一种测量冷却塔淋水填料传热传质特性的方法与流程

本发明涉及一种测量冷却塔淋水填料传热传质特性的方法，属于热工测量技术领域。

背景技术：

逆流式湿式冷却塔作为重要的换热设备广泛应用于电力、化工等各个领域，用来冷却从冷凝器及工艺设备等出来的温度较高的水或其它介质。被冷却介质由冷却水泵加压输送至冷却塔的分配管中，然后经喷嘴喷淋到多孔介质上，与此同时，环境空气由于塔的抽吸作用从塔底四周吸入，与被冷却介质进行充分的热质交换。多孔介质填料块是冷却塔循环冷却的关键部件，其热工性能的优劣对于冷却塔换热效率有重要影响。

在湿式冷却塔中，淋水填料的冷却效率可达50％到70％。多孔介质淋水填料的作用是将配水装置喷洒出来的热水分散成水膜或细小液滴，最大限度地延长空气和水的接触时间，增大两者的接触面积，从而使水和空气能够进行有效的热、质交换，因此对多孔介质填料水力特性及传热传质特性的测试及测量以用于优化填料结构并提高其热工性能显得尤为关键，同时对改进冷却塔节能技术也至关重要。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种测量冷却塔淋水填料传热传质特性的方法。

本发明的所述方案是这样实现的：

一种测量冷却塔淋水填料传热传质特性的方法，利用一种可视化平台，所述可视化平台包括冷却塔塔体、进风装置以及循环水装置；

所述冷却塔塔体包括塔体，设置在塔体内部上方的除水器，塔体内部的中部位置设置实验填料块，所述冷却塔塔体下方设置有空气分配室，所述进风装置与空气分配室相连接；

所述循环水装置包括回收水池、恒温水箱、循环水泵、电磁流量计、水分配器、旁路管以及过滤器；所述回收水池位于实验填料块下方，并且嵌入安装在空气分配室内，通过出水管与恒温水箱相连，所述恒温水箱内设置水箱加水口、电加热器，所述循环水泵和恒温水箱的底部连接，循环水泵的出口管路分成两路，一条管路通过旁路管连接到恒温水箱，另一条管路连通水分配器，管路上设置电磁流量计，所述电磁流量计与循环水泵之间设置过滤器，所述水分配器位于冷却塔塔体内，位于除水器与实验填料块之间；

所述进风装置包括离心风机、进风加热器、蒸汽加湿器以及设置在空气分配室内的空气进风整流栅，所述离心风机、进风加热器、蒸汽加湿器依次通过管路连通空气分配室；

所述恒温水箱内设置温控器以及与温控器相连接的第一测温探头，所述温控器一端连接第一测温探头，另一端连接电加热器；所述空气分配室内设置第二测温探头，所述冷却塔内上端设置第三测温探头；

所述冷却塔的进出水处设置铂电阻温度传感器，所述铂电阻温度传感器安装在水分配器的喷淋水进口段的测温套管中以及回收水池通往恒温水箱的管道上；

其方法的步骤如下：

(1)喷淋水在恒温水箱中被循环加热达到设定进冷却塔温度后，通过循环水泵经电磁流量计进入冷却塔的顶部，测量冷却塔进塔水温twi；

(2)喷淋水经水分配器均匀喷洒在实验填料块上，热水向下通过实验填料块的过程中与空气接触冷却，然后落入回收水池内，测量冷却塔出塔水温two；

(3)喷淋水回流至恒温水箱进行加热后再循环，由于蒸发，恒温水箱的水位逐渐下降，由水箱加水口向其补水；

(4)空气由离心风机经过进风加热器和蒸汽加湿器，进入装有空气进风整流栅的空气分配室，通过第二温控器测量进入填料前空气的干球温度tai和湿球温度τai；

(5)空气从冷却塔底部四周均匀进入，向上穿过实验填料块的过程中与喷淋水发生热、质交换，空气排放到大气之前，通过第三温控器测量测量出塔空气的干球温度tao和湿球温度τao；

(6)通过冷却塔内实验填料块的空气质量流量ma由以下方程得出：

ma＝v0×a×3600(m³/h)(1)

