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冷却塔淋水填料的研究进展
刘东兴周亚素沙战李未
东华大学环境科学与工程学院
摘要:介绍了冷却塔淋水填料的起源和国内外的发展状况,以及淋水填料的种类和特点,总结了国内外对冷却塔的研究进展,以及选用淋水填料时应注意的问题,为进一步研究冷却塔淋水填料提供了参考。
关键词:冷却塔淋水填料冷却效率应用特点
引言
冷却塔最早运用在工业行业。人们在实践中渐渐认识到,冷却表面积的增大对冷却效果具有积极的影响,而冷却塔可以很好地在减小占地面积的基础上增大冷却面积,于是出现了一些早期的冷却塔,而塔内的横板与竖板可以认为是最早的冷却塔填料形式。
随着冷却塔这一全新的冷却理念的出现,冷却塔填料作为冷却塔的最主要部分,也随其迅速发展起来。在这一过程中,填料也对冷却塔的发展和改进起着举足轻重的作用[1]。在过去的半个世纪里,冷却塔填料随之也在形式和材料上发生了很大的变化,其所产生的温降达到整个塔温降的60%~70%[2]。
1淋水填料的种类及其特点
在当今市场上,伴随着冷却塔的多样化,以及材料技术的提高,冷却塔填料也多种多样,但通常可按填料的表面形式或制作材料来进行分类。
1.1按淋水填料的表面形式分类
冷却水在填料中的流动及分布状况,影响冷却水在填料中的热质交换。因此,冷却塔淋水填料的表面形式,很大程度上决定着淋水填料的性能,按填料的表面形式通常可分为点滴式、薄膜式和点滴薄膜式。
1.1.1点滴式淋水填料
点滴式填料使冷却水在层层下落过程中溅散成无数细小的水滴,而冷却水的散热量大部分就是靠这些细小的水滴散发给空气。由传热传质理论分析可知,随着水滴直径越来越小,水滴分布也越来越均匀,细小而均匀的大量水滴拥有巨大的比表面积,这样,利用水的蒸发以及空气和水的热传导就能带走水中热量,从而达到对冷却水冷却降温的目的。
由于点滴式填料的板条结构,和薄膜式填料相比,其优点首先在于它的流通阻力小,并且具有较好的反污染特性。点滴式填料的缺点在于它单位体积的冷却能力较差。在同等冷却量下,需要更多的体积,其次这种填料大多是悬挂在塔内的,这就加大了施工和维修难度。
通过多年的努力,相继研究开发了一些新型填料,如有用塑料制成十字交错排列型的,可取代M型的A型和D型填料,以及国内某公司开发的各种点滴式填料(图1)等等,都取得了良好的实践效果。
1.1.2薄膜式淋水填料
现在运用较多的薄膜式填料由各种塑料制成。把PVC或PP等塑料在模具里热压成各种波纹形状的薄片,并按一定方式粘结,就制成一定体积的薄膜式填料(图2)。在薄膜式填料中,冷却水以水膜状态沿薄片两侧向下流动,凹凸不平的填料薄片起三个方面的作用:①增加冷却水自身的比面积,使其与空气有很大接触面积;②延迟冷却水下落的时间,延长冷却水与空气的换热时间;③增加水膜向下流动的再分布,加强了冷却水在填料薄片上分布的均匀性。薄膜式填料正是通过这些作用,让冷却水靠蒸发和热传导把热量排走,达到冷却降温的作用。
现在薄膜式填料冷却性能约3倍于点滴式填料,以其显著的优点,膜式填料早已成为运用最为普遍的冷却塔淋水填料,是冷却塔填料发展的一大进步。相比点滴式填料,它的缺点在于:由于薄膜式填料内的水速相对较慢,容易形成污染,随着使用时间的增长,甚至会出现堵塞现象,造成冷却塔效率降低。
1.1.3点滴薄膜式淋水填料
点滴薄膜式填料具有点滴式填料和薄膜式填料的双重功能。美国马利塔中的M填料板可看作这类填料的最早模型。后来发展的折波填料,使其具有点滴薄膜式的性能,增加了散热性能,提高了冷却效果。另一类点滴薄膜式填料为网格状模板填料,早期使用的水泥网板、蜂窝填料、塑料格网等都属于这类(图3)[3]。合理运用这种填料,用户可以节省投资,降低年维护和运行费用。
