автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Совершенствование регулярной сетчатой насадки для процесса охлаждения воды в градирнях

Ваганов Александр Анатольевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РЕГУЛЯРНОЙ СЕТЧАТОЙ НАСАДКИ ДЛЯ ПРОЦЕССА ОХЛАЖДЕНИЯ ВОДЫ В ГРАДИРНЯХ

Специальность 05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 4 НОЯ 2011

Москва-2011

005003580

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

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Защита диссертации состоится «15» декабря 2011 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.145.01 при Московском государственном университете инженерной экологии по адресу: 105066, г. Москва, ул. Старая Басманная, 21/4, аудитория имени Л. А. Костандова (Л-207).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета инженерной экологии.

Автореферат разослан и размещён на сайте www.msuie.ru «15» ноября 2011 г.

Учёный секретарь

Тимонин Александр Семёнович

Таран Александр Леонидович

кандидат технических наук Мандрыка Евгений Александрович

Ведущая организация: ООО "ГИПРОХИМ'

диссертационного совета, к.т.н.

Трифонов С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. Расход воды промышленными и энергетическими предприятиями Российской Федерации исчисляется сотнями кубических километров в год. Преобладающая доля этого расхода воды используется для целей охлаждения, то есть отведения тепла из производственных аппаратов. Охлаждающая вода используется на предприятиях как для непосредственного осуществления технологического процесса, например, для сжижения продуктов химического производства, использования в оборотных системах водоснабжения или для конденсации отработавшего пара после расширения в паровых турбинах предприятий, ТЭС и АЭС, так и для предотвращения быстрого износа элементов оборудования под действием высоких температур, например, кладки производственных печей или цилиндров компрессоров.

В настоящее время наиболее экономичным способом отвода низкопотенциального тепла от технологического оборудования в интервале температур от 40 до 50°С является охлаждение с использованием оборотной воды, которая охлаждается в градирнях. Наибольшее распространение получили противоточные насадочные градирни. В период с 1960 по 1990 г. в нашей стране градирни строились преимущественно по типовым проектам. В качестве материала для изготовления насадок использовалась древесина, а позже - асбестоцемент. Однако при привязке к местным условиям строительства и эксплуатации градирен не всегда обеспечивалось высокое качество типовых проектов. После перехода организаций на рыночную экономику градирни стали строить только по специальным проектам применительно к каждому конкретному объекту. Для повышения экономической эффективности и увеличения срока службы насадок их стали изготавливать из полимерных материалов. Возникла потребность в реконструкции и модернизации старых градирен, построенных по типовым проектам. Разработка и внедрение новых высокоэффективных насадок из полимерных материалов позволяет снизить капитальные и эксплуатационные затраты всей системы в целом за счёт облегчения несущих конструкций, сокращения потребного объёма насадки, снижения затрат на электроэнергию и водоподготовку вследствие увеличения зоны охлаждения и снижения расхода оборотной воды.

Таким образом, совершенствование конструкций насадок для градирен является актуальной задачей.

Наибольший вклад в изучение гидродинамических и тепломассообменных характеристик насадок внесли следующие учёные и специалисты: Берман Л.Д., Рамм В.М., Льюис В.К., Меркель Ф., Поппе М., Жаворонков Н.М., Аэров М.Э., Левич В.Г., Олевский В.М., Пономаренко B.C. и другие.

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

Предметом исследования являются основные закономерности гидромеханических и тепломассообменных процессов, протекающих в объёме насадки.

Цель работы. На основе анализа существующих конструкций разработать высокоэффективную насадку для интенсификации процессов тепло- и массообмена при испарительном охлаждении оборотной воды в градирнях.

Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи.

1. Разработка новой конструкции регулярной сетчатой насадки с улучшенными характеристиками по отношению к известным насадкам.

2. Экспериментальное исследование гидродинамических и тепломассообменных характеристик новой насадки.

3. Получение обобщённых зависимостей для расчёта гидродинамических и тепломассообменных характеристик насадки по результатам экспериментальных исследований.

4. Разработка компьютерных программ для автоматизации обработки экспериментальных данных, проведения расчётов площади орошения градирни и определения наиболее рациональной скорости воздуха, проходящего через градирню.

