大型湿式冷却塔雨区水滴粒径分布及其对雨区热力特性和阻力特性影响的研究

摘要

雨区是湿式冷却塔极为重要的一部分，在常规湿式冷却塔（常规塔）中，雨区是气流进塔并进行热质交换的初始区域，其在进风口横截面上起到了分配进塔空气的作用，并直接影响着后续在填料区和配水区的通风和换热;在高位集水冷却塔（高位塔）中，雨区范围虽大为缩小，但其也是初始热质交换区和空气进入填料区前的最后区域。随着湿式冷却塔的体积越来越大，雨区规模也随之越来越大，雨区内的热质交换和空气流动特征对整塔的影响也越来越大，因此雨区的研究对于湿式冷却塔而言也越来越重要。但碍于雨区过于庞大的范围和其内部复杂的水滴运动与粒径分布，目前对于雨区的研究非常有限，并且在绝大部分研究中对雨区进行了过度简化，这势必会对冷却塔性能的研究造成非常大的影响。因此有必要对湿式冷却塔雨区进行深入的研究。雨区对湿式冷却塔性能的影响主要体现在其热力特性和阻力特性两方面，而这两方面均与雨区内水滴的运动和粒径分布密切相关，并且，水滴的运动和粒径分布也一直是制约雨区研究进行的难点。
　　因此，本课题针对冷却塔雨区内水滴粒径分布，首先从雨区内水滴形成、运动对其造成的影响入手进行理论分析;以理论分析为指导，引入光学散射技术和影视摄像技术，采用水滴谱仪对湿式冷却塔雨区进行水滴粒径分布的现场测试试验研究，得到了无风和侧风雨区内水滴粒径的分布特点，并对理论分析进行验证;基于水滴粒径分布现场试验结果，建立了能够正确描述雨区内水滴粒径分布的数学模型，结合雨区现场实测温降，对于雨区性能进行详细研究，得到了准确的雨区热力特性和阻力特性，并探讨了水滴粒径分布对于雨区热力、阻力特性的影响。同时，由于高位塔集水装置的布置使高位塔相对于常规塔雨区范围大大缩小、水滴个数大为减少，进风口范围的流场也产生了变化，因此作为对于湿式冷却塔雨区研究的补充，本文最后对空气流经集水装置产生的流场特点和其对高位塔性能引起的相对于常规塔的不同进行了系统的研究。由于湿式冷却塔可以分为常规塔和高位塔，故本文除水滴运动对水滴粒径分布部分的理论分析外，其余关于雨区的研究均分为常规塔和高位塔两部分。本文完成的主要研究内容如下:
　　(1)首次对湿式冷却塔雨区内水滴粒径分布进行详细研究，首先对雨区内水滴可能发生的变形、碰撞和破碎等运动进行理论分析，从机理上分析了水滴的不同运动方式对水滴粒径分布造成的影响，证明了雨区水滴的粒径分布是有规律的，纠正了传统认识中杂乱无章、完全随机的思想。
　　(2)在理论分析的基础上，对湿式冷却塔雨区进行水滴粒径的现场测试试验研究，引入光学散射技术和影视摄像技术，在雨区内分别进行了无风环境和强侧风环境的水滴粒径分布研究，试验结果显示:对于常规塔和高位塔塔内的某一固定位置，不同时刻下水滴粒径分布均不完全相同，但其随着时间的变化并不会发生较大变化，总体而言，在不同的测试时间间隔内，水滴粒径呈现某一统一分布规律。同一常规塔在无风情况下，对于测量范围内高度相同的不同位置，由于水滴的运动时间相同，水滴在这些位置的粒径分布虽具有随机性的特点，但依然呈现某一统一分布规律，并不随周向位置和径向位置的变化而变化。但当高度位置不同时，由于不同高度位置处水滴的运动时间不同，故水滴粒径分布也随高度位置变化而变化。对于不同塔型的常规塔，雨区高度是影响雨区水滴粒径分布的主要因素。不同常规塔型之间，距填料下端面相同位置处的水滴粒径分布仍基本相同。对于高位塔，由于雨区范围过小，水滴在下落过程中碰撞、破碎等运动发生的次数和对水滴粒径造成的影响较小，使得高位塔小雨区内初始粒径的水滴占比最大。环境侧风不会对高位塔雨区内水滴粒径分布造成影响，但会影响到常规塔，在强侧风情况下，不同高度处的水滴受侧风影响单体破碎和相互碰撞发生的次数均大大增加，运动时间已不是影响水滴粒径分布的主要因素，不同高度处的水滴粒径分布基本相同，且小粒径水滴的个数占比占绝对优势。
