（工程热物理专业论文）冷却塔除水器内流体的动力学特性研究.pdf

学位论文版权使用授权书 i j l ll l pi i fii fl li i iii if 17 8 0 9 7 5 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：滔增霞 导师签名： 矽护6 21 渺2 1 、p ， 中图分类号： u d c ： 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 冷却塔除水器内流体的动力学特性研究 s t u d yo nf l u i d d y n a m i c so fd r i f te l i m i n a t o r i nt h ec o o l i n gt o w e r 作者姓名：潘绪霞 导师姓名：杨飞 学位类别：工学 学号：0 8 1 2 1 8 9 4 职称：副教授 学位级别：硕士 学科专业：工程热物理研究方向：发电厂节能减排 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 一、 ，0 致谢 本论文是在导师杨飞副教授的悉心指导下独立完成的。杨飞副教授的渊博学 识对我课题方向的把握给予了极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来杨老师对 我在学习及科研过程中的关心和指导。 在论文期间，得到了陈梅倩老师的一些帮助，在此表示感谢。 感谢张伟及张扬同学对我在实验上的帮助。在实验室模拟研究和撰写论文期 间，李书营、董瑞、温媚、许鑫星及周敬博等同学对我论文提供了大量的意见及 建议，并且在论文分析方面提供了大量宝贵经验，在此向他们表达我的感激之情 另外，更要感谢我的父母和一直关心我的亲人和朋友，感谢他们在我求学道 路上的支持与鼓励，他们的理解和全力支持使我能够在学校专心完成我的学业。 感谢那些曾给予我帮助但一时难以念及的老师、同学和朋友。 u i t ? j ， ； 中 j a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t l lt h es h o r t a g eo fw a t e rr e s o u r c e s ，e n e r g ys a ：v i n ga n de n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n , i ti sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tf o rp o w e rp l a n tt od e c r e a s ec o a lc o n s u m p t i o n d r i f te l i m i n a t o ri se q u l p m e mw h i c hi su s e df o r 鼢v i n gw a t e ri nt h ec o o l i n gt o w e r i nt h i s p a p e r , e x p e r i m e n ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d sa r eu s e df o rt h r e et y p e so fd r i f t e l i m i n a t o r ( s i n g l e - f o l dz i g z a g ，t w o f o l dz i g z a g a n d z i g z a g s i n u s o i d a ld r i f t e l i m i n a t o r ) i t s a n a l y z e da n ds u m m a r i z dt h a tt h e v a r i a t i o no fs e p a r a t i o ne f f i c i e n c ya n d p r e s s u r ed r o pw i t hw i n ds p e e da n dp l a t es p a c et h r o u g ht h ew i n dt u n n e lt e s t t h e e x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t et h a ts e p a r a t i o ne f f i c i e n c ya n dp r e s s u r ed r o po ft h r e et y p e so f d r i f te l i m i n a t o rf r o mh i g ht ol