автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Совершенствование конструкций тепломассообменных насадок из полимерных материалов

На правах рукописи

БОЕВ ЕВГЕНИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ НАСАДОК ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.17.08 - «Процессы и аппараты химических технологий»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа - 2008

003452149

Работа выполнена на кафедре «Оборудование нефтехимических заводов» филиала Уфимского государственного нефтяного технического университета в г. Стерлитамаке.

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Иванов Сергей Петрович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Жирнов Борис Семенович;

кандидат технических наук Тимофеев Андрей Александрович.

Ведущая организация ОАО «Каустик», г. Стерлитамак.

Защита состоится « ¿Ь 2008 года в 4У ~СОиа заседании совета

по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.289.03 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан « 22»10 2008 года.

Ученый секретарь совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ

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, установок для очистки и улучшения качества воды, регулирующих и запасных емкостей, охладителей воды и разводящей сети трубопроводов.

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).

После охлаждения (преимущественно на градирнях) и очистки (при необходимости) основная масса воды возвращается в систему.

Ввиду того, что основная часть градирен проектировалась в середине прошлого столетия, их основные составляющие приспособления и устройства морально устарели и не отвечают современным требованиям.

Эффективность охлаждения воды в градирнях в основном определяется их оросительными устройствами, которые необходимы для обеспечения надлежащего контакта водного и воздушного потоков. В настоящее время в промышленности в качестве оросителей градирни до сих пор используются конструкции, выполненные из дерева, асбестоцемента или установлены малоэффективные конструкции. Основными недостатками данных оросителей являются большая масса на единицу площади, малая поверхность контакта, высокий коэффициент аэродинамического сопротивления и малый срок службы.

\

Превышение температуры оборотной воды от регламентируемой приводит к снижению выработки продукции и ухудшению ее качества. Вместе с тем при неудовлетворительной работе градирен, оборудованных малоэффективными оросителями, температура воды, возвращаемой в оборотный цикл, часто превышает регламентируемую температуру, и предприятия для под держания требуемого температурного режима прибегают к нежелательному приему - «освежению» системы оборотного водоснабжения

Таким образом, совершенствование конструкций оросителей градирен является актуальной задачей.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

На основании аналитических и экспериментальных исследований разработать новые конструкции капельно-пленочных оросителей градирен на основе полимерных сетчатых оболочек с целью повышения эффективности тепломассообменного процесса охлаждения оборотной воды промышленных химических предприятий при помощи градирен.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1 Разработать конструкции полимерных капельно-пленочных оросителей градирен.

2 Спроектировать и изготовить экспериментальную установку для проведения аэродинамических и гидроаэротермических исследований.

3 На основании проведенных аналитических и экспериментальных аэродинамических и гидроаэротермических исследований установить зависимости, позволяющие с достаточной степенью точности проводить технологический и механический расчет оросительных систем как при реконструкции градирен, так и при строительстве новых.

4 Установить теоретическую зависимость определения погонной массы сетчатой оболочки в зависимости от диаметра составляющих полимерных волокон и их пространственного расположения.

5 Обобщить результаты теоретических и экспериментальных исследований

с целью выявления наиболее эффективных конструкций разработанных

оросителей градирен и определения оптимальных режимов их работы.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

Получена теоретическая зависимость для определения погонной массы сетчатой оболочки в зависимости от диаметра составляющих полимерных волокон и их пространственного расположения, позволяющая с достаточной степенью точности рассчитать массу оросителей с целью определения статической нагрузки на опорный каркас под ороситель.

Получена эмпирическая зависимость для определения перепада давления в оросителе градирни, позволяющая наиболее точно рассчитать нагрузку на вентилятор и определить оптимальные режимы работы градирни.

На основании экспериментальных исследований аэродинамических характеристик оросителей градирен установлено, что коэффициент аэродинамического сопротивления пропорционален отношению плотности орошения к квадрату скорости восходящего воздушного потока. На основании экспериментальных исследований гидроаэротермических характеристик оросителей градирен установлено, что относительный теплосъем пропорционален скорости восходящего воздушного потока.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ

Разработаны три конструкции полимерных капелыю-пленочных оросителей градирен (патенты РФ № 2295685, 2301390, 2319920), конструкция комбинированного оросителя градирен (патент РФ № 70355), использование которых позволит интенсифицировать тепломассообменный процесс охлаждения оборотной воды промышленных химических предприятий.

