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作者：

陈礼生

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摘要：

冷却塔是一种广泛应用于工业领域的具有节能和较强散热能力的冷却设备.作为冷却塔的核心组成部分,冷却填料负责冷却塔60%.70%的散热量,它的种类对其冷却性能有着重要影响.目前市场上用量最多的是PVC薄膜填料,然而它却具有使用寿命短,防污性能差,对环境不友好等缺点,因此,寻求一种使用寿命长,生产成本低,环境友好型的PVC薄膜填料替代品已是迫在眉睫.近年来,竹材作为冷却填料己在我国多个双曲线冷却塔内投入使用,实践证明竹质淋水填料具有使用寿命长,冷却性能良好,成本低,绿色环保等优点,是一种发展潜力巨大的冷却填料.虽然竹质淋水填料已在冷却塔内进行使用,但是在使用过程中冷却塔内的湿热环境对竹质淋水填料的性能影响方面还未有报道,其中,竹质淋水填料的耐久性能是其应用时所必须关注的核心问题,因为它与填料的使用寿命密切相关.另外,竹质淋水填料的热力特性,阻力特性和结构优化设计方面的研究也很少,这些研究内容的缺失都显著影响和限制了竹材作为冷却填料在工业冷却塔中的应用和推广. 为了填补上述的研究缺失与空白,本论文以毛竹作为原材料,按照相关标准制成传统的竹质淋水填料,测试出填料的热力特性和阻力特性,并将它与几种常用的塑料薄膜填料进行对比分析.模拟冷却塔内应用环境,对竹质淋水填料进行水热加速老化处理,分析竹材老化前后的力学强度,微观结构,化学成分和化学结构的变化情况,并与在冷却塔内使用9年之后的竹质淋水填料进行对比,研究了竹质淋水填料力学强度的退化规律,老化机理和耐久性能.最后,对传统竹质淋水填料进行了编制结构优化.主要研究结论如下: (1)竹质淋水填料的热力性能良好,并且它在阻力特性,耐老化性能,使用寿命,物理力学性能,抗污特性,生产成本,经济效益以及环保性等方面都明显优于塑料薄膜填料,因此竹质淋水填料可以作为替代塑料薄膜填料的优选材料. (2)竹材的质量损失率随着加速老化温度和时间的增加而增加,而密度和力学强度随着温度和时间的增加呈递减趋势.竹材的弦向抗弯强度和抗弯弹性模量最大下降幅度分别可达48.49%和36.09%,它们的强度值可以根据指数回归方程来进行预测.(3)随着老化温度和时间的升高,竹材内部薄壁细胞的形态从近圆形向不规则形状进行转变,薄壁细胞胞间层连接处的间隙逐渐扩大,而且细胞腔内的淀粉含量也不断减少,经过90℃,64周期加速老化后竹材样品的微观结构变化最为显著. (4)随着加速老化温度和时间的增加,竹材Q.纤维素和木质素的相对含量呈上升趋势,而半纤维素和苯醇抽提物含量却呈下降趋势.质量损失率与Ct.纤维素,半纤维素和木质素的相对含量有较强的相关性,通过质量损失率可以大致推断出加速老化后竹材主要化学成分的相对含量.加速老化的温度和时间会对竹材化学结构产生显著影响,随着老化时间测增加,半纤维素中的官能团下降相对较为明显,纤维素中C.H键,C.O键和木质素中的紫丁香环也被部分水解.经过90℃,64周期加速老化后竹材样品的傅里叶红外光谱图的变化最为显著.竹材表面的颜色经过加速老化后也有明显变化. (5)竹质淋水填料在冷却塔内使用9年之后,其密度和力学性能都有一定程度的下降,但仍然能满足标准中规定的正常应用要求,它的力学强度和使用寿命可以根据加速老化的指数回归方程来进行推算.虽然竹质淋水填料的微观结构和内部淀粉含量有明显变化,但是它几乎不受腐朽菌侵蚀的影响. (6)竹质淋水填料的化学成分变化与加速老化后竹材的化学成分变化相一致,它的半纤维和苯醇抽提物的相对含量有所下降,而α-纤维素和木质素的相对含量却有明显上升.FTIR分析结果表明:竹质淋水填料在1730cm-1,1370cm-1,1240cm-1和1048cm-1波数处的峰强明显低于未处理过的对照样品,它的傅里叶红外光谱图与经过60℃,24周期加速老化后竹材的相类似,其中的半纤维素,纤维素和木质素内都有部分官能团进行了降解. (7)竹编淋水填料的冷却数和容积散质系数小于传统竹质淋水填料,但是它的阻力特性要优于传统竹质淋水填料,通过综合分析,结构优化设计后的竹编淋水填料在冷却性能,生产工艺流程,使用寿命,机械化生产和生产成本等方面比传统竹质淋水填料更具优势. 综上所述,本研究初步揭示了热处理温度和时间对竹质淋水填料相关性能的影响规律,通过对比人工加速老化和冷却塔内自然老化方法,研究了竹质淋水填料的物理力学性能退化规律和老化机理,推断出了它在冷却塔内的使用年限,填补了竹质淋水填料耐久性能研究的空白.结构优化后的竹编淋水填料,简化了生产工艺,降低了生产成本,提高了冷却性能,使其有望取代传统竹质淋水填料.

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关键词：

冷却塔 竹质淋水填料 冷却性能 耐久性能

学位级别：

博士

学位年度：

2019