CN107817267A - 一种多孔介质水力特性及热质交换的可视化测试平台 - Google Patents

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孔庆杰
张志祥
赵雪怡
刘婷婷
吴倩
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Abstract

本发明公开了一种多孔介质水力特性及热质交换的可视化测试平台，平台包括冷却塔塔体、进风装置以及循环水装置；冷却塔塔体包括外壳、除水器、填料块，下方设置有空气分配室，进风装置与空气分配室相连接；循环水装置包括回收水池、恒温水箱、循环水泵、电磁流量计、水分配器、旁路管以及过滤器；进风装置包括离心风机、进风加热器、蒸汽加湿器以及设置在空气分配室内的空气进风整流栅。本发明通过填料块更换装置在测试不同多孔介质水力及传热传质特性时，既可方便快捷的更换填料，又可在一定范围内改变试验中填料的位置高度，同时冷却塔透明塔体可实现对不同多孔介质传热传质特性测试过程的可视化。

Description

一种多孔介质水力特性及热质交换的可视化测试平台
技术领域
本发明涉及一种多孔介质水力特性及热质交换的可视化测试平台，属于热工测量技术领域。
背景技术
逆流式湿式冷却塔作为重要的换热设备广泛应用于电力、化工等各个领域，用来冷却从冷凝器及工艺设备等出来的温度较高的水或其它介质。被冷却介质由冷却水泵加压输送至冷却塔的分配管中，然后经喷嘴喷淋到多孔介质上，与此同时，环境空气由于塔的抽吸作用从塔底四周吸入，与被冷却介质进行充分的热质交换。多孔介质填料块是冷却塔循环冷却的关键部件，其热工性能的优劣对于冷却塔换热效率有重要影响。
在湿式冷却塔中，淋水填料的冷却效率可达50％到70％。多孔介质淋水填料的作用是将配水装置喷洒出来的热水分散成水膜或细小液滴，最大限度地延长空气和水的接触时间，增大两者的接触面积，从而使水和空气能够进行有效的热、质交换，因此对多孔介质填料水力特性及传热传质特性的测试及测量以用于优化填料结构并提高其热工性能显得尤为关键，同时对改进冷却塔节能技术也至关重要。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种测量多孔介质水力特性及传热传质特性的可视化测试平台，在测试不同多孔介质水力及传热传质特性时，通过填料块更换装置既可方便快捷的更换填料，又可在一定范围内改变试验中填料的位置高度。
为达到上述目的，本发明的所述方案是这样实现的：
一种多孔介质水力特性及热质交换的可视化测试平台，所述平台包括冷却塔塔体、进风装置以及循环水装置；
所述冷却塔塔体包括外壳，设置在塔体内部上方的除水器，塔体内部的中部位置设置填料块，所述冷却塔塔体下方设置有空气分配室，所述进风装置与空气分配室相连接；
所述循环水装置包括回收水池、恒温水箱、循环水泵、电磁流量计、水分配器、旁路管以及过滤器；所述回收水池位于填料块下方，并且嵌入安装在空气分配室内，通过出水管与恒温水箱相连，所述恒温水箱内设置水箱加水口、电加热器，所述循环水泵和恒温水箱的底部连接，循环水泵的出口管路分成两路，一条管路通过旁路管连接到恒温水箱，另一条管路连通水分配器，管路上设置电磁流量计，所述电磁流量计与循环水泵之间设置过滤器，所述水分配器位于冷却塔塔体内，位于除水器与填料块之间；
所述进风装置包括离心风机、进风加热器、蒸汽加湿器以及设置在空气分配室内的空气进风整流栅，所述离心风机、进风加热器、蒸汽加湿器依次通过管路连通空气分配室。
作为优选方案，上述差压计的测压孔布置在冷却塔塔体四周，位于填料块上、下端面与冷却塔体对应的周线中心处，每条周线上各四个，直径为4mm，采用数字式微压差计测量经过填料块前后的空气差。