1.2按制作材料分类
淋水填料用到的材料有木材、竹子、石棉水泥、水泥网格、塑料、玻璃钢、陶瓷等。
最早的冷却塔内用到的材料只有木材。由于木材容易得到,从冷却塔出现到20世纪60年代,冷却塔内的填料几乎都是由木材制成。它具有易加工制作、安装方便、更换工期短、成本低、冷却效果好、比较耐久等优点。但是其主要缺点是消耗木材量大,其使用年限与材质和木板厚度有关。木材填料主要是上世纪30年代使用,近来很少使用。
20世纪50年代,钢丝网水泥板、石棉水泥板等水泥材料的填料和纸质蜂窝填料发展起来。水泥格网刚度好,抗弯曲变形能力强,热力和阻力特性好,对水质要求不严格,但是消耗水泥和钢材数量大,制造麻烦,易损坏。纸蜂窝填料优点是热交换水膜面积大,冷却效果好、材质轻、材料省、容易加工、便于安装,但是纸质材质,比较易破碎,水质要求严格,水质不好,易结垢、堵塞,寿命短,目前不再选用。
20世纪70年代左右,塑料填料应用到冷却塔中,这是冷却塔发展的一个重大革新。塑料填料最先应用是在采暖通风与空调行业,后来又应用到精炼与电厂工业。这种填料的特点是片材薄、用料少、材质轻、强度高、容易加工、耐腐蚀、重量轻、易成型、寿命长、冷却效果好,热力特性好,阻力性能好,形式多样,可以长期利用。但是在冷却塔高温潮湿的工作条件下,塑料填料在工作3年左右的时间后会发生老化变形的现象,影响冷却效率。而且冬季结冰也会对塑料填料造成比较大的影响,结冰引起负载增大,冰块将小块填料从栅格中拉掉,产生大量的填料碎片,阻塞滤网或凝汽器,影响机组的经济运行。
为确保聚氯乙烯(PVC)塑料淋水填料加工制造、施工安装的质量,原能源部曾颁布《冷却塔塑料淋水填料技术规定》[4],对塑料材料提出了比较详细的要求。电力工业部科学技术司和电力规划设计总院于1996年6月联合发文,对采用塑料淋水填料的冷却塔进行调查。这次共调查了78座自然通风冷却塔,调查显示虽有个别较差,但绝大多数采用塑料填料的冷却塔冷却效果良好[5]。
早在1946年,美国相继建造了若干采用陶瓷淋水填料的冷却塔。到20世纪70~80年代得到了推广和应用。中国吸取外国先进经验,经过3年的努力,1989年4月研制出了冷却塔陶瓷填料,通过了水利水电科学研究院的模拟试验,于1990年4月在山东省烟台发电厂开始投入运用。
近些年来,在我国,陶瓷填料渐渐应用于电厂冷却塔中。陶瓷填料的特点是防老化,不易发生几何变形,不脆裂,而且防腐蚀,耐酸、耐碱性能好。这种填料还有一个特点就是防冻性非常好,-15℃浸透2 h,融2h(室温水),反复50次不裂。所以,陶瓷填料的寿命比较长,使用寿命的设计时间为30年。这种填料的初投资比较大,机组服役30年不用更换填料,运行维护维修费用相比其他材料也比较低[6]。
目前冷却塔淋水填料存在的问题是:风阻大和淋水密度小[7]。在研发过程中,同时解决这个问题似乎是矛盾的,但随着科学技术的不断创新和提高,相信在未来冷却塔填料中会有更多更好的新成员加入进来,从而推动冷却塔不断向前发展。
2淋水填料的研究进展
冷却塔淋水填料的热工性能是分析冷却塔传热传质优劣的主要依据之一,也是冷却塔设计的一个重要基础资料。冷却塔中广泛使用各种填料,其传热传质和阻力性能依赖于在实验台中进行实测,把测得的数据整理成各种经验关系式,供设计和评选时使用。各国均开发了填料性能试验台,开展广泛深人的研究。
Simpson和Sherwood研究了装有1.05 m木质板条填料的机械通风冷却塔的工作性能[8]。Barile等人对湍流床冷却塔进行研究,给出冷却塔受水气比影响的性能曲线[9]。EL-Dessouky对三相流化床冷却塔的水力和热力特性进行了理论和试验的研究,他采用直径为12.7 mm,密度为375 kg/m3的多孔胶球作为淋水填料,分析了进水温度、填料层高度、水气比等与冷却塔性能的关系[10]。Bedekar等人用薄膜式淋水填料做试验研究,把冷却塔的性能、出水温度和效率写成了关于水气比的函数,总结了冷却塔性能随水气比的增大而降低的规律,但他们并没有给出这些结论的相关性[11]。
