автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Влияние высоты блока регулярной насадки на процесс испарительного охлаждения в вентиляторных градирнях

На правах рукописи

4"

Цурикова Наталья Петровна

ВЛИЯНИЕ ВЫСОТЫ БЛОКА РЕГУЛЯРНОЙ НАСАДКИ НА ПРОЦЕСС ИСПАРИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ В ВЕНТИЛЯТОРНЫХ ГРАДИРНЯХ

05.17.08

Процессы и аппараты химических технологий

2 8 НОЯ 2013

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2013 005539799

005539799

Работа выполнена на кафедре Машины и аппараты химических производств федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Лагуткин Михаил Георгиевич

Официальные оппоненты: д.т.н., ведущий научный сотрудник ФГБУН

Институт общей и неорганической химии им. Н.С.Курнакова РАН Муллакаев Марат Салаватович

к.т.н., старший научный сотрудник, генеральный директор ООО «ПОЛНОХИМ» Полевой Александр Сергеевич

Ведущая организация: Институт по проектированию заводов основной

химической промышленности ООО «Гипрохим» г. Москва

Защита состоится 17 декабря 2013г. в 14:30 в аудитории М-119 на заседании диссертационного совета Д.212.120.02 при Московском государственном университете тонких химических технологий им. М. В. Ломоносова по адресу: 119581, г. Москва, проспект Вернадского, 86.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИТХТ им. М.В. Ломоносова по адресу: 119571, Москва, пр-т Вернадского, д. 86.

Автореферат разослан « ноября 2013г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент

Анохина Елена Анатольевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Градирни применяются во многих отраслях промышленности, особенно велико их использование в энергетической, химической, нефтеперерабатывающей, металлургической промышленности, производстве минеральных удобрений. Отвод низкопотенциального тепла от промышленных аппаратов с помощью градирен самый дешевый способ, позволяющий сэкономить не менее 95% свежей воды.

Глубина охлаждения оборотной воды в градирнях существенно влияет на работу технологического оборудования. Изменение режимов работы предприятий и увеличение стоимости свежей воды требует принятия мер по повышению рентабельности производства, которое может быть достигнуто за счет повышения эффективности работы аппаратов испарительного охлаждения. Разработка новых высокоэффективных насадок позволяет снизить капитальные затраты и затраты на электроэнергию, за счет уменьшения габаритных размеров насадок, а следовательно, градирен в целом, и снижения гидравлического сопротивления. Таким образом, разработка и исследование новых эффективных конструкций насадок является актуальной задачей.

Цель работы - разработка и исследование новой эффективной конструкции регулярной насадки для интенсификации процесса тепло- и массообмена при испарительном охлаждении оборотной воды в вентиляторных градирнях. Для реализации поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:

1. провести анализ литературных данных по перспективным конструкциям регулярных насадок;

2. определить пути повышения эффективности конструкций регулярных насадок для планирования экспериментов;

3. провести экспериментальные исследования по влиянию геометрических характеристик регулярных насадок на процесс

тепломассообмена в градирнях;

4. проанализировать результаты экспериментальных исследований и определить наиболее рациональные геометрические характеристики регулярной насадки;

5. на основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработать новую эффективную конструкцию регулярной насадки для вентиляторных градирен и получить эмпирические зависимости необходимые для расчета градирни.

Научная новизна

1. Экспериментальные результаты исследования гидродинамических и тепломассобменных характеристик новой многоярусной насадки, показали ее преимущества перед известными насадками.

2. Экспериментально установлено увеличение эффективности блока многоярусной насадки за счет уменьшения высоты яруса в блоке насадки до (3-н5)с1е, что защищено патентом РФ на изобретение №2450231.

3. Экспериментально установлено, что в блоке многоярусной насадки максимальная эффективность процессов тепло и массообмена достигается при отсутствии разрывов между ярусами.

Практическая значимость

1. Получены эмпирические зависимости для определения гидравлического сопротивления и коэффициента массоотдачи новой насадки, являющиеся составной частью методики расчета вентиляторных градирен.

2. Результаты исследования показали, что использование предложенной насадки позволит при сохранении эффективности процесса испарительного охлаждения оборотной воды в вентиляторных градирнях уменьшить высоту блока насадки.

3. Предложенная новая многоярусная насадка будет использоваться фирмами «Ахема» Литва, «UAB EKOBANA» Литва, «Kauno termofikacijos elektrines» Литва, «Минский тракторный завод» Беларусь, «GÖHL» Германия.

Апробация работы и научные публикации. Основные положения диссертационной работы докладывались на I международной конференции Российского химического общества им. Д.И.Менделеева «Ресурсо- и энергосберегающие технологии в химической и нефтехимической промышленности» (Москва, 2009 г.); Научной конференции студентов и молодых ученых МГУИЭ (Москва, 2010 г.); III международной конференции Российского химического общества им. Д.И.Менделеева «Ресурсосберегающие и энергоэффективные технологии в химической и нефтехимической промышленности» (Москва, 2011 г.); Второй международной конференции «Инновационные разработки в области техники и физики низких температур» (Москва, 2011 г.).

По теме диссертации опубликовано 14 статей, в том числе 10 из них в рецензируемых журналах, тезисы 8 докладов, 1 патент на изобретение.

На защиту выносится:

1. Конструкция новой регулярной многоярусной насадки пленочного типа, защищенной патентом РФ на изобретение № 2450231;

2. Результаты анализа влияния высоты яруса в блоке регулярной насадки и величины разрыва между ярусами в блоке регулярной насадки на процесс испарительного охлаждения;

3. Результаты экспериментальных исследований гидродинамических и тепломассообменных характеристик новой насадки;

4. Эмпирические зависимости для определения гидродинамических и тепломассообменных характеристик новой насадки, защищенной патентом РФ на изобретение № 2450231.