o wa r et w o f o l dz i g - z a g ，s i n g l e f o l dz i g z a ga n dz i g - z a g s i n u s o i d a ld r i f te l i m i n a t o r 1 1 1 es e p a r a t i o ne f f i c i e n c ya n dp r e s s u r ed r o pi n c r e a s ew i t ht h e w i n ds p e e di n c r e a s e s t i l i s p a p e rc a r r i e d o u te x p e r i m e n t a lv a l u e st oo r t h o g o n a l e x p e r i m e n t , a n a l y s i st h ep r i m a r ya n ds e c o n d a r yo r d e ro ft h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c ya n d p m s s u r ed r o p ，w h i c h c a np r o v i d et h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rf u t u r ee x p e r i m e n t s c f ds o f t w a r ew a su s e dt os i m u l a t et h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ef l o wf i e l d so ft h r e e t y p e so fd r i f te l i m i n a t o r s ，1 1 l es i m u l a t i o np a r a m e t e r ss e tb yt h ee x p e r i m e n t a ld a t a , e x p e r i m e n t a ld a t av a l i d a t e dt h a tt h em o d e li sr e a s o n a b l e ，t h eb i g g e s td e v i a t i o no ft h e s e p a r a t i o ne f f i c i e n c yi s15 ，a n dt h eb i g g e s td e v i a t i o no f t h ep r e s s u r ed r o pi s2 0 ，n l e r e s u l t si n d i c a t et h a tt h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c ya n dp r e s s u r ed r o pd e c r e a s e 、析也t h e t r a n s i t i o na n g l ei n c r e a s e s w i mt h et r a n s i t i o na n g l eo f3 7 0 ，4 5 0a n d5 3 0 ，t h es e p a r a t i o n e f f i c i e n c yo ft h es i n g l e f o l dz i g - z a gd r i f te l i m i n a t o ra r e 弱f o l l o w s ：7 3 ，5 8 5 a n d 3 0 5 w h e no t h e rc o n d i t i o n sa r gt h es a m e ，t h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c yo ft h ed r i f t e l i m i n a t o rw h i c hd r o p l e td i a m e t e r ss u b j e c tt or o s i n r a m m l e rd i s t r i b u t i o ni sl o w e rt h a n t h eu n i f o r md i s t r i b u t i o na n dt h ep r e s s u r ec h a n g e so n l ys l i g h t l y t m sp a p e ri ss t u d i e dt h em a i nf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c