Энергоресурсоэффективные конструкции малогабаритных аппаратов охлаждения оборотной воды

Д ля рационального использования природных ресурсов применяются установки непрерывного охлаждения замкнутых систем оборотного водоснабжения при дефиците природных ресурсов. В условиях растущей концентрации промышленных производств применение градирен – практически

единственный метод рассеивания низкопотенциальной энергии в атмосферу[1].

Градирни применяются практически во всех отраслях промышленности, особенно велико их использование в энергетической, химической, нефтеперерабатывающей, металлургической и других, поскольку на сегодняшний день отвод низкопотенциального тепла на межмолекулярном уровне

РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ с помощью градирен – самый дешевый способ, позволяющий сэкономить не менее 95% свежей воды [2].

Так как «нанотехнологии – это технологии манипулирования веществом на атомном и молекулярном уровне», а процесс тепломассообмена в градирнях происходит на межмолекулярном уровне, то он является нанотехнологическим процессом.

Градирня представляет собой устройство, работающее по принципу противотока воды и атмосферного воздуха [3]. Актуальным является поиск научно-технических решений, позволяющих перевести промышленные предприятия на локальные системы охлаждения оборотной воды (миниградирни), которые более мобильны, обслуживают конкретные технологические установки или аппараты, менее

энергоемки, эффективны и экологически безопасны. Переход на локальные системы исключает протяженные сети трубопроводов, громоздкость конструкций, минимизирует выбросы в атмосферу.

МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ

В настоящее время производится несколько типов миниградирен, которые активно внедряются в производство, однако они имеют ряд существенных недостатков, которые не допускают их применение как замену громоздких систем: малый теплосъем (обусловлен противоточным взаимодействием восходящего паровоздушного потока и ниспадающего водного, которое не обеспечивает достаточного времени для тепломассообмена при контакте фаз);

Выход доз дух a

А-А

Вход боздухо

Выход боды 4 /

4 патрубка

Рис. 1. Малогабаритная градирня с винтовым воздушным потоком: 1 – корпус;

2 – вентилятор; 3 – тангенциальный патрубок;

4 – винтовая линия оросителя; 5 –резервуар;

6 – выходной патрубок для воды; 7 – система водораспределительная; 8 – водоуловители;

9 – выходные патрубки для воздуха

Вход боды

Вход боды

\±±======±

РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ малая эффективность контактных устройств (оросителей); большой каплеунос [4–8].

Основной причиной низкой эффективности малогабаритных аппаратов является непродолжительное время контакта охлаждающего воздушного потока и охлаждаемого водного потока, что приводит к невысоким значениям теплосъема. Это связано с малыми габаритными размерами по сравнению с вентиляторными и башенными градирнями и противоточным режимом взаимодействия теплообме-нивающихся фаз.

Предлагается использовать винтовое движение восходящего воздушного потока, что значительно увеличит время контакта фаз и повысит эффективность тепломасообменного процесса на межмолекулярном уровне.Винтовое взаимодействие водных и воздушных потоков приводит к увеличению времени контакта паровой и воздушной фаз и уменьшению температуры охлаждаемой воды. На рис. 1 показана схема малогабаритной градирни с винтовым потоком воздуха, где ороситель выполнен из слоев цилиндрических полимерных ячеистых труб и уложен по винтовой линии 4 соосно линии винтового потока воздуха.

В водораспределительную систему подводится нагретая в технологическом процессе вода из замкнутого контура системы, которая равномерно распределяется по всему объему уложенного по спирали оросителя, где происходит на межмолекулярном уровне тепломассобмен водного и воздушного винтового потока, создаваемого вентилятором.

При тангенциальной подаче охлаждающего воздушного потока в нижней части цилиндрической ма-

Выход боздуха

Рис. 2. Малогабаритная градирня с винтовым воздушным потоком: 1 – корпус; 2 – вентилятор; 3 – тангенциальный патрубок; 4 – винтовая линия оросителя; 5 – водосборный резервуар; 6 – выходной патрубок для воды; 7 – водораспределительная система; 8 – водоуловители;

• 9    – выходные патрубки для воздуха;

• 10    – винтовое оребрение; 11 – полимерные ячеистые трубы

  РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ

  
  

  логабаритной градирни создается винтовое движение газовой фазы. По мере продвижения воздушного потока вверх скорость вращательного движения уменьшается, а вертикального – увеличивается. В верхней части градирни вращение воздушного потока практически отсутствует, и он движется поступательно вертикально вверх. Такая организация движения воздушного потока позволяет уменьшить в среднем вертикальную составляющую скорости и увеличить время контакта фаз.