5

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы и четырёх приложений. Работа изложена на 131 странице, включающих в себя 40 рисунков, 13 таблиц, список литературы из 105 наименований.

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

В первой главе представлен обзор основных типов насадочных устройств, используемых для процесса испарительного охлаждения оборотной воды в градирнях, их классификация. Приведено описание процесса тепломассообмена при испарительном охлаждении. Представлены основные направления интенсификации процесса испарительного охлаждения. На основе проведенного анализа определены основные задачи исследования.

Во второй главе проанализировано влияние высоты яруса, влияние разрывов между ярусами в блоке регулярной насадки и влияние взаимного расположения смежных каналов между соседними гофрированными листами регулярной насадки на интенсивность процесса тепломассообмена. При оценке рациональной величины разрыва между ярусами насадки проводили исследование с блоками регулярной насадки FKP319 (619) фирмы 2Н Kunststoff GmbH. Испытываемая насадка имела следующие характеристики: удельная поверхность 150 м2/м3, порозность 0,97 м3/м3, размеры пакета 300x300x300 мм. Блоки насадки были выполнены из вертикальных полипропиленовых листов двойного гофрирования, путем их встречной укладки. Выступы гофр на соседних листах примыкали друг к другу, образуя упорядоченную пространственную структуру из каналов. Подачу воды на верхний блок

6

осуществляли одиночной струей. Во время опытов расход жидкости поддерживался постоянным и составлял 14,28 л/ч. Испытуемые блоки насадки располагали на опытном стенде один под другим на определенном расстоянии друг от друга, которое фиксировали с помощью дистанционирующих проставок. Разрыв составлял 15, 25, 40, 50 и 65 мм. Визуально и с помощью фотоаппарата фиксировался переход режима течения в разрыве между блоками насадки от струйного к капельному.

I 4 •

I

Рис. 1 Общая картина течения жидкости в разрыве между соседними по высоте блоками насадки

На основании анализа экспериментальных данных был сделан вывод, что конструкцию регулярной короткослоевой насадки целесообразно выполнять в виде ярусов установленных с разрывом 8 = (1,4-^2,2) (1е.

Использование концевых эффектов в совокупности с разрывами между соседними короткими ярусами и поворотами соседних ярусов на 90° по отношению друг к другу может обеспечить интенсификацию процесса испарительного охлаждения оборотной воды за счет сочетания в насадке пленочного и капельного режимов течения, турбулизации взаимодействующих потоков, обновления и перераспределения пленки жидкости.

В третьей главе приводится ход разработки и испытания конструкции новой короткослоевой насадки КСН, за основу которой была принята насадка типа «19» пленочного типа фирмы «СНЬА01С1 УЕвЕ РгаЬа а.Б.».

Рис. 2 Блок базовой насадки тип «19» размерами 1,0Х0,51><0,61 м Блок базовой насадки изготовлен из вертикальных полипропиленовых листов двойного гофрирования, путем их встречной укладки и сваривания между собой в местах пересечения вершин трапециевидных гофр. Основная трапециевидная гофра листа блока насадки имеет угол наклона к горизонту 60°, высоту гребня 19 мм и основание 38 мм. Блок состоит из 25 гофрированных листов. Удельная поверхность насадки а= 152 м2/м3, порозность 8 = 0,97 м3/м3.

Блок новой короткослоевой насадки - КСН представляет собой ярусы одинаковой высоты расположенные с поворотом каждого последующего яруса на 90° в горизонтальной плоскости по отношению к предыдущему. Соседние по высоте ярусы располагались с разрывами при помощи дистанционирующих проставок. Высота разрывов во всех опытах была одинаковой 8 = 0,03 м и выбиралась с учетом выше изложенных результатов исследований. Для определения наиболее эффективной высоты яруса в блоке насадки проводились три серии опытов с разрывами между ярусами.

Из проведенного анализа литературных источников следует, что целесообразно делать разрыв между блоками регулярной насадки. Однако данное предположение требует экспериментального подтверждения. Поэтому были проведены экспериментальные исследования блока регулярной насадки, состоящего из отдельных ярусов с разрывами, и блока, состоящего из ярусов одинаковой высоты, расположенных с поворотом каждого последующего яруса на 90° по отношению к предыдущему, но без разрывов соседних ярусов.

Таблица 1

Геометрические характеристики испытанных насадок

Тип насадки Общая высота блока, м Высота яруса в блоке, м Количество ярусов в блоке, шт. Количество разрывов, шт. Высота разрыва, м Высота твердого тела без учета разрывов, м Удельная поверхность блоков насадок, м2/м3

КСН-1 0,96 0,3 3 2 0,03 0,9 138,3

КСН-2 1,05 0,15 6 5 0,03 0,9 129,2

КСН-3 1,2 0,075 12 11 0,03 0,9 110,9

КСН 0,9 0,075 12 - - 0,9 152

КСН-1 КСН-2 КСН-3 КСН

Рис. 3 Блоки новой короткослоевой насадки на опытном стенде

В данной главе приведено описание экспериментальной установки и методики проведения тепломассообменных и гидродинамических исследований новых короткослоевых насадок.

Исследования насадок проводились на системе вода - воздух. При проведении гидравлических испытаний насадки значения плотности орошения изменялись в пределах от 0 до И м3/(м2 ч). Каждому значению плотности орошения соответствовали значения скорости воздуха в расчете на полное сечение аппарата от 1 до 3 м/с. Производились измерения расхода воздуха, расхода воды, перепада давления по высоте слоя сухой и орошаемой насадки при различных расходах воды и воздуха. При проведении тепломассообменных испытаний насадок значения плотности орошения изменялись в пределах от 7 до 11 м3/(м2ч). Каждому значению плотности орошения соответствовали значения скорости воздуха в расчете на полное сечение аппарата от 1 до 2 м/с. Производились измерения расхода воздуха, расхода воды, температуры горячей воды, температуры охлажденной воды, барометрического давления, относительной влажности и температуры входящего воздуха.

