Тепломассообменный аппарат с комбинированной схемой взаимодействия потоков газа и жидкости в системах оборотного водоснабжения

О. С. Дмитриева, А. В. Дмитриев, А. Н. Николаев ТЕПЛОМАССООБМЕННЫЙ АППАРАТ С КОМБИНИРОВАННОЙ СХЕМОЙ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОТОКОВ ГАЗА И ЖИДКОСТИ В СИСТЕМАХ ОБОРОТНОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Ключевые слова: тепломассообменный аппарат, высокая эффективность, оборотная вода, охлаждение.

Предложен тепломассообменный аппарат с комбинированной схемой взаимодействия потоков газа и жидкости для увеличения эффективности охлаждения оборотной воды промышленных предприятий.

Keywords: heat and mass transfer device, high efficiency, circulating water, cooling.

The heat and mass transfer device with a combined scheme of interaction of gas and liquid for increasing the cooling efficiency of circulating water in industrial enterprises were suggested.

Проблема ремонта и обновления парка

градирен в последнее время особенно остро встает

перед специалистами различных предприятий нефтяного и нефтехимического комплекса. Планы развития производства требуют улучшения

надежности охлаждения оборотной воды на градирнях. Более того, от эффективности работы градирен зависит степень реализации преимуществ систем оборотного водоснабжения как в техническом, так и в экологоэкономическом аспекте: удельный расход топлива, сырья, воды, электроэнергии. Большое значение имеет также снижение уровня шума до значений,

предписываемых СНиП и СанПиН при помощи использования современных бесшумных вентиляторов и других технологий снижения уровня шума [1].

При разработке конструкций новых градирен, реконструкции существующих необходимо, во-первых, обеспечить охлаждение заданных объемов воды до требуемых температур, особенно при работе градирен в жаркое время года. Во-вторых, следует стремиться к уменьшению затрат электроэнергии, сохранению ресурса вентиляторных установок. При этом необходимо максимально снизить гидроаэродинамическое сопротивление

технологических устройств и другие неблагоприятные факторы. Нежелателен унос капель через горловину градирен, выдувание их через боковые окна. В данном направлении должны быть приняты меры. Необходимо, кроме того, обеспечить надежность работы, оборудования градирни, возможность регулирования режимов в зависимости от изменяющихся технологических требований, климатических условий и т. д. Вместе с тем, при выполнении этих работ, стоят также задачи: экономии материалов, замены дорогостоящих на более дешевые, долговечные, эффективной защиты конструкций от коррозии; облегчения строительно-монтажных операций, снижения их сроков и стоимости [2].

Примером модернизации вентиляторных установок за счет применения эффективных комплектующих может служить вентиляторная установка градирни СК-400 с «верхним» приводом. Привод состоит из рабочего колеса с лопастями из стеклопластика; приводного вала, изготовленного из углепластика, позволяющего использовать безопорную конструкцию; быстроходного электродвигателя и

редуктора с конической передачей. Градирня с вентиляторной установкой дает существенную экономию электроэнергии, более чем в 4 раза снижается потребляемая установкой мощность [3]

Известна градирня [4], содержащая башню, на боковой поверхности которой расположены воздуховходные окна с форсунками для эжекции охлаждающего воздуха, причем в окнах установлены наклонные внутрь градирни жалюзи, образующие расположенные ярусами каналы, а форсунки размещены перед входными горловинами последних. Форсунки выполнены акустическими, каждая из которых содержит корпус с размещенным внутри генератором акустических колебаний в виде сопла и резонатора, трубок для подвода воздуха и жидкости. Недостатком изобретения является сложность изготовления конструкции.

Известна также градирня тепловой электрической станции [5], содержащая корпус с воздухозаборными отверстиями, в котором размещены устройства для распределения воды, подключенные к трубопроводу нагретой в конденсаторе воды, бассейн для сбора охлажденной воды, расположенный под корпусом и соединенный трубопроводом с конденсатором турбины. Градирня снабжена воздухоотводящими отверстиями, а корпус градирни расположен горизонтально и выполнен в виде параллелепипеда или полуцилиндра, причем воздухозаборные отверстия расположены с одной стороны корпуса, а воздухоотводящие отверстия - с другой, при этом воздухоотводящие отверстия подключены

воздуховодом к всасывающему патрубку дутьевого вентилятора котла, а движение воздуха в градирне обеспечивается за счет разрежения, создаваемого дутьевым вентилятором котла. Недостатком изобретения является невысокая эффективность тепломассообмена.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является комбинированная градирня [6], содержащая корпус в виде вытяжной башни с воздуховходными окнами в нижней части или корпус вентилятора, водоуловительное устройство, водосборный

бассейн, размещенный под корпусом градирни, водораспределительную систему с

разбрызгивающими форсунками, выходные отверстия которых направлены вверх, и оросительное устройство, разбрызгивающие форсунки. Недостатком этого изобретения является низкая пропускная способность и относительная скорость движения жидкой и газовой фаз.