5. Сравнительный анализ новой и существующих современных конструкций насадок по различным параметрам.

Научная новизна

1. Экспериментальные результаты исследования гидродинамических и тепломассообменных характеристик новой сетчатой насадки.

2. Установленный экспериментальным путем эффект распределения новой сетчатой насадкой жидкости по высоте слоя под углом 120° не зависимо от плотности орошения.

3. Обобщение экспериментальных результатов исследования гидродинамических и тепломассообенных характеристик в виде эмпирических зависимостей.

Практическая значимость

1. Разработана новая конструкция регулярной сетчатой насадки, защищённая патентом РФ на изобретение (получено положительное решение о выдаче патента по заявке №2010111894).

2. Разработана методика расчёта градирни с регулярной сетчатой насадкой.

3. Передана техническая документация в научно-производственные фирмы "ТЕХЭКОПРОМ", "ЭИТЭК" и "GEA Polacel" для внедрения в производство новой регулярной сетчатой насадки.

4. Результаты работы использованы при выполнении госконтракта № 16.525.11.5003.

На защиту выносится

1. Конструкция новой регулярной сетчатой насадки.

2. Результаты экспериментальных исследований структуры течения жидкости по насадке.

3. Результаты экспериментальных исследований и эмпирические зависимости для определения гидродинамических и тепломассообменных характеристик насадки.

Апробация работы и научные публикации. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научной конференции студентов и молодых ученых МГУИЭ - 2010 и 2011; Konferencijus «Silumos energetika ir tcchnologijos» Литва, Каунас - 2010; на XLVIII международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс»; на X Международном симпозиуме молодых ученых, аспирантов и студентов «Инженерные и технологические исследования для устойчивого развития».

По теме диссертации опубликовано 5 статей в журналах из списка рекомендованных ВАК РФ, 2 доклада и 2 тезиса докладов. Достоверность полученных результатов подтверждается тем, что они не противоречат основным физическим законам, использованием сертифицированного лабораторного оборудования и поверенных средств

контроля, корректностью обработки результатов и проверкой промышленной практикой.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа содержит 153 страницы основного текста, включая 52 рисунка и 7 таблиц, и 14 страниц приложений. Список литературы содержит 150 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна, практическая значимость, изложены основные положения диссертации, выносимые на защиту, приведены сведения о структуре работы.

В первой главе изложены особенности процесса испарительного охлаждения воды в градирнях, показана актуальность проблем защиты окружающей среды от вредного воздействия градирен, дана классификация охладителей оборотной воды. Показаны преимущества вентиляторных насадочных градирен по сравнению с охладителями других типов. Приведена классификация насадок по различным параметрам. Рассмотрены основные свойства материалов, применяемых для изготовления насадок. По результатам патентного анализа представлен обзор конструкций насадок, предназначенных для использования в градирнях. Выявлены основные направления интенсификации процессов тепло- и массообмена в насадочных градирнях. На основе проведённого анализа определены основные задачи исследования.

Во второй главе обоснован выбор в качестве объекта исследования сетчатой насадки. Было проведено экспериментальное исследование структуры гравитационного течения жидкости по поверхности сетчатой насадки. На основе анализа связи конструкции сетчатой насадки со структурой гравитационного течения жидкости была разработана новая регулярная сетчатая насадка (РСН), имеющая свойство распределять жидкость. Насадка представляет собой сложенную зигзагообразно полосу из соединённых между собой кусков сетчатого рукава, которые предварительно были сложены "гармошкой" поперёк образующей этого рукава (рис. 1).

Рис. 1. Новая регулярная сетчатая насадка.

Новая насадка имеет следующие геометрические характеристики.

Таблица 1

Название Ед. изм. Значение

Удельная геометрическая поверхность м7м" 400

Порозность м^м3 0,97

Эквивалентный диаметр м 0,01

Было проведено экспериментальное исследование распределения жидкости по поверхности разработанной регулярной сетчатой насадки. По результатам исследования было выявлено свойство новой насадки распределять жидкость под углом 120°.

