Інтенсифікація тепломасообмінних процесів у вентиляторних градирнях плівкового типу

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

інтенсифікація тепломасообмінних процесів у вентиляторних градирнях плівкового типу

Карнаух Вікторія Викторівна

05.14.06 - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Одеса - 2006

Аннотация

Карнаух В.В. Интенсификация тепломассообменных процессов в вентиляторных градирнях пленочного типа. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 - Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика - Одесский национальный политехнический университет, Одесса, 2006.

В диссертации обоснована перспективность применения в градирнях производительностью по воде до 100 м³/ч упорядоченной многоканальной насадки, обеспечивающей развитую поверхность тепломассообмена при минимальном аэродинамическом сопротивлении.

В теоретической части работы путем сравнительного анализа современных методов расчета тепломассообменных процессов в системе вода-воздух показано преимущество метода энтальпийного потенциала; развиты теоретические основы определения фазовых термических сопротивлений, базирующиеся на представлениях об аддитивности сопротивлений. Установлено, что термическое сопротивление жидкостной пленки не является пренебрежительно малым, что открывает путь к интенсификации процесса тепломассообмена воздействием на газовую и жидкостную фазы и позволяет рассматривать регулярную шероховатость как интенсификатор в них тепломассообменных процессов. Показано, что в инженерных расчетах для оптимального диапазона нагрузок по газу и жидкости (0,8<l<1,2) можно пренебречь влиянием термического сопротивления жидкостной пленки и производить расчет градирен, основываясь только на значении суммарного термического сопротивления (R). Выполнено моделирование процессов тепломассообмена при испарительном охлаждении воды в градирне с учетом уточненных представлений о фазовых термических сопротивлениях, величинах поверхности тепло- и массообмена и отклонении величины соотношения Льюиса от единицы (нарушение аналогии процессов переноса теплоты и массы). Разработан метод определения состояния воздушного потока по высоте (в противоточной схеме) и по объему (в поперечноточной схеме) насадки градирни, позволяющий установить возможность нежелательного полного насыщения влагой газового потока до выхода его из насадки аппарата для последующей оптимизации высоты ее и удельного расхода воздуха. Для пленочной градирни рекомендованы: тип РН - “двойной косой риф”, материал РН - поливинилхлорид.

Экспериментально установлен опережающий рост интенсивности процесса тепломассообмена по сравнению с ростом энергозатрат на его организацию. Для противотока рекомендованы следующие геометрические параметры РН: при d_э=0,015...0,03 м; для поперечного тока - l_opt=0,03...0,04 при d_э= 0,020...0,03 м. В градирнях большой производительности (свыше 100 м³/ч) необходимо увеличить эквивалентный диаметр до d_э = 0,03…0,05 м. В области значений степени охлаждения жидкости Е_ж 0,5 поперечноточная схема имеет преимущества в сравнении с противоточной схемой; при больших значениях удельной эффективности (Е^*) эти схемы оказываются равноценными и обеспечивают одинаковую величину Е_ж,max0,73. Увеличение d_э до оптимальных значений обеспечивает улучшение характеристик поперечноточного модуля и достижение Е_ж,max0,8. Окончательный выбор схемы контактирования потоков в ТМА обусловлен особенностями эксплуатации аппаратов, требованиями компактности, минимизацией энергозатрат.

Разработаны типоразмерные ряды противо- и поперечноточных пленочных вентиляторных градирен в диапазоне производительности по охлаждаемой воде G_ж=25…100 м³/ч, обеспечивающие в условиях круглогодичной эксплуатации и континентального климата при их многосекционной сборке экономию как энергии на привод, так и воды на компенсацию потерь с испарением и капельным уносом.

Ключевые слова: пленочная градирня, регулярная насадка, регулярная шероховатость, тепломассообмен, противоток, поперечный ток, вентилятор.

тепломасообмін градирня плівковий

Анотація

Карнаух В.В. Інтенсифікация тепломасообмінних процесів у вентиляторних градирнях плівкового типу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.14.06 - Технічна теплофізика і промислова теплоенергетика - Одеський національний політехнічний університет, Одеса, 2006.

У дисертації обґрунтовано перспективність використання у градирнях продуктивністю до 100 м³/год впорядкованої багатоканальної насадки плівкового типу з роздільним рухом повітряного потоку і водяної плівки, виконано моделювання процесів тепломасообміну за випарного охолоджування води в градирні з урахуванням уточнених уявлень про фазові термічні опори. Обґрунтовано доцільність розрахунку градирень тільки з урахуванням R, якщо 0,8<l<1,2. Встановлено на підставі розробленого нами методу визначення стану повітряного потоку умови небажаного повного насичення його вологою до виходу з насадки апарата для подальшої оптимізації висоти її і питомої витрати повітря. Рекомендовано для плівкової градирні: тип РН - “подвійний косий риф”, матеріал РН - полівінілхлорид; визначені оптимальні геометричні параметри РН. Експериментально встановлено випереджаюче зростання інтенсивності процесу тепломасообміну в порівнянні зі зростанням енерговитрат на його організацію. Розроблено типорозмірні ряди проти- і поперечноточних плівкових вентиляторних градирень у діапазоні продуктивності з охолоджувальної води G_р = 25…100 м³/год, що забезпечує за умови їх багатосекційної збірки економію як енергії на привід, так і води на компенсацію втрат з випаровуванням і краплинним віднесенням.

Ключові слова: плівкова градирня, регулярна насадка, регулярна шорсткість, тепломасообмін, протитік, поперечний тік, вентилятор.

Summary

Karnaukh V.V. Intensification of heat-mass transfer processes in water cooling towers film-type - manuscript.

The dissertation on competition of graduate degree of candidate of engineering sciences on speciality 05.14.06. - Тhe technical teploрhysic sand industrial heat-energetics. - Odessa National Polytechnic University, Odessa, 2006.