y a n dp r e s s u r ed r o po fs i n g l e f o l dz i g z a g ，t w o f o l dz i g z a ga n dz i g - z a gs i n u s o i d a ld r i f t e l i m i n a t o r i ts u m m a r i z e st h el a ww h i c hc a np r o v i d ei n s t r u c t i v e l ys i g n i f i c a n tt od e s i g n a n do p t i m i z eo ft h ed r i f te l i m i n a t o r k e y w o r d s ：d r i re l i m i n a t o r ；e x p e r i m e n ts t u d y ；o r t h o g o n a lt e s ta n a l y s i s ；s e p a r a t i o n e f f i c i e n c y ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n c i 。a s s n o ： 目录 目录 中文摘要 a b s l r a c t 1 弓i 言 1 1 概述 1 2 研究背景及意义： 1 3 国内外研究现状及发展趋势 1 4 本文研究内容 2 除水器性能实验研究 2 1 除水器简介 2 1 1 除水器工作原理 2 1 2 除水器作用 2 2 实验方案设计 2 2 1 实验对象。 2 2 2 实验目的一 2 2 3 实验台设计。 2 2 4 实验原理及步骤一 2 2 5 实验内容一 2 3 实验结果及分析 2 4 正交试验设计 2 5 本章小结 3 除水器中流体动力学特性的数值模拟研究。 3 1 问题描述- 。： 3 2 模型选择 3 2 1 s s t k 一国模型 3 2 2 离散项模型 3 3 计算区域及划分网格 3 4 参数设置及边界条件确定 3 4 1 气流相( 连续相) 边界条件的设置 3 4 2 液滴颗粒相( 离散相) 边界条件的设置。 3 5 除水器流道内三维流场的分布 3 6 模型的验证 3 7 计算结果与分析 3 7 1 单折折线型除水器计算结果及分析。 北京交通大学硕士学位论文 3 7 2 单折折线弧型除水器计算结果及分析4 3 3 7 3 两折折线型除水器计算结果及分析5 l 3 8 本章小结一6 0 4 除水器影响因素的研究6 3 4 1 除水器型式的影响6 3 4 2 转折角度的影响6 9 4 3 液滴粒径分布的影响7 4 4 4 正交试验分析7 7 4 4 1 单折折线型除水器的正交实验分析一7 8 4 4 2 折线一弧型型除水器的正交实验分析8 0 4 5 本章小结8 2 5 结论与展望8 5 5 1 结论。8 5 5 2 展望8 6 参考文献8 7 作者简历。8 9 独创性声明9 1 学位论文数据集9 3 x d l 引言 1 引言 水是极为重要的自然资源，是人类活动的物质基础。我国是淡水资源极为缺 乏的国家，人均占有量仅相当于世界的四分之一，而且降水量的时空分布极为不 均衡。随着工业的蓬勃发展和人口数量的不断增加，城市的生活用水和工业用水 急剧增长。专家预测中国2 0 5 0 年总需水量为8 0 0 0 亿i n ) ，其中工业生活用水为3 8 0 0 亿m 3 ，而冷却塔又是工业耗水大户。 目前全国火电厂年耗水量约7 8 亿m ? ，其中冷却塔蒸发耗水量占4 7 1 ，约 3 6 7 4 亿m 3 。冷却塔内水量损失主要是因为蒸发散热使部分水相变为水蒸气进入空 气中，同时由于热湿交换不充分，而使多余的水滴进入空气中。由于冷却塔中的 冷却水在循环系统中主要是温度升高，水质变化不大，若采取适当的措施降温处 理后形成回用系统，将是节水的重要途径i l j 。 1 1 概述 冷却塔的形式多种多样，分类的依据也有很多。根据冷却塔热质交换的形式， 可分为干式冷却塔和湿式冷却塔两大类i z j 。 干式冷却塔又称空冷塔，是用空气作为冷却介质的冷却塔。根据传热载体的 不同可分为直接空冷和间接空冷两种。所谓直接空冷，即将汽机的排汽直接引入 冷却塔内的散热管，蒸汽凝结成水所散发的热量通过散热管转给空气再由空气释 放到大气；间接空冷则仍然利用水为载热体，将在凝汽器获得的热量由散热管通 过空气散发到大气中。由于这类塔需要耗用大量的金属散热管，其成本昂贵，仅 适用于严重缺水地区，目前我国山西太原、大同、内蒙丰镇等电厂采用了空冷塔。 