Размещено на http://www.allbest.ru/

Повышение эффективности эксплуатации энергоблоков за счет совершенствования систем оборотного водоснабжения

А.В. Волков, А.В. Наумов

Введение

Основным требованием к системе оборотного водоснабжения (СОВС) является обеспечение необходимого расхода охлаждаемой воды, подаваемой в теплообменные устройства, с минимальными затратами на транспортировку последней.

Недостаточная степень охлаждения или недостаточная подача оборотной воды приводит к ограничениям подачи пара в конденсаторы турбин и, соответственно, к ограничениям мощности энергоблоков и снижению их к.п.д.

Для крупных городов, в которых эксплуатируются тепловые станции с СОВС, характерным является проблема свободных земель для строительства новых градирен. Так, например, на ТЭЦ OAO”Мосэнерго” эксплуатируется 56 оболочек, строительство новых, помимо их высокой стоимости, осложняется проблемами недостатка свободных земель, поэтому одним из направлений повышения эффективности эксплуатации энергоблоков за счёт совершенствования СОВС является интенсификация теплообменных процессов в градирне, снижение потерь в водоводах и циркуляционных насосах,а также снижение эксплуатационных расходов.

Таким образом, от трех основных функциональных элементов СОВС: градирни, водоводов и циркуляционных насосов, зависит эффективность и надежность всей системы, и эффективность энергоблока в целом.

Существует ряд проблем, ухудшающих эксплуатацию и снижающих характеристики СОВС по сравнению с проектными. К ним относятся формирование отложений и коррозионные процессы на внутренних поверхностях водоводов и проточных поверхностях насосов, недостаточная эффективность теплообменных процессов внутри оболочки градирни, как в летний, так и в зимний периоды эксплуатации.

Интенсивность теплообмена между воздухом и водой в градирне зависит от степени диспергирования последней и от объёма её подачи, которая на многих ТЭЦ на 10-15 % ниже проектной по причине повышенного гидравлического сопротивления трубопроводов из-за коррозии и отложений различного рода на их внутренней поверхности.

В качестве решения эксплуатационных проблем СОВС, не требующего переконструирования и продолжительного простоя ее элементов, рассматривается создание износостойких гидрофобных поверхностей на определенных поверхностях функциональных элементов системы. Эффективность применения указанного способа для трубопроводов и насосного оборудования отражены в работах /1-3/.

Расчетно-теоретическая оценка влияния гидрофобности функциональных поверхностей градирни на интенсивность теплообмена

Основными функциональными элементами, определяющими скорость и расход атмосферного воздуха, являются ороситель и внутренняя поверхность башни градирни. Влияние типа оросителя и качества его поверхности сравнительно хорошо изучено. Поэтому наиболее актуальной задачей исследования является определение влияния гидрофобности внутренней поверхности башни на интенсивность теплообмена. Наличие гидрофобности на внутренней поверхности башни позволяет увеличить скорость и расход воздуха в результате снижения коэффициента гидравлического трения (гидравлических потерь) из-за уменьшения эквивалентной шероховатости поверхности и модификации пристенного пограничного слоя.

Первоначально на физических моделях определена сама возможность гидрофобизации поверхностей различного качества путем использования поверхностно активных веществ (ПАВ), определены ее оптимальные условия и соответствующий эффект, характеризуемый снижением коэффициента гидравлического трения. На их основании произведен численный эксперимент по определению влияния гидрофобизирующих покрытий внутренней поверхности башни градирни на интенсивность теплообмена.

Сравним протекание воздуха в башне градирни за оросителем при наличии на внутренней поверхности башни гидрофобного покрытия и без него с шероховатостью стенок 2,5 и 25 мм. Ороситель является определенного вида хонейкомбом, выравнивающим распределение скоростей потока воздуха по сечению башни. Распределение скоростей в начале расчетного участка принято равномерным с заданным модулем скорости 5 м/с. Сравнение производится по потерям гидродинамического напора воздушного потока на расчетном участке. Сопротивление оросителя не учитывается. Поэтому разность соответствующих потерь характеризует в чистом виде влияние рассматриваемой гидрофобизации. Кроме того, рассматривается влияние последней на распределение скоростей в башне градирни.

Расчет производился с помощью программного комплекса Flow Vision. Гидрофобизация поверхности учитывалась как проскальзывание пограничного слоя потока воздуха относительно этой поверхности.

Результаты расчетов приведены на рис. 1 и в таблице 1. Расчетная область показана до оси симметрии башни градирни и дополнена сверху прямоугольным участком наружной атмосферы.