作为优选方案，上述恒温水箱内设置温控器以及与温控器相连接的第一测温探头，所述温控器一端连接第一测温探头，另一端连接电加热器；所述空气分配室内设置第二测温探头，所述冷却塔内上端设置第三测温探头，所述第二测温探头和第三测温探头均连接到数字式干湿球温度仪。
作为优选方案，上述冷却塔的进出水处设置铂电阻温度传感器，所述铂电阻温度传感器安装在水分配器的喷淋水进口段的测温套管中以及回收水池通往恒温水箱的管道上；所述空气分配室的空气入口端以及电磁流量计与水分配器之间的管路上设置压力表。
作为优选方案，上述平台还包括填料块更换装置，所述填料块更换装置包含可移动填料块支撑架，可移动填料块支撑架两侧面前后各有一直齿轮，与固定在冷却塔内壁的齿条啮合，可移动填料块支撑架放置在下方的轨道上，轨道与外壳相连，轨道下方设置有轨道固定架，轨道固定架与冷却塔塔体内部两侧固定。
作为优选方案，上述冷却塔塔体采用透明有机玻璃板组装而成，冷却塔塔体顶部安装有支撑架和滚轮，滚轮下方设置有悬吊臂，悬吊臂一端固定在冷却塔塔体上，另一端安装有第一滑轮，同时冷却塔塔体侧面上也设置有第二滑轮，所述滚轮及第一滑轮,第二滑轮上绕有钢丝，所述钢丝一端固定于滚轮上，另一端穿过第一滑轮与第二滑轮，固定于可移动填料块支撑架上，所述滚轮侧面连接有摇杆，通过摇杆转动钢丝改变可移动填料块支撑架的高度，从而改变测试过程中填料块的位置高度。
作为优选方案，上述填料块更换装置上下端面采用带有倾角的翅片啮合密封，翅片与水平面的倾斜角为8°-12°，左右侧边采用迷宫封，封条呈方波形状。
作为优选方案，上述回收水池底部向恒温水箱方向带有倾角，倾角用于沉积循环水***中的杂质，所述回收水池的出水管连接回收水池与恒温水箱，其表面包覆一层保温层，出水管高度高于倾角底部3-5cm。
作为优选方案，上述空气进风整流栅孔洞分布由FLUENT软件模拟以及优化后得出，呈11×7排布，从进风口近端到远端孔洞直径依次增大。
作为优选方案，上述水分配器采用管式压力配水，由5根钢管等间距排列组成，每根钢管底部等间距开孔并装有喷嘴，开孔直径为8mm。
本发明所达到的有益效果：
本发明实例提供的测量多孔介质水力特性及热质交换的可视化测试平台，包括冷却塔塔体、进风装置和循环水装置，所述冷却塔塔体内上方设置有除水器，中间段设置有填料块以及填料块更换装置，下方设置有空气分配室；所述进风装置与空气分配室相连接，包括离心风机、进风加热器、蒸汽加湿器以及进风整流栅；所述循环水装置包括收水池、恒温水箱、循环水泵、旁路管、过滤器、电磁流量计、水分配器等。本发明通过填料块更换装置在测试不同多孔介质水力及传热传质特性时，既可方便快捷的更换填料，又可在一定范围内改变试验中填料的位置高度，冷却塔透明塔体可实现对不同多孔介质传热传质特性测试过程的可视化。
附图说明
图1是本发明实施实例提供的测量多孔介质水力特性及热质交换的可视化测试平台的***图；
图2是冷却塔塔体外壳图；
图3是填料块更换装置结构示意图；
图4是填料块支撑架结构示意图；
图5是空气整流栅结构示意图；
图6是外面板上下端面与冷却塔塔体翅片啮合密封示意图；
图7是外面板左右侧与冷却塔塔体迷宫封示意图；
图8为本发明一种多孔介质水力特性及热质交换的可视化测试平台的具体实施例示意图之一；
图9为本发明一种多孔介质水力特性及热质交换的可视化测试平台的具体实施例示意图之二；
图10为本发明一种多孔介质水力特性及热质交换的可视化测试平台的具体实施例示意图之三。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种多孔介质水力特性及热质交换的可视化测试平台，平台包括冷却塔塔体、进风装置以及循环水装置；
