Тепломассообмен при испарении и конденсации в аппаратах контактного типа тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ
|
Егорова, Наталья Владимировна
АВТОР
|
||||
|
кандидата технических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Москва
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2005
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.14
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи
Егорова Наталья Владимировна
ТЕПЛОМАССООБМЕН ПРИ ИСПАРЕНИИ И КОНДЕНСАЦИИ В АППАРАТАХ КОНТАКТНОГО ТИПА
Специальность 01.04.14 - теплофизика и теоретическая теплотехника
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
¿4'
Москва - 2005
Работа выполнена на кафедре «Теоретические основы теплотехники им. М.П. Вукаловича» Московского энергетического института (технического университета)
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Солодов Александр Павлович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Валуева Елена Петровна кандидат физ.-мат. наук, ст. науч. сотрудник Федюшкин Алексей Иванович
Ведущая организация: Филиал ОАО «Инженерный центр ЕЭС» -«Фирма ОРГРЭС»
Защита состоится: « » uJ&fA. 2005г в. /О час Ой мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.04 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 17, корпус Т, кафедра ИТФ, комната 206.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ)
Отзывы на автореферат, заверенные печатью, просим присылать по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., 14, Учёный Совет МЭИ (ТУ)
Автореферат разослан </бу> /saß 2005 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.157.04 кандидат физ.-мат. наук, доцент
Мика В.И.
2006 ~ « /его 9
3-Й &
Общая характеристика работы
Актуальность проблемы. Работа посвящена исследованию процессов тепло- и массообмена при испарительном охлаждении воды в аппаратах контактного типа, в основном в испарительных градирнях. Распространенное применение градирен в энергетике и в крупных системах кондиционирования воздуха объясняется эффективным использованием принципа испарительного охлаждения при непосредственном контакте теплоносителей. В схемах тепловых и атомных электростанций современные градирни являются дорогостоящими и ответственными элементами, определяющими в существенной мере показатели эффективности энергетических установок в целом.
На практике для упрощения расчетов тепломассообмена в градирне до сих пор используются концепции, базирующиеся на модели Меркеля. Хотя в историческом плане соответствующие расчетные методики претерпели заметную эволюцию (Л.Д.Берман, Д.В. Сезерланд, Д.Е. Браун), однако до сих пор нет достаточно полной современной физической и математической модели тепломассообмена при испарительном охлаждении в градирне, реализованной в форме компьютерной модели, как удобного инструмента для проектировщиков и эксплуатационников.
Рассматриваемая проблема принадлежит к классу задач двухфазного тепломассообмена в многокомпонентных средах. Испарение (или конденсация) происходит в присутствии инертных газов. Парогазовый поток может содержать дисперсную конденсированную фазу.
Расходы и энтальпии теплоносителей, их температуры, а также концентрации компонентов паровоздушной смеси должны определяться как распределения по высоте насадки. Плотность теплового потока на границе раздела и скорость испарения (или конденсации) должны рассчитываться как локальные характеристики в зависимости от геометрии каналов, локальной скорости парогазовой смеси, значений температуры в ядре потока и на поверхности раздела фаз, концентраций компонентов парогазовой смеси в ядре потока и на поверхности раздела фаз.
Необходимо учитывать, что градирни функционируют при значительных вариациях температуры и влажности атмосферного воздуха вследствие погодных и сезонных изменений, а также климатических различий.
Важной задачей при разработке расчетной модели является контроль изменения состояния парогазовой смеси при движении вдоль насадки, определение того, в какой форме - паровой, капельной (или, возможно, льда при низких температурах) находится влага. Диагностика состояний существенна как для точности расчета интенсивности тепломассообмена, так и в экологическом аспекте. Экологические проблемы наглядно проявляются в образовании облаков над градирнями, Ь ¿щма^д^н^удщнии приземной
I БИБЛИОТЕКА
¿"^^
концентрации влаги, 2 возникающем иногда искусственном гололеде вблизи станций.
Движение воздуха в градирнях тепловых станций обеспечивается естественной тягой, величина которой зависит от состояния влажного воздуха на выходе из насадки и не может быть рассчитана независимо от процессов тепломассообмена, интенсивность которых в свою очередь определяется скоростью циркуляции. Таким образом, расход воздуха через градирню является важным внутренним параметром задачи и должен быть определен посредством специальной вычислительной процедуры.
Учитывая комплексный характер и сложность проблемы, а также ее практическую значимость, следует признать разработку физической и математической модели контактных теплообменников, в том числе испарительных градирен, актуальной задачей.
Целью работы является исследование процессов конвективного тепломассообмена в контактных аппаратах, разработка адекватной математической модели и ее реализация в виде компьютерного кода, позволяющего исследовать и оптимизировать режимы работы градирен.
Достижение поставленной цели в диссертации потребовало решения следующих задач:
• провести анализ существующих методик расчета;
• разработать адекватную физическую и математическую расчетную модель процессов тепломассообмена и сопротивления при испарительном охлаждении в аппаратах с естественной тягой;
• разработать алгоритм и компьютерную программу для расчета контактного тепломассообмена в градирне, позволяющую находить параметры теплоносителей по высоте насадки, учитывать потери воды на испарение, проводить диагностику состояния парогазовой смеси, учитывать образование дисперсной фазы, определять расход воздуха через градирню (для аппаратов с естественной тягой);
• провести численные эксперименты по оптимизации режимных параметров и определить влияние температур теплоносителей, расхода жидкости, концентрации влаги в паровоздушной смеси на эффективность работы градирни;
• провести численные эксперименты по оптимизации конструктивных характеристик градирни, а именно, определить влияние высоты контактной насадки и толщины зазора между листами на охлаждающий эффект градирни;
• выявить особенности режимов контактных теплообменников, связанные со спецификой тепломассообмена в двухфазных двухкомпонентных средах, которые могут негативно сказываться на работоспособности контактных аппаратов,. . ,
! '
Объект исследования: контактный тепломассообмен при испарении и конденсации.
Предметом исследования является тепло- и массообмен в контактных испарительных и конденсационных аппаратах с насадками, таких как градирни - установки для испарительного охлаждения циркуляционной воды на ТЭС и АЭС, или контактные конденсаторы на выхлопе парогазовых установок и т.п.
Методы исследования. В диссертационной работе для исследования процессов тепло- и массообмена при испарении (конденсации) парогазовой смеси использован метод математического моделирования, решение получается численными методами, результаты сопоставлены с экспериментом.
Научная новизна. В диссертации получены следующие новые научные результаты:
• разработана универсальная методика расчета процессов тепломассообмена при испарении (конденсации) в контактных теплообменниках с насадками, при прямоточной или противоточной организации потоков теплоносителей;
• разработана методика расчета расхода воздуха через градирню с естественной тягой, определяемого из условия равенства гидравлического сопротивления в градирне и гидростатического напора, возникающего благодаря разности плотностей теплого влажного воздуха в башне и холодного воздуха снаружи;
• разработаны алгоритм и блоки вычислительной программы для диагностики состояния парогазовой смеси при движении в насадке, позволяющие учитывать образование дисперсной жидкой фазы (тумана, капельной влаги) в результате пересыщения паровоздушной смеси;
• разработана и программно реализована дифференциальная математическая модель испарительного охлаждения в градирнях, позволяющая рассчитывать изменение параметров теплоносителей по высоте насадки, учитывать потери воды на испарение, проводить диагностику состояния парогазовой смеси, учитывать образование дисперсной фазы, определять расход воздуха через градирню (для аппаратов с естественной тягой);
• разработаны рекомендации по оптимизации режимных и конструктивных характеристик градирни, а именно, по влиянию температур теплоносителей, расхода жидкости, степени насыщения воздуха, высоты контактной насадки и толщины зазора между листами на охлаждающую способность градирни.
