Сравнительные гидравлические и тепломассообменные характеристики пленочных регулярных насадок в градирнях

УДК 66.021.3/4

Е. А. Лаптева, М. И. Фарахов, А. Г. Лаптев СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И ТЕПЛОМАССООБМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛЕНОЧНЫХ РЕГУЛЯРНЫХ НАСАДОК В ГРАДИРНЯХ

Ключевые слова: охлаждение воды, тепломассообмен, градирни, перепад давления, регулярные насадки.

Рассмотрены современные конструкции регулярных контактных устройств - пленочных блоков оросителей градирен и даны сравнительные конструктивные, гидравлические и тепломассообменные характеристики. Для расчета полей температур в фазах и влагосодержания представлена ячеечная модель тепломассопереноса при противотоке пленки воды с воздухом. При заданной тепловой эффективности воды даны результаты расчетов требуемой высоты блоков оросителей и их гидравлическое сопротивление . Сделаны выводы о наиболее эффективных конструкциях зарубежных и отечественных регулярных насадках.

Keywords: cooling of water, heat and mass transfer, cooling towers, pressure drop, structured packings.

Modern designs of structured contact internals representing the film-type blocks of cooling tower irrigators are considered and comparative structural, hydraulic and heat and mass transfer characteristics are given. For calculating the temperature fields in the phases and the moisture content, a cell-type model for the heat and mass transfer in counterflow of a water film and the air is presented. For a given thermal efficiency of water, results of calculations of the required height of irrigator blocks and their hydraulic resistance are provided. Conclusions are drawn about the most efficient designs of foreign and domestic structured packings.

Введение

Градирни применяют на промышленных предприятиях и ТЭС там, где необходимо охлаждение воды при различных гидравлических и тепловых нагрузках, а именно в оборотном водоснабжении. Градирни подразделяют на башенные, открытые, а так же вентиляторные. Контакт воздуха и воды, создается в градирнях в результате диспергирования воды соплами или с помощью других устройств, которые могут быть капельными, пленочными, вихревыми и

комбинированными. Для охлаждения

технологического оборудования, после градирни, вода может быть вновь использована. Подача больших расходов воды, используемой для охлаждения, в водооборотные циклы, позволяет значительно снизить потребности в свежей воде, которая тогда используется лишь для подпитки соответствующего водооборотного цикла [1-33].

Целью данной работы являются теплогидравилические расчеты различных блоков оросителей, работающих в пленочном режиме и сравнительная характеристика их эффективности.

Блоки оросителей

Наиболее важный узел градирни, - это насадка (блоки оросителя). Определяющими

характеристиками оросителя, являются

аэродинамические и тепло- и массообменные. Их влияние на эффективность градирни, обуславливается влиянием на выбор габаритов новой градирни или оценку эффективности теплосъема действующей градирни. Изготавливают оросители с применением различных материалов, таких как дерево, цемент, пластмасса, металл. Все большее массовое признание и распространение находят сетчатые и гофрированные насадки, выполненные в виде перфорированных или

гофрированных полиэтиленовых или пластмассовых труб, и укладываемых упорядоченно, либо в навал.

Большинство насадок работают в режиме противотока воды и воздуха. Плотность орошения у большинства градирен находится в пределах 6-12 м3/м2 час при скорости воздуха от 0,7 до 2 м/с. В мини градирнях возможна организация более интенсивного взаимодействия фаз.

Вода стекает по поверхности регулярных насадок преимущественно в ламинарном волновом режиме, а воздушный поток движется в турбулентном режиме. Основное сопротивление переносу теплоты сосредоточено в газовой фазе и коэффициент теплопередачи практически равен коэффициенту теплоотдачи в воздухе. Охлаждение воды происходит за счет молекулярного и конвективного механизмов переноса, а так же испарительного охлаждения. Испаряется примерно 1-3% от количества подаваемой воды на охлаждение. При проектировании или модернизации градирен важна достоверность в расчетах процессов тепло- и массоотдачи в блоках оросителей. Капельная зона вносит незначительный вклад в процессе охлаждения воды.

