автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Испарительное охлаждение в регулярном комбинированном контактном устройстве градирни

На правах рукописи

Харитонов Антон Александрович

ИСПАРИТЕЛЬНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ В РЕГУЛЯРНОМ КОМБИНИРОВАННОМ КОНТАКТНОМ УСТРОЙСТВЕ ГРАДИРНИ

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иваново - 2013 г.

005061725

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетом образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет инженерной экологии (МГУИЭ)» на кафедре «Автоматизированное конструирование машин и аппаратов».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Лагуткин Михаил Георгиевич

Официальные оппоненты:

Мизонов Вадим Евгеньевич

доктор технических наук, профессор, Ивановский государственный химико-технологический университет, профессор кафедры экономики и финансов

Полевой Александр Сергеевич

кандидат технических наук, старший научный сотрудник,

генеральный директор ООО «ПОЛНОХИМ»

Ведущая организация:

Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский и конструкторский институт химического машиностроения», г. Москва

Защита диссертации состоится 01 июля 2013 г. в 12 часов на

заседании диссертационного совета Д212.063.05 в Ивановском

государственном химико-технологическом университете по адресу: 153000, г. Иваново, пр-т Ф. Энгельса, 7, ауд. Г-205.

Тел. (4932) 32-54-33. Факс (4932) 32-54-33, E-mail: dissovet@isuct.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного химико-технологического университета по адресу: 153000, г. Иваново, пр-т Ф. Энгельса, 10.

Автореферат разослан «_»мая 2013 г.

Ученый секретарь ? /

совета Д 212.063.05 1 с Галина Альбертовна Зуева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы.

Градирни применяют в системах оборотного водоснабжения, где необходимо глубокое устойчивое охлаждение воды при высоких удельных гидравлических и тепловых нагрузках.

Использованная вода поступает в градирни, где происходи отвод от нее теплоты в атмосферу. Рост мощности современных тепловых станций и различных предприятий требует не только увлечения площади охладителей, но и интенсификации процессов, протекающих в них.

Эффективность охлаждения градирни во многом зависит от равномерности распределения контактирующих фаз (вода, воздух) в объеме насадки.

Одним из доступных, достаточно простых и дещевых методов, позволяющих интенсифицировать массообменный процесс и снизить энергозатраты на его проведение, является использование в качестве контактных устройств насадок регулярного типа. Они обладают низким гидравлическим сопротивлением и высокой массообменной эффективностью. В свою очередь, к недостаткам этих конструкций относится замкнутость в поперечном сечении каналов движения газа и жидкости, которая обусловлена геометрической структурой насадок, исключающей сообщение между каналами, образованными соседними листами. Исследование гидродинамической обстановки в существующих конструкциях градирен обнаруживает неравномерности в распределении жидкой и газовой фаз в поперечном сечении насадочного пространства, что препятствует интенсификации процесса тепло- и массообмена и снижает глубину охлаждения в водооборотной системе. В то же время определенный положительный эффект может быть получен за счет использования комбинированных контактных устройств.

Увеличение стоимости свежей воды требует принятия мер по повышению рентабельности производства, которое может быть достигнуто с помощью разработки новых тепло- и массообменных насадок, которые позволят увеличить глубину охлаждения циркуляционной воды, что в свою очередь способствует сокращению общего объема циркуляционной воды и соответственно снизит эксплуатационные затраты на электроэнергию и химическую подготовку оборотной воды.

Исходя из сказанного, разработка и исследование новых энергоэффективных конструкций насадок, а также изучение физических закономерностей гидродинамики в градирнях, является актуальной задачей.

Исследования, выполненные в рамках диссертационной работы, направлены на разработку новой конструкции эффективной насадки в виде комбинированного контактного устройства, изучение процесса испарительного охлаждения, разработку новых видов регулярных насадок пленочного и капельно-пленочного типа, достижение более низкого

уровня температур охлажденной воды в градирнях, что в свою очередь, обеспечит экономическую эффективность при реконструкции действующих секционных градирен на промышленных предприятиях и в энергетике.

Объектом исследования является насадка, представляющая собой комбинированное контактное устройство, как основной технологический элемент насадочного тепломассообменного аппарата - градирни.

Предметом исследования являются основные закономерности гидромеханических и тепломассообменных процессов, протекающих в объеме комбинированного контактного устройства.

Цель работы. Разработать высокоэффективное комбинированное контактное устройство для интенсификации процессов тепло- и массообмена при осуществлении испарительного охлаждения оборотной воды в градирне на основе анализа существующих конструкций ряда регулярных насадок.

Для реализации поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

1. Разработка новой конструкции комбинированного контактного устройства (ККУ) с улучшенными характеристиками по отношению к известным насадкам.

2. Экспериментальное исследование гидродинамических и тепломассообменных характеристик регулярных насадок типа «22,5», «36+6», «ККУ».

3. Получение обобщенных зависимостей для расчета гидродинамических и тепломассообменных характеристик испытанных конструкций насадок по результатам экспериментальных исследований.

4. Сравнительный анализ нового комбинированного контактного устройства и существующих современных конструкций насадок по различным параметрам.

Научная новизна

1. Результаты экспериментальных исследований гидродинамических и массообменных характеристик новой конструкции регулярной насадки типа «ККУ», защищенной патентом РФ №2456070, представленные в виде табличных данных и графических зависимостей гидравлического сопротивления сухой и орошаемой насадки от скорости газового потока, а также коэффициента массоотдачи от относительного расхода воздуха и плотности орошения.

