CN102818691A - 超大型冷却塔模拟试验装置及特性测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超大型冷却塔模拟试验装置及特性测试方法。超大型冷却塔模拟试验装置包括操作台、模型塔和风源。所述模型塔包括塔筒、塔筒支柱、淋水填料模拟板和塔内梁柱，所述塔筒支柱环绕地设置于所述塔筒的底部，位于所述操作平台与所述塔筒的底部之间的区域为进风口区域，所述塔筒通过所述塔筒支柱支撑于所述升降平台之上，所述塔内梁柱设于所述模型塔的底部，所述塔内梁柱与所述升降平台相连接，所述淋水填料模拟板固定于所述塔筒的内部，且所述淋水填料模拟板的边缘与所述塔筒的内壁相抵触。本发明比例和相似率合理，能够真实反映原型塔内气流运动特性的，测试精确度高。

Description

超大型冷却塔模拟试验装置及特性测试方法

技术领域

本发明涉及一种冷却塔试验领域，特别是涉及一种超大型冷却塔模拟试验装置及特性测试方法。

背景技术

冷却塔一般由集水池、塔筒支柱、塔内梁柱、配水装置、淋水填料等构成，现已广泛地应用于国民经济的诸多部门，主要有电力、石油、化工等，其作用是将挟带废热的冷却水在塔内与空气直接接触进行热交换，使废热传输给空气并散入大气。

模型试验是进行研究冷却塔特性的一个重要手段，通常单独通过人字柱、进风口、雨区、填料、收水器及梁柱部分的试验，然后再将各部分的试验效果相叠加来评估冷却塔的各种特性。但是这种相叠加的方法忽略了个部分之间的相互影响，导致评估结果偏差较大。特别是对于超大型冷却塔，其各部分之间的相互作用甚为明显，再采用以前试验方法和试验手段，可能会造成比较大的误差甚至错误。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术缺陷，提供一种模型相似率合理，能够真实反映原型塔内气流运动特性的，测试精确度高的冷却塔模拟实验装置及特性测试方法。

其技术方案如下。

一种超大型冷却塔模拟试验装置，包括操作台、模型塔和风源。

所述操作台包括操作平台、升降平台、操纵装置，所述操作平台朝内开设容置槽，所述升降平台设置在所述容置槽内，所述操纵装置连接并控制所述升降平台。

所述模型塔包括塔筒、塔筒支柱、淋水填料模拟板和塔内梁柱，所述塔筒支柱环绕地设置于所述塔筒的底部，位于所述操作平台与所述塔筒的底部之间的区域为进风口区域，所述塔筒通过所述塔筒支柱支撑于所述升降平台之上，所述塔内梁柱设于所述模型塔的底部，所述塔内梁柱与所述升降平台相连接，所述淋水填料模拟板固定于所述塔筒的内部，且所述淋水填料模拟板的边缘与所述塔筒的内壁相抵触。

所述风源产生风并使其从进风口区域流进所述模型塔的内部，从所述塔筒的顶部流出。

在其中一个实施例中，所述淋水填料模拟板设置有多个孔径一致的通风孔。

在其中一个实施例中，所述风源为风机，所述风机与所述塔筒的顶部相安装连接。

在其中一个实施例中，还包括扩展段，所述扩展段安装在所述风机与所述塔筒的顶部之间。

在其中一个实施例中，还包括直段塔筒，所述直段塔筒安装在所述扩展段与所述塔筒的顶部之间。

在其中一个实施例中，所述塔筒的外形呈双曲线。

在其中一个实施例中，所述塔筒的外壳在竖直方向上等间距分布有数个测量断面，每个测量断面上环向等间距分布有风速测量孔。

本发明还提供一种超大型冷却塔特性测试方法，包括冷却塔内部风速分布测试、冷却塔外部风速分布测试、进风口区域阻力的测试和进风口区域阻力系数的测试。

其中，冷却塔内部风速分布测试的步骤如下：

提供上述超大型冷却塔模拟试验装置。利用操纵装置调节升降平台，以确定进风口区域的高度。将风速测量仪依次插进所述风速测量孔内，将风速测量孔周围密封处理，其余风速测量孔密封，读取测量数值得到内部风速。

