Совершенствование конструкций тепломассообменных насадок из полимерных материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Боев, Евгений Владимирович

• Боев, Евгений Владимирович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Боев, Евгений Владимирович

Введение.

1 Анализ конструкций оросителей градирен (литературный обзор).

1.1 Пленочные оросители градирен.

1.2 Капельно - пленочные оросители градирен.

2 Совершенствование и разработка конструкций полимерных капельно-пленочных оросителей градирен.

2.1 Полимерный капельно-пленочный ороситель градирни «блок в блоке».

2.2 Полимерный капельно-пленочный ороситель градирни, составленный на основе сетчатых оболочек и гофрированных труб.

2.3 Полимерный капельно-пленочный ороситель градирни, составленный на основе сетчатых оболочек с лопастными завихрителями.

2.4 Комбинированный полимерный капельно-пленочный ороситель градирни.

3 Экспериментальное исследование гидроаэротермических и аэродинамических характеристик оросителей градирен.

3.1 Экспериментальная установка для исследования гидроаэротермических характеристик оросителей градирен и методика проведения испытаний.

3.2 Экспериментальная установка для исследования аэродинамических характеристик оросителей градирен и методика проведения испытаний.

4 Методика обработки опытных данных по результатам проведенных гидроаэротермических и аэродинамических испытаний.

4.1 Определение коэффициентов тепло-и массоотдачи.

4.2 Определение коэффициентов аэродинамического сопротивления.

4.3 Оценка охлаждающей способности оросителей.

4.4 Определение погонной массы сетчатой оболочки.

4.5 Определение потерь полного давления в оросителе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование конструкций тепломассообменных насадок из полимерных материалов»

Системы промышленного водоснабжения предназначены обеспечивать подачу воды на производство в требуемых количествах и соответствующего качества. Они состоят из комплекса взаимосвязанных сооружений -водозаборных устройств, насосных станций, установок для очистки и улучшения качества воды, регулирующих и запасных емкостей, охладителей воды и разводящей сети трубоЬроводов. В зависимости от назначения и местных условий некоторые из перечисленных сооружений в системе могут отсутствовать.

По данным государственного учета использования воды промышленностью Российской Федерации расходуется в год примерно 40 миллиардов м3 свежей воды, что составляет 50% общего количества, забираемого для нужд народного хозяйства из источников водоснабжения. Это равняется примерно 20% потребности промышленных предприятий в воде. Недостающее количество (160 миллиардов м3) обеспечивается за счет повторного использования воды после охлаждения и (или) очистки. Такая вода называется оборотной или циркуляционной.

В зависимости от вида технологического процесса оборотная вода может быть транспортирующей или поглощающей средой (использование воды в таких качествах в данной работе не рассматривается), либо теплоносителем, циркулирующим в охлаждающей системе оборотного водоснабжения. Это система, в которой вода используется в качестве хладоагента для охлаждения оборудования или для конденсации и охлаждения газообразных и жидких продуктов в теплообменных аппаратах, где нагревается, а в некоторых случаях и загрязняется этими продуктами в основном за счет неплотностей оборудования. После охлаждения преимущественно на градирнях и очистки (при необходимости) основная масса воды возвращается в систему; часть оборотной воды (обычно не более

5%) теряется на испарение, капельный унос, утечки и сброс в виде продувки системы.

Для охлаждения различного рода технологического оборудования в России используется примерно от 105 до 130 миллиардов м3 оборотной воды, что составляет в среднем по всем отраслям промышленности около 65% общего расхода воды этой категории.

Требования, предъявляемые к температуре оборотной воды различными промышленными предприятиями, диктуются технологическим процессом и эксплуатационными свойствами оборудования. При выборе типа градирен для обеспечения этой температуры следует учитывать возможность загрязнения воды продуктами производства в водооборотном цикле.