Достоверность результатов исследования обусловлена корректностью и современным уровнем физической и математической постановки задачи, тестированием вычислительной программы и верификацией компьютерной модели посредством сопоставления расчетных результатов с
экспериментальными данными, полученными в результате энергетического обследования градирен 'А №4 ТЭЦ-8 г. Москва.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработана математическая и компьютерная модель контактного тепломассообмена, позволяющая исследовать режимы работы градирни методом численного эксперимента в широком диапазоне параметров, рассчитывать локальные (по высоте насадки) характеристики потоков воды и паровоздушной смеси, проводить оптимизацию режимных и конструктивных параметров. Выявлены факторы, влияющие на эффективность испарительного охлаждения циркуляционной воды. Предложены рекомендации по оптимизации режимных и конструктивных характеристик градирни.
Разработанное программное обеспечение может быть рекомендовано для проведения расчетов при проектировании и модернизации градирен, а также с целью диагностики их функционирования.
Материалы диссертационной работы использовались при создании электронного учебника «Теплообмен в энергетических установках» (www.thermal.ru). Компьютерная модель расчета градирни принята к реализации на сайте www.vpu.ru/mas и рекомендуется для применения согласно информационному письму Департамента генеральной инспекции по эксплуатации электрических станций и сетей РАО «ЕЭС России» № ИП-10-2004 от 23.01.2004 для руководителей АО-энерго, АО-электростанций, АО ГВЦ «Энергетики», проектно-изыскательских и научно-исследовательских АО.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на:
1. III Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности теплоэнергетического оборудования» (г. Иваново, 21-22 ноября 2002 г.);
2. Девятой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 4-5 марта 2003 г.);
3. XIV Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И.Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (г. Рыбинск, 26-30 мая 2003 г.);
4. На научно-техническом совете станции ТЭЦ - 11 (г. Москва, июнь 2003);
5. V Минском международном форуме по тепло- и массообмену (г. Минск, Беларусь, 24-28 мая 2004 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ. Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка, состоящего из 76 наименований, приложения. Основной текст изложен на 135 страницах, включает 36 рисунков, 13 таблиц. Общий объём диссертации 148 страница.
Содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель исследования.
В первой главе выполнен обзор научно-технической литературы по проблеме тепломассообмена в двухфазных многокомпонентных средах, в основном применительно к контактным аппаратам испарительного охлаждения, таким как градирни. Эта область прикладного тепломассообмена особенно актуальна в связи с тем, что системы охлаждения конденсатора с градирнями определяют в значительной мере располагаемую мощность и КПД тепловых электростанций, технико-экономические показатели их работы - выработку электроэнергии и расход топлива.
В устройствах испарительного охлаждения, таких как градирни, тепломассообмен в парогазовой среде является основным процессом, лимитирующим эффективность этих установок. Расчетная модель испарительной градирни впервые была предложена Меркелем (Е.Мегке1, 1925г.). Ввиду сложности процессов испарительного охлаждения Меркелем были приняты некоторые допущения и упрощения:
• предполагается, что потерей воды при испарении можно пренебречь;
• предполагается полная аналогия процессов тепло- и массообмена и постулируется пропорциональность теплового потока разности энтальпий влажного воздуха в двух характерных состояниях; значения коэффициента пропорциональности имеют чисто эмпирическое происхождение;
• предполагается, что воздух на выходе из градирни насыщен водяным паром, то есть <3=100%, и характеризуется только энтальпией.
Анализ публикаций показал, что модель Меркеля является основой для большинства современных методик расчета градирен. Несмотря на то, что работа Меркеля базируется на ряде существенных допущений, она долгое время использовалась и используется в настоящее время проектными организациями для расчета, благодаря относительно простой методике расчета.
Лабораторные аэротермические исследования проводятся различными организациями на различных установках и по отличающимся друг от друга методикам. Вследствие этого полученные результаты являются неоднозначными. Поскольку при лабораторном исследовании практически невозможно строго удовлетворить одновременно всем требованиям теории подобия, то выделяют ограниченный набор наиболее важных параметров. Натурное исследование градирен дает более надежные результаты для конкретной установки, поскольку многочисленные актуальные параметры изменяются одновременно. Однако результаты экспериментов трудно обобщить и интерпретировать и сложно определить степень влияния конкретного параметра на охлаждающуюся способность градирни.
Для ряда типовых проектов градирен составлены индивидуальные графики, которые являются технологическим паспортом градирни, с помощью которого определяется температура охлажденной воды. Расчет градирен по графикам может производиться только для тех типов и конструкций, для которых эти графики составлены. При реконструкции градирен с заменой насадок к графику охлажденной воды должны быть введены поправочные коэффициенты. Принимая во внимание последнее замечание, составленные графики не могут быть использованы для проектирования новых типов градирен и для их реконструкции.
Анализ существующих подходов к моделированию процессов тепломассообмена и гидравлики в градирне показал, что разработка математической и компьютерной модели градирни является актуальной задачей.
Во второй главе представлена методика расчета тепломассообмена при испарении (конденсации) парогазовой смеси в насадке, учитывающая наличие инертных газов в парогазовой смеси; специальный параграф посвящен гидродинамике стекающих пленок.
Для расчета трения и тепломассообмена в насадке применялись приближенные соотношения интегрального метода. Параметр проницаемости Ь( вводился согласно определению как
где 7 - плотность поперечного потока массы (скорость испарения/ конденсации), jDv -плотность диффузионного потока пара на поверхности раздела, Су/ и Ст0 - концентрации пара в потоке и на межфазной поверхности, - число Стантона диффузионное, иа - скорость парогазового потока. Для двухфазной системы «вода - парогазовая смесь» с полупроницаемой границей имеет место специальное выражение для параметра проницаемости через характерные значения концентрации:
где Мш/ - отношение концентрации газа в потоке С800 к концентрации газа на поверхности раздела фаз Сг/. Влияние поперечного потока массы учитывалось корректирующим фактором У:
0)
(2)
Ч^ОО Лед..
который задает отношение истинного и стандартного значений чисел Стантона при одинаковых значениях числа Re0.. , подсчитанного по толщине потери концентрации. Корректирующий фактор У рассчитывался по формуле Кутателадзе-Леонтьева:
Т
_ 4(2 + - 2^/1 + 2>))
(4)
Для развивающихся течений расчетные соотношения записывались в следующей форме:
=StD 0 ■Ч/Х;Ч/Х = ^—-т-г——^"Ттт^;-^- = ло,у=о ""I"^Гf'^'
где St0i/=0 означает расчет по соотношению, применяемому в пределе нулевого поперечного потока массы. Аналогичная корректировка использовалась для теплоотдачи и трения.
В качестве основы для проведения гидродинамических расчетов стекающих жидких пленок в насадках предложена универсальная аппроксимация для определения толщины пленки жидкости, находящейся под действием гравитационных и сдвиговых сил. В результате были получены универсальные аппроксимации толщины пленок в зависимости от организации потоков:
• однонаправленного действия гравитации и сдвига (UF, unit-directional forces):
ЦяеЛ ■ — (Re f, SSF')
7 4 J 'grav J 4 J 'shear
1 0 * о
' (5)
JP
f-(ReF,SSF)UF =
\lg J Vs
g 7
+
s_ y'g
'shear
противоположного действия гравитации и сдвига (OF, opposite forces): 8 \ 8
L
-(ReF,SSF)OF =
^{Ref) .±{Ref,SSF)
I \ J 'grav J \ J >i
shear
Klg
Wr-v -(fK^^
\2
'shear
(6)
Поскольку толщина пленки - убывающая функция от действующих факторов (гравитации, сдвига), была принята следующая форма интерполяционного соотношения:
/ \ 1 2 ± Г 1 )
К вНеат /
где знак минус относится к случаю противоположного направления (ОР). Суммирование этих эффектов с нужным знаком дает результирующее значение толщины пленки. Полученные зависимости являются частью развиваемого программного обеспечения для испарительных градирен со стекающими пленками.
