автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.02, диссертация на тему:Тепловая эффективность и экологическая безопасность испарительных башенных градирен

ГЛАВА 1 Испарительное охлаждение оборотной воды электростанций и проблемы безопасности

1.1. Техническое состояние систем охлаждения оборотной воды и безопасность в нештатных эксплуатационных ситуациях.

1.2. Проблемы экологической безопасности градирен.

1.3. Моделирование теплотехнических и гидроаэродинамических процессов в градирнях и окружающей среде.

ГЛАВА 2 Применение метода технико-физического моделирования для изучения параметров аэродинамических потоков в градирнях башенного типа

2.1. Экспериментальные модели и маломасштабные лабораторные испытательные установки.

2.2. Измерительная аппаратура.

2.3. Методика измерений параметров течений в модельных градир- 68 нях.

ГЛАВА 3 Результаты исследований структуры потоков в градирнях с аэродинамическими завихрителями

3.1. Структурная перестройка потоков в градирне и ее роль при интенсификации процессов тепло-массообмена испарительного ох- 76 лаждения.

3.2. Оценки кинематических и динамических характеристик вихревых и прямоточных турбулизированных потоков в башенных градир- 93 нях.

3.3. Интенсификация теплообмена испарительной оборотной воды с вихревым, турбулентном обдувом в башенных градирнях.

Актуальность. Реализация крупномасштабных проектов энергетики в настоящее время сталкивается с острой необходимостью обеспечения экологически оправданных технологических решений с высоким уровнем безопасности, снижающим риск возникновения техногенных катастроф. Приоритетную часть машиностроительных конструкций современных энергетических систем составляют теплообменные устройства. Одним из элементов связи теплообменных систем с окружающей средой, являются башенные испарительные градирни, через которые осуществляется удаление продуктов тепловыделения в окружающую среду. Стремление снизить энергозатраты на выработку продукции нередко оборачиваются выбросом вредных веществ в прилегающие к промышленным районам местам массового проживания людей со всеми вытекающими отсюда негативными последствиями. Большой вклад в разработку мероприятий по снижению риска чрезвычайных ситуаций при эксплуатации башенных градирен внесен учеными КНЦ ИММ РАН, ВНИИГ им. Веденеева, ЭНИЦ, ИТМО НАНБ, ИАЭ, ЭНИЦ, ЦАО, ВЦОТ и др. Выполненные исследования свидетельствуют о том, что в сложившихся условиях кредит на безальтернативное развитие современного промышленного производства вне решения проблем безопасности и охраны окружающей среды исчерпан. Вместе с тем, в последнее время особую значимость приобретает совместная постановка экологических и технологических задач в связи с реконструкцией и заменой устаревшего оборудования. Возникает необходимость исправления конструктивных недостатков действующего оборудования, как с точки зрения эксплуатационной безопасности, так и в связи с потребностью учета риска катастрофических последствий, связанных с выработкой ресурса работоспособности. Все вышеизложенное свидетельствует об актуальности диссертационной работы, которая посвящена комплексному решению задачи модернизации башенных градирен, приводящей к 4 уменьшению энергозатрат и одновременно снижению эксплуатационных выбросов в окружающую среду.

На основании проведенного анализа работ в области исследований процессов в башенных градирнях и экологической безопасности, связанной с их эксплуатацией в системе атомных и тепловых электростанций, как в штатных режимах, так и при чрезвычайных ситуациях, определена цель настоящей работы: □формулировка концепции экологически безопасной работы машиностроительных элементов башенных градирен атомных и тепловых электростанций;

- разработка методов повышения теплового коэффициента полезного действия испарительного охлаждения циркуляционной воды электростанций на основе оптимизации структуры течений в подооросительном пространстве башенных градирен.

Научные положения, выносимые на защиту и их новизна:

- исследована задача идентификации опасностей для населения и окружающей среды при эксплуатации испарительных башенных градирен с оценкой риска опасностей и предложениями по способу оптимизации затрат при управлении риском, связанным с выбросом в атмосферу тепла и влаги, переносом токсичных веществ, инфразвуковыми воздействиями;

- сформулированы условия экологически приемлемой безопасности башенных градирен электростанций, через которые осуществляется техногенное воздействие на окружающую среду;

- создана технико-физическая модель испарительной башенной градирни, позволяющая имитировать тепло- массообменные и аэродинамические процессы при охлаждении теплоносителя;

- разработан новый способ повышения тепловой эффективности башенных градирен при охлаждении оборотной воды электростанций, основанный на использовании вихревого, турбулизированного потока. 5

Достоверность результатов подтверждается:

- результатами экспериментальных исследований, выполненных с применением комплексных измерительных систем;

- надежностью данных измерений, определенной пространственно-временным разрешением измерительных систем, стабильностью параметров и калибровок измерительной аппаратуры;

- применением методов системного анализа конструктивных недостатков производственного оборудования, обуславливающих возникновение экологически неблагоприятных ситуаций при эксплуатации испарительных башенных градирен;

- устойчивой воспроизводимостью данных измерений и их соответствием расчетам.