Предприятия теплоэнергетической отрасли потребляют две трети свежей воды, забираемой на промышленные нужды из источников водоснабжения, при наибольшем расходовании ее для охлаждения технологического оборудования (96%). Однако коэффициент водооборота в отрасли ниже среднего по промышленности и составляет примерно 60% из-за сохранившихся с предыдущих лет на многих энергетических предприятиях прямоточных систем водоснабжения. Так, из 144 ТЭС с установленной мощностью 215 ГВт на прямоточных системах водоснабжения работают 45 и на оборотных 99. При этом для охлаждения оборотной воды используются водохранилища (54%), башенные градирни (14%), "сухие" (радиаторные) градирни (0,8%) и брызгальные бассейны (0,2%).

Вода в промышленности и энергетике используется для конденсации и охлаждения газообразных и жидких продуктов химических и нефтехимических производств, для конденсации отработавшего пара после расширения его в паровых двигателях, отвода теплоты от маслоохладителей и оборудования в целях предохранения его от быстрого разрушения под влиянием высоких температур (например, цилиндров компрессоров, кладки производственных печей) [1.1].

На многих промышленных предприятиях эксплуатируются компрессорные установки. Для того, чтобы температура сжимаемого воздуха, выходящего из компрессора, не превышала допустимого для нормальной и безопасной работы предела от плюс 140 до плюс 160 "С, используется его охлаждение. Чаще всего применяется водяное охлаждение рубашек компрессоров, при котором охлаждающая вода, прошедшая поверхностные холодильники компрессоров, после охлаждения на градирнях вновь используется.

Расход оборотной воды при температурном перепаде от плюс 10 до плюс 25°С рассчитывается таким образом, чтобы ее температура после поверхностных холодильников не превышала плюс 45 °С из-за предупреждения выпадения солей временной жесткости и образования накипи на охлаждаемой поверхности.

Потребление свежей воды в промышленности в значительной мере может быть уменьшено за счет перехода производств на безотходные, безводные или маловодные технологии. Однако многие производственные процессы не всегда или не в полной мере позволяют использовать такие технологии. Тогда на первый план в реализации задачи экономии воды в промышленности вступают охлаждающие системы оборотного водоснабжения с градирнями различных типов и конструкций.

В основном эффективность процесса охлаждения определяется насадочными устройствами (оросителями), призванными обеспечить необходимую поверхность контакта фаз при минимальных аэро- и гидродинамическом сопротивлениях.

В настоящее время в промышленности в качестве оросителей градирни до сих пор используются конструкции, выполненные из дерева или асбестоцемента. Основными недостатками данных оросителей являются большая масса на единицу площади, малая поверхность контакта, высокий коэффициент аэродинамического сопротивления и малый срок службы. Древесина чувствительна к химическому и биологическому воздействию, а планки оросителей не могут быть тоньше 10 мм из-за коробления и разрушения древесины в результате вымывания водой из нее лигнина (делигнификация). В результате последнего для связи клеток в древесине остается лишь целлюлоза и она становится непрочной. Процесс делигнификации идет более интенсивно при высоких значениях рН и значительном содержании в воде активного хлора [1.10]. Так, при повышении рН с 5 до 9 интенсивность разрушения лиственницы и дуба возрастает в 2-3 раза, а сосны и ели - в 10-16 раз [1.8].

Превышение температуры оборотной воды от регламентируемой приводит к снижению выработки продукции (нередко до 15%) и ухудшению ее качества. Вместе с тем, при неудовлетворительной работе градирен, оборудованных малоэффективными оросителями, температура воды, возвращаемой в оборотный цикл, часто превышает регламантируемую температуру, и предприятия для поддержания требуемого температурного режима прибегают к нежелательному приему — «освежению» системы оборотного водоснабжения, при котором повышают до 10% и более сброс из системы теплой воды при одновременном увеличении расхода подпиточной свежей воды из природного источника [2.31].

Цель работы

На основании аналитических и экспериментальных исследований разработать новые конструкции капельно-пленочных оросителей градирен на основе полимерных сетчатых оболочек с целью повышения эффективности тепломассообменного процесса охлаждения оборотной воды промышленных химических предприятий при помощи градирен.

