Анализ теплотехнических характеристик и повышение эффективности работы испарительных градирен

Власов, Евгений Михайлович

Анализ теплотехнических характеристик и повышение эффективности работы испарительных градирен тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Власов, Евгений Михайлович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Казань МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.14 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Анализ теплотехнических характеристик и повышение эффективности работы испарительных градирен»

Автореферат диссертации на тему "Анализ теплотехнических характеристик и повышение эффективности работы испарительных градирен"

005539219

На правах рукописи

ВЛАСОВ ЕВГЕНИИ МИХАИЛОВИЧ

АНАЛИЗ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ИСПАРИТЕЛЬНЫХ ГРАДИРЕН

01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 НО Я 2013

Казань 2013

005539219

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ» (КНИТУ-КАИ) на кафедре «Теплотехники и энергетического машиностроения», в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институге механики и машиностроения Казанского научного центра Российской академии наук (ИММ КазНЦ РАН) в лаборатории Моделирования технологических процессов.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, старший научный сотрудник Федяев Владимир Леонидович

Лаптев Анатолий Григорьевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», заведующий кафедрой «Технология воды и топлива»

Кирсанов Юрий Анатольевич

доктор технических наук, доцент, Исследовательский центр проблем энергетики Федерального государственного бюджетного учреждения науки Казанского научного центра Российской академии наук, ведущий научный сотрудник лаборатории теплофизических исследований

Научный центр нелинейной волновой механики и технологии (Филиал ИМАШ РАН), г. Москва

У*

Защита состоится «. 70 » декабря 2013 г. в ^^"часов на заседании диссертационного совета Д 212.079.02 при ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ» по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, 10 (зал заседаний ученого совета).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ».

[« I

Автореферат разослан •

• ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

I/'

у /с-С '" г А.Г.Каримова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Решение вопросов энергоресурсосбережения на предприятиях, использующих оборотные системы технического водоснабжения, во многом зависит от эффективности работы градирен.

Различают испарительные, сухие и сочетание их - гибридные градирни. В испарительных градирнях охлаждение оборотной воды происходит при непосредственном контакте её с атмосферным воздухом, в основном, за счет испарения части воды. В теплое время года за счет испарения передается более 90% тепла. В сухих градирнях теплосъем осуществляется теплопроводностью через поверхность радиаторов в результате конвективного теплообмена.

В нашей стране наиболее распространены испарительные градирни. Большая часть этих градирен построена по проектам 60+70-х годов прошлого века, многие из них находятся в неудовлетворительном, зачастую, плачевном состоянии; технические решения, заложенные в проектах этих градирен, устарели. В результате оборотная вода недоохлаждается, особенно в теплый период года, что ведет к уменьшению объемов, ухудшению качества выпускаемой продукции, перерасходу сырья, энергоресурсов и другим негативным последствиям.

В свете вышеизложенного повышение эффективности действующих градирен, а также разработка новых современных градирен, которые были бы, с одной стороны, надежными и удобными в эксплуатации, максимально удовлетворяли производственным требованиям независимо от погодных условий, других факторов; с другой стороны, просты в изготовлении, малозатратны, экологически безопасны является актуальной задачей.

При исследовании градирен, как и других технических объектов, используются экспериментальные подходы, методы математического моделирования. Анализ эффективности работы градирен с привлечением ограниченного объема данных дорогостоящих лабораторных, натурных испытаний при различных технологических, метеорологических условиях недостаточно надежен, проведение экспериментов сопряжено с определенными трудностями. В связи с этим представляется исключительно важным математическое моделирование охлаждения воды в градирнях, в том числе, уточнение имеющихся и разработка новых методов расчета теплотехнических характеристик градирен, основанных на фундаментальных законах гидроаэродинамики и тепломассообмена, отражающих основные особенности их работы, позволяющих проводить с использованием средств компьютерной техники многовариантные вычислительные эксперименты, объективно оценивать предлагаемые технические решения.

Цель работы: совершенствование методик расчета охлаждения воды в испарительных градирнях, выработка рекомендаций и технических предложений по повышению эффективности их работы.

Задачи исследований:

- усовершенствование математических моделей гидроаэродинамических и тепломассообменных процессов, протекающих при испарительном охлаждении стекающих по вертикальным пластинам оросителя градирни пленок воды, падающих между ними капель, обдуваемых восходящим парогазокапельным потоком; получение аналитических зависимостей для определения теплогидроаэ-родинамических характеристик теплоносителей;

-усовершенствование имеющихся методик теплотехнических расчетов оросительных градирен, их апробация;

- отыскание соотношений для оценки температурного перепада охлаждаемой воды и теплового к.п.д., позволяющих с достаточной полнотой и точностью учитывать влияние основных факторов на эффективность работы оросительных градирен; сопоставление полученных расчетных данных с результатами, найденными с использованием традиционных методов, при проведении натурных испытаний градирен;

-разработка градирен, позволяющих экономить материальные, энергетические и другие ресурсы с обеспечением высоких эксплуатационных характеристик, энергоэффективности.

Научная новизна

1. Сформулирована и решена сопряженная задача гидроаэродинамики и тепломассообмена при испарительном охлаждении воды в пластинчатых оросителях градирен, получены аналитические зависимости для определения температурного перепада охлаждаемой воды, установлен характер изменения температурного перепада воды в зависимости от основных конструктивных, режимных и климатических параметров.

2. Усовершенствована методика теплотехнических расчетов оросительных градирен, базирующаяся на аппроксимационных зависимостях для определения вспомогательных параметров, учитывающих конструктивные признаки оросителей.

3. Получены новые соотношения для оценки температурного перепада охлаждаемой воды и теплового к.п.д. при характерных режимах эксплуатации оросительных градирен, позволяющие достаточно точно учитывать конструктивные, технологические, метеорологические факторы.

4. Разработана не имеющая аналогов концепция модульных градирен, позволяющая использовать в зависимости от технологических требований и климатических условий эжекционный (брызгальный), оросительный способы охлаждения оборотной воды и их сочетание; предложена методика оценки теплотехнических характеристик этих градирен.

Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается использованием апробированных исходных зависимостей, аттестованной измерительной аппаратуры, отвечающей современным требованиям точности замеров; соответствием полученных результатов современным физическим представлениям, удовлетворительным согласием их с имеющимися данными, в том числе, экспериментальными.

Практическая значимость. Результаты анализа испарительного охлаждения воды в градирнях с пластинчатыми оросителями расширяют практические представления о закономерностях протекающих в них процессов.

Усовершенствованная методика теплотехнических расчетов оросительных градирен, найденные соотношения для оценки температурного перепада охлаждаемой воды и теплового к.п.д. позволяют обоснованно и объективно выбирать варианты устройства градирен в соответствии с конкретными условиями эксплуатации, оценивать эффективность работы действующих градирен.

Предложенные модульные градирни с поэтапным охлаждением оборотной воды позволяют снизить капитальные вложения, затраты электроэнергии, уменьшить потери воды, а также техногенную нагрузку на окружающую среду с обеспечением, независимо от погодных условий, необходимой температуры охлажденной воды на предприятиях химии, нефтехимии, металлургии, машиностроения, энергетики, других отраслей промышленности и хозяйства. Аналоги настоящей разработки не известны. Проведен патентный поиск, сформирована заявка на получение патента.

