一种横流湿式冷却塔阻力特性试验装置及测试方法与流程

本发明属于冷却塔阻力特性试验领域，具体涉及一种横流湿式冷却塔阻力特性试验装置及测试方法，用于指导大型横流湿式冷却塔阻力的准确计算，为大型横流湿式冷却塔的结构尺寸优化提供依据。

背景技术：

冷却塔广泛应用于国民经济的许多部门，如电力、石油、化工和钢铁等，其作用是将挟带废热的冷却水在塔内与空气进行热交换，使废热传输给空气并散入大气。冷却塔按热水与空气的流动方向可分为逆流式冷却塔和横流式冷却塔。目前，逆流式冷却塔的热力阻力特性研究已较成熟。随着我国在建的火力发电机组容量越来越大，逆流式自然通风冷却塔受淋水密度小和塔筒过高等局限性影响日益突出，部分百万级机组配用的逆流式自然通风冷却塔高度已超出结构计算的规范范围。横流式自然通风冷却塔换热能力低于逆流式冷却塔，但仍具有淋水密度大、通风阻力小、塔筒结构尺寸小，投资省、噪音低的特点，可供电力大容量机组选择试用。研究横流式自然通风冷却塔的设计，并应用于工程实践，实现大容量机组配用的自然通风冷却塔的选型多样化是很有必要的。

大型横流湿式冷却塔由进风口百叶窗、淋水填料、配水系统、除水器、进风口、塔筒支柱和塔筒等组成，其阻力特性研究需要通过模型阻力特性试验完成，而通过各部分阻力特性试验效果相叠加来评估冷却塔的阻力特性，忽略了各部分之间的相互影响，不能真实的反映冷却塔的实际情况。通过相似规律，设计大型横流湿式冷却塔阻力特性试验装置用于研究冷却塔的阻力特性及影响因素是可行的研究方法。同时避免了对工业冷却塔进行实测时工程量大、数据不易测试精确、无法研究冷却塔各部件尺寸变化对冷却塔阻力系数影响的变化关系问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种横流湿式冷却塔阻力特性试验装置及测试方法，该装置可研究冷却塔阻力特性随进风口高度、淋水填料阻力系数、淋水填料封板角度的变化规律，用于指导大型横流湿式冷却塔的结构设计。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种横流湿式冷却塔阻力特性试验装置，包括模型塔、可升降试验平台、第一通风管道以及第二通风管道；模型塔包括淋水填料模拟板、淋水填料顶部封板、塔筒、塔筒支柱以及稳压直管段，塔筒通过塔筒支柱设置在试验平台上，并且塔筒与试验平台之间的空隙形成进风口，淋水填料模拟板布置在试验平台上并且设置在进风口的周围，淋水填料模拟板上均匀开设有通风孔，淋水填料顶部封板一端设置在淋水填料模拟板顶部，另一端与塔筒底部相连，稳压直管段设置在塔筒的顶部，稳压直管段顶部设置有第一通风管道，第一通风管道连接有第二通风管道，塔筒、稳压直管段、第一通风管道以及第二通风管道相连通。

本发明进一步的改进在于，试验平台底部还设置有用于控制其高度的升降装置。

本发明进一步的改进在于，淋水填料顶部封板与水平面的夹角为10～25°，并且向上倾斜。

本发明进一步的改进在于，第二通风管道内沿气流方向设置有整流装置和变频风机。

本发明进一步的改进在于，淋水填料模拟板由有机玻璃板制成；塔筒呈双曲线形，材质为有机玻璃；塔筒和稳压直管段内不同高度设置有用于测量风速及压力的第一测量截面、第二测量截面、第三测量截面、第四测量截面，在每个测量截面上四个等间距的半径方向均开设有四个测量孔，在每个半径方向上的测量孔中放入l型皮托管或热线风速仪。

本发明进一步的改进在于，第一测量截面位于塔筒底部的横截面的位置，第二测量截面位于塔筒中部横截面的位置，第三测量截面位于稳压直管段底部横截面的位置，第四测量截面位于稳压直管段中部横截面的位置。