其中，冷却塔外部风速分布测试的步骤如下：

提供上述的超大型冷却塔模拟试验装置。利用操纵装置调节升降平台，以确定进风口区域的高度。在进风口区域的外侧布置测试网格，每个网格的横向间距和纵向间距相等，在网格的顶角布置测点，离进风口区域越近测点布置越密。将风速测量仪依次放置于所述测点处，读取测量数值。风速测试采用分别测量水平向和垂向风速分量，然后再合成的方法进行。

其中，进风口区域阻力的测试步骤如下：

提供上述的超大型冷却塔模拟试验装置。利用操纵装置调节升降平台，以确定进风口区域的高度。利用风源调节通风量，使所述通风量满足塔筒内气流运动稳定不变的通风量范围之内。以所述直段塔筒与所述塔筒相连接处的直径方向上等间距分布有数个测量点，测量所述测量点的压力、风速、温度以及大气压。各测量点所测得的进风口区域阻力等于该点所测得的压力与大气压的差值，取各测量点的压力的算术平均值作为进风口区域阻力。

其中，进风口区域阻力系数的测试步骤如下：

由于所述淋水填料模拟板的通风量和所述测量点所在的截面的通风量相同，故由测量点的风速可知淋水填料模拟板处的风速。进风口区域阻力系数为进风口区域阻力和淋水填料模拟板处的风速的平方的商。

下面对本发明的原理或优点进行说明。

1、所述操作台包括操作平台、升降平台，所述操纵装置连接并控制所述升降平台。操控装置可使升降平台实现上下升降，从而实现进风口区域高度的可调节。故可模拟不同进风口高度情况下的超大型冷却塔进风口区域阻力特性。

所述模型塔包括塔筒、塔筒支柱、淋水填料模拟板和塔内梁柱。模型塔为一体式，而且相似率合理，能够真实反映原型塔塔内气流运动特性。基于此模拟测试装置的试验的结果因包含了各部件之间的相互影响，故其试验结果可靠，同时精度高。

2、所述淋水填料模拟板设置有多个孔径一致的通风孔。淋水填料模拟板的通风孔的孔径不同，它的阻力系数也不同。实际中的淋水填料、配水系统及除水器(塔芯材料)的总阻力由淋水填料模拟板来综合模拟。通过换装不同阻力系数的淋水填料模拟板可虚拟不同淋水填料高度的时候的塔内气流运动情况。

3、所述风源为风机，所述风机与所述塔筒的顶部相安装连接。这时抽风式设计，使得风从进风口区域流入塔筒的内部，从塔筒顶部流出。

4、还包括扩展段和直段塔筒，所述扩展段安装在所述风机与所述塔筒的顶部之间，所述直段塔筒安装在所述扩展段与所述塔筒的顶部之间。风机下装有扩展段，扩展段下连接有直段塔筒，可有效防止风机叶轮涡流对塔筒内部气流的干扰。

5、所述塔筒的外形呈双曲线。本冷却塔模拟测试装置适用于模拟测试现有的所有双曲线冷却塔。

6、模型塔的塔筒型状、塔筒支柱、塔内梁柱和淋水填料模拟板等主要结构基于目前设计规范中常用的设计尺寸和比例，并可对各结构作适当变化和调整，具有广泛的适用性和代表性。

7、本发明模拟测试装置结构简单、造价低廉，可模拟不同进风口高度和不同填料高度情况下的超大型冷却塔进风口区域阻力特性，一体式模型测试结果可靠、精度高。

8、通过使用本发明模拟测试装置进行进风口区域阻力特性试验研究，还可掌握进风口高度变化与进风口区域阻力特性之间的变化关系，从而为确定超大型冷却塔合适的进风面积与淋水面积比例奠定基础。

附图说明

图1为本发明实施例所述的超大型冷却塔模拟试验装置的结构示意图；

图2为本发明实施例所述的操作台的结构示意图；

图3为本发明实施例所述的冷却塔外部风速分布测试的测点分布图；

附图标记说明：

10、操作台，101、操作平台，102、容置槽，103、升降平台，104、操纵装置，20、模型塔，201、塔筒，202、塔筒支柱，203、进风口区域，204、淋水填料模拟板，205、塔内梁柱，30、风机，40、扩展段，50、直段塔筒，60、测量断面，70、风速测量孔，80、测点。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细的说明：

如图1至2所示，一种超大型冷却塔模拟试验装置，包括操作台10、模型塔20和风源。

操作台10包括操作平台101、升降平台103、操纵装置104，操作平台101朝内开设容置槽102，升降平台103设置在容置槽102内，操纵装置104连接并控制升降平台103。