It is shown, that thermal resistance of liquid type is not depreciatingly small, that gives the path to intensification of process of heat-mass transfer both by influence on the gas phase, and on liquid one and allows to consider a regular roughness as heat-mass transfer intensificator not only in gas, but also in liquid phase. In the engineering computations at the optimal range of loading on gas and liquid (0,8<l<1,2) it is possible to ignore the influence on thermal resistance of liquid tape and analyze the commutation of water cooling tower, based on the value of total thermal resistance only (). The design of mutual heat-mass transfer processes is made at the evaporated cooling of water in cooling tower taking into account the real images of phase thermal resistances. The method of finding state of air current on height (in the counter current chart) and volume (in crosscurrent chart) for water cooling tower attachment is designed. The attachment “the double slanting reef“ with the sloping location of basic channel is recommended for the cool tower with multichannel attachment of surface. Polyvinylchloride is preferred as a material. The type-sized rows of counter - and cross current cooling towers film-type in the range of productivity on cooled water are developed. They provide in the conditions of multysection exploitation and continental climate, on the basis of principle of the compensation of lost with evaporation and drops outcomes.

Keywords: cooling tower film-type, regular attachment, regular roughness, heat-mass transfer, counter- and cross current, ventilator.

1. загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Загальний стан взаємопов'язаних енергетичних і екологічних проблем (глобальне потепління, проблема озонобезпеки і таке інше) зумовили пошук нових перспективних рішень для холодильної та кондиціонуючої техніки, що забезпечують екологічну чистоту і мале енергоспоживання.

Останніми роками з'явилася велика кількість експериментальних і теоретичних робіт, присвячених використанню випарних методів охолодження, авторами яких є, наприклад, SteimleF., Foster R.E., Dijkastra, E., Stoitchkov N. J., Dimirov, G.J. Головними чинниками, які стримують широке практичне застосування вказаних методів, є: значні габарити і матеріалоємність устаткування за незначних градієнтів рушійних сил, необхідність постійної компенсації води, яка випаровується, в процесі її охолоджування. До безперечних переваг випарного охолоджування води належать мале енергоспоживання і екологічна чистота.

Системи оборотного водопостачання широко використовуються практично в усіх галузях народного господарства. У них передбачається, як правило, встановлення вентиляторних градирень, які споживають значну кількість енергії та води на компенсацію її втрат під час випарного охолоджування. Вентиляторні плівкові градирні відрізняються компактністю, малими габаритами і невеликою вартістю. Тому вони останніми роками стали об'єктами спеціальних наукових досліджень. Основні шляхи їх вдосконалення: інтенсифікація робочих процесів, вирішення проблеми масштабування, пов'язаної переважно з нерівномірністю розподілу потоків газу і рідини на перетині робочої зони апаратів, пошук, вибір і обґрунтування нових матеріалів і конфігурації насадки градирень. Результати досліджень за вказаними напрямами можуть використовуватися для розрахунку і проектування повітроохолоджувачів, випарних конденсаторів, зрошувальних теплообмінників. Необхідність вирішення вказаних завдань зумовила актуальність даної дисертаційної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційну роботу виконано відповідно до Закону України “Про енергозбереження” від 1.07.1994 р.; Постанов Кабінету Міністрів України №148 від 5.02.1997 р. “Про комплексну державну програму енергозбереження України” №583 від 14.04.1999 р. та “Про Міжвідомчу комісію із забезпечення виконання Рамкової Конвенції ООН про зміну клімату”, Листа Державного комітету України із енергозбереження №38 4/3 від 22.01.2000 р. “Про підготовку енергозберігаючих проектів з метою зниження шкідливих викидів парникових газів”.

Роботу виконано в рамках Програми науково-технічного розвитку Донецької області на період до 2020 р., затвердженої обласною Радою 22.03.2002 р., вона є частиною наукових досліджень, виконаних в Донецькому державному університеті економіки і торгівлі ім. М.Туган - Барановського в рамках науково-технічної співпраці з Одеською державною академією холоду за госпдоговірною темою із ЗАТ “Донецькриба” № 108/2005 від 1.07.2005 р. “Вдосконалення конструкції плівкової градирні компресорного цеху ЗАТ “Донецькриба” (номер держреєстрації 0105U004912).

Метою роботи є розробка комплексної науково-технічної основи вдосконалення малогабаритних вентиляторних градирень.

Основна сфера використання - підприємства харчової промисловості, холодильна техніка, системи кондиціонування повітря.

Завдання досліджень:

1. Обґрунтувати і розробити нові принципи розрахунку і компонування насадкової частини градирень.

2. Провести фізико-математичне моделювання робочих процесів у випарних охолоджувачах плівкового типу з урахуванням наступних чинників: особливостей розподілу робочих потоків в каналах багатоканальних насадок і на їх складнопрофільних поверхнях, характеру зміни стану повітряного потоку по висоті міжлистового простору насадки апарата, реального співвідношення фазових термічних опорів.

3. Обґрунтувати метод інтенсифікації процесів тепломасообміну на підставі даних про значення фазових термічних опорів.

4. Одержати експериментальні дані для розрахунку й оптимізації малогабаритних плівкових градирень і подати їх у вигляді, зручному для проектування і розрахунку градирень.

5. Вивчити особливості протікання тепломасообмінних процесів в умовах проти- і поперечноточного рухів контактуючих середовищ на насадці нового типу і визначити сфери переважного використання цих схем контакту.

6. Установити характер розподілу потоків води і повітря в насадці нового типу.

7. Удосконалити методику інженерного розрахунку плівкових градирень з урахуванням характеру зміни стану повітряного потоку по висоті - для протитоку і за об'ємом - для поперечного току в насадці апарата і нерівномірності розподілу в ній контактуючих потоків.

8. Розробити типорозмірні ряди проти- і поперечноточних вентиляторних градирень для харчової та інших галузей промисловості.

Об'єкт досліджень - тепломасообмінні процеси на складнопрофільній поверхні насадки.

Предмет досліджень - пакети складнопрофільних листів за проти- і поперечноточного руху води і повітря у вентиляторних градирнях.