В четвертой главе представлены результаты гидродинамических и тепломассообменных испытаний насадок. Получены расчетные эмпирические зависимости для определения гидравлического сопротивления сухих и орошаемых насадок.

На рис.4 представлена графическая зависимость гидравлического сопротивления 1 м высоты сухих короткослоевых насадок от скорости воздуха ДР/Н=ДУ0) и сравнение с базовой насадкой тип «19» высотой блока Н=0,91м. Испытания базовой насадки проводились на том же стенде, описанном в третьей главе, в идентичных условиях.

лр.-н,

Па/м 100

<

/

А / /I \

* У уГ _//

♦ КСН-1 ■ КСН-2 АКСН-З

• КСН

Жтип"19"

3 3.5 ■п-„, м/с

Рис.4 Зависимость гидравлического сопротивления сухих (при с]=0 м3/(м2-ч)) насадок КСН-1, КСН-2, КСН-3, КСН и насадки тип «19» высотой блока Н=0,91м от скорости воздушного потока

Гидравлическое сопротивление сухой насадки рассчитывают по следующей формуле:

др (!)

сух сух ¿экд 2

Выражая действительную скорость газа \у через приведенную и с

учетом с1экв=4£/а получим выражение для потери давления на 1 м высоты насадки:

^сух = , *>оРга (2)

Н дсух 8£3 1 >

Расчетное уравнение для £ может быть представлено зависимостью вида:

Критерий Рейнольдса рассчитывают по формуле:

!

Обработка полученных нами экспериментальных данных позволила получить следующие зависимости в соответствующих диапазонах значений критерия Рейнольдса по газу:

КСН-1 1928 < Яе < 5785

Яе '

КСН-2 £ = 21'9,8, 2064 <Яе< 6192

КСН-3 4= 2405 < Яе < 7214

Ке0,055

КСН £ = 1754 < Яе < 5263

Яе°>046

Результаты гидравлических испытаний орошаемых насадок представлены в виде графических зависимостей на рис.5.

Рис. 5 Зависимость гидравлического сопротивления насадок КСН-1, КСН-2, КСН-3, КСН при плотности орошения с]=9 м3/(м2-ч) и базовой насадки тип «19» высотой блока Н=0,91 м при плотности орошения ц=10 м3/(м2-ч) от скорости воздушного потока

Из графика, представленного на рис.5 видно, что у насадки КСН при минимальной высоте яруса и отсутствии разрывов между ярусами наибольшее значение гидравлического сопротивления. Это можно объяснить наличием дополнительного сопротивления торцов ярусов насадки и увеличением поверхности контакта насадки с воздухом. Увеличение гидравлического сопротивления, как правило, считается нежелательным. Однако этого не всегда следует опасаться, т.к. для обеспечения равномерного и полного растекания потока воздуха по сечению насадки она должна обладать определенным гидравлическим сопротивлением. Для окончательной оценки эффективности применения насадки целесообразно рассматривать все влияющие факторы, как гидравлическое сопротивление, так и охлаждающую способность.

Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки рассчитывают по формуле аналогичной (2):

Обобщенную зависимость коэффициента гидравлического сопротивления насадки от плотности орошения = Я^ч) представляют линейной

зависимостью:

На основе полученных экспериментальных данных были получены зависимости для определения гидравлического сопротивления орошаемых насадок:

"И _ с -иг-г

(5)

^ор ^сух К-Снас Я

(6)

КСН-1

КСН-2

21,98

ксн-з

ксн

30,19 ор Ке0,055

26,69

£ ='

0,45 ■ ц

■ор Ке0Л>46

Тепловая эффективность насадки определяется с помощью коэффициентов тепло- и массоотдачи. Результаты проведенных опытов были обработаны с использованием коэффициента массоотдачи:

Р„<* = Ар-ГЧ}ж (7)

Коэффициенты тепло- и массоотдачи связаны соотношением:

ау / Ррбу = 1,65 кДж/(кг °С) (8)

Результаты тепломассообменных испытаний представлены в виде зависимости глубины охлаждения от скорости воздуха, в расчете на полное сечение аппарата, при различных плотностях орошения и от плотности орошения при скорости воздуха \у0 = 2,0 м/с.

£ ^^ V

...........ШГ 1-

♦ КСН-1 Ч = 11м3/{м2ч3 ЯКСН-1 q=ЭWlЗ/iм2ч) А КСН-1

ОКСН-2 я=11мЗДм2ч) □ КСН-2 д=9мЗ/(м2ч) ДКСН-2 ч=?мЗЛм2ч)

КСН-З Я=11м3/(м2ч) ^ КСН-З д=9мЗ/[м2.0 Л КСН-З Ч=7м3/(м2ч)

♦ КСН ч=11адЗ/(м2-0 ■ КСНя=9мЗ/(м2ч) ЖКСНд=7мЗ/(т2ч)

1,9 2.1

М/С

Рис. 6 График зависимости глубины охлаждения от скорости воздуха в

расчете на полное сечение аппарата при различных плотностях охлаждения

14

Рис. 7 График зависимости глубины охлаждения от плотности орошения при скорости воздуха \у0 = 2,0 м/с

Как следует из графиков, глубина охлаждения в насадках увеличивается, при прочих равных условиях, с уменьшением нагрузки по жидкости и увеличением скорости движения воздуха. Наибольшую разность температур имеет короткослоевая насадка КСН.

Результаты тепломассообменных испытаний также представлены в виде зависимости объемного коэффициента массоотдачи от скорости воздуха в расчете на полное сечение аппарата и зависимости объемного коэффициента массоотдачи от плотности орошения при скорости воздуха в расчете на полное сечение аппарата \у0 = 2,0 м/с. Приведено сравнение с базовой насадкой тип «19» высотой блока Н = 0,91м.