Goshay和Missenden同样采用试验的方法,研究了多种波形填料的传质和压力变化特性,找出了压降与传质系数的函数关系[12]。Milosavljevich和Heikkila为了分析不容淋水填料的性能,在两个中试冷却塔中进行了试验测试,得出了淋水7种填料压降和体积传热系数关于水气比的函数[13]。最近,Kloppers和Kroger研究了湿式逆流冷却塔中点滴式及点滴薄膜式填料的散质系数问题,提出了一个新的经验公式,把散质系数写成水气比的函数,但缺少一些其他的传热传质的数学模型[14]。Khan等人[15]以及Klopper等人[16]在各自的文献里都给出了相应的讨论。我国西安热工研究院和北京水科院在20世纪60~70年代就开发了相关试验台,在填料性能测试上作了大量基础性工作,不仅开发了一系列性能优良的填料,而且积累了丰富的资料和经验。
2.1大气湿球温度的影响
填料散质系数βχv不受大气湿球温度的影响,已为NW凯里[17]等人的试验证明。凯里的试验中,填料为溅水板,湿球温度从55 F增加到80 F,变化间隔为5 F,相对湿球温度为50%,其他参数均不变化,求湿球温度改变时βχv·H/q的变化,六次试验结果与平均值的最大偏差为1.2%。其他人对薄膜式和点滴式填料所作的试验,也得出了相似的结果。
2.2进水温度的影响
填料散质系数主要取决于淋水密度q和空气的重量风速g,可以用公式表示为:
在横流塔中也有类似的情况。美国冷却塔协会(CTI)1976年年会上公布了凯里横流冷却塔特性曲线内容,也讨论了对水温度的影响[18];中国水科院冷却水所也进行过进水温度对填料散质系数的影响试验,并得到了经验公式[2];泰国Srinakharinwirot大学的研究给出了新的传热数据,试验中,喷淋水流量控制在0.01～0.07 kg/s,空气流量控制在0.04～0.087 kg/s,进口空气温度为23℃,进口喷淋水温度在30～40℃范围内,由质量守恒定律和能量守恒定律建立方程并经进一步处理,得出冷却塔的传热特性,对比可知试验数据和理论分析吻合[19]。
2.3填料类型和安装方式对冷却塔性能有影响
伊朗德黑兰大学通过对比试验对冷却塔性能进行研究,给出了水气比在0.2～4范围变化时,两种淋水填料的效率变化曲线。试验中的两种填料分别为竖直波填料和水平波填料。研究结果显示:冷却塔的冷却性能受填料类型和安装方式的影响。与其他类型的填料试验结果类似,在本实验中冷却塔性能随水气比的增大而降低。试验得出了竖直波填料比水平波填料有更高的效率[20]。
开式冷却塔中波填料的传质以及压降特性已经有试验研究,其结果显示:填料的传质系数与填料的斜度及填料肋骨斜度与肋骨高度的比值有关,并随两者的增加而减小。英国South Bank大学进一步研究表明:填料风阻的摩擦系数可以写成斜度和填料间距的无量钢函数,借助于这个公式,就可以忽略填料表面的粗糙度,推导出传质与压降的关系。为缺少设计和运行数据情况下的研究提供了半经验公式[21]。
M Lemouari等人在机械通风逆流冷却塔中的竖直格栅填料进行了试验研究,填料由4片镀锌的“Z”形薄片组成,高0.42 m,格栅之间的空间横截面积为0.022 m2,研究结果显示在大的冷却水流量下,这种填料具有比较高的冷却效率[22]。
2.4填料高度以及深度对横流塔有一定影响
在总结国内外冷却塔淋水填料试验台的基础上,浙江联丰股份有限公司和上海交通大学联合开发了一种新的试验台,该试验台采用环形进风道,喷头距填料的高度可调,待试填料的高度可以在0.5~2.5 m范围内调节,测试数据的采集为自动和手动同时进行,测试结果通过专门的程序计算,可分别得出热力、阻力性能的公式和曲线[23]。