Конструкция оросителя градирни (патент РФ № 2295685) внедрена на ООО «Стерлитамакский завод катализаторов», конструкция оросителя градирен (патент РФ № 2301390) - на Газохимическом заводе ОАО «СНОС»

(г. Салават). Передана техническая документация на разработанные конструкции полимерных капельно-пленочных оросителей градирен на ОАО «Каустик» (г. Стерлитамак) и ООО «АкваНН» (г. Нижний Новгород) для внедрения в производство.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях:

1) межвузовская научно - техническая конференция «Наука, технология, производство» (г. Салават, 2005 г.);

2) Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы химической технологии и подготовки кадров» (г. Стерлитамак, 2006 г.);

3) Международная молодежная научная конференция «Севергеоэкотех -2006» (г. Ухта, 2006 г.);

4) Всероссийская научно-практическая конференция «Роль науки в развитии топливно - энергетического комплекса» (г. Уфа, 2007 г.);

5) XI региональный конкурс научных работ молодых ученых, аспирантов и студентов вузов приволжского федерального округа (г. Уфа, 2007 г.);

6) III Международная научно-техническая конференция «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов» ЕШТ-2007 (г. Тольятти, 2007 г.);

7) IV Международная научно-практическая конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкг Петербург, 2007 г.);

8) региональная научно-практическая конференция «Технология, автоматизация, оборудование и экология промышленных предприятий» (г. Стерлитамак, 2008 г.).

ПУБЛИКАЦИИ

Основное содержание работы изложено в 15 публикациях, из которых 3 патента РФ на изобретение, 1 патент РФ на полезную модель, 4 статьи в ведущих рецензируемых журналах, вошедших в перечень ВАК и 2 статьи в центральной печати.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертационная работа состоит из введения, четырех основных разделов, выводов, списка литературы из 166 наименований и приложений. Общий объем диссертации составляет 90 страниц машинописного текста (без учета приложений), включая 31 рисунок, 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, ее научная и практическая значимость, сформулированы основные задачи исследований и положения, которые выносятся на защиту.

Глава 1. Анализ конструкций оросителей градирен

В разделе дан краткий анализ конструкций пленочных и капельно-плеиочных оросителей градирен. Показано, что рассмотренным конструкциям присущи следующие недостатки: большое аэродинамическое сопротивление, большая масса на единицу площади, малый срок службы и недостаточная прочность конструкций для пленочных оросителей градирен; сложность конструкций, сложность очистки сетчатых элементов оросителей и возможность свободного проскока капель воды без контакта с поверхностью оросителя для капельно - пленочных оросителей градирен.

Глава 2. Совершенствование и разработка конструкций полимерных капелыю-пленочных оросителей градирен

В результате проведенных исследований и основываясь на анализе известных конструкций пленочных и капельно-плепочных оросителей

градирен, предложена серия конструкций капельно-плсночных оросителей градирен на основе полимерных сетчатых оболочек.

Ороситель градирен (рисунок 2) представляет собой модуль из слоев полимерных сетчатых оболочек (рисунок 1), выполненных цилиндрическими, размещенных во всех вертикальных слоях параллельно друг другу и сваренных по торцам модуля между собой в местах соприкосновения. Кроме того, данный модуль дополнительно содержит в своем объеме малый модуль, состоящий из аналогичных сетчатых оболочек, размещенных во всех слоях параллельно друг другу и направленных перпендикулярно оболочкам основного блока. Малый модуль жестко закреплен в объеме содержащего модуля посредством спайки или другого крепления.

-, Также каждая сетчатая оболочка оросителя градирен (рисунок 4) дополнительно может содержать в своем объеме лопастные завихрители, представляющие собой полимерный цилиндр, на внутренней стороне которого размещены лопатки. В составе каждого ряда вертикально размещенных сетчатых оболочек могут быть установлены горизонтально лежащие гофрированные трубы в соотношении 1 к 2 к 1 для каждого последующего ряда вертикально размещенных сетчатых оболочек (рисунок 3). Также возможно комбинирование представленных блоков оросителей градирен (рисунок 5). Оросители градирни работают следующим образом: Охлаждаемая оборотная вода подается на ороситель градирен и под действием массовых сил проходит сквозь него, стекая тонкой струйкой по полимерным ячеистым трубам. Малый модуль, лопастной завихритель и гофрированные трубы препятствуют свободному проскоку капельного потока в трубном пространстве оросителя, дополнительно турбулизируя восходящий воздушный поток, интенсифицируя тем самым процесс тепломассообмена, что способствует увеличению времени контакта капель воды с потоком воздуха

а - ОГББ-45; б - ОГББ-65; 1 - сетчатая оболочка; 2 - малый модуль

Рисунок 2 - Полимерные капельно-пленочные оросители градирни «блок в блоке» с диаметром сетчатой оболочки 45 и 65 мм

а) б)

а - ОГТТ-45; б - ОГГТ-65;1 - сетчатая оболочка; 2 - гофрированная труба

Рисунок 3 - Полимерные капельно-пленочные оросители градирни, составленные на основе сетчатых оболочек и гофрированных труб с диаметром сетчатой оболочки и гофрированной трубы 45 и 65 мм

а)

Л)