式中：a为出风段断面面积，单位为m²；v0为断面平均出风风速，单位为m/s；

(7)喷淋水质量流量qw由电磁流量计读取，单位为m³/h，气水比为：

(8)实验填料块的冷却效率釆用热交换效率η来评价：

式中：r＝twi-two，为冷却塔进出水温差，单位为℃；

(9)对于冷却塔中实验填料块总换热量h按以下公式计算：

式中：mda为经过实验填料块单位面积上的干空气质量流量，单位为m³/(m²·h)，qw为喷淋水质量流量，单位为m³/h，qv为水蒸发率，单位为m³/h；

(10)实验填料块冷却特性系数

(a)麦克尔(merkel)引入刘易斯(lewis)关系式(le＝1)，把散热和散质合并在焓中，导出以焓差为动力的散热方程式；

dqw＝βxv(it^*-i)dv(5)

式中：dqw为水的散热量，单位为kj，βxv为以含湿量差为基准的容积散质系数，单位为kg/m³·h，it^*为温度为水温t时的饱和空气比焓，单位为kj/kg，i为湿空气的比焓，单位为kj/kg；

(b)水的散热量用进出实验填料块断面水温差来表示，结合bierman对麦克尔方程进行的修正，考虑到蒸发引起的水量损失，引进蒸发水量热量系数k，水的散热量表示为：

式中：为蒸发水量热量系数，为水的平均汽化潜热，单位为kj/kg，cpw为水的比热容，单位为kj/kg·℃，mw为淋水密度，指落在实验填料块单位面积上的淋水流量，单位为m³/(m²·h)；

(c)在实验填料块内，水的散热量等于空气的吸热量，结合公式(5)和公式(6)，建立热平衡方程式为：

(d)对公式(7)两边进行积分得

(e)采用辛普逊近似积分法求解，得到实验填料块冷却特性系数关系式为：

(f)实验中的实验填料块进出口水温差不超过15℃，n＝2己达到足够的精度，n按照下式近似计算：

式中:为冷却塔进、出塔水温以及进出塔温度平均值下对应的饱和空气焓值，单位为kj/kg，iai，iao，iam为实验填料块进、出口湿空气的焓值以及进出口湿空气平均焓值，单位为kj/kg；

(g)基于非线性最小二乘法原理对填料块冷却特性系数进行拟合，最终给出实验填料块冷却特性系数随气水比和进塔水温变化的拟合公式。

作为优选方案，上述步骤(6)中，空气质量流量ma是通过调节风机变频器来改变的，断面平均出风的风速v0是采用等面积布点法，利用热线风速仪测量冷却塔出风直管段断面的各测点风速，取各测点风速的算术平均值。

作为优选方案，上述差压计的测压孔布置在冷却塔塔体四周，位于填料块上、下端面与冷却塔体对应的周线中心处，每条周线上各四个，直径为4mm，采用数字式微压差计测量经过填料块前后的空气差。

作为优选方案，上述第二测温探头和第三测温探头均连接到数字式干湿球温度仪。

作为优选方案，上述空气分配室的空气入口端以及电磁流量计与水分配器之间的管路上设置压力表。

作为优选方案，上述回收水池底部向恒温水箱方向带有倾角，倾角用于沉积循环水系统中的杂质，所述回收水池的出水管连接回收水池与恒温水箱，其表面包覆一层保温层，出水管高度高于倾角底部3-5cm。

作为优选方案，上述空气进风整流栅孔洞分布由fluent软件模拟以及优化后得出，呈11×7排布，从进风口近端到远端孔洞直径依次增大。

作为优选方案，上述水分配器采用管式压力配水，由5根钢管等间距排列组成，每根钢管底部等间距开孔并装有喷嘴，开孔直径为8mm。

本发明所达到的有益效果：

传统测量填料传热传质特性是以merkel方法为基础，但是易产生误差，产生误差的主要原因是忽略了蒸发引起的循环水质量流率的变化，为保证计算精度需选择合适的蒸发系数计算方法，本发明在merkel理论基础上考虑了因水蒸发而引起的水的质量变化，选择bierman计算方法建立冷却塔填料热质交换的数学模型。