干式冷却塔的最大优点是蒸发损失量为零，但由于它是利用空气与水通过换热器 壁面的不接触对流换热来冷却水，其换热效率低，体积庞大造价高，其降温极限 为空气干球温度，在夏天等环境温度较高时很难达到降温要求，故其应用受到限 制【3 】o 湿式冷却塔是空气与水直接接触，进行传热、传质，达到降低循环水温度的 目的( 如图1 1 ) 。湿式冷却塔按水、气流动方向可分逆流式和横流式。双曲线型 冷却塔目前大都为逆流式的，同横流式冷却塔相比，其运行费用低，热效率高， 构件不易老化和因结冰而损坏，维修费用也相对较低。美国自1 9 7 4 年起已经不再 采用横流式冷却塔的方案了【4 】。湿式冷却塔以其造价低、换热效率高、降温极限为 空气的湿球温度等优点，目前被广泛应用于石油、化工、纺织及火力发电等行业， 北京交通大学硕士学位论文 但是其水量损失量大、水污染严重。由于湿式冷却塔主要是利用蒸发换热，即通 过循环水与环境空气的直接接触过程中，部分水的蒸发带走大量热量，从而达到 对循环水降温的目的。因此，蒸发损失是湿式冷却塔对循环水进行降温的必然产 物，是不可避免的【5 1 。 自然通风冷却塔内加装除水器的应用始于国外七十年代初，目前已广泛应用 ( 如图1 2 ) 。除水方法一般有重力法、惯性法、过滤法、静电法、热功法和声学 分离法等。目前流行的较好的方法是惯性撞击分离除水法【6 】。 塔 热空气塔出口 f f 图1 - 1 自然通风冷却塔结构 f i g 1 - 1 t h es k e t c ho f n a t u r a ld m f t w e tc o o l i n gt o w e r 1 2 研究背景及意义 图1 2 除水器的实物图 f i g 1 - 2t h ep r a c t i c a l i t yp i c t u r eo fd r i f te l i m i n a t o r 随着我国水资源的匮乏和节能降耗、保护环境的提出，越来越重视工业、企 业的浪费问题。电厂是用水大户，其中绝大多部分都用于冷却，部分冷却水在冷 却塔中以水蒸气的形式排放到大气中损失掉，而这部分水是可以回收再利用的【7 】。 电厂中设置冷却塔将其产生大量的废热带走。由于在冷却塔中发生强烈的气 水交换，产生大量的水蒸气随气流直接流出冷却塔排放到大气中，这样不仅会使 损失的水量增大而且还会造成环境污染。除水器是安装在冷却塔填料的上部，用 于截收冷却塔内的水分。因此有必要对除水器进行研究。 冷却塔在变负荷下淋水情况并不均匀以及塔内湿空气流场分布也不均匀，将 传统均匀分布的除水器的折板在气流带水严重的地方适当密集布置或者设置两折 除水器以拦截更多的水分，产生比原除水器更好的节水效果。加密除水器折板数 和设置两折除水器对除水效率有一定的提高，但是阻力也势必要增大。 2 引言 本文是在变间距的情况下，分析各参数对三种( 单折折线型、两折折线型和 折线弧型) 除水器的效率和压降影响，得出了一般情况下的除水器分离性能的规 律性结论，可为此类除水器的设计改进提供理论依据。 1 3 国内外研究现状及发展趋势 研究流体流动的方法有理论分析、实验研究和数值模拟三种。数值模拟以其 自身的特点和独特的功能，与理论分析和实验研究一起，相辅相成，逐渐成为研 究流体流动的重要手段，形成新的学科，计算流体力学( c f d ：c o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s ) 。 近年来，随着高速、大容量、低价格计算机的相继出现，以及c f d 方法的深 入研究，数值模拟的可靠性、准确性、计算效率得到很大提高，展示了采用c f d 方法用计算机代替实验装置和“计算实验”的应用前景。c f d 相对于试验研究有许 多独特的优点如：低成本、研制周期短。并且数值模拟可提供丰富的流场信息， 为设计者设计和改进流体机械提供依据i s 】。因此近些年来形成了理论、试验、数值 模拟三种研究方法相互结合相互促进的研究新局面。 对波纹板( 折线型) 除雾器的研究始于h o u g h t o n 和r a d f o r d ( 1 9 3 9 ) 阴。 v c r l a a n ( 1 9 9 1 ) ，g i l l a n d t e t a 1 ( 1 9 9 6 ) ，p h i l l i p s h e 和d e a k i n ( 1 9 9 0 ) ，w a n g 和 d a v i e s ( 1 9 9 6 ) t l o 】等人，对流过不同类型的波纹板除雾器的试验和数值模拟已经有很 多的研究了。 b u r k h o l z 1 1 】的研究工作成为目前用于计算波纹板除雾器液滴去除率的主要方 法；u s h i k i 等人【1 2 】测试了具有多排波纹板的除雾器的性能特点；p h i l l i p s 等人【1 3 】测 量了不同的除雾器的液滴去除效率；j a m i ep m o n a t 等人【1 4 】用激光干涉仪较精确的 测量了波纹板除雾器的液滴去除效率并提出了引起液滴再夹带的无因次参数； b j a z z o p a r d i 等人【1 5 】研究了在气流水平进入除雾器波纹通道的情况下液滴发生再 夹带的机制；v e r l 锄【1 6 】研究了液滴颗粒直径在2 0 i t r n - - - 9 0 1 a m 范围的情况下的去除 效率，分析了气流垂直进入除雾器波纹通道的情况下，由于液膜在波纹板上的溢流 而造成的液滴去除效率的降低。 