автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Совершенствование системы оборотного водоснабжения в градирнях с сетчатыми насадками

На правах рукописи

Меренцов Николай Анатольевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ ОБОРОТНОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ В ГРАДИРНЯХ С СЕТЧАТЫМИ НАСАДКАМИ

05.23.04 Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

005052084

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

я апр го13

Волгоград - 2013

005052084

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Волгоградском государственном техническом университете Научный руководитель

доктор технических наук, профессор ГОЛОВАНЧИКОВ

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор МОСКВИЧЕВА ЕЛЕНА ВИКТОРОВНА

Защита состоится «29» апреля 2013г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ212.026.05 при ФГБОУ ВПО Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1, (корп. Б, ауд. 203).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета».

Автореферат разослан 28 марта 2013г.

АЛЕКСАНДР БОРИСОВИЧ

ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет», заведующий кафедрой «Водоснабжение и водоотведение»

кандидат технических наук

ИВАНОВА НАТАЛИЯ ВИКТОРОВНА Зам. Начальника научной заводской лаборатории ООО «ЛУКОЙЛ -Волгограднефтепереработка»

Ведущая организация

ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет»

Фокин Владимир Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Широкое применение градирен обусловлено необходимостью охлаждения огромного количества оборотной воды, применяемой в основных технологических процессах строительной, химической, нефтегазовой, машиностроительной, энергетической, металлургической, атомной и других отраслях промышленности. Оборотная вода применяется в качестве хладагента для охлаждения технологического оборудования (при активном выделении тепловой энергии). Нагретая при прохождении рабочего цикла вода охлаждается в градирнях. Градирни - аппараты охлаждения воды атмосферным воздухом. Они предназначены для съема низкопотенциального тепла в системах оборотного водоснабжения.

Эффективность работы градирен всецело зависит от качества насадочного устройства (оросителя), создающего развитую поверхность контакта фаз и благоприятные условия проведения процесса, при минимальных аэро- и гидродинамическом сопротивлении и достаточной удерживающей способности по жидкости.

Всесторонний анализ работы градирен возможен только при наличии адекватной физико-математической модели аэро- и гидродинамики и процессов тепломассообмена протекающих в оросителе.

Диссертационная работа посвящена разработке физико-математической модели расчета и проектирования градирен на основе экспериментальных данных, в области гидродинамики и тепло-массообмена для используемых и вновь разрабатываемых перспективных насадочных устройств.

Целью работы является совершенствование работы промышленных градирен для локальных и магистральных систем оборотного водоснабжения строительной индустрии. Для достижения вышеуказанной цели были поставлены следующие задачи:

- получение экспериментальных данных по гидродинамическим особенностям и интенсивности тепло- и массопередачи в насадочных устройствах (оросителях);

- создание физико-математической модели для расчета и проектирования промышленных градирен;

- разработка и создание новых высокоэффективных и технологичных насадочных устройств;

- разработка новых технических решений для повышения эффективности работы градирен и систем оборотного водоснабжения в целом;

- улучшение экологических показателей локальных систем оборотного водоснабжения.

Основная идея работы - совершенствование работы промышленных градирен, на основе новых сетчатых насадок и разработка методики их расчета и проектирования.

Методы исследований включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, экспериментальные исследования, обработку экспериментальных данных методами математической статистики, математическое моделирование.

Достоверность результатов исследований подтверждается применением классических методов исследования, применением известных методов обработки экспериментальных данных с помощью ЭВМ. Разработанная математическая модель процесса испарительного охлаждения для градирни с капельным орошением подтверждена на практике лабораторными исследованиями.

Научная новизна работы:

- создана физико-математическая модель для расчета градирен с сетчатыми насадками с регулируемыми удельной поверхностью и порозностью и проектирования их на заданную производственную мощность;

- разработана методика расчета коэффициентов тепло- и массопередачи на основе экспериментальных данных с учетом гидромеханических особенностей структуры потоков в сетчатых насадках с регулируемыми параметрами;

- получены критериальные зависимости гидродинамических характеристик, для оптимальных параметров порозности и удельной поверхности регулируемой сетчатой насадки.

Практическое значение работы:

Разработана экспериментальная установка для исследования свойств насадочных устройств промышленной реализации испарительного охлаждения, в области гидродинамики и интенсивности тепло- и массообмена, необходимых для проектирования и расчета градирен на производственную мощность. Разработаны перспективные сетчатые насадочные устройства с регулируемыми параметрами для создания развитых условий и поверхности контакта фаз.

Реализация результатов работы. Разработанные в диссертации методики технологического расчета использованы при создании проектов по реконструкции градирни, для локальной системы оборотного водоснабжения охлаждения компрессорных установок Приволжского филиала ОАО «ФПК», г. Волгоград (Подразделение ОАО «РЖД»),

Материалы диссертационной работы использованы кафедрой ПАХП ГОУ ВПО Волгоградского государственного технического университета в учебном процессе при подготовке магистров по специальности 241000.68 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии».

На защиту выносятся результаты теоретических и экспериментальных исследовании:

- результаты экспериментальных исследований в области гидродинамики и тепло- и массообмена в насадочных устройствах градирен;

- структура физико-математической модели для описания процессов тепло-массопередачи и гидромеханических особенностей структуры потока, для сетчатой насадки с регулируемыми параметрами;

- методика расчета промышленных градирен;

- технические решения по повышению эффективности градирен и систем оборотного водоснабжения в целом.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: III Всероссийской студенческой научно-практической конференции «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология» (г. Казань, 2012 г.); X международной заочной научно-практической конференции «Инновации в науке», (г. Новосибирск, 2012 г.); XI международной заочной научно-практической конференции «Инновации в науке», (г. Новосибирск, 2012 г.); I инновационной выставке достижений молодежи Волгоградской области, направление « Энергетика» (г. Волгоград, 2011 г.); XVI Региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области, направление «Химия, химические процессы и технологии» (г.Волгоград, 2011 г.); выставке I Волгоградского молодежного инновационного конвента (г. Волгоград, 2010 г.); студенческой

международной научно-практической конференции «Научное сообщество студентов XXI столетия» (г. Новосибирск, 2011 г.).