模型塔20包括塔筒201、塔筒支柱202、淋水填料模拟板204和塔内梁柱205，塔筒支柱202环绕地设置于塔筒201的底部，位于操作平台101与塔筒201的底部之间的区域为进风口区域203，塔筒201通过塔筒支柱202支撑于升降平台103之上，塔内梁柱205设于模型塔20的底部，塔内梁柱205与升降平台103相连接，淋水填料模拟板204固定于塔筒201的内部，且淋水填料模拟板204的边缘与塔筒201的内壁相抵触。

风源产生风并使其从进风口区域203流进模型塔20的内部，从塔筒201的顶部流出。

其中，淋水填料模拟板204设置有多个孔径一致的通风孔(图未示)。风源为风机30，风机30与塔筒201的顶部相安装连接。还包括扩展段40，扩展段40安装在风机30与塔筒201的顶部之间。还包括直段塔筒50，直段塔筒50安装在扩展段40与塔筒201的顶部之间。塔筒201的外形呈双曲线。塔筒201的外壳在竖直方向上等间距分布有数个测量断面60，每个测量断面60上环向等间距分布有风速测量孔70。

本实施例所采用的超大型冷却塔特性测试方法包括冷却塔内部风速分布测试、冷却塔外部风速分布测试、进风口区域阻力的测试和进风口区域阻力系数的测试。

其中，冷却塔内部风速分布测试的步骤如下：

提供上述超大型冷却塔模拟试验装置。根据实验的具体要求，确定进风口区域203的高度、阻力系数合适的淋水填料模拟板204和满足模型塔塔内气流运动稳定不变的通风量范围。

利用操纵装置调节升降平台103，以确定进风口区域203的高度。将风速测量仪依次插进风速测量孔70内，将风速测量孔70周围密封处理，其余风速测量孔70密封，读取测量数值得到内部风速。

其中，冷却塔外部风速分布测试的步骤如下：

提供上述的超大型冷却塔模拟试验装置。根据实验的具体要求，确定进风口区域203的高度、阻力系数合适的淋水填料模拟板204和满足模型塔塔内气流运动稳定不变的通风量范围。利用操纵装置104调节升降平台103，以确定进风口区域203的高度。如图3所示，在进风口区域203的外侧布置测试网格，每个网格的横向间距和纵向间距相等，在网格的顶角布置测点80，离进风口区域203越近测点80布置越密。将风速测量仪依次放置于测点80处，读取测量数值。

优选地，外部风速分布测试采用分别测量水平向和垂向风速分量，然后再合成的方法进行。按下式计算：

$V=\sqrt{V_x^2+V_y^2}$

式中：

V-测点处的风速，单位为m/s；

V_x-测点处水平方向风速分量，单位为m/s；

V_y-测点处垂直方向上的风速分量，单位为m/s。

其中，进风口区域阻力的测试步骤如下：

提供上述的超大型冷却塔模拟试验装置。根据实验的具体要求，确定进风口区域203的高度、阻力系数合适的淋水填料模拟板204和满足模型塔塔内气流运动稳定不变的通风量范围。以直段塔筒50与塔筒201相连接处的直径方向上等间距设置有数个测量点(图未示)。

安装好淋水填料模拟板204，在测量点处安装L型毕托管测量压力，安装多参数热线风速测量仪测量风速，安装铂电温度计测量温度。利用操纵装置104调节升降平台103，以确定进风口区域203的高度。打开风机30，调节风机30的调节通风量，使通风量满足塔筒201内气流运动稳定不变的通风量范围之内。读取压力值P_i，风速值V_i，温度值T，用数字式气压表测量大气压P。

