Профили скоростей в контактных устройствах с интенсифицирующими элементами

УДК 66.021.3/4

А. А. Исаев, О. С. Дмитриева

ПРОФИЛИ СКОРОСТЕЙ В КОНТАКТНЫХ УСТРОЙСТВАХ С ИНТЕНСИФИЦИРУЮЩИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

Ключевые слова: градирня, профили скоростей, оборотная вода.

Применение контактных устройств с интенсифицирующими элементами повышает эффективность системы охлаждения оборотной воды, тем самым значительно снижая потребление энергии и увеличивая производительность процесса. При взаимодействии жидкости и газа основное термическое сопротивление сосредоточено в газовой фазе, поэтому распределение скоростей газа в окрестности жидкостной пленки существенно влияет на процессы тепло- и массообмена.

Keywords: cooling tower, profiles of velocity, circulating water.

The use of contact devices with intensifying elements increases the efficiency of the cooling system of circulating water, thereby significantly reducing energy consumption and increasing productivity of the process. The thermal resistance is concentrated in the gas phase by the interaction of the liquid and gas, however the velocity distribution of gas in the vicinity of the liquid film significantly affects the processes of heat and mass transfer.

В промышленности и производстве при проведении различных технологических процессов всё чаще применяют водосберегающие технологии, а именно, оборотное и повторное водоснабжение, при этом удается существенно снизить объемы потребления пресной воды. К примеру, в промышленности США по предварительным подсчетам 1 м3 воды применяется около 20 раз. Так и в промышленности Российской Федерации не менее 50% всех систем водоснабжения использует повторное и оборотное водоснабжение. В мире повторное использование водных ресурсов составляет примерно 10% за год от общего количества забираемой воды из естественных источников [1]. 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].

Охданщемная вода

Рис. 1 - Общий вид испарительной градирни вентиляторного типа: 1 - входной патрубок, 2 -водораспределитель, 3 - ороситель, 4 - вентилятор, 5 - окна для забора воздуха, 6 - каплеуловитель, 7 -диффузор, 8 - резервуар с выходным патрубком для охлажденной воды [3]

Испарительные градирни вентиляторного типа (рис. 1), обеспечивая стабильность охлаждения оборотной воды, имеют наибольший перепад температуры воды и максимальную удельную тепловую нагрузку, чем аппараты для охлаждения воды других типов. Тем не менее известные испарительные градирни имеют существенные недостатки, а именно, плохая смачиваемость насадочных элементов, недостаточные

равномерность распределения воды и эффективность работы каплеуловителей, что ведет к уносу капельной влаги из аппарата, обледенение вентиляторов и других элементов градирен, засорение форсунок, малая поверхность контакта взаимодействующих фаз, большие

эксплуатационные затраты на перекачивание воды и потока воздуха, коррозия оборудования [3-6].

Поскольку эффективность процесса охлаждения оборотной воды энергетических установок промышленных предприятий во многом определяется конструктивными особенностями насадочных устройств, для решения перечисленных проблем авторами статьи было разработано упорядоченное контактное устройство для тепломассообменных аппаратов, состоящее из шестиугольных ячеек, в каждой из которых расположен интенсифицирующий элемент.

Применение контактных устройств со специальными интенсифицирующими элементами позволяет осуществлять эффективный процесс охлаждения воды при различных скоростях потока воздуха на входе [7, 8]. 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.

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 увеличивает площадь контакта взаимодействующих фаз, увеличивает

интенсификацию перемешивания в пленке, благодаря чему эффективность процесса тепломассообмена в разработанном контактном устройстве выше по сравнению с аналогами. Кроме того, возврат капель на элементы устройства практически полностью исключает унос жидкости из канала.

Известно, что контактные устройства, в которых свободная жидкостная пленка взаимодействует с противоточным потоком газа, имеют высокие эксплуатационные показатели: малые гидравлическое и аэродинамическое сопротивления. Кроме того, такие устройства обладают высокими сепарирующими свойствами [9].