Публикации.

Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в 17 работах, в том числе в 4 статьях, в ведущих рецензируемых журналах и изданиях, 4 патентах и материалах 3 международных конференций.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы 135 страниц, в том числе: 104 страницы - основной текст, содержащий 15 таблиц на 17 страницах, 23 рисунка на 22 страницах; список литературы из 152 наименований на 16 страницах, 4 приложений на 15 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цель работы, научная новизна, практическая значимость и сведения об апробации результатов работы.

В первой главе приведена классификация и обзор промышленных градирен на предприятиях строительной, нефте-химической, металлургической, энергетической и других отраслях промышленности в России и в мире. Приведена характеристика насадочных устройств.

Особое внимание в первой главе уделено физико-математическим картинам испарительного охлаждения, протекающего в насадочных устройствах, их достоинства и недостатки. Согласно существующей классификации эти методы можно разделить на три группы: пленочные, капельно-пленочные и капельные.

В связи с широким применением градирен в системах оборотного водоснабжения и высокими требованиями по глубине охлаждения, остро стоит вопрос о методах интенсификации процессов тепломассопереноса и разработке насадочных устройств, как основных конструктивных элементов, в которых достигаются развитые режимы работы и поверхность контакта фаз.

Анализ технической литературы показал, что наиболее приоритетным направлением является разработка высокопроницаемых насадок капельно-пленочного орошения, с активизацией капельного режима течения.

Во второй главе приведены результаты экспериментальных исследований для новых типов насадочных устройств в области гидродинамики и тепломассообмена при испарительном охлаждении воды и получены опытные данные необходимые для разработки методик расчета вентиляторных градирен на заданную производственную мощность. Разработанная экспериментальная установка позволяет исследовать гидродинамику насадочных устройств и тепло-массообмен в условиях противоточного движения воздушно-водяного потока. Установка доступна для визуального наблюдения, развития гидро-аэродинамических режимов движения воды и воздуха через насадку, определения удерживающей способности, гидравлического сопротивления, глубины охлаждения воды и коэффициентов интенсивности тепло- и массообмена.

На рис. 1 приведена схема, поясняющая устройство и принцип работы установки для проведения указанного комплекса экспериментальных исследований. В установке реализована картриджная система сменных насадок, позволяющая осуществлять быструю смену насадок и обеспечивающая воспроизводимость измеряемых параметров в повторных экспериментах. Картридж представляет собой заполненный исследуемой насадкой прозрачный параллелепипед (121x121x800 мм) с опорной решеткой 2. помещаемый в корпус колонны I.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки. Установка состоит из корпуса колонны 1 в котором размещается насадка 3, орошаемая водой с помощью распределителя 5. насадка противотоком продувается воздухом поступающим из центробежного вентилятора 4. Контролируемыми

параметрами является: расход подаваемой на орошение воды, контролируемый ротаметром 7 и подогреваемый проточным водонагревателем 15, тепловая мощность которого регулируется лабораторным автотрансформатором. Температура воды контролируется с помощью температурных датчиков 8 на входе и 9 на выходе. Расход воздуха регулируется изменением подачи воздуходувки, число оборотов двигателя которой изменяется с помощью лабораторного автотрансформатора 16, и замеряется с помощью трубки Пито - Прандтля, установленной в канале подачи воздуха в водосборную емкость 6. Температура и влажность воздуха поступающего и уходящего из градирни фиксируются с помощью температурных датчиков (10-11) и гигрометров (12-13). Гидравлическое сопротивление слоя насадки фиксируется дифманометром 17.

Первая часть экспериментов заключалась в изучении гидравлических сопротивлений сухой и орошаемой насадок.

Критерием сравнения влияния конструктивных особенностей на гидравлическое сопротивление сухой насадки для оросителей малогабаритных градирен может стать обобщенная критериальная зависимость А^ДДе,,), в которой в качестве характерных геометрических размеров используются два линейных 1х1=1/р и 1Х2=р/а, при этом характерный линейный размер 1Х/ определяет структуру пористой среды в случае инерционного сопротивления, /,2 при совместном действии вязкого и инерционного сопротивления пористого слоя. Что и позволило обобщить результаты многих опытных исследований в виде обобщенной критериальной зависимости

^= — + 2

где X,, — коэффициент гидравлического сопротивления,

Яе,, - модифицированное число Рейнольдса для дискретной модели

Н »Р а-ц ц

где а, р - определяемые экспериментально коэффициенты, учитывающие влияние структуры насадки в ламинарной и турбулентной областях соответственно.

На рис. 2 приведена обработка опытных данных для ряда высокоэффективных и перспективных насадочных устройств. По этой кривой можем определить область эффективного применения каждой из указанных типов насадок. Насадка с регулируемыми параметрами перекрывает широкий диапазон применения, за счет

возможного деформирования структуры. Ее диапазон применения может быть перемещен в любую режимную область.

