WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Гидродинамика и испарительное охлаждение в насадках для градирен

На правах рукописи

Рябушенко Александр Сергеевич

ГИДРОДИНАМИКА И ИСПАРИТЕЛЬНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ

В НАСАДКАХ ДЛЯ ГРАДИРЕН

Специальность 05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва, 2009 г.

Работа выполнена в ГОУ ВПО Московский государственный университет инженерной экологии (МГУИЭ).

Научный руководитель: кандидат химических наук, профессор

Беренгартен Михаил Георгиевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Таран Александр Леонидович

кандидат технических наук

Полевой Александр Сергеевич

Ведущая организация: Ивановский государственный химико-

технологический университет

Защита диссертации состоится 17 декабря 2009 г. в 1600 часов на заседании диссертационного совета Д.212.145.01 в Московском университете инженерной экологии

по адресу: 105066, г. Москва, улица Старая Басманная, дом 21/4, аудитория имени Л.А. Костандова (Л-207)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУИЭ

Автореферат разослан «___» ноября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, к.т.н. Трифонов С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Испарительное охлаждение циркуляционной воды в градирнях является наиболее экономичным и распространенным способом отвода низкопотенциального тепла от промышленного оборудования в водооборотных циклах химических производств. Эффективность охлаждения испарительного аппарата во многом зависит от равномерности распределения контактирующих фаз (вода, воздух) в объеме насадки. Защита окружающей среды от потенциально вредных выбросов из градирен обеспечивается каплеотбойными устройствами.

В настоящее время на предприятиях химической промышленности РФ насчитывается более 1400 градирен, обслуживающих системы оборотного водоснабжения. Большинство из них построены в 1970-1980 г.г. и в настоящее время морально и физически устарели. Сконструированные в середине века насадочные устройства не обеспечивают энергоэффективной глубины охлаждения циркуляционной воды, а каплеотбойные устройства имеют повышенный процент выброса капельной влаги.

Разработка новых насадок позволяет увеличить глубину охлаждения циркуляционной воды, что в свою очередь способствует сокращению общего объема циркуляционной воды и соответственно снижению эксплуатационных затрат на электроэнергию и химическую подготовку оборотной воды. Конструирование и внедрение новых высокоэффективных каплеотбойных устройств позволяет сократить выбросы влаги в окружающую среду и повысит экологическую безопасность в районах действующих предприятий. Сокращение выбросов капельной влаги из градирен приводит к экономии водных ресурсов, которые идут на восстановление объема циркуляционной. Исследование гидродинамической обстановки в существующих конструкциях градирен обнаруживает неравномерности в распределении жидкой и газовой фаз в поперечном сечении оросительного пространства, что препятствует интенсификации процесса тепло- и массообмена и снижает глубину охлаждения в водооборотной системе.

В связи с выше изложенным, является актульным разработка и исследование новых энергоэффективных конструкций насадок и каплеотбойных устройств, а так же изучение физических закономерностей гидродинамики в градирнях.

Цель диссертации - разработка и исследование новых эффективных моделей регулярной насадки и каплеотбойных устройств; исследование гидродинамической и аэродинамической обстановки в градирне; нахождение путей программирования профиля скорости воздушного потока в поперечном сечении оросительного пространства для интенсификации процессов испарительного охлаждения.

Для реализации поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:

- разработка новых моделей насадок и каплеотбойных устройств из полимерных материалов;

- экспериментальное исследование гидродинамических и тепло-массобменных свойств новых моделей насадок;

- разработка физической модели гидродинамических процессов газовой фазы в действующей градирне;

- получение расчетных зависимостей для прогнозирования соотношения удельных расходов воздушного потока в характерных зонах насадки градирни;

- разработка алгоритма и методики расчета градирни с учетом выравнивания профиля скорости газового потока в поперечном сечении оросительного пространства.

Научная новизна. Разработан новый вид геликоидно-структурных насадок. Модели насадок из геликоидных элементов образуют открытые многоканальные ячеистые структуры постоянно сообщающихся между собой по высоте каналов переменного сечения.

Разработана новая модель каплеотбойного устройства из геликоидных элементов. Каплеотбойник из геликоидных элементов предотвращает повторный унос капельной жидкости за счет n-кратного поворота воздушно-капельного потока в пределах своего объема.

Получены расчетные зависимости для определения гидродинамических и тепло- и массообменных свойств новых типов насадок. Получены расчетные зависимости гидродинамических свойств новых типов каплеотбойников.



Обнаружено свойство новых геликоидно-структурных насадок типа ПН-2Д(3Д) обеспечивать эффективное поперечное перемешивание контактирующих потоков и равномерное распределение жидкой фазы по всему поперечному сечению оросительного пространства независимо от равномерности первоначального орошения.