国电热工研究院和中国水利电力物资上海公司通过对逆流式冷却塔淋水填料性能试验,给出了常用的PVC淋水填料不同组装高度的热力性能及阻力性能方程式,并结合工程实例对出塔水温进行计算。试验表明:在自然通风冷却塔常用气水比工况条件下,填料高度增加0.5 m,冷却数提高约25%,阻力约增加6 Pa[24]。
2.5冷却塔迎面风速的影响
对于结构已定的填料,在运行过程中影响热交换效率的主要因素有空气的迎面风速,喷淋水量,冷却水的初温,以及空气的湿球温度。同济大学黄俊、张恩泽等人对密闭式横流冷却塔内的淋水填料进行了试验研究,试验采用的填料湿表面由不吸水的塑料片叠合而成,塑料表面有凹凸以增加空气与水的热湿交换,填料尺寸为900 mm×600 mm,试验选用三种不同高度的填料,一种为高度250 mm款型填料,另两种高度分别为500 mm和750 mm密型填料层。通过试验研究,得到了热交换效率系数和阻力的计算模型,并由此分析了空气的迎面风速、喷淋水量,冷却水的处温,以及空气的湿球温度对其性能的影响。通过分析认为迎风速度取1~3 m/s是合适的,这样不仅能带来比较理想的热交换效率,而且比较节能。通过对三种不同的填料层的分析研究,得到在相同的工况下,密型填料层的热交换效率高得多,但其相应的阻力也相应较大[25]。
2.6淋水填料的选用特点
淋水填料是冷却塔的主要组成部分,应根据塔型、热力性能、通风条件、材质、检修、循环水质,造价等因素通过技术经济的综合比较进行选择。通常来说,横流式冷却塔高度低,通风阻力小,因而一般选用能改善配风条件的薄膜式填料。逆流式冷却塔中的水气逆向流动,加上配水对气流的阻挡,故风阻较大,因进风口高度和除水器水平布置等原因塔体较高,这类塔一般选用点滴式填料。
当前冷却塔新填料相继产生,对某一种填料不顾条件、地点,盲目采用,往往不能达到理想的效果。如何用辩证的观点结合材料来源、加工、运输、维护管理、使用年限和可能选到的风机型号等因素正确选用,参考意见如下:①对填料的特性不能孤立地看。以“电波”和“蜂窝”为例进行分析,前者虽然有较高的散热性能,但如果风机不配套,并不能很好地发挥这一长处。②正确地比较不同填料特性,对不同填料进行比较,必须根据同一条件、同一塔体上的试验资料,否则是没有价值的。
总之,在选用填料时,必须结合实际情况,依据可靠的资料,因地制宜地选用填料才是正确的方法[26]。
2.7其他因素
试验表明冷却水的性质对冷却塔本身(特别是填料)的性能有影响。
海水冷却塔是未来冷却塔的一个发展方向,海水冷却塔工艺设计的关键是掌握海水冷却塔淋水填料的热力特性,中国水利水电科学研究院和西南电力设计院通过模拟试验的方法对不同含盐量海水及不同填料进行了试验,结果表明,在海水含盐量0～108500 mg/L范围内,填料的热力性能方程中,水的比容c与海水含盐量无关,试验常数A应乘以0.83~1.0的修正系数,修正系数与含盐量呈线性关系[27]。
3结语
填料作为冷却塔的核心,其热交换性能、阻力大小直接影响到塔的效率。淋水填料占冷却塔总成本的20%～30%,却肩负着60%～80%的冷却能力,优异的填料性质可以较大地提高冷却塔的冷却效率,更大地发挥填料的作用,是提高冷却塔性能的一个重要方面。在经过近一个多世纪的发展,填料随着冷却塔的发展也在不停地更新换代,现在正处于相对稳定的时期。同时,由于冷却塔内填料层的热、质交换过程是一个复杂的过程,但国内很多研究只是在宏观上对其进行讨论,因此微观方面的研究还需要进一步深入。
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