Ідея роботи полягає в розкритті закономірностей тепломасообмінних процесів під час проти- і поперечноточного руху повітря і води, що стікає по насадці з регулярною шорсткістю (РШ), і розробка на цій основі інженерних принципів удосконалення плівкових градирень.

Методи досліджень. Для проведення експериментальних досліджень використано: тепловізійний апаратурно-програмний комплекс “КріонІК” для реєстрації температурних полів на теплообмінних поверхнях, “АИСТ-3П” для одночасного вимірювання температури і швидкості руху повітря, інші атестовані прилади; для проведення теоретичних досліджень - методи математичного моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше розкрито закономірності й розроблено фізико-математичну модель тепломасообмінних процесів за проти- і поперечноточного руху повітря і води, що стікає по насадці з регулярною шорсткістю (РШ), з урахуванням значення термічного опору останньої.

2. Доведено: в інженерних розрахунках для оптимального діапазону навантажень по газу і рідині (0,8<l<1,2) можна нехтувати впливом термічного опору рідинної плівки (R_р) і проводити розрахунок градирень, ґрунтуючись лише на значенні сумарного термічного опору (R); за інших значень l слід переходити до аналізу і розрахунку тепломасообмінних процесів з урахуванням фазових термічних опорів.

3. Експериментально встановлено випереджаюче зростання інтенсивності процесів тепломасообміну в плівкових апаратах з насадкою, що має регулярну шорсткість, у порівнянні із супутнім збільшенням енерговитрат на їх організацію.

4. Розроблено метод оцінки ступеня насичення потоку повітря вологою за висотою (у протиточних ТМА) і за об'ємом (у поперечноточних ТМА) міжлистового простору насадки для виключення режимів її роботи з = 100%.

Практичне значення роботи полягає в тому, що:

? розроблено й апробовано в промислових умовах методику дослідження апаратурно-програмним комплексом “КріонІК” температурних полів на теплообмінних поверхнях плівкової градирні;

? установлено закономірності та розкрито причини нерівномірного розподілу температурних полів на тепломасообмінних поверхнях плівкових апаратів в реальних умовах;

? розроблено принцип багатосекційного масштабування градирень як оптимальний для зниження впливу нерівномірності розподілу матеріальних потоків і, отже, підвищення ефективності процесу охолоджування;

? розроблено типорозмірні ряди проти- і поперечноточних плівкових вентиляторних градирень для харчової промисловості в діапазоні продуктивності охолоджувальної води G_р=25…100 м³/год, що забезпечують в умовах цілорічної експлуатації і континентального клімату за умови їх багатосекційної збірки економію як енергії на привід, так і води на компенсацію втрат із випаровуванням і краплинним віднесенням;

? удосконалено концептуальні основи аналізу тепломасообмінних процесів і прийняття інженерних рішень щодо оптимізації конструкції і підвищення ефективності роботи плівкових апаратів.

Основні положення реалізовані у конструкції плівкової градирні ЗАТ “Марг-Вест” і включені до технічного проекту реконструкції градирні ЗАТ“Донецькриба”.

Особистий внесок здобувача полягає у моделюванні робочих процесів, які відбуваються у ТМА з насадкою з РШ, виконанні циклу експериментально-розрахункових досліджень, проведенні наукового аналізу отриманих результатів. Автором самостійно сформульовані наукові положення, практичні рекомендації і висновки. Основні результати опубліковані у 5 наукових працях: у роботі [1] здобувачем зроблено порівняльний аналіз схем непрямих і прямих випарних охолоджувачів з РШ на поверхні насадки; у роботі [2] розроблено математичний апарат розрахунку тепломасообмінних процесів на насадці з РШ; у роботі [3] здобувач обґрунтував і запропонував нову конфігурацію насадкового шару плівкової градирні; у роботі [4] виконано моделювання зміни стану повітряного потоку і розроблено алгоритм відповідної комп'ютерної програми; у роботі [5] здобувач проаналізував отримані експериментальні дані та визначив діапазон оптимальних гідродинамічних параметрів повітря та води, що контактують у градирні.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи і її основні положення доповідалися та обговорювалися автором на конференціях: Всеукраїнських науково-технічних конференціях “Актуальні проблеми харчування: технологія і обладнання, організація й економіка”, м. Святогірськ (2003, 2004, 2005 р.р.); ІІ, ІV Міжнародних науково-технічних конференціях аспірантів і студентів “Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів”, м. Донецьк (2003, 2005 р.р.), IV Міжнародній науково-технічній конференції “Сучасні проблеми холодильної техніки і технології”, м. Одеса (2005 р.) і на внутрішньовузівських конференціях Донецького державного університету економіки і торгівлі ім. М. Туган-Барановського. Матеріали експериментальних досліджень, які були одержані за допомогою тепловізійного комплексу “КріонІК”, демонструвалися на міжнародних спеціалізованих виставках “Світ морозива та холоду”, м. Київ (2005, 2006 р.р.).

2. основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації з урахуванням сучасних проблем енергетики й екології, які загострюються. Сформульовано мету і завдання дослідження, подано загальну характеристику роботи.

У першому розділі наведено огляд літературних джерел, в яких розглянуті різні технічні системи з охолоджуванням оборотної води, типи градирень і способи інтенсифікації тепломасообмінних процесів в них.

Значний внесок у розвиток техніки випарного охолоджування внесли вітчизняні і зарубіжні науковці: Алексєєв В.П., Арефьев Ю.І., Барменков Р.А, Берман Л.Д., Гладков В.О., Дорошенко О.В., Кирилов В.Х., Кучеренко Д.І., ЛіпаА.І., Мак-Адамс В., MizushinaT., Spangemacher K. та інші.