2. Экспериментально установлено, что в проставке типа «РС-50», входящей в состав новой насадки типа «ККУ» обеспечивается максимальный угол растекания единичной струи жидкости равный 130°, что создает равномерное распределение жидкости по поверхности насадки.

3. Получены эмпирические зависимости коэффициента гидравлического сопротивления от скорости газового потока для сухих и

орошаемых насадок типа «22,5», «36+6», «ККУ» в диапазоне скоростей воздушного потока от 1,0 до 3,0 м/с и плотностей орошения от 5 до 15 м3/м2ч.

4. Результаты исследований тепло- и массообменных характеристик насадок типа «22,5», «36+6», «ККУ» обобщены в виде зависимостей коэффициента массоотдачи от величины относительного расхода воздуха и плотности орошения.

Практическая значимость

1. Разработана методика расчета вентиляторных градирен с использованием полученных эмпирических зависимостей для определения гидродинамических и тепло- и массообменных характеристик насадок типа «22,5», «36+6», «ККУ».

2. Разработаны две новые эффективные насадки защищенные патентами РФ на изобретение (№2456070 и положительное решение о выдаче патента по заявка №2011123436/05).

3. Разработана техническая документация насадки типа «ККУ» для внедрения в секционные градирни на химический завод ОАО Казньоргсинтез (г. Казань) и ОАО «Котласский ЦБК» (г. Коряжма). Документация принята для возможного использования новой регулярной насадки на указанных предприятиях.

На защиту выносится

1. Конструкция нового комбинированного контактного устройства.

2. Результаты экспериментальных исследований эволюции растекания течения жидкости по проставке в слое насадки.

3. Результаты экспериментальных исследований и эмпирические зависимости для определения гидродинамических и тепломассообменных характеристик насадок типа «22,5», «36+6», «ККУ».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научной конференции студентов и молодых ученых МГУИЭ - 2010 и 2011; Ко^егепсцив «ЗПитс« епе^еНка ¡г ГесИпо^цов» Литва, Каунас - 2010; научно-технической секции в ОАО «НИИхиммаш» - 2012.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 работ из них 3 статьи в журналах из перечня рекомендованного ВАК, 2 патента РФ на изобретение,, 7 статей в центральной печати, 2 тезисов докладов.

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

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения и 5 глав, содержащих обзор литературы и постановку задачи исследования, описания экспериментальных установок и методик проведения экспериментов по аэродинамике, гидравлике и аэротермике, обработку результатов исследований и рекомендации по расчету; области использования и рекомендации по промышленному внедрению; общих выводов и списка литературы. Работа изложена на 160 страницах, включает в себя 47 рисунков, 15 таблиц и список литературы из 116 наименований.

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

В первой главе изложены особенности процесса испарительного охлаждения воды в градирнях, выявлены основные направления интенсификации. Приведена классификация регулярных насадок по различным параметрам, рассмотрены основные свойства материалов, применяемых для их изготовления. По результатам литературно-патентного анализа представлен обзор конструкций насадок, предназначенных для использования в градирнях. На основе проведенного анализа определены основные задачи исследования.

Во второй главе приведена диафрагмальная модель, описывающая структуру газового потока в комбинированном контактном устройстве на основе регулярных насадок с различными геометрическими характеристиками. Обоснован выбор в качестве объекта исследования комбинированного контактного устройства.

Одним из перспективных направлений интенсификации процесса тепло- и массообмена в контактных аппаратах с насадкой является переход на пульсирующий режим течения газовой фазы. Такой режим течения газового потока может быть реализован в комбинированном контактном устройстве (ККУ), состоящем, например, из совокупности блоков регулярной насадки различного типа - пленочного и капельного.

Рис. 1. Схема течения газового потока по высоте контактного устройства, выполненного в виде комбинации блоков насадки пленочного типа и проставки из решетчатых элементов. 1,3 - насадка пленочного типа с вертикальными каналами; 2 - проставка капельно-пленочного типа из решетчатых элементов.

I Г,= Гэ>Гг;

Г у,

На основании диафрагмальной модели были выбраны следующие объекты исследования. Насадка типа «22,5», представленная на рис. 2. Это известная чешская регулярная насадка, принятая за основу, состоящая из гофрированных поливинилхлоридных листов с вертикальными гофрами расположенных под углом наклона к горизонту 90°, высотой гребня 22,5 мм и основанием 50 мм. Какие-либо сведения об охлаждающей способности этой насадки, кроме данных чисто рекламного характера, в литературе отсутствуют, в связи, с чем были проведены дальнейшие исследования.

Чтобы уменьшить большое гидравлическое сопротивление и сильное биообростание насадки типа «22,5» была сконструирована и в дальнейшем исследована комбинированная конструкция насадки типа «36+6», она отличается от предыдущей тем, что помимо пакета из чередующихся листов с вертикальными трапециевидными гофрами (высота которых составляет 36 мм и шириной основания 85мм) имеются также и листы с волнистыми горизонтальными гофрами, высотой 6 мм, как показано на рис. 2 (б).

Комбинированное контактное устройство (ККУ рис. 2(в)) представляет собой регулярную насадку для тепло- и массообменных аппаратов, состоящую из расположенных с промежутками по высоте

исследования; а - насадка «типа 22,5»; б - насадка типа «36+6»; в - насадка «типа ККУ».