Результаты работы рекомендуются к использованию в Научном центре нелинейной волновой механики и технологии (Филиал ИМАШ РАН), ГНЦ РФ ОАО «НИИ ВОДГЕО» (г. Москва), Государственном научном учреждении «Институт тепло- и массообмена имени A.B. Лыкова Национальной академии наук Беларуси» (г. Минск), ОАО «Фирма ОРГРЭС» (г. Москва), ОАО «ВНИ-ПИэнергопром» (г. Москва), ПИ «Союзхимпромпроект» (г. Казань), ООО «Тат-НИПИЭнергопром» (г. Казань), ОАО «Нижнекамскнефтехим», ОАО «Казань-оргеинтез», ОАО «Генерирующая компания» (г. Казань), ОАО «ТГК-16» (г. Казань), ООО «Полимерхолодтехника» (г. Нижнекамск), ООО «Водопад» (г. Казань) и др. Результаты работы представляют интерес для инновационных структур, технопарков, предприятий малого бизнеса. В учебно-образовательном процессе результаты проведенных исследований рекомендуются к использованию в ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ», ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет», ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет» при проведении занятий по дисциплинам, в частности, «Тепломассообмен», «Теп-лообменные аппараты», «Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехноло-гиях» и др.

Результаты работы использованы в научно-технических отчетах по Федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-^2013 годы (гос. контракт №14.В37.21.0644); Приволжским филиалом ОАО «ВНИПИэнергопром» (г.Казань) при выполнении проектных работ по модернизации башенных градирен БГ-2100 Тобольской ТЭЦ филиала ОАО «Фортум», реконструкции исходной градирни с вентилятором ВГ 70 в комбинированную градирню на ОАО «Нижнекамский завод технического углерода»; предприятием ООО «Водопад» при совершенствовании конструкций оросителей, модернизации вентиляторных градирен СК-400 на ОАО «Казаньоргсинтез».

Проект «Модульные миниградирни» включен в базу данных «Промышленные инновации России» (№16-020-10) единого справочно-информационного фонда ФГБУ «Российское энергетическое агентство». Электронный адрес документа:

http://ecatalog.csti.yar.ru7doccontent.php?docNumber=16-020-10&sourceID=85355.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и получили одобрение на VI, VII Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (г. Казань, 2008,2010 гг.); XXVIII Российской школе «Наука и технологии» (г. Миасс, 2008 г.); V Всероссийской научно-технической конференции Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-2009» (г. Казань, 2009 г.); V, VI, VII Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (г. Казань, 2010+2012 гг.); научно-практической конференции «Инновации РАН-2010»(г. Казань, 2010 г.); VI Международной научно-технической конференции Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-2011» (г. Казань, 2011 г.); ежегодных научно-технических семинарах кафедры «Теплотехники и энергетического машиностроения» КНИТУ-КАИ (2008+2011 гг.); итоговой научной конференции КазНЦ РАН по секции «Механика и машиностроение» (г. Казань, 2013 г.); международной научной конференции «Гидродинамика больших скоростей и кораблестроение» (г. Чебоксары, 2013 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, в числе которых 4 статьи в рецензируемых научных изданиях из списка, рекомендованных ВАК РФ.

Личный вклад автора. Соискатель участвовал в постановке и решении всех задач, представленных в диссертации. Основные результаты диссертации получены лично соискателем под руководством д.т.н. B.JI. Федяева.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 182 страницах машинописного текста, содержит 13 таблиц и 29 рисунков. Она состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 146 наименований, 3 справок о внедрении результатов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и практическая значимость рассматриваемой проблемы, сформулированы цель и задачи исследований, изложены основные научные результаты и положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе, которая носит обзорный характер, приводится классификация испарительных градирен, отмечаются особенности их устройства, обсуждаются преимущества и недостатки градирен, описываются основные технологические элементы - водораспределительные системы, оросители (насадки), каплеуловители.

Обсуждаются также математические модели процессов гидроаэродинамики и тепломассообмена, протекающих при охлаждении оборотной воды в градирнях (B.C. Галустов, А.Г. Лаптев, А.Б. Мазо, Р.И. Нигматулин, B.JI. Федяев и др.). Установлено, что для описания этих процессов в пластинчатых оросителях имеются упрощенные модели, учитывающие взаимодействие пленок воды и паровоздушной среды, на поверхности контакта которых задаются условия прилипания и тепломассообмена (Г.В. Дашков, А.Д. Солодухин, А.И. Петручик, С.П. Фисенко и др.). Как и в случае эжекционных (брызгальных) градирен, предложены численные методы интегрирования соответствующих систем уравнений.

Рассматриваются имеющиеся методики теплотехнических расчетов градирен, оценки эффективности их работы (Ю.И. Арефьев, Л.Д. Берман, P.E. Гель-фанд, В.А. Гладков, Г.П. Мандрыкин, Ф. Меркель, Д.Г. Пажи, B.C. Пономарен-ко, Б.В. Проскуряков, Е.И. Прохоров, Б.Л. Свердлин и др.). В случае оросительных градирен при отыскании температурного перепада охлаждаемой воды решаются тепловая и аэродинамическая задачи. Для этих методик характерно то, что при определении вспомогательных параметров необходимо обращаться к табличным данным, графикам, номограммам. Теплотехнические расчеты градирен, производимые с использованием индивидуальных графиков охлаждения (нормативных характеристик), возможны, как правило, лишь для типовых градирен. Построение графиков для новых типов и реконструированных градирен производится только по результатам их натурных испытаний. Большинство имеющихся критериев эффективности работы градирен не учитывают в явной форме основные факторы, влияющие на степень охлаждения воды; не отражают в полной мере особенности работы градирен.

В заключение главы обсуждаются способы повышения эффективности работы испарительных градирен, перспективность определенных вариантов их реконструкции, модернизации.

Во второй главе рассматривается математическая модель испарительного охлаждения пленок воды, стекающих по вертикально расположенным парал-

лелыго друг другу пластинам пленочно-капельного оросителя градирни, и падающих вниз между ними капель, обдуваемых восходящим парогазокапельным потоком.

Расчетная область оросителя показана на рис. 1. Здесь нижним индексом 1 отмечены величины, относящиеся к пленке воды, нижними индексами 2 и 3 - соответственно, парогазокапельному потоку, представляющему собой смесь воздуха и пара с увлекаемыми за собой мелкими каплями воды, и падающим каплям воды; 5„ и 8, - толщина пленки воды на входе и выходе из расчетной области, м; м10, и21, м30 - соответственно, скорость пленки воды, парогазокапельного потока, падающих капель воды на входе в расчетную область, м/с; l,l,= const — расстояние между каплями в вертикальном и горизонтальном направлении, м; g - ускоре-

Рис. 1. Расчетная область ние свободного падения, м/с2.

Согласно существующих рекомендаций неблагоприятными для работы промышленных градирен являются атмосферные условия в теплый период года, когда температура атмосферного воздуха по сухому термометру =20 + 25 °С, относительная влажность (р4 =0.50+0.70, барометрическое давление р, = 99.32 кПа. Как следует из практики эксплуатации градирен, для указанных параметров воздуха при температуре воды на входе в градирню tw - 30+40 °С температурный перепад воды At ~ 10 °С. Кроме того, обычно, высота оросителя /гор = 0.5 + 4.0 м, в пленочно-капельных оросителях толщина пластин 2s = 0.003 + 0.015 м, ширина зазора между пластинами 2s0 =0.01 + 0.07 м, плотность орошения дж =0.001 + 0.005 м3/(м2 с), средняя скорость парогазокапельной среды на входе в зазор между пластинами й21 ~qt =1.0+3.0 м/с (qt =Gt/Fop — средняя скорость воздуха в градирне в области оросителя; G. - объемный расход воздуха, м3/с; Fv — площадь орошения

градирни, м2), радиус падающих капель на входе в зазор между пластинами гю — 0.002 + 0.003 м. При средних значениях данных параметров и объемной концентрации увлекаемых воздушными потоками мелких капель воды много меньшей единицы, средняя скорость воды на входе в пленку «,0 =0.042 м/с, средняя толщина пленки 5 = 0.12-Ю"3 м, плотность парогазокапельной среды

о о с» о о

4 I"»

ф О ООО

■J'P

4 | | о о

я- -

р2 =1.2 кг/м3, соответственно, число Рейнольдса течения пленки равно ~30; число Рейнольдса турбулентного движения парогазокапельной среды ~2-103.