Гидрофобная поверхность Шероховатость 25 мм

Рис. 1 Распределение скорости воздуха в градирне при скорости на входе 5 м/с.

Таблица 1

Гидравлические потери при скорости на входе 5 м/с

Как видно из рис. 1, гидрофобизация поверхности приводит к увеличению скорости у этой поверхности. Очевидно, отмеченное увеличение скорости связано со снижением коэффициента трения на стенках при их гидрофобизации. В целом по потоку, как показано в таблице 1, это приводит к снижению гидравлических потерь на 3,2% при гидрофобизации стенки с шероховатостью 25 мм и на 2,1% - с шероховатостью 2,5мм, что при, постоянно действующих, гравитационных силах эквивалентно соответствующему увеличению расхода и скорости воздуха, протекающего через градирню. В свою очередь увеличение скорости воздуха приводит к интенсификации теплообменных процессов в градирне.

Анализ влияния дисперсности воды на теплообмен в градирне

Одним из наиболее важных факторов, влияющих на интенсивность теплообменных процессов в градирне, является степень диспергирования воды. Процессу диспергирования противостоят силы поверхностного натяжения на границе вода - воздух, которые прямо пропорциональны коэффициенту поверхностного натяжения воды (у) и обратно пропорциональны радиусу капли воды. В первом приближении, средний размер капель воды в градирне при прочих равных условиях пропорционален у.

Доказано, что использование ПАВ в несколько раз снижает значение у и существенно повышает степень диспергирования воды. /4/

Рассмотрим следующую упрощённую модель. В результате диспергирования это количество жидкости может быть представлено в виде:

, (1)

где G- расход охлаждаемой воды (кг/с), D - средний диаметр капель (м), _ж - плотность жидкости (кг/м³), n - расход частиц (1/с).

Пусть - коэффициент теплоотдачи (Вт/(м² град)), тогда количество теплоты, обмениваемой между единичной каплей и воздухом равно:

, (2)

где t - средняя разность температур между каплей и воздухом.

Для n капель это количество теплоты будет равно:

, (3)

так что общее количество обмениваемой теплоты за время теплообмена составит величину:

. (4)

Здесь от дисперсности зависят две величины: коэффициент теплоотдачи и время .

Коэффициент теплоотдачи определяется исходя из экспериментальной зависимости, например,

Nu = 2+0,03 Pr^0,33Re^0,54+0,35 Pr^0,36Re^0,58, (5)

где , _а - коэффициент теплопроводности воздуха, коэффициент кинематической вязкости воздуха, U - скорость обтекания капли воздухом, так что:

 (6)

Для простоты примем, что движение капли лишь вертикальное под действием силы тяжести и силы сопротивления:

, (7)

где t время _а - плотность воздуха, и был принят закон Стокса для сопротивления капли:.

Частное решение при нулевых начальных условиях имеет вид:

, (8)

так что время падения определяется интегралом от этого результата для заданной высоты h:

Рис. 2 Зависимость высоты падения капли от времени для двух диаметров капли: 0.5 мм (сплошная линия) и 2 мм (пунктирная линия)

Из этих результатов следует, что интервалы времени почти не зависят от диаметров капель. Тогда выражение (4) с учётом (6) примет вид:

, (9)

так что с учётом (8) в первом приближении можно считать, что:

.

Таким образом, при одном и том же расходе охлаждающей жидкости количество обмениваемой теплоты обратно пропорционально квадрату диаметра капель. А так как последний пропорционален коэффициенту поверхностного натяжения воды, то при наличии в воде достаточной концентрации ПАВ следует ожидать существенного роста интенсивности теплообменных процессов в градирне. Необходимо отметить, что диаметр капель имеет некоторое критическое значение, меньше которого возможно превращение градирни в оросительную камеру, связанное с полным испарением капли при ее падении.

тепломасообмен гидрофобность теплообмен дисперсность

Моделирование процессов тепломассообмена между каплями воды и воздухом при разной дисперсности капель

С целью определения влияния размера капель воды на интенсивность теплообменных процессов в башенной градирне выполнен вычислительный эксперимент с использованием пакета Flow Vision. В качестве характерной области теплообмена рассматривался участок струйки тока воздуха, расположенный ниже брызгальных устройств. Форма данной области принята цилиндрической с вертикально направленной осью. Высота цилиндра - 3м, диаметр - 0,5м. На нижнем торце цилиндра задана скорость восходящего воздушного потока, равная 1 м/с, влажность воздуха - 50 %, температура 20 ^оС. Стенки цилиндра являются непроницаемыми.