аппарата контактных пакетов 1, собранных из гофрированных листов 2, установленных вертикально и параллельно друг другу, соприкасающихся выступающими гофрами 3 друг с другом и образующих между собой свободные каналы 4, и размещенных в промежутках по высоте аппарата 5 между контактными пакетами 1 блоков проставок 6, которые выполнены в виде уложенных в ряды объемных элементов 7, выполненных в виде треугольной призмы 8, у которой две верхние грани выполнены выпуклыми, а нижняя вогнутой, причем поверхность призмы 8 выполнена решетчатой с отверстиями одинаковой формы и равной площади живого сечения, причем отношение высоты пакетов 1 из гофрированных листов 2 к высоте блока проставок 6 равно 2:1, а общая высота блока проставок 6 составляет по меньшей мере два ряда призм 8, установленных с поворотом на 90° в соседних рядах.

Во третьей главе описаны экспериментальные установки для проведения гидравлических и тепломассообменных испытаний насадок типа «22,5», «36+6», «ККУ», показана особенность растекания одиночной струи жидкости в слое проставки из различных решетчатых полимерных структур, изложены методики проведения экспериментов.

Гидравлические исследования насадок типа «22,5», «36+6», «ККУ» проводились на системе воздух - вода. При проведении гидравлических испытаний насадки значения плотности орошения изменялись в пределах от 0 до 15 м3/(м2ч). Каждому значению плотности орошения соответствовали значения скорости воздуха в расчете на полное сечение аппарата, которые изменялись в пределах от 1 до 3 м/с. Во время проведения экспериментов производились измерения расхода воздуха, расхода воды, перепада давления по высоте слоя сухой и орошаемой насадки при различных расходах воды и воздуха.

Тепломассообменные исследования насадок типа «22,5», «36+6», «ККУ» проводились на системе воздух-вода. При проведении тепломассообменных испытаний насадок значения плотности орошения изменялись в пределах от 5 до 15 м3/(м2ч). Каждому значению плотности орошения соответствовали значения скорости воздуха в расчете на полное сечение аппарата, которые изменялись в пределах от 1 до 3 м/с. Температура нагретой воды в процессе проведения испытаний под держивалась постоянной и равной 40°С.

Во время проведения экспериментов производились измерения следующих величин: расхода воздуха, расхода воды, температуры нагретой воды, температуры охлажденной воды, относительной влажности и температуры входящего в экспериментальную установку атмосферного воздуха.

Исследовалась особенность растекания одиночной струи жидкости в объеме решетчатой насадки. В качестве решетчатых насадок использовали выпускаемые в промышленности полимерные сетки (15 видов) с различным живым сечением и толщиной нити.

Рис. 3. Растекание единичной струи по различным полимерным структурам.

Рис.4. Растекание единичной струи по решетчатой структуре

Рис. 5. Сравнение углов растекания жидкости по различным насадкам: Norton-35°; ПН-2кд-90°; Типа «РС-50» - 130°.

Наибольший угол растекания одиночной струи жидкости был зафиксирован у насадки типа «РС-50» (рис. 5.). Он составил 130°. В сравнении с похожими насадками, как показано на рис. 2, Norton и PN-2D из геликоидных элементов, где углы растекания соответственно составляли 35" и 90°, использование РС-50 можно считать более перспективным.

В четвертой главе представлены результаты гидравлических и тепломассообменных испытаний сухих и орошаемых насадок типа «22,5», «36+6», «ККУ», получены расчетные эмпирические зависимости для определения гидравлического сопротивления слоя сухих и орошаемых насадок.

Результаты испытаний сухих насадок типа «22,5», «36+6», «ККУ» на системе воздух - вода представлены на рис. 6 в виде графических зависимостей гидравлического сопротивления одного погонного метра насадки от скорости движения воздуха в расчете на полное сечение 256 аппарата.

Рис. 6. График зависимости гидравлического

..........сопротивления сухих насадок

типа «22,5», «36+6», «ККУ» от фиктивной скорости воздуха.

1 2 Wo, м/с 4

♦ 22,5 ■ 36+6 * ККУ

Из рис. 6 следует, что гидравлическое сопротивление насадок увеличивается с увеличением скорости газа в расчете на полное сечение аппарата.

В результате обработки экспериментальных данных методом наименьших квадратов были получены расчетные эмпирические зависимости для определения гидравлического сопротивления одного погонного метра сухих насадок по заданным значениям критерия Рейнольдса.

Таблица 1.

Эмпирические зависимости для сухих насадок типа «22,5», «36+6»,

«ЮСУ».

Тип насадки Диапазон чисел Rer Полученное уравнение fo

«22,5» 980+2941 ДР 38 wipra 38

Н ~ ñe°'14 8S3 Re?Д4

«36+6» 1097+3292 ДР 116 \\>орга 116

И ~ Re™8 8£3 Re™8

«ККУ» 796+2385 ДР 130 w$pza 130

Н ~ йе°'04 8£3 fíe°'04

Результаты гидравлических испытаний всех типов орошаемых насадок на системе «воздух-вода» представлены на рис. 7. в виде графических зависимостей гидравлического сопротивления одного погонного метра насадки от скорости движения воздуха в расчете на полное сечение аппарата при различных значениях плотности орошения от 5 до 15 м3/м2ч.

Из рисунка видно, что сопротивление насадок увеличивается с увеличением плотности орошения и скорости газа. Это обусловлено накоплением жидкости в насадке и, следовательно, уменьшением доли свободного объема для прохода газа. Так же, как и с сухими насадками наибольшее гидравлическое сопротивление у насадки типа «ККУ», чуть меньше у насадки «36+6», и самое маленькое у насадки «22,5».