На сучасному етапі у сфері розвитку водовипарних систем передбачається: підвищення ефективності роботи вентиляторних градирень (в першу чергу за рахунок рівномірності розподілу контактуючих потоків), зниження енерговитрат і витрат води для підживлення в системах оборотного водопостачання, широке використання полімерних матеріалів у конструкції насадок градирень. На більшості підприємств використовують бризкальні басейни або плівкові градирні з насадкою, виконаною з дерев'яних листів. Ці водовипарні системи мають істотні недоліки: краплинне віднесення до 1%, низький коефіцієнт охолоджування, значні масогабаритні параметри. У зв'язку із цим очевидною є необхідність розробки нових конструкцій плівкових вентиляторних градирень з покращеними масогабаритними й експлуатаційними показниками. На основі аналізу стану існуючих в цій сфері проблем сформульовано мету і завдання даної дисертаційної роботи.

У другому розділі виконано аналіз сучасних методик дослідження й оцінки процесів тепломасообміну за умови випарного охолоджування води. Головна проблема експлуатації плівкових ТМА - можливість повного насичення повітряного потоку до виходу його з насадки апарата і різке зниження у зв'язку із цим ефективності процесу. Тому головну увагу нами приділено аналізу фазових термічних опорів і стану повітряного потоку під час проходження його в щільних насадкових шарах плівкових апаратів. Удосконалюючи методику розрахунку випарного охолодження, ми запропонували в описі теплового балансу враховувати наявність градієнта температури в рідинній плівці:

, (1) , (2)

, (3) . (4)

Переходячи до інтегрального вигляду, одержуємо:

, (5) , (6)

 , (7) , (8)

, (9) . (10)

Рівняння (5) і (6) у разі процесу адіабатного зволоження повітря можуть бути безпосередньо проінтегровані. У разі прямолінійності лінії насичення або за _р= може мати місце вираз:

. (11)

Використання величини К_h в ситуаціях, що істотно відрізняються від експериментальних умов, при яких вона була одержана, може призвести до значної помилки. У зв'язку із цим особливий інтерес становить визначення фазових термічних опорів R_р і R_г, які безпосередньо пов'язані з коефіцієнтами _р і _h. Метод ентальпійного потенціалу Меркеля дозволяє знаходити лише значення загального коефіцієнта тепломасопереносу К_h.

Наявність аналогії в перебігу тепло- і масообмінних процесів дає можливість використовувати основні положення двоплівкової теорії масопередачі Л'юіса стосовно системи вода-повітря: 1) на межі поділу фаз (газ-рідина, пара - рідина) з боку кожної фази виникають межові плівки (газова і рідинна), що створюють основний опір під час переходу речовини з однієї фази до іншої; 2) на межі поділу двох фаз відповідно, на межі поділу між плівками створюються умови рухомої рівноваги, тобто досягаються стаціонарні умови процесу; 3) тепловіддача в межах кожної фази розглядається автономно. На підставі виразу Мак-Адамса одержано рівняння аддитивності фазових опорів за умови випарного охолоджування:

 або , (12)

яке пов'язує загальний термічний опір системи з термічним опором плівок: повітряної та водяної .

Для чисел одиниць перенесення рівняння (12) має вигляд:

. (13)

Найбільші труднощі під час обробки дослідних даних про температуру рідинної та газової фаз за допомогою плівкової теорії викликає визначення її значень, а також ентальпії і вологовмісту насиченого повітря на межі поділу фаз. Для визначення окремих коефіцієнтів у наведених вище рівняннях використаємо графоаналітичний метод, який знайшов широке застосування в практиці зарубіжних досліджень [Mickley H. і Mizushina T., Fujita H., TakahamaH.]. З метою підвищення точності й усунення громіздкості графічних процедур запропоновано табличну інтерпретацію графоаналітичного методу - аналітичний його варіант з використанням розробленої комп'ютерної програми. Коефіцієнт тепломасопереносу визначається двома способами: за першим - величина К_h обчислюється як коефіцієнт тепловіддачі однієї з фаз без урахування опору іншої (в цьому випадку К_h =_h); за другим - з рівняння аддитивності фазових опорів приведенням рушійних сил до однієї з фаз.

Поля параметрів потоків (h і t) і коефіцієнти обміну у фазах можна розрахувати, розв'язуючи систему рівнянь:

(14)

за граничних умов:

, (15)

де - постійні; - змінні величини.

Інтервально-ітераційний метод призначений для аналізу експериментальних даних, одержаних для політропних процесів у системі вода-повітря, і може бути використаний для конструктивного розрахунку апаратів. Він забезпечує розрахунок кінетичних характеристик (рушійних сил, коефіцієнтів обміну у фазах), на основі яких можна конкретизувати вибір напряму інтенсифікації процесів для розробки структури поверхні насадки і визначити режимні параметри контактуючих під час руху середовищ. Як граничні умови тут використовуються дослідні значення параметрів на кінцях експериментального модуля рівняння (15). Термічний опір поверхні поділу фаз приймається зневажливо малим, що відповідає термодинамічній рівновазі поверхні їх зіткнення.

За даним методом графоаналітичні побудови на h-t діаграмі проводяться для ряду перетинів в межах між нижнім і верхнім кінцями апарата (на прикладі протитоку). В результаті побудови можна визначити лінію стану повітря в межах висоти насадки і його параметри (температуру і відносну вологість) на виході з апарата - стан (Сⁿ) (рис. 1).

Зі значенням відносної витрати повітря в діапазоні 0,8<l<1,2 слід застосовувати перший спосіб розрахунку - метод “вертикальних конод” (умова R_р=0), для якого нами розроблено програмне забезпечення, що дозволяє проаналізувати стан повітряного потоку по висоті насадкового шару за будь-яких параметрів зовнішнього повітря (рис. 1А). Побудова закінчується за t_г^2(розр.) = t_г^2(експ.). Другий спосіб розрахунку - “метод похилих конод” (умова R_р 0) застосовується, якщо відносна витрата повітря виходить за межі оптимальної: 1,2<l<0,8 (рис. 1Б). Побудови кривої стану повітряного потоку можливі лише за певних величин _р і _h. Задача її побудови розв'язується методом послідовних наближень: обираємо значення , визначаємо графічним шляхом t_г^2(розр.) і порівнюємо її значення з експериментально встановленою величиною t_г^2(експ.).