— — V I — = ■ — - 1 0ШГ — — - : — * Копя Ршяг» (25 "ЗЗ^) ЛКогавд. Пмои СВ"25 -5) •Кото Поп (1515-3) ■Н«сцг»П1ЛП38 + СЦащцюижиюсцп «йфХфкисАктпола ' ♦ Й ту*ф тхттиооп • си х псш ■ Ко№МОфОШаОХК1С«!П

* |Ц

1г

л ч, ■ ю®

н -— Е — z — - — :

- — - ■тт - — — —

=2/1

= = _ _ 1 _ _ Ч й II = 10 1---- _ _ - _ I л >У ГШ С ЯШ гиюси жяхир« аа ЛК1 С1 т» ш тг к пь

— - II 5 — — — ■ ИНН — - = = ::: — = : :

■ ~~1■ — - тт ■ ■н М1М

Д ■II

ТТ -- 5 * с Н ! 4

д 1

0.001 0.01 01 1 10 100 юоо

__1?е

Рис. 2. График зависимости Х,,=/(Ке„), для сравнительных характеристик насадочных устройств.

Обработка экспериментальных данных по гидравлическим сопротивлениям сухой и орошаемой насадок с регулируемыми параметрами, на воспроизводимость, значимость и адекватность (критерии Кохрена, Стьюдента, Фишера), с выходом на критериальные уравнения Еи=ДЯе) и Еи=/(Яе,Ь/С) для оптимальных условий Е=0.94, С=340м2/М'

500 1000 1500 2000 2500 3000

Не

Рис. 3. График зависимости Еи=ДКе), для теоретических и экспериментальных значений.

Таблица 1 - Расчетные и табличные значения параметров, полученных при обработке экспериментальных данных для зависимости гидравлического сопротивления сухой насадки от скорости воздуха (Число основных опытов 8, число параллельных опытов 3 и уровень значимости 0.05).

Наименование параметра Значение Результат

Расчетные Табличные

1 .Воспроизводимость по критерию Кохрена 0,212 0,516 Обеспечена

2.Адекватность по критерию Фишера 0,5504 3,58 Обеспечена

З.Значимость коэффициентов по критерию Стьюдента 5374,105 42207,270 2,12 Обеспечена

4.Коэффициент корреляции 0,93 - Высокий если [г] > 0,9

Обработка экспериментальных данных по удерживающей способности сетчатой насадки с регулируемыми параметрами, определяющей время пребывания капель в аппарате и суммарную поверхность тепломассопередачи, на воспроизводимость, значимость и адекватность, с выходом на критериальное уравнение К=/(Яе,Ь/С), для оптимальных условий £=0.94, о=340м2/м3

Г = 0.019-Ке,ш,3-|-

Рис. 4. График зависимости К=/Ще,Г/0), для теоретических и экспериментальных значений.

Результаты экспериментальных исследований позволяют выявить наиболее перспективные типы насадок для оросителей градирен и послужат исходным материалом для разработки методик их расчета.

В третьей главе теоретически обосновано применение капельного режима течения через слой насадки, а также приведены результаты математического моделирования процесса испарительного охлаждения.

На первом этапе исследования рассмотрены гидродинамические особенности нестационарного падения одиночной капли в поле сил тяжести, при смене режимов осаждения. Анализ заключался в определении скорости, и высоты нестационарного осаждения в ламинарном, переходном, турбулентном режимах, для капель различных диаметров, при выходе на стационарный режим (Рис. 5).

Рис. 5. Зависимости скорости (1) и высоты осаждения капли (2) диаметром (I-2-10 \м для ламинарного, переходного и турбулентного режимов движения; пунктирной линией (3) показан график скорости свободного осаждения капли в поле сил тяжести; (4) - график высоты стационарного процесса осаждения.

Физическая картина блока испарения выглядит следующим образом: капли, разгоняясь при падении вниз под действием силы тяжести, ударяются об поверхность сетчатой насадки и замедляют свое падение. Эти циклы непрерывно повторяются по всей высоте насадки. Перемещаясь от элемента к элементу насадки, капли рассеиваются и налипая огибают элементы насадки, что приводит к интенсивному перемешиванию и активному обновлению поверхности контакта фаз. Задача оптимизации порозности насадки (регулирования) заключается в создании более развитого капельного режима, т.к. суммарная поверхность тепломассопередачи в данном случае будет определяться поверхностью капель в аппарате, с активным обновлением этой поверхности и оптимальными

действительными скоростями воздуха между элементами насадки, движущимся противотоком.

Целью второго этапа исследований является разработка методики определения коэффициентов тепло- и массопередачи, а также средней скорости капель по экспериментальным данным лабораторных исследований, необходимых для расчета и проектирования вентиляторной градирни с разработанной проволочной насадкой.

В лабораторном аппарате, моделирующем проектируемую промышленную градирню, при проведении экспериментов необходимо установить удельные расходы воды и воздуха, температуру воды и воздуха на входе, соответствующие работе промышленной градирни, и экспериментально определить объем капель воды в лабораторной аппарате, а также температуры воды и воздуха на выходе (рис. 6).

Рис. 6. Схема лабораторной установки с регулируемой насадкой (1 - корпус; 2, 3 - верхний и нижний перфорированный диск; 4 - болты; 5 — опора под нижний диск; 6 - проволочная насадка; 7 - гайка).

На рис. 7 приводится алгоритм и блок-схема расчета коэффициентов тепло- и массопередачи по результатам экспериментальных исследований:

1000С„ (/,-/„) К -м/

к, =-

^•Аг,. "' /(Ркс-Ахс,тк)

Разработанную методику и алгоритм расчета коэффициентов тепло- и массопередачи целесообразно использовать при проектировании и расчетах на ЭВМ вентиляторных градирен с капельным орошением, так как она не требует дополнительных экспериментальных исследований по изменению относительной

влажности воздуха или парциального давления водяных паров, температур воды и воздуха внутри аппарата и их изменение по высоте насадки.