а - ОГЛЗ-45; б - ОГЛЗ-65;1 - сетчатая оболочка; 2 - лопастной завихритель

Рисунок 4 - Полимерные капельно-пленочные оросители градирни, составленные на основе сетчатых оболочек с лопастными завихрителями с диаметром сетчатой оболочки 45 и 65 мм

а) б)

а - ОГК-45; б - ОГК-65;1 - сетчатая оболочка; 2 - гофрированная труба; 3 - лопастной завихритель

Рисунок 5 - Комбинированные полимерные капельно-пленочные оросители градирни с диаметром сетчатой оболочки и гофрированной трубы 45 и 65 мм

Глава 3. Экспериментальное исследование гидроаэротермических и аэродинамических характеристик оросителей градирен

Аэродинамические испытания проводились с целыо определения коэффициента аэродинамического сопротивления оросительных устройств в автомодельной области, его зависимости от расхода (плотности орошения) воды и расхода воздуха (скорости воздушного потока). Испытания проводились на сухом оросителе ^ = 0 м3/(м2ч)) и при плотности орошения q от 4 до 11 м3/(м2ч), скорость восходящего воздушного потока лу изменялась от 0,5 до 2,5 м/с, температура подаваемой воды Хг составляла 25 °С.

Гидроаэротермические испытания оросительных устройств проводились с целью определения объемных коэффициентов тепло- и массоотдачи на основе комплекса полученных данных, который включает параметры проходящих через установку воды и воздуха. Испытания проводились при плотности орошения q = 4, 7, 9, 11 м3/(м2ч), скорость восходящего воздушного потока V/ изменялась от 0,5 до 2,5 м/с, температура подаваемой воды Ь составляла 40 °С.

Аэродинамические и гидроаэротермические испытания оросителей проводились независимо друг от друга с соответствующей подготовкой шахты экспериментального стенда, оборудования и измерительной аппаратуры.

Экспериментальная установка (рисунок 6) работала следующим образом:

С помощью циркуляционного насоса 2 вода подавалась в емкость для горячей воды 4. Вода нагревалась до необходимой температуры и подавалась по напорному трубопроводу, минуя электроакустические преобразователи расхода в водораспределительную систему 5 шахты экспериментальной установки 8. Водораспределительная система равномерно распределяла водный поток по площади орошения рабочей секции шахты, где был установлен испытуемый фрагмент оросительного устройства 6. Встречный воздушный поток в шахте установки создавался центробежным вентилятором 1 и системой воздуховодов. Воздух проходил через воздуховходные окна, расположенные по всем сторонам шахты, далее через рабочую секцию с оросителем,

водораспределительную систему и по воздуховодам отводился в атмосферу. Высота воздуховходных окон была ограничена нижней частью рабочей секции шахты и верхней частью водосборного бака 7. В объеме испытываемого оросительного устройства происходили наиболее интенсивные процессы тешго-и массообмена между стекающей горячей водой и восходящим потоком холодного воздуха. Охлажденная в оросителе вода стекала в водосборный бак, установленный в нижней секции шахты экспериментальной установки, откуда насосом вновь подавалась в напорный подводящий трубопровод и бак для горячей воды.

Рисунок 6 - Экспериментальная установка для исследования гидроаэротермических и аэродинамических характеристик оросителей градирен

Элементы испытуемого оросительного устройства создают

1-вентилятор;

2 - насос;

3 - нагревательные устройства;

4 - емкость с горячей водой;

5 - водораспределительная система;

6 - исследуемый ороситель градирни;

7 - емкость с охлажденной водой;

8 - шахта вертикальная (корпус установки);

9 - измерительные приборы, 10.1-10.6 - запорная арматура

сопротивление восходящему воздушному потоку, измерения соответствующего

перепада давлений проводились при помощи пьезометрических трубок и манометра.

Измерение начальной температуры воды 0 проводилось непосредственно над оросителем; температура охлажденной воды скорость воздушного потока со - под оросителем градирни. Также измеряли плотность орошения дж, барометрическое давление Ре и температуру воздуха по смоченному термометру г.

Глава 4. Обработка опытных данных по результатам проведенных гидроаэротермических и аэродинамических испытаний

В данной главе представлены основы теории процессов тепломассообмена в градирнях и методика определения коэффициентов тепло-и массоотдачи оросительных устройств. Также приведена уточненная методика обработки опытных данных.

На практике окончательные результаты определения коэффициентов тепло- и массоотдачи принято представлять в виде зависимости, связывающей два безразмерных комплекса - число испарения Ккп и относительный расход воздуха Л (рисунок 7).

Относительный расход воздуха определяли зависимостью

* = О)

где (?„ - удельный массовый расход воздуха, кг/(м2с).

