Совершенствование малогабаритных тепломассообменных аппаратов охлаждения оборотной воды тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат наук Бондарь Кристина Евгеньевна

• Бондарь Кристина Евгеньевна
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Бондарь Кристина Евгеньевна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В ПРОМЫШЛЕННЫХ МАЛОГАБАРИТНЫХ АППАРАТАХ ОХЛАЖДЕНИЯ ОБОРОТНОЙ ВОДЫ

1.1 Охлаждение воды в промышленности

1.2 Анализ конструкций малогабаритных аппаратов охлаждения оборотной воды

1.3 Капельно-плёночные оросители градирен 32 Выводы по главе 1 34 ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ МАЛОГАБАРИТНЫХ АППАРАТОВ С КАПЕЛЬНО-ПЛЁНОЧНЫМИ ОРОСИТЕЛЯМИ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

2.1 Миниградирня с винтовым потоком воздуха

2.2 Трубчатая миниградирня 42 Выводы по главе 2 44 ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОАЭРОТЕРМИЧЕСКИХ И АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОНТАКТНЫХ УСТРОЙСТВ МИНИГРАДИРЕН

3.1 Экспериментальная установка миниградирни с винтовым потоком воздуха

3.2 Анализ лабораторных испытаний

3.2.1. Гидроаэротермические испытания

3.2.2. Аэродинамические испытания 59 Выводы по главе 3 66 ГЛАВА 4 МЕТОДИКА РАСЧЕТА МАЛОГАБАРИТНОГО АППАРАТА ОХЛАЖДЕНИЯ ОБОРОТНОЙ ВОДЫ И ИССЛЕДОВАНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ОРОСИТЕЛЯ ГРАДИРНИ

4.1 Методика расчета малогабаритного аппарата охлаждения оборотной воды

4.2 Анализ и выбор технологии для изготовления оросителя градирни

4.3 Экспериментальная установка и методика для исследования гидродинамических характеристик потоков при экструзии расплавов полимеров

4.4 Расчет гидродинамических характеристик потоков расплавов полимеров при экструзии в формующих каналах сложного профиля

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

Актуальность темы исследования

Среди наиболее водоемких отраслей химическая промышленность занимает первое место. Основными направлениями рационального использования водных ресурсов и защиты водоемов от загрязнений являются уменьшение количества потребления воды из источников, широкое введение водооборотных циклов, создание замкнутых систем с полным извлечением и повторным использованием продуктов химических производств, улавливаемых в процессе очистки воды [1, 2, 3].

При применении в производстве оборотного водоснабжения качество выпускаемой продукции зависит от качества и температуры оборотной воды. В практике производственного водоснабжения подготовка оборотных вод осуществляется на отдельных сооружениях водоподготовки [1].

Водооборотные циклы состоят из комплекса связанных сооружений -насосов, емкостей, установок для улучшения и очистки воды, градирен и сети трубопроводов.

Существуют следующие виды использования технической воды на химических предприятиях [4]:

1. 70 - 90 % воды употребляется на предприятиях как хладагент, который охлаждает вещества в теплообменных аппаратах или используется для предотвращения чрезмерного нагрева отдельных секций установок и оборудования.

2. 5 - 15 % воды применяется в качестве абсорбента, а также как транспортирующая среда. В результате этого она загрязняется и нагревается, если продукты, с которыми вода контактирует, имеют высокую температуру.

3. 7 - 20 % воды утрачивается вследствие испарения, или она содержится в продукции [5, 6].

Таким образом, оборотная вода в зависимости от применяемого процесса может быть теплоносителем в охлаждающей системе оборотного водоснабжения, поглощающей или транспортирующей средой (в данной работе этот аспект не рассматривается). Вода применяется как хладагент, используемый для

охлаждения машин и аппаратов или для охлаждения и конденсации жидких и газообразных продуктов в теплообменниках, где вода нагревается и в отдельных случаях загрязняется данными продуктами. Для охлаждения воды, нагретой в процессе работы, по большей части применяются градирни. Затем после охлаждения и, при необходимости, очистки основной объем воды возвращается в систему [7, 8].

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.

В настоящее время производятся малогабаритные градирни, которые активно внедряются в производство, однако они имеют ряд существенных недостатков, которые не допускают их применение в качестве замены громоздких систем (по температуре охлаждения воды: башенные - 5 град. по мокрому термометру, вентиляторные - 2-5 град., существующие миниградирни - 10 град. по мокрому термометру):

1. Малый теплосъем (обусловлен противоточным взаимодействием восходящего паровоздушного потока и ниспадающего водного, которое не обеспечивает достаточного времени для тепломассообмена при контакте фаз);

2. Малая эффективность контактных устройств (оросителей);

3. Большой каплеунос [7].

Степень разработанности темы

Совершенствованию конструкций аппаратов охлаждения оборотной воды и контактных устройств посвящены работы Л.Д. Бермана, В.С Пономаренко, С.П. Иванова, А.Г. Лаптева, И.А. Ведьгаевой, Н.А. Меренцова и др. Труды указанных авторов содержат исследования гидродинамических и аэродинамических закономерностей тепломассообменных процессов в градирне, методы расчёта

коэффициентов тепло- и массоотдачи, но в них не представлены конструкции и методы расчёта малогабаритных аппаратов.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности

Тема и содержание диссертационной работы соответствуют формуле специальности 05.17.08: совершенствование и создание эффективных технологических схем на основе использования современных машин и аппаратов. Область исследования: способы, приемы и методология исследования гидродинамики движения жидкости, газов, исследование тепловых процессов в технологических аппаратах и технологических схемах, исследования массообменных процессов и аппаратов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование малогабаритных тепломассообменных аппаратов охлаждения оборотной воды»

Цель работы

Разработка новых конструкций и методов расчета параметров малогабаритных тепломассообменных аппаратов для повышения эффективности процесса охлаждения оборотной воды на промышленных предприятиях и контактных устройств с обоснованием, выбором и определением основных технологических характеристик материала для их изготовления.

Основные задачи исследования

1. Разработать конструкции малогабаритных аппаратов охлаждения оборотной воды и контактных устройств из полимеров.

2. Разработать и создать экспериментальную установку для проведения аэродинамических и гидроаэротермических испытаний винтового малогабаритного аппарата охлаждения оборотной воды.

3. На основании проведенных теоретических и практических исследований аэродинамических и гидроаэротермических характеристик установить зависимости для расчёта коэффициентов тепло- и массоотдачи.

4. Произвести подбор полимерных материалов для изготовления контактных устройств и исследовать их реологические характеристики для определения оптимального режима изготовления оросителей градирен.

Научная новизна

1. Установлено, что влагосодержание и температура охлаждающего воздуха в объёме по высоте градирни изменяются по высоте по степенному закону,

, необходимые для дальнейшего определения коэффициента массоотдачи.

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

3. Получена теоретическая зависимость между геометрическими характеристиками формующих каналов экструзионных головок и основными параметрами процесса экструзии расплавов полиэтилена низкого давления и полиэтилена высокого давления, используемых для изготовления оросителей градирни.