一种横流湿式冷却塔阻力特性测试方法，包括淋水填料模拟板的阻力系数的确定、塔内风速分布的测试、进风口区域阻力的测试和进风口区域阻力系数的测试，具体如下：

1)不同高度、不同孔径、孔间距的圆环型淋水填料模拟板的阻力系数的确定：

通过数值模拟方法对不同孔径、孔间距的平板的阻力系数进行模拟计算，得到所需的淋水填料模拟板的孔径和孔间距，按照得到的不同阻力系数的平板的开孔孔径和孔间距对环形淋水填料模拟板进行加工制造，得到相应阻力系数的淋水填料模拟板；

2)塔内风速分布的测试：

调整塔筒和试验平台之间的距离，以确定进风口高度，进风口高度有四种，分别对应进风口面积与塔筒底部的横截面面积比值为0.7、0.8、0.9以及1.0；利用得到的不同阻力系数的淋水填料模拟板，确定需要模拟的淋水填料模拟板的阻力系数，淋水填料模拟板的阻力系数分为四种，分别是15、25、35以及45；调整变频风机的风量，使模型塔内达到稳定气流运行条件；将热线风速仪依次插入模型塔的第一测量截面、第二测量截面、第三测量截面、第四测量截面的测量孔中，在测试过程中将被测试的测量孔周围做密封处理，其余的测量孔做密封处理，完成对塔筒不同高度和稳压直管段不同位置风速的测试；

3)进风口区域阻力的测试：采用塔内风速测试的步骤调整试验工况，在塔筒与稳压直管段的连接处的第三测量截面布置压力测试点，分别在第三测量截面四个正交的半径方向进行测试，每个半径按照等面环的方法布置五个测试点；测试对应测试点的压力值，以测试的各处压力值的算术平均值作为冷却塔出口处的压力值，同时测量大气压力值和当时环境温度，大气压力值与冷却塔出口处的压力值之差即进风口区域的阻力值；

4)进风口区域阻力系数的测试：

冷却塔阻力系数计算中用到的风速为淋水填料的断面风速，根据稳压直管段的横截面的面积和第四测量截面处的风速通过通风量相等的方法计算出淋水填料模拟板处的断面风速：

根据测试到的模型塔进风口区域的阻力值、环境温度、大气压力和淋水填料模拟板断面处的风速进行进风口区域阻力系数的计算：

模型塔的总阻力系数为进风口区域的阻力系数和出风口的阻力系数之和。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中采用塔内风速测试的步骤调整试验工况的具体过程为：当进风口高度对应进风口面积与塔筒底部的横截面面积比值为0.7时，淋水填料模拟板的阻力系数分为四种，分别是15、25、35以及45；测量四种阻力系数下塔内风速分布；当进风口高度对应进风口面积与塔筒底部的横截面面积比值为0.8时，淋水填料模拟板的阻力系数分为四种，分别是15、25、35以及45；测量四种阻力系数下塔内风速分布；当进风口高度对应进风口面积与塔筒底部的横截面面积比值为0.9时，淋水填料模拟板的阻力系数分为四种，分别是15、25、35以及45；测量四种阻力系数下塔内风速分布；当进风口高度对应进风口面积与塔筒底部的横截面面积比值为1.0时，淋水填料模拟板的阻力系数分为四种，分别是15、25、35、45；测量四种阻力系数下塔内风速分布。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中进风口区域的阻力值的计算公式如下：