В третьей главе описана экспериментальная установка для проведения гидравлических испытаний сухой и орошаемой насадки, изложена методика проведения экспериментов, представлены результаты гидродинамических исследований новой регулярной сетчатой насадки и получены расчётные эмпирические зависимости для определения гидравлического сопротивления слоя сухой и орошаемой насадки, работающей в плёночном режиме течения и в режиме подвисания, скорости воздуха, соответствующей переходу из плёночного режима течения в режим подвисания.

Гидравлические исследования новой насадки проводились на системе воздух-вода. При проведении гидравлических испытаний насадки значения плотности орошения изменялись в пределах от 0 до 30 м3/(мг ч). Каждому значению плотности орошения соответствовали значения скорости воздуха в расчёте на полное сечение аппарата, которые изменялись в пределах от 1 до 3 м/с.

Во время проведения экспериментов производились измерения следующих величин: расхода воздуха, расхода воды, перепада давления по высоте слоя сухой и орошаемой насадки при различных расходах воды и воздуха.

Результаты гидравлических испытаний насадки РСН на системе воздух-вода представлены на рис. 2 в виде графических зависимостей гидравлического сопротивления одного погонного метра насадки от скорости движения воздуха в расчёте на полное сечение аппарата при

различных значениях плотности орошения я.

Рис. 2. График зависимостей гидравлического сопротивления одного погонного метра насадки РСН от скорости движения воздуха в расчёте на полное сечение аппарата при различных значениях плотности орошения q.

Из рис. 2 следует, что гидравлическое сопротивление насадки увеличивается с увеличением плотности

орошения и скорости газа в расчёте на полное сечение аппарата. Увеличение гидравлического сопротивления орошаемой насадки обусловлено накоплением жидкости в насадке и, следовательно, уменьшением доли свободного объёма для прохода газа, волнообразованием на поверхности плёнки жидкости, образованием капель и уносом брызг.

В результате обработки экспериментальных данных методом наименьших квадратов была получена расчётная эмпирическая зависимость для определения гидравлического сопротивления одного погонного метра сухой насадки по заданным значениям критерия Рейнольдса:

Ар ^ 25 м>02рга

Я Не/'37 8е3 (1)

По результатам экспериментов была получена графическая зависимость коэффициента сопротивления от критерия Рейнольдса

(рис. 3). Исследованному диапазону скоростей 1 < w0 <3 м/с соответствуют значения критерия Рейнольдса 700 < Re, <1940.

Рис. 3. График зависимости коэффициента сопротивления от критерия Рейнольдса.

В результате

обработки данных,

1.4

экспериментальных полученных при гидравлических

проведении испытаний

1000

1500 2000 орошаемой насадки РСН, были получены расчётные эмпирические

зависимости для определения гидравлического сопротивления орошаемой насадки, работающей при плёночном гидродинамическом режиме (2) и при режиме подвисания (3).

Область применения формул (2) и (3): 10< д <30 м3/(м2 ч); I < < 3 м/с.

Чтобы использовать формулы (2) и (3) для расчёта насадочных аппаратов, необходимо знать, при каком режиме течения будет работать насадка в тех или иных условиях. Таким образом, сначала нужно определить скорость начала подвисания при заданной плотности орошения.

Режим подвисания характеризуется торможением жидкости потоком газа, вследствие чего скорость течения жидкости уменьшается, а толщина её плёнки и количество удерживаемой жидкости увеличиваются. Возрастание толщины плёнки с повышением скорости газа ведёт к уменьшению свободного объёма насадки и к увеличению её гидравлического сопротивления.

На рис. 2 изменение угла наклона прямых, характеризующих гидравлическое сопротивление орошаемой насадки РСН, соответствует переходу из пленочного режима течения жидкости в режим подвисания.

АРор = АРсух ТО 9 АРор = 0,65Д/? .ю5-"0"1«

|5,7-I0"3í

(2) (3)

Как следует из рис. 2, положение точки перегиба, которая соответствует скорости начала подвисания, на графике зависит от плотности орошения: чем больше плотность орошения, тем при меньших нагрузках по газу происходит переход из пленочного режима течения жидкости в режим подвисания.