, м/с

Рис. 8 График зависимости объемного коэффициента массоотдачи от скорости воздуха в расчете на полное сечение аппарата короткослоевых насадок при плотности орошения 1,0 м3/(м2-ч) и базовой насадки типа «19» при плотности орошения q=10,0 м3/(м2-ч)

♦ КСН-1 М КСН-2

▲ ксн-з

• ксн

Ж тип 19

4 б 8 10 12 14 16

Рис. 9 График зависимости объемного коэффициента массоотдачи от плотности орошения короткослоевых насадок и базовой насадки типа «19» при скорости воздуха в расчете на полное сечение аппарата \у0 = 2,0 м/с

Из графиков на рис.7-8 видно, что объемный коэффициент массоотдачи увеличивается с увеличением скорости воздуха и увеличением плотности орошения. Максимальные значения объемного коэффициента массоотдачи у короткослоевой насадки КСН.

Полученные эмпирические уравнения для коэффициента массоотдачи короткослоевых насадок: КСН-1 РрЙУ =1,07- X0'55 С,ж , кг/(м3с) КСН-2 (Зрбу = 1,352- X0'38 Ож , кг/(м3с) КСН-3 (Зрбу = 1,28- X0'31 вж, кг/(м3с) КСН pp6v = 1,631 • А.0'6 Сж , кг/(м3с)

Анализ экспериментальных данных показал, что при замене сплошного блока регулярной насадки на блок, состоящий из отдельных ярусов установленных с разрывом и поворотом, коэффициент массоотдачи увеличивается на 20-^-30 % при снижении, соответственно, материалоемкости насадки, что подтверждает теоретические предпосылки. Выполнение блока насадки из отдельных ярусов с поворотом и без разрывов увеличивает коэффициент массоотдачи на 17-^-20 % по сравнению с блоком с разрывами между ярусами, при этом увеличивается материалоемкость блока на 27% при уменьшении его высоты на 24%.

В пятой главе на основе экспериментальных данных приведен анализ влияния высоты ярусов короткослоевой насадки и наличия разрывов между ними на объемный коэффициент массоотдачи.

Рис. 10 Зависимость объёмного коэффициента массоотдачи, от высоты яруса

Из графика видно, что при уменьшении высоты яруса от 0,3 м до 0,075 м коэффициент массоотдачи увеличивается на 45 %. Можно сделать вывод, что использование коротких ярусов в блоках насадки является наиболее перспективным направлением интенсификации процессов тепломассообмена.

Провели сравнительный анализ экспериментальных исследований блоков короткослоевых насадок. Сравнили базовую блочную насадку тип «19» с насадкой КСН-3 с разрывами и поворотом. У насадки с разрывами при той же высоте блока объемный коэффициент массоотдачи Рр6у оказывается выше при экономии материала, чем у базовой блочной насадки, гидравлическое сопротивление осталось таким же, следовательно, насадка с разрывами и меньшей высотой яруса более эффективна, чем базовая. Проанализировали эффективность насадки с разрывами и поворотом соседних ярусов КСН-3 и насадки без разрывов и с поворотом КСН при одинаковом количестве испарившейся жидкости:

Рксн-з •н ксн-г •р = Рксн • нксн •р

и _ ^ КСН гт

КСН-3 о ' КСН

КСН - 3

3,81

нксн-з^3 НКСН=Х'2Х1Н«СН

Получается, что при одинаковом количестве испарившейся жидкости высоту блока КСН необходимо увеличить на 20 %. Гидравлическое сопротивление насадки КСН по отношению к КСН-3 возрастёт незначительно или останется таким же. Например, если рассматривать блок КСН-3 высотой равной Нксн-з= 1 м, тогда высота блока КСН должна составлять НКсн = 0,82 м.

Высота яруса в блоке КСН-3 складывается из высоты яруса и высоты разрыва Ьксн-з = 0,075 + 0,03 = 0,105 м. Соответственно, можем определить количество ярусов в блоке - № ^сн-з = Нксн-з / Ьксн-з = 1/0,105 = 9,5 1^ссн = Нксн / Ьксн = 0,82/0,075 = 11

При увеличении числа ярусов общая высота блока КСН уменьшается и высота корпуса градирни тоже уменьшится.

Так же был сделан вывод, что целесообразно выполнять насадку не как рекомендуется в литературе с разрывами между ярусами, а без разрывов с поворотом ярусов на 90°.

В главе приводится алгоритм расчета вентиляторной градирни с использованием полученных эмпирических зависимостей.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработанная новая конструкция регулярной короткослоевой насадки пленочно типа из полимерных материалов, защищенная патентом на изобретение РФ №2450231, может эффективно использоваться при проектировании и реконструкции вентиляторных градирен.

2. Экспериментальные данные гидродинамических и тепломассобменных характеристик новой короткослоевой насадки

подтверждают ее высокую эффективность.

19

3. Анализ экспериментальных данных показал, что при замене сплошного блока регулярной насадки на блок, состоящий из отдельных ярусов установленных с разрывом и поворотом, коэффициент массоотдачи увеличивается при снижении, соответственно, материалоемкости насадки, что подтверждает теоретические предпосылки.

4. Выполнение блока насадки из отдельных ярусов с поворотом и без разрывов увеличивает коэффициент массотдачи по сравнению с блоком с разрывами между ярусами, но при одинаковом количестве испаряемой воды увеличивается материалоемкость блока при уменьшении его высоты, что подтверждено экспериментом.

5. Получены по результатам экспериментальных данных расчетные зависимости для определения гидродинамических и тепломассообменных характеристик новой насадки.