Апробация работы и публикации.

Результаты работы докладывались на 3-ей Всероссийской научной конференции "Физические проблемы экологии" май 2001г., 1-й Международной научно-технической конференции "Проблемы комплексного освоения рудных и нерудных месторождений Восточно-Казахстанского региона" май 2001г., Международной научной конференции " 0болочки-2001", июнь 2001 г. Помимо этого результаты работы обсуждались на заседаниях кафедры "Промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности" экологического факультета РУДН, научных семинарах Научного Центра волновой механики и технологии РАН, экологических семинарах в МГУ им М.В. Ломоносова. По результатам работы опубликовано четыре печатные работы. Получено положительное решение по заявке на изобретение.

Практическая значимость работы заключается в определении конструктивных недостатков оборудования башенных градирен, обуславливающих низкую производительность конвективного тепломассобмена испаряющейся жидкости охлаждающим ее воздушным потоком. Предложенная модернизация машиностроительных конструкций входных окон башенных градирен с использованием 6 аэродинамических завихрителей турбулизирующих и закручивающих охлаждающие воздушные потоки рекомендуется для практического применения в качестве комплексных систем, обеспечивающих ресурсосбережение, снижение экологической нагрузки на окружающую среду и уменьшение риска возникновения чрезвычайных ситуаций.

Диссертация состоит из введения, 3 глав, выводов и списка литературы. Она содержит 121 страницу текста, 10 таблиц, 32 рисунка и список литературы из 83 наименований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1 .На основе анализа условий работы башенных испарительных градирен, который показывает, что низкая тепловая эффективность сопровождается возникновением экологически опасных ситуаций для населения и окружающей среды, сформулированы условия экологически приемлемой эксплуатационной безопасности.

2.С использованием методики оптимизации предельных затрат при управлении риском, связанным с выбросами влаги тепла и распространения аэрозольных частиц из башенных градирен, выполнен расчет оптимальных затрат на модернизацию для типичной градирни, при которой техническая система безопасности градирни с ветронаправляющими, турбулизирующими щитами экономически и экологически обоснована.

3.Создана технико-физическая лабораторная модель испарительной башенной градирни и методика многовариантного моделирования аэродинамических и тепловых процессов при охлаждении испаряющейся воды и конденсирующегося пара потоками входящего воздуха. Определены границы применимости результатов экспериментального моделирования к процессам в реальных градирнях электростанций.

4. Предложен новый способ повышения тепловой эффективности башенных испарительных градирен, в котором на поверхности ветронаправляющих щитов башенной испарительной градирни, создается шероховатость с различной высотой и густотой выступов.

5. Выполнены экспериментальные и теоретические исследования влияния закрутки турбулентности потока на тепловую эффективность градирни. Показано, что существуют оптимальные углы закрутки входящего в градирню потока, при которых достигается максимальное заполнение потоком подоросительного про

112 странства с наилучшими условиями для интенсификации тепло-массообмена между воздухом и паровоздушной смесью.

6. Установлено, что турбулизация течения в башне градирни с шероховатой поверхностью ветронаправляющих щитов, приводит к дополнительному росту выигрыша в тепловой эффективности по сравнению с ламинарным закрученным потоком. Технико-экономические расчеты по оценке эффективности тур-булизирующих завихрителей градирен, показывают, что при их внедрении экономия топлива тепловых электростанций составляет 5 -6 тут/сутки на один мегаватт вырабатываемой мощности.

113

1. Бабаев Н.С., Демин В.Ф.,Кузьмин И.И. Безопасность энергетики.-М.: Знание,- 1977 .-67с.

2. Баранов П.А., Соловьев А. А. Измерения лазерным анемометром и зондом в лабораторных моделях торнадо// Изв. АН СССР, физика атмосферы и океана.-1980,-№6,-С. 656-660.

3. Берман Л.Д. Испарительное охлаждение циркуляционной воды. М.: Госэнер-гоиздат, 1957.

