泡沫金属与PVC材质冷却塔收水器的对比研究

李治洁，张连强，李 雪，王印忠，尹建华，樊利华

(自然资源部天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192)

1 前言

冷却塔是常用的废热排放设备，通常采用空气与待冷却循环水逆流或错流直接接触散热，吸收热量的湿热空气从塔顶排出，夹带部分循环水小液滴，称为飘滴。飘滴中含有各种难降解的水处理药剂及可溶性盐类(海水冷却塔飘滴含有盐分)，会对环境和人体健康造成不利影响[1-4]。PVC(聚氯乙烯)折板型收水器是应用最广的解决冷却塔飘滴问题的塔芯构件。普通PVC收水器一般由PVC折板按照一定规律排布制作，相邻板片形成弯曲的孔道，利用气体与液滴惯性不同，在通道中迅速转向实现液滴脱除。液滴在折板处汇集，形成液膜，然后回流到塔内。当气速较大时，折板上液膜会再次形成液滴被气流夹带，这个气速成为冷却塔收水器操作上限。随着环保要求逐渐提高和特殊情况下飘滴的认识加强(海水冷却塔飘滴盐沉积)，对于冷却塔收水器飘滴控制要求正逐步提高。需收水器在一定压降下实现更高的小液滴脱除效果，受限于单一惯性脱除原理，普通PVC收水器对于细小液滴的收集效果有限，因此，亟待开发新型收水器，满足环保和应用要求。

丝网收水器是一种化工、石化行业中常用的气体液滴分离装置，一般由多层丝网叠加，形成多孔介质区域，利用多孔介质的过滤特性，过滤气体中夹带的小液滴。丝网收水器对小液滴有良好的脱除效果，但是通常比折板型收水器压降高。结合这两种液滴分离装置的优点，以可接受压降和提高小液滴的脱除效果为目标，一种基于泡沫金属材质折板收水器—泡沫金属收水器引起研究人员的兴趣，以期通过惯性和过滤共同作用达到在一定压降下实现细小液滴去除的目的。

液滴收集效率和压降是收水器最重要的性能指标，主要与收水器内部气液两相流动相关。然而，获取收水器内部气液两相流动状态的实验研究比较困难，随着计算流体力学(CFD)的发展，CFD已经成为研究折板型收水器内气体和液滴流动的重要工具。Zhao等[5]使用响应面法与CFD结合的方法研究了折板型收水器的性能，结果显示折板型收水器的液滴分离效率与折板的高度、折角、长度等几何参数密切相关，该模型可以用于收水器的结构优化。Venkatesan 等[6]建立了2维冷却塔收水器的气液两相流动模型，作者对比了不同模型下模拟结果，结果显示波模型是最好的液滴破碎模型，升力对结果几乎没有影响，Spalart-Almarasmodel和Realizable k-ε湍流模型最合适用于封闭模型。Galletti[7]等研究了无涡流相互作用模型、恒定涡流相互作用模型和可变涡流相互作用模型三种模型对收水器CFD模拟结果的影响，结果显示可变涡流相互作用模型可得到更优的结果。Zamora 等[8]使用相似方法建立了四种收水器的CFD模型，作者发现SST湍流模型得到的模拟结果与实验数据最接近，近壁区y+的处理对模拟结果有显著影响。Ruiz等[9]对比了大涡模拟(LES)和雷诺平均纳维—斯托克斯模型(RANS)的收水器模拟结果，两种模拟无量纲的压降和液滴去除效率平均偏差在3%～7%之间，LES模拟所用的时间是RANS的7倍～10倍。CFD方法由于其省时、低成本、能够提供完整的气液流动情况，已成为冷却塔收水器研究和优化的重要方法。

为了研究泡沫金属收水器的特性，在前人已验证模型的基础上[7-8,10]，文章以欧拉—拉格朗日两相流模型为基础，建立了泡沫金属与PVC材质折板型收水器的CFD三维稳态模型；通过模拟两种收水器内部气液两相流的流动状态，分析泡沫金属收水器与普通PVC收水器内收集状态的差异，比较得出了泡沫金属收水器的优缺点，为工业应用提供了依据。

2 收水器的气液两相流模型

2.1 数学模型

收水器气液两相流研究中，由于液相体积分数小于10%，因此，视空气为连续相，液滴为分散相，选用欧拉—拉格朗日模型。考虑到泡沫金属的多孔介质特性，泡沫金属收水器计算域被划分为具有独立传输方程的流体域和多孔介质域两部分。多孔介质域与流体域之间通过界面进行气体组分输运。PVC收水器仅设置流体域一个部分，两模型气液两项流设置方法和参数相同，侧重于收水器内部通道的两相流模拟，并进行一些假设：