Разработана физическая модель гидродинамики в действующей градирне. Показана возможность интенсификации процесса испарительного охлаждения путем выравнивания поля скоростей в оросительном пространстве градирни за счет использования блоков насадок с различным гидравлическим сопротивлением. Показана возможность повышения каплеотбойного действия за счет использования каплеотбойников с различным живым сечением.

Практическая значимость. В ходе работы над диссертацией получены следующие патенты: регулярная структурная насадка для тепло- и массообменных аппаратов (патент № 2338586); вентиляторная градирня (патент № 2353880); регулярная насадка для тепло-массообменных аппаратов (патент № 2359749).С использованием разработок, полученных в диссертации, проведены реконструкции градирен на трех объектах: водооборотные циклы в павильоне №20 ВВЦ г. Москва; на Ликероводочном заводе «Стумбрас» г. Каунас, Литва; в ГУП СКТБЭ г. Москва. Методика расчета градирни с учетом выравнивания поля скоростей принята к использованию при реконструкции градирен СК-400 на Литовском химическом предприятии «АХЕМА». Получен акт о внедрении методики.

На Всероссийском конкурсе молодых ученых и специалистов «Чистая вода» проходившем с октября 2008г. по январь 2009г., при поддержке Государственной думы РФ и ВПП «Единая Россия», по результатам диссертационной работы автору присужден диплом лауреата в номинации «Экологическая безопасность систем водоснабжения и водоотведения».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены на: Научно-техническом семинаре «Компрессорная техника. Насосное оборудование. Энергосбережение и экология. Киотский протокол» в МОО «Московское химическое общество им. Д.И. Менделеева», Москва 2005; Конференция «Энергетика и технологии», Каунас, Литва, 2007; 12-я Международная конференция «Технический и технологический прогресс в сельском хозяйстве» Раудондварис, Литва – 2007; Конференция «Энергетика и технологии» г. Каунас, Литва, 2008; I Международная конференция РХО им. Д.И. Менделеева «Ресурсо-и энергосберегающие технологии в химической и нефтехимической промышленности», Москва 2009.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 21 работа, в том числе 14 статей в научно-технических журналах, 4 тезиса доклада, 3 описания патента.

На защиту выносится:

- конструкции новых геликоидно-структурных насадок различной геометрии из полимерных материалов;

- конструкция геликоидного каплеотбойного устройства;

- результаты экспериментальных исследований и эмпирические зависимости для определения гидродинамических и аэротермических свойств новых типов насадок;

- результаты экспериментальных исследований и эмпирические зависимости для определения гидродинамических свойств новых типов каплеотбойных устройств;

- результаты экспериментальных исследований и эмпирические зависимости распределения жидкости в объеме геликоидно-структурных насадок;

- физическая модель гидродинамики газовой фазы в одиночной вентиляторной градирне, которая обосновывает наличие двух характерных гидродинамических зон с различными скоростными режимами;

- расчетные зависимости для прогнозирования соотношения удельных расходов воздушного потока в характерных зонах поперечного сечения градирни;

- методика расчета градирни с учетом выравнивания профиля скорости газового потока в насадке.

Достоверность полученных результатов исследований подтверждена данными, полученными на опытных стендах в аттестованной испытательной лаборатории ВНИИГ им. Е.Б. Веденеева и на стендах МГУИЭ. Оригинальные измерительные приборы для экспериментальных исследований были сертифицированы и аттестованы согласно требованиям ГОСТ и технических условий. Оценка достоверности результатов исследований проводилась с определением толерантного интервала погрешности.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения и 5 глав, содержащих обзор литературы и постановку задачи исследования, описания экспериментальных установок и методик проведения экспериментов по аэродинамике, гидравлике и аэротермике, обработку результатов исследований и рекомендации по расчету; области использования и рекомендации по промышленному внедрению; общих выводов и списка литературы. Работа изложена на 134 страницах, включает в себя 69 рисунков, 8 таблиц, библиография 129 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, охарактеризована научная новизна и практическая ценность полученных результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

Отмечено, что основополагающий вклад в развитие теории физических процессов при испарительном охлаждении в градирнях в 20 – 50-е годы прошлого века внесли Ф. Меркель, Б.В. Проскуряков, Л.Д. Берман. Большой вклад в изучение различных видов градирен и их технологических элементов внесли Ю.И. Арефьев, Д.Н. Бибиков, Р.Е. Гельфанд, В.А. Гладков, В.И. Горбенко, В.В. Гончаров, М.Б. Джуринский, Ю.А. Иванов, М.Б. Кривошеина, Г.П. Мандрыкин, В.А. Морозов, Ю.С. Недвига, В.С. Пономаренко, Е.А. Сухов, Н.Я. Ткач, В.А. Трубников, Б.С. Фарфоровский, Е.И. Прохоров. Фундаментальные работы по разработке насадочных устройств для осуществления процессов тепло и массообмена проводили Н.М. Жаворонков, В.М. Рамм, В.М. Олевский, О.С. Чехов, Н.Н. Кулов, А.Г. Лаптев, Г.П. Соломаха и другие.