Рис. 7. График зависимости гидравлического сопротивления орошаемых насадок типа «22,5», «36+6», «ККУ» от фиктивной скорости воздуха.

WO, м/с

► тип "22,5", q = 5ЛД2/МЗ ■ тип "22,5", q = Юм2/мЗ i. тип "22,5", q = 15м2/ллЗ < тип "36+6" Ч=5м2/м3 . ТИП "36+6" ч = Юлл2/ллЗ »тип "36+6" q=15M2/M3

- тип "ККУ", 5лл2/мЗ -тип "ККУ" ч=Юм2/мЗ

- тип "ККУ" д=15м2/мЗ

В результате обработки экспериментальных данных, полученных при проведении гидравлических испытаний насадок, были получены расчетные эмпирические зависимости для определения гидравлического сопротивления орошаемых насадок.

Таблица 2.

Полученные эмпирические уравнения для коэффициентов сопротивления

орошаемых насадок типа «22,5», «36+6», «ККУ».

Тип насадки Коэффициент сопротивления сухой насадки, Коэффициент пропорции-ональности, К0р Коэффициент сопротивления орошаемой насадки, fop fop = k(fc.o +

«22,5» 38 0,32 38 fop = h(Re0M + °'32с?ж)

«36+6» 116 йег0'08 0,3 116 fop - ftC 0(08 + °<3£7«)

«ККУ» 130 Де°'04 0,58 130 6>р = Л(—оо4 + 0,58<7ж) Rer'

Область применения: 5м3/м2ч < цж < 15м3/м2ч, 1м/с < \Уо < 3м/с

Результаты тепломассообменных испытаний насадок типа «22,5», «36+6» и «ККУ» на системе воздух-вода представлены на рис.7 в виде графика зависимости разности температур нагретой и охлажденной в насадке воды от плотности орошения и скорости движения воздуха в

Рис. 8. Зависимость глубины охлаждения Д^ °С от скорости газа \¥о, м/с при различных плотностях орошения для насадок типа «22,5», «36+6», «ККУ».

Как следует из графика, разность температур нагретой и охлажденной в насадках воды увеличивается при прочих равных условиях с уменьшением нагрузки по жидкости и увеличением скорости движения воздуха.

Здесь, наибольшую разность температур имеет насадка типа «ККУ», далее идут насадки типа «36+6» и «22,5».

Таблица 3.

Полученные эмпирические уравнения для коэффициента массоотдачи насадок типа «22,5», «36+6», «ККУ».

Тип насадки Полученные уравнения Область применения

«22,5» 0„ = 1,69Я0'55^ 5м3/м2ч < < 15м3/м2ч 1м/с <\¥0< 3м/с

«36+6» р„ = 1,ои°-61Чж

«ККУ» р„ = 1,зи°-В7чж

Для вычисления значений объемных коэффициентов тепло- и массоотдачи экспериментальные данные были обработаны в соответствии с методом Меркеля. Согласно этому методу сопоставительные расчеты охлаждающей способности насадок при различных условиях работы градирен проводят, используя следующую зависимость:

расчете на полное сечение аппарата.

—О • тип "22,5", я = 5 мЗ/м2ч —£ " тип "22,5", я = 10 мЗ/м2ч ""О ■ тип "22,5", я = 15 мЗ/м2ч —»—тип "36+6", я = 5 мЗ/м2ч —О—тип "36+6", я = 10 мЗ/м2ч • тип "36+6", я = 15 м3/м2ч " ~ тип "ККУ", я = 5 мЗ/м2ч

- • ~ тип "ККУ", я = 10 м3/м2ч

- - тип "ККУ", Ч = 15 м3/м2ч

Ме = ~~ ~ Ар/гДта (7)

Значения параметров А и ш определяют методом наименьших квадратов по результатам проведенных испытаний насадок, X - есть отношение массового расхода воздуха к массовому расходу воды.

В результате обработки экспериментальных данных была получена графическая зависимость числа Меркеля, отнесенного к высоте насадок, от относительного расхода воздуха (рис.8).

А

♦тип "22,5", Н = 0,99м Птип "22,5", Н - 1,49м А тип "22,5", Н = 1,99м Хтип "36+6" Ж тип "ККУ"

Рис. 8. График зависимости числа Меркеля, от относительного расхода воздуха для насадок типа «22,5», «36+6», «ККУ».

Как следует из графика, число Меркеля возрастает с увеличением относительного расхода воздуха и является наибольшим для насадки типа «ККУ».

В пятой главе дано сравнение насадок типа «22,5», «36+6», «ККУ» с известными промышленными насадками по различным параметрам.

Для сравнения, были взяты известные насадки, используемые в промышленности для испарительного охлаждения оборотной воды в градирне.

Насадка 2КР Дмитриевой Г.Б. представляет из себя комбинированную насадку, состоящую из пакетов гофрированных листов, между которыми находится проставка в виде блоков горизонтально уложенных четырехзаходных винтовых элементов из полиэтилена.

Структурированная насадка представляет из себя пакет, собранный из плоских гофрированных листов из поливинилхлорида (ПВХ), соприкосающихся друг с другом выступающими трапециевидными гофрами, которые наклонены в соседних листах в противоположные стороны под углом 60° к горизонту.

Насадка Боева представляет собой модуль из слоев полимерных сетчатых оболочек, выполненных цилиндрическими, размещенных во всех

вертикальных слоях параллельно друг другу и сваренных по торцам модуля между собой в местах соприкосновения.