Следуя приведенным данным, уравнения, описывающие течение и охлаждение пленки воды,

«.^г^-рГ^г^/ч+я; (1)

ах ах ;

= (2)

ах

Здесь р, - плотность воды, кг/м3; р, - давление, Па; V, - кинематическая вязкость воды, м2/с; Д( ) = д2/дх2 + д2/ду2 - оператор Лапласа; g¡ - расход воды в

пленке, м^с; б," = р, — количество воды, испарившейся с поверхности

пленки на участке Ох,кг/(м-с); и* =-0, ■[/(*,')"Фа/ТО] ~ скорость испарения воды, м/с; р, - коэффициент массоотдачи на поверхности пленки и парогазокапельной среды, м4/(кг-с); 7*(0 — зависимость плотности насыщенного водяного пара от температуры, кг/м3; , /2 - соответственно, температура поверхности пленки, парогазокапельного потока, °С; <р2 - относительная влажность парога-зокапельного потока; а, - коэффициент температуропроводности воды, м2/с; 7| - температура воды в пленке, К.

Во входном сечении пленки и,0 = Зй10у ■ (50 - 0.5у)/8*, р, = рт, Г, = На поверхности пластины м, =0, дТ,/ду = 0. На выходе из расчетной области ди1/дх = 0, ЭГ,/Эх = 0. На поверхности раздела фаз ц,ди,/ду = ди2/ду, рх=рг-2\1гдмг1ду-сЩ\ Т^Т,', -11дт1/ду = аи-{т;-т2)-р,^,гле ц, -динамическая вязкость воды, кг/(м-с); р.2 - эффективная вязкость парогазокапельного потока, кг/(м-с); и2 — поперечная скорость парогазокапельного потока, м/с; а — поверхностное натяжение, Н/м; Л, - радиус кривизны поверхности пленки, м; Т' - температура поверхности пленки воды, К; А., - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); <Х12 - коэффициент конвективной теплоотдачи на поверхности пленки, Вт/(м2-К); Тг — средняя по сечению температура парогазокапельного потока, К; г — скрытая теплота парообразования, Дж/кг.

Уравнения, описывающие аэродинамику и нагрев восходящего парогазокапельного потока,

м2|1=_р.,|1+_Дц2+я_А. (3)

ах ах р2

¿М = 0; (4)

дх

0Х р 2Сг

Здесь У2 = У2 + \/т и аг=аг + с^ — соответственно, коэффициенты кинематической вязкости и температуропроводности, учитывающие эффективную турбулентную вязкость ут, м2/с, и температуропроводность аг, м2/с; и д3 - источ-никовые члены, описывающие механическое и тепловое воздействие падающих капель воды на парогазокапельный поток; с2 -удельная теплоемкость, Дж/(кг-К).

Предполагая, что поступающий со стороны пленки водяной пар распространяется по сечению мгновенно и равномерно, уравнение водяного баланса, при условии переноса пара только в продольном направлении, имеет вид

М+^р1г);+(,о_5Гр1г);=0) (6)

где р„ = Ф27*(/2) - плотность водяного пара, кг/м3; V), --(З3 • (р* -р„) - скорость испарения воды с поверхности капель, м/с; Р3-коэффициент массоотдачи на поверхности капель, м4/(кгс); р^ = 7*^3),/*-температура поверхности капли,°С.

На входе в расчетную область ($0 — 8,)"' |м2йу = -ы2], р2 = , Т2 = Г21,

р„ = р„,, где рп = рш — Ар,, Па; Арш - потери напора в градирне до входа в ороситель; Г21 = Тж + А Г,, АТш — температура атмосферного воздуха, характеризующая нагрев его в подоросительном пространстве (ДГ, ~ 0.0 К); р„, = ф217*(0> Ф21 = ф,. В плоскости симметрии парогазокапельного потока Эи2 /Эу = 0, дТ2 /ду = 0. На выходе из расчетной области Эи2 /дх = 0, дТ2/Эдг = 0. На поверхности раздела фаз Т2 = Т', -Х2 дТ2/ду = а12 • (7;* - Т2)- р,ги|, Я,2 = Х2 + . Уравнения, описывающие полет и охлаждение падающих капель воды,

о РЛ | 4-5Р2-(цг~»з). (7)

3 с1х ^

= (8)

Р/з

дх г2 Эг ^ Э г,

Здесь Ц2 =ц2+|ХТ,кг/(м-с); аг — эффективный коэффициент температуропроводности, учитывающий циркуляцию воды в капле, м2/с; г — радиальная координата в капле, м. На

входе в расчетную область и3 - и30 — 3 , = Т30 = Т^. В цен-

тре капли воды г2ЭГ3/Эг = 0. На поверхности капли Тг = Г,", -к}дТ}/дг = аа •(7^*-Г2)-р,П)з, где - эффективный коэффициент тепло-

проводности воды в капле, Вт/(м-К); а23 - коэффициент конвективной теплоотдачи на поверхности капли, Вт/(м2 К).

Для упрощения записанных задач гидроаэродинамики и тепломассообмена, решения их, выделяются характерные масштабы, осуществляется переход к безразмерным величинам. После ряда преобразований найденных аналитических зависимостей для теплогидроаэродинамических характеристик оросителя, упрощений находится соотношение для температурного перепада воды Аг = — г2 (/,, Г2 — температура воды, соответственно, на входе и выходе из градирни, °С)

Аг=* ■ [к0дм + (1.0 -к0+ кД)- А/3). (9)

Здесь О, = 0,/Сж , Ог = Оз/б, ; Сх и - соответственно, гидравлическая нагрузка на градирню, объемный расход воды в пленках и каплях, м3/с. Поправочный коэффициент к = 1.58 определяется с использованием нормативных характеристик башенной градирни БГ-1200, оборудованной двухъярусным асбе-стоцементным пластинчатым оросителем высотой /г^ = 2.45 м, при названных выше технологических параметрах, климатических факторах. Коэффициент к0 = (1.4 + ЗбОдя)'(1.15-О.О5(2.8-0,)г) характеризует осаждение на поверхности пленки воды части падающих в зазоре между пластинами капель. Температурный перепад охлажденной воды в пленках

где Т', Т2, <р2 - соответственно, средние по высоте оросителя температура по смоченному, сухому термометру, относительная влажность парогазокапельной среды; Д - коэффициент диффузии водяного пара, м2/с. Температурный перепад охлажденной в каплях воды

аг3 =1.85(ад/Р,С1)-(ет^Г •(1.о+д./з(8л.Г)-Ит;-)-ф2/(7;)], (п) где в случае сопел, направленных факелом вверх, Иж = йс + Аф, Ис — расстояние от верхней кромки оросителя до среза выходного отверстия сопла, м; Аф = кеНе - высота факела, м; кс - поправочный коэффициент, определяемый из справочной литературы; Нс — гидравлический напор при подходе потока воды к соплу, м. Для сопел, направленных факелами вниз, расстояние А, = 2\12СНС, цс - коэффициент расхода. Предполагается, что температура Т3' =Т'.

Найденные соотношения можно распространить на трубчатые оросители при расположении трубок вертикально, при этом = 0.43 Ц /рт, где /т — расстояние между трубками, м; рт — периметр сечения трубок, м.