不稳定力(升力、虚拟质量力等)和液滴之间的相互作用可以忽略，仅考虑曳力、重力和浮力对液滴运动的影响;液滴在收水器中运动时间足够短，蒸发过程可以忽略；液滴碰撞产生的热量足够小，可以忽略，温度恒定;所有进入多孔介质区域的液滴，在流体域与多孔介质域交界面处全部被吸收。

气液之间作用主要考虑了重力、浮力和曳力的影响，曳力系数CD采用Schiller-Naumann公式计算：

(1)

恒定涡流相互作用模型(constant EIM)假设液滴遇到由时间尺度和长度尺度表征的漩涡：

(2)

(3)

漩涡由连续相的控制方程计算而出，时间尺度和长度尺度随着漩涡的位置而变化。当液滴进入漩涡后，速度受到漩涡影响：

(4)

(5)

Nr是平均数为零，标准差为1的高斯分布函数。式(4)能保证重建流场的均方根速度与原始流场的均方根速度相等。

在多孔介质域计算中，控制方程结合了时均化的雷诺方程和达西定律，模型假设“极小”的控制体积和表面足够大到多孔介质的间隙间距，而小到求解连续体方程的尺度。模拟气速范围内，雷诺数为1 530～12 260，在雷诺数大于4 000的湍流范围内，使用SST湍流模型求解湍流模型。

2.2 物理模型和网格划分

折板收水器由固定间距的折板组合而成，相邻折板间组成气液流动通道。在普通PVC收水器内部，相邻通道间由PVC折板的阻隔，相互独立，只需模拟单个通道即可分析收水器气液流动。由于泡沫金属的多孔介质特性，泡沫金属基片收水器相邻通道间气流可以透过泡沫金属交通，因此需建立多通道泡沫金属收水器模型。前期试验表明，单通道气流影响范围仅在相邻最近的两通道，为了节约计算资源，泡沫金属收水器模型采用四块泡沫金属收水器基片的模型，以中间通道气液流动为研究对象。收水器物理模型如图1、图2所示。

图1 收水器模型参数Fig.1 Model parameters of eliminator

模型总长160 mm，宽200 mm，高200 mm，包含4片泡沫金属基片，单通道弯折角α为90°，导流段长λ为35 mm，通道宽45 mm，泡沫金属基片厚度b为2 mm。泡沫金属收水器模型的渗透率和阻力系数为3.96×10-9m2和0.000 353。模型采用非结构化网格，以压降为指标进行了网格独立性验证。

图2 泡沫金属与PVC收水器物理模型和边界条件Fig.2 Physical model and boundary condition of metal foam and PVC eliminator

2.3 边界条件和模型初始化

为便于对比，泡沫金属与PVC收水器模拟的边界条件相同，设置如下：气体由收水器入口进入，选择速度进口为边界条件，假设气体在进口处速度均匀分布，进口气速变化范围为0.5 m/s～4 m/s。实验物系为空气和水。液滴入口初始速度与气体进口相同，液滴尺寸采用JAMES[10]模型数据，液滴分布符合Rosin-Rammler方程，输入为液滴进口条件：

(6)

出口边界条件设置为大气压力，出口处以射流形式向周围环境排放流量。通过对出口处液滴数量及粒径进行统计并与进口处液滴数量及粒径进行对比可得到液滴的收集效率。所有的壁面采用无滑脱壁面边界条件，近壁模型采用SST模型默认处理方式，撞击壁面的所有分散相液滴在壁面处被吸收。

3 实验结果与讨论

3.1 气相流动对比

泡沫金属收水器与普通PVC收水器的气相速度矢量图如图3。在普通PVC收水器内部，可以明显的发现，气流在通道的拐弯尖端处聚集，通过拐弯后，气体的最大气速随着进口气速增大逐渐增大，最大气速出现在最后一个拐弯处。通道内的气速对液滴的流动具有显著影响，容易吹破液膜形成小液滴，在局部造成液滴夹带，降低液滴收集效率。气体的聚集还造成部分区域形成低压区，气速较低，液滴惯性小，不利于液滴分离。随着气速的增大，这两个区域逐渐变大，影响液滴的分离效果。对于如图3所示的冷却塔泡沫金属收水器，每个通道内的气流都可以透过泡沫片与左右相邻两个通道的气体进行交互，减少低压区和高速区域的范围。相比于普通冷却塔收水器，冷却塔泡沫金属收水器内的气体流动，更利于提高分离效率，降低夹带，提高操作上限。