4. Бодроносов A.B., Соловьев A.A. Измерение скоростей в модели вихря//Инж. физ. журнал.-1982.-Т.42.- №5,- С.729-733.

5. Бочаров В.Л., Смирнова А.Я., Бугреева М.Н. Влияние атомных тепло- и электростанций на геологическую среду // Вестник Воронежского университе-та.Сер.геологическая.-1996.-№1.-С. 165-171.

6. Буланина Э.В., Морозов В.А., Сухов Е.А., Башенные противоточные градирни высокой производительности // Изв. ВНИИ гилдротехники.-1972.-№135,-С.415-417.

7. Винниченко Н.К., Пинус Н.З., Шметер С.М., Шур Г.Н. Турбулентность в свободной атмосфере. Л.: Гидрометеоиздат, Л. 1976— 287с.

8. Власов A.B., Выхота С.О., Ганжин В.А // Патент № 1293 РБ. Градирня.-1993.

9. Гельфанд Р. Е. К вопросу о тепловом расчете поперечно-точных и поперечно противоточных градирен // Тр. Коорд. совещ. по гидротехнике - Л.: ВНИ-ИГ, 1968. -Вып.44 -С. 10-16.

10. Гольдштик М.А. Вихревые потоки. Новосибирск: Наука, 1981,- 367 с.

11. Гродзовский Г.Л. Лазерное измерение скорости потоков жидкости и газов // Обзор ЦАГИ,- 1976,- №481,- С.3-80

12. Губайдуллин Д.А. Динамика двухфазных парокапельных сред. Казань: Изд-во Казан, матем. общ,1998.-154 с.

13. Гутман Л.Н. Введение в нелинейную теорию мезо-метеорологических процессов. Л.:Гидрометеоиздат,1969.-287с.

14. Дженкинс Г., Ватте Д. Спектральный анализ и его приложения, ч.1,- М: Мир, 1971,—316 с.17.3арипов Р.Г. Информация различия и переходы беспорядок-порядок. Казань: Изд-во КГТУ, 1999.-155с

15. Захарова М.В., Бобошина С.Б., Соловьев A.A. Функциональные зависимости между параметрами подобия //Труды ДВНИГМИ.-1989.-вып.143.-С.49-16.

16. Ивашинцов Д.А., Соколов A.C. Шульман С.Г., Юделевич A.M. Параметрическая идентификация расчетных моделей гидротехнических сооружений. СПб.: Изд-во ОАО «ВНИИГ им. Б.Е Веденеева», 2001,- 432 с.

17. Ильгамов М.А. Введение в нелинейную гидроупругость. -М.: Наука, 1991. -200 с.

18. Игнаев В.И. Теоретическая модель молодого тропического циклона // Тр. Восточно- Сибирского технологического института.-1969. Вып.1.-С.1-12.

19. Капица С.П., Курдюмов С.П., Малинецкий Г.Г. Синергетика и принцип будущего. М.: Наука, 1997. -285 с.

20. Киселев П.Г. Справочник по гидравлическим расчетам,- М.: Госэнергоиз-дат, 1961.-295 с.

21. Кондратьев К. Я., Демирчян К. С. Климат Земли и «протокол Киото» 7/ Вестник РАН .-2001,- Т.71.-№11.-С. 1002-1009.

22. Кондратьев К.Я., Григорьев A.A. Природные и антропогенные экологические катастрофы: метеорологические бедствия и катастрофы// Исследования Земли из космоса. 2000. № 4.

23. Кузьмин И.И. Риск и безопасность: концепция, методология, методы: : Дисс. . канд. физ.-мат. наук. -М., ИАЭ РАН, 1985.-70 с.

24. Кузьмин И.И. Безопасность и техногенный риск// Журнал Всесоюзного химического общества .-1990,- Т.35.-С.415-424.

25. Кузьмин И.И., Романов C.B. Риск и безопасность с точки зрения системной динамики// Препринт ИАЭ,- 1987,- № 4528,- 82с.

26. Кутателадзе С.С. Анализ подобия в теплофизике. Новосибирск: Наука, 1982.-280С.

27. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М.: Наука, 2001.-732 с.

28. Легасов В.А., Кузьмин И.И. Влияние производства энергии на климат// Материалы Международной комиссии по окружающей среде и развитию,- М.: Наука,1986. С. 18-43.

29. Лукошков B.C. Моделирование источников поля в электролитической ванне при решении задач математической физики // Электроника.-1958,- № 7, С.15-22.