В первой главе на основе литературно-патентного анализа рассмотрены основные типы аппаратов испарительного охлаждения циркуляционной воды, принцип их работы и характеристики основных технологических элементов. Произведен анализ механизма и описание процессов переноса при испарительном охлаждении. Выявлены основные направления интенсификации процессаиспарительного охлаждения. Дана классификация насадочных устройств для аппаратов химической технологии, рассмотрены материалы для их изготовления, отмечены их достоинства и недостатки.

Показана актуальность защиты окружающей среды в районах действия промышленных градирен. Дана классификация каплеотбойных устройств, рассмотрены материалы для их изготовления отмечены их достоинства и недостатки.

На основе полученной информации определены основные задачи исследования.

Рис. 1. Новые геликоидно-структурные насадки и каплеотбойные устройства.

Во второй главе разработан ряд моделей регулярных насадок и каплеотбойных устройств из геликоидных элементов, дано описание характеристик разработанных конструкций, экспериментальных установок и методик проведения экспериментов. Общий вид новых геликоидно-структурных насадок ПН-1Д, ПН-2Д, ПН-3Д и каплеотбойных устройств ПКУ представлены на рис.1. Геометрические характеристики новых конструкций представлены в табл. 1.

Испытания насадок ПН-1Д, ПН-2Д, ПН-3Д проводились на опытной лабораторной установке. Были проведены гидродинамические испытания на системе воздух-вода и исследование охлаждающей способности насадок.

При проведении гидродинамических и термических исследований насадок скорость газа WG изменялась от 1,0 до 2,0 м/с, а плотность орошения насадки, отнесенная к ее поперечному сечению, uL – от 7,0 до 11,6 м3/(м2ч).

Таблица 1

Тип конструкции ПН-1Д ПН-2Дкд ПН-2Дш ПН-2Дкк ПН-3Д ПКУ
Удельная поверхность насадки (S), м2/м3 68,00 38,08 35,36 34,00 57,12 68,00
Высота блока насадки (h), м 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5
Свободный объем (порозность) (), м3/м3 0,893 0,940 0,944 0,946 0,910 0,893
Условный диаметр геликоида (d), м 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075 0,075
Шаг винтовой линии одного ребра (t), м 0,28 0,28 0,28 0,28 0,28 0,28
Толщина ребер геликоидных элементов (е), м 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003
Эквивалентный диаметр (dэ), м 0,052 0,098 0,106 0,111 0,063 0,052




Испытания каплеотбойных устройств типа ПКУ проводились на опытной установке в лабораторных условиях. При проведении гидродинамических исследований скорость газа WG изменялась от 1,0 до 3,0 м/с, а величина капельного потока изменялась от 20 до 90 г/м3 при изменении напора воды перед ней от 0,1 до 0,4 МПа. Проведена оценка погрешности каждого из методов экспериментов.

В третьей главе представлены результаты гидродинамических экспериментальных исследований насадок ПН-1Д, ПН-2Д, ПН-3Д и каплеотбойных устройств ПКУ. Получены уравнения для расчета гидравлического сопротивления сухих Рdry и орошаемых Рwet насадок, получены зависимости числа Меркеля Me, характеризующие тепло- и массообменные свойства насадок. Исследовано влияние изменения расстояния между соседними элементами насадки на гидравлическое сопротивление и охлаждающую способность. Исследовано влияние перфорации поверхности элементов насадки на гидравлическое сопротивление и охлаждающую способность. Установлены зависимости распределения жидкости в геликоидно-структурных насадках. Получены уравнения для расчета гидравлического сопротивления Р каплеотбойных устройств, определена эффективность новых каплеотбойных устройств.

Экспериментальные данные по гидравлическому сопротивлению сухих насадок обработаны по известному уравнению В.М. Рамма вида[1]:

, (1)

Проведенное экспериментальное измерение Рdry имело целью определение величины коэффициента dry, который учитывает потери давления от трения газа о поверхность геликоидных элементов насадки и от изменения скорости и направления газового потока при протекании его по каналам насадки.

Поскольку известно, что dry зависит от числа Рейнольдса для газовой фазы

, в котором G – динамический коэффициент вязкости газа (Па·с), и может быть выражен числом Эйлера с учетов уравнения 1, предложены следующие критериальные уравнения для определения dry сухих ПН-1Д, ПН-2Дкк, ПН-2Дш, ПН-2Дкд, ПН-3Д при ReG = 0 5000:

, (2)

[1]Рамм В.М. Абсорбция газов. М.: Химия, 1966 г.