近年来c f d 技术开始应用到波纹板除雾器的研究上来。v e r l a a n 在他的博士论 文中用商业软件p h o e n i c s 数值研究了波纹板除雾器的性能，但是由于没有考虑湍 流对颗粒运动的影响，所以得到的数值结果和他的实验值存在的较大的偏差；w a n g 等人在考虑了湍流对颗粒运动的作用的情况下，选择s t a n d a r dk 一占湍流模型计算了 流场，全面考察了液滴去除效率、阻力降的影响因素以及出口液滴浓度分布；在后 来的研究中w a n g 等人【1 7 】提出了低r ek s 模型进行湍流的模拟，在与s t a n d a r d 3 北京交通大学硕士学位论文 k s 模型比较后发现低r e k 一占模型的计算结果更接近实验值；g i l l a n d t 等人【1 8 】在 他们的z ”字形颗粒分离器的数值与实验研究中，也发现了低r e k 一占模型的优越 性。p h i l l i p s 和d e a k i n 1 9 l 对相同的波纹板除雾器使用了不同的湍流离散模型。商业 的c f x 软件用于模拟连续相，用拉格朗日法描述的颗粒轨迹运用一个运算法则。 j a m e se ta 1 使用相同的计算方法，用数值法分析了带倒勾的波纹板除雾器的效率的 影响1 2 0 l 。 j a m e se ta 1 2 1 l 的研究结果表明，c f d 与其他数学模拟方法能够很好结合，例 如，预测波纹板除雾器薄膜形成和分离，对这些现象理解的深入。 z h a oe ta 1 1 2 2 应用商业的c f d 中的f l u e n t 软件与除雾器叶片结构参数对除雾效 果影响相联系。作者的研究液滴粒径范围从1 0 1 u n - - - 4 0 1 u n ，只考虑运动过程中拖拽 力的方程，忽略了湍流离散的影响。气流速度在3 m s - - - 5 m s 范围内的收集效率与 l a n g e ta 1 1 2 3 j 的测量的对比，表明预测值比实验数据约小5 。 杨柳等1 2 4 j 针对除雾器的菱形布置方式和叶片的不同几何形状，通过大量实验 测定了除雾器的压力降和速度，利用水平衡法计算了除雾效率和液滴浓度，分析了 除雾器气流速度、叶片间距对除雾效率的影响及除雾器级数对除雾效率和压力降 的影响，为该型除雾器的设计和制造提供了参考依据。 赵毅等【2 5 】对湿式烟气脱硫塔中折线型挡板除雾器内气液两相流动进行了研 究，采用k s 模型及颗粒轨道模型对方程组进行封闭，建立了该类除雾器分离效率 的数学模型。模型的数值求解采用流体力学计算软件f l u e n t 6 1 。通过调节参数，计 算了多种除雾器结构参数( 除雾器高度、除雾器板间距、除雾器转折角) 和工况参数 ( 气体流速、液滴直径) 下的除雾器的分离效率，分析了各参数对除雾器分离效率的影 响，得出了一般情况下的除雾器分离性能的规律性结论，可直接应用于湿式烟气脱 硫系统除雾器的设计。 樊水冲等【2 6 】介绍了一种新颖、高效的除雾器一波纹板除雾器，总结了近年来国 外对其的研究现状。采用c f d 软件对波纹板除雾器的“z 字形通道内的流场进行 了模拟，对湍流的模拟进行了深入的讨论，选用低r e s s t k 一国湍流模型与已有的实 验与其他湍流方法模拟结果进行了比较，证实了该方法具有的优越性。通过拉格朗 日方法计算了液滴颗粒的运动轨迹，由此得到了液滴颗粒的去除效率。在此基础上 进一步考察了在较大的液滴分布范围和气流表观流速范围条件下，具有不同几何尺 寸的波纹板除雾器的性能特点。 华伟 2 7 1 对折线型挡板除雾器的单相流场及颗粒在流场中的运动轨迹进行了数 值模拟，以此从理论上来验证实验结果对脱硫除雾器动力学特性给出的描述。应 用大型通用流体计算程序来编写计算程序的，程序语言是建立在计算流体力学各 种计算功能之上的二次语言，很好地完成了预期目标。通过对计算结果的分析， j 引言 验证了多种结构参数和运行参数对脱硫除雾器的压力降、分离效率的影响。 申林艳【2 8 】对脱硫系统中的折板式除雾器进行了研究，应用商业c f d 软件对不 同结构参数及不同运行工况下除雾器的性能进行了预测。 郎方年【2 9 】以江苏扬州第一热电厂脱硫设备中采用的波纹板除雾器为例，利用 a n s y s 5 7 的c f d 模块对其弧形除雾通道内的稳流流场进行了数值模拟和分析， 并以此为基础，编制颗粒轨迹跟踪程序，才用数值计算方法分析了除雾器内不同 粒径颗粒的运动规律和捕集特性，同时计算不同结构形式除雾器的除雾效率。