30. Лыков A.B. Тепломассобмен: Справочник. М.: Энергия, 1972,- 560с.

31. Мазуров В.Ф., Горбенко В.И., Фарфоровский В.Б., Кикиш О.В., Тамбур башенной градирни // A.c. СССР № 380817 от 11. 11. 1968, Бюллетень изобретений 01.08.1973

32. Матвеев Л.И. Курс общей метеорологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1976.

33. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. М.: Машиностроение,1969.-200 с.116

34. Минаковский В.М. Обобщенные переменные теории переноса: Справочник -Киев: Вища школа,1978.-184с.

35. Моисеев H.H. Проблемы построения "мировой модели" // Число и мысль. М„ 1977. С.139-175.

36. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных систем. В 2 т.- М.: Наука, 1987/

37. Нигматулин Р.И., Гусинская Н.В. Тепловая эффективность испарительных градирен башенного типа// Теплоэнергетика.-2001.№ 3,- С.68-71.

38. Петручик А. И., Солодухин А. Д., Фисенко С. П. Математическое моделирование охлаждения капельных и пленочных течений воды в башенных испарительных градирнях// Инженерно-физический журнал.- 2001.-Т. 74 № 1.-С. 92108.

39. Петручик А. И., Солодухин А. Д., Фисенко С. П. Математическое моделирование охлаждения капельных и пленочных течений воды в башенных испарительных градирнях // Инженерно-физический журнал.-2001,- Т.74.- №1 .-С.34-38

40. Пестель Э. За пределами роста. М., 1988.-212с

41. Повх И. Л. Техническая гидромеханика. -JL: Машиностроение, 1976,- С.226-237.

42. Прандтль Л., Титьенс О. Гидроаэромеханика. Т 1.- М.-Л.: ГТТИ, 1933.-С.80.

43. Ревелль П., Ревелль Ч. Среда нашего обитания Кн. 3. Энергетические проблемы человечества . Пер с англ. М.: Мир, 1995 296 с.117

44. Рейнольдс О. Динамическая теория движения несжимаемой вязкой жидкости и определение критерия. В кн. Проблемы турбулентности. M-JI,: ОНТИ, 1936, с. 185-227.

45. Ринкевичус Б.С. Лазерная анемометрия. -М.: Наука, 1978.-160с.

46. Самуйлов Е.В. и др. Методики расчета рассеивания в атмосфере выбросов от комбинированных устройств и градирен // Теплоэнергетика.- 2000,- N 11.-С.45—49.

47. Саперов А.Г., Крот Н.Ф. Градирня //Патент Белорусии, № 960192 BY

48. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. -М.: Наука, 1967,

49. Соловьев A.A. Аналоговое моделирование элементов циклогенеза.//Труды ДВНИГМИД988, вып. 143. С.36-42.

50. Соловьев A.A., Захарова М.В., Гусинская Н.В. Интенсификация охлаждения теплоносителей турбулизацией вихревого потока в башенных градирнях. //Физическая экология. Тезисы докладов 3-ей Всероссийской научной конференции. -М.:МГУ,- 2001. С.252-253.

51. Соловьев A.A., Нигматулин Р. И., Гусинская Н. В., Малых Ю. Б. Воздухов-вод башенной испарительной градирни с турбулизацией вихревого потока // Заявка на Патент РФ № 2001107483/06 от 22.03.2001( положительное решение)

52. Соловьев A.A. Аналоговое моделирование элементов тропического циклогенеза/Пруды ДВНИГМИ.-1989.-ВЫП.143.- С.36-43.

53. Соловьев A.A. Гидромеханика.-М.:МГАВТ, 1998.-264 с.

54. Сеидов Д.Г. Моделирование синоптической и климатической изменчивости океана. Л.: Гидрометеоиздат. 1985. —208с.

55. Трухин В.И., Показеев К.В., Куницын В.Е., Шрейдер A.A. Основы экологической геофизики.-М.: Физический факультет МГУ.-2000,- 292 с.

56. Федяев В.Л. Математическое моделирование рабочих процессов и реконструкция теплообменников. Казанское мат. об-во. Препринт № 2001-1. Казань, Изд-во Каз. мат. об-ва. 2001. 78 с. 7.118

57. Тувальбаев Б,Г. Оптимизация аэродинамических конструкций газовоздухопроводов ТЭС.// Изв. Вузов СССР. Энергетика. 1973. №10, С. 77-82.

58. Финогенова Н.А. Энергетика и экология столицы. Новые технологии // Ресурсные ведомости.-2002.-№36.-С.З-4.