Зависимость числа испарения от относительного расхода воздуха наиболее точно аппроксимировали в степенном виде

Ктп=АрГ, (2)

где А - эмпирический коэффициент, характеризующий конструктивные особенности и эффективность оросителя, 1/м;

Л - отношение массового расхода воздуха к расходу воды, кг/кг; г" - коэффициент, отражающий влияние массового расхода воздуха на охлаждение воды в данной конструкции оросителя.

Эта зависимость является достаточной для расчета коэффициентов массоотдачи и теплоотдачи.

0,9

с 0,8

0

1

¡й

I 0,7

X

о а

(9

| 0,6 о

5

т 0,5 0,4 0,3

хм л г

Л ^ у у 1 -1

/ / У / 'О .....

и ...

0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Относительный расход воздуха, X , кг/кг

♦ ОГББ-45 ■ ОГГТ-45 АОПМ5 оОГЛЗ-45 ООГББ-65 □ ОГГТ-65 дОГК-65 оОГЛЗ-65

" Киспил = 0,861 • Я0,3'

----к„

1ЙСП(«) — -------«-0,731-Я-

Рисунок 7 - Зависимость числа испарения от относительного расхода

воздуха

Расчет коэффициента аэродинамического сопротивления оросителя ^производили по формуле Вейсбаха

(3)

где

Я АР А, ю,

ускорение силы тяжести, м/с ;

потери напора, мм вод. ст;

плотность воды, кг/м3;

скорость воздушного потока, м/с;

плотность наружного воздуха, кг/м3. ра = /(Ре,в^).

Рисунок 8 - Зависимость коэффициента аэродинамического сопротивления С, от скорости воздушного потока м/с при плотности орошения я = 0 м3/(м2ч)

Рисунок 9 — Зависимость коэффициента аэродинамического сопротивления С, от скорости воздушного потока м/с при плотности орошения 4=7 м3/(м2ч)

На основании проведенных экспериментальных исследований аэродинамических характеристик оросителей градирен (при плотностях орошения ц = 0 - 11 м3/(м2,ч)) оптимальными выбраны режимы с плотностью орошения q = 6 - 8 м3/(м2-ч) и скоростью воздушного потока от 1,5 м/с, которым соответствуют максимальные значения числа испарения Кисп-

По проведенным экспериментальным исследованиям

аэрогидродинамических характеристик блоков оросителей из полимерных сетчатых оболочек были получены следующие эмпирические зависимости для определения их основных технологических характеристик:

ье = + к , (4)

2 г ■ р ж

где АР - потери полного давления в оросителе, м вод.ст.;

К], К2 - функции скорости воздушного потока, зависящие от диаметра сетчатых оболочек (таблица 1); Н' - скорость воздушного потока, м/с; д - плотность орошения, м3/(м2с); g - ускорение свободного падения, м/с2; рв - плотность воздуха, кг/м3; рж - плотность воды, кг/м3.

Таблица 1 - Значения коэффициентов К), К2

Ороситель градирни Коэффициент К; Коэффициент^

ОГББ-45 К, = 0,91аг - 4,86© + 20,14 К2 =-0,05а2 +0,11^ + 0,53

ОГББ-65 К, =0,77а2 -3,89® + 14,72 К2 = -0,02аг + 0,07ю + 0,43

ОГТТ-45 Кх = 0,97 со1 -5,31®+ 21,42 К2 = -0,04(Э! + 0,2о + 0,47

ОГТТ-65 К, = 0,85а2 -4,170+17,34 К2 =-0,04а2 +0,17^ + 0,13

ОГЛЗ-45 Кх = 0,88а7 -4,75а+ 19,38 К2 =-0,01а2 + 0,03а+ 0,52

ОГЛЗ-65 Кх = 0,72 - 3,64су +13,84 Кг = -0,03®2 + 0,1 1а + 0,41

ОГК-45 Кл = а2- 5,3<а + 20,78 К2 =-0,04а2 +0,17е> + 0,51

ОГК-65 Я", = 0,5 \сог - 3,1 4а +14,84 К2 =-0,01©'+0,02®+ 0,49

Для определения гкдроазротермических характеристик и охлаждающей способности оросителя измерялись:

• скорость движения воздуха в свободном сечении градирни над оросителем а, м/с;

• плотность орошения дж, м3/м2ч;

• температура горячей воды на входе в градирню , С;

о с .

о г

• температура охлажденной воды на выходе из градирни /2, С;

• барометрическое давление Р6, мм рт.ст.;

• температура воздуха по сухому термометру 3, °С;

• температура воздуха по смоченному термометру г, °С.

Кроме того, измеряются еще 2 величины: площадь оросителя в плане м2 и высота оросителя /г, м.

Обработка результатов измерений производилась по формуле

<5>

где

Аг = г, — г2; (6)

величина К подсчитывалась как функция значения /2.