冷却塔塔体包括外壳34，设置在塔体内部上方的除水器12，塔体内部的中部位置设置填料块5，冷却塔塔体下方设置有空气分配室8，进风装置与空气分配室8相连接；
循环水装置包括回收水池6、恒温水箱1、循环水泵2、电磁流量计3、水分配器4、旁路管15以及过滤器16；回收水池6位于填料块5下方，并且嵌入安装在空气分配室8内，通过出水管与恒温水箱1相连，恒温水箱1内设置水箱加水口19、电加热器14，循环水泵2和恒温水箱1的底部连接，循环水泵2的出口管路分成两路，一条管路通过旁路管15连接到恒温水箱1，另一条管路连通水分配器4，管路上设置电磁流量计3，电磁流量计3与循环水泵2之间设置过滤器16，正常工作时电磁流量计3打开，介质水通过管道输送到水分配器4进行淋水测试，当水温较低时，关闭电磁流量计3，打开旁路管15，让其和循环水泵2组成回路，能在短时间内循环加热介质水至测试要求，过滤器16位于循环水泵2和电磁流量计3之间，水分配器4位于冷却塔塔体内，位于除水器12与填料块5之间。
进风装置包括离心风机7、进风加热器9、蒸汽加湿器10以及设置在空气分配室8内的空气进风整流栅11，离心风机7、进风加热器9、蒸汽加湿器10依次通过管路连通空气分配室8，风由风机7经过加热器9加热，蒸汽加湿器10加湿后进入空气分配室8。
作为优选方案，上述差压计18的测压孔布置在冷却塔塔体四周，位于填料块上、下端面与冷却塔体对应的周线中心处，每条周线上各四个，直径为4mm，采用数字式微压差计测量经过填料块前后的空气差。
作为优选方案，上述恒温水箱1内设置温控器21以及与温控器21相连接的第一测温探头13，所述温控器21一端连接第一测温探头13，另一端连接电加热器14；
空气分配室8内设置第二测温探头17，测量图1中的tai和τai；
冷却塔内上端设置第三测温探头20，测量图1中的tao和τao，
第二测温探头17和第三测温探头20均连接到数字式干湿球温度仪。
上述冷却塔的进出水处设置铂电阻温度传感器，所述铂电阻温度传感器安装在水分配器4的喷淋水进口段的测温套管中以及回收水池6通往恒温水箱1的管道上，每一种温度采用多个PT100传感器布点，测量结果取平均值。
空气分配室8的空气入口端以及电磁流量计3与水分配器4之间的管路上设置压力表。
作为优选方案，上述回收水池6底部向恒温水箱1方向带有倾角，倾角用于沉积循环水***中的杂质，回收水池6的出水管连接回收水池6与恒温水箱1，其表面包覆一层保温层，出水管高度高于倾角底部3-5cm。
作为优选方案，上述水分配器4采用管式压力配水，由5根钢管等间距排列组成，每根钢管底部等间距开孔并装有喷嘴，开孔直径为8mm。
如图3、图4所示，上述平台还包括填料块更换装置，填料块更换装置包含可移动填料块支撑架43，可移动填料块支撑架43两侧面前后各有一直齿轮46，与固定在冷却塔内壁的齿条47啮合，可移动填料块支撑架43放置在下方的轨道44上，轨道44与外壳34相连，轨道44下方设置有轨道固定架45，轨道固定架45与冷却塔塔体内部两侧固定。
如图2所示，上述冷却塔塔体采用透明有机玻璃板组装而成，冷却塔塔体顶部安装有支撑架35和滚轮37，滚轮下方设置有悬吊臂38，悬吊臂38一端固定在冷却塔塔体上，另一端安装有第一滑轮39，同时冷却塔塔体侧面上也设置有第二滑轮40，滚轮37及第一滑轮39,第二滑轮40上绕有钢丝41，钢丝41一端固定于滚轮37上，另一端穿过第一滑轮39与第二滑轮40，固定于可移动填料块支撑架43上，滚轮37侧面连接有摇杆36，通过摇杆36转动钢丝41改变可移动填料块支撑架43的高度，从而改变测试过程中填料块5的位置高度。
如图6、图7所示，上述填料块更换装置上下端面采用带有倾角的翅片啮合密封，翅片与水平面的倾斜角为8°-12°，左右侧边采用迷宫封，封条呈方波形状。