Третья глава посвящена разработке дифференциальной модели испарительного охлаждения в градирнях. Сформулированная математическая модель может быть распространена и на более общие схемы контактных аппаратов, например, когда возможен тепломассообмен не только между фазами, но и с окружающей средой.
Исходными параметрами для математической модели являются:
• расход и температура tfln воды на входе в градирню;
• параметры атмосферного воздуха: давление ртт температура /у т и степень насыщения Ба&ое/на входе в градирню;
• геометрические характеристики: высота тягового участка над насадкой Нех, высота насадки Нрась поверхность контакта в насадке в расчете на единицу объема 1тег/асеУо1, пористость насадки Рог.
В результате вычислений на компьютерной модели определяются:
• температура воды на выходе из насадки С/№„ т.е. степень охлаждения в градирне;
• потеря воды за счет испарения АС/, расход воздуха через градирню (7г (для аппаратов с естественной тягой);
• параметры воздуха на выходе из насадки, а именно, температура и%ои1, степень насыщения 8а1Сое/ои„ возможное содержание конденсированной влаги йф
Схема потоков теплоносителей и взаимодействия между ними показана на Рис. 1. Охлаждаемая вода (/) стекает по элементам насадки вниз в виде тонкой пленки. Температура поверхности раздела фаз принимается равной среднемассовой температуре воды т.е. предполагается, что термическое сопротивление пленки мало, а скорость переноса контролируется процессами в газовой фазе, т.е. в парогазовом потоке с высоким содержанием инертного газа. Величины с тремя индексами (у, g, сС) относятся к подсистеме «пар-воздух - дисперсная влага». Предполагается, что дисперсная жидкая фаза (индекс «с/») образуется в результате возможного пересыщения паровоздушной смеси.
Рис. 1. Потоки теплоносителей в насадке и их взаимодействие; G (in - на входе,
out - на выходе), кг/(м2с);/- жидкая фаза, вода из конденсатора, g - сухой воздух, v - водяной пар в паровоздушной смеси, d - дисперсная жидкая фаза в
паровоздушной смеси; gVoi - объемная скорость испарения, кг/(м3с).
В основе математической модели лежат формулировки законов сохранения массы и энергии для потоков теплоносителей, т.е. для паровоздушной смеси с включением дисперсной влаги и для охлаждаемой воды.
Законы сохранения для расхода и потока энтальпии в дифференциальной форме:
iG'(zHiGjz)+iGd(z)), (8)
(9)
Расходы (массовые скорости) G/, Gg считаются величинами со знаком (G/ -отрицательная величина на Рис. 1).
Потоки энтальпии определяются потоками массы и температурами компонентов, причем достаточную точность для определения удельной энтальпии компонентов обеспечивают приближенные аппроксимации:
hJ=cP,f'f(z)' hv = г 0 +cp,v'v(z^
(10)
/г„=с t (z); h,=c rt (z). g p,g v1 d p,f v1 '
После подстановок получаем следующие зависимости для расчета потоков энтальпии через температуры и расходы:
Hf(z) = Gf(z) cpfíf(z)-
H .(i) = G с t (z) + G (z)[rn+c t (z)\+G,(z)c л (zj. vgd' ' g p,g v ' v' 'VO p,v v1 ч rf' ' p,f v' '
(П)
Изменение параметров потоков по высоте насадки происходит в результате процессов тепломассообмена между парогазовой средой и жидкой фазой (Рис. 2):
Нормаль к поверхности * раздела
Рис. 2. Схема процессов тепломассообмена в насадке; gvol - объемная скорость испарения, кг/(м3с), объемная плотность теплового потока, Вт/м3, и-температура потока жидкости, °С, и - температура парогазовой смеси, С.
Учитывается, что поток энтальпии через поверхность раздела фаз имеет две составляющие, а именно: тепловой поток, пропорциональный температурному напору «поверхность раздела- парогазовая смесь», и поток энтальпии, связанный с фазовым превращением на поверхности раздела. Величина последнего пропорциональна скорости испарения, определяемой разностью концентраций пара непосредственно у поверхности раздела и в основном потоке влажного воздуха. Таким образом, полный поток энтальпии через поверхность раздела Q, Вт/м3:
Q = 4voi + (го + СРУ1 f(z))gvoi> (12)
где qVo¡ - объемная плотность теплового потока, Вт/м3; г0 - теплота парообразования, Дж/(кг); cp v - изобарная теплоемкость водяного пара, Дж/(кг С); gya¡ - объемная скорость испарения, кг/(м3с).
Объемные плотность теплового потока и скорость испарения определяются по методике, описанной выше, и рассчитываются по формулам:
ÍCJ + G )
Svoi = gD " • StD ■ gFoKe ■ InterfaceVol -Ц- (13)
Por ) Mс,
Gg -Cp.g+Gv-Cp.v T . „ „ , Вт
Я Vol = ---- • St ■ qForce ■ Interface Vol, —. (14)
Por
M
Для развивающихся потоков движущие силы переноса с учетом корректировки на поперечный поток массы рассчитывались по формулам:
2
SForce =Vx-(Mg-l); qForce = ■ {tf -tv); = / ч ■ (15)
Для течений в длинных каналах со вдувом (т.е. при испарении) использовались формулы вида (3), (4)
I \ 4
Уравнения сохранения массы (8) и энергии (9) для контактирующих потоков совместно с уравнениями тепломассообмена между фазами (10) приводят к формулировке с четырьмя дифференциальными уравнениями - для массовых расходов и потоков энтальпии обеих взаимодействующих сред:
й (1?)
— Я/ (г) = -(<?Ко/ +(г0+с р^уС г)) гуы ) ;
~ нЧс1 (г) = Чуо! + ('о + СРУ1/ (г)) 8уы ■
Граничные условия для системы уравнений (17) записываются следующим образом:
• при г=0 (в нижнем сечении насадки) задаются температура воздуха и
влагосодержание, давление парогазовой смеси: *уи, 8шСое/т ртх\
• при г = Нраск (в верхнем сечении насадки) задаются расход и температура
воды: Gfm, ,„
Система дифференциальных уравнений (17) при необходимости может быть легко модифицирована для других схем контактных аппаратов, например, когда возможен тепломассообмен не только между фазами, но и с окружающей средой.
Дифференциальные уравнения (17) описывают соответственно:
• изменение расхода воды за счет испарения,
• соответствующее изменение расхода парогазовой смеси,
* изменение потока энталы"Т1!-и воды и
? изменение потока энтальпии парогазовой смеси вследствие тепломассообмена между жидкой и газообразной средой.
Интегрирование системы дифференциальных уравнений (17) составляет ядро вычислительной программы. Для противоточной схемы, как в градирне с естественной тягой, когда вода орошает насадку сверху, а парогазовая смесь поступает в нижнюю часть аппарата, условия на входе для воды ставятся в верхнем сечении насадки, а условия для потока воздуха - в нижнем сечении. Поэтому интегрирование системы нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений организуется как решение краевой двухточечной задачи. На каждом шаге интегрирования специальная вычислительная процедура осуществляет расчет температуры по значениям энтальпии, что является нетривиальной задачей для многокомпонентной двухфазной системы.
В компьютерной модели предусмотрен специальный алгоритм для диагностики состояния двухфазной двухкомпонентной среды. Учитывается возможность образования дисперсной жидкой фазы (тумана, капельной влаги) в результате пересыщения паровоздушной смеси.
Расход воздуха через градирню с естественной тягой определяется в оптимизационной вычислительной процедуре из условия равенства гидравлического сопротивления и гидростатического напора, возникающего благодаря разности плотностей теплого влажного воздуха в башне ^ ¡0р и холодного воздуха снаружи pyg,d<mn-
dPresist=dPgrav (18)
dp resist = dPm + dPout + Ф pack (19)
dPgrav = (Pvg,down ~ Pvg.top ) ' 8 'Hex (20)
где dpm - потери давления на входе воздуха в градирню, Па; dpoul - потери давления на выходе воздуха из градирни, Па; dp^ - потери давления в насадке, Па.