附图说明

图1为测量冷却塔淋水填料传热传质特性可视化平台的系统图；

图2为为fcp-08型泡沫陶瓷填料进出水温差随气水比的变化的示意图；

图3为fcp-08型泡沫陶瓷填料总换热量与气水比的关系的示意图；

图4为fcp-08型泡沫陶瓷填料热交换效率随气水比的变化的示意图；

图5为fcp-08型泡沫陶瓷填料冷却特性系数随气水比的变化的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种测量冷却塔淋水填料传热传质特性的方法，其特征在于利用一种可视化平台，所述可视化平台包括冷却塔塔体、进风装置以及循环水装置；

所述冷却塔塔体包括塔体，设置在塔体内部上方的除水器12，塔体内部的中部位置设置实验填料块5，所述冷却塔塔体下方设置有空气分配室8，所述进风装置与空气分配室8相连接；

所述循环水装置包括回收水池6、恒温水箱1、循环水泵2、电磁流量计3、水分配器4、旁路管15以及过滤器16；所述回收水池6位于实验填料块5下方，并且嵌入安装在空气分配室8内，通过出水管与恒温水箱1相连，所述恒温水箱1内设置水箱加水口19、电加热器14，所述循环水泵2和恒温水箱1的底部连接，循环水泵2的出口管路分成两路，一条管路通过旁路管15连接到恒温水箱1，另一条管路连通水分配器4，管路上设置电磁流量计3，所述电磁流量计3与循环水泵2之间设置过滤器16，所述水分配器4位于冷却塔塔体内，位于除水器12与实验填料块5之间；

所述进风装置包括离心风机7、进风加热器9、蒸汽加湿器10以及设置在空气分配室8内的空气进风整流栅11，所述离心风机7、进风加热器9、蒸汽加湿器10依次通过管路连通空气分配室8；

所述恒温水箱1内设置温控器21以及与温控器21相连接的第一测温探头13，所述温控器21一端连接第一测温探头13，另一端连接电加热器14；所述空气分配室8内设置第二测温探头17，所述冷却塔内上端设置第三测温探头20；

所述冷却塔的进出水处设置铂电阻温度传感器，所述铂电阻温度传感器安装在水分配器4的喷淋水进口段的测温套管中以及回收水池6通往恒温水箱1的管道上，如图1中的t1和t2；

其方法的步骤如下：

(1)喷淋水在恒温水箱1中被循环加热达到设定进冷却塔温度后，通过循环水泵(2)经电磁流量计3进入冷却塔的顶部，通过t1测量冷却塔进塔水温twi；

(2)喷淋水经水分配器4均匀喷洒在实验填料块5上，热水向下通过实验填料块5的过程中与空气接触冷却，然后落入回收水池6内，通过t2测量冷却塔出塔水温two；

(3)喷淋水回流至恒温水箱1进行加热后再循环，由于蒸发，恒温水箱1的水位逐渐下降，由水箱加水口19向其补水；

(4)空气由离心风机7经过进风加热器9和蒸汽加湿器10，进入装有空气进风整流栅11的空气分配室8，通过第二温控器17测量进入填料前空气的干球温度tai和湿球温度τai；

(5)空气从冷却塔底部四周均匀进入，向上穿过实验填料块5的过程中与喷淋水发生热、质交换，空气排放到大气之前，通过第三温控器20测量测量出塔空气的干球温度tao和湿球温度τao；

(6)通过冷却塔内实验填料块5的空气质量流量ma由以下方程得出：

ma＝v0×a×3600(m³/h)(1)

式中：a为出风段断面面积，单位为m²；v0为断面平均出风风速，单位为m/s；

(7)喷淋水质量流量qw由电磁流量计3读取，单位为m³/h，气水比为：

(8))喷淋水进塔温度twi以及空气进塔湿球温度τai是影响逆流式自然通风湿式冷却塔冷却效率的主要因素，实验填料块5的冷却效率釆用热交换效率η来评价：

式中：r＝twi-two，为冷却塔进出水温差，单位为℃；

(9)对于冷却塔中实验填料块5总换热量h按以下公式计算：

式中：mda为经过实验填料块5单位面积上的干空气质量流量，单位为m³/(m²·h)，qw为喷淋水质量流量，单位为m³/h，qv为水蒸发率，单位为m³/h；

(10)实验填料块5冷却特性系数

(a)麦克尔(merkel)引入刘易斯(lewis)关系式(le＝1)，把散热和散质合并在焓中，导出以焓差为动力的散热方程式；

dqw＝βxv(it^*-i)dv(5)