/Г = 1-0,00173/,. (7)

Вычисление средней разности теплосодержаний воздуха Д/^ по методу Л.Д.Бермана производили с помощью формулы

_('7ЧНгУЧ)

- ; .1 • _ с н •

1

(2 I, с,

На основании проведенных экспериментальных гидроаэротермических исследований (при плотностях орошения я = 4 - 11 м3/(м2-ч)) определены основные гидроаэротермические характеристики оросителей градирен из полимерных сетчатых оболочек, а также получены эмпирические зависимости перепада температур от скорости воздушного потока.

Скорость воздушного потока, ж, м/с

♦ ОГББ-45 ■ ОГГТ-45 ▲ ОГК-45 • ОГЛЗ-45 О ОГББ-65 О ОГГТ-65 Д ОГК-65 о ОГЛЗ-65

■■ - для оросителей с сетчатой ----- - для оросителей с сетчатой

оболочкой диаметром 45 мм оболочкой диаметром 65 мм

Рисунок 10 - Зависимость относительного теплосъема СУБ, кДж/(с-м2) от скорости воздушного потока V/, м/с

Таблица 2 -Гидроаэротермические характеристики оросителей градирен из полимерных сетчатых оболочек__

Тип оросителя Нор, М Параметры с * 3 СУ* ОР

А0 т

ОГББ-45 1,5 0,862 0,523 14,9

ОГББ-65 0,734 0,526 11,6

ОГГТ-45 0,871 0,491 15,7

ОГГТ-65 0,739 0,456 14,0

ОГЛЗ-45 0,854 0,577 14,1

ОГЛЗ-65 0,721 0,573 10,4

ОГК-45 0,860 0,516 15,4

ОГК-65 0,731 0,481 12,1

* при скорости воздушного потока <1)2 — 1 м/с

Таблица 3 - Технологические характеристики оросителей градирен, применяемых в настоящее время в промышленности

Материал и конструкция А„

ТП 901-6-29, щиты (дерево) 0,341

ЛОАТЭП, плоские листы (асбестоцемент) 0,479

Трубчатый, гофротрубы дренажные (ПНД) 0,485

Р500, сетчатые рулоны (ПНД) 0,504

ТР60, сетчатые трубы (ПНД) 0,641

БОП, решетки (ПНД) 0,662

ПР-50, сетчатые призмы (ПНД) 0,786

По результатам исследований наиболее оптимальными конструкциями выбраны оросители градирни ОГББ-45 и ОГГТ-45, имеющие высокую охлаждающую способность. В частности, при сравнительном анализе технологических характеристик разработанных конструкций оросителей градирен и известных аналогов установлено, что для первых коэффициент Ар, характеризующий конструктивные особенности и эффективность оросителя в среднем выше на 10-15% при соизмеримом значении высоты оросителей Н0р (таблица 3).

Достаточно сложная конфигурация образующих сетчатую оболочку полимерных волокон приводит к необходимости создания методов расчета ее основных параметров. Так, для определения погонной массы сетчатой оболочки в зависимости от диаметра полимерных волокон и их пространственного расположения получено уравнение

Гз + -4V1

3 С О а I П а 2 ) (О)

m , = я S е р --i--- ' >

4 к 2 а

1+ —П—

где Sc - площадь сечения полимерного волокна; р - плотность полимерного материала; а - амплитуда;

L - пространственный период синусоиды;

D - параметр, зависящий от количества полимерных волокон в оболочке (D = п2а/п, где п - количество полимерных волокон в оболочке).

Масса блоков оросителей градирен рассчитывается в зависимости от их габаритных размеров, количества и длины сетчатых оболочек.

Основные выводы:

1 Разработаны и теоретически обоснованы новые конструкции полимерных капельно-пленочных оросителей градирен, использование которых позволяет интенсифицировать тепломассообменный процесс охлаждения оборотной воды промышленных предприятий.

2 Разработана методика, спроектирована и изготовлена экспериментальная установка для проведения аэродинамических и гидроаэротермических исследований.

3 Математическая обработка экспериментальных данных позволила:

• получить зависимость для определения перепада давления в оросителе градирни, позволяющую наиболее точно рассчитать нагрузку на вентилятор и определить оптимальные режимы работы градирни;

• получить зависимость относительного теплосъема от скорости воздуха, которая пропорциональна скорости восходящего воздушного потока в квадрате.

4 Получены основные характеристики оросителей градирен из полимерных сетчатых оболочек, теоретическая зависимость для определения погонной массы сетчатой оболочки.

5 Установлено, что коэффициент аэродинамического сопротивления оросителей градирен пропорционален отношению плотности орошения к квадрату скорости восходящего воздушного потока.