图3 冷却塔泡沫金属收水器与普通折板型泡沫金属收水器气相速度矢量图Fig.3 Gas velocity vector diagram of cooling tower metal foam eliminatior and common vane eliminator

3.2 压降对比

文章采用无量纲的压力系数Kp来表征收水器的几何特征对压降造成的影响，计算公式如式(7)：

(7)

图4是泡沫金属收水器与普通冷却塔收水器压力系数Kp随气速的变化图。从图中可以看出，泡沫金属收水器与冷却塔收水器的变化趋势相同，压力系数随着雷诺数的增大而降低。泡沫金属收水器压力系数Kp比普通PVC收水器大。这是因为在泡沫金属收水器内部，气体流动在转向阻力损失和泡沫金属过滤损失之间达到平衡。由于泡沫金属具有孔隙率大，比表面积大的特点，因此气体在穿过泡沫金属过程中造成了较大的损失。因此，泡沫金属收水器的压降系数Kp主要与泡沫金属的结构参数有关，通过调节泡沫金属的孔隙率，进而调节渗透率和阻力系数，可以达到优化压降系数Kp的目的。分别调节渗透率和阻力系数为1.11×10-8m2和 0.057，可以看出在模拟气速范围内，压降系数Kp显著下降。泡沫金属的压降优化可以通过调节泡沫金属的厚度、孔隙率、PPI等参数，来降低压降系数。

图4 不同雷诺数下压力系数Fig.4 Pressure coefficient at different Reynolds numbers

3.3 液滴收集效率对比

图5是不同气速下液滴收集效率图。

图5 泡沫金属与PVC收水器对不同粒径液滴的收集效率Fig.5 Collection efficiency of metal foam and PVC eliminators for droplets of different sizes

从图5中可以看出在低气速下，泡沫金属收水器对计算粒径范围内的液滴收集效率都大于普通PVC收水器，这是因为在气速较小情况下，液滴的惯性较小，更易随气体流动，随空气夹带到出口处。由于泡沫金属收水器不仅采用惯性原理收集小液滴，还通过过滤原理去除小液滴，综合作用使得液滴收集效率高于普通收水器。随着气速的增大，液滴惯性也逐渐增大，更多的大液滴被收水器收集，可以看出两种收水器对于大液滴的收集效率逐步接近，泡沫金属对于小液滴的收集效率仍然显著高于普通泡沫金属收水器，验证了过滤和惯性双重作用对于细小液滴收集的良好效果，说明了泡沫金属基片在提升折板型收水器效率中的独特作用。通过泡沫金属基片的过滤作用，可以使冷却塔收水器中液滴粒径范围发生变化，提高平均粒径，进而提高收集效率。

4 结论

普通折板型冷却塔收水器具有对微小液滴收集效率差的缺点，逐渐不能满足环保要求和冷却塔应用需求。文章采用计算流体力学模拟的方法对比研究了改进型泡沫金属收水器的特点，以欧拉—拉格朗日两相流模型为基础，分别建立了冷却塔泡沫金属与PVC收水器内部三维数学模型。气液两相的相互作用通过动量源项进行考虑，恒定涡流相互作用模型(constant EIM)用来表征涡对液滴流动的影响。通过将模拟得到了泡沫金属与PVC收水器内部气相流动、压降、液滴收集效率等结果进行对比研究，得出结论如下：

1)泡沫金属收水器内部通道内部气体可以与相邻通道内部的气体进行流通，流通的气体中夹带的液滴通过泡沫金属的过滤作用去除，同时通道内液滴采用惯性原理去除。泡沫金属收水器采用过滤和惯性结合方法脱除空气中的小液滴。

2)泡沫金属收水器通道内气流分布比普通PVC收水器更均匀，漩涡区域和高气速区域范围更小，不易使液膜破碎，可减少再夹带，提高操作上限。

3)泡沫金属基片通过过滤作用改变了收水器通道内液滴的粒径分布，过滤掉了部分小液滴，使得泡沫金属收水器对小液滴的收集效率高于普通PVC收水器。

4)泡沫金属的设置会对泡沫金属的压降产生影响，使压降高于普通PVC收水器，可以通过调节泡沫金属的厚度、孔隙率、PPI等参数来降低压降。