式中：δp—进风口区域的阻力值，pa；

p0—大气压力值，pa；

n—测试点总数；

pi—第三测量截面处测试点对应的压力值，pa。

本发明进一步的改进在于，步骤4)中淋水填料模拟板处的断面风速的计算公式为：

式中：v—淋水填料模拟板的断面风速，m/s；

a1—淋水填料模拟板的进风口面积，m²；

a—稳压直管段的横截面的面积；

n—测试点总数；

vi—第四测量截面中测试点对应的风速值，m/s；

步骤4)中进风口区域阻力系数的计算公式为：

式中：ξ1—进风口区域的阻力系数；

ρ—由测试工况大气压力和环境温度计算得到的空气密度，kg/m³；

v—淋水填料模拟板的断面风速，m/s；

模型塔的总阻力系数ξ通过如下公式计算：

式中：ξ1—进风口区域的阻力系数；

α—出口风速不均匀系数，且α为1；

a2—模型塔的出风口的面积，m²；

a1—淋水填料模拟板的进风口面积，m²；

ξ—模型塔的总阻力系数。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：本发明模型塔符合相似定律，试验过程中塔内风速达到阻力平方区的要求，可反映工业冷却塔内的气流运动规律，设计了模型试验装置及测试方法，可根据测试需要调整塔内风速、进风口高度、淋水填料阻力系数、淋水填料封板倾斜角度等影响横流湿式冷却塔阻力特性的影响因素，试验结果包含了各部件之间的相互影响，测试结果更合理。此方法操作性强，避免了对冷却塔单个部件进行阻力性能测试而忽略冷却塔部件间的相互影响的因素，同时避免了对工业冷却塔进行实测时工程量大、数据不易测试精确、无法研究冷却塔各部件尺寸变化对冷却塔阻力系数影响的变化关系问题。

进一步的，平台底部四周还有控制其高度的升降装置，能够满足不同进风口高度的要求。

本发明采用的数值模拟计算淋水填料模拟板阻力系数确定其孔径和孔间距的方法避免了淋水填料模拟板开孔的盲目性。本发明对影响横流湿式冷却塔阻力系数的影响因素(进风口高度、淋水填料顶部封板角度和淋水填料模拟板阻力系数)给出了调节方法和调节参数范围，可用于研究横流湿式冷却塔阻力特性随冷却塔进风口高度、淋水填料封板角度和淋水填料阻力系数的变化关系，指导工业应用冷却塔的结构优化设计。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明淋水填料模拟板的结构示意图。

图3是本发明截面测试位置的示意图。

图4为第三测量截面上的测试点。

图5为第一测量截面上的测试点。

图中，1为试验平台，2为淋水填料模拟板，3为淋水填料顶部封板，4为塔筒支柱，5为塔筒底部，6为塔筒，7为稳压直管段，8为第一通风管道，9为第二通风管道，10为整流装置，11为变频风机，12为模型塔，13为升降装置，14为通风孔，15为第一测量截面，16为第二测量截面，17为第三测量截面，18为第四测量截面，19为测试点。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明的大型横流湿式冷却塔阻力特性试验装置包括模型塔12、可升降试验平台1、变频风机11及相应第一通风管道8、第二通风管道9。模型塔12包括淋水填料模拟板2、淋水填料顶部封板3、塔筒6、塔筒支柱4以及稳压直管段7。塔筒6通过塔筒支柱4设置在试验平台1上，并且塔筒6与试验平台之间的空隙形成进风口，淋水填料模拟板2布置在塔筒底部进风口的周围，周向布置，即在塔筒6的外侧设置一圈淋水填料模拟板2；所述淋水填料顶部封板是具有一定倾斜角度的连接淋水填料模拟板和塔筒的连接部件。参见图2，淋水填料模拟板2上均匀开设有通风孔14，淋水填料模拟板2由有机玻璃板制成，为了模拟不同高度、不同深度的淋水填料，本发明中淋水填料模拟板2的高度分四种；针对每种高度的淋水填料模拟板2，通过改变通风孔14的孔径和孔间距，淋水填料模拟板2的阻力系数也分四种。淋水填料模拟板2也设置在可升降试验平台1上，可升降试验平台1是具有一定面积的操作平台，其上部起支撑模型塔12的作用，试验平台底部四周还设置有用于控制其高度的升降装置13，用来满足不同进风口高度的要求。淋水填料模拟板2顶部为淋水填料顶部封板3。淋水填料顶部封板3一端设置在淋水填料模拟板2顶部，另一端与塔筒底部5相连，淋水填料顶部封板3是具有一定倾斜角度的连接淋水填料模拟板2和塔筒6的连接部件，本发明中淋水填料顶部封板3的倾斜角度为10～25°向上斜向塔筒6。塔筒支柱4环绕设置在塔筒6底部。稳压直管段7位于塔筒6的顶部。稳压直管段7顶部设置有与稳压直管段7相连通的第一通风管道8，第一通风管道8连接有第二通风管道9，第二通风管道9内沿气流方向设置有整流装置10和变频风机11；变频风机11及相应第一通风管道8、第二通风管道9用来满足模型塔12对风速和稳定气流的要求。