6. Фирмы «EKOBANA» Литва, «Kauno termofikacijos elektrines» Литва, «Ахема» Литва, «Минский тракторный завод» Беларусь, «Институт мясо-молочной промышленности» Беларусь, «Климов» Санкт-Петербург, «GÖHL» Германия приняли к использованию разработанную короткослоевую насадку.

Условные обозначения

ßP6v — объемный коэффициент массоотдачи, кг/(м3 ч); av - объемный коэффициент теплоотдачи, кДж/(м3с°С); Ар - эмпирический коэффициент, характеризующий влияние конструктивных особенностей данной насадки на ее охлаждающую способность, 1/м; m - показатель степени, отражающий влияние массового расхода воздуха на охлаждение жидкости в данной конструкции насадки; X = GB/GÄ - относительный расход воздуха, кг/кг; GB, G,l( - удельные массовые расходы сухого воздуха и воды, кг/(м2-с); At = ti-t2 - глубина

20

охлаждения, °С; ti - температура горячей воды, °С; t2 - температура охлажденной воды, °С; К?нас - коэффициент пропорциональности, учитывающий влияние плотности орошения на гидравлическое сопротивление насадки; q - плотность орошения, м3/(м2-ч); ДРсух - гидравлическое сопротивление сухой насадки, Па; АРор - гидравлическое сопротивление орошаемой насадки, Па; §сух - коэффициент сопротивления сухой насадки; -коэффициент сопротивления орошаемой насадки; Н - высота блока насадки, м; h - высота яруса насадки, м; S - величина разрыва между ярусами в блоке насадки, м; а - удельная поверхность насадки, м2/м3; е - порозность насадки, м3/м3; d3KB - эквивалентный диаметр канала насадки, м; w - действительная скорость газа, м/с; w0 — приведенная скорость газа, м/с; Re — критерий Рейнольдса; рг — плотность газа, кг/м3; vr — кинематическая вязкость газа, м2/с.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Пушнов A.C., Лозовая Н.П. Входной участок гидродинамической стабилизации потока в регулярной насадке // Химическая промышленность, 2009. - Т.86, №5. - С.241-248.

2. Лозовая Н.П., Пушнов A.C., Лагуткин М.Г. «О влиянии высоты и удельной поверхности регулярной насадки на коэффициент массоотдачи» I Международная конференция Российского химического общества им. Д.И.Менделеева «Ресурсо- и энергосберегающие технологии в химической и нефтехимической промышленности». Тезисы докладов. Москва, 29-30 сентября 2009. - С.46-47.

3. Пушнов A.C., Лозовая Н.П., Лагуткин М.Г. Модель входного участка гидродинамической стабилизации потока в регулярной насадке // Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2010. — №1. — С.4-7.

4. Пушнов A.C., Лозовая Н.П. Влияние разрывов по высоте между соседними пакетами регулярной насадки на эффективность процесса

21

испарительного охлаждения // Энергосбережение и водоподготовка, 2010. -№4. - С.49-50.

5. Пушнов A.C., Лозовая Н.П. Антиобледенительные системы вентиляторных градирен // Химическая промышленность, 2010. - Т.87, №4. — С.185-193.

6. Лозовая Н.П., Пушнов A.C. «Влияние разрыва пленки жидкости в пакетах регулярной насадки на характер гравитационного течения» Материалы XLVIII Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс», Математика, Новосиб. гос. ун-т. Тезисы докладов. Новосибирск, 10-14 апреля 2010. - С.119.

7. Лозовая Н.П., Софронова О.Л., Пушнов A.C., Лагуткин М.Г. «Влияние геометрических характеристик регулярной насадки на особенности течения пленки жидкости» Научная конференция студентов и молодых ученых МГУИЭ. Тезисы докладов. Москва, 21-23 апреля 2010. - Т.1. - С. 146-148.

8. Пушнов A.C., Лозовая Н.П., Лагуткин М.Г., Шишов В.И. «Влияние высоты регулярных насадок для градирен на их аэродинамическое сопротивление» Konferencijos pranesimu medziaga «Silumos energetika ir technologijos». Technologija. Kauno technologijos universitetas. Kaunas, 2010. -vasario 4,5 d. - P.231-236.

9. Лозовая Н.П., Пушнов A.C. Влияние геометрических характеристик регулярной насадки на особенности гравитационного течения пленки жидкости // Химическая промышленность, 2010. - Т.87, №7. - С.353-356.

10. Пушнов A.C., Лозовая Н.П., Лагуткин М.Г. Влияние геометрии каналов регулярных насадок для осуществления процессов тепло- и массообмена на их аэродинамические характеристики // Химическая промышленность, 2010. - Т.87, №8. - С.393-399.

11. Пушнов A.C., Лозовая Н.П., Шишов В.И. Гидродинамические испытания регулярной насадки пленочного типа для осуществления процесса

22

испарительного охлаждения оборотной воды // Известия ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева, 2010. - Т.259. - С. 123-132.

12. Цурикова Н.П., Пушнов A.C., Лагуткин М.Г. Гидродинамические испытания регулярной насадки для осуществления процесса испарительного охлаждения // Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2011. - №2. - С.8-11.

13. Пушнов A.C., Лозовая Н.П. Гидравлическое сопротивление регулярных насадок и эффективность процессов испарительного охлаждения в градирнях // Энергосбережение и водоподготовка, 2011. - №3. - С.36-37.

14. Pushnov A., Lozovaya N. «Protection of environment against noise of cooling tower» The 8,h International Conference on Environmental Engineering. Vilnius, Lithuania, 19-20 May 2011. - P.313-318.

15. Цурикова Н.П., Пушнов A.C. «Короткослоевая насадка для осуществления процесса испарительного охлаждения в градирне» III Международная конференция Российского химического общества им. Д.И.Менделеева «Ресурсосберегающие и энергоэффективные технологии в химической и нефтехимической промышленности». Тезисы докладов. Москва, 25 октября 2011. - С.96-98.