Ниже рассмотрен ряд регулярных насадок как зарубежных, так и отечественных фирм.

Математические модели

При модернизации и проектировании градирен, а также при привязке типовых проектов к конкретным условиям и требованиям, основой является тепловой и гидравлический расчет [1, 3]. Так как процессы тепломассообмена в градирнях сложны, довольно долгое время тепловой расчет основывался на эмпирических графиках охлаждения. Эти графики охлаждения, как правило, могут быть использованы лишь для тех режимных и конструктивных параметров градирен, по которым получены данные физического моделирования,

положенного в основу построения графиков. При этом необходимо соблюдать соответствие скорости движения воздуха в насадке, высоты блока насадки, формы и размеров его элементов, параметрам градирен, по исследованиям которых составлены графики. Эмпирические графики охлаждения, таким образом, могут быть использованы только для исследованных градирен.

Степень совершенства процессов тепло- и массообмена в испарительном водоохладителе обычно характеризуется величиной тепловой эффективности (тепловой КПД):

Еж

Тн - Тк Тн - Тм.т.н.

•100%

где ТН,ТК - температура начальная и конечная воды, 0С; Тмт.н. - температура мокрого термометра на входе в градирню (теоретический предел охлаждения жидкости).

Эффективность процесса охлаждения оборотной воды в градирне значительно зависит от структуры потока жидкой и газовой фаз, коэффициентов тепло-и массоотдачи и поверхности контакта фаз. Повсеместно, при математическом моделировании структуры потоков, используются модели идеального смешения, идеального вытеснения, диффузионная и ячеечная модели, а также комбинированные модели [4-6].

Данные модели получают в результате упрощения полного математического описания процессов переноса импульса, массы и энергии (тепла).

Известно, что при расчете градирни необходимо, прежде всего, определить внутри нее поля скоростей, температур и концентрации (влагосодержания). Этот расчет должен выполняться с учетом гидродинамических особенностей взаимодействия фаз.

Описание гидромеханики двухфазных сред возможно с применением модели многоскоростного континуума. В такой постановке законы сохранения импульса, массы и энергии записываются для газа и жидкости раздельно, а учет взаимодействия проводится за счет обменных членов, которые связаны с соответствующими потоками через пограничный слой. При моделировании двухфазных систем, широко применяются частные случаи данной модели.

При применении моделей двухфазных сред необходим анализ особенностей взаимодействия двухфазных сред в характерных областях аппарата, в данном случае в градирне.

В промышленной градирне можно выделить несколько характерных областей. Область диспергирования воды специальными форсунками (соплами). Область противоточного движения капель воды с воздушным потоком после области диспергирования. Область пленочного течения воды по насадочным элементам (в специальной литературе они называются блоками оросителей). После насадочных элементов вода попадает в

нижнюю область - чашу для сбора и подачи охлажденной воды технологические установки.

Так как известно, что наиболее интенсивное охлаждение происходит в области с насадкой, основное внимание в работе сосредоточено на моделировании и расчете процессов переноса в этой области. В данной области можно выделить явления разных пространственных масштабов - это ядро воздушного потока, пограничный слой и пленка жидкости. Пограничный слой образуется на границе раздела фаз - пленки воды и воздушного потока.

Ниже выполнено сокращение полного математического описания процессов переноса массы, импульса и тепла в виде ячеечной модели с сохранением требуемой точности вычисления и физической картины процесса охлаждения воды в градирне.

Уравнения ячеечных моделей для градирни

Наиболее простыми являются ячеечные модели структуры потоков, они дают удовлетворительные результаты расчетов эффективности тепло- и массообменных процессов в аппаратах. Число ячеек связано с модифицированным числом Пекле диффузионной модели. В данном случае переход от одной модели к другой эквивалентен.

Рассмотрен пленочный режим работы насадочных элементов градирни при противоточном движении фаз. Здесь используется подход, когда система уравнений переноса записывается в виде ячеечной модели с объемными источниками тепла и массы. Этот подход широко применяется для моделирования процессов в двухфазных системах [4-8].