各测量点所测得的进风口区域阻力等于该点所测得的压力与大气压的差值，取各测量点的压力的算术平均值作为进风口区域阻力。按下式计算：

$\mathrm{\ΔP}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ΔP}}_i}{n}$

式中：

ΔP-冷却塔进风口区域阻力，单位为Pa；

ΔP_i-测量点压力与外界大气压的差值，单位为Pa；

n-测量点的个数。

其中，进风口区域阻力系数的测试步骤如下：

由于淋水填料模拟板204的通风量和测量点所在的截面的通风量相同，故由测量点的风速可知淋水填料模拟板204处的风速。

将各测量点风速平均获得测量点所在断面的平均风速，再乘以断面面积获得通风量，如下：

$G=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_i}{n}{\mathrm{\πR}}^2$

式中：

G-通风量，单位为m³/s；

n-测量点的个数；

R-断面的圆半径，单位为m；

V_i-测量点风速，单位为m/s。

淋水填料模拟板204断面平均风速由通风量按下式计算：

$V_f=\frac{G}{A_f}$

式中：

A_f-淋水填料模拟板断面面积，即淋水填料模拟板的面积，单位为m²。

冷却塔的气流阻力一般可表示为淋水填料断面处的风速的平方与冷却塔总阻力系数的积，即如下式：

${\mathrm{\ΔP}}_R={\mathrm{\ξ\ρ}}_m\frac{V_f^2}{2}$

式中：

ΔP_R-冷却塔的气流阻力，单位为Pa；

ξ-冷却塔的总阻力系数；

ρ_m-塔内的平均空气密度，单位为kg/m³；

V_f-淋水填料断面平均风速，单位为m/s。

实际中，冷却塔中气流受到的阻力主要是受进风口区域及气流转向、淋水雨区、支撑系统(塔筒支柱、塔内梁柱)、淋水填料、配水系统、除水器、塔出口几部分综合影响的结果。利用本发明超大型冷却塔模拟试验装置进行冷却塔特性测试时，一般将前6部分作为一个量来考虑，上式中的总阻力系数可写为：

$\mathrm{\ξ}={\mathrm{\ξ}}_{1-6}+\mathrm{\α}{\left(\frac{F_f}{F_o}\right)}^2$

式中：

ξ-冷却塔的总阻力系数；

ξ_1-6-进风口区域及气流转向、淋水雨区、支撑系统、填料、配水系统、除水器的阻力系数总和；

F_o-冷却塔出口面积，单位为m²；

F_f-淋水填料的面积，单位为m²；

α-出口流速不均匀系数，一般取为1。

其中，本试验未模拟淋水雨区及喉部以上冷却塔出口阻力。淋水填料、配水系统及除水器(塔芯材料)的总阻力由淋水填料模拟板204来综合模拟。因此，模型塔中20从进风口区域203到测量点断面的阻力系数即为冷却塔进风口区域203阻力系数，如下：

式中：

ξ_t-冷却塔进风口区域阻力系数；

ΔP-冷却塔进风口区域阻力，单位为Pa；

V_f-淋水填料断面平均风速，单位为m/s。

本实施例具有以下优点：

1、所述操作台包括操作平台、升降平台，所述操纵装置连接并控制所述升降平台。操控装置可使升降平台实现上下升降，从而实现进风口区域高度的可调节。故可模拟不同进风口高度情况下的超大型冷却塔进风口区域阻力特性。

所述模型塔包括塔筒、塔筒支柱、淋水填料模拟板和塔内梁柱。模型塔为一体式，而且相似率合理，能够真实反映原型塔塔内气流运动特性。基于此模拟测试装置的试验的结果因包含了各部件之间的相互影响，故其试验结果可靠，同时精度高。

2、所述淋水填料模拟板设置有多个孔径一致的通风孔。淋水填料模拟板的通风孔的孔径不同，它的阻力系数也不同。实际中的淋水填料、配水系统及除水器(塔芯材料)的总阻力由淋水填料模拟板来综合模拟。通过换装不同阻力系数的淋水填料模拟板可虚拟不同淋水填料高度的时候的塔内气流运动情况。

3、所述风源为风机，所述风机与所述塔筒的顶部相安装连接。这时抽风式设计，使得风从进风口区域流入塔筒的内部，从塔筒顶部流出。

4、还包括扩展段和直段塔筒，所述扩展段安装在所述风机与所述塔筒的顶部之间，所述直段塔筒安装在所述扩展段与所述塔筒的顶部之间。风机下装有扩展段，扩展段下连接有直段塔筒，可有效防止风机叶轮涡流对塔筒内部气流的干扰。

5、所述塔筒的外形呈双曲线。本冷却塔模拟测试装置适用于模拟测试现有的所有双曲线冷却塔。

6、模型塔的塔筒型状、塔筒支柱、塔内梁柱和淋水填料模拟板等主要结构基于目前设计规范中常用的设计尺寸和比例，并可对各结构作适当变化和调整，具有广泛的适用性和代表性。