<4. ".„«.

Рн - ' Р. ''. /'.

С„ у/, Г„.

и. и Р.'

г =?£ 9.

д

Л

„»;-о

Л;

' =.»;. +-дГ2+лч/-1>|

.„, =0.622-.

(1.0.13-/»;,)

, , «Л:,-!'

д>,=|а.-л.|/1 г-н,

г,, и,. Л', К./'-.. .Г, п: а.„(,г.а. ь,л„к. чип,. /•«.-к. К,

Конец

Рис. 7. Рабочая линия (1) зависимости энтальпии от влагосодержания воздуха на 1-х диаграмме Рамзина и алгоритм расчета коэффициентов тепло- и массопередачи.

В третьей главе приведен расчет основных технологических и геометрических параметров проектируемой градирни, на основе полученных экспериментально данных по интенсивности тепломассопереноса. В основу расчета были положены уравнения материального и теплового балансов. Физическая картина модели была представлена в виде капельно-пленочного потока жидкости через слой насадки.

Необходимые расчетные поверхности капель для обеспечения теплопередачи Г, и обеспечения массопередачи

Я =

Ю00 -0

У^тг

ч

«АК

/\„ = -

Да. К„

Из сравнения поверхностей Г, и Рт выбирается большая и определяется диаметр градирни, среднее время пребывания капель и рабочая высота насадки в градирне, обеспечивающая эту поверхность капель .

Разработанная методика и алгоритм расчета позволяет при предварительном определении в экспериментальных исследованиях на лабораторном аппарате средней скорости капель, их диаметра, порозности насадки, коэффициентов тепло- и массопередачи рассчитывать технологические параметры, диаметр и высоту насадки в проектируемой вентиляторной градирне с капельно-пленочным орошением.

В четвертой главе представлены технические решения, связанные с перспективными конструкциями градирен и насадочных устройств.

Разработано техническое решение по конструкции тепломассообмен ной насадки градирен, целью которого является повышение интенсивности тепломассообменных процессов между охлаждаемой водой и воздухом в градирнях за счёт предупреждения образования биоплёнки микроорганизмов на поверхности сетчатых оболочек насадки.

а)

б)

Рис. 8. Тепломассообменная насадка градирен (а - общий вид модуля тепломассообменной насадки градирен; б - вид на модуль насадки снизу; в - способ установки модулей насадок в градирне).

От источника постоянного тока подают напряжение на полюса дистанцирующих вставок 2. Орошают охлаждаемую воду сверху на модули насадки, а снизу подают воздух. Техническая охлаждаемая в градирне вода является проводником II рода. Поэтому в плёнках воды, стекающей по полимерным сетчатым оболочкам 1, под действием приложенного напряжения к дистанцирующим вставкам 2 идёт ток между противоположно заряженными вертикальными электродами 3. Так как дистанцирующие вставки 2 выполнены в виде завихрителей. то охлаждаемая вода интенсивно перемешивается, что приводит к выравниванию времени пребывания воды в градирне и её обеззараживанию электрическим током. Это подавляет жизнедеятельность микроорганизмов и образование биоплёнки на

поверхности полимерных сетчатых оболочек 1, что интенсифицирует тепломассообменные процессы между охлаждаемой водой и воздухом в градирнях. Удельные затраты электроэнергии для градирни с расходом охлаждаемой оборотной воды 180 м'/час составят 0,074 кВт-час/м1, а себестоимость обработки 20 коп/м1.

В качестве одного из технических решений, предложена насадка для тепло-массообменного аппарата, содержащая упругую проволоку или полимерные нити, различной толщины и профиля, выполненную из отходов сталепроволочного канатного завода или завода синтетического волокна и помещенную между перфорированными дисками. Диски снабжены шпильками с гайками, что позволяет регулировать высоту насадки, а значит ее гюрозность и удельную поверхность. Существенным плюсом предлагаемой насадки является улучшение

гидромеханических условий за счет выравнивания свободного объема и удельной поверхности насадки по сечению аппарата и нивелирования пристенного эффекта.

На рис. 9. изображена предлагаемая насадка с регулируемыми параметрами для тепломассообменного аппарата в разрезе. Насадка состоит из проволоки или полимерных мононитей 1 различной толщины и профиля, верхнего 2 и нижнего 3 перфорированных дисков, выполненных в виде сегмента сферы с диаметрами d. Верхний диск 2 установлен в аппарате 4 с образованием выпуклой поверхности, а нижний 3 с образованием вогнутой поверхности. Нижний диск 3 опирается на опоры 5, закрепленные внутри аппарата 4. Положение верхнего диска 2 относительно нижнего диска 3 регулируется с помощью болтов 6, равномерно установленных по окружности дисков 2 и 3, гайками 7.

Рис. 9. Насадка тепломассообменного аппарата.

Гайками 7, при их закручивании на болтах 6, обеспечивают необходимую высоту Н проволоки или полимерных мононитей 1 в насадке, создавая в ней заданный свободный объем и удельную поверхность в центральной части аппарата 4. Так как высота насадки между сегментами сфер, образованных верхним 2 и нижним 3 дисками равномерно уменьшается от центра к стенкам аппарата 4, то свободный объем насадки также равномерно уменьшается, а удельная поверхность насадки от центра к стенкам аппарата 4 увеличивается. Это предупреждает возможность перетекания жидкости, подаваемой сверху вниз от центра к стенкам аппарата 4, а газа, подаваемого снизу вверх наоборот от стенок к центру, то есть нивелирует пристенный эффект в массообменных аппаратах с насадкой.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано решение актуальной проблемы: разработка и проектирование насадочных устройств градирен с регулируемыми параметрами, для промышленной реализации испарительного охлаждения в системах оборотного водоснабжения, на основе экспериментальных данных в области гидродинамики и интенсивности тепло- и массопереноса.