16. Цурикова Н.П., Пушнов A.C. «Исследование короткослоевой насадки для процесса испарительного охлаждения оборотной воды в градирне» Вторая Международная конференция «Инновационные разработки в области техники и физики низких температур». Тезисы докладов. Москва, 2011.

17. Цурикова Н.П., Пушнов A.C. «Влияние разрывов между ярусами в блоке оросителя на эффективность испарительного охлаждения в градирне» Десятая Всероссийская научно-техническая конференция «Приоритетные направления развития науки и технологий». Тезисы докладов. Тула, 2011. -С.165-166.

18. Пушнов A.C., Лозовая Н.П., Шишов В.И. Влияние высоты регулярной насадки на эффективность охлаждения циркуляционной воды // Известия ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева, 2011. - Т. 262. - С.107-112.

19. Цурикова Н.П., Пушнов A.C., Лагуткин М.Г., Шишов В.И. Влияние высоты ярусов в блоке регулярной насадки на эффективность процесса испарительного охлаждения оборотной воды // Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2012. - №1. - С.4-7.

20. Пушнов A.C., Лозовая Н.П. Влияние взаимного расположения смежных каналов между соседними гофрированными листами регулярной насадки на эффективность процесса испарительного охлаждения // Химическая технология, 2012. -№1. - С.59-63.

21. Пушнов A.C., Цурикова Н.П., Лагуткин М.Г. О влиянии высоты ярусов регулярной насадки на эффективность процессов тепло- и массоотдачи // Энергосбережение и водоподготовка, 2012. —№1(75). - С.42-49.

22. Пушнов A.C., Лозовая Н.П. Особенности гравитационного течения пленки жидкости в разрыве между соседними по высоте пакетами регулярной насадки // Химическая технология, 2012. -№2. - С. 115-121.

23. Короткослоевой ороситель градирни: пат. RU № 2450231 С2, МПК F28F 25/08 Пушнов A.C., Лозовая Н.П., Лагуткин М.Г.; заявитель и патентообладатель Московский государственный университет инженерной экологии - №2009148643/06; заявлено 29.12.2009; опубликовано 10.05.2012, Бюл. №13.

Цурикова Наталья Петровна Влияние высоты блока регулярной насадки на процесс испарительного охлаждения в вентиляторных градирнях Формат 60x90/16. Тираж 100 экз. Подписано в печать 13.11.2013г. Заказ № 127 Типография ООО «Генезис» 8(495) 434-83-55 119571, г. Москва, пр-т Вернадского, 86

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201365793

Цурикова Наталья Петровна

ВЛИЯНИЕ ВЫСОТЫ БЛОКА РЕГУЛЯРНОЙ НАСАДКИ НА ПРОЦЕСС ИСПАРИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ В ВЕНТИЛЯТОРНЫХ ГРАДИРНЯХ

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор Лагуткин М.Г.

Москва - 2013

\

СОДЕРЖАНИЕ

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

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА ИСПАРИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ И РАСЧЕТА ГРАДИРЕ.......................................... 7

1.1 Обзор существующих конструкций насадок для процесса испарительного охлаждения........................................................ 7

1.2 Теория процесса испарительного охлаждения.............................. 13

1.3 Основные направления интенсификации процесса испарительного охлаждения........................................................................... 18

1.4 Выводы по анализу литературных источников и постановка задачи

исследования.......................................................................... 20

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ВЫСОТЫ ЯРУСА В БЛОКЕ НАСАДКИ И ВЫСОТЫ РАЗРЫВА МЕЖДУ НИМИ НА ИНТЕНСИФИКАЦИЮ ПРОЦЕССА ИСПАРИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ В ВЕНТИЛЯТОРНЫХ ГРАДИРНЯХ......................... 21

2.1 Анализ влияния высоты яруса в блоке насадки на процесс тепломассообмена.................................................................. 21

2.2 Анализ движения жидкости по поверхности регулярной насадки .... 28

2.3 Влияние поворотов соседних ярусов и разрывов по высоте между соседними ярусами регулярной насадки на процесс тепломассоотдачи.... 36

2.4 Оценка рациональной величины разрыва между ярусами насадки с точки зрения характера течения жидкости...................................... 42

2.5 Влияние взаимного расположения смежных каналов между соседними гофрированными листами регулярной насадки на

эффективность процесса испарительного охлаждения......................................48

ГЛАВА 3. ОПЫТНЫЕ СТЕНДЫ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ НАСАДОЧНЫХ УСТРОЙСТВ............................... 54

3.1 Разработка новой конструкции насадки................................... 54

3.2 Стенд для проведения гидродинамических испытаний............... 59

3.3 Стенд для проведения тепломассообменных испытаний............... 65

3.4 Методика обработки результатов тепломассообменных и

гидродинамических испытаний насадок....................................... 70

3.4.1 Определение коэффициентов тепло- и массоотдачи по результатам тепломассообменных испытаний....................................................................................................................70

3.4.2 Определение коэффициентов гидродинамического сопротивления 77

по результатам гидродинамических испытаний................................

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ И

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ НАСАДОК..........................................80

4.1 Тепломассообменные испытания короткослоевых насадок....................80

4.2 Обработка результатов тепломассообменных исследований короткослоевых насадок........................................................................................................................83

4.3 Гидродинамические испытания короткослоевых насадок..........................86

4.3.1 Обработка результатов испытаний сухих короткослоевых насадок.. 88

4.3.2 Обработка результатов испытаний орошаемых короткослоевых

насадок........................................................................................................................................................................................................90

ГЛАВА 5. АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ................................95

5.1 Анализ экспериментальных исследований по определению эффективности отдельного яруса различной высоты в блоке насадки................................................................................................................................................................................................95

5.2 Сравнительный анализ экспериментальных исследований блоков короткослоевых насадок....................................................................................................................97

5.3 Алгоритм расчета стандартной градирни при её модернизации............100

Основные выводы и результаты..................................................................................................103

ЛИТЕРАТУРА..................................................................................................................................................104

ПРИЛОЖЕНИЯ..............................................................................................................................................115

Приложение 1. Условные обозначения..........................................................................................116

Приложение 2 Экспериментальные данные насадки тип «19»..............................119

Приложение 3. Патент................................................................................................................................122

Приложение 4. Справки............................................................................................................................123

ВВЕДЕНИЕ Актуальность работы

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

Температура оборотной воды, охлаждаемой на градирнях, существенно влияет на работу технологического оборудования.