Теоретическая и практическая значимость работы

Разработаны две конструкции малогабаритных аппаратов охлаждения оборотной воды (Патент РФ № 170061, Патент РФ № 182965), конструкция оросителя градирен (Патент РФ № 147330), использование которых позволит интенсифицировать тепломассообменный процесс охлаждения оборотной воды промышленных химических предприятий.

Применительно к производственным условиям АО БСК г. Стерлитамак по результатам разработки внедрены:

1. Малогабаритная градирня.

2. Ороситель градирни.

Материалы диссертационной работы используются при чтении курсов лекций по дисциплинам «Процессы и аппараты химических технологий», «Машины и аппараты химических производств», «Механика жидкости и газа» для бакалавров направления 18.03.02 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии», профиль «Машины и аппараты химических производств», а также направления 15.03.02 «Технологические машины и оборудование», профиль «Оборудование нефтегазопереработки».

Разработаны экспериментальные установки для определения основных характеристик оросителей градирен для исследования реологических характеристик для изготовления оросителей градирен.

Разработаны методы расчета малогабаритных аппаратов охлаждения оборотной воды.

Методология и методы исследования

В работе использованы следующие методы исследования: анализ, аналогия, сравнение, моделирование, наблюдение, обобщение и системный подход. Методы основаны на экспериментальных (гидроаэротермических и аэродинамических) исследованиях процесса тепломассообмена в лабораторном масштабе для определения основных показателей эффективности малогабаритных аппаратов охлаждения оборотной воды.

Положения, выносимые на защиту

1. Конструкции малогабаритных аппаратов охлаждения оборотной воды и контактных устройств из полимеров.

2. Результаты экспериментальных и теоретических исследований гидроаэротермических и аэродинамических характеристик контактных устройств малогабаритных аппаратов охлаждения оборотной воды.

3. Методы расчёта малогабаритных аппаратов охлаждения оборотной воды для определения коэффициента массоотдачи.

Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается использованием основных физических закономерностей, поверенных приборов, а также сходимостью полученных экспериментальных и расчетных данных, погрешность не превышает 10%.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы были изложены в докладах на научных конференциях:

1. 9-ой Международной научно-технической конференции «Геология и нефтегазоносность Западно-Сибирского мегабассейна (опыт, инновации)» (Тюмень, 2014);

2. Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Инновационные технологии в промышленности: образование, наука и производство» (Уфа, 2016);

3. 71-ой Международной молодежной научной конференции «Нефть и газ - 2017» (Москва, 2017);

4. Международной научно-технической конференции, посвященной Дню химика и 40-летию кафедры химико-технологических процессов Филиала УГНТУ в г. Салавате «Наука. Технология. Производство - 2017. Прикладная наука как инструмент развития нефтехимических производств» (Уфа, 2017);

5. II Внутривузовской научно-практической конференции «Современные технологии в образовании и промышленности: от теории к практике» (Уфа, 2018).

Публикации

Основное содержание работы изложено в 16 публикациях, из которых 4 статьи в ведущих рецензируемых журналах, вошедших в перечень ВАК, 2 статьи в журналах, индексируемых Scopus, 6 тезисов докладов, 3 патента РФ на полезную модель, а также 1 монография.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованных источников из 103 наименований. Объем диссертации составляет 110 страниц, содержит 27 рисунков, 14 таблиц.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В ПРОМЫШЛЕННЫХ МАЛОГАБАРИТНЫХ АППАРАТАХ ОХЛАЖДЕНИЯ

ОБОРОТНОЙ ВОДЫ

1.1 Охлаждение воды в промышленности

В химической технологии применяются различные аппараты и оборудование: компрессоры, теплообменные аппараты, реакторы, ректификационные колонны и т.д.

Для поддержания необходимого температурного режима, как правило, требуется отвод образующегося в процессе низкопотенциального тепла от оборудования и аппаратов (рисунок 1.1). В общем, для отведения тепла в промышленности применяется более доступный хладагент - вода, а охлаждение оборотной воды производится на градирнях.

N и О - энергия и теплота от внешнего источника; О1 - теплота, переданная воде при проведении рабочего процесса; О2 - теплота, рассеянная в атмосфере при охлаждении жидкости; ^ - температура воды на входе в охладитель; ^ - температура воды на выходе из охладителя. Рисунок 1.1 - Система охлаждения.

Градирни используются для охлаждения оборотной воды, движущейся по замкнутому контуру системы охлаждения. При большом разнообразии конструкций вентиляторная градирня считается одной из более эффективных и

экономичных для охлаждения воды в водооборотных системах химических предприятий [9].

Но к данным градирням предъявляются жёсткие требования, характеризующиеся специфичностью их использования. В первую очередь, они должны характеризоваться высокой надежностью для того, чтобы обеспечить непрерывную работу всей системы. В свою очередь, важно, чтобы оросители отличались высокой эффективностью - в противном случае время контакта теплообменивающихся фаз в системе будет меньше необходимого, и температура будет уменьшаться очень медленно, в итоге эффективность работы водооборотного цикла понизится [10, 11, 12, 13]. Кроме этого, необходимо, чтобы градирни были наиболее долговечными - замена их в отдельных случаях может быть связана с некоторыми сложностями. Малый расход энергопотребления -еще одно условие, которое достаточно важно в виду того, что часто вентиляторные градирни работают непрерывно в течение больших периодов времени [14].

Актуальной является разработка конструкций градирен, позволяющих перевести промышленные предприятия на локальные системы охлаждения оборотной воды (малогабаритные аппараты), которые более мобильны, обслуживают конкретные технологические установки или аппараты, менее энергоемки, эффективны, экологически безопасны. Переход на локальные системы охлаждения исключает необходимость дорогостоящей эксплуатации протяженных сетей трубопроводов, минимизирует выбросы в атмосферу [15, 16,

17].

В настоящее время производится несколько конструкций вентиляторных малогабаритных аппаратов охлаждения оборотной воды, однако отсутствует их классификация. Предлагается классификация по следующим основным признакам:

1. По входу воздушного потока:

расположение вентилятора под прямым углом, расположение вентилятора тангенциально,

2. По количеству вентиляторов: одновентиляторные, двухвентиляторные, трёхвентиляторные.

3. По движению фаз: противоток, перекрёстный ток, комбинированный (смешанный ток).

4. По производительности:

-5

малой (5-50 м /ч),

Л

средней (50-100 м /ч),

-5

высокой (от 100 м /ч и выше).

В процессе разработки новых конструкций малогабаритных аппаратов охлаждения оборотной воды необходимо опираться на анализ существующих конструкций, для чего рассмотрим принцип их работы, конструктивные особенности и обобщим основные сведения, имеющиеся в современной научно-технической и патентной литературе.

1.2 Анализ конструкций малогабаритных аппаратов охлаждения

оборотной воды

Градирня «Росинка» используется при оборотной системе водоснабжения для охлаждения нагретой в теплообменниках воды в процессах и аппаратах химических технологий; она нашла применение в системах охлаждения промышленных компрессорных станций, холодильных установок, систем кондиционирования и другого технологического оборудования, требующего охлаждения воды.