Основные выводы по работе:

1. Анализ существующих способов промышленной реализации испарительного охлаждения оборотной воды показывает, что приоритетным в данной области направлением является применение высокопроницаемых насадок с капельным орошением.

2. Разработанная новая сетчатая насадка с регулируемыми параметрами, для промышленной реализации испарительного охлаждения оборотной воды, превосходит по интенсивности тепло- и массопередачи пленочные с листовой или хордовой насадкой в 1,3-1,6 раза, что существенно снижает габариты промышленных градирен.

3. Получены экспериментальные данные гидродинамических и тепломассообменных характеристик новой сетчатой насадки и определены ее оптимальные порозность £=0.94 и удельная поверхность а=340м2/м3.

4. Получены критериальные зависимости A,,=/(Re„), Eu=/(Re), Eu=y(Rc,L/G) и K=y(Re,L/G), для оптимальных условий работы сетчатой насадки с регулируемыми параметрами.

5. Разработана методика расчета коэффициентов интенсивности процессов тепло-массопередачи на основе экспериментальных данных с учетом гидромеханических особенностей структуры потоков в сетчатых насадках градирен.

6. Создана физико-математическая модель расчета градирен с сетчатыми насадками для проектирования их на заданную производственную мощность систем оборотного водоснабжения.

7. Разработаны компьютерные программы для автоматизации обработки экспериментальных данных, расчетов коэффициентов интенсивности процессов тепло-массопередачи и проектирования градирен систем оборотного водоснабжения.

8. Разработаны и защищены патентами РФ ряд вспомогательных технических решений, которые можно использовать в промышленности для повышения качества работы насадочных вентиляторных градирен и систем оборотного водоснабжения в целом.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Y - удерживающая способность насадки; Eu - критерий Эйлера; L/G - отношение расходов воды и воздуха; v - скорость воздуха; р — плотность воздуха; /( - вязкость воздуха; H — высота слоя насадки; Ар - гидравлическое сопротивление; Atc - средняя движущая сила процесса теплопередачи; Ахс - средняя движущая сила массообменного процесса; W- удельное количество испаряемой воды в воздух; Д7,-диаметр градирни; Q,p - тепловая мощность градирни; тк - среднее время пребывания капель в лабораторном аппарате; Ge - удельный расход воздуха; i„, ¡к -начальное и конечное теплосодержание воздуха ; FKC - средняя удельная поверхность потока капель; е - порозность насадки; а - удельная поверхность.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ

ПУБЛИКАЦИЯХ:

Публикации в ведущих рецензируемых журналах и изданиях 1. Меренцов, H.A. Расчёт вентиляторной градирни с капельным орошением / Голованчиков А.Б., Меренцов H.A., Балашов В.А. // Вестник ВолгГАСУ. Серия: Строительство и архитектура. - 2012. - № 28 (47). - С. 171-178.

2. Меренцов, H.A. Моделирование гидромеханических и тепло- и массообменных процессов в вентиляторной градирне с капельным орошением и проволочной насадкой [Текст] / А.Б. Голованчиков, H.A. Меренцов, В.А. Балашов, Я.А. Орлянкина // Известия ВолгГТУ. Серия «Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах». Вып. 14 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2012. - № 10 (97) - С. 22-28.

3. Меренцов, H.A. Моделирование нестационарного падения сферической капли в поле сил тяжести / А.Б. Голованчиков, В.А. Балашов, H.A. Меренцов // Известия ВолгГТУ. Серия «Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах». Вып. 13 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. -Волгоград, 2012. - №4 (91). - С. 8-12.

4. Меренцов, H.A. Моделирование и расчет вентиляторной градирни с проволочной насадкой и капельным орошением [Текст] / А.Б. Голованчиков, H.A. Меренцов, В.А. Балашов // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2012. - №10. - С. 3-6.

Патенты РФ на изобретения и полезные модели

5. П. м. 129450 РФ, МПК F 28 S 25/08. Тепломассообменная насадка градирен [Текст] /А.Б. Голованчиков, Н.О. Сиволобова, H.A. Меренцов, H.A. Дулькина, В.В. Шишлянников, Н.И. Дорофеева; ВолгГТУ. - 2012.

6. П. м. 117317 РФ, МПК В 01 J 19/32. Насадка для массообменного аппарата [Текст] / А.Б. Голованчиков, С.Б. Воротнева, H.A. Меренцов, H.A. Дулькина, O.A. Залипаева, А.П. Шамьянова; ВолгГТУ. - 2012.

7. П. м. 103901 РФ, МПК F 28 С 1/00. Вентиляторная градирня [Текст] / А.Б. Голованчиков, В.А. Балашов, H.A. Меренцов, С.А. Горбачев; ВолгГТУ. - 2011.

8. Пат. 2397453 РФ, МПК G 01 F 23/00 . Способ измерения объема жидкости в закрытом резервуаре [Текст] / А.Б. Голованчиков, В.В. Шишлянников, Д.О. Лихобабин H.A. Меренцов, A.A. Чарочкин, A.B. Кузнецов; ВолгГТУ. - 2010.

Отраслевые издания и материачы конференций

9. Меренцов, H.A. Экспериментальная установка для исследования тепломассообменных процессов в насадочных устройствах градирен / H.A. Меренцов, В.А. Балашов, А.Б. Голованчиков, Я.А. Орлянкина // Изв. ВолгГТУ. Серия «Реология, процессы и аппараты химической технологии». Вып. 5 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2012. - № 1. - С. 78-80.