где А, n – коэффициенты и показатели степени при ReG, определяемые для каждого типа насадки.

Таким образом, обработка полученных нами экспериментальных данных по уравнению (2) позволила получить следующие зависимости коэффициенты которых приведены в таблице 2:

Таблица 2

Тип насадки Число Рейнольдса A n
насадка ПН-1Д ReG = 0 5000 64,54 0,27
насадки ПН-2Дкк ReG = 0 5000 35,75 0,11
насадки ПН-2Дкд ReG = 0 5000 20,19 0,14
насадки ПН-2Дш ReG = 0 5000 52,03 0,10
насадки ПН-3Д ReG = 0 5000 390,3 0,34

Гидравлическое сопротивление орошаемых насадок Рwet может быть найдено по уравнению (3), учитывающему действительную скорость газа в свободном сечении насадки по отношению к скорости стекающей пленки жидкости WGL, трение между газом и жидкостной пленкой и уменьшение гидравлического диаметра каналов орошаемой насадки dэ,wet за счет стекания по стенкам каналов жидкости:

(3)

Для определения коэффициента сопротивления орошаемых насадок wet была принята та же структура уравнения, что и для сухой насадки.

Однако было установлено, что wet зависит не только от числа Рейнольдса для газовой фазы , рассчитанного по относительной скорости газа, но и от физических свойств и скорости течения орошаемой жидкости. Поэтому при определении wet был использован безразмерный параметр , учитывающий скорость течения и физические свойства жидкости.

Предложено уравнение для определения числа Eu:

, (4)

где А, C, n – коэффициенты и показатель степени при безразмерных параметрах, определяемые для каждого типа геликоидно-структурной насадки.Обработка экспериментальных данных показала, что для турбулентного режима течения газа коэффициенты сопротивления насадок с достаточной для инженерных расчетов точностью в диапазоне ReGL = 2000 5000 и ReL = 40 150 для системы воздух – вода можно определить по зависимостям:

Таблица 3

Тип насадки Числа Рейнольдса A С n
насадка ПН-1Д ReG = 2000 4500, ReL = 40 150 718 20,31 0,78
насадки ПН-2Дкк ReG = 2000 4500, ReL = 40 150 1248 16,68 0,79
насадки ПН-2Дкд ReG = 2000 4500, ReL = 40 150 220 32,17 0,27
насадки ПН-2Дш ReG = 2000 4500, ReL = 40 150 227 33,19 0,27
насадки ПН-3Д ReG = 2000 4500, ReL = 40 150 175 35,25 0,22

Эксперименты по охлаждающей способности новых геликоидно-структурных насадок проводились с использованием методики испарительного охлаждения. Термические испытания проводили при трех режимах орошения uL0 = 7; 9; 11 м3/(м2·ч), изменяя в каждом режиме скорость воздуха в колонне WG0 от 1,0 до 2,0 м/с. В процессе испытаний измерялась температура воды на входе в колонну и на выходе из стенда.

На сегодня не существует теоретических методов для определения объемного коэффициента массоотдачи xv. Поэтому xv отнесенный к разности влагосодержаний воздуха, определялся экспериментально для каждого типа насадки по известной формуле:

, (5)

Результаты экспериментов для геликоидно-структурных насадок были обработаны также в виде зависимости числа Меркеля, характеризующего теплообменную эффективность насадки, от относительного расхода воздуха, поскольку такая зависимость наглядно представляет тепломассообменную эффективность насадок при всех режимах нагрузки по жидкости в виде одной кривой.

Критерий Меркеля показывает зависимость коэффициента массоотдачи от соотношения масс взаимодействующих в насадке газа и жидкости, а также от конструктивных особенностей насадки (рис.2):

, (6)

A, m – коэффициент и показатель степени, определяемые для каждого типа насадки.

При обработке экспериментальных данных для исследуемых насадок по уравнению (6) были получены следующие коэффициенты представленные в таблице 4.

Рис.2. Сравнение зависимости числа Меркеля от относительного расхода воздуха при испарении воды в воздушный поток для геликоидно-структурных насадок.

