蒸發冷卻設備飄水率測量方法的實驗研究及精確度對比

章立新， 卓 靜， 高 明， 何仁兔， 沈 艷

(1. 上海理工大學 能源與動力工程學院， 上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室， 上海 200093；2. 浙江金菱制冷工程有限公司， 浙江諸暨 311802； 3. 上海同馳換熱設備科技有限公司， 上海 200433)

蒸發冷卻設備是一種將熱力或制冷循環中所產生的廢熱在短時間內排放到環境中的設備，廣泛應用于電力、石油和化工等行業，包括開式冷卻塔、閉式冷卻塔、蒸發冷卻器和蒸發冷凝器，其工作原理是通過水與空氣的顯熱和潛熱交換，將循環工質的熱量傳給大氣，其熱力性能的好壞直接影響到工業經濟性.以600 MW發電機組為例，出塔水溫每降低1 K，機組熱效率可提高0.23%，發電標準煤耗可以降低0.738 g/(kW·h)[1].對于大型火力發電廠，通常采用自然通風冷卻塔來冷卻循環水，但其初期投資高，建設周期長.不同于自然通風冷卻塔，機力通風冷卻塔依靠電動機、風機的動力來滿足冷卻塔風量，具有占地少、效率高等特點，逐漸應用于城市電廠中[2].然而，機力通風冷卻塔在運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，水膜受到強大的剪切力作用，形成大液團,液團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備、管道和鋼結構產生腐蝕，甚至會導致電力系統故障[5].在冬季，飄水還可能會導致周邊路面或建筑物結冰，埋下安全隱患.另外，飄水損失也是蒸發冷卻設備運行水損失中重要的一部分[6]，因此有必要對蒸發冷卻設備的飄水排放量進行控制.目前，許多國家限制了飄水排放量，如西班牙的相關法規限制冷卻塔的飄水量不得高于循環冷卻水量的0.05%[7].在我國，飄水率定義為單位時間飄水的質量流量與標準設計工況下冷卻水質量流量之比，并規定冷卻水質量流量<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].飄水率是評價蒸發冷卻設備節水性能的重要指標，飄水率大意味著蒸發冷卻設備耗水量大、浪費水資源.目前市場上各種品牌的蒸發冷卻設備飄水率差異較大，嚴格控制蒸發冷卻設備的飄水率是節水環保的重要手段，而準確測量蒸發冷卻設備飄水率是其基礎，只有準確測出其值，才能及時發現問題，采取切實可行的措施來減少飄水量，制造出更環保節能節水的新產品.

不同國家采用不同的方法測量蒸發冷卻設備飄水率，如英國標準4485.2(1988)和日本工業標準JIS B8609(1981)采用的是化學平衡法，通過在循環冷卻水中加入放射性示蹤劑，待示蹤劑與循環冷卻水完全混合后，先后2次取樣并分析示蹤劑濃度，將測量結果代入相關計算式即可算出飄水率.美國冷卻技術協會的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置于蒸發冷卻設備出風口氣流中，待采樣器入口速度與蒸發冷卻設備出風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，水中的示蹤劑被黏留在吸收器中，再經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算飄水率.我國國家標準GB/T 7190—2008 《玻璃纖維增強塑料冷卻塔》中推薦單層濾紙法來測量飄水率，根據出風口直徑大小布置測點，將蒸發冷卻設備出風口劃分為3～5個等面積環，每個環中對稱布置2個測點，每個測點使用120 mm×120 mm的等面積濾紙取樣，根據測試前后濾紙的增重，計算出飄水率.