10. Меренцов, H.A. Автономные системы оборотного водоснабжения для малотоннажных химических производств / H.A. Меренцов, А.Б. Голованчиков, В.А. Балашов // Изв. ВолгГТУ. Серия «Реология, процессы и аппараты химической технологии». Вып. 4 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2011. - № 1. - С. 102-104.

11. Меренцов, H.A. Испарительное охлаждение капель жидкости в воздушном потоке / H.A. Меренцов, В.А. Балашов, А.Б. Голованчиков, Я.А. Орлянкина // Изв. ВолгГТУ. Серия «Реология, процессы и аппараты химической технологии». Вып. 5 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2012. - № 1. - С. 62-65.

12. Меренцов, H.A. Выявление интенсивности тепломассопереноса в вентиляторной градирне с капельным орошением / H.A. Меренцов, А.Б. Голованчиков, В.А. Балашов // Инновации в науке : матер. X междунар. заоч. науч.-практ. конф., 16 июля 2012 г. / Сибирская ассоциация консультантов. - Новосибирск, 2012. - Ч. 1. - С. 67-75.

13. Меренцов, H.A. Гидродинамические особенности нестационарного падения капли в поле сил тяжести / H.A. Меренцов, А.Б. Голованчиков, В.А. Балашов // Инновации в науке : матер. XI междунар. заоч. науч.-практ. конф. (15 авг. 2012 г.) / Сибирская ассоциация консультантов. - Новосибирск, 2012. - Ч. 1. - С. 32-39.

14. Меренцов, H.A. Охлаждение капель жидкости в воздушном потоке / H.A. Меренцов, Я.А. Орлянкина, В.А. Балашов, А.Б. Голованчиков // Научное сообщество студентов XXI столетия : матер, студ. междунар. заоч. науч.-практ. конф. (Новосибирск, 6 дек. 2011 г.) / Сибирская ассоциация консультантов. - Новосибирск, 2011.-С. 853-859.

15. Меренцов, H.A. Обобщённое уравнение фильтрации / Я.А. Орлянкина, H.A. Меренцов, В.А. Балашов, А.Б. Голованчиков // Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология : матер. III всерос. студ. науч.-техн. конф., Казань, 23-25 мая 2012 г. / Казанский нац. исслед. технол. ун-т, Ин-т хим. и нефт. машиностроения. - Казань, 2012. - С. 148-150.

16. Меренцов, H.A. Охлаждение капли жидкости в воздушном потоке / H.A. Меренцов, Я.А. Орлянкина, В.А. Балашов // XVI региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области, Волгоград, 8-11 ноября 2011 г. : тез. докл. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2012. - С. 25-26.

17. Меренцов, H.A. Экспериментальная установка для исследования тепломассообмена в насадочных устройствах градирни / H.A. Меренцов, Я.А. Орлянкина,

В.А. Балашов // XVI региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области, Волгоград, 8-11 ноября 2011 г.: тез. докл. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2012. - С. 14-15.

* В постановке цели и задачи работы, а также в обсуждении полученных результатов принимал участие д.т.н. В.М. Шаповалов

МЕРЕНЦОВ НИКОЛАЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ ОБОРОТНОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ В ГРАДИРНЯХ С СЕТЧАТЫМИ НАСАДКАМИ

05.23.04 Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 28.03.2013г. Заказ № 241. Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0.

Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная. Печать офсетная.

Типография ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета 400131, г. Волгоград, просп. им. В.И. Ленина, 28, корп. №7

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

МЕРЕНЦОВ НИКОЛАЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ ОБОРОТНОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ В ГРАДИРНЯХ С СЕТЧАТЫМИ НАСАДКАМИ

05.23.04 Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

СМ

до ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени $2 кандидата технических наук

г? я

0 О Научный руководитель доктор

СО технических наук профессор

^^ ^ Голованчиков Александр Борисович

Волгоград - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................4

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ И ПАТЕНТНЫЙ ОБЗОР......................................9

1.1. Охлаждение воды в промышленности................................................9

1.2. Технико-экономические и экологические аспекты применения градирен в системах промышленного водоснабжения......................................................12

1.3. Системы промышленного водоснабжения с градирнями...........................13

1.4. Автономные системы оборотного водоснабжения для малотоннажных химических производств........................................................................17

1.5. Классификация и область применения градирен.................................21

1.5.1. Вентиляторные градирни............................................................22

1.5.2. Башенные градирни..................................................................23

1.6. Физические основы испарительного охлаждения.................................24

1.7. Насадки для испарительного охлаждения воды в градирнях...................26

1.7.1. Пленочные оросители...............................................................28

1.7.2. Капельные оросители...............................................................29

1.7.3. Капельно-пленочные оросители..................................................30

1.7.4. Комбинированные оросители......................................................31

1.7.5. Брызгальные оросители............................................................31

1.8. Методы теплового расчета градирен................................................32

1.8.1 Расчет градирен по эмпирическим графикам и формулам..................32

1.8.2 Число Меркеля.......................................................................32

1.8.3 Математическое описание работы градирен на теоретических основах испарительного охлаждения..................................................................35

Выводы по главе 1...........................................................................38

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАСАДОЧНЫХ

УСТРОЙСТВ ГРАДИРЕН.....................................................................40

2.1. Описание экспериментальной установки для исследования гидродинамики и процессов тепло-массопереноса в насадочных устройствах.........................40

2.2. Экспериментальное исследование насадочных устройств в области гидродинамики....................................................................................44