На основании экспериментальных данных рекомендуется использовать следующую эмпирическую формулу

^подв = 4,0д~°'28 (4)

для расчёта скорости начала подвисания орошаемой насадки РСН для системы воздух-вода при значениях плотности орошения, находящихся в интервале 10 <<7 <30 м3/(м2 ч). Относительная погрешность не превышает 8%.

В четвёртой главе описана экспериментальная установка для проведения тепломассообменных испытаний разработанной регулярной сетчатой насадки, изложена методика проведения экспериментов, представлены результаты тепломассообменных исследований новой насадки и получены расчётные эмпирические зависимости для определения объёмных коэффициентов тепло- и массоотдачи в слое насадки.

Тепломассообменные исследования новой насадки проводились на системе воздух-вода. При проведении тепломассообменных испытаний насадки значения плотности орошения изменялись в пределах от 7 до 11 м3/(м2 ч). Каждому значению плотности орошения соответствовали значения скорости воздуха в расчёте на полное сечение аппарата, которые изменялись в пределах от 1 до 2,5 м/с. Температура нагретой воды в процессе проведения испытаний поддерживалась постоянной и равной 40°С.

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

Результаты тепломассообменных испытаний насадки РСН на системе воздух - вода представлены на рис. 4 в виде графика зависимости разности температур нагретой и охлаждённой в насадке воды от плотности

орошения и скорости движения воздуха в расчёте на полное сечение аппарата.

Рис. 4. График зависимости разности температур от плотности орошения и скорости воздуха в расчёте на полное сечение аппарата.

Как следует из графика на рис. 4, разность температур нагретой и охлаждённой в насадке воды увеличивается при прочих равных условиях с уменьшением нагрузки по жидкости и с увеличением скорости движения воздуха.

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

При обработке результатов измерений в каждой опытной точке вычисляют значение числа Меркеля по формуле:

ч, ы /{м2 ч)

и м/с

- = АУ

(5)

Ме-

К

ь

Ш Мс

/ -/ км.

(6)

Значения параметров Ант определяют методом наименьших квадратов по результатам проведённых испытаний насадки.

В результате обработки экспериментальных данных была получена графическая зависимость числа Меркеля, отнесённого к высоте насадки, от относительного расхода воздуха (рис. 5).

Рис. 5. График зависимости числа Меркеля, отнесённого к высоте насадки, от относительного расхода воздуха.

Как следует из графика, число Меркеля возрастает с увеличением относительного расхода воздуха.

Для расчёта числа Меркеля по известным значениям относительного расхода воздуха была получена следующая формула Ме Н

которая является основной расчётной зависимостью при проектировании градирен. Область применения формулы (7): 0,35 < А. <1,4 кг/кг. Относительная погрешность не превышает 17%.

С учётом (5) из формулы (7) были рассчитаны значения объёмного коэффициента массоотдачи по следующей зависимости:

Р„ = 3,57^576'л„ (8)

На рис. 6 показана графическая зависимость объёмного коэффициента массоотдачи от плотности орошения и скорости движения воздуха в расчёте на полное сечение аппарата.

- = 3.57А.'

(7)

ж

■Ц¡¡¡г

Шж

ш

тт.

ш

Ч, М /!>/ Ч)

И м/с

Рис. 6. График зависимости объёмного коэффициента

массоотдачи от плотности орошения и скорости воздуха в расчёте на полное сечение аппарата.

В указанных на графике (рис. 6) пределах объёмный коэффициент массоотдачи увеличивается при прочих равных условиях с увеличением нагрузки по жидкости и с увеличением скорости движения воздуха.

На основе технико-экономических показателей была разработана методика расчёта градирни, позволяющая определить наиболее рациональную скорость воздуха, проходящего через насадку. Задача расчёта наиболее рациональной скорости воздуха математически формулируется как определение минимума приведённых затрат. Алгоритм расчёта градирни представлен на рис. 7.

После определения наиболее рациональной скорости воздуха вычисляют значения площади орошения и гидравлического сопротивления.

С

Начало

/

Ввод исходных данных: А /, В.