如图5所示，上述空气进风整流栅11孔洞分布由FLUENT软件模拟以及优化后得出，呈11×7排布，从进风口近端到远端孔洞直径依次增大，保证测试风与自然风工况吻合，无扰动和湍流。
实施例：
本发明对载有FCP-08型泡沫陶瓷填料块的水力特性及传热传质性能进行了测试，分析填料进出水温差、总换热量以及热交换效率随进塔水温和气水比的变化规律，得到该填料的进出水温差、热交换效率均随气水比和进塔水温的增大而增大，而总换热量随气水比的增大先增大后减小，在气水比为1.5-1.6之间达到最大值的结论。
为保证测量过程的直观性和可比较性，测量过程中尽量保证进塔空气干湿球温度稳定不变，干球温度为25℃，湿球温度控制在22℃。喷淋水质量流量依次取：7.0m3/h、8.0m3/h、9.0m3/h、10.0m3/h、11m3/h、12m3/h、13m3/h共7个值，冷却塔进塔水温取32℃、35℃、38℃三个温度。
测试流程及原理如下：喷淋水在恒温水箱1中被循环加热达到设定进塔温度后，通过循环水泵2经电磁流量计3进入冷却塔的顶部。测量冷却塔进塔水温(twi)后，喷淋水经水分配器4均匀喷洒在测试填料块5上，热水向下通过填料的过程中与空气接触冷却，然后落入回收水池6内，测量冷却塔出塔水温(two)后，喷淋水回流至恒温水箱1进行加热后再循环。由于蒸发，恒温水箱1的水位逐渐下降，由水箱加水口19向其补水。空气由离心风机7经过进风加热器9和蒸汽加湿器10，进入装有整流格栅11的空气分配室8，测量进入填料前空气的干湿球温度(tai和τai)。空气从冷却塔底部四周均匀进入，向上穿过填料的过程中与喷淋水发生热、质交换，空气湿度增大，在离开塔体前，空气通过除水器12，将湿空气中的夹带液滴捕获并返还给填料块5，降低飘水率。空气排放到大气之前，测量出塔空气的干湿球温度(tao和τao)。
图8为本发明一种多孔介质水力特性及热质交换的可视化测试平台的具体实施例示意图之一。如图8所示，为FCP-08型泡沫陶瓷填料进出水温差随气水比的变化。
图9为本发明一种多孔介质水力特性及热质交换的可视化测试平台的具体实施例示意图之二。如图9所示，为FCP-08型泡沫陶瓷填料总换热量与气水比的关系。
图10为本发明一种多孔介质水力特性及热质交换的可视化测试平台的具体实施例示意图之三。如图10所示，为FCP-08型泡沫陶瓷填料热交换效率随气水比的变化。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多孔介质水力特性及热质交换的可视化测试平台，其特征在于：所述平台包括冷却塔塔体、进风装置以及循环水装置；
所述冷却塔塔体包括外壳（34），设置在塔体内部上方的除水器（12），塔体内部的中部位置设置填料块（5），所述冷却塔塔体下方设置有空气分配室（8），所述进风装置与空气分配室（8）相连接；
所述循环水装置包括回收水池（6）、恒温水箱（1）、循环水泵（2）、电磁流量计（3）、水分配器（4）、旁路管（15）以及过滤器（16）；所述回收水池（6）位于填料块（5）下方，并且嵌入安装在空气分配室（8）内，通过出水管与恒温水箱（1）相连，所述恒温水箱（1）内设置水箱加水口（19）、电加热器（14），所述循环水泵（2）和恒温水箱（1）的底部连接，循环水泵（2）的出口管路分成两路，一条管路通过旁路管（15）连接到恒温水箱（1），另一条管路连通水分配器（4），管路上设置电磁流量计（3），所述电磁流量计（3）与循环水泵（2）之间设置过滤器（16），所述水分配器（4）位于冷却塔塔体内，位于除水器（12）与填料块（5）之间；
所述进风装置包括离心风机（7）、进风加热器（9）、蒸汽加湿器（10）以及设置在空气分配室（8）内的空气进风整流栅（11），所述离心风机（7）、进风加热器（9）、蒸汽加湿器（10）依次通过管路连通空气分配室（8）。