Реализация представленной адекватной математической модели градирни потребовала применения эффективных вычислительных средств и была осуществлена в математическом пакете Matlab. Графический интерфейс и локальная база данных спроектированы в программной среде MS Visual Basic (Рис. 3).
Рис. 3. Главное меню вычислительного комплекса Matlab&Visual Basic.
Результаты расчетов по компьютерной модели сопоставлялись с данными инструментального энергетического обследования градирен №3 и №4 ТЭЦ-8. Результаты расчета по компьютерной программе для градирни №3 представлены на Рис. 4.
5
I ! !
Water Air
Х-
I
I
tf^ = 32 7l76_
<9 2
" - Wmer j > Air
•t *"
•it__i_
; 08' oe^
mw'oeijos „
к
0 4--
[Gv.aiyGv„ j
I1
J ooe^-
О 0 02^ — —
qVol - О
f s
Рис. 4. Результаты расчета для градирни №3
Шесть графиков (Рис. 4) демонстрируют, как изменяются по высоте контактной насадки следующие характеристики:
• расход охлаждаемой воды (7/, кг/(м2с), и паро-воздушно-капельного потока (атмосферного воздуха) кг/(м2с), (график 1);
• температура воды ¡у, °С, и паровоздушной смеси iv, °С, (график 2);
• концентрации пара у поверхности раздела Cv,JHr/ и в ядре потока Cvjiow, а также концентрация, соответствующая насыщению Cvj\0M, sat (график 3);
• расход пара Gv, кг/(м2с), и скорость испарения gyoi, кг/(м3с),(график 4);
• степень насыщения SatCoef (график 5);
• объемные плотности теплового потока qyot, Вт/м3, и потока энтальпии через границу раздела фаз на стороне паровоздушной смеси Q, Вт/м3, (график 6).
Согласно расчетам:
- температура воды на выходе из градирни составляет tj= 32,7°С,
- расход воздуха через градирню Gg=l,44Kr/(M2c). Согласно эксперименту:
- температура воды на выходе из градирни = 33,4°,
- расчетная температура воды = 32,1°С.
Таким образом, из сопоставления расчетных параметров, полученных с использованием разработанной математической модели, с результатами испытаний можно сделать вывод о достоверности разработанной компьютерной модели градирни.
В четвёртой главе проведены численные эксперименты по исследованию характерных режимов испарительного охлаждения.
Целью численных экспериментов было выявить особенности режимов охлаждения циркуляционной воды в градирне, связанных со спецификой тепломассообмена в двухфазных двухкомпонентных средах. В серии расчетов вариациям подвергались температуры теплоносителей, расход охлаждаемой воды, высота насадки, толщина зазора между листами.
Парадоксальный режим, при сопоставлении с обычными теплообменниками, имеет место при одинаковых температурах теплоносителей на входе (Рис. 5). Как видно на графиках, по всей высоте насадки имеет место процесс испарения, благодаря которому температура воды убывает, несмотря на одинаковость исходных температур на входе.
Примечательным является немонотонный характер изменения температуры паровоздушной смеси: в нижней части насадки воздух охлаждается, в верхней - нагревается (график 2, Рис. 5). Пересечение температурных кривых теплоносителей для обычных теплообменников было бы невозможно. Разрешение видимого парадокса состоит в том, что имеются две движущие термодинамические силы: разность температур и разность концентраций.
Рис. 5. Немонотонное изменение температуры парогазовой смеси при одинаковых температурах теплоносителей на входе в противоточное контактное испарительное устройство
Как свидетельствует кривая скорости испарения (график 4, Рис. 5), по всей высоте насадки сохраняется концентрационная движущая сила одного знака, обеспечивающая диффузионный поток от поверхности раздела в парогазовую смесь. Испарение имеет место локально и там, где температуры теплоносителей сравниваются. Полный поток энтальпии 0 на границе раздела изменяется монотонно (график 6, Рис. 5), оставаясь направленным от воды в газовую среду. Аналогично изменяется тепловой поток в жидкой фазе вблизи поверхности раздела. Тепловой поток в парогазовой среде изменяет знак, в соответствии с изменением знака температурного напора «вода-газ».
Если при фиксированных параметрах охлаждающего воздуха на входе уменьшать расход воды, то возникают описанные выше режимы с немонотонным изменением температуры паровоздушной среды. Паровоздушный поток покидает теплообменник практически с той же температурой, с которой поступает на входе, однако с заметно увеличившимся содержанием пара (Рис. 6, а). При этом, вследствие эффекта испарения, температура воды значительно уменьшается. Неблагоприятной особенностью данного режима является протяженная зона адиабатического испарения, как видно из графика распределения температур по высоте насадки (Рис. 6. б).
40 г 30,
\Л/Яег
Лг |- -
Ш |
I
О 05 1 15 2 0 05 1 15 2
а) б)
Рис. 6. Локальные характеристики охлаждения при малом расходе воды а) изменение температуры воды °С, и паровоздушной смеси °С по высоте насадки; б) изменение степени насыщения БагСое/по высоте насадки.
Численные эксперименты показывают, что эффективное испарение может быть обеспечено и при высокой влажности поступающего охлаждающего воздуха. Насыщенный влажный воздух с капельной влагой (туман) при прохождении через насадку «подсушивается». Разумеется, речь идет об уменьшении относительного влагосодержания, поскольку происходит испарение воды в паровоздушную смесь, благодаря высокой концентрации пара непосредственно у поверхности раздела фаз.
Характерным показателем работы градирни является температура охлаждаемой воды на выходе из насадки Компьютерная модель была применена для поиска оптимальных высоты насадки (Рис. 7) и толщины зазора между листами (Рис. 8) при фиксированных остальных параметрах воздуха и воды.
тчгсирктигевмш«* нркМпд
\ ОрЬтип
ИМсСМрКТотрНШ И м
«
"Г
.I-
И
001 01315 0.02 0025 003
Рис 7 Численный эксперимент по оптимизации высоты насадки: 1 -зависимость температуры воды на выходе от высоты насадки; 2 -зависимость расхода воздуха от высоты насадки
Рис. 8 Численный эксперимент по оптимизации толщина зазора: 1 -зависимость температуры воды на выходе от толщины зазора; 2 -зависимость расхода воздуха от толщины зазора
Как видно из Рис. 7 для принятых условий наиболее глубокое охлаждение воды достигается при высоте насадки примерно 2,5 метра. Увеличение высоты насадки, так же как и ее уменьшение, ведет к повышению температуры воды на выходе из градирни. Естественное на первый взгляд стремление увеличить высоту насадки и, следовательно, контактную поверхность с целью увеличить степень охлаждения воды может привести к противоположному результату -уменьшению степени охлаждения, то есть к ухудшению работы градирни. Анализ правой части графика 1, Рис. 7 показывает, что увеличение высоты слоя контактной насадки приводит к относительному росту гидравлического сопротивления, следовательно, к снижению расхода и скорости охлаждающего воздуха и соответствующему уменьшению интенсивности тепломассообмена в насадке. Этот важный результат имеет существенное значение при проектировании и модернизации градирен с естественной тягой.
Численный эксперимент по исследованию толщины зазора между листами (Рис. 8) показывает, что для принятых условий наиболее глубокое охлаждение воды достигается при ширине канала 11,5 мм. Нахождение оптимальных значений параметров насадки в условиях естественной тяги является важным результатом численных экспериментов.