Сопоставление результатов расчетов температурного перепада воды А? по формуле (9) с данными, найденными как по нормативным характеристикам ба-

шенных градирен БГ-2100, БГ-2600 и БГ-3200, оборудованных двухъярусным асбестоцементным пластинчатым оросителем высотой Лор =2.45 м, так и полученными при проведении натурных испытаний вентиляторной градирни СК-1200 с трубчатым оросителем из витых гофротруб высотой Л^ =1.4 м при

названных характерных параметрах эксплуатации градирен в теплое время года, показало, что в первом случае средняя относительная невязка равна 0.7 %, во втором -6%.

Вместе с тем, формулы (9)-(11) позволили вывить определенные закономерности. Так, при увеличении высоты оросителя температурный перепад А/, возрастает пропорционально й^2, а А?3 - Л^; с ростом толщины пластин 2л перепад А?, уменьшается в \/зА" раз. При увеличении плотности орошения перепад А/, уменьшается в раз, а при увеличении скорости воздуха ц% — увеличивается. При этом необходимо иметь в виду, что поскольку эффективность охлаждения определяется теплосъемом, характеризуемым величиной р^А/,^,, этот показатель при увеличении уменьшается всего лишь в д^2 раз. С ростом дж вода в каплях охлаждается хуже, но в меньшей степени, чем в пленках (А/3 ~ 1/^/3). При увеличении дж перепад А(3 увеличивается незначительно, поскольку величина 1/3(^А. )1/2 мала. С увеличением коэффициента вязкости V, перепад А/, возрастает, но сравнительно слабо, пропорционально V,1''6. Гораздо в большей степени и А/,, и Ы3 зависят от произведения р,с, и коэффициента диффузии Д, причем А/, обратно пропорционален р,с, и прямо пропорционален , а А/3 обратно пропорционален (р,с, )3/3 и пропорционален Д2.

В третьей главе приводятся усовершенствованная методика теплотехнических расчетов, аналитические зависимости для оценки эксплуатационных характеристик: температурного перепада охлаждаемой оборотной воды и теплового к.п.д. оросительных градирен.

Согласно традиционной методике теплотехнического расчета при отыскании температурного перепада воды АГ применяется зависимость:

где А, = С,/СЖ - относительный массовый расход воздуха,кг/кг; = £Е/сж , кг — поправочный коэффициент, предложенный Л.Д. Берманом; сж - удельная теплоемкость воды, Дж/(кг-°С); А = Лйор, А - эмпирический коэффициент, отражающий влияние конструктивных особенностей оросителя на его охлаждающую способность, м-1; т — показатель степени, характеризующий зависимость температурного перепада воды от отношения массового расхода воздуха к расходу воды. Средняя разность удельных энтальпий воздуха Д/^, Дж/кг,

Здесь Л - температурный перепад в слое оросителя высотой с11г; I" и / — соответственно, удельная энтальпия насыщенного и атмосферного воздуха, Дж/кг.

При выполнении теплотехнических расчетов находится относительный массовый расход воздуха Х7, который обеспечивает охлаждение воды на пробное значение температурного перепада воды А/п, и относительный массовый расход воздуха Я.А, соответствующий аэродинамическому сопротивлению градирни.

Величина А,т представляет собой отношение двух вспомогательных параметров и и X, последний из них находится как решение X = Х(У, Я, т) трансцендентного уравнения, где Г зависит от удельной энтальпии входящего в градирню воздуха, насыщенного воздуха на входе и выходе из градирни; Я = К(и,т). В существующих методиках это решение представляется в виде номограмм при т =0.3,0.4,..., 0.8, применимых для расчета вентиляторных и башенных градирен с оросителями различной конструкции. Однако ограниченность значений аргументов У, Л, т, при которых они построены, вызывает большие сложности. Учитывая, что параметр т характеризует поверхность соприкосновения теплоносителей, а значит, конструктивные признаки оросителя, найдена обобщающая зависимость:

Х = О.4У,02Д-<1!57И4126. (14)

Данное соотношение пригодно при 2 < У < 5, 0.6<Л< 1.6, 0.3</и<0.8. Указанные диапазоны изменения параметров У, Я соответствуют наиболее характерным режимам эксплуатации градирен в теплый период года.

Вместе с тем, отыскание параметров и, X упрощается, если воспользоваться аппроксимационными зависимостями для плотности у* = 7*(0> кг/м3, и давления насыщенного водяного пара р' - /?*(<), кПа. При характерных изменениях температуры охлаждаемой воды 15</<45 °С:

у"(г) = 6.3-10^(1428.571 +Г"!!), (15)

р'(0 = бЮ"4(2О63.333+Г15М). (16)

Соотношения (15), (16) полезны также при проведении аэродинамических расчетов, в частности, при определении плотности атмосферного на входе в градирню 7„ и нагретого воздуха на выходе у,г, величины ХА = у^д,/дж, где

=0-5(7.,+ 7, г)-

Достоверность представленного подхода подтверждается сопоставлением расчетных результатов температурного перепада воды А( с литературными данными для градирни с вентилятором ВГ70 («Градирни промышленных и

энергетических предприятий»: Справочное пособие / Под общ. ред. B.C. Поно-маренко, 1998 г.). Так, при температуре воды на входе = 32,35,40 "С относительная невязка не превышает 1.8 %.

Учитывая, что при характерных параметрах эксплуатации градирен в теплый период года в вентиляторных градирнях относительный массовый расход воздуха К = 1.0 +1.5, башенных — 0.5, а также полагая ks = 0.95, считая, что зависимость температуры воды t по высоте оросителя линейная, воспользовавшись более простыми, чем предыдущие, аппроксимационными зависимостями для плотности 7*(i) и давления p"{t) насыщенного водяного пара

y'(t)=y0+V, (17)

где при 25<i <40 °С 7„=-0.025 кг/м3, 7, =0.0019 кг/(м3-°С); при 192/< 26 °С 7„ =-0.01 кг/м3, 7, =0.0012 кг/(м3-°С);

P"{t) = p,+pf, (18)

где при 25 < t й 35 °С р0 = -3.04 кПа, р, = 0.24 кПа/°С; после ряда преобразований (13) для оценки At получим соотношение

1.0 + 0.5Л X" • tXiXzYi + ) (19)

Здесь х2 = ocp'r; а = 0.910 м3/кг; ф* - относительная влажность насыщенного воздуха (ф* ~ 1.0); с, - удельная теплоемкость сухого воздуха, Дж/(кг°С); ■£>, -температура атмосферного воздуха по сухому термометру, °С; км - поправочный коэффициент.

Сравнение результатов расчетов температурного перепада воды по формуле (19) с результатами, полученными с помощью (12) и (13), с названными выше литературными данными для градирни с вентилятором ВГ 70, показало, что

*л~1.0.

При сопоставлении результатов расчетов с данными натурных испытаний градирен CK-1200, оборудованных собранным из планок и щитов оросителем: h^ =4.5 м, А-0.324 м-1, /л = 0.73, убеждаемся, что минимальную относительную среднеквадратическую невязку, равную 6 %, обеспечивает поправочный коэффициент =0.69, а с оросителем из витых гофротруб: Аор=1.4м,

А = 0.614 м-1, т = 0.62 - поправочный коэффициент кы - 0.93, среднеквадра-тическая невязка равна 4.8 %.

Учитывая также, что при изменении барометрического давления в пределах (99.32±2) кПа влияние его на тепловой к.п.д. Г)6 = Д//(/, -т,) (г, - температура атмосферного воздуха по смоченному термометру, °С) незначительно, для оценки Т|Б получим зависимость:

т1Б=А//(^ + 0.31фи<§), (20)

где т> = Г, - О,; г> = тЗ, +23.95; ф = 1.0 - ф,, ф, - относительная влажность атмосферного воздуха.