2.3. Оценка экспериментальных данных (Адекватность, значимость, воспроизводимость).............................................................................51

Выводы по главе 2...........................................................................56

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИСПАРИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ С КАПЕЛЬНЫМ ОРОШЕНИЕМ..........57

3.1. Гидродинамические особенности нестационарного падения капли в поле сил тяжести........................................................................................57

3.2. Определение коэффициентов тепло- и массопередачи..........................68

3.3. Моделирование и расчет промышленной вентиляторной градирни с капельным орошением..........................................................................79

Выводы по главе 3............................................................................92

ГЛАВА 4. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ГРАДИРЕН И НАСАДОЧНЫХ УСТРОЙСТВ............................................93

4.1. Тепломассообменная насадка градирен.............................................93

4.2. Насадка для массообменного аппарата.............................................97

4.3. Вентиляторная градирня с ветроэнергетической установкой..................99

Выводы по главе 4...........................................................................102

Заключение.......................................................................................103

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................................105

Приложение 1. Листинг программы для моделирования нестационарного падения

капли в поле сил тяжести.....................................................................121

Приложение 2. Листинг программы для определения коэффициентов тепло- и

массопередачи..................................................................................125

Приложение 3. Листинг программы для расчета промышленной вентиляторной

градирни с капельным орошением.........................................................129

Приложение 4. Акт использования материалов диссертации.........................135

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Широкое применение градирен обусловлено необходимостью охлаждения огромного количества оборотной воды, применяемой в основных технологических процессах строительной, химической, нефтегазовой, машиностроительной, энергетической, металлургической, атомной и других отраслях промышленности. Оборотная вода применяется в качестве хладагента для охлаждения технологического оборудования (при активном выделении тепловой энергии). Нагретая при прохождении рабочего цикла вода охлаждается в градирнях. Градирни - аппараты охлаждения воды атмосферным воздухом. Они предназначены для съема низкопотенциального тепла в системах оборотного водоснабжения.

Эффективность работы градирен всецело зависит от качества насадочного устройства (оросителя), создающего развитую поверхность контакта фаз и благоприятные условия проведения процесса (интенсивность тепломассопередачи), при минимальных аэро- и гидродинамическом сопротивлении и достаточной удерживающей способности по жидкости.

Всесторонний анализ работы градирен возможен только при наличии адекватной физико-математической модели аэро- и гидродинамики и процессов тепломассообмена протекающих в оросителе.

Диссертационная работа посвящена разработке физико-математической модели расчета и проектирования градирен на основе экспериментальных данных, в области гидродинамики и тепло-массообмена для используемых и вновь разрабатываемых перспективных насадочных устройств.

Целью работы является совершенствование работы промышленных градирен для локальных и магистральных систем оборотного водоснабжения строительной индустрии. Для достижения вышеуказанной цели были поставлены следующие задачи:

- получение экспериментальных данных по гидродинамическим особенностям и интенсивности тепло- и массопередачи в насадочных устройствах (оросителях);

- создание физико-математической модели для расчета и проектирования промышленных градирен;

- разработка и создание новых высокоэффективных и технологичных насадочных устройств;

- разработка новых технических решений для повышения эффективности работы градирен и систем оборотного водоснабжения в целом;

- улучшение экологических показателей локальных систем оборотного водоснабжения.

Основная идея работы - совершенствование работы промышленных градирен, на основе новых сетчатых насадок и разработка методики их расчета и проектирования.

Методы исследований включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, экспериментальные исследования, обработку экспериментальных данных методами математической статистики, математическое моделирование.

Достоверность результатов исследований подтверждается применением классических методов исследования, применением известных методов обработки экспериментальных данных с помощью ЭВМ. Разработанная математическая модель процесса испарительного охлаждения для градирни с капельным орошением подтверждена на практике лабораторными исследованиями.

Научная новизна работы:

- создана физико-математическая модель для расчета градирен с сетчатыми насадками с регулируемыми удельной поверхностью и порозностью и проектирования их на заданную производственную мощность;

- разработана методика расчета коэффициентов тепло- и массопередачи на основе экспериментальных данных с учетом гидромеханических особенностей структуры потоков в сетчатых насадках с регулируемыми параметрами;

- получены критериальные зависимости гидродинамических характеристик, для оптимальных параметров порозности и удельной поверхности регулируемой сетчатой насадки.

Практическое значение работы:

Разработана экспериментальная установка для исследования свойств насадочных устройств промышленной реализации испарительного охлаждения, в области гидродинамики и интенсивности тепло- и массообмена, необходимых для проектирования и расчета градирен на производственную мощность. Разработаны перспективные сетчатые насадочные устройства с регулируемыми параметрами для создания развитых условий и поверхности контакта фаз.

Реализация результатов работы. Разработанные в диссертации методики технологического расчета использованы при создании проектов по реконструкции градирни, для локальной системы оборотного водоснабжения охлаждения компрессорных установок Приволжского филиала ОАО «ФПК», г. Волгоград (Подразделение ОАО «РЖД»).

Материалы диссертационной работы использованы кафедрой ПАХП ГОУ ВПО Волгоградского государственного технического университета в учебном процессе при подготовке магистров по специальности 241000.68 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии».