На рис. 9. представлен график зависимости гидравлического сопротивления различных сухих насадок от фиктивной скорости воздуха.

256

Рис. 9. График зависимости гидравлического сопротивления сухих насадок от фиктивной скорости воздуха.

1 2 \уо, м/с 4

♦ 2КР (Дмитриева Г.Б.)

О Структурированная насадка (СНЬАШСТ УЕ ТЕ РКЛН,

АОГГТ-45 (сетчатая насадка Боева Е.В.)

Ж ЮСУ

Из данных рисунка 9 видно, что гидравлическое сопротивление комбинированного контактного устройства несколько больше, чем у сетчатой насадки Боева, однако по сравнению с 2 другими насадками, вполне сопоставимо.

На рис. 10. представлен график зависимости числа Меркеля от относительного расхода воздуха для различных насадок.

3,5 3 2,5 О 2

1,5 1

0,5 0

1 1

1

1

I - 1 ! 1

Рис. 10. График зависимости числа Меркеля от относительного расхода воздуха для различных насадок.

0,5 1 1,5 2 2,5 3

♦ 2КР (Дмитриева Г.Б.) ^

□ Структурированная насадка (СНЬА01С1 УЕ7Е РВАНА) ДОГГТ-45 (Сетчатая насадка Боева Е.В.) Хтип "ККУ"

По тепломассообменным характеристикам насадка типа «ККУ» превосходит насадку Дмитриевой Г.Б. примерно на 30%, структурированную насадку на 33%, и ОГГТ-45 на 35%. В связи с чем, использование насадки типа «ККУ» является весьма перспективным для охлаждения оборотной воды в градирне.

Основные результаты и выводы

1. Разработана новая конструкция регулярной комбинированной насадки с улучшенными характеристиками по отношению к известным насадкам.

2. В результате экспериментальных исследований получены гидродинамические и тепломассообменные характеристики регулярных насадок типа «22,5», «36+6», «ККУ».

3. Экспериментально установлено, что угол растекания единичной струи жидкости в проставке типа «РС-50», входящей в состав насадки типа «ККУ» составляет 130°, при котором обеспечивается равномерное распределение жидкости по поверхности насадки.

4. Обобщены экспериментальные результаты исследования гидродинамических и тепломассообменных характеристик насадок типа «22,5», «36+6», «ККУ» в виде эмпирических зависимостей.

5. Проведен сравнительный анализ новой и существующих современных конструкций насадок по различным параметрам и выявлены преимущества новой насадки.

Основные условные обозначения Др - гидравлическое сопротивление, Па; h - высота насадки, м; -коэффициент сопротивления; критерий Рейнольдса для газа; рг- плотность газа, кг/м3; а - удельная поверхность насадки, м2/м3; vr - кинематическая вязкость газа, м2/с; q - плотность орошения, м3/(м2ч);; ДрсуХ -гидравлическое сопротивление сухой насадки, Па; Дрор - гидравлическое сопротивление орошаемой насадки, Па; Ме - число Меркеля; ßxv -объемный коэффициент массоотдачи, отнесенный к разности влагосодержаний воздуха у поверхности воды и в ядре потока, кг/(м3с); А -эмпирический коэффициент, характеризующий влияние конструктивных особенностей насадки на его охлаждающую способность, 1/м; X -относительный расход воздуха, кг/кг; Gx, , G„ - удельные массоовые расходы воды и сухого воздуха, кг/(м2с); m - безразмерный показатель степени; сж - удельная теплоемкость воды, сухого воздуха и пара, кДж/кг°С; t - температура воды и воздуха, °С; t, - температура воды перед входом в насадку, С; t2 - температура охлажденной воды на выходе из насадки, °С; Сж - расход воды, кг/с.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. Харитонов, A.A. Влияние разрывов в элементах регулярной насадки на их гидравлическое сопротивление / A.A. Харитонов, A.C. Пушнов // Химическая промышленность. - 2011. -т.88, №4. - С. 189-192.

2. Харитонов, A.A. Особенности растекания струи жидкости в слое решетчатой насадки / A.A. Харитонов, A.C. Пушнов // Энергосбережение и водоподготовка. - 2011. -№6 (74). - С. 50-53.

3. Харитонов, A.A. Гидравлические испытания решетчатого контактного устройства скрубберного аппарата / A.A. Харитонов, A.C. Пушнов, М.Г. Лагуткин // Химическая промышленность сегодня. - 2011. -№6. - С. 50-56.

4. Харитонов, A.A. Влияние высоты блоков насадки пленочного типа с вертикальными гофрами на эффективность процесса испарительного охлаждения воды в градирне / A.C. Пушнов, A.A. Харитонов // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева - 2012. - т.267. - С. 121-131.

5. Харитонов, A.A. Регулярные насадки для тепло- и массообменных процессов / А.С, Пушнов, A.A. Харитонов // Химическая техника. - 2010. -№3. - С. 24-28.

6. Харитонов, A.A. О влиянии геометрии регулярных гофрированных насадок на процесс тепло- и массообмена / A.C. Пушнов, А.А.Харитонов // Химическая техника. - 2012. - №11. - С.39-41.

7. Харитонов, A.A. Экспериментальное исследование эволюции растекания струи жидкости по поверхности полимерных решетчатых структур / A.A. Харитонов, A.C. Пушнов // Химические агрегаты. - 2012. -№6. - С.30-32.