Задачей изобретения авторов является увеличение пропускной способности аппаратов для проведения тепломассообменных процессов в системе газ-жидкость, при сохранении достаточно высокой эффективности работы и относительно низких энергетических затрат. Изобретение предназначено для проведения теплоомассообменных процессов, в частности, для охлаждения оборотной воды, может быть использовано на предприятиях химической, нефтехимической, энергетической и другой промышленности.

Это достигается тем, что блоки регулярной насадки состоят из каналов с непосредственным взаимодействием потоков газа и жидкости в прямотоке и каналов с противоточным движением фаз через стенку канала, в которые жидкость поступает через отверстия в стенках.

Сущность изобретения поясняется рисунками. На рис. 1 схематично изображен тепломассообменный аппарат с комбинированной схемой взаимодействия потоков газа и жидкости, вид сбоку; на рис. 2 -отверстие в стенке канала для орошения жидкостью канала с противоточным движением фаз через стенку канала; на рис. 3 - разрез аппарата по линии Б - Б.

8 ^2 Жидкость I------------

Рис. 1 - Тепломассообменный аппарат с

комбинированной схемой взаимодействия потоков газа и жидкости, вид сбоку

Тепломассообменный аппарат с

комбинированной схемой взаимодействия потоков газа и жидкости [7] состоит из корпуса 1, внутри которого расположена водораспределительная система 2, в основании которой установлены трубки 3 для подачи жидкости в шестиугольные каналы 4 регулярной насадки (рис. 1). Блоки регулярной насадки

расположены в средней части корпуса 1 аппарата, по всему его поперечному сечению. Причем блоки регулярной насадки состоят из каналов 4 с непосредственным взаимодействием потоков газа и жидкости в прямотоке и каналов 5 с противоточным движением фаз через стенку канала, в которые жидкость поступает через отверстия 6 (рис. 2) в стенках каналов 4, для снижения гидравлического

сопротивления. Нижние части каналов 5 выведены в газораспределительную зону 7 аппарата. В верхней части корпуса 1 имеется патрубок для ввода жидкости 8 в аппарат, в средней части - патрубки для вывода потока газа 9 и вывода жидкости 10, в нижней части - патрубок для ввода газа 11.

Рис. 2 - Отверстие в стенке канала для орошения жидкостью канала с противоточным движением фаз через стенку канала

Рис. 3 - Разрез тепломассообменного аппарата с комбинированной схемой взаимодействия потоков газа и жидкости по линии Б - Б

Тепломассообменный аппарат с комбинированной схемой взаимодействия потоков газа и жидкости работает следующим образом. Поток газа через патрубок 11 в корпусе 1 попадает в газораспределительную зону 7 аппарата и по каналам 5 движется вверх. Жидкость подается через патрубок 8, заполняет водораспределительную систему 2 и по трубкам 3 направляется в каналы 4 насадки. Жидкость движется по всей поверхности регулярной насадки в виде равномерной пленки, что существенно увеличивает площадь контакта газовой и жидкой фаз, интенсивность массо- и теплообмена. Стекающая по каналам 4 жидкость собирается внизу средней части аппарата, откуда выводится через патрубок 10 из аппарата. Газ, поднимаясь вверх, вовлекает жидкость, вытекающую из отверстий 6 в стенках каналов 4 регулярной насадки, в совместное движение, распределяя её по каналу 5 (рис. 3). Высокая скорость потока газа существенно увеличивает коэффициент массо- и теплопередачи, а вытекающая из отверстий 6 жидкость позволяет

снизить гидравлическое сопротивление и увеличить коэффициент массоотдачи. Поток газа, достигнув верхней части насадки, перераспределяется в каналы 4 для контакта с жидкостью из распределительных труб

3, где тепломассообмен осуществляется через стенки соседних каналов 5, после чего выводится из аппарата через патрубок 9 [8, 9].

Результатом является увеличение пропускной способности аппаратов для проведения тепломассообменных процессов в системе газ-жидкость, при сохранении достаточно высокой эффективности работы и относительно низких энергетических затрат.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (гос.

контракты на проведение НИР 02.740.11.0685,

02.740.11.0753) и гранта президента РФ.

Литература

1. Нефтегазовые технологии, 12, 2-6

2. Р.Ф. Гайнуллин, В сб. Докладов Всероссийской конференции «Реконструкция энергетики - 2009», ООО «ИНТЕХЭКО», Москва, 2009. С. 86-88

3. А.А. Бутов, СФЕРА НЕФТЕГАЗ, 1, 174-175

4. Патент Российской Федерации 2350871

5. Патент Российской Федерации 2269733

6. Патент Российской Федерации 2306513

7. Заявка на патент Российской Федерации

8. О.С. Макушева, А.В. Дмитриев, А.Н. Николаев. Вестник Казанского технологического университета, 14, 3, 153-154

9. Г.Х. Гумерова, О.С. Макушева, А.В. Дмитриев, Вестник Казанского технологического университета, 14, 3, 35-37

© О. С. Дмитриева - ст. препод. каф. ПАХТ НХТИ КНИТУ, А. В. Дмитриев - канд. техн. наук, доцент той же кафедры; А. Н. Николаев - д-р техн. наук, проф., зав. каф. ОПП КНИТУ, na.nikolayev@bk.ru.