Движение одиночных капель в каналах шестиугольной формы с интенсифицирующими элементами

УДК 620.9

А. А. Исаев, О. С. Дмитриева

ДВИЖЕНИЕ ОДИНОЧНЫХ КАПЕЛЬ В КАНАЛАХ ШЕСТИУГОЛЬНОЙ ФОРМЫ С ИНТЕНСИФИЦИРУЮЩИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

Ключевые слова: градирня, капли, оборотная вода.

Градирни обычно используются для отвода тепла от промышленных аппаратов. Вода охлаждается в градирне за счет сочетания процессов тепло-и массообмена. Применение контактных устройств с интенсифицирующими элементами повышает эффективность всей системы, тем самым значительно снижая потребление энергии и увеличивая производительность процесса.

Keywords: cooling tower, drops, circulating water.

Cooling towers are commonly used to remove heat from industrial apparatuses. Water is cooled in a cooling tower through a combination of processes of heat and mass transfer. The use of contact devices with intensifying elements improves performance of the whole system, thereby significantly reducing energy consumption and increasing productivity of the process.

Тенденции потребления воды промышленным сектором Российской Федерации на нужды производства сегодня таковы, что использование оборотной воды составляет примерно 60-80% от общего потребления воды [1]. Таким образом, главной составляющей схем рационального и эффективного использования водных ресурсов являются градирни, работающие в водооборотных охлаждающих системах, что дает возможность повысить экономические показатели промышленных предприятий [2]. Потребление свежей воды в промышленности в значительной мере может быть уменьшено за счет перехода производств на безотходные, безводные или маловодные технологии. Однако многие производственные процессы не всегда или не в полной мере позволяют использовать их. Тогда на первый план в реализации задачи экономии воды в промышленности вступают охлаждающие системы оборотного водоснабжения с градирнями различных типов и конструкций [3].

Рост мощности современных тепловых станций и различных предприятий требует не только увеличения площади охладителей, но и интенсификации процессов, протекающих в них. Охлаждение воды с помощью вентиляторных градирен является в настоящее время наиболее современным способом [3]. Вентиляторные испарительные градирни обеспечивают стабильное охлаждение воды, максимальную удельную тепловую нагрузку и наибольший перепад температуры воды, чем охладители других типов. В то же время известные испарительные градирни обладают рядом значительных недостатков: унос капельной влаги, плохая смачиваемость насадок, обледенение вентиляторов и других элементов градирен, засорение форсунок, недостаточно равномерное распределение воды, недостаточная эффективность работы каплеуловителей, небольшая поверхность контакта фаз, высокие эксплуатационные затраты на перекачивание воды и воздуха, коррозия.

Проблемой предотвращения капельного уноса из градирен НИИ ВОДГЕО занимается с середины 60-х годов. Выполнен большой объем науч-

но-исследовательских работ, разработаны методики оперативного измерения уноса капельной влаги на стендовых градирнях и в натурных условиях. На их основе составлены нормативные требования по допустимым значениям капельного уноса и разработаны специальные водоуловители, устанавливаемые дополнительно на градирни. Однако их использование не всегда рационально, так как их установки приводит к значительному увеличению аэродинамического сопротивления в целом, и, следовательно, к увеличению энергозатрат на охлаждение оборотной воды.

Применение контактных устройств со специальными интенсифицирующими элементами позволяет осуществлять эффективный процесс охлаждения воды при различных скоростях потока воздуха на входе. Оно состоит из шестиугольных ячеек, в каждой из которых расположены специальные интенсифицирующие элементы, представляющие собой пластины, закрепленные на вертикальном стержне под одним и тем же углом и на одном уровне. Один элемент состоит из трех пластин, и каждая из них имеет острый край, упирающийся в угол шестиугольного канала. Внешний вид контактного устройства для тепломассообменных аппаратов представлен на рис. 1 и 2.

Рис. 1 - Общий вид контактного устройства для тепломассообменных аппаратов

Рис. 2 - Интенсифицирующий элемент, установленный в канале контактного устройства

Оборотная вода через водораспределитель подается сверху равномерно по сечению контактного устройства. Снизу под устройство подается воздух. За счет установленного в каждом канале вертикального стержня, вокруг которого по всей высоте закреплены интенсифицирующие элементы, воздух приобретает окружную компоненту скорости. При взаимодействии потоков воды и воздуха, с поверхности жидкости будут отрываться капли, которые подхватываются воздушным потоком. Скопившаяся вода в углах шестиугольного канала сначала стекает через острые края пластин по площади интенсифицирующего элемента, а затем сдувается восходящим воздухом. Часть капель под действием центробежной силы возвращается к стенке канала, а часть оседает на поверхности расположенных выше интенсифицирующих элементов. Постоянный процесс срыва капель воды и последующего их возврата к стенкам увеличивают площадь контакта взаимодействующих фаз, увеличивают интенсификацию перемешивания в пленке, благодаря чему эффективность процессов тепломассообмена в разработанном контактном устройстве выше по сравнению с аналогами. Кроме того, возврат капель на элементы устройства практически полностью исключает унос жидкости из канала.