搭 建试验台模拟除雾器的实际工作环境，针对不同结构形式，改变影响除雾效率的 不同因素，测定除雾器的除雾效率。将其结果和李玟计算值进行对比。研究结果 表明，使用合理结构因素组合的波纹板除雾器能够获得较高的除雾效率，适用于 工业实际应用。 陈凯华，宋存义等【3 0 】采用c f d 软件对湿法烟气脱硫系统中广泛使用的折板式 除雾器的主要性能进行了数值模拟。建立了数学模型，对气体相采用基于雷诺时均 方程的s s t k 一国湍流模型封闭n s 方程，对液滴相采用基于e u l e r - l a g r a n g e 的 d p m 方法。通过调节除雾器的结构参数和工作参数，揭示了气液两相流动的流场， 分析了结构参数对除雾器分离效率和工作压力降的影响，可用于湿法烟气脱硫系统 中折板式除雾器的设计和优化。 从以上文献可以看出，近些年来对除雾器的改造研究较多，然而对除水器的 研究还是比较少的，而且大多是从材料和结构上的改进，对其空间布置和不同折 板形状的除水器研究的还比较少。我国对折板型除水器已经做了很多的研究，并 且其研究结果在工业实际应用中已经取得了显著的成效。目前大都是考虑的单通 道的情况，对于多通道的情况仍缺乏足够的研究工作。本文对三种除水器进行研 究：变间距单折折线型除水器、变间距两折折线型除水器和变间距折线弧型除水 器。分析各主要影响因素对三种除水器效率及压降的影响。 1 4 本文研究内容 综上所述，随着我国对水资源的匮乏和节能降耗、保护环境的提出，越来越 重视工业企业的浪费问题。而大部分的研究都集中在对烟气脱硫装置内的除雾器 的研究，对除水器的研究还很少，且对除水器的研究大部分是从材料和结构的改 进，对除水器的布置方式和折板形状的研究的还很少。因此有必要对除水器布置 方式和不同折板形状的除水器折板进行研究。 本文主要针对单折折线型、两折折线型和折线弧形型除水器进行研究，通过 改变除水器的本身结构因素( 折板间距和转折角) 和外界影响因素( 风速和液滴 5 北京交通大学硕士学位论文 粒径分布) 来分析各因素对三种除水器效率、压降及流体的运动规律的影响。 本文的主要研究内容包括以下几个方面： 1 ) 搭建一个风洞实验台，对除水器进行实验研究，得到不同折板间距、不同 折板形状下的效率、压降。绘制成风速效率、风速压降曲线图。 2 ) 利用数值模拟方法，研究液滴粒径分布、风速、折板间距等因素对三种除 水器效率和压降的影响规律。 3 ) 通过数值模拟方法，对不同工况下的除水器进行对比研究。整理得到不同 转折角、不同折板形状和服从不同液滴颗粒分布的除水器之间随各因素的 变化规律。 4 ) 安排正交试验，选择主要因素及水平，综合考虑效率指标和压力指标，分 析各因素对冷却塔效率和压降影响的主次顺序，得出最优试验方案。 6 除水器性能实验研究 2 除水器性能实验研究 自然通风冷却塔内安装除水器，虽然增加了冷却塔的总阻力，但它能截收大 量的飘滴，减少对周围环境的影响。因此，科学合理地设计、使用除水器对保护环 境、系统正常运行有着非常重要的意义。本章对单折折线型、两折折线型和折线 弧型除水器进行风洞实验研究。 2 1 除水器简介 2 1 1 除水器工作原理 除水器是采用惯性分离原理来除去气流中携带的液滴的。当塔内的气流携带 着液滴垂直上升运动进入除水器后，气流穿过除水器折板的弯曲通道继续上升， 液滴颗粒在惯性作用下，不能及时随气流改变流向而碰撞到除水器的折板上被截 收回来【3 l 】。 塔内细小的液滴在上升的气流中主要受到气流的重力和吹托力( 气流与液滴 颗粒相对运动过程中产生的阻力) 的作用。当气流的吹托力大于液滴的重力时， 这部分液滴将被气流带走；反之，当气流的吹托力小于液滴的重力时，依靠重力 即可进行气水分离。影响这2 个力的主要因素是液滴直径d 和气流速度v ，可近似 按下述方法计算。液滴所受重力g 为口2 】： g ：# p l g d ( 2 1 ) 式中：岛一液滴密度，k g m 3 ；g 一当地重力加速度，9 8 1m s 2 。 气流对液滴的吹托力f 为： f ：7 d 2 p g v 2 善+ 丝望 ( 2 - 2 ) 86 、7 式中：& 塔内气流密度，k g m 3 ；孝一阻力系数，对喷淋和喷雾一般可取0 1 0 上述两力应平衡，化简后可得： ( 2 3 ) ( 2 _ 4 ) 北京交通大学硕士学位论文 当液滴直径d 一定，烟气速度v 低于式( 2 3 ) 计算值时，或当烟气速度一定，液滴 直径大于式( 2 _ 4 ) 计算值时，液滴都不会被烟气带走；反之，则会被带走。被烟气 带走的液滴要靠除水器来进行气水分离。 