С использованием приведенных выше зависимостей решены задачи определения рациональной конструкции и высоты оросителя. На рис. 2 показывается изменение температурного перепада воды А1, найденное с помощью соотношения (19), в зависимости от величины относительного массового расхода воздуха А. для современных оросителей двух типов: «Мунтерс» Евроформ (I тип), Л =1.072 м-1, /и = 0.71 >0.5 и сетчатых призм ПР50 (Птип), А = 0.971 м-1, т = 0.36 <0.5 одинаковой высоты Л^ =1.0 м.

Д/,°С 12.0

10.0

8.0

6.0

4.0

2.0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 X, кг/кг Рис. 2. Изменение Д/ для оросителей I (-) и II (—) типов при г, = 35 °С, -О, = 22.5 °С

Видно, что, ориентировочно, при X <0.8 охлаждающая способность оросителей Птипа (капельно-пленочных) выше, чем оросителей 1типа (пленочно-капельных), и наоборот. Следовательно, оросители П типа предпочтительнее применять в градирнях с малыми значениями X, например башенных, тогда как оросители I типа — в вентиляторных, для которых обычно Х>0.8.

Установлено, что при параметрах технологических =10000 м3/ч, =35 °С; климатических д, =24.5 °С, ф, =0.57, р. =99.32 кПа для обеспечения температурного перепада воды А/ = 6.5 °С в башенных градирнях БГ-1600 предпочтительнее применять капельно-пленочные сетчатые оросители, в частности, ПР50 высотой 1.85 м. Для того, чтобы обеспечить при применении пле-ночно-капельных оросителей, например, «Мунтерс» Евроформ, такой же теп-лосъем, высота их должна быть примерно на 30 % больше, чем названная выше высота капельно-пленочных оросителей.

В четвертой главе представляются технические решения по устройству градирен из унифицированных модулей, в которых реализуются эжекционный

(брызгальный), оросительный способы охлаждения оборотной воды и их сочетание; методика оценки теплотехнических характеристик этих градирен.

На рис. 3 на заднем плане показаны макеты четырех типов градирен, собираемых из модулей, макеты которых находятся на переднем плане (слева направо: базовый модуль, поперечноточный вентиляторный модуль, вентилятор, водосборный поддон). Эти градирни могут работать либо как отдельно стоящие градирни производительностью по воде до 600 м3/ч, либо в составе секционных градирен. Габаритные размеры базового модуля в плане составляют от 2x2 до 8x8 м. Градирни изготавливаются, в основном, из пластиковых материалов. Срок эксплуатации градирен 25+30 лет.

Рис. 3. Макеты модульных градирен

Для повышения эффективности работы, уменьшения капельного уноса в эжекционно-башенной градирне I типа (на рис. 3 первая, начиная слева), собираемой с использованием базового модуля и конфузора, задействуются дополнительно механизмы охлаждения воды, характерные для башенных градирен. В градирне располагается каплеуловитель, могут устанавливаться решетки для дополнительного дробления капель.

В градирне II типа реализуется общеизвестная противоточная схема охлаждения воды атмосферным воздухом, в основном, в оросителе. Над оросителем располагается разбрызгивающая напорная водораспределительная система, выше - каплеуловитель. Эксплуатационные затраты не превышают аналогичные показатели типовых вентиляторных градирен.

Верхний эжекционно-башенный модуль в градирне III типа дополняется поперечноточным вентиляторным, вентиляторные установки которого вклю-

чаются автоматически лишь при необходимости доохлаждешгя воды, поступающей из верхнего модуля. Модули имеют раздельную подачу атмосферного свежего воздуха. Следует заметить, что в поперечноточном вентиляторном модуле система водораспределения не устанавливается. Вода из верхнего в нижний модуль поступает через гидрозатвор. Эксплуатационные затраты несколько больше, чем для градирни I типа.

Следующая градирня IV типа наиболее энергоемкая, в ней постоянно работают вентиляторные установки верхнего противоточного модуля, а нижнего поперечноточного включаются при больших расходах охлаждаемой воды, высокой температуре, повышенной влажности атмосферного воздуха. Отличительная особенность градирни IV типа заключается в том, что вода охлаждается до максимально низких температур, практически недостижимых в известных типах градирен.

Использование в градирестроении принципа модульности представляется новым и перспективным направлением. К настоящему времени этот принцип в полном объеме не реализован. В результате проведения патентного поиска аналоги настоящей разработки не найдены.

Для оценки теплотехнических характеристик эжекционно-башенной градирни предлагается подход, согласно которого вначале при определенных допущениях находится сила, действующая на воздух со стороны вылетающих из форсунок капель воды, определяется температура капель на восходящих участках траекторий. Затем с учетом найденной силы тяги используются, как и в случае градирни II типа, приведенные выше аналитические зависимости для решения тепловой и аэродинамической задач, рассчитывается средняя скорость воздуха в градирне и температурный перепад воды. Достоверность этого подхода подтверждается удовлетворительным согласием расчетных результатов с данными натурных испытаний эжекционно-башенной градирни на базе СК-1200. Среднеквадратическая невязка равна 0.6 °С.

При отыскании температурного перепада воды в поперечноточном вентиляторном модуле градирен Ш, IV типов используется условие сходимости безразмерного критерия Меркеля, при этом средняя разность удельных энтальпий воздуха определяется с учетом поперечного тока теплоносителей, учитываются особенности устройства поперечноточного модуля при определении его аэродинамического сопротивления.

В таблицах 1 и 2, где 2 ~с1СжА/ - тепловая нагрузка, МВт; т|, = -показатель энергопотребления, приводятся эксплуатационные характеристики модульных градирен с габаритными размерами базового модуля в плане 4x4 м, рассчитанные для средних климатических параметров г. Нижнекамска (Республика Татарстан) в летнее время года и технологических условий, характерных для предприятий химии, нефтехимии. Условия охлаждения: температура нагретой воды = 37 °С, гидравлическая нагрузка Сж =166.4 м3/ч. Температура ат-

мосферного воздуха по сухому ■д,=24.6°С, смоченному термометру т, =18.2 °С, барометрическое давление р, =99.32 кПа. Эжекционно-башенные модули градирен оборудованы цельнофакельными форсунками, вентиляторные противоточный и поперечноточный модули — сетчатым оросителем ПР50 высотой 1.5 м.

Таблица 1

Тип градирни Высота градирни, м Температурный перепад воды М,°С Недоохлажденяе воды Г2 - Т,, °С Тепловой к.п.д. Лк

I 10.3 8.1 10.7 0.43

П 9.2 9.7 9.1 0.52

Ш 12.8 13.2 5.6 0.70

IV 11.7 14 4.8 0.75

Таблица 2

Тип градирни Мощность электродвигателей вентиляторных установок б,-103,МВт Тепловая нагрузка Q , МВт (Гкал/ч) Показатель энергопотребления Л,-Ю3

I 0 1.57 (1.35) 0

II 9 1.88 (1.62) 4.787

Ш 4 2.56 (2.20) 0.969

IV 13 2.71 (2.33) 4.793

Из приведенных результатов следует, что, в целом, тепловая эффективность модульных градирен высокая. За счет применения ступенчатого охлаждения воды в градирнях П1, IV типов тепловой к.п.д. г|Е, тепловая нагрузка Q возрастают, в среднем, на 53.6 %. Полагая, что вентиляторные установки попе-речноточного модуля градирен включаются половину летнего периода года, убеждаемся, что увеличение тепловой эффективности градирен Ш, IV типов практически не сопровождается опережающим ростом энергозатрат. В частности, переход от градирни Птипа к IV типу ведет к увеличению I], и 2 на 44.2 и 44.1 % соответственно, при этом затраты электроэнергии по показателю Л, возрастают всего лишь на 0.1 %.