14 „ 8^9

1 /2

Воздух в окружающую среду

10

Воздух из окружающей среды

Рис. 3 - Схема экспериментальной установки: 1 -крышка; 2 - вертикальный канал шестиугольной формы; 3 - интенсифицирующие элементы; 4 - насос; 5 - емкость; 6 - воронка; 7 - жидкостной фильтр; 8 - сепаратор; 9 - емкость; 10 - вентилятор; 11 - устройство для ввода жидкого индикатора; 12 - видеокамера; 13 - запорная арматура на линии подачи воды; 14 - запорная арматура на линии отвода воздуха

Важной составляющей эффективной работы контактного устройства является процесс срыва капель с пластин интенсифицирующих элементов. Образующиеся капли должны удовлетворять требованиям количества и размеров, чтобы достичь наивысшую площадь контакта фаз и минимальный унос воды из контактного устройства. В ходе экспериментов было выявлено, что в контактном устройстве образуются капли размерами самых мельчайших (менее 0,1) до 3 мм.

Для исследования движения капель, вылетающих с пластин интенсифицирующих элементов, была спроектирована экспериментальная установка, представленная на рисунке 3. Благодаря специальному жидкому индикатору и видеокамере можно детально исследовать движение капель в контактном устройстве.

Эксперименты проводились при различных значениях ширины ячеек b, расстоянии между соседними элементами h при скоростях воздуха от 0,5 до 3 м/с.

Зависимость осевого смещения капли, приведенная к расстоянию между элементами z/h от диаметра капель а при различных расстояниях капель от центральной оси r/R и скоростях воздуха W (рис. 4 и рис. 5).

Рис. 4 - Зависимость осевого смещения капли от ее диаметра при W = 1,5 м/с, r/R: 1 - 0,25; 2 - 0,5; 3 - 0,75

Рис. 5 - Зависимость осевого смещения капли от ее диаметра при r/R = 0,5, W: 1 - 0,5; 2 - 1; 3 - 1,5

Как видно из графиков (рис. 4-5), при одной и той же скорости воздуха, дальше всего уноситься будут более мелкие капли и капли, расположенные ближе к оси канала. Для большинства капель z/h менее 1, это означает, что они не будут уноситься из устройства, а будут оседать на поверхности расположенных выше пластин или влетать в стенку канала.

Таким образом, постоянный процесс срыва капель жидкости и последующего их возврата увеличивает эффективность тепломассообмена за счет увеличенной поверхности контакта жидкости и газа. Кроме того, капельная влага не уносится с газовым потоком из насадки, а оседает на стенках канала или на соседних пластинах интенсифицирующего элемента, что позволяет сократить потери жидкости до минимума и отказаться от установки каплеуловите-лей, а значит, делая процесс охлаждения оборотной воды более энергоэффективным.

Литература

1. А.П. Дёмин. Автореф. дисс. докт. геогр. наук, Учреждение РАН, Инст-т водных проблем РАН, Москва, 2011. 32 с.

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

3. Пособие по проектированию градирен (к СНиП 2.04.02-84). Центральный институт типового проектирования, Москва, 1989. 132 с.

4. Вентиляторные градирни. Москва, 2013. Режим доступа: http://gradirniprof.ru/vgvb.

5. Вентиляторная градирня и общая классификация охладительных систем. Москва, 2011. Режим доступа: http://gassystems.ru/article_25.html.

6. Справочный документ по наилучшим доступным технологиям обеспечения энергоэффективности. Москва, 2012. 458 с.

7. В.С. Пономаренко, Ю.И. Арефьев, Градирни промышленных и энергетических предприятий. Энергоатомиз-дат, Москва, 1998. 376 с.

8. Нефтегазовые технологии, 12, 2-6 (2007).

9. В.С. Галустов, Сантехника, отопление, кондиционирование, 5, 42

10. А.В. Дмитриев, О.С. Дмитриева, Вестник Казанского технологического университета, 16, 12, 92-95

11. С.А. Лаптев, А.А. Овчинников, Н.А. Николаев, Химическая промышленность, 9, 52-55 (1994).

12. А.А. Исаев, А.В. Дмитриев, И.А. Сабанаев Вестник Казанского технологического университета, 16, 18, 237-239 (2013).

© А. А. Исаев - аспирант кафедры МАХП Нижнекамского химико-технологического института (филиала) КНИТУ, О. С. Дмитриева - доцент кафедры ПАХТ Нижнекамского химико-технологического института (филиала) КНИТУ, ieremiada@gmail.com.

© A. A. Isaev - the graduate student of MAHP chair, NCHTI KNRTU; O. S. Dmitriyeva - the associate professor of PAHT, NCHTI KNRTU, ieremiada@gmail.com.