6 Сравнение технологических характеристик оросителей градирен показывает, что предлагаемые конструкции на 10-15% эффективнее известных в литературе и промышленности аналогов.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1 Пат. на изобретение 2295685 Российская Федерация, МПК F28F25/08. Ороситель градирни / Иванов С.П. БоевЕ.В., Стороженко В.Н., Измайлов С.П., Герасимов В.В., Рыжаков Г.Г., Лежнев М.Л.; заявл. 28.11.05; опубл. 20.03.07, Бюл. № 8.

2 Пат. на изобретение 2301390 Российская Федерация, МПК F28F25/08. Ороситель градирни / Иванов С.П., Бикбулатов И.Х., Шулаев Н.С., Боев Е.В., Рыжаков Г.Г., Даминев P.P., Иванов П.Л.; заявл. 31.05.05; опубл. 20.06.07. Бюл, № 17.

3 Пат. на изобретение 2319920 Российская Федерация, МПК F28F25/08. Ороситель градирни / Иванов СЛ., Боев Е.В., Бикбулатов И.Х., Шулаев Н.С., Николаев Е.А.; заявл. 14.09.06; опубл. 20.03.08, Бюл. № 8.

4 Пат. на полезную модель 70355 Российская Федерация, МПК F28F25/08. Комбинированный ороситель градирни / Иванов С.П., Боев Е.В., Николаев Е.А., Бикбулатов И.Х., Шулаев Н.С.; заявл. 18.09.07; опубл. 20.01.08, Бюл. № 2.

5 Боев Е.В. Сетчатая оболочка из полимерных материалов и композиций на их основе / Боев Е.В., Иванов С.П. // Газовая промышленность.-2007.-№9.-С. 91-92.

6 Иванов С.П. Разработка конструкции сетчатой оболочки из полимерных материалов с целью интенсификации тепломассообменного процесса в градирнях / Иванов С.П., Боев Е.В. // Нефтепереработка и нефтехимия.-2007.-№ 5.-С. 53-54.

7 Боев Е.В. Разработка конструкции капельно-пленочного оросителя градирен на основе полимерных сетчатых оболочек и гофрированных труб / Боев Е.В., Иванов С.П. // Химическая промышленность сегодня.-2007.-№ 7.-С. 41-42.

8 Боев Е.В. Разработка конструкции полимерного капельно - пленочного оросителя градирен / Боев Е.В., Иванов С.П., Боев A.B. // Химическое и нефтегазовое машиностроение.-2007.-№ 10.-С. 5-6.

9 Боев Е.В. Исследование демпфирующей способности блока оросителя градирен из ПНД 277-73 / Боев Е.В., Иванов С.П., Николаев Е.А. И Естественные и технические науки.-2007,- № З.-С. 177-178.

10 Иванов С.П. Методика проведения гидроаэротермических испытаний оросителей градирен / Иванов С.П., Боев Е.В., Николаев Е.А. // Техника и технология.-2007.-№3.-С.118-119.

11 Шулаев Н.С. Конструкция блока оросителя градирен из полимерных материалов и композиций на их основе / Шулаев Н.С., Иванов С.П., Боев Е.В. // Наука, технология, производство: материалы межвузовской научно - технической конференции. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2005. -С. 209-212.

12 Боев Е.В. Разработка конструкций ресурсосберегающей оснастки градирен из полимерных материалов / Боев Е.В., Иванов С.П., Шулаев Н.С. // Севергеоэкотех - 2005: материалы Международной молодежной научной конференции. В 3 ч,- Ухта: УГТУ, 2006.-Ч.1.-С.226-228.

13 Иванов С.П. Полимерный капельно - пленочный ороситель градирни / Иванов С.П., Боев Е.В., Афанасенко В.Г, Боев A.B. // Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности: материалы IV Международной научно-практической конференции.-СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2007.-Т.11.-С. 303-304.

14 Иванов С.П. Тепломассообменная насадка градирен для повышения эффективности охлаждения оборотной воды / Иванов С.П., Боев Е.В., Боев A.B., Афанасенко В.Г, Николаев Е.А. // Роль науки в развитии топливно - энергетического комплекса: материалы Всероссийской научно-практической конференции. - Уфа: Изд-во ИПТЕР, 2007. -С. 260-261.

15 Боев Е.В. Ороситель градирни как составная часть тепломассообменного оборудования при непосредственном контакте газа и жидкости / Боев Е.В., Иванов С.П., // Материалы регионального конкурса научных работ молодых ученых, аспирантов и студентов вузов приволжского федерального округа. - Уфа: Изд-во УГАТУ, 2007. - С. 28-29.

Подписано в печать 24.09.08. Бумага офсетная. Формат 60x84 1/16. Гарнитура «Тайме». Печать трафаретная Усл. печ. л. 1 Тираж 90. Заказ 212. Типография Уфимского государственного нефтяного технического университета. Адрес типографии: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

Введение.

1 Анализ конструкций оросителей градирен (литературный обзор).