На защиту выносятся результаты теоретических и экспериментальных исследований:

- результаты экспериментальных исследований в области гидродинамики и тепло- и массообмена в насадочных устройствах градирен;

- структура физико-математической модели для описания процессов тепло-массопередачи и гидромеханических особенностей структуры потока, для сетчатой насадки с регулируемыми параметрами;

- методика расчета промышленных градирен;

- технические решения по повышению эффективности градирен и систем оборотного водоснабжения в целом.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: III Всероссийской студенческой научно-практической конференции «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология» (г. Казань, 2012 г.); X международной заочной научно-практической конференции «Инновации в науке», (г. Новосибирск, 2012 г.); XI международной заочной научно-практической конференции «Инновации в науке», (г. Новосибирск, 2012 г.); I инновационной выставке достижений молодежи Волгоградской области, направление «Энергетика» (г. Волгоград, 2011 г.); XVI Региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области, направление «Химия, химические процессы и технологии» (г.Волгоград, 2011 г.); выставке I Волгоградского молодежного инновационного конвента (г. Волгоград, 2010 г.); студенческой международной научно-практической конференции «Научное сообщество студентов XXI столетия» (г. Новосибирск, 2011 г.).

Публикации.

Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в 17 работах, в том числе в 4 статьях, опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК России, 4 патентах и материалах 3 международных конференций.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы 135 страниц, в том числе: 104 страницы - основной текст, содержащий 15 таблиц на 17 страницах, 23 рисунка на 22 страницах; список литературы из 152 наименований на 16 страницах, 4 приложений на 15 страницах.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ И ПАТЕНТНЫЙ ОБЗОР

1.1. Охлаждение воды в промышленности

Системы промышленного водоснабжения предназначены обеспечивать подачу воды на производство в требуемых количествах и соответствующего качества. Они состоят из комплекса взаимосвязанных сооружений - водозаборных устройств, насосных станций, водоводов, установок для очистки и улучшения качества воды, регулирующих и запасных емкостей, охладителей воды и разводящей сети трубопроводов. В зависимости от назначения и местных условий некоторые из перечисленных сооружений в системе могут отсутствовать [1,3, 18].

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

По данным государственного учета использования воды промышленностью Российской Федерации расходуется в год примерно 40 км3 свежей воды, что составляет 50% общего количества, забираемого для нужд народного хозяйства из источников водоснабжения. Это равняется примерно 20% потребности промышленных предприятий в воде. Недостающее количество (160 км3) обеспечивается за счет повторного использования воды после охлаждения и (или) очистки. Такая вода называется оборотной или циркуляционной.[1, 18]

В зависимости от вида технологического процесса оборотная вода может быть транспортирующей или поглощающей средой (использование воды в таких качествах в данной работе не рассматривается), либо теплоносителем, циркулирующим в охлаждающей системе оборотного водоснабжения. Это система, в которой вода используется в качестве хладоагента для охлаждения оборудования или для конденсации и охлаждения газообразных и жидких

продуктов в теплообменных аппаратах, где нагревается, а в некоторых случаях и загрязняется этими продуктами в основном за счет неплотностей оборудования. После охлаждения преимущественно на градирнях и очистки (при необходимости) основная масса воды возвращается в систему; часть оборотной воды (обычно не более 5%) теряется на испарение, капельный унос, утечки и сброс в виде продувки системы.

Градирня - это сооружение (аппарат) для охлаждения воды атмосферным воздухом.

Градирни применяются почти во всех отраслях промышленности, особенно велико их использование в строительной, энергетической, химической, нефтеперерабатывающей, металлургической, производства минеральных удобрений и других, поскольку на сегодняшний день отвод низкопотенциального тепла от промышленных аппаратов с помощью градирен -самый дешевый способ, позволяющий сэкономить не менее 95% свежей воды.

От эффективности работы градирен зависит степень реализации преимуществ систем оборотного водоснабжения в техническом и экологическом аспектах в сравнении с прямоточными системами, а также производительность технологического оборудования, качество и себестоимость вырабатываемой продукции, удельный расход сырья, топлива и электроэнергии [1-5].

Речь пойдет о вопросах работы градирен в технических системах водоснабжения. Становятся все более актуальными проблемы обеспечения надежности технических систем водоснабжения, в особенности некоторых химических производств. Кроме того, рассмотрим вопросы определения в каждом конкретном случае рационального состава сооружений оборотных систем, в том числе вида, конструкций градирен и материалов для их изготовления, а также режима эксплуатации оборотных систем на основании технико-экономических и эколого-экономических расчетов.

Требования, предъявляемые к температуре оборотной воды различными промышленными предприятиями, диктуются технологическим процессом и эксплуатационными свойствами оборудования. При выборе типа градирен для

обеспечения этой температуры следует учитывать возможность загрязнения воды продуктами производства в водооборотном цикле.

Ориентир идет на проектирование систем водоснабжения с оборотом воды, общим для всего промышленного предприятия или в виде замкнутых циклов для отдельных производств, цехов или установок. То есть разработке локальных систем водоснабжения, как наиболее перспективных. Чаще всего предусматривается один подъем воды без разрыва струи на технологических установках с обеспечением напора, достаточного для подачи воды на градирни.

Кроме того, данная система промышленного водоснабжения подразумевает беспрепятственное использование оборотной воды для конкретного производства, невзирая на состояние и работоспособность смежных производств, что становится все более актуальным с течением времени.

Для охлаждения различного рода технологического оборудования в России

л

используется примерно 105-130 км оборотной воды, что составляет в среднем по всем отраслям промышленности около 65% общего расхода воды этой категории.

Предприятия теплоэнергетической отрасли потребляют две трети свежей воды, забираемой на промышленные нужды из источников водоснабжения, при наибольшем расходовании ее для охлаждения технологического оборудования (96%). Однако коэффициент водооборота в отрасли ниже среднего по промышленности и составляет примерно 60% из-за сохранившихся с предыдущих лет на многих энергетических предприятиях прямоточных систем водоснабжения. Так, из 144 ТЭС с установленной м