Таблица 4

Тип насадки m
насадка ПН-1Д 0,8 1,003
насадки ПН-2Дкк 0,47 0,893
насадки ПН-2Дкд 0,64 0,888
насадки ПН-2Дш 0,69 1,298
насадки ПН-3Д 1,86 1,440

На опытном стенде так же изучалось влияние изменения расстояния соседними элементами геликоидно-структурной насадки в ряду и влияние перфорации на гидродинамические процессы. Обработка результатов испытаний блоков насадки ПН-2Дкд одинаковой высоты показала, что перфорация геликоидных элементов в изученном диапазоне нагрузок по газу и жидкости незначительно влияет на величину коэффициентов гидравлического сопротивления. А именно, при увеличении площади перфорации F с 10% до 20% при нагрузках uL=011,00 м3/(м2 час), WG=0,8-2,0 м/с имеет место снижение коэффициента,wet на 820%. Это можно объяснить особенностями обтекания пленкой жидкостиотверстий. При этом перфорация геликоидов позволяет интенсифицировать процессы тепло- и массообмена.

В ходе выполнения работы были исследованы закономерности распределения жидкости в объеме новых геликоидно-структурных насадок.

При испытаниях блоки насадок ПН-1Д и ПН-2Д размещали над зеркалом воды в опытном бассейне. Во время испытаний на верхнюю часть блока насадки размером 1х1м2 в плане в его центр подавали единичную струю жидкости. Расход воды составлял 1м/мин. Высота блока изменялась от 1 до 10 d, где d – диаметр геликоида (d = 75мм).

Растекание жидкости по насадке и число точек дождевания (орошения) во время опытов фиксировалось визуально и дополнительно контролировалось фотометрическим методом.

Как видно, зависимость (рис.3) в изученных пределах носит линейный характер и описывается уравнением:

(7)

Рис. 3. Зависимость степени растекания одиночной струи жидкости в блоках насадки ПН-2Д (1) и ПН-3Д (2) от величины относительной высоты блока H/d.

Значения коэффициентов в уравнении (7):

- для насадки ПН-2Д – k = 16,5; b = -10; для насадки ПН-3Д – k = 22,6; b = 28.

Установлено, что полное растекание единичной струи жидкости по всему поперечному сечению блока насадки площадью F = 1м2 осуществляется в пределах 6-8 диаметров геликоидных элементов по высоте слоя насадки.

Установленное опытным путем свойство самораспределения потока жидкости в регулярной насадке объясняется совокупностью геометрической формы геликоидных элементов и структурой их укладки в блоке. Применительно к градирням установленная способность позволяет обеспечить их эффективную эксплуатацию даже в экстремальных условиях неудовлетворительного функционирования (забивки) части форсунок.

Были получены результаты испытаний фрагментов каплеотбойных устройств (КУ) различных типов. Результаты гидравлических испытаний по определению коэффициента гидравлического сопротивления представлены на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость =f(Wo) для различных конструкций каплеотбойных устройств (КУ). 1 – КУ из геликоидных элементов ПКУ 1; 2 - КУ из геликоидных элементов ПКУ 2; 3 – КУ решетчатого типа из призм ПР-50 (5-ть слоев) «ТЕХЭКОПРОМ»; 4 – КУ из наклонных полимерных труб (2 слоя) IPARTERV; 5 – из наклонных гофрированных дренажных труб (2 яруса); 6 – КУ из наклонных гофрированных дренажных труб (2 яруса с дополнительным верхним вертикальным участком)

Эффективность каплеотбойного действия (рис.5) испытуемых устройств рассчитывалась по зависимости:

, (8)

– эффективность каплеулавливания, %;

q’ – величина капельного выноса без КУ, г;

q” - величина капельного выноса с КУ, г.

Рис. 5. Зависимость эффективности от скорости газа = f(WG) для каплеотбойных устройств: 1- КУ жалюзийного типа; 2 - результаты собственных опытов КУ из геликоидных элементов ПКУ; 3 – КУ из профилированных полиэтиленовых пластин.

В четверной главе приводятся результаты исследования поля скоростей газового потока в действующей отдельностоящей градирне. Результаты исследований позволяют построить физическую модель гидродинамики градирни. Получены соотношения для расчета удельного расхода воздушного потока в характерных зонах градирни.

Рис.6 Обобщенный среднестатистический профиль скорости в градирне СК-400.

С целью получения полной картины аэродинамической обстановки в поперечном сечении насадки и каплеотбойного устройства был проведен анализ имеющихся в литературе данных[2] по натурному обследованию полей скоростей промышленной градирне СК-400, который показал возможность их обобщения эмпирическим уравнением, описывающим среднестатистический профиль скорости в вентиляторных градирнях данного типа.

Графически обобщенный статистически представительный профиль скорости в насадке представлен на рис.6.

Как это видно из представленной на рис.6 графической зависимости в рассматриваемой градирне можно выделить две характерные аэродинамические области – периферийную вблизи входных окон градирни с пов

ышенным удельным расходом воздуха и центральную, где удельный расход воздуха меньше отклоняется от его средней величины.

На основе предлагаемой двухзонной структурной модели аэродинамики градирни в диссертации выводятся теоретические соотношения для расчета удельного расхода воздушного потока в двух характерных областях градирни.