,5.-2,5

4 г**

>> и

., Ак, Ме = — ка:,р

р„ =з,57Ям'с,

р_Мг-С„

нет

Рис.7. Алгоритм расчёта наиболее рациональной скорости воздуха через градирню, плошади орошения и гидравлического сопротивления.

Основные результаты и выводы.

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

2. Получены экспериментальные результаты исследования гидродинамических и тепломассообменных характеристик новой сетчатой насадки.

3. Экспериментальным путем установлен эффект распределения новой сетчатой насадкой жидкости по высоте слоя под углом 120° не зависимо от плотности орошения.

4. Обобщены экспериментальные результаты исследования гидродинамических и тепломассообенных характеристик в виде эмпирических зависимостей.

5. Разработана методика расчёта градирни с регулярной сетчатой насадкой на основе технико-экономических показателей.

6. Проведено сравнение различных методик расчёта тепло- и массообменных параметров насадки и установлено, что погрешность, связанная с использованием приближённого метода Меркеля для расчётов тепло- и массообменных параметров новой насадки, составляет около 6%.

7. Разработаны компьютерные программы для автоматизации обработки экспериментальных данных, проведения расчётов площади орошения градирни и определения наиболее рациональной скорости воздуха, проходящего через градирню.

8. Проведён сравнительный анализ новой и существующих современных конструкций насадок по различным параметрам и выявлены преимущества новой насадки.

Основные условные обозначения

Ар - гидравлическое сопротивление, Па; Н - высота насадки, м; -

коэффициент сопротивления; Яег = —^ - критерий Рейнольдса для газа;

(IV г

рг - плотность газа, кг/м3; а - удельная поверхность насадки, м2/м3; е -порозность насадки, м3/м3; уг - кинематическая вязкость газа, м2/с; ц -плотность орошения, м3/(м2 ч); Дрор - гидравлическое сопротивление

орошаемой насадки, Па; Ар^ - гидравлическое сопротивление сухой насадки, Па; м>подв - скорость газа в расчёте на полное сечение аппарата, соответствующая переходу из плёночного режима в режим подвисания, м/с; Ме - число Меркеля; ßiv - объемный коэффициент массоотдачи, отнесённый к разности влагосодержаний воздуха у поверхности воды и в

з G

ядре потока, кг/(м3 с); А - коэффициент; X = —^ - относительный расход

Сж

воздуха, кг/кг; Gx, Ge - удельные массовые расходы воды и сухого воздуха, кг/(м2 с); т - безразмерный показатель степени; сж - удельная __ .. кДж

теплоемкость воды, сухого воздуха и пара, -■'■ ; t - температуры воды и

кг • °С

с t

воздуха, °С; К = - безразмерный параметр; - температура воды

перед входом в насадку, °С; f2 - температура охлаждённой воды на выходе

из насадки, °С; / - теплосодержание насыщенного воздуха, кДж/кг; i -теплосодержание воздуха, кДж/кг; г - удельная теплота парообразования, кДж/кг; Д/ = Г, -12 - зона охлаждения, °С; Дicp - средняя разность теплосодержаний воздуха, кДж/кг; П - приведённые затраты, руб; Э -эксплуатационные затраты, руб; К - капитальные затраты, руб; Ен -нормативный коэффициент сравнительной экономической эффективности; к - коэффициент запаса мощности; Ц - цена 1 кВт ч активной электроэнергии, руб; riM - КПД насоса; п - количество рабочих насосов; цв - КПД вентилятора.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. Ваганов A.A. Аэродинамические испытания сетчатой насадки / Ваганов A.A., Тимонин A.C. // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2010. №6. С. 14-15.

2. Ваганов A.A. Гидравлические испытания сетчатой насадки / Ваганов A.A., Тимонин A.C., Сидельников И.И. // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2010. № 11. С. 41-42.

3. Ваганов A.A. Тепломассообменные испытания сетчатой насадки / Ваганов A.A., Тимонин A.C. // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2010. № 11. С. 32-36.

4. Ваганов A.A. Аэродинамика полимерной сетчатой насадки / Ваганов A.A., Тимонин A.C. // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2010. № 11. С. 16-17.

5. Ваганов A.A. Исследование тепломассообменных характеристик сетчатой насадки / Ваганов A.A., Тимонин A.C. // Безопасность в техносфере. 2011. № 2. С. 37-42.