Заключение
В работе получены следующие основные результаты;
1. Разработана физическая и математическая модель тепломассообмена в контактных аппаратах, таких как испарительные градирни. Математическая модель включает уравнения сохранения массы и энергии для потоков теплоносителей, т.е. паровоздушной смеси и охлаждаемой воды, а также уравнения тепломассообмена между ними с учетом, влияния поперечного потока массы на интенсивность переноса. Математическая модель включает также уравнения для сопротивления и естественной тяги с целью расчета скорости потока воздуха.
2. Разработаны алгоритм и программный код в среде Matlab, обеспечивающие численное решение двухточечной краевой задачи для системы нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений четвертого порядка. Программный код включает функции для расчета теплофизических свойств теплоносителей, процедуры для диагностики состояния паровоздушной смеси, расчета температур и концентраций по значениям расходов и энтальпий на каждом шаге интегрирования, специальную процедуру для нахождения скорости паровоздушной смеси в аппаратах с естественной циркуляцией.
3. Компьютерная модель, реализованная как Windows-приложение, является мультипрограммным комплексом, включающим графический пользовательский интерфейс и локальную базу данных, разрабошнные в среде Visual Basic, а также вычислительное ядро и графический вывод в
20 Р - 8 6 8 в
среде Matlab. Компьютерная модель имеет ^^ ^ приспособленную к проведению оптимизацион 1 ¿ОАО альтернативных вариантов, благодаря возмс модификации кода программных блоков с це; геометрии насадки, ее тепломассообменных характеристик и т.п.
4. Компьютерное моделирование реальных установок и режимов и сопоставление с данными инструментального обследования градирен подтверждает обоснованность и достоверность модели.
5. Методом численных экспериментов исследованы характерные режимы установок испарительного охлаждения и проанализированы характерные распределения температур, концентраций, потоков по высоте насадки.
6. Методом численных экспериментов с компьютерной моделью исследовано влияние конструктивных параметров - высоты насадки и ширины каналов - на охлаждающую способность градирни. В обоих случаях найдены оптимальные значения, при которых температура охлаждаемой воды достигает минимума. Предложены рекомендации по оптимизации режимных и конструктивных характеристик градирни.
Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:
1.Солодов А.П., Романенко А.Н., Егорова Н.В. Расчетная модель тепломассообмена в градирне // 1П Всерос. науч.-практ. конф. "Повышение эффективности теплоэнергетического оборудования": Материалы конференции. 21-22 нояб. 2002 г. / Под ред. A.B. Мошкарина - Иваново: Иван. гос. энерг. ун-т, 2002. - С. 185-188.
2. Егорова Н.В., Солодов А.П. Математическая модель оптимизации режимных и конструктивных характеристик градирни // Девятая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика": Тез. докл. в 3-х т. Т. 3. 4 - 5 марта 2003 г. - Москва, 2003. - С.8-9.
3. Егорова Н.В., Ежов Е.В., Романенко А.Н., Солодов А.П. Одномерная дифференциальная модель тепломассообмена и гидравлики в контактных аппаратах // Труды XIV Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева. "Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках": В 2 т. - М., 2003. - Т.1 -С.232-235.
4. Солодов А.П., Романенко А.Н., Егорова Н.В., Ежов Е.В. Дифференциальная модель испарительного охлаждения в градирнях // V Минский международный форум по тепло- и массообмену. Тезисы докладов и сообщений в 2 т. Т.2. 24-28 мая 2004 г. - Минск, 2004. - С 321-322.
5. Солодов А.П., Романенко А.Н., Егорова Н.В., Ежов Е.В. Дифференциальная модель тепломассообмена в испарительных градирнях // Вестник МЭИ. -2005 - № 2 - С.43-53.
Подписано в печать /а' Cd- ChrЗак. Щ9 Тир. W0 П.л.
Полиграфический центр МЭИ (ТУ)
Красноказарменная ул., д. 13
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.
ВВЕДЕНИЕ.
1. СОВРЕМЕННОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О ПРОЦЕССАХ ТЕПЛОМАССООБМЕНА В АППАРАТАХ КОНТАКТНОГО ТИПА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.
1.1. Охлаждение циркуляционной воды в системе охлаждения конденсатора.".
1.2. Типы градирен.
1.3. Тепломассообмен и гидравлика в контактных аппаратах.
1.4. Модель Меркеля.
1.5. Анализ современных расчетных моделей испарительных градирен по литературным данным.
1.6. Расчет градирен по номограммам.
1.7. Постановка задачи исследования.
ВЫВОДЫ ПО ПЕРВОЙ ГЛАВЕ.
2. ТЕПЛОМАССООБМЕН И ГИДРОДИНАМИКА ПРИ ИСПАРЕНИИ (КОНДЕНСАЦИИ) ПАРОГАЗОВОЙ СМЕСИ В НАСАДКЕ.
2.1. Тепломассообмен в каналах.
2.2. Интегральные уравнения пограничного слоя.
2.3. Стандартные законы.
2.4. Влияние поперечного потока массы.
2.5. Соотношения для полупроницаемой поверхности.
2.6. Факторизованные соотношения для трения, массоотдачи, теплоотдачи.
2.7. Скорость испарения или конденсации.
2.8. Особенности испарения в каналах.
2.9. Гидродинамика стекающей жидкости.
ВЫВОДЫ ПО ВТОРОЙ ГЛАВЕ.
3. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ИСПАРИТЕЛЬНОГО
ОХЛАЖДЕНИЯ В ГРАДИРНЯХ.
3.1. Схема потоков теплоносителей в градирне.
3.2. Потоки массы и энтальпии.
3.3. Тепломассообмен.
3.4. Дифференциальная модель.
3.5. Вычислительная программа.
3.5.1. Исходные данные.
3.5.2. Входные параметры для расчета.
3.5.3. Расчет температур и расходов теплоносителей.
3.5.4. Расчет характерных концентраций.
3.5.5. Расчет теплового потока на межфазной границе.
3.5.6. Интегрирование системы дифференциальных уравнений.
3.5.7. Результаты вычисления.
3.6. Вычислительный комплекс Visual Basic & Matlab.
3.8.1. Главное меню программы.
3.8.2. Меню File.
3.8.3. Меню RegimeParameters.
3.8.4. Меню Geometry.
3.8.5. Меню Run.
3.8.6. Меню PartialProblems.
3.7. Инструментальное энергетическое обследование градирни.
3.8. Сопоставление с экспериментальными данными.
ВЫВОДЫ ПО ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ.
4. ЧИСЛЕННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ
ХАРАКТЕРНЫХ РЕЖИМОВ ИСПАРИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ.
4.1. Граничный режим с одинаковой температурой теплоносителей на входе
4.2. Испарительное охлаждение при малом расходе воды.
4.3. Испарительное охлаждение при повышенной влажности воздуха
4.4. Испарительное охлаждение в насадке значительной протяженности
4.5. Численные эксперименты по оптимизации высоты насадки.
4.6. Численные эксперименты по оптимизации толщины зазора.
4.7. Рекомендации по оптимизации режимных и конструктивных характеристик градирен.
ВЫВОДЫ ПО ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ.
Актуальность проблемы. Работа посвящена исследованию процессов тепло- и массообмена при испарительном охлаждении воды в аппаратах контактного типа, в основном в испарительных градирнях. Распространенное применение градирен в энергетике и в крупных системах кондиционирования воздуха объясняется эффективным использованием принципа испарительного охлаждения при непосредственном контакте теплоносителей. В схемах тепловых и атомных электростанций современные градирни являются дорогостоящими и ответственными элементами, определяющими в существенной мере показатели эффективности энергетических установок в целом.
На практике для упрощения расчетов тепломассообмена в градирне до сих пор используются концепции, базирующиеся на модели Меркеля. Хотя в историческом плане соответствующие расчетные методики претерпели заметную эволюцию (Л.Д.Берман, Д.В. Сезерланд, Д.Е. Браун), однако до сих пор нет достаточно полной современной физической и математической модели тепломассообмена при испарительном охлаждении в градирне, реализованной в форме компьютерной модели, как удобного инструмента для проектировщиков и эксплуатационников.