Изменение режимов работы предприятий и увеличение стоимости свежей воды требует принятия мер по повышению рентабельности производства, которое может быть достигнуто за счет повышения эффективности работы аппаратов испарительного охлаждения и снижения непроизводственных расходов свежей воды и электроэнергии. Разработка новых высокоэффективных насадок позволяет снизить капитальные и эксплуатационные затраты на электроэнергию, за счет уменьшения габаритных размеров насадок, а следовательно, градирен в целом, и снижения гидравлического сопротивления.

Таким образом, разработка и исследование новых эффективных конструкций насадок является актуальной задачей.

Объектом исследования является насадка, как основной технологический элемент градирни, обеспечивающий интенсификацию процесса тепло- и массообмена двух фаз (вода, воздух).

Целью работы являлось разработка и исследование новой эффективной конструкции регулярной насадки для интенсификации процесса тепло- и массообмена при испарительном охлаждении оборотной воды в вентиляторных градирнях.

Для реализации поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:

1. провести анализ литературных данных по перспективным конструкциям регулярных насадок;

2. определить пути повышения эффективности конструкций регулярных насадок для планирования экспериментов;

3. провести экспериментальные исследования по влиянию геометрических характеристик регулярных насадок на процесс тепломассообмена в градирнях;

4. проанализировать результаты экспериментальных исследований и определить наиболее рациональные геометрические характеристики регулярной насадки;

5. на основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработать новую эффективную конструкцию регулярной насадки для вентиляторных градирен и получить эмпирические зависимости необходимые для расчета градирни.

Научная новизна

1. Экспериментальные результаты исследования гидродинамических и тепломассобменных характеристик новой многоярусной насадки, показали ее преимущества перед известными насадками.

2. Экспериментально установлено увеличение эффективности блока многоярусной насадки за счет уменьшения высоты яруса в блоке насадки до (3-Н5)с1е, что защищено патентом РФ на изобретение № 2450231.

3. Экспериментально установлено, что в блоке многоярусной насадки максимальная эффективность процессов тепло и массообмена достигается при отсутствии разрывов между ярусами.

Практическая значимость

1. Получены эмпирические зависимости для определения гидравлического сопротивления и коэффициента массоотдачи новой насадки, являющиеся составной частью методики расчета вентиляторных градирен.

2. Результаты исследования показали, что использование предложенной насадки позволит при сохранении эффективности процесса испарительного охлаждения оборотной воды в вентиляторных градирнях уменьшить высоту блока насадки.

3. Предложенная новая многоярусная насадка будет использоваться фирмами «Ахема» Литва, «UAB EKOBANA» Литва, «Kauno termofikacijos elektrines» Литва, «Минский тракторный завод» Беларусь, «GÖHL» Германия.

На защиту выносится

1. Конструкция'новой регулярной многоярусной насадки пленочного типа, защищенной патентом РФ на изобретение № 2450231;

2. Результаты анализа влияния высоты яруса в блоке регулярной насадки и величины разрыва между ярусами в блоке регулярной насадки на процесс испарительного охлаждения;

3. Результаты экспериментальных исследований гидродинамических и тепломассообменных характеристик новой насадки;

4. Эмпирические зависимости для определения гидродинамических и тепломассообменных характеристик новой насадки, защищенной патентом РФ на изобретение № 2450231.

Работа выполнена на кафедре «Машины и аппараты химических производств» Московского государственного машиностроительного университета (МАМИ).

Автор выражает искреннюю признательность за помощь на всех этапах работы научному руководителю д.т.н., проф. Лагуткину Михаилу Георгиевичу и к.т.н., с.н.с. Пушнову Александру Сергеевичу.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА ИСПАРИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ И РАСЧЕТА ГРАДИРЕН

1.1 Обзор существующих конструкций насадок для процесса испарительного охлаждения

Охлаждающие системы оборотного водоснабжения промышленных предприятий позволяют рационально использовать водные ресурсы с минимальным потреблением свежей воды при максимальном сокращении или полном исключении сброса отработанной воды и загрязнений в природные водоемы. В качестве охладителей оборотной воды на предприятиях почти всех отраслей промышленности, особенно химической, нефтеперерабатывающей, металлургической, производства минеральных удобрений используются преимущественно вентиляторные градирни, а на тепловых и атомных электростанциях - башенные градирни, поскольку отведение низкопотенциального тепла от технологических аппаратов с помощью градирен является самым дешевым способом. Эффективность работы градирен в значительной мере определяется типом и конструкцией насадок, которые могут быть одинаковыми для вентиляторных и башенных градирен. Реконструкция градирен является важнейшим звеном в техническом перевооружении предприятий. В условиях значительного ограничения трудовых и сырьевых ресурсов она позволит увеличить производительность действующих производств без строительства новых технологических линий [1,2].

Для испарительного охлаждения воды в градирнях применяются, как правило, регулярные насадки (оросители), которые можно разделить на три группы, в зависимости от того, какой преимущественно характер движения воды они обеспечивают: пленочные, капельные и пленочно-капельные [3-25].

Известны следующие конструкции насадок капельного типа: из древесины; из полимерного материала (плоские решетки, цилиндрические и

призматические элементы из решетки); из металла (просечки из нержавеющей стали).