При этом в качестве исходного принималось известное уравнение Эргуна[3] для расчета гидравлического сопротивления слоя насадки:

(9)

где А и В – постоянные коэффициенты. А = 150, В = 1,75.

После соответствующих алгебраических преобразований в диссертации получено следующее уравнение для расчета скорости потока в периферийной зоне градирни:

(10)

Уравнение для расчета скорости потока в центральной зоне градирни имеет вид:

(11)

[2] Гладков В.А., Арефьев Ю.И., Пономаренко В.С. Вентиляторные градирни. М.: Стройиздат, 1976. 150 с. [3] Ergun S. Flow through Packed Columns // Chemical Engineering Progress. 1952. V. 48. № 2. p.89-94.

Рис.7. Поликанальная модель аэродинамики одиночной вентиляторной градирни типа СК-400 в месте расположения каплеотбойных устройств.

Уравнения (9) (11) позволяют рассчитать удельный расход газового потока в периферийной и центральной зонах градирни в рамках предложенной двухзонной структурной модели аэродинамики градирни.

Исследование поля скоростей в зоне установки каплеотбойных устройств так же показывает значительную неравномерность распределения газовых потоков. Результаты обработки опытных данных дают возможность обосновать наличие поликанальной гидродинамической картины в каплеулавливающем пространстве. Осредненный профиль скорости газового потока и поликанальная модель гидродинамики в каплеотбойном устройстве градирни СК-400 показана рисунке 7.

Сопоставление приведенных на рисунках 6 и 7 полей скоростей в отдельностоящей вентиляторной градирне и характеристики основных типов насадок и каплеотбойников исследованных в настоящей работе показывает, что оптимальные рабочие характеристики не могут быть достигнуты в случае применения какой-либо одной однородной укладки однотипных насадочных и каплеотбойных устройств по всей площади поперечного сечения градирни, как это имеет место в действительности в настоящее время.

Проблема увеличения глубины охлаждения и снижения величины капельного выброса решается с помощью двухзонной и поликанальной моделей посредством разделения поперечного сечения градирни на соответствующие характерные зоны и установке в каждой зоне градирни специально подобранной конструкцией насадки и каплеотбойного устройства с соответствующими характеристиками.

В пятой главе обсуждаются полученные результаты, их практическое применение и рекомендации по использованию.

На основании проведенных экспериментально-теоретических исследований, предложен алгоритм расчета градирен учитывающий неоднородности распределения газового потока по поперечному сечению градирне.

Разработана методика расчета удельных расходов воздуха в характерных участках поперечного сечения градирни. Разобран пример решения проблемы выравнивания профиля скорости в градирне. Даны прогнозируемые технико-экономические параметры работы градирни реконструируемой с применением результатов диссертационной работы.

Описаны результаты проведенных реконструкций градирен на трех объектах: в водооборотных циклах павильон №20ВВЦ г. Москва; на Ликероводочном заводе «Стумбрас» г. Каунас, Литва; в ГУП СКТБЭ г. Москва.

ВЫВОДЫ

1. Разработана конструкция новой геликоидно-структурной насадки типа ПН-1Д, ПН-2Дкк, ПН-2Дкд, ПН-2Дш, ПН-3Д из полимерных геликоидных элементов. Конструкции насадок защищены патентами.

2. Разработана конструкция новых каплеотбойных устройств геликоидного типа ПКУ-1 и ПКУ-2.

3. Проведены гидродинамические и термические испытания ПН-1Д, ПН-2Дкк, ПН-2Дкд, ПН-2Дш, ПН-3Д на опытных стендах. Изучено: влияние геометрии укладки геликоидных элементов в блоке насадки (дистанция между соседними элементами; перфорация геликоидных элементов) а так же влияние нагрузки по жидкости и по газу. Установлен диапазон устойчивой работы различных насадок в аппаратах испарительного охлаждения. Получены расчетные зависимости для оценки гидравлического сопротивления сухой и орошаемой насадки, а так же числа Меркеля Me в диапазоне нагрузок по газу: от 0 до 2,0 м/c и по жидкости: от 0 до 11 м3/(м2час).

4. Исследован процесс распределения жидкости в объеме новой насадки. Установлено свойство насадки типа ПН-2Д и ПН-3Д оказывать эффективное перераспределяющее действие жидкости по всему объему блока насадки даже при единичном точечном первоначальном орошении блока. По своему перераспределяющему действию насадка типа ПН-2Д в 2,57 раза превосходит известную структурную насадку Intalox фирмы Norton.

5. Проведены гидродинамические испытания и определение эффективности работы новых каплеотбойников типа ПКУ-1 и ПКУ-2. Получены расчетные зависимости для оценки гидравлического сопротивления и эффективности работы.