воды в м /ч дробным числом.

Одной из особенностей данной конструкции является то, что в воде, охлаждаемой в градирне, не должны содержаться самовозгорающиеся примеси. Присутствие в воде смол, нефтепродуктов и жиров не должно быть выше 25 мг/л, а количество взвешенных веществ - 80 мг/л [18].

Градирня работает по принципу противотока воды и атмосферного воздуха.

Охлаждение воды производится переносом тепла атмосферному воздуху посредством поверхностного испарения воды и теплоотдачи соприкосновением.

Ороситель состоит из решётчатых призм ПР-50 и представляет собой решётчатую структуру для прохождения воды и воздуха с необходимой поверхностью для осуществления интенсивного тепломассообмена воды с воздухом.

Нагретая вода по напорному патрубку 10 поступает в водораспределитель 3 и через сопла водоразбрызгивающие 8 равномерно распределяется по сечению градирни. Вентилятор 4 из внешней среды нагнетает воздух в градирню. Ярус оросителя нижний 11 создаёт сопротивление потоку воздуха, что способствует его равномерному распределению по сечению градирни при достижении зоны разбрызгивания воды. При напоре воды не менее 30 кПа факел разбрызгивания, подхватываемый потоком воздуха, проникает в ярус оросителя верхний 12. Проницаемость оросителя составляет около 75% его высоты. Остальные 25% выполняют функцию водоуловителя. Струи и капли воды, соприкасаясь с призмами решётчатыми 13, многократно дробятся, увеличивая при этом поверхность испарения, отдают своё тепло воздуху. Таким образом, происходит первый этап охлаждения. Затем вода поступает на ярус оросителя нижний 11 и, проходя сквозь него, подвергается дополнительному охлаждению (второй этап). Охлаждённая вода собирается в баке 2 и через патрубок сливной 5, самотёком, поступает в сливную магистраль (рисунок 1.2).

Безвозвратные потери воды при работе градирни состоят из потерь на капельный унос и на испарение.

1 - корпус, 2 - бак, 3 - водораспределитель, 4 - вентилятор, 5 - патрубок сливной,

6 - обечайка вентиляторная, 7 - патрубок ввода электрокабеля, 8 - сопло водоразбрызгивающее, 9 - ограждение вентилятора, 10 - патрубок напорный, 11 - ярус оросителя нижний, 12 - ярус оросителя верхний, 13 - призма ПР-50 Рисунок 1.2 - Схема устройства градирни «Росинка»

Потери воды рассчитываются в процентном отношении к расходу воды через градирню, в том числе:

• Каплеунос не более 0,01%.

• Потери воды на испарение составляют 1% на каждые 6 °С перепада температуры воды, входящей в градирню и выходящей из неё.

Капельный унос из градирни и потери на испарение компенсируются подпиткой воды в бак-резервуар системы оборотного водоснабжения. В таблице 1 .1 приведены основные технические характеристики данной миниградирни [18].

Недостатками данной градирни являются: малая эффективность из-за непродолжительного времени контакта воздушного и водного потоков, незащищённость вентилятора, отсутствие возможности регулировки воздушного потока, оросители подвержены воздействию низких температур, высокие требования к чистоте воды [19].

Основные технические характеристики градирен Росинка 5 Росинка 10/20 Росинка 30/40 Росинка 50/60 Росинка 80/100

Расход воды м3/ч 5 10 ... 20 30 ... 40 50 ... 60 80 ... 100

Перепад температур (Д^ °C Для температуры горячей воды — 32 °С; температуры воздуха — 25 °С и относительной влажности — 57%. (При изменении любого параметра изменяется и ДТ.)

6,4 9 ... 6,4 7 ... 6,4 6 ... 5 6,3 ... 5,7

1 2 3 4 5 6

Капельный унос, не более % 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01

Потери воды на испарение % Потери воды на испарение зависят от перепада температур на градирне. Каждые 6,0 °С перепада означают, что потери воды с паром составляют 1% от расхода воды на градирне

Вентилятор ВО 06-300 исполнение 4 6,3 8 10 12,5

Мощность эл/двигателя кВт 0,25 1,1 3,0 3,0 4,0

Габариты: длина х ширина х высота м 1,2х0,7х1,7 1,7x1,1x2,0 2,3x1,3x2,3 2,2x1,7x3,5 2,8x2,3x3,9

Габариты для транспортировки: м 1,2х0,7х1,7 1,7x1,1x2,0 2,3x1,3x2,3 Основание

2,2x1,7x2,1 2,8x2,3x2,3

Корпус верхний

2,2x1,7x1,5 2,8x2,3x1,7

Масса при эксплуатации кг 300±10 700±30 1050±40 2200±50 3600±100

Масса при максимальном наполнении водой, не более кг 330 880 1440 4140 6530

Расход воды через градирни в зависимости от напора, м /ч

Напор воды на входе в градирню, кПа (м.вод.ст.) Росинка 5 Росинка 10/20 Росинка 30/40 Росинка 50/60 Росинка 80/100

1 2 3 4 5 6

20(2) 3 9 18 32 54

1 2 3 4 5 6

30(3) 3,75 11,25 22,5 40 67,5

40(4) 4,2 12,6 25,2 44,8 75,6

50(5) 4,95 14,85 29,7 52,8 89,1

60(6) 5,55 16,65 33,3 59,2 99,9

70(7) 5,85 17,55 35,1 62,4 105,3

80(8) 6,3 18,9 37,8 67,2 113,4

100(10) 7,35 22,05 44,1 78,4 132,3

В таблице 1.2 приведены основные технические характеристики испарительной вентиляторной градирни ЕВРОМАШ [20]. Давление воды перед форсункой - это один из ключевых параметров, по которым определяется модель насоса, который будет подавать воду в градирню. Понятно, что чем выше необходимо создавать давление воды перед форсункой, тем более мощные насосы требуются, что повышает расходы на покупку насосов и на оплату электроэнергии.

Таблица 1.2 - Технические характеристики градирни ЕВРОМАШ

Модификация градирни ЕВРОМАШ- Тепловой поток* Номинальный расход охлаждаемой воды** Количество форсунок Габаритные размеры Диаметр патрубков градирни Масса сухой градирни *** Осевой вентилятор

высота х длина х ширина входной сливной Типоразмер N п

кВт м3/час шт. мм мм кг кВт -1 мин

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

50 (46) 46 8 2 2085 х 1472 х724 51 60 125 5 0,37 1500

70 70 12 2 2600 х 1854 х 1010 76 100 231 6,3 0,75 1000

100 (95) 95 16 3 1,1 1500

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

120 120 20 4 3100 х 1854 х 1010 288 6,3 0,75 1000

140 140 24 1,1 1500

160 160 28 1,1 1500

190 190 32 6 3025 х 3053 х1030 108 140 435 8 3,0 1500

300 300 50 10 3525 х 3053 х 1030 520 3,0 1500

350 350 60 12 3350 х 3420 х 2010 135 200 844 12,5 4,0 750

450 450 75 7,5 1000

550 550 90 21 3850 х 3420 х 2010 990 4,0 750

700 700 120 7,5 1000

1000 1000 170 35 4035 х 4930 х 2135 156 250 1650 14 11,0 1000

1650 1650 280 48 4250 х 6400 х 2135 2х 135 250 2100 16 15,0 1000

2400 (2350 ) 2325 400 72 4750 х 7500 х 2350 273 315 3240 20 22,0 750

* приведены значения отводимого в окружающую среду теплового потока

при условии прохождения через градирню номинального расхода охлаждаемой воды и обеспечении перепада температур охлаждаемой воды не более 5 °С.