При взаимодействии жидкости и газа основное термическое сопротивление сосредоточено в газовой фазе, поэтому распределение скоростей газа в окрестности жидкостной пленки существенно влияет на процессы тепло- и массообмена. В известной нам научной литературе недостаточно данных по гидродинамике газового потока в пространстве контактных устройств с каналами шестиугольной формы, поэтому в наших исследованиях особое внимание было уделено распределению скорости газового потока. 0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0

0 0,2 0,4 0,6 0,8 г!Ъ Рис. 2 - Профили окружных скоростей воздуха: 1 -Ь = 29 мм; 2 - Ь = 50 мм; 3 - Ь = 75 мм

Для изучения физических закономерностей газодинамики в упорядоченной насадке со спиральным элементом была спроектирована и создана экспериментальная установка. Экспериментальные

исследования проводились на системе вода-воздух. Рассмотрим профили осевой, окружной и абсолютной скоростей, взятых в сечении, перпендикулярном оси канала и находящемся в середине контактного устройства, где движение газового потока стабилизировано. Принимаем скорость на входе в канал ШЪх = 3 м/с, г/Я -отношение координаты смещения исследуемой точки относительно центра канала к ширине описанной окружности шестиугольника.

Кривую с точностью 96% можно описать уравнением: у = -2,246х3 + 0,0135х2 + 2,1729х + 0,0036.

Все три кривые практически совпадают, что говорит о том, что структура газового потока не зависит от масштаба канала, а пик окружной скорости приходится на г/Ъ = 0,68 (рис. 2-4).

1,8 1,6

1,4 1,2 1

0,8 0,6 0,4 0,2 0

0 0,2 0,4 0,6 0,8 г/Ь Рис. 3 - Профили осевых скоростей воздуха: 1 - Ь = 29 мм; 2 - Ь = 50 мм; 3 - Ь = 75 мм

2 1,8 1,6 1,4 1,2 1

0,8 0,6 0,4 0,2 0

0 0,2 0,4 0,6 0,8 г!Ь Рис. 4 - Профили абсолютных скоростей воздуха: 1 - Ь = 29 мм; 2 - Ь = 50 мм; 3 - Ь = 75 мм

Для абсолютной и осевой скорости характерны стабильно высокие значения на всем протяжении от оси к стенкам канала.

В целях упрощения дальнейших расчетов, скорости, взятые по линии радиуса вписанной и по линии описанной окружности были усреднены, погрешность при этом для всех трех видов

скоростей составила не более 10% (рис. 5). 10

8 6

4 2 0 -2

-4

г/Ъ

Рис. 5 - Относительная погрешность £ при осреднении скоростей, взятых по радиусам вписанной и описанной окружностей шестиугольника: 1 - Ь = 29 мм; 2 - Ь = 50 мм; 3 - Ь = 75 мм

В данной статье профили скоростей получены при однофазном течении газовой среды в контактном устройстве. Для двухфазного потока структура изменится несущественно, так как она определяется геометрией, а не двухфазным потоком.

Таким образом, значения окружной, осевой и абсолютных скоростей позволят в дальнейшем исследовать траектории движения капель в контактных устройствах, составлять и решать дифференциальные уравнения по гидрогазодинамике и

тепломассообмену. При работе регулярной насадки для тепломассообменных аппаратов создается пленочное течение, что позволяет интенсифицировать процесс охлаждения оборотной воды, эксплуатация разработанных устройств позволяет ограничить отрицательное воздействие на окружающую среду и повысить

энергоэффективность процесса.

Литература

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

2. Пособие по проектированию градирен (к СНиП 2.04.0284). Центральный институт типового проектирования, Москва, 1989. 132 с.

3. Вентиляторные градирни. Москва, 2011. Режим доступа: http://gassystems.ru/produkt/prochee-oborudovanie/gradirni/ventilyatornaya.

4. О.С. Дмитриева, А.В. Дмитриев, А.Н. Николаев Вестник Казанского технологического университета, 16, 3, 63-65

5. И.Р. Калимуллин, А.В. Дмитриев, Н.А. Николаев, Производство и применение водорода. Новое знание, Казань, 2008. 176 с.

6. А. А. Исаев, И. А. Сабанаев, А. В. Дмитриев, Вестник Казанского технологического университета, 16, 18, 237239

7. А.В. Дмитриев, О.С. Макушева, А.Н. Николаев, Экология и промышленность России, 10, 15-17

8. М.Г. Зиганшин, П.В. Ежов, А.В. Дмитриев, Промышленная энергетика, 9, 49-53

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

© А. А. Исаев - аспирант кафедры МАХП Нижнекамского химико-технологического института (филиала) КНИТУ; О. С. Дмитриева - доцент каф. ПАХТ Нижнекамского химико-технологического института (филиала) КНИТУ, ja_deva@mail.ru.

© А. А. Isaev - the graduate student of MAHP chair, NCHTI KNRTU; О. S. Dmitrieva - the associate professor of PAHT, NCHTI KNRTU, ja_deva@mail.ru.