  Модификацией этой конструкции является винтовая малогабаритная градирня с оребрением (рис. 2), которая содержит корпус с расположенными последовательно водоуловителем, водораспределителем и оросителем из слоев, уложенных по винтовой линии цилиндрических полимерных ячеистых труб, с установленными в нижней части вентилятором, водосборным резервуаром. С внутренней стороны цилиндрической поверхности градирни в установ-леном в направлении, перпендикулярном линии полимерных труб, винтовое оребрение 10, состоящее из четного количества (четырех и более) винтовых полос шириной 0,1 диаметра градирни, смещенных относительно друг друга на угол (2π/ n ) рад, где n – число винтовых полос, с шагом спирали в две высоты градирни.

  Нагретая в технологическом процессе вода из оборотной системы подается в водораспределительную систему 7, при помощи которой равномерно распределяется по поперечному сечению винтовой линии оросителя 4 и по поверхности ячеистых труб 11 оросителя, на которой происходит теплообмен водного потока с винтовым воздушным потоком, нагнетаемым вентилятором 2. Вода стекает по оросителю, где охлаждается при капельно-пленочном режиме течения и далее поступает в водосборный резервуар 5. Эффективность предложенной градирни обуславливается тем, что по всему рабочему объему градирни проходит винтовое оребрение 10, способствующее поддержанию вращательного движения воздушного потока, увеличивающему время контакта охлаждающего воздушного и охлаждаемого водного потоков.

  Таким образом, предложенные конструкции малогабаритных аппаратов являются альтернативой действующим громоздким системам водооборота и миниградирням с противоточным движением фаз. Предлагаемые конструкции позволят уменьшить каплеунос за счет повышения эффективности контактных устройств [9–13] и низкой температурой охлажденной воды,увеличения времени контакта фаз.

  Для оценки изменения вращательной и поступательной составляющих скорости по высоте градирни воспользуемся уравнением неразрывности потока [14] в цилиндрической системе координат, ось z ко-

  
  

  торой совпадает с осью симметрии цилиндрической градирни. В цилиндрической системе координат с непроницаемыми стенками радиальная составляющая скорости пренебрежимо мала ≈ 0.

  
  

  -—^e +-^_z = 0

  т Э9 ° az ^z '

  
  
  
  

  где r – расстояние от оси вращения, м;

  ϑ_θ – вращательная составляющая скорости, м/с; ϑ_z – вертикальная составляющая скорости, м/с. Скорость вращательного движения определяется

  соотношением:

  
  

  ϑ_θ = ω • r ,

  
  
  
  

  где ω – угловая скорость вращения воздушного потока, рад/с.

  Учитывая, что ϑ_z составляющая скорости воздуха на входе градирни равна нулю, а с увеличением высоты нарастает, будем искать решение уравнения (1) в виде:

  
  
  
  
  
  
  

  где G_v – объемный расход воздуха, м³/с;

  D – диаметр градирни, м;

  H – высота градирни, м;

  n – показатель степени.

  Подставляя выражения (2) и (3) в уравнение непрерывности, получим:

  
  

  Эш । 4nG_r z" ¹ 59 ttD² Hⁿ

  
  
  
  

  Вводя обозначение A = 4 G_v /π D ₂ и учитывая, что ∂ θ = ω ∂ τ ( τ – время движения воздушного потока в градирне), уравнение (4) примет вид:

  
  

  1 5ы । An

  ш 5т Hⁿ

  
  

  = 0.

  
  
  
  

  Решая уравнение (4), можно определить изменение угловой скорости воздушного потока по высоте градирни и времени пребывания в ней:

  Anz"^-1

  (J = й>_ое h” ^T,                          (6)

  
  

  где ω ₀ определяется конструктивными параметрами градирни:

  
  

  w₀

  
  

  4G;,

  ^.