　　(3)采用数理统计方法将水滴粒径现场测试结果进行整合，得到能够应用于雨区研究的最具代表性的水滴粒径分布，通过累积分布概念将常规塔和高位塔雨区内的水滴粒径分布进行了公式化表达，以使湿式冷却塔的雨区水滴粒径分布的研究成果更为方便的运用到今后冷却塔的研究之中，使雨区水滴粒径分布具有更为重要的实用意义。
　　(4)对湿式冷却塔雨区性能进行了详细研究。在热力特性方面，常规塔雨区是仅次于填料区的重要换热区域。而高位塔由于雨区尺寸大为缩小，换热量急剧减少。同时由于小雨区内位于初始粒径范围内的水滴较多，与常规塔雨区相比，小雨区内水滴的比表面积更小，因此从水滴粒径分布角度来说高位塔小雨区的传热传质能力也要小于相同尺寸范围的常规塔雨区。在阻力特性方面，常规塔雨区是空气流经常规塔时所受流动阻力最大的区域，空气流经雨区时受到的阻碍作用对常规塔性能的影响非常大。高位塔小雨区压降的份额则为高位塔内除配水区外对进塔空气阻碍作用最小的区域，并且由于水滴在小雨区内碰撞、破碎等运动发生的次数较少，高位塔小雨区内水滴的个数也相对较少，因此从水滴个数分布角度来说高位塔小雨区对空气的阻碍作用也要小于相同尺寸范围的常规塔雨区。对于相同冷却面积的高位塔和常规塔，填料区和配水区的压降并没有因雨区范围缩小、水滴个数减少发生较大变化，但填料区的温降却大为增加，这说明雨区范围、水滴数量和水滴粒径分布对于湿式冷却塔性能的影响非常大，同时也从另一个层面再次说明了雨区对于常规塔的重要性。
　　(5)提出了全新的湿式冷却塔雨区冷却数计算公式，能够更为准确的计算出不同塔型规模在不同运行工况和不同环境侧风条件下的雨区冷却数，并能够正确体现出无量纲特性，具有极为重要的工程意义和实用价值。
　　(6)作为对湿式冷却塔雨区研究的补充，对空气流经集水装置产生的流场特点和对高位塔性能引起的相对于常规塔的不同进行研究，结果为表明:集水装置流道内集水槽上方和集水斜板与集水槽联接处对空气流场影响最大。同时，在集水斜板角度不断变化过程中，集水斜板与集水槽联接处流道方向突变产生的气流压力波动相对于集水槽上方气流旋涡区域对空气流场的影响更为明显。流道间距变化对空气流场的主要影响为空气流经流道入口时产生的压力波动。高位塔内填料区域和小雨区的换热特征与常规塔有明显不同:内围区域的换热能力最强，而外围区域最弱，这是由集水斜板导流和小雨区粒径分布变化的综合作用所造成。高位塔内进风口范围内，空气流经集水装置产生的流场相较于常规塔发生了变化，在改变塔内传热传质特点的同时，影响了整塔的空气流场和性能，对于塔型特征完全一致的高位塔和常规塔，高位塔集水区域对进塔空气的阻力小于常规塔雨区，同时集水斜板对来流空气存在导流加速作用，因此单位时间内高位塔的进塔空气量较高，冷却性能较好。
　　通过以上研究，首次完成了湿式冷却塔雨区从水滴粒径分布到热力特性与阻力特性的详细研究，形成了较为完善的雨区水滴粒径分布的现场试验方法，和性能分析体系，所得结论具有较高的理论和工程应用价值。