1.1 Пленочные оросители градирен.

1.2 Капельно - пленочные оросители градирен.

2 Совершенствование и разработка конструкций полимерных капельно-пленочных оросителей градирен.

2.1 Полимерный капельно-пленочный ороситель градирни «блок в блоке».

2.2 Полимерный капельно-пленочный ороситель градирни, составленный на основе сетчатых оболочек и гофрированных труб.

2.3 Полимерный капельно-пленочный ороситель градирни, составленный на основе сетчатых оболочек с лопастными завихрителями.

2.4 Комбинированный полимерный капельно-пленочный ороситель градирни.

3 Экспериментальное исследование гидроаэротермических и аэродинамических характеристик оросителей градирен.

3.1 Экспериментальная установка для исследования гидроаэротермических характеристик оросителей градирен и методика проведения испытаний.

3.2 Экспериментальная установка для исследования аэродинамических характеристик оросителей градирен и методика проведения испытаний.

4 Методика обработки опытных данных по результатам проведенных гидроаэротермических и аэродинамических испытаний.

4.1 Определение коэффициентов тепло-и массоотдачи.

4.2 Определение коэффициентов аэродинамического сопротивления.

4.3 Оценка охлаждающей способности оросителей.

4.4 Определение погонной массы сетчатой оболочки.

4.5 Определение потерь полного давления в оросителе.

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, установок для очистки и улучшения качества воды, регулирующих и запасных емкостей, охладителей воды и разводящей сети трубоЬроводов. В зависимости от назначения и местных условий некоторые из перечисленных сооружений в системе могут отсутствовать.

По данным государственного учета использования воды промышленностью Российской Федерации расходуется в год примерно 40 миллиардов м3 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 миллиардов м3) обеспечивается за счет повторного использования воды после охлаждения и (или) очистки. Такая вода называется оборотной или циркуляционной.

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.

Для охлаждения различного рода технологического оборудования в России используется примерно от 105 до 130 миллиардов м3 оборотной воды, что составляет в среднем по всем отраслям промышленности около 65% общего расхода воды этой категории.

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.

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 мощностью 215 ГВт на прямоточных системах водоснабжения работают 45 и на оборотных 99. При этом для охлаждения оборотной воды используются водохранилища (54%), башенные градирни (14%), "сухие" (радиаторные) градирни (0,8%) и брызгальные бассейны (0,2%).

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) [1.1].

На многих промышленных предприятиях эксплуатируются компрессорные установки. Для того, чтобы температура сжимаемого воздуха, выходящего из компрессора, не превышала допустимого для нормальной и безопасной работы предела от плюс 140 до плюс 160 "С, используется его охлаждение. Чаще всего применяется водяное охлаждение рубашек компрессоров, при котором охлаждающая вода, прошедшая поверхностные холодильники компрессоров, после охлаждения на градирнях вновь используется.

Расход оборотной воды при температурном перепаде от плюс 10 до плюс 25°С рассчитывается таким образом, чтобы ее температура после поверхностных холодильников не превышала плюс 45 °С из-за предупреждения выпадения солей временной жесткости и образования накипи на охлаждаемой поверхности.

Потребление свежей воды в промышленности в значительной мере может быть уменьшено за счет перехода производств на безотходные, безводные или маловодные технологии. Однако многие производственные процессы не всегда или не в полной мере позволяют использовать такие технологии. Тогда на первый план в реализации задачи экономии воды в промышленности вступают охлаждающие системы оборотного водоснабжения с градирнями различных типов и конструкций.

В основном эффективность процесса охлаждения определяется насадочными устройствами (оросителями), призванными обеспечить необходимую поверхность контакта фаз при минимальных аэро- и гидродинамическом сопротивлениях.

В настоящее время в промышленности в качестве оросителей градирни до сих пор используются конструкции, выполненные из дерева или асбестоцемента. Основными недостатками данных оросителей являются большая масса на единицу площади, малая поверхность контакта, высокий коэффициент аэродинамического сопротивления и малый срок службы. Древесина чувствительна к химическому и биологическому воздействию, а планки оросителей не могут быть тоньше 10 мм из-за коробления и разрушения древесины в результате вымывания водой из нее лигнина (делигнификация). В результате последнего для связи клеток в древесине остается лишь целлюлоза и она становится непрочной. Процесс делигнификации идет более интенсивно при высоких значениях рН и значительном содержании в воде активного хлора [1.10]. Так, при повышении рН с 5 до 9 интенсивность разрушения лиственницы и дуба возрастает в 2-3 раза, а сосны и ели - в 10-16 раз [1.8].