** указан номинальный расход охлаждаемой воды, при котором градирни будут отводить указанное в таблице количество тепла (тепловой поток) в окружающую среду и снижать температуру охлаждаемой воды на 5 °С. Количество испаряющейся в атмосферу воды составляет 1...2% от величины расхода. Таким же должно быть количество свежей воды, которым будет подпитываться система оборотного цикла водоснабжения, в котором используется градирня.

*** масса сухой градирни. Вес с водой составит +10 % к весу сухой градирни.

Градирни ЕВРОМАШ относятся к одновентиляторным градирням с нижним расположением осевого вентилятора.

Градирни ЕВРОМАШ-В - это одновентиляторные градирни с верхним расположением осевого вентилятора (рисунок 1.3.)

Эти градирни разработаны для установки над бассейнами и предназначены в первую очередь для замены стандартных секционных вентиляторных градирен с вентиляторами ВГ-25 и ВГ-50.

Технические характеристики градирен серии ЕВРОМАШ-В позволяют успешно использовать их на промышленных, строительных, производственных и других предприятиях.

Недостатками данной градирни являются: сложность изготовления, малая эффективность из-за непродолжительного времени контакта воздушного и водного потоков, отсутствие регулировки воздушного потока, подверженность оросителей воздействию низких температур, повышенный каплеунос.

Рисунок 1.3 - Градирня ЕВРОМАШ-В

Миниградирня «Тайфун» (рисунок 1.4) является горизонтальной поперечноточной вентиляторной градирней для оборотных систем водоснабжения промышленных предприятий и производств.

В таблице 1.3 приведены основные технические характеристики оборудования, их габаритные и весовые параметры [21].

№ п/п Показатели Единицы измерения 5-10 м3/час 15-20 м3/час 50 м3/час 100 м3/час 200 м3/час

1 Расход воды м3/час 5 - 10 15 - 20 50 100 200

2 Теплосъем при ^озд. по смоченному термометру 19°С и относительной влажности -60% Мкал /час 50 -110 165 -200 450 1400 2400

кВт 58,1 -127,9 191,9 -232,6 523,3 1627,9 2790,7

3 Дt °С 6 - 12 6 - 12 7 - 15 7 - 15 7 - 15

4 Минимальное давление воды на входе в градирню М.вод.ст. 3 3 3 3 3

кПа 30 30 30 30 30

5 Количество сопел шт. 9 12 13 30 54

6 Капельный вынос, не более % 0,002 0,002 0,002 0,002 0,002

7 Вентилятор осевой В0-06-300 Тип №6.3 №6.3 №10 №10 (2шт.) №10 (2 шт.)

8 Скорость воздуха в градирне М./сек 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5

9 Расход воздуха 103 мз/ч 9,6-15 9,6-15 33 66 66

10 Установленная мощность электродвигателя вентилятора кВт 0,55 0,55 -1,1 3 3 3

11 Потребляемая мощность электродвигателя вентилятора кВт 0,23 0,23 -0,69 2,06 2,06 2,06

12 Число оборотов электродвигателя Об./мин 1410 1410 950 950 950

13 Габариты основания: длина х ширина х высота м 1x1x1, 5 1,2х1,1х 2,1 2,4х1,8 х2,5 3х3х2, 8 4х3х2, 8

14 Габариты вытяжного раструба: длина х ширина х высота м 0,63x1 х1,1 0,8х1,1х 1,6 1,2х1,8 х2 1,5х3х 2,2 1,9х3х 2,2

15 Вес градирни кг 370 530 1400 2100 4190

Преимущества градирен «Тайфун» по отношению к типовым вентиляторным градирням:

• в поперечноточных градирнях весь внутренний объем является активной зоной теплообмена, состоящей из оросителя объемной сетчатой структуры с горизонтальными воздушными каналами;

• движение воздуха, нагнетаемого вентилятором без изменения направления, происходит по горизонтальным воздушным каналам оросителя;

• разбрызгиваемая вода дробится сетчатой структурой оросителя, постоянно изменяя поверхность теплообмена капель, которые беспрепятственно пересекаются воздушными потоками;

• горизонтальное расположение корпуса градирни и применяемого канального оросителя исключает рециркуляцию и образование застойных воздушных зон, ухудшающих охлаждающую способность градирен;

• каплеулавливание осуществляется в специальном выносном раструбе;

• емкость запаса воды монтируется как с корпусом градирни, так и отдельно;

• конструктивные особенности градирен ГВЭ позволяют снизить их высоту в 2-3 раза по сравнению с поперечноточными градирнями аналогичной производительности;

• увеличение теплосъема в 1,5-2 раза при меньших энергозатратах;

• конструкция градирни позволяет работать в зимнее время года без включения вентилятора.

Рисунок 1.4 Миниградирня «Тайфун»

Недостатками миниградирни «Тайфун» являются: сложность изготовления, малая эффективность из-за непродолжительного времени контакта воздушного и водного потоков, отсутствие регулировки воздушного потока, подверженность оросителей воздействию низких температур, повышенный каплеунос.

Градирни серии ГРАД конструктивно состоят из двух частей: верхней -корпуса 1, в нижней части которого находится ороситель 3, в верхней -водоуловитель 4, а между ними расположены коллекторы разбрызгивающего устройства с форсунками 5, и нижней - бака-водосборника 2 для сбора охлаждаемой воды с установленным на нем вентилятором 6 (рисунок 1.5).

Охлаждение в градирне осуществляется за счет испарения 1% циркулирующей воды, которая разбрызгивается форсунками и через сложную систему каналов оросителя в виде пленки стекает в бак навстречу охлаждающему воздуху, нагнетаемому вентилятором.

4

Рисунок 1.5 - Конструкция градирни ГРАД

Эффективный водоуловитель позволяет понизить потери воды в результате капельного уноса. Количество капельной влаги, уносимой потоком охлаждающего воздуха, зависит от плотности орошения и при наибольшем его

3 2

Градирни выпускаются с корпусом, изготовленным из тонколистовой нержавеющей стали, что обеспечивает их надежную многолетнюю эксплуатацию, небольшой вес и, как следствие, возможность их установки на крышах производственных зданий.

Градирни серии ГРАД имеют в сравнении с другими аэродинамически выверенную конфигурацию проточной части корпуса, что повышает равномерность распределения потока воздуха через ороситель и увеличивает равномерность и степень охлаждения воды.