目录

声明

摘要

符号说明

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 常规塔雨区研究现状

1．2．1 常规塔雨区阻力特性的研究

1．2．2 常规塔雨区热力特性的研究

1．2．3 常规塔雨区水滴粒径的试验研究

1．2．4 常规塔雨区水滴的数值模拟研究

1．3 高位塔的研究现状

1．4 本课题研究技术路线

1．5 本文主要研究内容

第2章 冷却塔雨区内水滴运动对水滴粒径分布影响的理论分析

2．1 引言

2．2 水滴形成对水滴粒径分布的影响

2．2．1 物体材料表面水滴形成对水滴粒径分布的影响

2．2．2 填料孔隙间水膜表面水滴形成对水滴粒径分布的影响

2．3 水滴变形对水滴粒径分布的影响

2．4 水滴的相互作用对水滴粒径分布的影响

2．4．1 水滴碰撞对水滴粒径分布的影响

2．4．2 水滴单体破碎对水滴粒径分布的影响

2．5 本章小结

第3章 常规塔雨区水滴粒径分布测试方法的研究

3．1 引言

3．2 水滴粒径分布的测试方法以及现场测试试验台架的构建

3．2．1 水滴粒径分布的测试原理

3．2．2 试验台架构建

3．2．3 现场测试的测点分布

3．3 常规塔雨区水滴粒径现场试验结果

3．3．1 常规塔雨区水滴粒径现场测试结果的粗大误差处理

3．3．2 测试时间对水滴粒径分布的影响

3．3．3 测试位置对水滴粒径分布的影响

3．3．4 不同常规塔雨区内水滴粒径分布对比

3．3．5 强侧风对常规塔雨区内水滴粒径分布的影响

3．4 本章小结

第4章 常规塔雨区典型水滴粒径分布及其对热力阻力特性影响的研究

4．1 引言

4．2 常规塔雨区内典型水滴粒径分布

4．3 常规塔内气水流动及传热传质的三维数值计算模型

4．3．1 常规塔内湿空气运动控制方程

4．3．2 常规塔内循环冷却水运动控制方程

4．3．3 常规塔内气水两相之间的传热传质方程

4．3．4 常规塔内空气运动阻力方程

4．4 利用水滴粒径分布规律进行的常规塔数值计算

4．4．1 计算域及计算方法

4．4．2 不同工况下的计算结果

4．5 常规塔雨区热力特性的研究

4．5．1 水滴粒径分布对常规塔雨区热力特性影响的研究

4．5．2 基于水滴粒径分布规律的常规塔雨区冷却数研究

4．6 常规塔雨区阻力特性的研究

4．7 本章小结

第5章 高位塔雨区水滴粒径分布测试方法及其对热力阻力特性影响的研究

5．2 高位塔小雨区水滴粒径的现场试验

5．3 常规塔数学模型对高位塔的适用性

5．4 高位塔小雨区的热力特性研究

5．5 高位塔小雨区的阻力特性研究

5．6 本章小结

第6章 湿式冷却塔雨区的补充拓展研究

6．1 引言

6．2 集水装置内空气流场的研究

6．2．1 集水装置结构内空气流场的风洞试验

6．2．2 集水装置内空气流场的数值模拟研究

6．3 集水装置对高位塔性能的影响

6．4 本章小结

第7章 全文总结与建议

7．1 主要结论

7．2 创新点

7．3 展望与建议

参考文献

致谢

攻读博士学位期间主要成果

PAPER Ⅰ：Experimental Study on the Air Flow Field in the Water Collecting Devices

PAPER Ⅱ：Impact Mechanism of Different Fill Layout Patterns on the Cooling Performance of the Wet Cooling Tower with Water Collecting Devices