6. Ваганов A.A. Исследование гидродинамики сетчатой насадки / Ваганов A.A., Пушнов A.C. // Материалы XLVIII международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» 10-14 апреля 2010 г., г. Новосибирск. С. 113-114.

7. Ваганов A.A. Экспериментальное исследование гидравлического сопротивления полимерной сетчатой насадки / Ваганов A.A., Тимонин A.C. // Инженерные и технологические исследования для устойчивого развития: Труды X Международного симпозиума молодых ученых, аспирантов и студентов. - М.: МГУИЭ, 2010. С. 24-27.

8. Ваганов A.A. Аэродинамика полимерной сетчатой насадки / Ваганов A.A., Тимонин A.C. // Научная конференция студентов и молодых ученых МГУИЭ: Тезисы докладов. - М.: МГУИЭ, 2010. С. 6972.

9. Ваганов A.A. Регулярная сетчатая насадка для градирен / Ваганов A.A., Тимонин A.C. // Научная конференция студентов и молодых ученых МГУИЭ: Тезисы докладов. - М.: МГУИЭ, 2011. С. 28.

Подписано в печать 10.11.2011. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Тираж 80 экз. Отпечатано на ризографе МГУИЭ. 105066 Москва, ул. Старая Басманная, 21/4.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Особенности испарительного охлаждения воды в градирнях.

1.2. Экологические проблемы, возникающие при работе градирен.

1.3. Типы и классификация охладителей.

1.4. Основные свойства материалов, применяемых для изготовления насадок.

1.5. Обзор существующих конструкций насадок для градирен.

1.6. Основные направления интенсификации процессов тепло- и массообмена в насадочных градирнях.

1.7. Выводы и постановка задачи исследования.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ НАСАДКИ.

2.1. Выбор типа насадки.

2.2. Экспериментальное исследование структуры гравитационного течения жидкости по поверхности регулярной сетчатой насадки.

2.3. Теоретический анализ результатов экспериментального исследования.

2.4. Новая конструкция.

2.5. Экспериментальное исследование распределения жидкости по поверхности разработанной регулярной сетчатой насадки.

ГЛАВА 3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ СЕТЧАТОЙ НАСАДКИ.

3.1. Испытания сухой насадки.

3.1.1. Описание экспериментальной установки.

3.1.2. Методика проведения испытаний.

3.1.3. Результаты испытаний сухой насадки.

3.2. Испытания сухой и орошаемой насадки.

3.2.1. Описание экспериментальной установки.

3.2.2. Методика проведения испытаний.

3.2.3. Результаты испытаний сухой насадки.

3.2.4. Результаты испытаний орошаемой насадки.

ГЛАВА 4. ТЕПЛОМАССООБМЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ СЕТЧАТОЙ НАСАДКИ.

4.1. Описание экспериментальной установки.

4.2. Методика проведения испытаний.

4.3. Методика обработки экспериментальных данных.

4.3.1. Общие положения.

4.3.2. Расчёт по методу Меркеля.

4.3.2.1. Приближённый метод Чебышева.

4.3.2.2. Приближённый метод Бермана.

4.4. Результаты тепломассообменных испытаний.

4.5. Анализ результатов тепломассообменных испытаний.

4.6. Методика расчёта площади орошения градирни.

4.7. Пример расчёта площади орошения градирни и сравнение различных насадок.

4.8. Оценка экономической эффективности новой насадки и расчёт наиболее рациональной скорости воздуха.

Актуальность проблемы

Расход воды промышленными и энергетическими предприятиями Российской Федерации1 исчисляется сотнями кубических километров в год. Преобладающая доля1 этого расхода воды используется для целей охлаждения, то есть отведения тепла из производственных аппаратов. Охлаждающая вода используется на предприятиях как для непосредственного осуществления технологического процесса, например, для сжижения* продуктов химического производства, использования в оборотных системах водоснабжения, или для конденсации отработавшего пара после расширения1 в паровых турбинах предприятий, ТЭС и АЭС, так и» для предотвращения быстрого износа элементов ¡оборудования под действием высоких температур, например, кладки производственных печей или цилиндров компрессоров.