6. Разработана физическая модель распределения газа в действующей градирне СК-400.

7. Получено уравнение обобщенного статически представленного профиля скорости в оросительном пространстве градирни.

8. Получены расчетные зависимости для прогнозирования соотношения удельных расходов воздушного потока в двух характерных зонах поперечного сечения оросительного пространства градирни с различной геометрией укладки.

9. Разработана методика увеличения эффективности процесса испарительного охлаждения в градирне за счет выравнивания профиля скорости в поперечном сечении оросительного пространства путем использования блоков насадки с различной геометрией и различным гидравлическим сопротивлением.

10. Разработана методика снижения капельного выноса из градирни за счет выравнивания профиля скорости в поперечном сечении каплеулавливающего пространства путем установки каплеотбойных устройств с различным живым сечением в соответствии с поликанальной моделью аэродинамики.

11. Разработана новая конструкция градирни, на основе двухзонной гидродинамической структуры и защищена патентом на изобретение.

12. Проведены реконструкции градирен на различных промышленных площадках с применением новой методики расчета и разработанных типов насадок.

Условные обозначения

dry

коэффициент сопротивления сухих насадок

wet

коэффициент сопротивления орошаемых насадок

G

плотность газа, кг/м3

d

диаметр геликоида, м

dэ,dry

эквивалентный диаметр сухих газовых каналов, м

dэ,wet

эквивалентный диаметр орошаемых газовых каналов, м

WG

действительная скорость газа в свободном сечении насадки, м/с

WL

действительная скорость течения жидкости в свободном сечении насадки, м/с

L

коэффициент поверхностного натяжения жидкости, Н/м

xv

объемный коэффициент массоотдачи в газовой фазе, кг/(м3·с)

h

высота насадки, м

относительный расход воздуха = qG/qL

qL

удельный массовый расход жидкости, кг/(м2·с)

qG

удельный массовый расход газа, кг/(м2·с)

t

перепад температуры, 0 С

сж

удельная теплоемкость воды, кДж/(кг К)

iср

средняя разность удельных энтальпий воздуха, Дж/кг

Кq

поправочный коэффициент уравнения теплового баланса;

L

константа,определяется из выражения в диссертации

Q

константа, определяется из выражения в диссертации

F

константа, определяется из выражения в диссертации

Е

константа, определяется из выражения в диссертации

Х

константа, определяется из выражения в диссертации

t

разность температур нагретой и охлажденной воды, 0С

Me

число Меркеля

Eu

число Эйлера

ReG

число Рейнольдса в газовой фазе

ReL

число Рейнольдса в жидкой фазе

ReGL

относительное число Рейнольдса в газовой фазе

uLs

плотность орошения, м3/м2ч

P

потеря полного давления, Па

V

объем насадки, м3

доля свободного объема в насадке, м3/м3

К

безразмерный критерий

G

коэффициент вязкости газа, Па·с

L

коэффициент вязкости жидкости, Па·с

эффективность каплеулавливания, %

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1.Рябушенко А.С. Градирни в системах оборотного водоснабжения промышленных предприятий. Рябушенко А.С. // Химическая техника – 2004 - №10 - с 31-33.

2.Пушнов А.С. Локальные водооборотные системы охлаждения компрессорных станций/ Пушнов А.С., Беренгартен., Рябушенко А.С. // Компрессорная техника и пневматика – 2005 - №8 - с 24-27.

3.Каган А.М. Материалы для интенсификации теплообменных процессов. Материалы для изготовления насадочных контактных устройств/ Каган А.М., Рябушенко А.С., Пушнов А.С.// Все материалы. Энциклопедический справочник. – 2006 - №2. - с 29-38.

4.Пушнов А.С. Результаты аэродинамических и гидравлических испытаний полимерной блочной насадки для осуществления тепло- и массообменных процессов/ А.С. Пушнов, А.М. Каган, А.С. Рябушенко, М.Г. Беренгартен, Т.А. Елкеев, А.И. Шустиков. // Химическая техника – 2006 - №4 - с 31-33.

5.Рябушенко А.С. Регулярная металлическая насадка для осуществления процессов тепло- и массообмена при непосредственном контакте фаз/ Рябушенко А.С., Пушнов А.С., Беренгартен М.Г.// Химическое и нефтегазовое машиностроение- 2006 - №6 - с 14-15.

6.Пушнов А.С. Характеристики эффективных геликоидно-структурных насадок для испарительного охлаждения/ Пушнов А.С. Каган А.М. Беренгартен М.Г., Рябушенко А.С. Шишов В.И. // Химическая промышленность сегодня – 2007 - №3 - с 33-40.