参见图3、图4和图5，塔筒6呈双曲线形，由工业冷却塔原型依据相似原理等比例缩小制作，材质为有机玻璃。稳压直管段7位于塔筒6和第一通风管道8之间。塔筒6和稳压直管段7内不同高度设置有用于测量风速、压力的第一测量截面15、第二测量截面16、第三测量截面17、第四测量截面18，在每个测量截面上四个等间距的半径方向均开设有4个测量孔，即在塔筒6和稳压直流段7的筒壁上开设测量孔，在每个半径方向上的测量孔中插入l型皮托管，用于测试压力，或插入热线风速仪，用于测试风速。

具体的，第一测量截面15位于塔筒6的底部横截面的位置，第二测量截面16位于塔筒6中部横截面的位置，第三测量截面17位于稳压直管段7底部横截面的位置，第四测量截面18位于稳压直管段7中部横截面的位置。

本发明基于上述试验装置的大型横流湿式冷却塔阻力特性测试方法，包括淋水填料模拟板2的阻力系数的确定、塔内风速分布的测试、进风口区域阻力的测试和进风口区域阻力系数的测试，具体如下：

1)不同高度、不同孔径、孔间距的圆环型淋水填料模拟板2的阻力系数的确定。其步骤如下：通过数值模拟方法对不同孔径、孔间距的平板的阻力系数进行模拟计算，得到所需的淋水填料模拟板2的孔径和孔间距。对得到的不同孔径、孔间距的平板阻力系数进行风洞实验室实测，以验证数值模拟方法的正确性，按照模拟得到的不同阻力系数的平板的开孔孔径和孔间距对环形淋水填料模拟板2进行加工制造，即得到相应阻力系数的淋水填料模拟板。此方法避免了淋水填料模拟板开孔的盲目性。

2)塔内风速分布的测试，其步骤如下：利用可升降试验平台1调整塔筒6和试验平台1之间的距离，以确定进风口高度，在本发明中依据工业实际冷却塔的结构尺寸，进风口高度有四种，分别对应进风口面积与塔筒底部5的横截面(即塔筒底面的横截面)面积比值为0.7、0.8、0.9、1.0；利用得到的不同阻力系数的淋水填料模拟板2，确定需要模拟的淋水填料模拟板2的阻力系数，在本发明中依据工业实际冷却塔的结构尺寸及阻力特性，淋水填料模拟板2的阻力系数分为四种，分别是15、25、35、45；调整淋水填料模拟板2与塔筒6之间淋水填料顶部封板3的角度，以确定淋水填料封板3的倾斜角度，在本发明中淋水填料顶部封板3的倾斜角度调节范围为10～25°；调整变频风机11的风量，使模型塔12内达到稳定气流运行条件。将热线风速仪依次插入模型塔12的第一测量截面15、第二测量截面16、第三测量截面17、第四测量截面18的测量孔中，在测试过程中将被测试的测量孔周围做密封处理，其余的测量孔做密封处理，完成对塔筒6不同高度和稳压直管段7不同位置风速的测试，在本发明中每个测量截面分别在四个正交的半径方向进行测试，每个半径按照等面环的方法布置五个测试点19。