В новой конструкции бака включена дополнительная деталь - диффузор, которая представляет собой теперь часть корпуса, при этом увеличено расстояние между вентилятором и потоком воды, стекающей с оросителя, что полностью исключает попадание брызг воды на обечайку вентилятора и образование наледи на ней, а каплеотделитель и ороситель, обладающие низким сопротивлением, обеспечивают выход пара вверх, а не через обечайку вентилятора, что также исключает образование наледи за счет конденсации пара на обечайке.

Коллектор разбрызгивающего устройства не проходит через стенку градирни и, следовательно, отсутствует узел уплотнения коллектора и связанные с этим протечки воды через него [22].

Ороситель и каплеотделитель изготавливаются методом вакуумной штамповки из специального пластика, который производится по технологии фирмы «Клекнер Пентапласт», Германия. Срок эксплуатации материала оросителя и каплеотделителя, подтвержденный сертифицированной испытательной лабораторией «Полимертест», составляет не менее 15 лет.

Ороситель, используемый в градирне, представляет собой гофрированную поверхность с высокой степенью смачиваемости и при плотности орошения 15-25

3 2

м /м час и скорости воздуха 3-4 м/сек позволяет охладить воду до 25 °С и ниже. Материал оросителя - ПВХ, высокопрочный, химически стойкий пластик, не

поддерживающий горения и сохраняющий свои эксплуатационные свойства при температуре наружного воздуха от -60 °С до +55 °С.

В градирнях устанавливается более эффективный каплеотделитель, так называемый «тройной риф», где поток воздуха 3 раза изменяет направление движения, и за счет этого достигается значительное уменьшение каплеуноса. При скорости воздуха в живом сечении каплеотделителя до 4,5 м/сек степень отделения капельной влаги (эффективность) не ниже 99,9%.

Градирни изготавливаются только с нижним расположением вентилятора по одновентиляторной схеме, т.к. градирни с несколькими вентиляторами в сумме потребляют больше энергии, и при поломке одного вентилятора возникает неконтролируемый капельный унос через обечайку поврежденного вентилятора .

Градирни комплектуются вентиляторами с пластиковыми рабочими колесами, а также вентиляторами с односкоростными или, по требованию заказчика, многоскоростными электродвигателями, позволяющими менять производительность градирни в процессе работы в зависимости от погодных условий за счет изменения расхода воздуха. Возможна поставка градирен со специальными частотными преобразователями регулирования оборотов вращения вентиляторов, что обеспечивает большую экономию потребления электроэнергии [22].

Недостатками данной градирни являются: малая эффективность из-за непродолжительного времени контакта воздушного и водного потоков, подверженность оросителей воздействию низких температур.

Вентиляторные градирни «Меттерра» отличаются своей компактностью. Сравнительно малый вес, а также размеры установки позволяют перевозить систему обычным автомобильным транспортом. Еще одна характерная особенность, отличающая данный вид аппарата охлаждения оборотной воды, заключается в простоте монтажа.

В таблице 1.4 приведены основные технические характеристики градирен ВМГ [23].

Наименование ВМГ 5 ВМГ 10 ВМГ 20 ВМГ 30 ВМГ 40 ВМГ 50 ВМГ 60 ВМГ 80 ВМГ 100

Номинальное количество циркулирующей воды, м3/час 3-7 7-15 15-25 2535 3545 4570 4570 70-90 90110

Теплосъем в номин. режиме при t на входе в градирню 32 °С ( t воздуха по влажному термометру 19 °С, ф = 60%), кВт 40 75 140 210 280 378 420 560 420

Гарантированный перепад температур (при t на входе 32 °С), °С 7 6 6 6 6 6 6 6 5,5

Давление воды на входе в градирню, бар 0,3-1,0 0,30,7

Плотность орошения, м3/час*м2 7,2 10 13,89 15,31 15,6 3 12,6 2 15,15 15,81 15,15

Площадь орошения, м2 0,7 1.44 1,96 2,56 3,96 3,96 5,06 3,96

Тип форсунок тангенциальная

Марка вентилятора ВО 06-300

№5 №6,3 №6,3 №8 №8 №10 №10 №8 №10

Мощность вентилятора, кВт 0,37 1,1 1,1 3,0 3,0 3,0 3,0 х 2шт 3,0 х 2шт 3,0 х 2шт

Максимальные габариты, мм Длина 1500 1500 1883 2078 2579 3145 3145 3145 3645

ширина 715 1020 1230 1430 1632 1820 1820 2220 2356

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бондарь Кристина Евгеньевна, 2020 год

б = с.

^ & -12)+

с.

= Св (/2 - гх):

(3.1)

г

где Сж - удельная теплоемкость воды, кДж/(кг град); Ож - гидравлическая нагрузка на градирню, кг/с; Х1, Х2 - температура воды на входе и на выходе из градирни, град; Ои - количество испарившейся воды, кг/с; Ов - расход воздуха, кг/с;

¡1,12 - удельные энтальпии воздуха в ядре потока при входе в градирню и на выходе, Дж/кг;

г - удельная теплота испарения, кДж/кг. Материальный баланс [14]:

= Св (Хх - ) (3.2)

где х1, х2 - влагосодержание воздуха на входе и выходе из градирни, кг/кг.

Изначально при тепловом расчете задаются расходом Ов и атмосферными характеристиками воздуха, а конечные величины Х2, ¡2, х2 неизвестны [88-93].

Соотношений (3.1) и (3.2) для определения данных параметров недостаточно, поэтому нужно записать данные уравнения в объеме оросителя градирни.

В объеме оросителя dV с площадью F и высотой dh имеем: dQ = a(t - 0)dV + £dGx (3.3)

где /п - энтальпия пара при температуре воды t1 (/п = Сж^1+г);

Л

а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м град);

О - температура атмосферного воздуха по сухому термометру, град. Слагаемое a(t -0)dV определяет количество теплоты, передаваемое

теплообменом от воды к воздуху, а /пdG:x в процессе испарения. Количество испарившейся жидкости:

dGж =Рт(*" - x)dV (3.4)

где вж - объемный коэффициент массоотдачи, отнесенный к разности

-5

влагосодержаний, кг/(м3с кг/кг);

x - влагосодержание насыщенного воздуха при данной температуре, кг/кг. Из уравнений (3.3) и (3.4) получаем:

dQ = a(t -G)dV + inД (x" - x)dV (3.5)

Предполагая, что тепломассообменные процессы в градирне протекают при условиях, которые удовлетворяют аналогии между ними, т.е. при выполнении соотношения Льюиса [14]:

^ = C„, (3.6)

д

Щ = рт [СвШ( - в)+/п(х - х\ау (3.7)

Уравнение (3.7) с учетом параметров свойства влажного воздуха [14]:

Сел = СвС + сп х (3.8)

где Свл - удельная теплоемкость влажного воздуха, кДж/(кг град); Свс - удельная теплоемкость сухого воздуха, кДж/(кг град); Сп - удельная теплоемкость пара, кДж/(кг град); х - влагосодержание воздуха, кг/кг

/п * г + С/ (3.9)

/2 * СвС <+(г+спо х2 (3.10)

/1 * Сс^д+(г+спв) х (3.11)

можно привести к следующему виду:

Щ = I - 1)<М (3.12)

или

Q = I - ¿Ж (3.13) Левую часть уравнения (3.1) можно записать следующим образом:

1

Q =1СЖМСЖ, (3.14)

1

где к = ^г , ^ = 11 -12 (3.15)

t

Q =1СЖМСЖ = ^ - к) = /(I - 1)М (3.16)

Из анализа данных, полученных опытным путём (рисунки 3.2, 3.3), следует, что влагосодержание х и температура гв воздуха в объеме по высоте оросителя увеличиваются по степенному закону (а не по линейному, как считалось другими исследователями [94-97]).