  
  
  
  

  где d – диаметр входного патрубка, м;

  R – радиус градирни, м.

  Как видно из последнего соотношения, по мере движения вверх по градирне угловая скорость воздушного потока уменьшается по экспоненциальному

  
  

РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ закону. Учитывая, что при z = Hω → 0, определим характерное время пребывания воздушного потока в градирне [15].

По аналогии с определением времени переходных процессов получим:

вое» движение воздушного потока, при этом угловая скорость вращения уменьшается по высоте градирни по экспоненциальному закону (6), а линейная скорость увеличивается с увеличением координаты z по степенному закону:

co(z = H) = ^ -^ 0.                   (8)

При этом характерное время пребывания воздушного потока в градирне определится соотношением:

Зная время пребывания воздушного потока в градирне, можно определить среднюю по высоте продольную скорость движения:

C другой стороны, среднюю скорость по высоте можно вычислить по формуле:

^z> = -L Wdz=-L Л - dz = — . (11)

.

Сравнивая выражения (10) и (11), получим соотношение для определения показателя степени n :

из которого следует, что n = 1,79.

Таким образом, в градирне с тангенциальным вводом охлаждающего воздуха реализуется «винто-

Учитывая, что время пребывания воздушного потока в градирне связано с координатой z по формуле τ = z /‹ ϑ ›, можно преобразовать соотношение (6) для определения угловой скорости вращения:

co = co0e "H-

ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для определения технологических, гидроаэротер-мических характеристик, а также для оценки эффективности охлаждения оборотной воды была разработана экспериментальная установка «малогабаритная градирня» с винтовым воздушным потоком [16, 17].

Аэродинамические испытания проводились с целью определения коэффициента аэродинамического сопротивления ζ оросителя для малогабаритной градирни с винтовым потоком и противоточной миниградирни и в зависимости от технологических параметров. Гидроаэротермические испытания выполнялись с целью определения изменения температуры циркуляционной воды и коэффициентов тепло- и массоотдачи на межмолекулярном уровне.

Рис. 3. Изменение влагосодержания по высоте оросителя

h/H

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

h/H

Рис. 4. Изменение перепада температуры воздуха по высоте оросителя

РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ

Эксперименты проводились при плотностях орошения до q = 12 м³/(м²ч), скорость восходящего воздушного потока w изменялась от 0,5 до 3 м/с, температура воды, подаваемая на установку, t ₂ доходила до 30^оС.

Для проведения гидроаэротермических испытаний оросителя градирни использовалась следующая методика.Вода с помощью циркуляционного насоса направлялась в бак для горячей воды, там она нагревалась электронагревателями до температуры 40оС±1оС и подавалась через электроакустические преобразователи расхода по напорному трубопроводу в водораспределительную систему [18–20].

Водораспределительная система (плотность орошения до q = 12 м³/(м²ч)) распределяла водный поток по площади орошения рабочей секции установки. Направленный навстречу воздушный поток со скоростью 0,5…3 м/с создавался центробежным тангенциальным вентилятором. Воздух поступал в экспериментальную установку через тангенциальный патрубок, расположенный в нижней части корпуса. Охлажденная на установке вода стекала в водосборную емкость 7 и насосом подавалась в емкость 4 для последующего ее нагрева. Водооборотный цикл замыкался.

При проведении экспериментов фиксировалась температура воды многофункциональным прибором AMI-301 на входе и выходе из установки. В течение 15 минут при работе установки (для прогрева системы) производилась настройка следующих параметров: расход воды – изменением частоты вращения двигателя насоса и дросселированием, расход воздуха – открытием и закрытием шиберной заслонки, скорость определялась прибором AMI-301. Постоянно контролировались атмосферные параметры, а именно влажность и температура воздуха.

Для замера температуры воды прибором AMI-301 она отбиралась непосредственно под оросителем с дополнительным контролем ртутным термометром (TGL 11 998, класс точности 1.66, деление шкалы 0,2), при указанных значениях плотности орошения q и расхода воздуха. Затем отработанная вода поступала в емкость для нагрева, и эксперимент повторялся для следующих показателей плотности орошения и расхода воздуха [21, 22].