Рис. 1

Рівність свідчить про правильність вибору вище вказаного співвідношення, що визначає остаточне положення лінії С^I…Сⁿ, яке дозволяє проінтегрувати рівняння (5) - (10).

За поперечного току параметри контактуючих фаз змінюються за висотою та довжиною апарата, і задача визначення їх є двовимірною. Інтервально-ітераційний метод аналізу поперечноточної схеми зводиться до способу усереднювання рушійних сил в інтервалі, що забезпечує обчислення рушійних сил в поперечноточному осередку із заданою точністю. Площа модуля розбивається на осередки з розмірами і . За заміни диференціалів кінцевими різницями одержимо:

(16)

Середньорухому силу процесу в осередку подаємо як різницю потенціалів потоків газу і рідини, характерну для більш простої схеми паралельної (протитік) течії. Для осередку, залежно від прийнятої схеми контакту потоків, максимальна погрішність обчислювання середньорухомої сили залежить від ступеня охолоджування , що визначає число розділення модуля на осередки і можливість лінеаризації рівноважної кривої. Далі, використовуючи розвинений інтервально-ітераційний метод, визначаємо значення фазових термічних опорів числовим інтегруванням для поперечноточної схеми руху потоків. Виконані в цьому розділі теоретичні дослідження дозволили вирішити сформульовані вище завдання 1-3.

У третьому розділі представлено результати експериментальних досліджень процесів тепломасообміну під час випарного охолоджування води за наступною програмою: вивчення впливу на нього висоти насадки (протитік) у діапазоні Н_РН=0,3…1,0 м на базових елементах з алюмінієвої фольги і полівінілхлориду (ПВХ), висоти і довжини модуля по ходу газового потоку (поперечний тік); визначення оптимальної величини d_е; встановлення механізму інтенсифікації його за рахунок введення РШ і особливостей впливу нерівномірності розподілу контактуючих потоків на робочі характеристики апаратів; порівняння характеристик РН для двох систем контакту і вибір переважної сфери застосування схем взаємодії потоків. Експериментальні дослідження виконувалися на двох лабораторних стендах (спільні дослідження із співробітниками ОДАХ) і на дослідному полігоні.

На рис. 2 наведено результати досліджень для протитоку у вигляді залежностей аеродинамічного опору, інтенсивності тепломасопереносу, а також коефіцієнтів тепло- і масовіддачі від аерогідродинамічних умов протікання процесів.

Рис. 2. Залежності коефіцієнту опору незрошувальних (криві 1, 2) та зрошувальних (криві 3, 4) регулярних насадок (РН) за q_р=15м³/(м²год), Н_РН=0,400 м: 1, 3 - модуль І; 2, 4- модуль ІІа.

Вивчення гідродинаміки плівково-струминного току в умовах протитоку, виконане в діапазоні d_е=0,02...0,023м при H_РН=0,400м з урахуванням параметра шорсткості k=6,4..., що змінюється (стенд №1), показало: введення РШ приводить до розвитку турбулентності за умови малих чисел критерію Re_г; для двофазних потоків картина залежності коефіцієнта опору повітря від швидкості і параметра шорсткості _оп=f(W_г,k) значно ускладнюється в порівнянні з однофазним (рис. 2); величина (- значення для листа з РШ) має мінімум за k=12,5; величина критичної швидкості W^*_г залежить від k і q_р, зрушуючись із зростанням останньої у бік зменшення. За нашими даними, результати досліджень, які були одержані для гладкої поверхні, не можуть бути використані для прогнозування параметрів процесів на шорсткій поверхні.

Залежності коефіцієнтів від навантажень по газу і рідині подано на рис. 3 (H_РН=0,40 м, k=12,5) для гладкого (РН) і шорсткого листів у пакетах. У всьому діапазоні величин швидкості та гідравлічних навантажень відмічається стабільне збільшення коефіцієнта _h і, отже, - зниження термічного опору R_г. Вплив W_г на R_р виявляється за гідродинамічної взаємодії фаз. За високих гідравлічних навантажень має місце стабілізація R_р.

Рис. 2Б. Залежності коефіцієнтів тепло- і масовіддачі від швидкості руху газу в протиточних насадкових шарах за q_р=11,4 м³/(м²год), Н_РН =0,40 м, k=12,5: - РН І, - РН ІІа.

У робочому діапазоні навантажень (q_р=10...25 м³/(м²год)) величина для у порівнянні з РН знижується в 1,4…2,0 рази. Величина R_г виявляється малочутливою до введення РШ на поверхню насадки. За однакових питомих витрат енергії ефективність охолоджування рідини у в 1,3…1,4 рази вища в порівнянні з РН.

Відносна інтенсивність процесу ( - значення для насадки з листами з РШ) і відносний ефект інтенсифікації А=, трохи змінюючись в робочому діапазоні W_г, мають максимум за k = 8-14 (рис. 4).

Рис. 4. Залежність А=f(к) за qp=11,4 м3/(м2год): -Wг=2 м/с, - 3 м/с, - 4м/с, - 5 м/с.

Це свідчить про випереджаюче зростання інтенсивності процесу в порівнянні зі зростанням енерговитрат на його організацію. За даними наших досліджень, перехід до поперечноточної схеми забезпечує зниження рівня Др у порівнянні з протитоком і можливість підвищення аерогідродинамічних навантажень. Введення РШ для вертикального розташування основного гофрування практично не позначається на Др, на відміну від протитоку як для одно-, так і для двофазних потоків, причому істотного впливу q_р також не виявляється. У всьому діапазоні навантажень відсутня гідродинамічна взаємодія фаз, причому традиційне явище захлинання для поперечноточної схеми відсутнє повністю, аж до значень W_г=10...12 м/с, змінюючись за великих значеннях W_г явищем подовжнього зносу рідини, що приводить до несприятливого її перерозподілу в об'ємі модуля і винесення із шару. Насадка типу “подвійний косий риф”, що виконана з ПВХ, забезпечує сприятливий розподіл рідини (плівково-струминний режим) по всій поверхні, відсутність подовжнього зносу і винесення рідини із шару навіть до W_г=12м/с, що дозволяє значно знизити пайові витрати на сепарацію краплинної вологи.