х{К) = х1 + к1 ка (3.17)

= 6 + к2 Къ (3.18)

где

кг= Х2-Х1; к2= ^Ь6; 0 < к < Н (3.19)

Х-Х!, кг/кг 0,006

0,005

0,004

0,003

0,002

0,001

—I-1-1-1-1-1-1-1-1-

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

И/И

Рисунок 3.2 - Изменение влагосодержания по высоте оросителя

0

h/H

Рисунок 3.3 - Изменение перепада температуры воздуха по высоте оросителя Константы a и b находятся опытным путем построением зависимостей на рисунке 3.4 в логарифмической интерпретации. Кривые выродились в логарифмических координатах в прямые линии, и тангенс угла наклона соответствует показателям степени: a = 0,83, b = 1,25.

Lg(h/H)

<-0-1,5 -1 -0,5 -Г) ч ) 0,5 1

Ж 1 Ц

Ж

-л5 V f

Lg(x-x1) Lg(tв-6)

Рисунок 3.4 - Изменение перепада влагосодержания и температур по высоте

оросителя в логарифмической интерпретации

Q = Рхи ¡Ц{Свс(6 + к2 къ) + [г + Сп(6 + к2къ)(х'^ + к1 ка)] - Свс6 --(г + Сп6)(х1 + к1 ка )}5йк. (3.20)

Интегрируя (3.20), получим:

Г //Ъ / " " На \ / " " На \

Q = Рху [Свс6 + Свск2 — + г [Х" + к1 —) + Сп6 ^ + кг —) +

,, ИЪ ,, ца +Ъ гла "1

+Спк2Х1 — + Спк2к1 - СВс6 - (г + Сп6)Х1 - (г + Сп6)к1 —\ К, (3.21)

-5

где V - объем градирни, м .

Приравнивая правые части уравнений (3.13) и (3.14), получаем:

1

Q =1СЖМСЖ = Св(¿2 - ¿1) = Рху^У, (3.22)

где

{цЪ г „ иа „ -| „ иа +Ъ \

к2 (Свс + СПХ1) + (г + Сп6) [х1 - Х1 + — (к1 - к1 )\ + Спк1к2 }; (3.23)

к1 = . (3.24)

С учетом выражения (3.19) соотношение (3.23) примет вид:

^ = {('в2~6)(С+:+Спх1) + (Г + Сп6) [(х2 - х2) + (х1 - х!+

+Сп(х2-х+)М}. (3.25)

Из уравнения (3.22) можно определить объем оросителя:

Из приведенных соотношений и экспериментальных данных можно оценить коэффициенты массоотдачи рху и теплоотдачи аРезультаты представлены в таблицах 3.1 и 3.2.

Таблица 3.1 - Результаты исследований процесса испарительного охлаждения воды на лабораторной установке миниградирни с винтовым потоком воздуха

№ опыта 1 2 3 4 5 6

Плотность орошения д, 3/ 2 м /м час 2 4 6 8 10 12

Температура воздуха на входе в, °С 14,2 14,2 14,2 14,2 14,2 14,2

Температура воздуха на выходе £в2, °С 15,3 16,8 16,9 17,0 17,2 16,8

Влажность окружающего воздуха ф1, % 60 60 60 60 60 60

Влажность на выходе из градирни ф1, % 77 78 79 79 80 80

Изменение энтальпии воздуха Д /, Дж/кг 15130,5 17150,3 17418,1 17611,7 18048,5 18048,5

Температура воды на входе £ж1, °С 27,5 27,6 27,5 27,5 27,6 27,5

Температура воды на выходе £ж2, °С 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 ау, Вт/м3К 1534,4 1552,2 1688,3 1704,8 1708,5 1708,5

Коэффициент массоотдачи , кг/м3с 1,53 1,54 1,68 1,70 1,70 1,70

охлаждения воды 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 в, °С 14,2 14,2 14,2 14,2 14,2 14,2

Температура воздуха на выходе tB2, °С 16,3 16,3 16,4 16,5 16,6 16,4

Влажность окружающего воздуха фь % 60 60 60 60 60 60

Влажность на выходе из градирни фь % 75 75 75 76 77 77

Изменение энтальпии воздуха A i, Дж/кг 17168,9 17168,9 18028,5 18444,1 18366,6 18028,5

Температура воды на входе Сж1, °С 27,5 27,5 27,5 27,5 27,6 27,5

Температура воды на выходе t ж2, °С 21,5 20,2 19,6 19,4 19,55 19,6

Тепловая мощность Q, Вт 5544,1 6837,6 7392,1 7207,2 7114,8 7207,2

Коэффициент теплоотдачи av, Вт/м3К 1081,7 1334,2 1359,4 1359,4 1356,7 1356,4

Коэффициент массоотдачи ßxv, кг/м3с 1,08 1,33 1,35 1,35 1,35 1,35

Анализ полученных зависимостей позволяет сделать следующие выводы:

- коэффициенты массоотдачи ßxv и теплоотдачи av исследуемой винтовой миниградирни при равных плотностях орошения и скоростях восходящего воздушного потока 2 м/с больше коэффициентов противоточной на 20 %;

3 2

- начиная с плотности орошения q = 8м /м час, коэффициент массоотдачи ßxv винтовой миниградирни имеет наибольшее значение и держится на одном уровне.

С целью оценки эффективности охлаждения оборотной воды были

построены сравнительные графические соотношения относительного перепада температуры оборотной воды от скорости воздушного потока [7] для конструкции миниградирни с винтовым потоком в сравнении с противоточной. Эти соотношения представлены на рисунке 3.5.