59. Форрестер Дж. Мировая динамика. М. Наука, 1978.

60. Хинце. И.О. Турбулентность. -М.: Физматгиз,1963.-350с

61. Холпанов Л.П., Запорожец В.П., Зиберт Г.К., Кашицкий Ю.А. Математическое моделирование нелинейных термогидродинамических процессов. -М.: Наука, 1998.-320 с.

62. Холпанов Л.П., Шкадов В.Я., Гидродинамика и теплообмен с поверхностью раздела. -М.: Наука, 1990.-280с.

63. Энергетика мира (Перевод докладов 13 конгресса МИРЭК).- М.: Наука,1989 -354 с.

64. Alverson К. Oldfield F. Abrupt climate change // PAGES Newsletter.- 2000. -V. 8.-№l.-C.25-37.

65. Angell J.K. Comparison of surface and tropospheric temperature trends estimated from a 63-station radiosonde network, 1958-1968 // Geophys. Res. Lett. -1999,- V. 26. -№ 17.-C27-39.

66. Ferrybridge A. Natural draught cooling towers.- London: Institution of Civil En-geneers,1967.-212p.119

67. Fitzjarald D.E. A laboratory simulated of convective vortices //Journal. Atm. .Sci.-1973,-V.30.-P.-894-902.

68. Fritzshe P. Cooling towers: The answer to environmentalist// Energ.Int.-1973.-N7,-P21-26.

69. Geibel A. Uber die Wasserruckuhlung mit selbstventillrendem Turm Kuhler// Mitt. Forschunggsahr. -1922. -N.242. -S. 31 -47.

70. Crowley T.J. Causes of climate change over the past 1000 years // Science. -2000.-V. 289. -№ 5477.-P1250-1348.

71. Diver M., Paterson A.C. Large cooling towers the prezent trend // Structural Engineer.-1977.- V.5.-N10.-P.431-445.

72. Hansen J., Sato M., Ruedy R., Lads A. Oinas V. Global Warming in the twenty-first century: An alternative scenario // Proc. U. S. Nat. Acad. Sci. 2000. V. 97. № 18.

73. Taleyarkhan R.P.,West C.D., Cho J.S., Lahey Jr., Nigmatulin R.I.,Block R.G., Evidence for nuclear emission during acoustic cavitation//Science.-2002.-V.295.-P. 1868-1873.

74. Third Assessment Report IPCC.- Cambr. Univer. Press:- 2001 .-V.I.- P. 15-56.120

75. Гусинская Наталья Викторовна (Россия)

76. ТЕПЛОВАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ИСПАРИТЕЛЬНЫХ БАШЕННЫХ ГРАДИРЕН

77. Создана физическая модель реальной градирни и разработана методика многовариантного физического моделирования процессов тепломассообмена паровоздушной смеси с закрученными турбулентными потоками.

78. Установлены оптимальные затраты на модернизацию градирен при которых техническая система безопасности градирни с ветронаправляющими тур-булизирующими щитами экономически и экологически обоснована.

79. На основе выполненных экспериментальных и теоретических исследований влияния закрутки и турбулентности потока на тепловую эффективность градирни, определены условия интенсификации тепло-массообмена между воздухом и паровоздушной смесью.

80. Показано, что турбулизация течения в башне градирни с шероховатой поверхностью ветронаправляющих щитов, приводит дополнительному росту выигрыша в тепловой эффективности по сравнению с ламинарным закрученным потоком.121

81. Gusinskya Natalja Viktorovna (Russia)

82. THERMAL EFFICIENCY AND ECOLOGICAL SAFETY IN COOLING TOWERS

83. The new means of increase of thermal efficiency of cooling of turnaround water of the condenser of the turbine of power stations simultaneously lowering ecological loading on an environment and a level of safe operation tower are offered.

84. The physical model real tower is created and the technique of multialtemative physical modeling of processes heat of an exchange water pairs of a mix with twirled turbulence by flows is developed.

85. The optimum expenses for modernization towers are established at which technical system of safety tower with wind-directional by boards economically and is ecologically proved.

86. On the basis of the executed experimental and theoretical researches of influence vortex and turbulence of a flow on thermal efficiency tower, the conditions degrees of intensity heat of an exchange between air and water pairs of a mix are determined.

87. Shown, that turbulence flows in a tower with a rough surface wind-directional of boards, results to additional growth of a prize in thermal efficiency in comparison with laminar by the twirled flow.