Максимальне зростання інтенсивності тепломасопереносу одержано для листа “подвійний косий риф” (рис. 5). Характерно, що вплив q_р на загальний коефіцієнт тепломасопереносу тут є менш відчутним, що пов'язано зі сприятливим розподілом рідини на всій поверхні листа в модулі. У всьому діапазоні робочих навантажень залежність K_h=f(W_г,q_р) носить лінійний характер, що відповідає відсутності гідродинамічної взаємодії фаз. За оптимальне значення параметра основного гофрування обрано діапазон , оскільки за К>2 спостерігається різке зниження K_h. Цей діапазон рекомендовано як для проти-, так і для поперечноточної схем контакту потоків. Інтенсифікуюча дія ребер РШ в умовах поперечноточної схеми виявляється у зниженні термічного опору в обох фазах у порівнянні з гладким (фоновим) листом. Відносна інтенсивність процесу зі збільшенням швидкості повітряного потоку трохи знижується (рис. 5).

Рис. 5. Залежність відносної інтенсивності процесу для поперечного току від швидкості руху газу за qр=14м3/(м2год): - PH IІІ, - PH IV

Отримані експериментальні дані узагальнено наступними розрахунковими залежностями:

для протиточної схеми контакту

 ; (17)

для поперечноточної схеми контакту

. (18)

Рівняння (17) одержано за k=12,5 і H_PH=0,40 м. Перерахунок до інших значень Н_РН та інших температурних умов забезпечується виразами:

, (19)

. (20)

Частину експериментів було виконано на дослідному полігоні (стенд №3) - чотирьохсекційній вентиляторній плівковій градирні, яка належить ЗАТ “Марг-Вест” (з 2006 р. ЗАТ “Славолія”), м. Донецьк. У цих дослідженнях основним завданням було з'ясування впливу нерівномірності розподілу потоків води і повітря на робочі характеристики градирні, тобто вплив масштабного чинника. Нерівномірність розподілу потоків, як показують дані ряду дослідників [Шервуд Т., Пігфорд Р., Уїлки Ч., Дорошенко О.В. та інші], є основним чинником, який погіршує ефективність процесів в апараті за умови зростання його продуктивності. За допомогою тепловізійного апаратурно-програмного комплексу “КріонІК” і аспіраційного психрометра, було отримано дані з основних параметрів водяного і повітряного потоків. Використання комплексу “КріоніК” дозволило візуалізувати температурні поля на нижній торцевій поверхні насадок.

Перехід від маломасштабних моделей (стенди №1 і №2) до великомасштабних (промислова градирня - стенд №3) призводить до неминучого зниження ефективності тепломасобмінних процесів, причиною якого є нерівномірність розподілу матеріальних потоків на перетині апарата. Аналіз наших даних (одержані в осінню пору року) показує наступне: температура на фрагменті поверхні насадки знаходиться в діапазоні 15...19 ^оС, при цьому є ділянки з нижчою температурою t9...12 ^оC. Нерівномірність розподілу температури на виході з насадки апарата визначається в першу чергу нерівномірністю розподілу повітряного потоку: частина його прямує в самий центр градирні, а частина розподіляється по периметру секції. Цим пояснюється і зафіксований нами характер відкладень чужорідних речовин з води на поверхнях насадки. В основному вони зафіксовані по периметру секції, де менше витрати води, і вона швидко випаровується, залишаючи відкладення на поверхні насадки. За умови включеного вентилятора тепловізійне зображення температурного поля насадки змінюється: спостерігається більш однорідне охолоджування води (значення температури 8…11 ^оС). Подача повітря за допомогою вентилятора змінює ситуацію: основна частина повітряних потоків спрямована до центра секції градирні, забезпечуючи високий ступінь охолоджування води, при цьому зафіксовані острівні ділянки на насадці з вищими (біля 16 ^оС) і нижчими (біля 6 ^оС) значеннями температури. Загальний висновок в цій частині полягає в наступному: система подачі та розподілу повітря по перетину секції промислової градирні є украй незадовільною, і існує необхідність зміни конструкції градирні. Нами рекомендована, наприклад, установка в градирні нагнітального вентилятора, а також спеціальних поворотних ґрат після повітрозабірного вікна з метою підвищення рівномірності розподілу повітряних потоків. У результаті виконання досліджень по даному розділу вирішені завдання 4-6.

У четвертому розділі роботи подана вдосконалена інженерна методика розрахунку вентиляторних проти- і поперечноточних плівкових градирень, розроблені типорозмірні ряди вентиляторних градирень, а також виконано аналіз перспектив їх практичного використання.

Як матеріал насадки градирень було обрано полівінілхлорид (ПВХ). Проведений аналіз придатності полімерних матеріалів для насадки плівкових градирень показав, що полімерний зрошувач має наступні переваги: висока охолоджуюча здатність за великого гідравлічного навантаження, діапазон значень робочої температури від -30 ^оС до +65 ^оС, матеріал не горючий, має невелику густину (=36,5 кг/м³) і порівняно тривалий термін служби - до 20 років. Крім того, під час його використання забезпечуються зручність монтажу і демонтажу, низьке забруднення і можливість механічного очищення.

На рис. 7 показано принципові схеми розроблених проти- і поперечноточних градирень, в таблиці наведено їх технічні характеристики.

Рис. 7. Принципові схеми розроблених вентиляторних протиточних (а) і поперечноточних (б) градирень: 1 - корпус; 2 - пакети насадок регулярної структури; 3 - продуктопровід; 4 - краплеуловлювач; 5- поплавцевий пристрій; 6 - водяний насос; 7 - водозбірний бак; 8 - осьовий низьконапірний вентилятор; 9 - поворотні грати.