Рассматриваемая проблема принадлежит к классу задач двухфазного тепломассообмена в многокомпонентных средах. Испарение (или конденсация) происходит в присутствии инертных газов. Парогазовый поток может содержать дисперсную конденсированную фазу.
Расходы и энтальпии теплоносителей, их температуры, а также концентрации компонентов паровоздушной смеси должны определяться как распределения по высоте насадки. Плотность теплового потока на границе раздела и скорость испарения (или конденсации) должны рассчитываться как локальные характеристики в зависимости от геометрии каналов, локальной скорости парогазовой смеси, значений температуры в ядре потока и на поверхности раздела фаз, концентраций компонентов парогазовой смеси в ядре потока и на поверхности раздела фаз.
Необходимо учитывать, что градирни функционируют при значительных вариациях температуры и влажности атмосферного воздуха вследствие погодных и сезонных изменений, а также климатических различий.
Важной задачей при разработке расчетной модели является контроль изменения состояния парогазовой смеси при движении вдоль насадки, определение того, в какой форме - паровой, капельной (или, возможно, льда при низких температурах) находится влага. Диагностика состояний существенна как для точности расчета интенсивности тепломассообмена, так и в экологическом аспекте. Экологические проблемы наглядно проявляются в образовании облаков над градирнями, в возможном увеличении приземной концентрации влаги, в возникающем иногда искусственном гололеде вблизи станций.
Движение воздуха в градирнях тепловых станций обеспечивается естественной тягой, величина которой зависит от состояния влажного воздуха на выходе из насадки и не может быть рассчитана независимо от процессов тепломассообмена, интенсивность которых в свою очередь определяется скоростью циркуляции. Таким образом, расход воздуха через градирню является важным внутренним параметром задачи и должен быть определен посредством специальной вычислительной процедуры.
Учитывая комплексный характер и сложность проблемы, а также ее практическую значимость, следует признать разработку физической и математической модели контактных теплообменников, в том числе испарительных градирен, актуальной задачей.
Целью работы является исследование процессов конвективного тепломассообмена в контактных аппаратах, разработка адекватной математической модели и ее реализация в виде компьютерного кода, позволяющего исследовать и оптимизировать режимы работы градирен.
Достижение поставленной цели в диссертации потребовало решения следующих задач:
• провести анализ существующих методик расчета;
• разработать адекватную физическую и математическую расчетную модель процессов тепломассообмена и сопротивления при испарительном охлаждении в аппаратах с естественной тягой;
• разработать алгоритм и компьютерную программу для расчета контактного тепломассообмена в градирне, позволяющую находить параметры теплоносителей по высоте насадки, учитывать потери воды на испарение, проводить диагностику состояния парогазовой смеси, учитывать образование дисперсной фазы, определять расход воздуха через градирню (для аппаратов с естественной тягой);
• провести численные эксперименты по оптимизации режимных параметров и определить влияние температур теплоносителей, расхода жидкости, концентрации влаги в паровоздушной смеси на эффективность работы градирни;
• провести численные эксперименты по оптимизации конструктивных характеристик градирни, а именно, определить влияние высоты контактной насадки и толщины зазора между листами на охлаждающий эффект градирни;
• выявить особенности режимов контактных теплообменников, связанные со спецификой тепломассообмена в двухфазных двухкомпонентных средах, которые могут негативно сказываться на работоспособности контактных аппаратов.
Объект исследования: контактный тепломассообмен при испарении и конденсации.
Предметом исследования является тепло- и массообмен в контактных испарительных и конденсационных аппаратах с насадками, таких как градирни -установки для испарительного охлаждения циркуляционной воды на ТЭС и АЭС, или контактные конденсаторы на выхлопе парогазовых установок и т.п.
Методы исследования. В диссертационной работе для исследования процессов тепло- и массообмена при испарении (конденсации) парогазовой смеси использован метод математического моделирования, решение получается численными методами, результаты сопоставлены с экспериментом.
Научная новизна. В диссертации получены следующие новые научные результаты:
• разработана универсальная методика расчета процессов тепломассообмена при испарении (конденсации) в контактных теплообменниках с насадками, при прямоточной или противоточной организации потоков теплоносителей;
• разработана методика расчета расхода воздуха через градирню с естественной тягой, определяемого из условия равенства гидравлического сопротивления в градирне и гидростатического напора, возникающего благодаря разности плотностей теплого влажного воздуха в башне и холодного воздуха снаружи;
• разработаны алгоритм и блоки вычислительной программы для диагностики состояния парогазовой смеси при движении в насадке, позволяющие учитывать образование дисперсной жидкой фазы (тумана, капельной влаги) в результате пересыщения паровоздушной смеси;
• разработана и программно реализована дифференциальная математическая модель испарительного охлаждения в градирнях, позволяющая рассчитывать изменение параметров теплоносителей по высоте насадки, учитывать потери воды на испарение, проводить диагностику состояния парогазовой смеси, учитывать образование дисперсной фазы, определять расход воздуха через градирню (для аппаратов с естественной тягой);
• разработаны рекомендации по оптимизации режимных и конструктивных характеристик градирни, а именно, по влиянию температур теплоносителей, расхода жидкости, степени насыщения воздуха, высоты контактной насадки и толщины зазора между листами на охлаждающую способность градирни. Достоверность результатов исследования обусловлена корректностью и современным уровнем физической и математической постановки задачи, тестированием вычислительной программы и верификацией компьютерной модели посредством сопоставления расчетных результатов с экспериментальными данными, полученными в результате энергетического обследования градирен №3 и №4 ТЭЦ-8 г. Москва.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработана математическая и компьютерная модель контактного тепломассообмена, позволяющая исследовать режимы работы градирни методом численного эксперимента в широком диапазоне параметров, рассчитывать локальные (по высоте насадки) характеристики потоков воды и паровоздушной смеси, проводить оптимизацию режимных и конструктивных параметров. Выявлены факторы, влияющие на эффективность испарительного охлаждения циркуляционной воды. Предложены рекомендации по оптимизации режимных и конструктивных характеристик градирни.
Разработанное программное обеспечение может быть рекомендовано для проведения расчетов при проектировании и модернизации градирен, а также с целью диагностики их функционирования.
Материалы диссертационной работы использовались при создании электронного учебника «Теплообмен в энергетических установках» www.thermal.ru). Компьютерная модель расчета градирни принята к реализации на сайте www.vpu.ru/mas и рекомендуется для применения согласно информационному письму Департамента генеральной инспекции по эксплуатации электрических станций и сетей РАО «ЕЭС России» № ИП-10-2004 от 23.01.2004 для руководителей АО-энерго, АО-электростанций, АО ГВЦ «Энергетики», проектно-изыскательских и научно-исследовательских АО.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на:
1. III Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности теплоэнергетического оборудования» (г. Иваново, 21—22 ноября 2002 г.);
2. Девятой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 45 марта 2003 г.);
3. XIV Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И.Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (г. Рыбинск, 26-30 мая 2003 г.);
4. На научно-техническом совете станции ТЭЦ - 11 (г. Москва, июнь 2003);
5. V Минском международном форуме по тепло- и массообмену (г. Минск, Беларусь, 24-28 мая 2004 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ. Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка, состоящего из 76 наименований, приложения. Основной текст изложен на 135 страницах, включает 36 рисунков. Общий объём диссертации 148 страница.
ВЫВОДЫ ПО ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ
• Разработанная компьютерная модель позволяет исследовать режимы работы градирни методом численного эксперимента в широком диапазоне параметров, проводить оптимизацию режимных и конструктивных параметров.
• Численные эксперименты отчетливо показывает особенности градирни как теплообменного аппарата контактного типа, функционирующего на принципе испарительного охлаждения.