Вместе с тем, обеспечение в градирне П типа эксплуатационных характеристик градирен Ш и IV типов за счет увеличения расхода прокачиваемого воздуха ведет к тому, что увеличение тепловой эффективности работы градирни П типа происходит при значительном росте энергозатрат: показатель энергопотребления Т|э возрастает более чем в 13 раз. Кроме того, неизбежно увеличива-

ются безвозвратные потери оборотной воды с капельным уносом из горловины градирни.

Сопоставительный анализ эксплуатационных характеристик модульных градирен, рассчитанных, при неизменных конструктивных параметрах, для технологических условий, присущих предприятиям энергетики, работы их в различных климатических районах России и стран СНГ, показал, что градирни I типа предпочтительнее эксплуатировать в холодных (г. Салехард), умеренных (г.Москва), умеренно-влажных (г.Владивосток) климатических районах РФ. Градирни III типа более подходят для работы в условиях холодного, умеренного, умеренно-влажного, жаркого сухого климата (г. Ташкент, Узбекистан), тогда как градирни IV типа в условиях теплого влажного (г. Батуми, Грузия), очень жаркого сухого климата (г. Ашхабад, Туркменистан). Переход от градирни II типа к IV типу на предприятиях энергетики сопровождается повышением Т1Б и 2, приблизительно, на 37.5и36.9%. При этом рост энергозатрат в градирне IV типа по показателю Т1, составляет около 3.8 %.

В дополнение отметим, что из анализа эффективности работы рассматриваемых градирен на предприятиях энергетики средней полосы России (г. Москва) следует, что градирни I типа с площадью орошения 64 м2 в секционном исполнении вполне могут быть использованы в системах оборотного водоснабжения небольших предприятий энергетики с мощностью установок 25+40 МВт. В «большой» энергетике, градирни I типа можно применять в качестве охладителя вспомогательного оборудования в локальных водооборотных циклах, дополнительного маневренного охладителя при регулировании мощности основного оборудования. Что касается применения градирен П, III, IV типов на предприятиях энергетики средней полосы России, в принципе, их можно использовать так же, как и градирни I типа.

Основные результаты и выводы:

1. Усовершенствована математическая модель и решена сопряженная задача гидроаэродинамики и тепломассообмена испарительного охлаждения стекающих по вертикальным пластинам пленочно-капельного оросителя градирни пленок воды, падающих вниз между ними капель в восходящих парогазока-пельных потоках. Впервые получены аналитические соотношения для расчета температурного перепада воды, охлаждаемой в градирнях с пленочно-капельным оросителем. Показано удовлетворительное согласие расчетных значений температурного перепада с нормативными характеристиками башенных градирен и данными натурных испытаний вентиляторной градирни СК-1200, относительная невязка составляет 0.7 и 6 % соответственно. Установлен характер изменения температурного перепада воды в зависимости от конструктивных и режимных параметров градирен, теплофизических параметров теплоносителей.

2. Усовершенствована существующая методика теплотехнических расчетов оросительных градирен за счет замены номограмм, табличных данных ап-проксимационными зависимостями. Предложенные зависимости позволяют компьютеризировать методики, минимизировать затраты времени и средств на выполнение многовариантных вычислительных экспериментов. Проведено сравнение результатов, полученных с помощью этой методики, с литературными данными, относительная невязка не превышает 1.8 %. Установлено, что в башенных градирнях предпочтительнее применять капельно-пленочные сетчатые оросители. Требуемую тепловую нагрузку в башенных градирнях БГ-1600 при характерных параметрах эксплуатации в теплый период года обеспечивает капельно-пленочный ороситель ПР50, рациональная высота которого составляет 1.85 м, тогда как для пленочно-капельных оросителей «Мунтерс» Евроформ высота должна быть примерно на 30 % больше.

3. Предложены соотношения для оценки температурного перепада охлаждаемой воды, теплового к.п.д. с достаточной полнотой отражающие их поведение в зависимости от основных конструктивных и режимных параметров, климатических условий окружающей среды. Сопоставление результатов, полученных с помощью предложенных соотношений с данными, найденными с использованием традиционных методов теплотехнических расчетов, при проведении натурных испытаний оросительных вентиляторных градирен показало, что эти соотношения обеспечивают удовлетворительную точность определения температурного перепада охлаждаемой воды и теплового к.п.д. градирен. Средне-квадратическая невязка не превышает 0.7 °С.

4. Разработаны технические решения по устройству градирен с использованием принципа модульности, в которых реализуются эжекционный (брыз-гальный), оросительный, а также поэтапный способы охлаждения оборотной воды. Основным преимуществом предложенных модульных градирен перед широко известными типами градирен являются простота конструктивных схем, удобство и сравнительно малые затраты при изготовлении, транспортировке, монтаже; высокая адаптируемость к меняющимся технологическим, метеорологическим условиям. Аналоги настоящей разработки не известны.

5. С помощью предложенных методик оценки теплотехнических характеристик модульных градирен подтверждена высокая тепловая эффективность их работы при приемлемых затратах электроэнергии, нагрузках на окружающую среду. Проведен сопоставительный анализ эксплуатационных характеристик, энергоэффективности модульных градирен при работе на предприятиях химии, нефтехимии средней полосы России, энергетики различных климатических районов территории РФ и стран СНГ. Показано, что применение предложенных схем поэтапного охлаждения воды позволяет увеличить тепловую эффективность градирен в среднем на 50 %, при этом затраты электроэнергии по показателю энергопотребления возрастают, ориентировочно, на 3 %. Представлены

рекомендации по применению определенных типов модульных градирен в системах оборотного водоснабжения предприятий энергетики, находящихся в разных климатических районах.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертации:

1. Власов Е.М. Совершенствование испарительных градирен систем оборотного водоснабжения промышленных предприятий / ФедяевВ.Л., Богат-кин В.И., Власов Е.М. // Энергетика Татарстана. - 2011. - №2 (22). - С. 44-47.

2. Власов Е.М. Оценка охлаждающей способности оросительных градирен / Федяев В.Л., Власов Е.М., Гайнуллина Р.Ф., Гайнуллин Р.Ф. // Известия вузов. Проблемы энергетики. - 2011. - №3-4. - С. 27-32.

3. Власов Е.М. Расчет эксплуатационных характеристик оросительных градирен / Федяев В.Л., Власов Е.М. // Тепловые процессы в технике. - 2012. - Т.4.

- №1. — С. 42-48.

4. Власов Е.М. Эффективность оросительных градирен / ФедяевВ.Л., Власов Е.М., Гайнуллин Р.Ф. // Вестник Международной академии холода. — 2012.

- №4. - С. 35-39.

Материалы конференций:

5.ВласовЕ.М. Пр1гменение методов идентификации при расчете технологических характеристик градирен / Власов Е.М., Федяев В.Л. // Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении. VI Школа-семинар мол. уч. и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова, 16-18 сентября 2008 г.

- Казань: Изд-во КГУ, 2008. С. 229-231.

6. Власов Е.М. Технологические характеристики оросителей градирен / Федяев В.Л., Гайнуллин Р.Ф., Гайнуллина Р.Ф., Власов Е.М. // Краткие сообщения XXVIII Российской школы «Наука и технологии». 24-26 июня

2008 г. Миасс. - Екатеринбург: УрО РАН, 2008. - С. 23-25.