Исследования по определению аэрогидродина-мических характеристик также проводились по вышеуказанной методике, но с дополнением замеров на потери давления в воздушном потоке до оросителя и после него.

Из анализа экспериментальных данных для разработанных конструкций градирен следует, что влагосодержание х и температура t_v воздуха в объеме по высоте оросителя изменяется по степенному закону (а не по линейному, как считалось другими исследователями).

x ( h ) = x ₁+ k ₁ h^a , (15)

t_v ( h ) = θ + k ₂ h^b , (16)

где k ₁ = ( x ₂– x ₁)/ H^a ; k ₂ = ( t_{v 2}– θ )/ H^b ; 0 ≤ h ≤ H . (17)

Lg (h/H)                                  Lg(h/H)

Рис. 5. Изменение перепада влагосодержания и температуры по высоте оросителя в логарифмической интерпретации

РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ

Константы a и b находятся опытным путем из зависимостей x ( h ), t _в( h ) (рис. 3, 4) в логарифмической интерпретации (рис. 5).

Кривые в логарифмических координатах представляют линейные зависимости, и тангенс угла наклона соответствует показателям степеней: a = 0,83, b = 1,25.

Из приведенных формул можно вычислить коэффициент массоотдачи:

. (18)

Из экспериментальных данных можно оценить коэффициенты массоотдачи β_xv и теплоотдачи α_v (табл. 1 и 2).

Анализ полученных зависимостей позволяет сделать следующие выводы:

– коэффициенты массоотдачи β_xv и теплоотдачи α_v исследуемой винтовой миниградирни при равных плотностях орошения и скоростях восходящего воздушного потока 2 м/с превышают коэффициенты противоточной на 20%;

– начиная с плотности орошения q = 8 м³/м²час, коэффициент массоотдачи β_xv винтовой миниградирни имеет наибольшее значение и держится на одном уровне.

Таблица 1

Результаты исследований на лабораторной установке миниградирни с винтовым потоком воздуха

№ опыта	1	2	3	4	5	6
Плотность орошения q , м3/м2час	2	4	6	8	10	12
Температура воздуха на входе θ , oC	14,2	14,2	14,2	14,2	14,2	14,2
Температура воздуха на выходе t в2, oC	15,3	16,8	16,9	17,0	17,2	16,8
Влажность окружающего воздуха φ1, %	60	60	60	60	60	60
Влажность на выходе из градирни φ2, %	77	78	79	79	80	80
Изменение энтальпии воздуха ∆ i , Дж/кг	15130,5	17150,3	17418,1	17611,7	18048,5	18048,5
Температура воды на входе t 1, oC	27,5	27,6	27,5	27,5	27,6	27,5
Температура воды на выходе t 2, oC	20,0	18,9	18,0	17,8	17,7	17,7
Тепловая мощность Q , Вт	6930,0	7946,4	8778,0	8962,8	9147,6	9055,2
Коэффициент теплоотдачи αv , Вт/м3К	1534,4	1552,2	1688,3	1704,8	1708,5	1708,5
Коэффициент массоотдачи βxv , кг/м3с	1,53	1,54	1,68	1,70	1,70	1,70

Таблица 2

Результаты исследований на лабораторной установке миниградирни с противотоком

№ опыта	1	2	3	4	5	6
Плотность орошения q , м3/м2час	2	4	6	8	10	12
Температура воздуха на входе θ , oC	14,2	14,2	14,2	14,2	14,2	14,2
Температура воздуха на выходе t в2, oC	16,3	16,3	16,4	16,5	16,6	16,4
Влажность окружающего воздуха φ1, %	60	60	60	60	60	60
Влажность на выходе из градирни φ2, %	75	75	75	76	77	77
Изменение энтальпии воздуха ∆ i , Дж/кг	17168,9	17168,9	18028,5	18444,1	18366,6	18028,5
Температура воды на входе t 1, oC	27,5	27,5	27,5	27,5	27,6	27,5
Температура воды на выходе t 2, oC	21,5	20,2	19,6	19,4	19,6	19,6
Тепловая мощность Q , Вт	5544,1	6837,6	7392,1	7207,2	7114,8	7207,2
Коэффициент теплоотдачи αv , Вт/м3К	1081,7	1334,2	1359,4	1359,4	1356,7	1356,4
Коэффициент массоотдачи βxv , кг/м3с	1,08	1,33	1,35	1,35	1,35	1,35

РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ

л – противоточная миниградирня

• – миниградирня с винтовым потоком

ω , м/с

Рис. 6. Зависимость относительного перепада температуры оборотной воды от скорости воздушного потока

Для сравнения эффективности охлаждения оборотной воды в миниградирне с винтовым потоком воздуха и противоточной градирни были построены сравнительные графические соотношения относительного перепада температуры воды от скорости воздушного потока (рис. 6). Относительный перепад температуры оборотной воды определялся по формуле:

η = ( t ₁– t ₂)/ t ₁.                                           (22)

Анализ полученных зависимостей в результате экспериментальных исследований позволяет сделать следующие выводы:

– для исследуемых малогабаритных градирен в интервале скоростей восходящего воздушного потока до 0,7 м/с относительный перепад температуры воды для винтовой и противоточной градирен отличается незначительно;

– в интервале скоростей воздушного потока от 0,8 до 2,4 м/с наблюдается повышение значения относительного перепада температуры воды в миниградирне с винтовым потоком относительно противоточной;

– при дальнейшем повышении скорости воздушного потока эффективность винтовой миниградирни превышает противоточную ~23%.

При аэродинамических испытаниях рассчитывался коэффициент аэродинамического сопротивления ξор по формуле Вейсбаха.

Из экспериментальных данных следует, что в интервале скорости воздушного потока 0,5–3 м/с и плотности орошения 0 – 12 м3/(м2ч) значения коэффициента ξор для исследуемых насадочных устройств миниградирни с винтовым потоком и противоточной миниградирни находятся в пределах от 12 до 24 м–1.

Таким образом, зависимость коэффициента аэродинамического сопротивления от скорости воздушного потока для исследуемых конструкций оросителей можно представить в виде:

lgξ_ор = К₁–К₂ lg Re ,                           (23)

где ξор – коэффициент аэродинамического сопротивления оросителя, м-1;

Re – число Рейнольдса;

• К₁, К₂ – коэффициенты.

Общая формула для определения коэффициента аэродинамического сопротивления в зависимости от критерия Рейнольдса при плотностях орошения 0–12 м3/(м2ч) имеет вид:

ξ_ор =e^2,3К 1 / Re ^К 2 ,                                     (24)

где е – основание натурального логарифма ;

• К₁, К₂ – коэффициенты.

ВЫВОДЫ

• 1.    Разработаны конструкции малогабаритных аппаратов охлаждения оборотной воды с капельнопленочным оросителем из полимерных материалов, применение которых позволит повысить эффективность нанотехнологического процесса тепломассообмена на межмолекулярном уровне.

• 2.    Создана экспериментальная установка для проведения аэродинамических и гидроаэротермических испытаний винтового малогабаритного аппарата охлаждения оборотной воды. Определена теоретическая зависимость изменения вращательной и вертикально поступательной составляющих скорости воздушного потока по высоте градирни. Показано, что вращательная составляющая убывает с увеличением высоты по экспоненциальному закону, а вертикальная составляющая возрастает по степенному закону с показателем степени ~1,79.

• 3.    Установлено, что влагосодержание x и температура воздуха t _в в объеме по высоте h оросителя изменяется по степенному закону, в частности

• 4.    Экспериментально определена зависимость коэффициента аэродинамического сопротивления винтового оросителя градирни от критерия Re для воздушного потока и установлено, что он уменьшается как Re ^–K 2 , показатель степени К₂ изменяется в интервале 0,114÷0,193 в зависимости от плотности орошения.

РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ

для винтовой градирни пропорционально h ^0,83 (для влагосодержания), h ^1,25 (для температуры воздуха). Определено, что коэффициенты массоотдачи β_xv и теплоотдачи α_v винтовой миниградирни на межмолекулярном уровне при равных плотностях орошения больше коэффициентов противоточной миниградирни на 20%.