В настоящее время наиболее экономичным способом отвода низкопотенциального тепла от технологического оборудования в интервале температур от 40 до 50°С является охлаждение с использованием оборотной г воды, которая охлаждается в градирнях. Наибольшее распространение получили противоточные насадочные градирни. В период с 1960 по 1990 г. в нашей стране градирни строились преимущественно по типовым проектам. В качестве материала для изготовления насадок использовалась древесина, а позже - асбестоцемент. Однако при привязке к местным условиям строительства и эксплуатации градирен не всегда обеспечивалось высокое качество типовых проектов. После перехода организаций на рыночную экономику градирни стали строить только по специальным проектам применительно к каждому конкретному объекту. Для повышения экономической эффективности и увеличения срока службы насадок их стали изготавливать из полимерных материалов. Возникла потребность в реконструкции и модернизации старых градирен, построенных по типовым проектам. Разработка и внедрение новых высокоэффективных насадок из полимерных материалов позволяет снизить капитальные и эксплуатационные затраты всей системы в целом за счёт облегчения несущих конструкций, сокращения потребного объёма насадки, снижения затрат на электроэнергию и водоподготовку вследствие увеличения зоны охлаждения и снижения расхода оборотной воды.

Таким образом, совершенствование конструкций насадок для градирен является актуальной задачей.

Наибольший вклад в изучение гидродинамических и тепломассообменных характеристик насадок внесли следующие учёные и специалисты: Берман Л.Д., Рамм В.М., Льюис В.К., Меркель Ф., Поппе М., Жаворонков Н.М., Аэров М.Э.; Левич В.Г., Олевский В.М., Пономаренко B.C. и другие.

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

Предметом исследования являются основные закономерности гидромеханических и тепломассообменных процессов, протекающих в объёме насадки.

Цель работы

На основе анализа существующих конструкций разработать высокоэффективную насадку для интенсификации процессов тепло- и массообмена при испарительном охлаждении оборотной воды в градирнях.

Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи.

1. Разработка новой конструкции регулярной сетчатой насадки с улучшенными характеристиками по отношению к известным насадкам.

2. Экспериментальное исследование гидродинамических и тепломассообменных характеристик новой насадки.

3. Получение обобщённых зависимостей для расчёта гидродинамических и тепломассообменных характеристик насадки по результатам экспериментальных исследований.

4. Разработка компьютерных программ' для автоматизации обработки экспериментальных данных, проведения расчётов площади орошения градирни и определения наиболее рациональной скорости воздуха, проходящего через градирню.

5. Сравнительный анализ новой и существующих современных конструкций насадок по различным параметрам.

Научная новизна

1. Экспериментальные результаты исследования гидродинамических и тепломассообменных характеристик новой сетчатой насадки.

2. Установленный экспериментальным путем эффект распределения новой сетчатой насадкой жидкости по высоте слоя под углом 120° не зависимо от плотности орошения.

3. Обобщение экспериментальных результатов исследования гидродинамических и тепломассообенных характеристик в виде эмпирических зависимостей.

Практическая значимость

1. Разработана новая конструкция регулярной сетчатой насадки, защищённая патентом РФ на изобретение (получено положительное решение о выдаче патента по заявке №2010111894).

2. Разработана методика расчёта градирни с регулярной сетчатой насадкой.

3. Передана техническая документация в научно-производственные фирмы "ТЕХЭКОПРОМ", "ЭИТЭК" и "СЕ А Ро1асеГ для внедрения в производство новой регулярной сетчатой насадки.

4. Результаты работы использованы при выполнении госконтракта № 16.525.11.5003.

На защиту выносится

1. Конструкция новой регулярной сетчатой насадки.

2. Результаты экспериментальных исследований структуры течения жидкости по насадке.

3. Результаты экспериментальных исследований и эмпирические зависимости для определения гидродинамических и тепломассообменных характеристик насадки.

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированное конструирование машин и аппаратов» Московского государственного университета инженерной экологии.

Автор выражает благодарность за обсуждение методики проведения экспериментов с.н.с., к.т.н. Пушнову Александру Сергеевичу.