7. Власов Е.М. Об оценке эксплуатационных характеристик оросительных градирен / ФедяевВ.Л., Власов Е.М., Гайнуллина Р.Ф. // Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-2009»: Материалы V Всероссийской науч.-техн. конф. Т.1. Казань, 12-13 октября

2009 года. Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 2009. - С. 590-593.

8.ВласовЕ.М. К оценке эффективности оросительных градирен // Материалы докладов V Международной молодежной научной конференции «Тинчу-ринские чтения» / Под общ. ред. д-ра физ-мат. наук, проф. Ю.Я. Петрушенко. -В 4 т.; Т.2. Казань, 28-29 апреля 2010 г. - Казань: Изд-во Казан, гос. энерг. ун-т, 2010. - С. 24-25.

9. ВласовЕ.М. Модульные миниградирни / ФедяевВ.Л., МоренкоИ.В., Власов Е.М., Гайнуллнна Р.Ф. // Материалы докладов ежегодной научно-практической конференции «Инновации РАН-2010». Казань, 1—4 июня 2010 г. - Казань: Изд-во «Слово», 2010. - С. 189-191.

10. Власов Е.М. К определению температурного перепада воды при расчете оросительных градирен // Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении. VII шк.-семинар мол. уч. и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова, 15-17 сентября 2010 г. - Казань: Изд-во Казанск. ун-та, 2010.-С. 255-258.

Власов Е.М. Повышение эффективности испарительных градирен на основе принципов модульной технологии // Материалы докладов VI Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» / Под общ. ред. д-ра физ-мат. наук, проф. Ю.Я. Петрушенко. - В 4 т.; Т.2. Казань, 27-29 апреля 2011 г. - Казань: Изд-во Казан, гос. энерг. ун-т, 2011. -С. 129-130.

12 .Власов Е.М. Моделирование и расчет характеристик пленочно-капельных оросителей градирен / ФедяевВ.Л., Власов Е.М. // Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-2011»: Материалы VI Международной науч.-техн. конф. Т.2. Казань, 12-14 октября 2011 года. Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 2011. - С. 589-595.

13. Власов Е.М. Оценка теплотехнических характеристик эжекционно-башенных градирен // Материалы докладов VII Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» / Под общ. ред. канд. техн. наук Э.Ю. Абдуллазянова. В 4-х т.; Т.2. Казань, 25-27 апреля 2012 г. - Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2012. - С. 127-128.

14.ВласовЕ.М. Моделирование и расчет охлаждения воды в градирнях с пленочно-капельным оросителем / Федяев В.Л., Власов Е.М. // Гидродинамика больших скоростей и кораблестроение: сборник тезисов Международной научной конференции. - Чебоксары: ЧПИ МГОУ, 2013. - С. 74.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,25. Усл. печ. л. 1,16. Тираж 120. Заказ Б 120.

Типография КНИТУ-КАИ, 420111, г. Казань, К. Маркса, 10

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Власов, Евгений Михайлович, Казань

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский

технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ» Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт механики и машиностроения Казанского научного центра Российской академии наук

На правах рукописи

04201451966

Власов Евгений Михайлович

АНАЛИЗ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ИСПАРИТЕЛЬНЫХ ГРАДИРЕН

Специальность: 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук Федяев Владимир Леонидович

Казань-2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. МОДЕЛИРОВАНИЕ, ИССЛЕДОВАНИЕ

___И ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ

ПРОМЫШЛЕННЫХ ГРАДИРЕН (ОБЗОР) 12

1.1. Классификация, особенности устройства градирен 12

1.2. Математические модели процессов испарительного охлаждения

воды в градирнях 20

1.3. Методики теплотехнических расчетов градирен 27

1.4. Способы повышения эффективности работы градирен 34

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ОХЛАЖДЕНИЯ ВОДЫ В ГРАДИРНЯХ С ПЛАСТИНЧАТЫМ ОРОСИТЕЛЕМ 43

2.1. Объект исследований 43

2.2. Основные уравнения, описывающие гидроаэродинамические, тепломассообменные процессы, протекающие при охлаждении воды 47

2.3. Формулировка сопряженных задач гидроаэродинамики

и тепломассообмена относительно безразмерных переменных 61

2.4. Оценка гидроаэродинамических характеристик оросителя 66

2.5. Оценка тепловых характеристик оросителя 74

2.6. Последовательность расчетов гидроаэродинамических и тепловых характеристик оросителя 81

ГЛАВА 3. РАСЧЕТ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОРОСИТЕЛЬНЫХ ГРАДИРЕН 89

3.1. Теплотехнические расчеты градирен по формулам и графикам 89

3.2. Оценка температурного перепада охлаждаемой воды и теплового к.п.д. градирен

3.3. Решение практических задач

ГЛАВА 4. МОДУЛЬНЫЕ ГРАДИРНИ С ПОЭТАПНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ ОБОРОТНОЙ ВОДЫ, МЕТОДИКИ ИХ РАСЧЕТА

4.1. Устройство, принцип работы модульных градирен

4.2. Методики теплотехнических расчетов модульных градирен

4.3. Результаты расчетов эксплуатационных характеристик модульных градирен

4.4. Сравнительный анализ эффективности работы модульных градирен на предприятиях энергетики различных климатических районов

ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

В современном мире обеспечение энергией, ресурсами отраслей хозяйства, промышленности сопряжено с огромными финансовыми, материальными и трудовыми затратами. Добыча, производство, транспортировка, потребление топливно-энергетических и других ресурсов требует все больших вложений. Поэтому рациональное использование, экономия энергии,ресурсов—важней- -ший фактор экономического роста и социального развития общества.

Решение вопросов энергоресурсосбережения на предприятиях, использующих оборотные системы технического водоснабжения, во многом зависит от эффективности работы градирен. Охлажденная в градирнях вода используется при конденсации отработанного пара и газообразных продуктов, охлаждении жидких сред, а также оборудования и механизмов в целях предохранения их от быстрого разрушения под влиянием высоких температур.

В настоящее время отвод низкопотенциального тепла с помощью градирен является самым дешевым способом [1]. Применение градирен в системах оборотного водоснабжения позволяет, по сравнению с прямоточными системами, уменьшить в 25-^50 раз потребление природной воды, сократить до минимума или исключить сбросы воды.

Различают испарительные, сухие и сочетание их - гибридные градирни. В испарительных градирнях охлаждение оборотной воды происходит при непосредственном контакте её с атмосферным воздухом, в основном, за счет испарения части воды. В сухих градирнях теплосъем осуществляется теплопроводностью через поверхность радиаторов в результате конвективного теплообмена.

В нашей стране более всего распространены испарительные градирни. Основными сдерживающими факторами широкого применения сухих, гибридных градирен являются сравнительно высокие стоимость, материалоемкость, энергозатраты при принудительной прокачке воздуха, транспорте воды.

Вопросами разработки конструкций градирен, повышения эффективности их работы, исследованием процессов, протекающих в градирнях при охлажде-

нии оборотной воды, занимаются НИИ ВОДГЕО, ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, НЦ нелинейной волновой механики и технологии РАН, ИММ КазНЦ РАН, Институт тепло- и массообмена им. A.B. Лыкова HAH Беларуси, КНИТУ-КАИ, КНИТУ, КГЭУ, ОРГРЭС, другие отечественные и зарубежные научные центры, университеты, проектные организации, фирмы.