Основные задачи исследования 1. Разработать конструкции полимерных капельно-пленочных оросителей градирен;

2. Спроектировать и изготовить экспериментальную установку для проведения аэродинамических и гидроаэротермических исследований;

3. На основании проведенных аналитических и экспериментальных аэродинамических и гидроаэротермических исследований установить зависимости, позволяющие с достаточной степенью точности проводить технологический и механический расчет оросительных систем как при реконструкции градирен, так и при строительстве новых;

4. Установить теоретическую зависимость определения погонной массы сетчатой оболочки в зависимости от диаметра составляющих полимерных волокон и их пространственного расположения.

5. Обобщить результаты теоретических и экспериментальных исследований с целью выявления наиболее эффективных конструкций разработанных оросителей градирен и определения оптимальных режимов их работы.

Научная новизна

Получена теоретическая зависимость для определения погонной массы сетчатой оболочки в зависимости от диаметра составляющих полимерных волокон и их пространственного расположения, позволяющая с достаточной степенью точности рассчитать массу оросителей с целью определения статической нагрузки на опорный каркас под ороситель.

Получена эмпирическая зависимость для определения перепада давления в оросителе градирни, позволяющая наиболее точно рассчитать нагрузку на вентилятор и определить оптимальные режимы работы градирни.

На основании экспериментальных исследований аэродинамических характеристик оросителей градирен установлено, что коэффициент аэродинамического Сопротивления пропорционален отношению плотности орошения к квадрату скорости восходящего воздушного потока. На основании экспериментальных исследований гидроаэротермических характеристик оросителей градирен установлено, что относительный теплосъем пропорционален скорости восходящего воздушного потока.

Практическая значимость

Разработаны три конструкции полимерных капельно-пленочных оросителей градирен (Патент РФ № 2295685, Патент РФ № 2301390, Патент РФ № 2319920), конструкция комбинированного оросителя градирен (Патент РФ № 70355), использование которых позволит интенсифицировать тепломассообменный процесс охлаждения оборотной воды промышленных химических предприятий.

Конструкция оросителя градирни (Патент РФ № 2295685) внедрена на ООО «Стерлитамакский завод катализаторов», конструкция оросителя градирен (Патент РФ № 2301390) - на Газохимическом заводе ОАО «СНОС» (г. Салават). Передана техническая документация на разработанные конструкции полимерных капельно-пленочных оросителей градирен на ОАО «Каустик» (г. Стерлитамак) и ООО «АкваНН» (г. Нижний Новгород) для внедрения в производство.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях: Межвузовская научно - техническая конференция «Наука, технология, производство» (г. Салават, 2005 г.); Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы химической технологии и подготовки кадров» (г. Стерлитамак, 2006 г.); Международная молодежная научная конференция «Севергеоэкотех - 2006» (г. Ухта, 2006 г.); Всероссийская научно-практическая конференция «Роль науки в развитии топливно - энергетического комплекса» (г. Уфа, 2007 г.); XI региональный конкурс научных работ молодых ученых, аспирантов и студентов вузов приволжского федерального округа (г. Уфа, 2007 г.); III Международная научно-техническая конференция «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов» ЕЬР1Т-2007 (г. Тольятти, 2007 г.); IV Международная научно-практическая конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт Петербург, 2007 г.); Региональная научно-практическая конференция «Технология, автоматизация, оборудование и экология промышленных предприятий» (г. Стерлитамак, 2008 г.).

Публикации

Основное содержание работы изложено в 15 публикациях, из которых 3 патента РФ на изобретение, 1 патент РФ на полезную модель, 4 статьи в ведущих рецензируемых журналах, вошедших в перечень ВАК и 2 статьи в центральной печати.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех основных разделов, выводов, списка литературы из 166 наименований и приложений. Общий объем диссертации составляет 90 страниц машинописного текста (без учета приложений), 31 рисунок, 3 таблицы.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Боев, Евгений Владимирович

По результатам эксплуатации данной градирни можно сделать следующие выводы:

• перепад температур вЪды на входе и выходе из градирни - 8,40 С;

сителей.

Начальник производства катализаторов

Инженер-технолог производства катализаторов

Г. И. Давлетова