Уравнение потока тепла в газовой фазе в ячейке

Qi=F [«г

где Qi - поток тепла в ячейке, Вт; Fi - поверхность

контакта фаз, м

- коэффициент теплоотдачи в

газовой фазе, Вт/(м К; рг - плотность газа, кг/м ;

рг - коэффициент массоотдачи в газовой фазе, м/с;; i

- номер ячейки; Тж -температура жидкости, 0С; Тг -

температура газа, 0С; 1п - удельная энтальпия пара,

Дж/кг; х'' - влагосодержание насыщенного газа,

кг/кг; X' - влагосодержание газа, кг/кг; п- число ячеек.

При i=1 - вход воздуха и выход воды; при i=n -вход воды и выход воздуха.

Так же значение Qi в ячейке можно записать в

виде уравнения баланса

где G - массовый расход газа, кг/с; I - удельная энтальпия воздуха, Дж/кг; L - массовый расход жидкости, кг/с; Срж - удельная теплоемкость

«

г

жидкости, Дж/(кг К); Тж - температура жидкости, 0С; 1Ц - количество испарившейся жидкости, кг/с. Количество испарившейся жидкости равно

х¡-x¡_1)=РгРгП

Система уравнений ячеечной модели для градирни получена в виде [5] Энтальпия воздуха в ячейке:

Ь = Ii-1 +

QiAz VгiwгPг

/=1,2,..,п,

где V - объем газа в насадке в градирни, м3; Лг -

длина ячейки, м; Шг - средняя скорость газа в

градирне, м/с; рг - плотность газа, кг/м3; СрГ -

удельная теплоемкость газа, Дж/(кг К); Лг=Нн/п; Нн - высота блока насадки, м; п - число ячеек. Температура воды в ячейке:

Q¡

Тж^ = Тж^+1 - V-.

Лг

Vгi ижржсрж

где иж - средняя (фиктивная) скорость жидкости на полное сечение блоков, м/с; рж - плотность жидкости, кг/м3; С; Срж - удельная теплоемкость

жидкости, Дж/(кг К);

Влагосодержание в ячейке

1Ц Лг

х1=х1_1+-

41 ШгРг

где х _ влагосодержание газа, кг/кг.

Коэффициенты тепло и массоотдачи в формулах (2) и (4) принимаются средними по поверхности насадки и вычисляются по выражениям, полученным в результате модификации гидродинамической аналогии [7] или находится экспериментально [1, 3, 10]. Число ячеек вычисляется по известной зависимости п=Рег/2, где Ре - модифицированное число Пекле [7, 8]. Тогда Лг=Нн/п, Нн - высота насадки.

Преимущество ячеечных моделей - это возможность определения профилей энтальпии влажного воздуха, температуры воды и влагосодержания по высоте блока оросителей, получаемых из решения системы уравнений (2) - (7) с объемными источниками.

Так же тепловой поток в источниках теплоты в выражениях (5) и (6), можно записать используя выражение [1]

Qi=вхFiЛIcpi,

где вх - коэффициент массотдачи, кг/(м2с); Л1Ср -

средняя движущая сила в ячейке в виде разности энтальпий, Дж/кг. Если число Pe=wГНн/Dп>20, то имеем модель идеального вытеснения, где Dп -коэффициент обратного перемешивания, м2/с. В таком случае расчет градирни значительно упрощается и поверхность теплопередачи можно вычислить из уравнений (3) и (8), записанных в интегральном виде. В результате получаем значение Р и высоту насадки Нн=Р/(агж^), где аг.ж. - удельная поверхность контакта фаз газ - жидкость в насадочном слое, м2/м3; S - площадь поперечного