Большой вклад в развитие градирестроения, теоретических основ и методов расчета градирен внесли Ю.И. Арефьев, Л.Д. Берман, B.C. Галустов, P.E. Гельфанд, В.А. Гладков, А.Г. Лаптев, А.Б. Мазо, Г.П. Мандрыкин, Ф. Мер-кель, Ю.С. Недвига, Р.И. Нигматулин, А.И. Петручик, Д.Г. Пажи, B.C. Понома-ренко, Б.В. Проскуряков, E.H. Прохоров, Б.Л. Свердлин, А.Д. Солодухин, Б.С. Фарфоровский, В.Л. Федяев, С.П. Фисенко и др.

В нашей стране большая часть градирен построена по проектам 6(Н70-х годов прошлого века. К настоящему времени многие из них находятся в неудовлетворительном, зачастую, плачевном состоянии; технические решения, заложенные в проектах этих градирен, устарели. В результате оборотная вода недоохлаждается, особенно в теплый период года, что ведет к уменьшению объемов, ухудшению качества выпускаемой продукции, перерасходу сырья, энергоресурсов и другим негативным последствиям.

Современные условия хозяйствования, образование экономически независимых структур, малых предприятий, резкое повышение стоимости топливно-энергетических и других ресурсов, а также уплотнение промышленной застройки, пуск новых производств на имеющихся промышленных площадках привели к необходимости использования систем водоснабжения с локальными водооборотными циклами, разделенных по принципу работы и требуемым параметрам охлаждаемой оборотной воды [2,3]. Основой таких систем являются малогабаритные градирни (миниградирни).

Из сказанного следует, что повышение эффективности действующих градирен, а также разработка новых современных градирен, которые были бы, с одной стороны, надежными и удобными в эксплуатации, максимально удовлетворяли производственным требованиям независимо от погодных условий,

других факторов; с другой стороны, просты в изготовлении, малозатратны, экологически безопасны является актуальной задачей.

Для развития поверхности соприкосновения охлаждаемой воды и атмосферного воздуха испарительные градирни оборудуются в зависимости от устройства и особенностей их работы специальными разбрызгивающими соплами для получения мелкодисперсного капельного потока; оросителями (насадками), в которых вода охлаждается в виде тонких пленок и капель.

Оросители обычно собираются из гладких пластинчатых элементов. С целью интенсификации процессов тепломассообмена используются такие приемы как создание волнистой, шероховатой, перфорированной поверхностей. Все чаще применяются гофрированные трубчатые, сильно разряженные (сетчатые) конструкции оросителей весьма сложной конфигурации.

В свете вышеизложенного целью настоящей работы является совершенствование методик расчета охлаждения воды в испарительных градирнях, выработка рекомендаций и технических предложений по повышению эффективности их работы.

Основные задачи:

-усовершенствование математических моделей гидроаэродинамических и тепломассообменных процессов, протекающих при испарительном охлаждении стекающих по вертикальным пластинам оросителя градирни пленок воды, падающих между ними капель, обдуваемых восходящим парогазокапельным потоком; получение аналитических зависимостей для определения теплогидро-аэродинамических характеристик теплоносителей;

-усовершенствование имеющихся методик теплотехнических расчетов оросительных градирен, их апробация;

- разработка градирен, позволяющих экономить материальные, энергетические и другие ресурсы с обеспечением высоких эксплуатационных характеристик, энергоэффективности.

Научная новизна

Практическая значимость

Результаты анализа испарительного охлаждения воды в градирнях с пластинчатыми оросителями расширяют практические представления о закономерностях протекающих в них процессов.

охлажденной воды на предприятиях химии, нефтехимии, металлургии, машиностроения, энергетики, других отраслей промышленности и хозяйства. Аналоги настоящей разработки не известны. Проведен патентный поиск, сформирована заявка на получение патента.

Результаты работы рекомендуются к использованию в Научном центре нелинейной волновой механики и технологии (Филиал ИМАШ РАН), ГНЦ РФ ОАО «НИИ ВОДГЕО» (г. Москва), Государственном научном учреждении «Институт тепло- и массообмена имени A.B. Лыкова Национальной академии наук Беларуси» (г. Минск), ОАО «Фирма ОРГРЭС» (г. Москва), ОАО «ВНИ-ПИэнергопром» (г. Москва), ПИ «Союзхимпромпроект» (г. Казань), ООО «Тат-НИПИЭнергопром» (г. Казань), ОАО «Нижнекамскнефтехим», ОАО «Казань-оргсинтез», ОАО «Генерирующая компания» (г. Казань), ОАО «ТГК-16» (г. Казань), ООО «Полимерхолодтехника» (г. Нижнекамск), ООО «Водопад» (г. Казань) и др. Результаты работы представляют интерес для инновационных структур, технопарков, предприятий малого бизнеса. В учебно-образовательном процессе результаты проведенных исследований рекомендуются к использованию в ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ», ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет», ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет» при проведении занятий по дисциплинам, в частности, «Тепломассообмен», «Теп-лообменные аппараты», «Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехноло-гиях» и др.

Результаты работы использованы в научно-технических отчетах по Федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-К2013 годы (гос. контракт №14JB37.21.0644); Приволжским филиалом ОАО «ВНИПИэнергопром» (г. Казань) при выполнении проектных работ по модернизации башенных градирен БГ-2100 Тоболь-

ской ТЭЦ филиала ОАО «Фортум», реконструкции исходной вентиляторной градирни ВГ 70 в комбинированную градирню на ОАО «Нижнекамский завод технического углерода»; предприятием ООО «Водопад» при совершенствовании конструкций оросителей, модернизации вентиляторных градирен СК-400 на ОАО «Казаньоргсинтез».

Проект «Модульные миниградирни» включен в базу данных «Промышленные инновации России» (№ 16-020-10) единого справочно-информационного фонда ФГБУ «Российское энергетическое агентство». Электронный адрес документа:

http://ecatalog.csti.yar.ш/doccontent.php?docNumber=l 6-020- 10&зоигсеГО=85355.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы представлялись и обсуждались на:

-VI, VII Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов академика РАН В.Е. Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (г. Казань, 2008, 2010 гг.);

- XXVIII Российской школе «Наука и технологии» (г. Миасс, 2008 г.);

- V Всероссийской научно-технической конференции Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-2009» (г. Казань, 2009 г.);

- V, VI, VII Международной молодежной научной конференции «Тинчу-ринские чтения» (г. Казань, 2010^-2012 гг.);

-научно-практической конференции «Инновации РАН-2010» (г. Казань, 2010 г.);

- VI Международной научно-технической конференции Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-2011» (г. Казань, 2011 г.);

- ежегодных научно-технических семинарах кафедры «Теплотехники и энергетического машиностроения» КНИТУ-КАИ (2008-^-2011 гг.);

-итоговой научной конференции КазНЦ РАН на секции «Механика и машиностроение» (г. Казань, 2013 г.);

-международной научной конференции «Гидродинамика больших скоростей и кораблестроение» (г. Чебоксары, 2013 г.).

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 14 работах, в числе которых 4 статьи в рецензируемых научных изданиях из списка, рекомендованных ВАК РФ.

Личный вклад автора

Соискатель участвовал в постановке и решении всех задач, представленных в диссертации. Основные результаты диссертации получены лично соискателем под руководством д.т.н. В.Л. Федяева.

Объем и структура работы

Диссертация изложена на 182 страницах машинописного текста, содержит 13 таблиц и 29 рисунков. Она состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 146 наименований, 3 справок о внедрении результатов.

ГЛАВА 1. МОДЕЛИРОВАНИЕ, ИССЛЕДОВАНИЕ И ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ ГРАДИРЕН (ОБЗОР)

1.1. Классификация, особенности устройства градирен

Градирни представляют собой гидротехнические сооружения для интенсивного охлаждения оборотной воды атмосферным воздухом [4]. В настоящее время в системах оборотного водоснабжения предприятий химии, нефтехимии, металлургии, машиностр