2 1 2 除水器作用 除水器装设在冷却塔喷溅装置的上部，或淋水板的后部，用来除去气流中所 夹带的部分液滴，它的作用有： 1 ) 减少风吹损失，节约用水量； 2 ) 有利于环境保护，防止空气污染，以免周围环境长期处于降水和湿润状态； 3 ) 缩短冷却塔与汽机房的距离，减少管沟长度，节约投资与耗材量。缩小总 体布置，节省占地； 4 ) 可避免升压站的瓷瓶因水汽结冰产生闪络停电事故； 5 ) 塔附近金属构件的锈蚀程度可以减轻，临近道路的冷季节冰滑交通事故可 以减少【3 3 】。 2 2 实验方案设计 气流携带着液滴颗粒进入除水器经过除水器弯曲通道后流出除水器，这个过 程是非常复杂的。它涉及到液滴群的碰撞、合并，液滴在运动过程中的变形、蒸 发，气液传热，液滴碰撞除水器折板后的溅射、反弹。除水器折板壁面水膜撕裂， 二次携带等。由于这些都是细小的、微观的变化，很难科学的描述，并且在模拟 过程中这些现象都被忽略或简化，因此有必要对其采用实验研究。 本节主要介绍实验台的设计、搭建， 理分析，计算在不同工况下除水器的效率， 2 2 1 实验对象 实验仪器的说明及对实验数据进行了整 并分析各因素对除水器性能的影响。 本文以单折折线型、两折折线型和折线弧型除水器为研究对象进行实验研究， 如图2 1 所示。影响除水器的因素包括除水器本身的结构因素和外界环境因素。本 实验主要考虑折板间距、折板形状、进入除水器的风速等因素。 8 ( a ) 单折折线型除水( b ) 折线弧型除水器( c ) 两折折线型除水器 图2 1 除水器折板形状 f i g 2 - 1t h es p a c eo f t h ed r i f te l i m i n a t o r 2 2 2 实验目的 通过风洞实验对单折折线型、两折折线型和折线弧型除水器研究，以得到不 同工况下除水器的特性曲线： 1 ) 效率风速曲线 2 ) 压降风速曲线 通过实验结果整理出不同折板间距、不同风速和不同折板形状下除水器的效 率特性曲线，可为此类除水器的设计提供理论依据。 2 2 3 实验台设计 图2 2 为所搭建的实验台的系统图，实验台的具体尺寸( 长宽高) 为： 2 0 0 0 m m x 8 0 0 m m x 7 0 0 m m ，风洞的有效截面积为2 5 0 m m x 2 5 0 m m 。其中除水器折板 的形状如图2 2 所示，单折折线型除水器、两折折线型除水器和折线弧型除水器。 叶片间距可根据手动来调节。 实验台工况：实验是在室温下进行的，压力喷壶中的水为常温下的水， 2 0 - - 2 5 左右。空气相对湿度为4 0 - - - 6 0 。 在实验中，液滴颗粒喷射的流速跟气相的流速很难达成一致，所以在喷射入 口处喷射液滴颗粒要跟实验段有一段距离，使液滴与气流充分混合，风速达到一 致后进入实验段。 9 北京交通大学硕士学位论文 1 压力喷壶；2 压力测孔；3 实验段；4 盛水托盘；5 风机；6 风机托架；7 风机出口 图2 2 实验台系统图 f i g 2 2s c h e m a t i co fe x p e r i m e n t a ls y s t e m 本实验为风洞试验，主要的实验设备和仪器如表2 1 所示。 表2 1 风洞实验台主要设备和仪器 t ，出l e2 - 1t i 他m a i ni n s t r u m e n t so f t h ew i n dt u n n e lt e s t - b e d 2 2 4 实验原理及步骤 气流携带的液滴进入风洞除水器通道，气流方向随着除水器通道方向改变而 改变，而液滴颗粒具有一定质量，由于惯性的作用部分液滴颗粒的运动方向还来 1 0 除水器性能实验研究 不及改变就碰撞到除水器折板被捕获，另一部分则随着气流流出除 液滴的浓度可由式2 5 计算出： d ：塾卫 一 s 1 ，t 式中：q 一除水器内液滴的浓度，g m 3 ；确一实验前为托盘及除水器折板的重量，g ： 聊：一实验后托盘及除水器折板的重量，g ；s 一除水器通道的截面积，m ? ； 1 ，一实验风速，m s ；f 采样时间，s 。 除水效率为： ，7 ：m 2 - m 1 1 0 0 1 o y o ( 2 一6 )，7 = ( - 6 ) 一鸭 、。 式中：一实验前喷壶及其内水量，g ；鸭一实验后喷壶及其内水量，g 。 实验步骤： 1 ) 将一定间距的除水器折板和盛水的托盘用电子天平称其干重，并记录数 据。将压力喷壶充入一定量的水，并用电子天平称其重量并记录数据。 2 ) 将上述除水器折板及托盘安装到风洞实验的测试段，并固定好。 3 ) 开启风机，调节风机出口处的挡板数，使进入除水器的风速稳定在实验要 求的风速。 4 ) 将称重好的压力喷壶放入风洞入口处，按下喷壶的开关，并同时用秒表记 录测试时间。在此期间用微压计测量进入除水器前后的压差，并记录数据。 5 ) 关闭压力喷壶并停止计时，待几分钟之后关闭风机。将除水器及托盘从风 洞内取出，并用电子天平称其湿重并记录数据。将喷壶及剩余的水用电子 天平称重，并记录数据。 