• Зафиксированы режимы с немонотонным изменением температуры и пересекающимися температурными распределениями, что указывает на необходимость применения полных локальных дифференциальных моделей рассматриваемых сложных теплообменных устройств.
• На ряде примеров получены распределения параметров по высоте насадки с протяженными участками адиабатического испарения, что можно рассматривать как характерный признак неэффективности конструктивного выполнения градирни.
• Численные эксперименты с варьируемой высотой насадки и шириной зазора между листами выявили наличие оптимальных значений, для которых достигается наиболее глубокое охлаждение воды.
• При проектировании новых установок, а также при модернизации и реконструкции градирен можно рекомендовать проведение указанных оптимизационных расчетов, с учетом индивидуальных особенностей установок и климатических условий эксплуатации.
• Расчетные эксперименты при меняющихся в широких пределах параметрах теплоносителей (паро-воздушно-капельного потока и воды) показали, что изменения температуры, концентрации, содержания капельной влаги могут сложным образом изменяться по длине (высоте) насадки. Поэтому следует признать оправданным разработку дифференциальной модели, требующей применения компьютера для ее реализации.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе получены следующие основные результаты:
1. Разработана физическая и математическая модель тепломассообмена в контактных аппаратах, таких как испарительные градирни. Математическая модель включает уравнения сохранения массы и энергии для потоков теплоносителей, т.е. паровоздушной смеси и охлаждаемой воды, а также уравнения тепломассообмена между ними с учетом, влияния поперечного потока массы на интенсивность переноса. Математическая модель включает также уравнения для сопротивления и естественной тяги с целью расчета скорости потока воздуха.
2. Разработаны алгоритм и программный код в среде Matlab, обеспечивающие численное решение двухточечной краевой задачи для системы нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений четвертого порядка. Программный код включает функции для расчета теплофизических свойств теплоносителей, процедуры для диагностики состояния паровоздушной смеси, расчета температур и концентраций по значениям расходов и энтальпий на каждом шаге интегрирования, специальную процедуру для нахождения скорости паровоздушной смеси в аппаратах с естественной циркуляцией.
3. Компьютерная модель, реализованная как Windows-приложение, является мультипрограммным комплексом, включающим графический пользовательский интерфейс и локальную базу данных, разработанные в среде Visual Basic, а также вычислительное ядро и графический вывод в среде Matlab. Компьютерная модель имеет модульную структуру, приспособленную к проведению оптимизационных расчетов, поиску альтернативных вариантов, благодаря возможности независимой модификации кода программных блоков с целью учесть изменения геометрии насадки, ее тепломассообменных характеристик и т.п.
4. Компьютерное моделирование реальных установок и режимов и сопоставление с данными инструментального обследования градирен подтверждает обоснованность и достоверность модели.
5. Методом численных экспериментов исследованы характерные режимы установок испарительного охлаждения и проанализированы характерные распределения температур, концентраций, потоков по высоте насадки.
6. Методом численных экспериментов с компьютерной моделью исследовано влияние конструктивных параметров - высоты насадки и ширины каналов — на охлаждающую способность градирни. В обоих случаях найдены оптимальные значения, при которых температура охлаждаемой воды достигает минимума. Предложены рекомендации по оптимизации режимных и конструктивных характеристик градирни.
1. Айнштейн В.Г., Захаров М.К. Методика расчета гидравлического сопротивления потока газа при пленочном течении жидкости// Химическая промышленность. 2001. - №12.
2. Арефьев Ю.И., Беззатеева Л.П. Некоторые особенности технологических расчетов градирни// Теплоэнергетика. 2003. - №9.
3. Арефьев Ю.И., Пономаренко B.C. Аэродинамический расчет башенных градирен при реконструкции.// Электрические станции. 2000 - №9.
4. Арефьев Ю.И., Пономаренко B.C. Технологические расчеты башенных градирен// Водоснабжение и санитарная техника. — 2000.- №7.
5. Аронсон К.Э., Блинков С.Н., Брезгин В.И. и др. Теплообменники энергетических установок: Учебник для вузов./ Под ред. профессора, докт. техн. наук Ю.М. Бродова. Екатеринбург: Изд-во «Сократ», 2002. - 968 с.
6. Архипов Л.И., Горбенко В.А., Данилов O.JL, Ефимов A.JL, Коновальцев С.И. Сборник примеров и задач по тепломассообменным процессам, аппаратам и установкам./ Под ред. A.J1. Ефимова. М.: Изд-во МЭИ, 1997. -116с.
7. Барановский Б.В., Зарянкин А.Е. Турбулентные течения и некоторые пути их расчета. М.: Alva-XXI, 1991. - 92с.
8. Берман Л.Д. Испарительное охлаждение циркуляционной воды- М.: Госэнергоиздат, 1957.- 314 с.
9. Вальдберг А.Ю., Савицкая Н.М. Подход к расчету контактных теплообменников, работающих в режиме полного испарения орошающей жидкости// Инженерно-физический журнал. 1996. - Том 69, №6.
10. Ю.Власов А.В., Дашков Г.В., Солодухин А.Д., Фисенко С.П. Исследование внутренней аэродинамики башенной испарительной градирни // Инженерно-физический журнал. 2002. - Том 75, №5.
11. П.Войнов Н.А., Николаев А.Н., Николаев Н.А. Теплоотдача в пленке жидкости, стекающей по гладкой и шероховатой поверхности // Теоретические основы химической технологии.— 1998— Том 32, №1.-С. 28-32.
12. Войнов Н.А., Николаев Н.А. Тепломассообменные аппараты со стекающей пленкой. Учеб.пособие. КГТУ, Казань, 1997. - 80с.
13. Волчков Э.П. Пристенные газовые завесы. — Новосибирск: Наука, 1983.
14. Вукалович М.П. Термодинамические свойства воды и водяного пара. М.: Машгиз. - 1958.
15. Гладков В.А., Арефьев Ю.И., Пономаренко B.C. Вентиляторные градирни. М., Стройиздат, 1976.- 284 с.
16. Григорьев Б.А., Ремизов В.В., Седых А.Д., Солодов А.П. Эффективность использования энергоресурсов при обеспечении транспорта газа- М.: Издательство МЭИ, 1999. 152с.
17. Дикий Н.А., Колоскова Н.Ю, Шкляр В.И., Дубровская В.В. Разработка и исследование конденсатора смешивающего типа с пористой насадкой// Промышленная теплотехника. 1992. -т.14, №1-3.
18. Дубровская В.В., Орлянский В.В., Колоскова Н.Ю., Шкляр В.И. Предельные скорости сред в противоточных газожидкостных системах // Промышленная теплоэнергетика. — 1998. — №1.
19. Жебровский А.К., Трубецкой М.К. Об аналитических решениях, получаемых для задачи о конденсации двухкомпонентной газовой смеси// Инженерно-физический журнал. 1992. — №1.
20. Жукаускас А.А. Конвективный перенос в теплообменниках. М.: Наука, 1982.-472 с.
21. Зубарев В.Н., Александров А.А., Охотин B.C. Практикум по технической термодинамике: Учеб. пособие для вузов — 3-е изд., перераб. — М.: Энергоатомиздат, 1986.-304с.
22. Иванов С.П., Стороженко В.Н., Шулаев Н.С. Сетчатая оболочка из полимерных материалов и некоторые аспекты ее применения// Химическая промышленностью. 2003. - №6.
23. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. Под ред. М.О.Шьейнберга. 3-е изд., перераб. и доп.-М.: Машиностроение, 1992.-672.
24. Исаев С.И., Кожинов И.А., Кофанов В.И. и др. Теория тепломассообмена: Учебник для вузов./ Под ред. А.И.Леонтьева. Высш. школа, 1979 - 495с.
25. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. Учебник для вузов, 4-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1981. - 417с.
26. Кафаров В.В. Основы массопередачи. 3-е изд. М.: Высшая школа, 1979. — 439с.