7、本发明模拟测试装置结构简单、造价低廉，可模拟不同进风口高度和不同填料高度情况下的超大型冷却塔进风口区域阻力特性，一体式模型测试结果可靠、精度高。

8、通过使用本发明模拟测试装置进行进风口区域阻力特性试验研究，还可掌握进风口高度变化与进风口区域阻力特性之间的变化关系，从而为确定超大型冷却塔合适的进风面积与淋水面积比例奠定基础。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种超大型冷却塔模拟试验装置，包括操作台、模型塔和风源；

所述操作台包括操作平台、升降平台、操纵装置，所述操作平台朝内开设容置槽，所述升降平台设置在所述容置槽内，所述操纵装置连接并控制所述升降平台；

所述模型塔包括塔筒、塔筒支柱、淋水填料模拟板和塔内梁柱，所述塔筒支柱环绕地设置于所述塔筒的底部，位于所述操作平台与所述塔筒的底部之间的区域为进风口区域，所述塔筒通过所述塔筒支柱支撑于所述升降平台之上，所述塔内梁柱设于所述模型塔的底部，所述塔内梁柱与所述升降平台相连接，所述淋水填料模拟板固定于所述塔筒的内部，且所述淋水填料模拟板的边缘与所述塔筒的内壁相抵触；

所述风源产生风并使其从进风口区域流进所述模型塔的内部，从所述塔筒的顶部流出。

2.根据权利要求1所述的超大型冷却塔模拟试验装置，其特征在于，所述淋水填料模拟板设置有多个孔径一致的通风孔。

3.根据权利要求1所述的超大型冷却塔模拟试验装置，其特征在于，所述风源为风机，所述风机与所述塔筒的顶部相安装连接。

4.根据权利要求1所述的超大型冷却塔模拟试验装置，其特征在于，还包括扩展段，所述扩展段安装在所述风机与所述塔筒的顶部之间。

5.根据权利要求4所述的超大型冷却塔模拟试验装置，其特征在于，还包括直段塔筒，所述直段塔筒安装在所述扩展段与所述塔筒的顶部之间。

6.根据权利要求1至5任一项所述的超大型冷却塔模拟试验装置，其特征在于，所述塔筒的外形呈双曲线。

7.根据权利要求1所述的超大型冷却塔模拟试验装置，其特征在于，所述塔筒的外壳在竖直方向上等间距分布有数个测量断面，每个测量断面上环向等间距分布有风速测量孔。

8.一种超大型冷却塔特性测试方法，其特征在于，还包括冷却塔内部风速分布测试，其步骤如下：

提供如权利要求7所述的冷却塔模拟试验装置； 

利用操纵装置调节升降平台，以确定进风口区域的高度；

将风速测量仪依次插进所述风速测量孔内，将风速测量孔周围密封处理，其余风速测量孔密封，读取测量数值得到内部风速。

9.一种超大型冷却塔特性测试方法，其特征在于，还包括冷却塔外部风速分布测试，其步骤如下：

提供如权利要求1所述的冷却塔模拟试验装置；

利用操纵装置调节升降平台，以确定进风口区域的高度；

在进风口区域的外侧布置测试网格，每个网格的横向间距和纵向间距相等，在网格的顶角布置测点，离进风口区域越近测点布置越密；

将风速测量仪依次放置于所述测点处，读取测量数值；

风速测试采用分别测量水平向和垂向风速分量，然后再合成的方法进行。

10.一种超大型冷却塔特性测试方法，其特征在于，包括进风口区域阻力的测试，其步骤如下：

提供如权利要求1所述的冷却塔模拟试验装置；

利用操纵装置调节升降平台，以确定进风口区域的高度；

利用风源调节通风量，使所述通风量满足塔筒内气流运动稳定不变的通风量范围之内；

以所述直段塔筒与所述塔筒相连接处的直径方向上等间距分布有数个测量点，测量所述测量点的压力、风速、温度以及大气压；

各测量点所测得的进风口区域阻力等于该点所测得的压力与大气压的差值，取各测量点的压力的算术平均值作为进风口区域阻力。

11.根据权利要求10所述的超大型冷却塔特性测试方法，其特征在于，还包括进风口区域阻力系数的测试，其步骤如下：

由于所述淋水填料模拟板的通风量和所述测量点所在的截面的通风量相同，故由测量点的风速可知淋水填料模拟板处的风速；

进风口区域阻力系数为进风口区域阻力和淋水填料模拟板处的风速的平方的商。 

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