式中：dqw为水的散热量，单位为kj，βxv为以含湿量差为基准的容积散质系数，单位为kg/m³·h，it^*为温度为水温t时的饱和空气比焓，单位为kj/kg，i为湿空气的比焓，单位为kj/kg；

(b)水的散热量用进出实验填料块5断面水温差来表示，结合bierman对麦克尔方程进行的修正，考虑到蒸发引起的水量损失，引进蒸发水量热量系数k，水的散热量表示为：

式中：为蒸发水量热量系数，为水的平均汽化潜热，单位为kj/kg，cpw为水的比热容，单位为kj/kg·℃，mw为淋水密度，指落在实验填料块(5)单位面积上的淋水流量，单位为m³/(m²·h)；

(c)在实验填料块5内，水的散热量等于空气的吸热量，结合公式(5)和公式(6)，建立热平衡方程式为：

(d)对公式(7)两边进行积分得

(e)采用辛普逊近似积分法求解，得到实验填料块5冷却特性系数关系式为：

(f)实验中的实验填料块5进出口水温差不超过15℃，n＝2己达到足够的精度，n按照下式近似计算：

式中:为冷却塔进、出塔水温以及进出塔温度平均值下对应的饱和空气焓值，单位为kj/kg，iai，iao，iam为实验填料块5进、出口湿空气的焓值以及进出口湿空气平均焓值，单位为kj/kg；

(g)基于非线性最小二乘法原理对填料块冷却特性系数进行拟合，最终给出实验填料块5冷却特性系数随气水比和进塔水温变化的拟合公式。

作为优选方案，上述步骤(6)中，空气质量流量ma是通过调节风机变频器来改变的，断面平均出风的风速v0是采用等面积布点法，利用热线风速仪测量冷却塔出风直管段断面的各测点风速，取各测点风速的算术平均值。

作为优选方案，作为优选方案，上述差压计18的测压孔布置在冷却塔塔体四周，位于填料块上、下端面与冷却塔体对应的周线中心处，每条周线上各四个，直径为4mm，采用数字式微压差计测量经过填料块前后的空气差。

作为优选方案，上述第二测温探头17和第三测温探头20均连接到数字式干湿球温度仪。

作为优选方案，上述空气分配室8的空气入口端以及电磁流量计3与水分配器4之间的管路上设置压力表。

作为优选方案，上述回收水池6底部向恒温水箱1方向带有倾角，倾角用于沉积循环水系统中的杂质，所述回收水池6的出水管连接回收水池6与恒温水箱1，其表面包覆一层保温层，出水管高度高于倾角底部3-5cm。

作为优选方案，上述空气进风整流栅11孔洞分布由fluent软件模拟以及优化后得出，呈11×7排布，从进风口近端到远端孔洞直径依次增大。

作为优选方案，上述水分配器4采用管式压力配水，由5根钢管等间距排列组成，每根钢管底部等间距开孔并装有喷嘴，开孔直径为8mm。

实施例：

本发明对载有fcp-08型泡沫陶瓷填料块的传热传质性能进行了测量，分析填料进出水温差、总换热量以及热交换效率随进塔水温和气水比的变化规律，得到该填料的进出水温差、热交换效率均随气水比和进塔水温的增大而增大，而总换热量随气水比的增大先增大后减小，在气水比为1.5-1.6之间达到最大值的结论。

为保证测量过程的直观性和可比较性，测量过程中尽量保证进塔空气干湿球温度稳定不变，干球温度为25℃，湿球温度控制在22℃。喷淋水质量流量依次取：7.0m³/h、8.0m³/h、9.0m³/h、10.0m³/h、11m³/h、12m³/h、13m³/h共7个值，冷却塔进塔水温取32℃、35℃、38℃三个温度。

如图2所示，为fcp-08型泡沫陶瓷填料进出水温差随气水比的变化。

如图3所示，为fcp-08型泡沫陶瓷填料总换热量与气水比的关系。

如图4所示，为fcp-08型泡沫陶瓷填料热交换效率随气水比的变化。

如图5所示，为fcp-08型泡沫陶瓷填料冷却特性系数随气水比的变化。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。