濾紙吸收一次飄水和氣流中的濕汽，中層濾紙僅吸收氣流中的濕汽，而頂層濾紙吸收二次飄水和氣流中的濕汽.在計(jì)算飄水率時(shí)，底層濾紙的增重減去中層濾紙的增重，即可得到實(shí)際的飄水量；頂層濾紙的增重減去中層濾紙的增重，即為二次飄水量.理論上，濾紙實(shí)際迎風(fēng)面積與三層扇形濾紙裝置的面積是一致的，但考慮到裁剪誤差及不銹鋼絲圈的遮擋，需以濾紙實(shí)際迎風(fēng)面積為準(zhǔn).此時(shí)，將所測得的飄水量乘以三層扇形濾紙裝置面積占濾紙實(shí)際迎風(fēng)面積的百分比，可折算出三層扇形濾紙裝置所對應(yīng)面積的飄水量.由于該裝置是對角的2個(gè)扇形結(jié)構(gòu)，通過計(jì)算扇形弧度角占圓弧度角的比例，即可換算出蒸發(fā)冷卻設(shè)備出風(fēng)口的飄水量，再將測得的單位時(shí)間蒸發(fā)冷卻設(shè)備出風(fēng)口飄水質(zhì)量流量除以標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)工況下冷卻水質(zhì)量流量，即可得到飄水率.

如圖5所示，將該裝置置于風(fēng)筒出口，形成3個(gè)區(qū)域：中心連接條①、中間多段梯形②和最外側(cè)一段梯形③.設(shè)該裝置的弧度角為α，中心連接條長度為2Rc，而各段梯形的高度均為Ro，則一個(gè)測試區(qū)域的面積計(jì)算如下.

圖5 三層扇形濾紙裝置結(jié)構(gòu)示意圖

(1) 中心連接條：為了將兩對角的三層扇形濾紙裝置連接起來，使用一個(gè)長度為2Rc的矩形連接條，該連接條中心與風(fēng)筒中心重合，故對應(yīng)的三角形高度為該矩形的半長，該矩形的寬度接近于三角形的底邊.在測試過程中，可將濾紙裁剪為實(shí)際所需的三角形，該三角形面積SΔ為：

(1)

中間各段梯形的面積Si為：

(4)

(3) 最外側(cè)一段梯形在風(fēng)筒內(nèi)的部分：實(shí)際測試過程中，在風(fēng)筒的徑向較難布置整數(shù)個(gè)梯形裝置，因此最外側(cè)梯形裝置的部分面積(見圖5中陰影部分)在風(fēng)筒外，此部分不應(yīng)計(jì)入收水面積，故在實(shí)驗(yàn)中需將該部分用膠帶遮住以防止該部分濾紙吸水.設(shè)最外側(cè)梯形的編號i=n，風(fēng)筒半徑為R，最外側(cè)梯形在風(fēng)筒內(nèi)的面積Se為:

(5)

每層扇形濾紙裝置的收水面積S為：

(6)

設(shè)濾紙實(shí)際迎風(fēng)面積為Sa，頂層、中層和底層濾紙的實(shí)測增重為Δmt1、Δmm1和Δmb1，則折算為該裝置對應(yīng)面積的增重為Δmt、Δmm和Δmb，其單位均為g.

(7)

(8)

(9)

若測試時(shí)間為t(min)，則蒸發(fā)冷卻設(shè)備出風(fēng)口實(shí)際飄水量qm,n(kg/h)為：

(10)

二次飄水量qm,r為：

(11)

吸濕量qm,a為：

(12)

如蒸發(fā)冷卻設(shè)備在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)工況下冷卻水質(zhì)量流量為qm,t(kg/h)，其飄水率Pf為：

Pf=qm,n/qm,t

(13)

需要指出的是，不同于高效收水槽法和單層濾紙法，外界環(huán)境風(fēng)速對三層扇形濾紙法有一定的影響，測試時(shí)的環(huán)境風(fēng)速應(yīng)遵循GB/T 7190—2008《玻璃纖維增強(qiáng)塑料冷卻塔》中的限制條件(即飄水率與熱力性能要求同步檢測).

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)過程中，在相同工況和相同位置分別采用單層濾紙法和三層扇形濾紙法測量飄水率，兩者的實(shí)驗(yàn)步驟基本相同：

(1) 將各個(gè)裁剪干燥后的濾紙分別裝入密封袋，用天平稱量，并記錄各位置濾紙質(zhì)量.

(2) 用拉索連接不銹鋼框架，濾紙水平放置在對應(yīng)的框架上，采用不銹鋼絲圈與U形針固定.