3)进风口区域阻力的测试：采用塔内风速测试的步骤调整试验工况，具体过程为：当进风口高度对应进风口面积与塔筒底部5的横截面面积比值为0.7时，淋水填料模拟板2的阻力系数分为四种，分别是15、25、35、45；测量四种阻力系数下塔内风速分布；当进风口高度对应进风口面积与塔筒底部5的横截面面积比值为0.8时，淋水填料模拟板2的阻力系数分为四种，分别是15、25、35、45；测量四种阻力系数下塔内风速分布；当进风口高度对应进风口面积与塔筒底部5的横截面面积比值为0.9时，淋水填料模拟板2的阻力系数分为四种，分别是15、25、35、45；测量四种阻力系数下塔内风速分布；当进风口高度对应进风口面积与塔筒底部5的横截面面积比值为1.0时，淋水填料模拟板2的阻力系数分为四种，分别是15、25、35、45；测量四种阻力系数下塔内风速分布。

在塔筒6与稳压直管段7的连接处的第三测量截面17布置压力测试点，分别在第三测量截面17四个正交的半径方向进行测试，每个半径按照等面环的方法布置测试点19五个。测试对应测试点19的压力值，以测试的各处压力值的算术平均值作为冷却塔出口处的压力值，同时测量大气压力值和当时环境温度，大气压力值与冷却塔出口处的压力值之差即进风口区域的阻力值，其计算公式如下：

式中：δp—进风口区域的阻力值，pa；

p0—大气压力值，pa；

n—测试点总数，本实施例中为第三测量截面17处的测试点总数，四个半径方向共20个；

pi—第三测量截面17处测试点对应的压力值，pa。

4)进风口区域阻力系数的测试，其步骤如下：冷却塔阻力系数计算中用到的风速为淋水填料的断面风速，根据稳压直管段7的横截面积(即第四测量截面18的面积)和第四测量截面18处的风速通过通风量相等的方法计算出淋水填料模拟板2处的断面风速，计算公式如下：

式中：v—淋水填料模拟板2处的断面风速，m/s；

a1—淋水填料模拟板2处的进风口面积，m²；

a—稳压直管段7处的横截面的面积，本实施例中是第四测量截面18的面积，m²；

n—测试点总数，本实施例中为第四测量截面18处的测试点总数，四个半径方向共20个；

vi—第四测量截面18中测试点对应的风速值，m/s。

根据测试到的模型塔进风口区域的阻力值、环境温度、大气压力和淋水填料断面处的风速可进行进风口区域阻力系数的计算，其计算公式如下：

式中：ξ1—进风口区域的阻力系数；

ρ—由测试工况大气压力和环境温度计算得到的空气密度，kg/m³；

v—淋水填料模拟板2处的断面风速，m/s；

模型塔的总阻力系数可由进风口区域的阻力系数和出风口的阻力系数之和来计算，公式如下：

式中：ξ1—进风口区域的阻力系数；

α—出口风速不均匀系数，一般取为1；

a2—模型塔的出风口即第三测量截面17的面积，m²；

a1—淋水填料模拟板2处的进风口面积，m²；

ξ—模型塔的总阻力系数。

本发明模型塔符合相似定律，试验过程中塔内风速达到阻力平方区，可反映工业冷却塔内的气流运动规律，设计了模型试验装置及测试方法，可根据测试需要调整塔内风速、进风口高度、淋水填料阻力系数、淋水填料封板倾斜角度等影响横流湿式冷却塔阻力特性的影响因素，试验结果包含了各部件之间的相互影响，测试结果更合理。此方法操作性强，避免了对冷却塔单个部件进行阻力性能测试而忽略冷却塔部件间的相互影响的因素，同时避免了对工业冷却塔进行实测时工程量大、数据不易测试精确、无法研究冷却塔各部件尺寸变化对冷却塔阻力系数影响的变化关系的问题。

本发明可用于研究横流湿式冷却塔阻力特性随冷却塔进风口高度、淋水填料封板角度和淋水填料阻力系数的变化关系，指导工业应用冷却塔的结构优化设计。