我國采用的單層濾紙法中雖然實驗裝置相對簡單，但這種單層濾紙收水存在吸濕增重(因蒸發冷卻設備出風口氣流接近飽和會使濾紙增重)和二次飄水(因風筒中心負壓回流而從濾紙上方落到濾紙上的飄水)問題，導致測量值偏離實際值.同時，蒸發冷卻設備飄水量沿出風口徑向和周向均為非均勻分布，由于濾紙在測量過程中無法覆蓋整個測量區域，選取3～5個等面積環布置測點，所得到的測量數據無法準確反映整個蒸發冷卻設備出風口的飄水量.章立新等[10]提出一種高效收水槽法，即在蒸發冷卻設備出風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算飄水率，該方法具有安全性高、穩定性強和操作簡便等優點，但在飄水率很小的情況下測試時間過長，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行了測量.筆者所討論的幾種測試方法均針對機力通風的蒸發冷卻設備(不包括自然通風冷卻塔).

1 實驗對象及相關儀器

實驗對象為一個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，水的最大質量流量為100 t/h；風機直徑為1.80 m，設計風量為50 000 m3/h，設計風壓為140 Pa，功率為5.5 kW，可變頻運行.收水器(見圖1)型號為JFT48-34，高度為120 mm，片距為44.5 mm.

實驗過程中選用轉輪風速儀測量風機風速，測量范圍為0～20 m/s，最小刻度為0.1 m/s.測量風速時，將兩側進風窗分別劃分為16個等面積矩形，選取每個等面積矩形中心為測點，最終結果取各測點的平均值.本實驗工況下測得的總風量為48 876 m3/h，其對應的填料截面風速為2.4 m/s.水體積流量采用電磁流量計測量，其量程為22～200 m3/h，并有4～20 mA標準信號輸出接口，精度等級為0.5級.所測得的水體積流量為86 m3/h，其對應的淋水密度為14.9 t/(m2·h)，濾紙質量由電子天平(JA2003N)測得，電子天平測量范圍為0～210 g，精度為1 mg.

圖1 收水器實物圖

2 采用高效收水槽法進行的實驗研究

采用高效收水槽法對蒸發冷卻設備出風口飄水周向的不均勻性進行實驗研究，將出風口沿著周向劃分為12等分，收水槽置于對應的12個位置上，每個位置測試10組數據.實驗結果表明，各位置飄水量均較為穩定，其A類標準不確定度相對于平均值的最大偏差僅為3.84%，但相同時間內不同位置處的飄水量差異較大，飄水率對比見圖2，其周向按實驗標準偏差相對于周向平均值的不均勻度達到26.14%.出風口飄水的不均勻性受其流場的影響，與出風口的風速、收水器的安裝位置、布水管網的布置方式和噴淋水分布均勻性等因素有關.然而出風口流場較為復雜，難以量化分析其與飄水率之間的關系，故為了提高測量的準確度，可增加周向測試位置甚至以風筒中心線為軸采用連續旋轉的測試方法.

圖2 出風口不同位置處的飄水率

3 采用濾紙法進行的實驗研究

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

3.1 實驗裝置及原理

三層扇形濾紙裝置[11]由對角的2個扇形結構組成，測量時，其對角線中心與風筒的圓心位置重合，如圖3所示.每個扇形結構由數段不銹鋼框架依次連接構成，各框架之間通過拉索連接.不銹鋼框架均為三層結構，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 三層結構示意圖

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.在計算飄水率時，底層濾紙的增重減去中層濾紙的增重，即可得到實際的飄水量；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，濾紙實際迎風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，需以濾紙實際迎風面積為準.此時，將所測得的飄水量乘以三層扇形濾紙裝置面積占濾紙實際迎風面積的百分比，可折算出三層扇形濾紙裝置所對應面積的飄水量.由于該裝置是對角的2個扇形結構，通過計算扇形弧度角占圓弧度角的比例，即可換算出蒸發冷卻設備出風口的飄水量，再將測得的單位時間蒸發冷卻設備出風口飄水質量流量除以標準設計工況下冷卻水質量流量，即可得到飄水率.

如圖5所示，將該裝置置于風筒出口，形成3個區域：中心連接條①、中間多段梯形②和最外側一段梯形③.設該裝置的弧度角為α，中心連接條長度為2Rc，而各段梯形的高度均為Ro，則一個測試區域的面積計算如下.