сечения градирни в области с блоками оросителей

Кроме вычисления коэффициентов тепло- и массоотдачи и моделирования структуры потоков, большое значение имеет определение поверхности контакта фаз в пленочном блоке оросителей. При полной смачиваемости поверхности насадки удельная поверхность контакта будет равна удельной поверхности насадки (без учета волнообразования на поверхности пленок воды и срыва капель). В этом случае коэффициент смачиваемости поверхности фШ=аг.ж/а^=1, где аг.ж, аv - удельные поверхности контакта фаз и насадочных элементов, м2/м3. Например для регулярных насадок при ^<100 м2/м3

рекомендуется зависимость фШ=и/(0,0005+0,8и), где и - плотность орошения, м3/(м2с). При и>0,0025(>9,0 м3/(м2час)) имеем фШ=1. Для насадок при о,>100 значение плотности орошения, когда достигается полная смачиваемость, находится по выражению иот-=Ьа^, м3/(м2час)), где приближенно для воды можно принять Ь~0,1.

Коэффициент смачиваемости находится с применением графической зависимости и/иопт [9], где и - действительная плотность орошения м3/(м2час). Так при 0^=100 имеем иопт =10 и при и=10, фШ=1. При 0^=150, иопт = 15 и ф^0,7; при av=200, фШ~0,5.

Следует иметь ввиду, что насадки при эксплуатации в градирнях постепенно подвергаются биообрастаниям и поэтому, значение коэффициента смачиваемости будет увеличиваться и достигать

Результаты расчетов

Рассмотрены шесть типов регулярных насадок. Пленочные градирни обычно работают при плотности орошения 7-15 м3/(м2ч) и скорости воздуха в блоках тег = 0,7-2,0 м/с. В качестве примера зададим следующий режим. Плотность орошения 10 м3/(м2час). Скорость воздуха =1,5 м/с. Начальная температура воды Тнж =38°С. Требуемая конечная температура воды после охлаждения Тжк =28°С. Температура воздуха Тнг =20°С. Температура мокрого термометра Тмт = 16,8°С Тогда тепловая эффективность (1) Еж=0,47 (47%). Тепловая нагрузка градирни Q=116,2 кВт (без учета уноса капель).

Далее при заданных режимных параметрах приведены результаты расчетов. Коэффициент гидравлического сопротивления блоков находился по эмпирическим зависимостям или с использованием графических данных [8, 10, 11] по выражению

^ор -

ор

ннРгш2

где ДР0р - перепад давления воздуха в орошаемой

насадке, Па; dэ - эквивалентный диаметр насадки, м; Нн - высота насадки (блока оросителей), м.

Тепловая эффективность вычислялась из решения системы уравнений (2)-(7) и по (1) Еж.

1. Сетчатая насадка из полиэтилена в виде трубок диаметром 0,05 м. Удельная поверхность о, ~ 55-70 м2/м3. Коэффициент гидравлического сопротивления ^ор~0,175. Заданная тепловая эффективность обеспечивается при высоте блоков насадки Нн=2,8м. Перепад давления- 15 Па.

2. Керамические кольца Рашига диаметром 0,1 м в укладку. а, = 60 м2/м3 ^ор~0,4. Значение Еж=0,47 обеспечивается при Нн=2,3 м. Перепад давления~ 22 Па.

3. Металлическая регулярная рулонная насадка "Инжехим" с шероховатой поверхностью или просечками [10] (стр. 340-347). Удельная поверхность а, =200 м2/м3. Коэффициент

сопротивления ^ор~0,42 с шероховатой поверхностью и ^ор~0,8 - с просечками. Значение Еж=0,47 обеспечивается при Нн=1,2 м для насадки с шероховатостью и при Нн =0,8 м - с просечками. Перепад давления ~ 300 Па и 465 Па, соответственно.

4. Регулярная металлическая насадка ВАКУ -ПАК [11] (стр. 222-225). а, =115 м2/м3. Коэффициент сопротивления ^ор~0,93. При Еж=0,47 высота блоков Нн=1,1 м. Перепад давления ~ 43 Па.

5. Регулярная насадка ПИРАПАК - G [11] (стр. 232-235). а, =180 м2/м3 ^ор~1,26. При Нн=0,65, Еж=0,47. Перепад давления - 45 Па.