27. Кейс В.М. Конвективный тепломассообмен. М.: Энергия, 1972.
28. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. -М.: Энергия, 1968. 472с.
29. Клевцов А.В., Радин В.П., Федорович JI.A. Расчет градирни/ Под ред. И.Н. Тамбиевой. М.: Изд-во МЭИ, 1992. - 72с.
30. Колоскова Н.Ю., Шкляр В.И., Дубровская В.В. Исследование характеристик работы конденсатора теплоутилизирующего контура ПТУ // Теплоэнергетика. 2000. - №3.
31. Крутов В.И., Исаев С.И., Кожинов И.А. и др. Техническая термодинамика: Учеб. для машиностроит. спец. вузов 3-е изд., перераб. и доп./ Под ред. В.И. Крутова. -М.: Высш. шк., 1991.
32. Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И. Тепломассообмен и трение в турбулентном пограничном слое. -М.:Энергоатомиздат, 1985.
33. Лабунцов Д.А. Физические основы энергетики. Избранные труды по тепломассообмену, гидродинамике, термодинамике. М.: Издательство МЭИ, 2000.
34. Лашков В.А., Сафин Р.Г., Андрианов В.П., Кондрашева С.Г. Тепломассоперенос в условиях внешней задачи для процессов, протекающих при понижении давления среды// Инженерно-физический журнал. 2000. - Том 73, №3.
35. Майров В.А. Аналитическое определение равновесной температуры адиабатно испаряющейся жидкости// Инженерно-физический журнал. — 2001.-Том 74,№5.
36. Петручик А.И., Солодухин А.Д., Фисенко С.П. Математическое моделирование охлаждения капельных и пленочных течений воды в башенных испарительных градирнях // Инженерно-физический журнал. -2001.-№1.
37. Петручик А.И., Фисенко С.П. Математическое моделирование испарительного охлаждения пленок воды в градирнях // Инженерно-физический журнал. 1999. -Том 72, №1.
38. Пленочная тепло- и массообменная аппаратура (Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии) / Под ред. В.М. Олевского — М.: Химия, 1988.-240с.
39. Пономаренко B.C., Арефьев Ю.И. Градирни промышленных и энергетических предприятий. Справочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1998.
40. Пономаренко B.C., Арефьев Ю.И. Оросители и водоуловители градирен// Водоснабжение и санитарная техника. — 1994.— №2.
41. Пособие по проектированию градирен (к СНиП 2.04.02-84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения)/ ВНИИ ВОДГЕО Госстроя СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1989. - 190с.
42. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справочник. Под. общ. ред. В.А. Григорьева, В.М. Зорина. 2-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1991.- 588с. (Теплоэнергетика и теплотехника; Кн.4).
43. Руководство по проектированию градирен. М.: ЦИТП, 1980.
44. СНиП 2.04.02-84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения/ Госстрой ССР. М.: Стройиздат, 1985.
45. Солодов А.П. Интегральный метод решения задач пограничного слоя./ Под ред. А.Б. Матвеева. М.: Изд-во МЭИ, 1992.-79с.
46. Солодов А.П. Принципы тепломассообмена. М.: Издательство МЭИ, 2002. -96с.
47. Солодов А.П., Очков В.Ф. Mathcad.Дифференциальные модели . М.: Издательство МЭИ, 2002. - 239 с.
48. Солодов А.П., Романенко А.Н., Егорова Н.В., Ежов Е.В. Дифференциальная модель тепломассообмена в испарительных градирнях. // Вестник МЭИ. — М.: Издательство МЭИ. 2005. - №2. - С.43-53.
49. Справочник по теплообменникам: В 2-х т. Т.2/ Пер. с англ. Под ред. О.Г. Мартыненко и др.— М.: Энергоатомиздат, 1987 — 352с.
50. Стерман J1.C., Лавыгин В.М., Тишин С.Г. Тепловые и атомные электрические станции. Уч-к для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1995.
51. Теория тепломассообмена/ Под ред. А.И. Леонтьева М.: Высшая школа, 1979.
52. Тобилевич Н.Ю., Сагань И.И, Поржезинский Ю.Г. Нисходящее движение пленки жидкости в вертикальных трубах в противотоке с воздухом и паром// Инженерно-физический журнал. 1968. - Том XV, №5.
53. Уолис, Грэхем Б. Одномерные двухфазные течения. Пер. с англ. кандидатов техн. наук B.C. Данилова и Ю.А. Зейгерника. Под ред. проф. И.Т. Аладьева. -М.: Мир, 1992.^И0с.
54. Цветков Ф.Ф., Григорьев Б.А. Тепломассообмен: Учебное пособие для вузов. М.: Издательство МЭИ, 2001. - 550с.
55. АН A. Bardan. Performance of cooling towers under various climates in Jordan// Energy and Buildings. 2003. - Vol.35, pp.1031-1035.
56. Boris Halasz. Application of a general non-dimensional mathematical model to cooling towers// International Journal Thermal Sciences. Elsevier, Paris. 1999. -Vol. 38, 75-88.
57. Braun J.E., Klein S.A., Mitchell J.W. Effectiveness models for cooling towers and cooling coils// ASHRAE Transactions. 1997. - Vol.97 (1), pp.470-485.
58. Don Davis. Cooling tower doctor. Copyright © 1999.
59. Feddaoui M., Mir A., Belahmidi E. Numerical simulation of mixed convection heat and mass transfer with liquid film cooling along an insulated vertical channel// Heat and Mass Transfer. -2003. 39,pp. 445-453.
60. Fisenko S.F., Brin A.A., Petruchik A.I. Evaporative cooling of water in mechanical draft cooling tower// International Journal of Heat and Mass Transfer. 2004. - Vol.47, pp. 165-177.
61. Hofmann A. Theoretical solution for the cross-flow heat exchanger. // Heat and Mass Transfer. Springer-Verlag. 2000. - Vol.36, pp.127-133.
62. Inaba H., Aoyama S., Haruki N., Horibe A., Nagayoshi K. Heat and mass transfer characteristics of air bubbles and hot water by direct contact. // Heat and mass transfer. 2002. - Vol.38, pp. 449-457.
63. Johannes C. Kloppers, Detlev G. Kroger. Loss coefficient correlation for wet-cooling tower fills//Applied Thermal Engineering. -2003.-23, pp.2001-2211.
64. John H. Lienhard IV and John H. Lienhard V. A heat Transfer Textbook.3rd ed. -Cambridge, MA: Phlogiston Press. ©2004.
65. Liichtenstein, J., Performance and Selection of Mechanical-Draft Cooling Towers// ASHRAE Transactions. -1943.- Vol.65, pp.779-787.
66. Merkel F. "Verdunstungskuhlung", VDI-Forschungsarbeiten, No. 275, Berlin, 1925.
67. Nenad Milosavljevic, Pertti Heikkila. A comprehensive approach to cooling tower design// Applied thermal engineering. 2001. - Vol. 21. 899-915.
68. Nottage, H.B., Merkel's Cooling Diagram as a Performance Correlation for Air-Water Evaporative Cooling Systems// ASHRAE Transactions. -1941- Vol.47, pp.429-448.
69. Soylemez, M.S. Theoretical and experimental analyses of Cooling towers. ASHRAE Transaction. -1999. Vol. 105(1), pp.330-337.
70. Sutherland J.W. Analysis of Mechanical-Draught counterflow air/ water cooling towers. Journal of Heat Transfer, Vol. 105, pp.576-5 83, 1983.
71. Velimir Stefanovic, Gredimir Ilic, Mica Vukie, Nenad Radojkovic, Goran Vuckovic, Predrag Zivkovic. 3D model in simulation of heat and mass transfer processes in wet cooling towers// Mechanical Engineering. 2001. - Vol.1, №8, pp.1065-1081.