圖5 三層扇形濾紙裝置結構示意圖

(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，使用一個長度為2Rc的矩形連接條，該連接條中心與風筒中心重合，故對應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) 最外側一段梯形在風筒內的部分：實際測試過程中，在風筒的徑向較難布置整數個梯形裝置，因此最外側梯形裝置的部分面積(見圖5中陰影部分)在風筒外，此部分不應計入收水面積，故在實驗中需將該部分用膠帶遮住以防止該部分濾紙吸水.設最外側梯形的編號i=n，風筒半徑為R，最外側梯形在風筒內的面積Se為:

(5)

每層扇形濾紙裝置的收水面積S為：

(6)

設濾紙實際迎風面積為Sa，頂層、中層和底層濾紙的實測增重為Δmt1、Δmm1和Δmb1，則折算為該裝置對應面積的增重為Δmt、Δmm和Δmb，其單位均為g.

(7)

(8)

(9)

若測試時間為t(min)，則蒸發冷卻設備出風口實際飄水量qm,n(kg/h)為：

(10)

二次飄水量qm,r為：

(11)

吸濕量qm,a為：

(12)

如蒸發冷卻設備在標準設計工況下冷卻水質量流量為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，外界環境風速對三層扇形濾紙法有一定的影響，測試時的環境風速應遵循GB/T 7190—2008《玻璃纖維增強塑料冷卻塔》中的限制條件(即飄水率與熱力性能要求同步檢測).

3.2 實驗步驟

實驗過程中，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，兩者的實驗步驟基本相同：

(1) 將各個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量.

(2) 用拉索連接不銹鋼框架，濾紙水平放置在對應的框架上，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，頂層濾紙放在不銹鋼框架上側.

(4) 按照圖3所示的布置方式開始測試，測試時間t為1～5 min.當測試時間為0.5t時，將該裝置圍繞風筒中心水平旋轉90°.測試結束時，取下吸濕后的濾紙放入對應的密封袋，用天平稱量并記錄各個濾紙質量.

(5) 根據相關公式，處理數據并分析結果.

3.3 實驗結果

單層濾紙法、三層扇形濾紙法和高效收水槽法3種測試方法的結果對比如圖6所示，其中位置1和位置2在出風口處呈中心對稱.由圖6可知，3種測試方法都表明了出風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間過長甚至收不到水，導致其測試結果小于單層濾紙法，符合文獻[10]給出的結論；單層濾紙法測得的飄水量包含了實際飄水量、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，故該方法更為準確.同時，三層扇形濾紙法測得的數據差異小于單層濾紙法.這是由于三層扇形濾紙法中實際飄水量、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，吸濕量對測試結果影響較大，約占實際飄水量的55%，而二次飄水量對測試結果影響相對較小，僅占實際飄水量的8%.

圖6 3種測試方法的結果對比

圖7 不同位置各增重對比圖

在相同情況下通過3次重復測量，分析單位面積飄水量沿出風口徑向的分布(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.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.分析認為，單層濾紙法在測試過程中將出風口分為4個等面積環，取樣點少且濾紙所在區域不一定具有代表性，單位面積濾紙增重也不一定能準確反映此點實際的飄水情況，而三層扇形濾紙法將濾紙連續布置在出風口的徑向位置上，故其測量結果較單層濾紙法更為準確.綜上所述，出風口飄水主要集中在沿出風口徑向0.71R～0.75R內.

(a) 單層濾紙法

(b) 三層扇形濾紙法

4 結 論

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

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

(3) 與GB/T 7190—2008 《玻璃纖維增強塑料冷卻塔》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采樣，比單層濾紙法更具代表性，且蒸發冷卻設備出風口的飄水主要集中在其徑向0.71R～0.75R內.

綜上所述，在飄水率較小的情況下，需采用濾紙法，而此時采用三層扇形濾紙法要優于單層濾紙法.但三層扇形濾紙法在使用過程中需裝拆三層濾紙，耗時長，操作復雜，且在拆濾紙的過程中增大蒸發量，可能對測試結果產生部分影響，故在此方面還有待進一步改進.

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