Превышение температуры оборотной воды от регламентируемой приводит к снижению выработки продукции (нередко до 15%) и ухудшению ее качества. Вместе с тем, при неудовлетворительной работе градирен, оборудованных малоэффективными оросителями, температура воды, возвращаемой в оборотный цикл, часто превышает регламантируемую температуру, и предприятия для поддержания требуемого температурного режима прибегают к нежелательному приему — «освежению» системы оборотного водоснабжения, при котором повышают до 10% и более сброс из системы теплой воды при одновременном увеличении расхода подпиточной свежей воды из природного источника [2.31].

Цель работы

На основании аналитических и экспериментальных исследований разработать новые конструкции капельно-пленочных оросителей градирен на основе полимерных сетчатых оболочек с целью повышения эффективности тепломассообменного процесса охлаждения оборотной воды промышленных химических предприятий при помощи градирен.

Основные задачи исследования 1. Разработать конструкции полимерных капельно-пленочных оросителей градирен;

2. Спроектировать и изготовить экспериментальную установку для проведения аэродинамических и гидроаэротермических исследований;

3. На основании проведенных аналитических и экспериментальных аэродинамических и гидроаэротермических исследований установить зависимости, позволяющие с достаточной степенью точности проводить технологический и механический расчет оросительных систем как при реконструкции градирен, так и при строительстве новых;

4. Установить теоретическую зависимость определения погонной массы сетчатой оболочки в зависимости от диаметра составляющих полимерных волокон и их пространственного расположения.

5. Обобщить результаты теоретических и экспериментальных исследований с целью выявления наиболее эффективных конструкций разработанных оросителей градирен и определения оптимальных режимов их работы.

Научная новизна

Получена теоретическая зависимость для определения погонной массы сетчатой оболочки в зависимости от диаметра составляющих полимерных волокон и их пространственного расположения, позволяющая с достаточной степенью точности рассчитать массу оросителей с целью определения статической нагрузки на опорный каркас под ороситель.

Получена эмпирическая зависимость для определения перепада давления в оросителе градирни, позволяющая наиболее точно рассчитать нагрузку на вентилятор и определить оптимальные режимы работы градирни.

На основании экспериментальных исследований аэродинамических характеристик оросителей градирен установлено, что коэффициент аэродинамического Сопротивления пропорционален отношению плотности орошения к квадрату скорости восходящего воздушного потока. На основании экспериментальных исследований гидроаэротермических характеристик оросителей градирен установлено, что относительный теплосъем пропорционален скорости восходящего воздушного потока.

Практическая значимость

Разработаны три конструкции полимерных капельно-пленочных оросителей градирен (Патент РФ № 2295685, Патент РФ № 2301390, Патент РФ № 2319920), конструкция комбинированного оросителя градирен (Патент РФ № 70355), использование которых позволит интенсифицировать тепломассообменный процесс охлаждения оборотной воды промышленных химических предприятий.

Конструкция оросителя градирни (Патент РФ № 2295685) внедрена на ООО «Стерлитамакский завод катализаторов», конструкция оросителя градирен (Патент РФ № 2301390) - на Газохимическом заводе ОАО «СНОС» (г. Салават). Передана техническая документация на разработанные конструкции полимерных капельно-пленочных оросителей градирен на ОАО «Каустик» (г. Стерлитамак) и ООО «АкваНН» (г. Нижний Новгород) для внедрения в производство.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях: Межвузовская научно - техническая конференция «Наука, технология, производство» (г. Салават, 2005 г.); Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы химической технологии и подготовки кадров» (г. Стерлитамак, 2006 г.); Международная молодежная научная конференция «Севергеоэкотех - 2006» (г. Ухта, 2006 г.); Всероссийская научно-практическая конференция «Роль науки в развитии топливно - энергетического комплекса» (г. Уфа, 2007 г.); XI региональный конкурс научных работ молодых ученых, аспирантов и студентов вузов приволжского федерального округа (г. Уфа, 2007 г.); III Международная научно-техническая конференция «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов» ЕЬР1Т-2007 (г. Тольятти, 2007 г.); IV Международная научно-практическая конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт Петербург, 2007 г.); Региональная научно-практическая конференция «Технология, автоматизация, оборудование и экология промышленных предприятий» (г. Стерлитамак, 2008 г.).

Публикации

Основное содержание работы изложено в 15 публикациях, из которых 3 патента РФ на изобретение, 1 патент РФ на полезную модель, 4 статьи в ведущих рецензируемых журналах, вошедших в перечень ВАК и 2 статьи в центральной печати.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех основных разделов, выводов, списка литературы из 166 наименований и приложений. Общий объем диссертации составляет 90 страниц машинописного текста (без учета приложений), 31 рисунок, 3 таблицы.

По результатам эксплуатации данной градирни можно сделать следующие выводы:

• перепад температур вЪды на входе и выходе из градирни - 8,40 С;

сителей.

Начальник производства катализаторов

Инженер-технолог производства катализаторов

Г. И. Давлетова