Относительный перепад температуры оборотной воды определяли по формуле

л =

Н - tг

Н

(3.27)

Относительный перепад температуры

оборотной воды 0,4

0,35

0,3

0,25

0,2

0,15

0,1

0,05

0

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

Скорость воздушного потока, м/с

А - противоточная миниградирня; О - миниградирня с винтовым потоком

Рисунок 3.5 - Зависимость относительного перепада температуры оборотной

воды от скорости воздушного потока

Анализ полученных зависимостей в результате исследований позволяет сделать следующие выводы:

- для исследуемых малогабаритных градирен в интервале скоростей восходящего воздушного потока до 0,7 м/с относительный перепад температуры воды держится примерно в одинаковом соотношении;

- в интервале скоростей воздушного потока от 0,8 до 2,4 м/с повышение значения относительного перепада температуры воды происходит интенсивнее в миниградирне с винтовым потоком, нежели в противоточной. Так, к примеру, при скорости воздуха 1,4 м/с значение перепада температур для малогабаритной градирни с винтовым потоком составляет 0,27. В то же время в указанном значении скорости воздушного потока относительная температура воды в противоточной миниградирне равна 0,24;

- при дальнейшем повышении скорости воздушного потока эффективность винтовой миниградирни становится еще более заметной.

3.2.2 Аэродинамические испытания

Коэффициент аэродинамического сопротивления ^ рассчитывается по формуле Вейсбаха [98, 99]:

С, = ' (3.28)

®гРвк

Л

где ё - ускорение силы тяжести, м/с ; АР - потери напора, мм вод. ст;

-5

рж - плотность воды, кг/м ;

со - скорость воздушного потока, м/с;

-5

рв - плотность наружного воздуха, кг/м. рв= / (р ) к - высота оросителя, м.

В таблице 3.3 и рисунках 3.6 - 3.9 показана зависимость коэффициента аэродинамического сопротивления оросителя от скорости воздушного потока и различных значений плотности орошения.

Обработка опытных данных выявила то, что в интервале скорости

3 2

воздушного потока 0,5 - 3 м/с и плотности орошения 0 - 12 м /(м ч) значения коэффициента £ для исследуемых насадочных устройств миниградирни с винтовым потоком и противоточной миниградирни находятся в пределах от 12 до 25 м-1. Ороситель ОВ-65 (для миниградирни с винтовым потоком воздуха, с диаметром сетчатых оболочек 65 мм) имеет более высокий коэффициент аэродинамического сопротивления, чем ороситель ОГГТ-65 (для противоточной градирни с диаметром сетчатых оболочек 65 мм) в равных условиях проведения эксперимента.

Таблица 3.3 - Зависимость коэффициента аэродинамического

сопротивления оросителя от скорости воздушного потока и плотности орошения

ю, м/с 0,5 1 1,5 2 2,5 3 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Тип оросителя г -1 Ьор, м

ql, м /(м ч) 0 4

ОВ-65 18 16,2 14,9 14,2 13,8 13,3 20 18,5 17,7 17,1 16,6 16,5

ОГГТ-65 17 15,3 14 13,5 13 12,5 19,5 18 17,2 16,7 16,3 16

q1, м /(м ч) 5 6

ОВ-65 21,8 19,5 18 17,2 16,7 16,5 23 19,8 18,1 17,2 16,8 16

ОГГТ-65 21,2 18,8 17,3 16,4 15,8 15,7 22,4 19,6 17,9 17 16,2 15,9

q1, м /(м ч) 7 8 I

ОВ-65 23,2 20,9 19,1 18,2 17,6 17,4 23,8 21 19,7 18,8 18 17,1

ОГГТ-65 23 20 18,2 17,2 16,3 16,2 23 20 18,7 17,6 16,9 16

q1, м /(м ч) 9 10

ОВ-65 24 21,6 20,2 19,3 18,8 18,5 25,1 22,3 20,9 19,9 19 18,7

ОГГТ-65 23,5 21 19,8 18,9 18 17,2 25 21,9 20,1 19 18,2 17,7

q1, м /(м ч) 11 12

ОВ-65 25 22,4 21 19,9 19,1 18,8 24 21,4 20 18,9 18,1 17,9

ОГГТ-65 24,5 22 20,3 19,3 18,8 18,4 23,5 21 19,3 18,3 17,8 17,5

На основании анализа опытных данных по зависимости коэффициента аэродинамического сопротивления от скорости воздуха при разных значениях режима орошения можно рекомендовать:

- разработанную конструкцию малогабаритной градирни с винтовым потоком эффективно использовать в промышленности в интервале скоростей воздушного потока больше 1,5 м/с;

19

18 17

о *

и ш т 5

05

16

° § 1С

£15 15 т н (0 О

н а Iе 14 щ о 14

I 13

I 12

0

0,5

3

3,5

1 1,5 2 2,5

Скорость воздушного потока

□ - ОГГТ-65; О - ОВ-65 Рисунок 3.6 - Зависимость коэффициента аэродинамического сопротивления

м-1) от скорости воздушного потока (ю, м/с)

3 2

при плотности орошения = 0 м /(м ч)

□ - ОГГТ-65; О - ОВ-65 Рисунок 3.7 - Зависимость коэффициента аэродинамического сопротивления (£, м-1) от скорости воздушного потока (ю, м/с)

3 2

при плотности орошения = 4 м /(м ч)

о к с

01 т

Ш

а

н д

о р

(П

а т н

01 ^

(П

о

ас

22

к

н

01

§ 20

т

о р

18

16

14

0,5

:

\ 1

■

1 1,5 2

Скорость воздушного потока

2,5

□ - ОГГТ-65; О - ОВ-65 Рисунок 3.8 - Зависимость коэффициента аэродинамического сопротивления (£, м-1) от скорости воздушного потока (ю, м/с)

3 2

при плотности орошения = 8 м/(мч)

о к с

01 т

I «

I 1 * £ ов

£1 5 т н ао

X £

01 о ^

(П

о

ас

26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16

а 1

1 к

1

■

0,5

1 1,5 2

Скорость воздушного потока

2,5

□ - ОГГТ-65; О - ОВ-65 Рисунок 3.9 - Зависимость коэффициента аэродинамического сопротивления (£, м-1) от скорости воздушного потока (ю, м/с)

3 2

при плотности орошения = 12 м /(м ч)

0

3

0

3

Полученные опытным путем данные коэффициентов аэродинамического сопротивления конструкций оросителей в миниградирне с винтовым потоком и противоточной миниградирни от скорости воздушного потока аппроксимированы по методу наименьших квадратов и выведены как зависимости в логарифмических координатах аэродинамического сопротивления и числа Рейнольдса (рисунок 3.10).

^ Сор 1,4

1,35

1,3

1,25

1,2

1,15

1,1

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

^ К-е

□ - ОГГТ-65;О - ОВ-65; -- ц =0 м3/м2час; - - - ц = 4 м3/м2час;

--------ц = 8 м /м час;----ц = 12 м/м час

Рисунок 3.10 - Зависимость коэффициента аэродинамического сопротивления от

числа Рейнольдса

А

- ч

: о V ч V.

■ Ч N ч \

\ N 4 ч

V * N V. ч Ч

N. N ч Ч В.

\ ' V ч

N ч ч

* - 1 1 ' "V, ч ч ч \

-» ... ** -- ч 4. N ч ч

- ' N •V ч

а \ ч N

"0- - - \ N Ч 1

-

■ Ч

■ -- - !