7.Каган А.М. Сравнение эффективности промышленных насадок для испарительного охлаждения оборотной воды в градирнях/ Каган А.М., Пушнов А.С., Рябушенко А.С. // Химическая промышленность сегодня – 2007 - № 4- с 44-48.

8.Пушнов А.С. Эффективные каплеотбойные устройства из полимерных и металлических материалов для тепло- и массообменных аппаратов/ Пушнов А.С., Каган А.М., Беренгартен М.Г., Рябушенко А.С., Шишов В.И. // Химическая техника – 2007 - №5. -с 34-39.

9.Каган А.М. Насадочные контактные устройства/А.М. Каган, А.С. Пушнов, А.С. Рябушенко// Химическая технология – 2007 - Том.8- № 5. – с 232-240.

10.Пушнов А.С. Геликоидно-структурная полимерная насадка для осуществления процессов тепломассообмена при непосредственном контакте фаз/ Пушнов А.С., Беренгартен М.Г., Каган А.М., Рябушенко А.С., Стремяков.// Химическое и нефтегазовое машиностроение – 2007 - № 10- с 7- 9.

11.Пушнов А.С. Рекомендация по оптимальной раскладке секций каплеотбойных устройств/ Пушнов А.С. Беренгартен М.Г., Рябушенко А.С.// Химическая техника – 2007 - №12. -с 13-14.

12.Пушнов А.С. Оценка возможности увеличения эффективности работы градирен на основе совершенствования их аэродинамики/ Пушнов А.С., Беренгартен М.Г., Рябушенко А.С. // LIETUVOS TAIKOMJ MOKSL AKADEMIJOS mokslo darbai, Klaipeda, - 2007- № 5, s 4770.

13.Пушнов А.С. Возможности совершенствования аэродинамики градирен/ А.С. Пушнов, М.Г. Беренгартен, А.С. Рябушенко //Химическая промышленность - 2007, СПб, № 8, с.382-402.

14.Каган А.М. Характеристики эффективных промышленных насадок для испарительного охлаждения оборотной воды в градирнях/ Пушнов А.С., Беренгартен М.Г., Рябушенко А.С., Шишов В.И.// Химическое и нефтегазовое машиностроение – 2009 - № 7- с 11.

15.Ryabushenko A. Ecological impact of cooling towers of production on the environment/ Ryabushenko A., Pushnov A., Berengarten M.// Technical and technological progress in agriculture: Proceedings of the international conference. № 12, 20-21 September 2007, Raudondvaris, p. 259-266.

16.Рябушенко А.С. Распределение жидкости в тепло- и массообменных аппаратах с регулярной насадкой/ А.С. Рябушенко, А.С. Пушнов, М.Г. Беренгартен // Международная конференция «Энергетика и технологии»: Тез.док. Каунас, Литва, 2008 – с7.

17.Ryabushenko A. INFLUENCE OF AERODYNAMIC CONDITIONS IN COOLING TOWER ON LOSSES OF WATER IN SYSTEM OF DEFENSIVE WATER SUPPLY/ Ryabushenko A., Pushnov A., Berengarten M., // The 7-th International Conference ENVIRONMENTAL ENGINEERING, VGTU Press “Technika”, Vilnius, Lithuania 2008 - p. 290-296.

18.Рябушенко А.С. Модернизация градирен в системах оборотного водоснабжения/ Пушнов А.С., Беренгартен М.Г. //I Международная конференция Российского химического общества им. Д.И. Менделеева «Ресурсо-и энергосберегающие технологии в химической и нефтехимической промышленности»: Тез.док. Москва, 2009 – с162-163.

19.Вентиляторная градирня: пат. RU 2 353 880 C1, МПК F28C 1/00 Рябушенко А.С., Пушнов А.С., Беренгартен М.Г., заявитель и патентообладатель Рябушенко Александр Сергеевич – № 2007123766/06; заявлено 26.06.2007; опубликовано 27.04.2009, Бюл. № 12.

20.Регулярная насадка для тепло- и массообменных аппаратов: пат. RU 2359749 C2, МПК В 01 J 19/32/ Беренгартен М.Г., Пушнов А.С., Рябушенко А.С.; заявитель и патентообладатель Московский государственный университет инженерной экологии – №2007121574/15; заявлено 09.06.2007; опубликовано 27.06.2009, Бюл. № 18

21.Регулярная структурированная насадка для тепло- и массообменных аппаратов: пат. RU 238586 C1, МПК В 01 J 19/32/ F28F 25/08 Пушнов А.С., Беренгартен М.Г., Рябушенко А.С.; заявитель и патентообладатель Московский государственный университет инженерной экологии – №2007121573/15; заявлено 09.06.2007; опубликовано 20.11.2008, Бюл. № 32



 





<


 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.