6. Регулярная гофрированная насадка "Инжехим" ГОД [10] (стр. 347-352). а, =165 м2/м3. ^ор~1,25. При Нн=0,66, Еж=0,47. Перепад давления ~ 50 Па.

приведет к значительному снижению себестоимости блоков оросителей. Следует отметить, что насадки "Инжехим" и ПИРАПАК - Д также хорошо работают и при больших плотностях орошения и могут иметь применение в мини-градирнях при интенсивных режимах охлаждения воды.

Литература

1. В.С. Пономаренко, Ю.И. Арефьев Градирни промышленных и энергетических предприятий. Энергоатомиздат, Москва, 1998. 376 с.

2. // В.Л. Федяев, Е.М. Власов, Р.Ф. Гайнуллин Вестник Междун. акад. холода. 4, 35-39

3. А.Г. Лаптев, И.А. Ведьгаева Устройство и расчет промышленных градирен: КГЭУ, Казань, 2004. 180 с.

4. Ю.А.Комиссаров, Л.С. Гордеев, Д.П. Вент Основы конструирования и проектирования промышленных аппаратов. Химия, Москва, 1997. 367 с.

5. А.Г. Лаптев, Е.А. Лаптева, Вестник Казан. технолог. унта, 18, 11, 157-186

6. С.Г. Дьяконов, В.В. Елизаров, Елизаров В.И. Теоретические основы проектирования промышленных аппаратов химической технологии на базе сопряженного физического и математического моделирования. Федер. агентство по образованию. Казан. гос. технол. ун-т, Казань, 2009. 456 с.

7. Е.А. Лаптева, А.Г. Лаптев Прикладные аспекты явлений переноса в аппаратах химической технологии и теплоэнергетики (гидромеханика и тепломассообмен, Печать - Сервис XXI век, Казань, 2015. 236 с.

8. В.М. Рамм Абсорбция газов. Химия, Москва, 1976. 655 с.

9. А.Н. Плановский, В.М. Рамм, С.З. Каган Процессы и аппараты химической технологии. Химия, Москва, 1967. 848 с.

10. А.М. Каган, А.Г. Лаптев, А.С. Пушнов, М.И. Фарахов Контактные насадки промышленных тепломассообменных аппаратов. Отечество, Казань, 2013. 454 с.

11. Б.А. Сокол, А.К.Чернышев, Д.А. Баранов Насадки массообменных колонн - «Галилея-принт», Москва, 2009. 358 с.

Работа выполнена в рамках базовой части государственного задания в сфере научной деятельности (№13.6384.2017/БЧ).

Выводы

Из полученных результатов следует вывод, что современные регулярные рулонные или пакетные насадки имеют высокую тепловую эффективность. Насадка "Инжехим" IRG и насадка ПИРАПАК-G являются наиболее предпочтительными с точки зрения теплогидравлической эффективности. Для промышленных массообменных колонн данные насадки изготавливаются из нержавеющих металлических листов, а для градирен возможно изготовление из полимерных материалов, что

© А. Г. Лаптев - ФГБОУ ВО «Казанский Государственный Энергетический Университет», заведующий кафедрой «Технология воды и топлива», доктор технических наук, профессор, tvt_kgeu@mail.ru; М. И. Фарахов - Инженерно -внедренческий центр «Инжехим», директор, info@ingehim.ru; Е. А. Лаптева - ФГБОУ ВО «Казанский Государственный Энергетический Университет», преподаватель кафедры «Промышленная теплоэнергетика», кандидат технических наук, доцент, tvt_kgeu@mail.ru.

© A. G. Laptev - "Kazan State Power Engineering University", chairman of department "Technology of Water and Fuel", D.Sc. in Engineering, Professor, tvt_kgeu@mail.ru; M. 1 Farakhov - LLC "Engineering-Promotional Center "Inzhekhim", Director, info@ingehim.ru; E. A. Lapteva -"Kazan State Power Engineering University", department "Industrial Thermal Power Engineering", Ph.D. in Engineering, Associate Professor, tvt_kgeu@mail.ru.