Типорозмірні ряди градирень розроблені стосовно потреб харчової промисловості в оборотній воді. Діапазон продуктивності з охолоджуваної води становить G_р =25…100 м³/год.

Розглянуто питання практичної експлуатації багатосекційних градирень з урахуванням небезпеки рециркуляції відпрацьованого зволоженого повітря і рози вітрів (повітронавантажень) на виробничому майданчику. Розробки даного розділу дозволили вирішити завдання 7-8.

Таблиця 1 - Технічні характеристики плівкових градирень

Характеристика	ГРН 25	ГРН 50	ГРН100	ГРН-П25	ГРН-П50	ГРН-П100
Схема взаємодії	Протиток	Поперечний тік
Продуктивність з води, м3/год	25	50	100	25	50	100
Теплове навантаження, кВт	не менше 140,0	не менше 230,0	560,0	не менше 140,0	не менше 230,0	560,0
Охолодження води - Дt*), оС	8-10	8-10	8-10	8-10	8-10	8-10
Витрата повітря, м3/год	19400	38800	77500	19400	38800	77500
Краплинне винесення, %	0,03	0,03	0,03	0,03	0,03	0,03
Габарити градирні, ВLH, мм	150015002300	200020002700	200040003000	62030001800	125030001800	250030001800
Насадка:
- кількість пакетів ПВХ-23	4	8	16	4	8	16
- кількість ярусів	1	2	2	1	2	2
Тип вентилятора 06-300	№8	№8 (2шт)	№8 (3шт)	№8	№8(2шт)	№ 8 (3 шт)
Потужність вентилятора, кВт	2,0	4,0	6,0	2,0	4,0	6,0
Маса сухої , кг	800,0	1200,0	2500	800,0	1200,0	2500,0

*⁾ за температури води, що поступає, 35 ^оС , температури мокрого термометра зовнішнього повітря 21 ^оС.

Висновки

У дисертаційній роботі запропоновано нові рішення щодо підвищення ефективності роботи плівкових градирень, які полягають у встановленні впорядкованої багатоканальної насадки нового типу, що забезпечує розвинену поверхню тепломасопереносу за мінімального аеродинамічного опору, впровадженні багатосекційної збірки градирень удосконаленого типу.

У результаті виконання роботи отримані наступні результати.

1. Виконано порівняльний аналіз сучасних методів розрахунку тепломасообмінних процесів у системі вода-повітря і показано перевагу методу ентальпійного потенціалу; розвинено теоретичні основи аналізу фазових термічних опорів повітряного і водяного потоків, що ґрунтуються на уявленнях про аддитивність фазових термічних опорів.

2. Показано значущість термічного опору рідинної плівки, що визначає можливість інтенсифікації процесу тепломасообміну дією на газову і рідинну фази, використовуючи поверхні з регулярною шорсткістю.

3. Запропоновано розрахунковий метод визначення стану повітряного потоку за висотою (у протиточних ТМА) і за об'ємом (у поперечноточних ТМА) насадки градирні, який дозволяє встановити можливість небажаного повного насичення вологою газового потоку до виходу з насадки апарату, для вживання заходів щодо запобігання різкого зниження ефективності процесу.

4. Виконано моделювання процесів тепломасообміну під час випарного охолоджування води в градирні з урахуванням уточнених уявлень про фазові термічні опори, величини поверхні тепло- і масообміну і відхилення значення співвідношення Л'юіса від одиниці (порушується аналогія процесів перенесення теплоти і маси).

5. Установлено: для всіх схем контакту потоків характерними є плівково-струминний ламинарно-хвильовий або перехідний режими току рідини при турбулентному газовому потоці. Для протитоку має місце значна гідродинамічна взаємодія фаз - ; за поперечного току .

6. Установлено для поверхонь з РШ випереджаюче зростання інтенсивності процесів тепломасообміну в порівнянні зі зростанням енерговитрат на організацію процесу. Для протитоку за ; рекомендовано за d_е=0,015...0,03м. У градирнях великої продуктивності (понад 100 м³/год) необхідно збільшити еквівалентний діаметр до d_е=0,03…0,05 м. Для поперечного току за k = idem; рекомендовано l_opt=0,03...0,04 за d_е=0,020...0,03 м. Для протиточних апаратів малої продуктивності можна рекомендувати Н_РН=0,300...0,500 м, для апаратів більшої продуктивності (G_р=100м³/год) доцільно збільшити сумарну висоту зрошувача до 1,0 м (компонувати зрошувач ярусами, з висотою кожного 0,32...0,5 м.).

7. Доведено: в інженерних розрахунках для оптимального діапазону навантажень по газу і рідині (0,8<l<1,2) можна нехтувати впливом термічного опору рідинної плівки і вести розрахунок градирень, ґрунтуючись лише на значенні сумарного термічного опору (R); за інших значень l слід переходити до аналізу і розрахунку тепломасообмінних процесів з урахуванням фазових термічних опорів; в умовах протитоку інтенсифікація процесів забезпечується за рахунок зниження R_р при поперечному тоці регулярна шорсткість інтенсифікує процеси в обох фазах.

8. Для градирні з багатоканальною насадкою з РШ на поверхні рекомендовано: тип РН - “подвійний косий риф” і матеріал РН - полівінілхлорид.

9. В області значень ступеня охолодження рідини Е_р 0,5 очевидні переваги поперечноточної схеми; за великих значеннь питомої ефективності (Е^*) схеми виявляються рівноцінними і забезпечують однакову величину Е_р,max 0,73. Збільшення d_е до оптимальних значень забезпечує подальше поліпшення характеристик поперечноточного модуля і досягнення Е_р,max 0,8.