8. Харитонов, A.A. Исследование растекания жидкости в решетчатых полимерных структурах / A.A. Харитонов, O.A. Медведкова // Научная конференция студентов и молодых ученых МГУИЭ: Тезисы докладов. В 2-х т. Т. 1. - М.: МГУИЭ, 2010. - С. 34-35.

9. Харитонов, A.A. Гидравлические и тепломассообменные испытания насадок типа «22,5», «36+6», «ККУ» // Научная конференция студентов и молодых ученых МГУИЭ: Тезисы докладов. - М.: МГУИЭ, 2011. - С. 63.

10. Харитонов, A.A. Аэротермические испытания насадки для градирен систем оборотного водоснабжения / A.A. Харитонов, A.C. Пушнов, М.Г. Лагуткин // Vandez ukio inzinerija (Water recycling systems), Литва, Вильнюс - 2012. - №40(60). - C.34-39.

11. Харитонов, A.A. Изучение особенностей растекания жидкости в объеме решетчатой структуры насадки / A.A. Харитонов, A.C. Пушнов, М.Г. Лагуткин // Сборник трудов Silumos Energetika ir technologijos. Вильнюс, Литва. 19 - 20 мая 2010. - С. 237-240.

Автор выражает благодарность за обсуждение методики проведения эксперементов, а так же за помощь в подготовке диссертации на всех ее стадиях профессору, д.т.н. Лагуткину Михаилу Георгиевичу, старшему научному сотруднику, к.т.н. Пушнову Александру Сергеевичу и научному сотруднику ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева Шишову Владимиру Ивановичу.

Подписано в печать 24.05.2013г. Усл.п.л.-1.0 Заказ №1355 Тираж: 120экз. ИНН 5050003422, 127015, г.Москва, ул.Б. Новодмитровская, 14 (495)685-0634 \у\у\у.тедди.рф

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет инженерной экологии»

Испарительное охлаждение в регулярном комбинированном контактном устройстве градирни

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

04201358940

На правах рукописи

Харитонов Антон Александрович

Научный руководитель проф., д.т.н., Лагуткин М.Г.

Москва-2013

Введение...................................................................................................................5

Актуальность проблемы......................................................................................5

Глава 1. Регулярные насадки для осуществления процессов тепло- и массообмена...........................................................................................................11

1.1. Особенности испарительного охлаждения оборотной воды в градирнях ..............................................................................................................................11

1.2. Конструкции градирен................................................................................14

1.3. Классификация регулярных насадок для градирен.................................21

1.4. Материалы для изготовления регулярных насадок.................................23

1.5. Обзор существующих конструкций насадок для градирен....................26

1.6. Интенсификация процессов тепло- и массообмена.................................36

1.7. Постановка задачи исследования..............................................................38

Глава 2. Диафрагмальная модель.........................................................................39

2.1. Особенности течения газового потока в объеме комбинированного контактного устройства и потери напора........................................................41

Глава 3. Выбор объектов исследования. Методика проведения испытаний. .50

3.1. Объекты исследования................................................................................50

3.1.1.Описание конструкции насадки типа «22,5»..........................................50

3.1.2. Описание конструкции насадки типа «36+6».......................................52

3.1.3. Описание конструкции решетчатой проставки типа «РС-50»............53

3.1.4. Описание конструкции насадки типа «ККУ»........................................54

3.1.4.1. Разработка новой конструкции ККУ...................................................54

3.1.4.2. Новая конструкция ККУ.......................................................................55

3.2. Описание опытных стендов и методики проведения испытаний..........58

3.2.1. Стенд МГУИЭ №1 (г. Москва)...............................................................59

3.2.1.1. Описание опытного стенда...................................................................59

3.2.1.2. Методика проведения испытаний........................................................60

3.2.2. Стенд МГУИЭ №2 (г. Москва)...............................................................60

3.2.2.1. Описание экспериментальной установки...........................................60

3.2.2.2. Методика проведения испытаний........................................................61

3.2.3 Стенд ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева (г. Санкт-Петербург)......................61

3.2.3.1 Описание экспериментальной установки............................................61

3.2.3.2. Методика проведения испытаний........................................................64

3.3. Методика обработки результатов..............................................................67

3.3.1. Определение коэффициентов тепло- и массоотдачи............................67

3.3.2. Определение коэффициентов аэродинамического сопротивления. ...69

3.3.3. Погрешность коэффициентов тепло- и массоотдачи насадки в градирне...............................................................................................................70

3.3.4. Статистический метод анализа случайных погрешностей..................71

Глава 4. Испытания решетчатой проставки «РС-50» и регулярных насадок типа «22,5», «36+6», «ККУ»................................................................................80

4.1. Исследование решетчатой регулярной насадки типа РС-50...................80

4.1.1. Экспериментальное исследование эволюции растекания струи жидкости по поверхности различных полимерных решетчатых структур..80

4.1.2. Гидравлические испытания решетчатой регулярной проставки типа «РС-50»................................................................................................................88

4.2. Исследование влияния разрыва в блоках регулярной насадки на эффективность процесса тепло- и массообмена при испарительном охлаждении.........................................................................................................89

4.3. Влияние геометрии регулярных гофрированных насадок на процесс тепло- и массообмена.........................................................................................96

4.4. Гидравлические испытания насадок типа «22,5», «36+6+» и «ККУ». 103

4.4.1. Результаты испытаний сухих насадок типа «22,5», «36+6+» и «ККУ». ............................................................................................................................103

4.4.2. Гидравлические испытания орошаемых насадок типа «22,5», «36+6»

и «ККУ».............................................................................................................111