л к - •

•Щ

>

к V

9

\

■

Таким образом, была принята зависимость коэффициента аэродинамического сопротивления от скорости воздушного потока для исследуемых конструкций оросителей:

1ё Сор = К -К21с Яе, (3.29)

где <^ор - коэффициент аэродинамического сопротивления; Re - число Рейнольдса; К1 и К2 - коэффициенты. В таблице 3.4 представлены расчетные коэффициенты К1 и К2 для исследуемых конструкций оросителей.

Таблица 3.4 - Расчетные значения коэффициентов К1 и К2

Градирня Плотность орошения, м /м час К1 К2

0 1,952 0,171

4 1,771 0,114

5 2,061 0,171

С винтовым потоком 6 2,174 0,193

ОВ-65 7 2,087 0,171

8 2,106 0,173

9 2,042 0,157

10 1,915 0,122

11 2,102 0,167

12 2,122 0,176

0 1,952 0,171

4 1,771 0,114

5 2,094 0,182

Противоточная 6 2,198 0,201

ОГГТ-65 7 2,25 0,211

8 2,162 0,19

9 2,062 0,164

10 2,223 0,196

11 2,082 0,164

12 1,952 0,171

Сопоставление полученных результатов с теоретическим решением по зависимости ^ор от Яе для исследуемых конструкций градирен представляет хорошую корреляцию значений с относительной погрешностью 5 %. Следовательно, данная зависимость дает возможность с достаточной точностью для инженерных расчетов проводить аналитическую оценку скоростных, по восходящему и винтовому потоку воздуха, параметров тепломассообменного процесса охлаждения оборотной воды в промышленных градирнях.

В результате обработки экспериментальных данных были получены эмпирические зависимости для определения коэффициента аэродинамического сопротивления по заданным значениям критерия Рейнольдса в зависимости от плотности орошения, показанные в таблице 3.5 [100].

Таблица 3.5 - Эмпирические зависимости для определения £ по заданным значениям критерия Яе

Полученное уравнение Плотность орошения, м /м час

г 2,3е2,174 С°р - Лео.193 6

г 2,3е2Д06 С°р - Лео.173 8

г 2,3е1,915 С°р - Лео.122 10

Таким образом, получили общую формулу для определения коэффициента аэродинамического сопротивления по заданным значениям критерия Рейнольдса

3 2

для плотностей орошения 0 - 12 м /(м ч)

Сор

2.3еК1 •

ДеК2 '

(3.30)

где <^ор - коэффициент аэродинамического сопротивления оросителя; е - основание натурального логарифма; Яе - число Рейнольдса; К1 и К2 - коэффициенты.

Выводы по главе 3

Для проведения аэродинамических и гидроаэротермических испытаний была разработана и изготовлена экспериментальная установка «малогабаритная градирня» с винтовым воздушным потоком.

Аэродинамические испытания выполнялись для определения коэффициента аэродинамического сопротивления оросителей и зависимости его от расхода воды и воздуха.

Гидроаэротермические испытания выполнялись с целью определения относительной температуры циркуляционной воды и коэффициентов тепло- и массоотдачи.

Аэродинамические испытания показали следующее:

- в интервале скорости воздушного потока 0,5 - 3 м/с и плотности орошения

3 2

0 - 12 м 3/(м ч) значения коэффициента £ для исследуемых насадочных устройств миниградирни с винтовым потоком и противоточной миниградирни находятся в пределах от 12 до 25 м-1;

- ороситель ОВ-65 (винтовой ороситель с диаметром сетчатых оболочек 65 мм) имеет более высокий коэффициент аэродинамического сопротивления, чем ороситель ОГГТ-65 (для противоточной градирни с диаметром сетчатых оболочек 65 мм) в равных условиях проведения эксперимента;

- получена общая формула для определения коэффициента аэродинамического сопротивления по заданным значениям критерия Рейнольдса

3 2

для плотностей орошения 0 - 12 м /(м ч).

Гидроаэротермические испытания показали:

- в интервале скоростей воздушного потока от 0,8 до 2,4 м/с повышение значения относительного перепада температуры воды происходит интенсивнее в миниградирне с винтовым потоком, нежели в противоточной. Так, к примеру, при скорости воздуха 1,4 м/с значение перепада температур для малогабаритной градирни с винтовым потоком составляет 0,27. В то же время в указанном значении скорости воздушного потока относительная температура воды в противоточной миниградирне равна 0,24. При дальнейшем повышении скорости воздушного потока эффективность винтовой миниградирни становится еще более заметной;

- коэффициенты массоотдачи и теплоотдачи а винтовой миниградирни при равных плотностях орошения и скоростях восходящего воздушного потока 2 м/с больше коэффициентов противоточной на 20 %. Начиная с плотности

3 2

орошения д = 8м /м час, коэффициент массоотдачи винтовой миниградирни имеет наибольшее значение и держится на одном уровне.

ГЛАВА 4 МЕТОДИКА РАСЧЕТА МАЛОГАБАРИТНОГО АППАРАТА ОХЛАЖДЕНИЯ ОБОРОТНОЙ ВОДЫ И ИССЛЕДОВАНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ОРОСИТЕЛЯ ГРАДИРНИ

4.1 Методика расчета малогабаритного аппарата охлаждения оборотной воды

По результатам диссертационной работы получена методика расчета винтовых малогабаритных градирен. Суть методики и алгоритм расчета рассмотрим на следующем примере: необходимо спроектировать винтовую малогабаритную градирню для охлаждения конденсатора холодильной машины, при этом расход воды £ж, м3/час, требуемые температуры воды на входе и на выходе из градирни tj, °С, t2, °С (^t) задаются исходя из производственных данных. Климатические параметры (средняя температура воздуха G °С, средняя месячная относительная влажность воздуха ф %) выбираются из СНиП 23-01-99 для конкретного региона.

1) Задав температуру и влажность воздуха на выходе, можно рассчитать Ai по формуле (3.25):

A = jfa ~*>(+■ + ^) + (г + Спв) [(Х2 -Х2) + (х; - ) _+_] + Cn <*2

где te2 - температура воздуха на выходе, 0С G - температура воздуха на входе, °С Свс - удельная теплоемкость сухого воздуха, Дж/кг град Сп - удельная теплоемкость пара, Дж/кг град

х-" - влагосодержание воздуха в насыщенном состоянии на входе, кг/кг х2 - влагосодержание воздуха в насыщенном состоянии на выходе, кг/кг

а и Ь - константы, найденные опытным путем: а = 0,83, Ь = 1,25 г - удельная теплота испарения, кДж/кг х1 - влагосодержание воздуха на входе, кг/кг х2 - влагосодержание воздуха на выходе, кг/кг

2) По формуле (3.22) находим теплоту в градирне, отдаваемую водным потоком и воспринимаемую воздушным:

1

Q СЖМСЖ,

где К = 1 - 0.00173 г2 [14]

Сж - удельная теплоёмкость воды, Дж/кг град

3) Зная А1 и Q, можно рассчитать необходимый расход воздуха из формулы

(3.1):

Г — м

С/к — -.

в а

4) Задавшись плотностью орошения, находим площадь орошения и