10. Обґрунтовано доцільність застосування поперечноточних апаратів. Поперечноточна схема має ряд переваг у порівнянні з протитоком: значне розширення діапазону робочих навантажень; зниження енерговитрат за більш високого ступеня досягнутого охолоджування рідини; зниження висоти ТМА; можливість установлення вентилятора поза потоком вологого повітря і його реверсування - за необхідності. Протитік забезпечує більшу щільність теплового потоку (q_г=370кВт/м³ проти 250 кВт/м³ для поперечного току). Вибір схеми обумовлений особливостями експлуатації, вимогами компактності і допустимим рівнем енерговитрат.

11. Розроблено типорозмірні ряди проти- і поперечноточних плівкових вентиляторних градирень у діапазоні продуктивності з охолоджувальної води G_р = 25…100 м³/год, що забезпечує в умовах цілорічної експлуатації і континентального клімату за умови їх багатосекційної збірки економію як енергії на привід (до 30%), так і води на компенсацію втрат з випаровуванням і краплинним віднесенням (близько 20%).

Умовні позначення

Q - теплове навантаження, кВт; q - щільність зрошування, м³/(м²год); G - об'ємна витрата, м³/с; W-швидкість, м/с; - коефіцієнт гідравлічного опору; F-площа, м²; d_е - еквівалентний діаметр, м; Р, Е - крок і висота основного гофрування, м; р, е - крок і висота регулярної шорсткості, м; k - коефіцієнт шорсткості; l - відносна витрата повітря; с_р- теплоємність за постійного тиску, кДж/(кгК); r_o - питома теплота пароутворення, кДж/кг; t - температура газу, ^оС; р_п - парціальний тиск насиченої пари, Па; h_г- ентальпія газу, кДж/кг; б_г - коефіцієнт тепловіддачі від ядра рідини до ядра повітря, Вт/м²К; б_г⁰-коефіцієнт тепловіддачі від поверхні рідини до повітря, Вт/м²К; в_х (в_р, в_h)- коефіцієнт масовіддачі, віднесений до різниці вологовмісту (тиску, ентальпії), кг/м²с; К_h- загальний коефіцієнт тепломасопереносу, кг/м²с; R - сумарний термічний опір, м²с/кг; N - число одиниць перенесення; А - відносний ефект інтенсифікації; А^*- відносна ефективність процесу; РН - регулярна насадка: РНІ - “прямий подвійний риф”, РНІІа- “косий подвійнийй риф” (Al), РН ІІІ- “прямий косий риф”, РН ІV- “косий подвійний риф” (ПВХ); РШ - регулярна шорсткість.

Індекси: г- газ; р- рідина; - параметр за температури рідини на поверхні розділу фаз t_р''; *- параметр за температури ядра рідини t_р.

Основний зміст дисертації викладений у наступних работах

1. Дорошенко О.В., Карнаух В.В. Про переваги гібридних систем охолодження повітря // Обладнання та технології харчових виробництв //Тематичний збірник наукових праць. Вип.8.- Донецьк.: ДонДУЕТ, 2003.- С. 46-51.

2. Дорошенко О.В., Карнаух В.В. Математичне моделювання теплообмінних процесів у градирнях з регулярною насадкою з гофрованих листів //Обладнання та технології харчових виробництв. Тематичний збірник наукових праць. Вип.9 - Донецьк.: ДонДУЕТ, 2003.- С. 103-111.

3. Дорошенко О.В., Осокін В.В., Карнаух В.В. Розробка та обґрунтування конструкції градирень плівкового типу // Обладнання та технології харчових виробництв. Тематичний збірник наукових праць. Вип.10.- Донецьк.: ДонДУЕТ, 2004.- С. 30-37.

4. Дорошенко О.В., Карнаух В.В. Про методику розрахунку тепломасообмінних процесів у градирні // Обладнання та технології харчових виробництв. Тематичний збірник наукових праць. Вип.11.- Донецьк.: ДонДУЕТ, 2004.- С. 65-72.

5. Дорошенко О.В., Осокін В.В.,Карнаух В.В., Дробот Г.М. Гідродинаміка плівково-струминного плину в умовах протитоку // Обладнання та технології харчових виробництв. Тематичний збірник наукових праць. Вип.12.- Донецьк.: ДонДУЕТ, 2005.- С. 38-46.

6. Деклараційний патент на корисну модель № 4736. Двоконтурна вентиляторна плівкова градирня / Дорошенко О.В., Осокін В.В., Карнаух В.В. - №2004010311; Заявлено 15.01.2004; Опубл. 15.02.2005. Бюл. №2.

Додаткові публікації

7. Дорошенко О.В., Карнаух В.В. Гібридні системи охолодження // Збірка доповідей ІІ Міжнародної наукової конференції аспірантів та студентів. - Донецьк: ДонНТУ, 2003.- С. 140-141.

8. Дорошенко О.В., Карнаух В.В. Теоретичні основи процесів тепломасообміну в градирні з регулярною насадкою з гофрованих листів // Збірка тез доповідей Міжнародної науково-технічної конференції “Актуальні проблеми харчування: технологія та обладнання, організація і економіка”.- Донецьк: ДонДУЕТ, 2003.- С. 25-28.

9. Дорошенко О.В., Карнаух В.В. До питання вибору типу регулярної насадки для плівкових градирень // Збірник тез доповідей VІІ Міжнародної науково-практичної конференції “Наука і освіта 2004”. Том 60.- С. 36-37.

10. Дорошенко О.В., Карнаух В.В. Об оптимизации параметров регулярной насадки в тепломассообменных аппаратах. Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів // ІV Міжнародна наукова конференція аспірантів та студентів. Збірка тез доповідей. Том.2.- Донецьк: ДонНТУ, 2005.- С. 130-131.

11. Карнаух В.В. Совершенствование рабочих характеристик противоточных пленочных градирен // Збірник наукових праць ІV Міжнародної науково - технічної конференції “Сучасні проблеми холодильної техніки та технології”.- Одеса: ОДАХ, 2005. - С. 14-15.

Размещено на Allbest.ru

...