2.根据权利要求1所述的一种多孔介质水力特性及热质交换的可视化测试平台，其特征在于：所述差压计（18）的测压孔布置在冷却塔塔体四周，位于填料块上、下端面与冷却塔体对应的周线中心处，每条周线上各四个，直径为4mm，采用数字式微压差计测量经过填料块前后的空气差。
3.根据权利要求1所述的一种多孔介质水力特性及热质交换的可视化测试平台，其特征在于：所述恒温水箱（1）内设置温控器（21）以及与温控器（21）相连接的第一测温探头（13），所述温控器（21）一端连接第一测温探头（13），另一端连接电加热器（14）；所述空气分配室（8）内设置第二测温探头（17），所述冷却塔内上端设置第三测温探头（20），所述第二测温探头（17）和第三测温探头（20）均连接到数字式干湿球温度仪。
4.根据权利要求1所述的一种多孔介质水力特性及热质交换的可视化测试平台，其特征在于：所述冷却塔的进出水处设置铂电阻温度传感器，所述铂电阻温度传感器安装在水分配器（4）的喷淋水进口段的测温套管中以及回收水池（6）通往恒温水箱（1）的管道上；所述空气分配室（8）的空气入口端以及电磁流量计（3）与水分配器（4）之间的管路上设置压力表。
5.根据权利要求1所述的一种多孔介质水力特性及热质交换的可视化测试平台，其特征在于：所述平台还包括填料块更换装置，所述填料块更换装置包含可移动填料块支撑架（43），可移动填料块支撑架（43）两侧面前后各有一直齿轮（46），与固定在冷却塔内壁的齿条（47）啮合，可移动填料块支撑架（43）放置在下方的轨道（44）上，轨道（44）与外壳（34）相连，轨道（44）下方设置有轨道固定架（45），轨道固定架（45）与冷却塔塔体内部两侧固定。
6.根据权利要求1所述的一种多孔介质水力特性及热质交换的可视化测试平台，其特征在于：所述冷却塔塔体采用透明有机玻璃板组装而成，冷却塔塔体顶部安装有支撑架（35）和滚轮（37），滚轮下方设置有悬吊臂（38），悬吊臂（38）一端固定在冷却塔塔体上，另一端安装有第一滑轮（39），同时冷却塔塔体侧面上也设置有第二滑轮（40），所述滚轮（37）及第一滑轮（39）, 第二滑轮（40）上绕有钢丝（41），所述钢丝（41）一端固定于滚轮（37）上，另一端穿过第一滑轮（39）与第二滑轮（40），固定于可移动填料块支撑架（43）上，所述滚轮（37）侧面连接有摇杆（36），通过摇杆（36）转动钢丝（41）改变可移动填料块支撑架（43）的高度，从而改变测试过程中填料块（5）的位置高度。
7.根据权利要求5所述的一种多孔介质水力特性及热质交换的可视化测试平台，其特征在于：所述填料块更换装置上下端面采用带有倾角的翅片啮合密封，翅片与水平面的倾斜角为8°-12°，左右侧边采用迷宫封，封条呈方波形状。
8.根据权利要求书1所述的一种多孔介质水力特性及热质交换的可视化测试平台，其特征在于：所述回收水池（6）底部向恒温水箱（1）方向带有倾角，倾角用于沉积循环水***中的杂质，所述回收水池（6）的出水管连接回收水池（6）与恒温水箱（1），其表面包覆一层保温层，出水管高度高于倾角底部3-5cm。
9.根据权利要求书1所述的一种多孔介质水力特性及热质交换的可视化测试平台，其特征在于：所述空气进风整流栅（11）孔洞分布由FLUENT软件模拟以及优化后得出，呈11×7排布，从进风口近端到远端孔洞直径依次增大。
10.根据权利要求书1所述的一种多孔介质水力特性及热质交换的可视化测试平台，其特征在于：所述水分配器（4）采用管式压力配水，由5根钢管等间距排列组成，每根钢管底部等间距开孔并装有喷嘴，开孔直径为8mm。
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