4.5. Результаты тепломассообменных испытаний насадок типа «22,5», «36+6» и «ККУ»................................................................................................116

Глава 5. Сравнение различных насадок............................................................124

5.1. Сравнение эффективности различных насадок......................................124

5.2. Оценка экономической эффективности новой насадки........................127

з

Основные результаты и выводы........................................................................132

Список литературы..............................................................................................133

Приложения..........................................................................................................146

Приложение 1. Основные условные обозначения...........................................146

Приложение 2. Экспериментальные данные по гидродинамике и испарительному охлаждению новых насадок..................................................149

Приложение 3. Патенты......................................................................................155

Приложение 3.1. Регулярная насадка типа «ККУ»..........................................155

Приложение 3.2. Регулярная насадка типа «Гуша».........................................157

Приложение 4. Справки о внедрении................................................................159

Приложение 4.1. Справка из ОАО «Казаньоргсинтез»...................................159

Приложение 4.2. Справка из филиала ОАО «Группа Илим» в г. Коряжме. .160

Введение.

Актуальность проблемы.

Значение электроэнергетики в экономике России, так же как и её общественной жизни трудно переоценить— это основа всей современной жизни. Постоянная, из года в год, увеличивающаяся потребность человечества в энергии является одним из главных стимулов строительства техносферы. Большая часть мировой энергии производится тепловыми электростанциями. На втором месте - ГЭС, третье место принадлежит атомной энергетике.

Электроэнергия легко превращается в любых количествах во многие другие формы энергии. Практически без потерь и мгновенно она может быть передана на любое расстояние и позволяет осуществлять питание любых по мощности потребителей.

Производство электрической энергии на тепловых и атомных электростанциях связано с отводом большого количества теплоты. Отвод низкопотенциального тепла от промышленных аппаратов сегодня осуществляется с помощью естественных водоемов (рек, озер, водохранилищ), и оборотной охлажденной воды. Создание специальных водохранилищ-охладителей требует наличия большой площади и значительных капитальных затрат на сооружение плотины и подготовку ложа водохранилища. Снижение потребления природной воды в теплоэнергетике и различными промышленными предприятиями -приоритетные направления в энергосбережении и улучшении экологической обстановки в регионах страны. Поэтому испарительное охлаждение циркуляционной воды в градирнях является наиболее экономичным, современным и распространенным способом отвода низкоопотенциального тепла от промышленного оборудования в водооборотных циклах химического производства.

Градирни применяют в системах оборотного водоснабжения, где необходимо глубокое устойчивое охлаждение воды при высоких удельных гидравлических и тепловых нагрузках.

Использованная вода поступает в градирни, где происходи отвод от нее теплоты в атмосферу. Рост мощности современных тепловых станций и различных предприятий требует не только увлечения площади охладителей, но и интенсификации процессов протекающих в них.

Одним из доступных, достаточно простых и дешевых методов, позволяющих интенсифицировать массообменный процесс и снизить энергозатраты на его проведение, является использование в качестве контактных устройств насадок регулярного типа.

Широкое применение получили регулярные структурированные насадки. Они обладают низким гидравлическим сопротивлением и высокой массообменной эффективностью. В свою очередь, к недостаткам этих конструкций относится замкнутость в поперечном сечении каналов движения газа и жидкости, которая обусловлена геометрической структурой насадок, исключающей сообщение между каналами, образованными соседними листами. Исследование гидродинамической обстановки в существующих конструкциях градирен обнаруживает неравномерности в распределении жидкой и газовой фаз в поперечном сечении насадочного пространства, что препятствует интенсификации процесса тепло- и массообмена и снижает глубину охлаждения в водооборотной системе. Анализ опубликованных в литературе результатов показывает, что определенный положительный эффект может быть получен за счет использования комбинированных контактных устройств.

Увеличение стоимости свежей воды требует принятия мер по

повышению рентабельности производства, которое может быть достигнуто с

помощью разработки новых более эффективных тепло и массообменных

насадок, которые позволят увеличить глубину охлаждения циркуляционной

6

воды, что, в свою очередь, будет способствовать сокращению общего объема циркуляционной воды и соответственно снизит эксплуатационные и энергетические затраты.

Исходя из сказанного, разработка и исследование новых энергоэффективных конструкций насадок для осуществления испарительного охлаждения оборотной воды в градирнях, является актуальной задачей.

Исследования, выполненные в рамках диссертационной работы, направлены на разработку новой конструкции эффективной насадки в виде комбинированного контактного устройства, для осуществления процесса испарительного охлаждения, разработку новых видов регулярных насадок пленочного и капельно-пленочного типа, достижение большей глубины охлаждения оборотной воды в градирнях, что в свою очередь, обеспечит экономическую эффективность при реконструкции действующих секционных градирен на промышленных предприятиях и в энергетике.

Наибольший вклад в изучение гидродинамических и тепломассообменных характеристик насадок внесли следующие ученые и специалисты: Берман Л.Д., Пономаренко B.C., Арефьев Ю.И., Рихман Г.Б., Сухов Е.А. и многие другие.

Объектом исследования является регулярная насадка, как основной технологический элемент насадочного тепломассообменного аппарата -градирни.

Предметом исследования являются гидродинамические и тепломассообменные характеристики процессов, протекающих в объеме насадки, при осуществлении процесса испарительного охлаждения оборотной воды в градирне.

Цель работы

Разработать высокоэффективное комбинированное контактное устройство для интенсификации процессов тепло- и массообмена при осуществлении испарительного охлаждения оборотной воды в градирне на основе анализа существующих конструкций ряда промышленных регулярных насадок.

Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие

задачи.

1. Разработка новой конструкции комбинированного контактного устройства (ККУ) с улучшенными характеристиками по отношению к известным насадкам.

2. Экспериментальное исследование гидродинамических и тепломассообменных характеристик регулярных насадок типа «22,5», «36+6», «ККУ».

3. Получение обобщенных зависимостей для расчета гидродинамических и тепломассообменных характеристик испытанных конструкций насадок по результатам экспериментальных исследований.

4. Сравнительный анализ нового комбинированного контактного устройства и существующих современных конструкций насадок по различным параметрам.

Научная новизна

1. Результаты экспериментальных исследований гидродинамических и массообменных характеристик новой конструкции регулярной насадки типа «ККУ», защищенной патентом РФ №2456070, представленные в виде табличных данных и графических зависимостей гидравлического сопротивления сухой и орошаемой насадки от скорости газового потока, а также коэффициента массоотдачи от относительного расхода воздуха и плотности орошения.

2. Экспериментально установлено, что в проставке типа «РС-50», входящей в состав новой насадки типа «ККУ» обеспечивается максимальный угол растекания единичной струи жидкости в 130°, что создает ранвомерное распределение жидкости по поверхности насадки.

3. Получены эмпирические зависимости коэффициента гидравлического сопротивления от скорости газового потока для сухих и орошаемых насадок типа «22,5», «36+6», «ККУ» в диапазоне скоростей воздушного потока от 1,0 до 3,0 м/с и плотностей орошения от 5 до 15 м3/м2ч.

4. Результаты исследований тепло- и массообменных характеристик насадок типа «22,5», «36+6», «ККУ» обобщены в виде зависимостей коэффициента массоотдачи от величины относительного расхода воздуха и плотности орошения.

Практическая значимость

1. Разработана методика расчета вентиляторных градирен с использованием полученных эмпирических зависимостей для определения гидродинамических и тепло- и массообменных характеристик насадок типа «22,5», «36+6», «ККУ».

2. Разработаны две новые эффективные насадки защищенные патентами РФ на изобретение (№2456070 и положительное решение о выдаче патента по заявке №2011123436/05).

3. Разработана техническая документация насадки типа «ККУ» для внедрения в секционные градирни на химический завод ОАО Казньоргсинтез (г. Казань) и ОАО «Котласский ЦБК» (г. Коряжма). Документация принята для возможного использования новой регулярной насадки на указанных предприятиях.

На защиту выносится

1. Конструкция нового регулярного комбинированного контактного устройства.

2. Результаты экспериментальных исследований структуры течения жидкости по проставке в слое насадки.

3. Результаты экспериментальных исследований и эмпирические зависимости для определения гидродинамических и тепломассообменных характеристик насадок типа «22,5», «36+6», «ККУ».

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированное конструирование

машин и аппаратов» Московского государственного университета

инженерной экологии.

Автор выражает благодарность за обсуждение методики проведения

экспериментов, а так же за помощь в подготовке диссертации профессору

МГУИЭ, д.т.н., Лагуткину Михаилу Георгиевичу, с.н.с. МГУИЭ, к.т.н.

Пушнову Александру Сергеевичу, н.с. ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева г. Санкт-

Петербург Шишову Владимиру Ивановичу.

ю

Глава 1. Регулярные насадки для осуществления процессов тепло- и массообмена.

1.1. Особенности испарительного охлаждения оборотной воды в градирнях.

Охлаждение воды в градирнях осуществляется в результате процессов тепло- и масмена возникающих при непосредственном соприкосновении свободной поверхности жидкости с каким-либо газом или же смесью газов, например, атмосферным воздухом. Понижение температуры жидкости происходит в результате:

- теплоотдачи соприкосновением

- излучения

- поверхностного испарения жидкости

Роль каждого из этих процессов в охлаждении жидкости может быть различной в зависимости от физических свойств и параметров жидкости и газа. В градирнях, где обменивающимися теплом средами являются вода и атмосферный воздух, в течение большей части года преобладающую роль в охлаждении воды играет поверхностное испарение, посредством которого от воды отводится до 80-90% всего количества отдаваемого ею тепла. При низких температурах наружного воздуха роль поверхностного испарения снижается и доля отдаваемого водой тепла, приходящаяся на теплоотдачу соприкосновением, увеличивается до 5-70% против 10-20%.

Механизм процесса поверхностного испарения жидкости при

температурах ниже точки кипения согласно кинетической теории

следующий. Вследствие беспорядочного теплового движения молекул

жидкости скорости их в очень широких пределах отклоняются от среднего

значения. Часть поверхностных молекул, обладающих кинетической

энергией, достаточной для преодоления сил сцепления, вырывается в

расположенную над поверхностью жидкости газовую среду. Вследствие

11

столкновений этих молекул между собой и с молекулами газа они частично отражаются обратно к поверхности жидкости, где вновь отражаются от нее или же поглощаются жидкостью. Часть вырвавшихся или отраженных от поверхности жидкости молекул проникает в результате диффузии и конвекции в газовую среду и уже безвозвратно теряется жидкостью.

Количество испарившейся жидкости представляет собой, таким образом, разность между количеством молекул жидкости, оторвавшихся от ее поверхности вследствие теплового движения и количество молекул, вновь поглощенных жидкостью при ударах о ее поверхность.

Жидкость теряет при испарении наиболее быстро движущиеся молекулы, вследствие чего средняя кин