6 ) 整理实验数据，根据式( 2 6 ) ，可以算出除水器的效率，压降可由微压计直 接读取。 2 2 5 实验内容 1 ) 选择单折折线型、两折折线型和折线弧型三种除水器为实验研究对象，分别 进行风洞实验研究。实验工况如表2 2 所示： 表2 - 2 三种除水器的实验参数 t a b l e 2 - 2t h ee x p e r i m e n t a l p a r a m e t e r so f t h r e et 埋e so fd r i f te l i m i n a t o r 一一 实验参数计算取值。 除水器折板形状单折折线型、两折折线型、折线弧型 折板间距_ m m5 0 5 0 、5 0 - 6 0 、5 0 9 0 风速( m s ) 3 、4 、5 、6 、7 ， 1 l 北京交通大学硕士学位论文 2 ) 通过风洞实验研究，得到不同工况下除水器的效率和压降，整理出风速一效率、 风速一压降曲线图。并进行对比分析，得到不同种类的三种除水器与不同折板 间距的折线型除水器的效率与压降随风速变化曲线图。 3 ) 根据实验数据，确定模型参数，为模拟提供基础数据。 2 3 实验结果及分析 表2 3 为除水器的转折角a = 4 5 0 、不同折板类型( 单折折线型、两折折线型和 折线弧型) 、不同折板间距( 5 0 5 0 m m 、5 0 6 0 m m 和5 0 9 0 r a m ) 、不同风速( 2 m s - - , 7 m s ) 下，进行风洞实验所得到的实验数据。 由于实验风速是在入口处测量，在入口处风速还不稳定，有一定的波动。因 此本实验采取了5 个测风点，当其速度波动值在平均速度的士5 以内可以认为气流 分布是均匀的。表2 3 中的风速为平均风速。风速大小可通过风机出口处的挡板数 来调节，本实验的风机通风量较大，风速调节较为困难，因此本文实验的风速并 不全是整数。 1 2 除水器性能实验研究 表2 3 不同风速下除水效率和压降 t a b l e 2 - 3t h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c ya n d p r e s s u r ed r o po f t h e d r i f te l i m i n a t o ra td i f f e r e n tw i n ds p e e d 实验 实 平均托盘托盘除水器喷壶前喷壶后喷水 效率 压 条件 验风速干重湿重除水量重量重量量 降 号 m s ggggggp l3 o1 7 2 41 9 0 01 7 63 8 7 73 6 7 02 0 7 8 4 8 28 单折折线型 24 01 7 2 51 9 8 92 6 43 6 8 53 3 7 33 1 28 4 5 81 4 折板间距 35 21 7 3 0 1 9 9 32 6 3 4 0 9 63 7 8 8 3 0 88 5 5 42 1 5 0 5 0 m m 4 5 31 5 5 11 9 9 94 4 84 5 3 34 0 1 95 1 48 7 2 42 2 时间 55 01 6 2 42 1 9 75 7 33 6 5 93 0 1 16 4 88 8 4 62 4 6 0 石l s 66 01 7 5 1 2 2 5 3 5 0 231 6 12 6 0 95 5 2 9 0 8 73 3 77 01 7 9 82 4 3 6 6 3 8 3 5 6 5 2 8 3 77 2 88 7 5 84 2 83 o1 3 1 01 5 1 32 0 33 8 9 43 6 3 22 6 27 7 4 48 单折折线型 94 01 31 01 4 5 31 4 33 4 0 93 2 2 71 8 27 8 7 0 1 3 折板间距 l o5 01 3 0 31 5 3 32 3 03 8 7 1 3 5 8 52 8 68 0 2 42 0 5 0 6 0 r a m 1 15 5t 3 2 11 6 7 43 5 32 6 6 9 2 2 5 14 1 88 4 4 62 7 时间 6 0 _ 6 1 s 1 26 01 3 0 11 6 2 63 2 53 8 0 23 4 3 63 6 68 8 7 42 9 1 37 01 3 3 71 7 4 34 0 63 1 5 52 6 84 7 58 5 4 83 9 1 43 0 9 7 1 1 1 1 4 1 4 34 9 6 24 6 7 52 8 74 9 7 69 单折折线型 1 53 69 7 81 1 5 61 7 84 6 2 54 2 7 93 4 65 1 5 01 2 折板间距 1 63 79 6 11 2 2 52 6 44 5 6 64 0 5 35 1 35 1 4 51 2 5 0 9 0 r a m 1 74 01 4 4 61 7