Основным типом насадок, обеспечивающих наиболее высокий эффект охлаждения, является пленочный. Регулярные насадки пленочного типа [3-19] могут изготавливаться из плоских пластин (асбоцементных, полимерных), гофрированных пластин с прямыми или косыми гофрами (асбоцемент, полимеры), из древесины, из полимерных гофротруб. За последнее время стали применять насадки пленочного типа ячеистой и листовой конструкции, в которых количество капель сводится до минимума или полностью исключается. Большое значение имеют также следующие условия: вода должна стекать по оросителю ровной пленкой, а не отдельными ручейками или струйками, соприкасающаяся с воздухом поверхность водяной пленки должна непрерывно обновляться путем турбулентного перемешивания. Такие насадки чувствительны к наличию в воде нефтепродуктов, взвешенных веществ и других примесей, вызывающих зарастание зазоров между элементами. При насадках пленочного типа концентрация нефтепродуктов в воде не должна превышать 25 мг/л, а концентрация взвешенных веществ - 50 мг/л. При наличии в оборотной воде жиров, смол и нефтепродуктов, общая концентрация которых составляет 25-120 мг/л, применяют пленочно-капельные или капельные насадки, выполненные из сетчатых элементов [19].

Пленочно-капельные оросители менее распространены. Таковыми являются оросители из древесины, представляющие собой комбинацию переменных рядов досок, обращенных торцом к направлению потоков и брусьев треугольного сечения. А также конструкция, в которой блоки набираются из горизонтально уложенных винтовых элементов, изготовленных из полимерного материала. Наряду с пленкой в насадках такого типа образуется определенное количество капель и мелких брызг, свободная поверхность которых, как и поверхность пленки, участвует в тепло- и массообмене между водой и воздухом. Для охлаждения воды в градирнях, например, используют

перфорированные листы с косыми гофрами из полимерного материала. При наличие значительных загрязнений, содержащихся в воде и в атмосферном воздухе, насадки градирен должны быть более устойчивыми к забивкам, а, значит, листы должны иметь большую высоту гофр, больший процент перфорации, более крупные отверстия перфорации. Из-за опасности обледенения листы насадки в градирне должны быть более прочными, т. е. иметь большую толщину и т. д.

Конструкции пленочно-капельных насадок по охлаждающей способности и гидравлическому сопротивлению являются промежуточными между пленочными и капельными оросителями. Поверхность охлаждения в них складывается из пленок воды, стекающей по поверхности элементов, и капель, срывающихся с этих элементов и падающих вниз в свободное пространство [20-25].

Одной из таких насадок является трубчатый ороситель с винтовыми гофрами (ТР44) состоит из полиэтиленовых труб со сплошной стенкой и гофрами на ней в виде резьбы. При сборке труб в блоки они свариваются по торцам в двух параллельных плоскостях с установкой между концами труб дистанционных профилированных прокладок-гильз. Придание гофрам наклонного расположения в виде резьбы несколько уменьшает возможность загрязнения поверхности труб. В то же время существенное повышение охлаждающей способности не наблюдается. Чем больше шаг винта (круче наклон гофра), тем больше вероятность образования в канавке (гофре) струйки воды, быстро стекающей по ложбинке винта вниз, т.е. время контакта воды с воздухом при минимальной возможности перемешивания слоев воды внутри непрерывной струйки уменьшается. Таким образом, можно утверждать, что придавать гофрам большой наклон нецелесообразно. Некоторая закрутка пристенных к винтовым трубам слоев воздуха не компенсирует ухудшение гидравлического режима стекания воды [26,27].

Менее интенсивное охлаждение возможно в насадках капельного типа чем в пленочных и пленочно-капельных. Капельный поток по сравнению с пленками, стекающими по неподвижным элементам насадки и многократно дробящимися каплями между ними при одинаковой высоте активной зоны, плотности орошения и скорости воздуха обладает меньшими поверхностью и временем контакта с воздухом по сравнению с пленкой. Часть мельчайших капелек бесполезно испаряется полностью, повышая влагосодержание воздуха, затормаживающее охлаждение остальных капель. Кроме того, возникает трудноразрешимая проблема предотвращения выноса мелких капель за пределы градирни [26].

Из всего многообразия рассмотренных видов насадок, наибольший интерес для дальнейшего исследования, применительно к процессам испарительного охлаждения, представляют регулярные насадки, характеризующие пленочный и пленочно-капельный режимы течения жидкости.

s о

я

ti P О

о s ►ея «

p

J=¡ s iö

Я p

о P ta

О «

ta

и »

s о

Я p

43

s

H

a> ti

(71

я о

l—I

о о

X

ti p

X

ta n> Я

я

M Ю

о

ta tr

HH

w

p

ta Я T3

я

HÛ

X

Ведущие зарубежные фирмы по строительству градирен «Бальке-Дюрр» (Германия), «Хамон» Франция, «Марли» США, «Мунтерс» Швеция и другие активно ведут разработку регулярных насадок пленочного типа.

Рис. 1.2. Насадки пленочного типа фирмы «2Н Kunststoff» GmbH [28]

1.2 Теория процесса испарительного охлаждения

Охлаждение воды в градирнях осуществляется путем передачи тепла атмосферному воздуху за счет поверхностного испарения воды и теплопередачи соприкосновением (теплопроводность и конвекция). Тепло может отниматься от воды и за счет излучения. Однако количество тепла, передаваемого излучением, настолько мало, что при составлении теплового баланса градирни им пренебрегают [19].

Движущей силой процесса испарения воды в градирне является разность парциальных давлений пара у поверхности воды и в ядре воздушного потока. При теплоотдаче соприкосновением движущей силой является разность температур воды и воздуха. В градирню поступает атмосферный воздух, являющийся влажным, так как все