(3) 單層濾紙法中僅需放置一層濾紙，而三層扇形濾紙法需放置三層濾紙，底層和中層濾紙置于不銹鋼框架下側(cè)，頂層濾紙放在不銹鋼框架上側(cè).

(4) 按照圖3所示的布置方式開始測試，測試時(shí)間t為1～5 min.當(dāng)測試時(shí)間為0.5t時(shí)，將該裝置圍繞風(fēng)筒中心水平旋轉(zhuǎn)90°.測試結(jié)束時(shí)，取下吸濕后的濾紙放入對應(yīng)的密封袋，用天平稱量并記錄各個(gè)濾紙質(zhì)量.

(5) 根據(jù)相關(guān)公式，處理數(shù)據(jù)并分析結(jié)果.

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

單層濾紙法、三層扇形濾紙法和高效收水槽法3種測試方法的結(jié)果對比如圖6所示，其中位置1和位置2在出風(fēng)口處呈中心對稱.由圖6可知，3種測試方法都表明了出風(fēng)口飄水率的周向不均勻性.對于同一位置，高效收水槽法測得的飄水率位于2種濾紙法之間，這是由于在小飄水率(<0.013 5%)下，高效收水槽法收水時(shí)間過長甚至收不到水，導(dǎo)致其測試結(jié)果小于單層濾紙法，符合文獻(xiàn)[10]給出的結(jié)論；單層濾紙法測得的飄水量包含了實(shí)際飄水量、吸濕量和二次飄水量，而三層扇形濾紙法可分別測得實(shí)際飄水量、吸濕量和二次飄水量，并去除了吸濕和二次飄水的影響，故該方法更為準(zhǔn)確.同時(shí)，三層扇形濾紙法測得的數(shù)據(jù)差異小于單層濾紙法.這是由于三層扇形濾紙法中實(shí)際飄水量、吸濕量和二次飄水量三者都會隨位置的不同而有所差異，詳見圖7.由圖7可知，吸濕量對測試結(jié)果影響較大，約占實(shí)際飄水量的55%，而二次飄水量對測試結(jié)果影響相對較小，僅占實(shí)際飄水量的8%.

圖6 3種測試方法的結(jié)果對比

圖7 不同位置各增重對比圖

在相同情況下通過3次重復(fù)測量，分析單位面積飄水量沿出風(fēng)口徑向的分布(見圖8).由圖8(a)可知，單層濾紙法測得的飄水量主要集中在680～720 mm內(nèi).由圖8(b)可知，三層扇形濾紙法測得的飄水量則主要集中在640～680 mm內(nèi).分析認(rèn)為，單層濾紙法在測試過程中將出風(fēng)口分為4個(gè)等面積環(huán)，取樣點(diǎn)少且濾紙所在區(qū)域不一定具有代表性，單位面積濾紙?jiān)鲋匾膊灰欢軠?zhǔn)確反映此點(diǎn)實(shí)際的飄水情況，而三層扇形濾紙法將濾紙連續(xù)布置在出風(fēng)口的徑向位置上，故其測量結(jié)果較單層濾紙法更為準(zhǔn)確.綜上所述，出風(fēng)口飄水主要集中在沿出風(fēng)口徑向0.71R～0.75R內(nèi).

(a) 單層濾紙法

(b) 三層扇形濾紙法

4 結(jié) 論

(1) 高效收水槽法、單層濾紙法和三層扇形濾紙法均能驗(yàn)證蒸發(fā)冷卻設(shè)備出風(fēng)口飄水的周向不均勻性，故增加周向測試位置甚至以風(fēng)筒中心線為軸采用連續(xù)旋轉(zhuǎn)的測試方法，有助于提高測量的精確度.

(2) 在小飄水率(<0.013 5%)下，單層濾紙法要優(yōu)于高效收水槽法，而采用三層扇形濾紙法所得測試結(jié)果更為準(zhǔn)確.

(3) 與GB/T 7190—2008 《玻璃纖維增強(qiáng)塑料冷卻塔》推薦的單層濾紙法相比，三層扇形濾紙法得到的飄水率差異較小.三層扇形濾紙法采用連續(xù)采樣，比單層濾紙法更具代表性，且蒸發(fā)冷卻設(shè)備出風(fēng)口的飄水主要集中在其徑向0.71R～0.75R內(nèi).

綜上所述，在飄水率較小的情況下，需采用濾紙法，而此時(shí)采用三層扇形濾紙法要優(yōu)于單層濾紙法.但三層扇形濾紙法在使用過程中需裝拆三層濾紙，耗時(shí)長，操作復(fù)雜，且在拆濾紙的過程中增大蒸發(fā)量，可能對測試結(jié)果產(chǎn)生部分影響，故在此方面還有待進(jìn)一步改進(jìn).

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