На верхнем торце расчетной цилиндрической области задано равномерное распределение капель воды, входящих в данную область и падающих вниз под действием силы тяжести. Массовый расход капель (жидкой фазы) - 1 кг/с, температура на входе - 40 ^оС. Форма капель принята шарообразной с одинаковым для всех капель диаметром. Исследование производится для двух вариантов диаметра капель воды -3 мм и 1 мм, сравнение которых позволило сделать определенные выводы по влиянию дисперсности воды на теплообменные процессы в градирне. Их обтекание воздухом рассматривалось в соответствии со стандартной k - е моделью турбулентности для малосжимаемой среды (учитывается зависимость плотности воздуха от температуры). Использовалась стандартная модель тепломассообмена пакета Flow Vision, учитывающая как конвективную, так и испарительную составляющую охлаждения капель воды. Учитывалось также уменьшение диаметра капель и объема воды по мере испарения последней.

Отметим, что, приведенные выше, параметры назначены в качестве граничных условий решения рассматриваемой задачи из условия максимального соответствия реальным процессам теплообмена в башенных градирнях. Сделанные допущения относительно форм расчетной области и капель воды относятся в одинаковой степени к обоим вариантам использованных размеров капель и не должны оказать существенного влияния на основные выводы работы, которые производятся на основании сравнения этих вариантов. Данные, полученные в результате численного моделирования, по распределению в расчетной области скорости и температуры воздуха приведены на рис. 3 и 4.

Диаметр капель 3 мм Диаметр капель 1 мм

Рис. 3 Распределение температуры воздуха в расчетной области

Диаметр капель 3 мм Диаметр капель 1 мм

Рис. 4 Распределение модуля скорости воздуха в расчетной области

Как видно из рисунков, присутствует существенная неравномерность распределения скорости и температуры воздуха по сечению расчетной области. Такая неравномерность, проявляющаяся в целом по градирне, окажет негативное влияние на эффективность охлаждения оборотной воды. Причем, большая дисперсность воды приводит и к большей неравномерности. Поэтому для уточнения влияния дисперсности воды на интенсивность теплообменных процессов в градирне необходим полномасштабный численный эксперимент с захватом всей области градирни, включая ороситель и реальную конфигурацию стенок градирни, которые также оказывают значительное влияние на отмеченную неравномерность.

Из рис. 4 видно, что большая дисперсность воды приводит к более значительному и быстрому нагреву воздуха, а, следовательно, и к лучшему охлаждению оборотной воды. По результатам исследования средняя температура воздуха на выходе из расчетной области составила 26,4 ^оС при диаметре капель 3 мм и 35,8 ^оС при диаметре капель 1 мм. Средняя температура капель после прохождения расчетной области составила 28,3 ^оС при диаметре капель 3 мм и 26,6 ^оС при диаметре капель 1 мм.

Таким образом, результаты исследований в целом доказывают высокую степень эффективности использования ПАВ с целью интенсификации теплообменных процессов в градирне путем снижения коэффициента поверхностного натяжения воды и увеличения ее дисперсности.

Заключение

Результаты исследований показали, что гидрофобизация с помощью ПАВ напорного водовода, внутренней поверхности башенной градирни, проточной части циркуляционного насоса и других внутренних поверхностей функциональных элементов системы оборотного водоснабжения, является эффективным средством увеличения расхода воздуха и воды, подаваемой в градирню, что приводит к интенсификации теплообменных процессов внутри нее. В свою очередь, это позволяет повысить надежность всей СОВС и увеличить к.п.д. энергоблока.

Список используемых источников литературы

1. Рыженков В.А., Седлов А.С., Рыженков А.В. О возможности снижения гидравлического сопротивления трубопроводов систем теплоснабжения. М.: Энергосбережение и водоподготовка, № 5, 2007.

2. Дубровский И.Я., Лошкарёв В.А., Аникеев А.В., Сергеев В.Д. Влияние октадециламина на стационарный потенциал конструкционных материалов при повышенных температурах теплоносителя // «Теплоэнергетика» 7,1999 г.

3. Рыженков А.В. Исследование влияния поверхностно-активных веществ на гидравлическое сопротивление трубопроводов систем теплоснабжения и разработка способа снижения энергозатрат при транспортировке теплоносителся // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук МЭИ, 2008г.

4. Волков А.В., Чернышев С.А., Наумов А.В. Основные проблемы эксплуатации систем оборотного водоснабжения с башенными градирнями и пути их решения.//Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез.докл. пятнадцатой Междунар. научн.-техн. конф. студентов и аспирантов. М.,2009. Т.2. С. 458- 459.

Размещено на Allbest.ru