Испарительное охлаждение оборотной воды

Библиографические ссылки

1. Сажин, Б.С. Экологическая безопасность технологических процессов / Б.С. Сажин, О.С. Кочетов, Л.И. Гудим, Л.М. Кочетов. М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2007.

2. Очистка производственных сточных вод / С.В. Яковлев [и др.]; М. Стройиздат, 2005.

3. Кочетов, Л.М. Использование фильтров с плавающей загрузкой для очистки сточных вод / Л.М. Кочетов, Б.С. Сажин, В.Б. Сажин, И.А. Попов. // Успехи в химии и химической технологии: Сб. науч. тр. [под ред. П.Д. Сарки-сова и В.Б. Сажина]; / РХТУ им. Д.И. Менделеева. М.: Изд-во РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2009. Т. XXIII. № 8 (101). С. 106-113.

УДК 66.011

М.П. Тюрин, Л.М. Кочетов, В.Б. Сажин, М.А. Апарушкина, З.Н. Османов, Н.А. Солдатова

Московский государственный текстильный университет им. А.Н. Косыгина, Москва, Россия Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

ИСПАРИТЕЛЬНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ ОБОРОТНОЙ ВОДЫ

Аналогия между тепло- и массообменом и теория подобия приводят к практически важному выводу о том, что при испарительном охлаждении жидкости коэффициенты тепло-и массоотдачи должны находиться между собой в определенном и мало изменяющемся для практической области температур и влагосодержаний воздуха количественном соотношении.

The analogy between heat and mass transfer and the theory of similarity lead to important practical conclusion that the evaporative cooling of the liquid coefficients of heat and mass transfer must be together in a small and practical for changing the temperature and moisture content of air proportion.

Для получения требуемой температуры отработанную оборотную воду перед новым ее использованием охлаждают в специальных сооружениях: прудах-охладителях, брызгальных бассейнах и градирнях (башенных или вентиляторных); в последние годы начали применять радиаторные (или «сухие») градирни.

Вода в охладителе охлаждается посредством передачи теплоты атмосферному воздуху. Часть теплоты передается вследствие поверхностного испарения воды (вода превращается в пар, который путем диффузии переносится в воздух), другая часть - вследствие разницы в температурах между водой и воздухом, т. е. теплопроводностью и конвекцией. Весьма небольшое количество теплоты отнимается от воды еще излучением, что в тепловом балансе обычно не учитывается. Одновременно имеет место приток теплоты к охлаждаемой воде от солнечной радиации, которое также мало, и в тепловом балансе градирен и брызгальных бассейнов им пренебрегают.

Уравнение теплового баланса охладителя воды в общем виде можно выразить так:

ж-м + о, = о + &,

где Ж - количество охлаждаемой воды в м /ч; М - температурный перепад или разность температур воды, поступающей в охладитель t1 и охлажденной воды t2, °С; - приток теплоты от солнечной радиации; 0и - отдача

теплоты испарением; 0С - отдача теплоты соприкосновением (теплопроводностью и конвекцией).

Работу охладителя воды можно характеризовать количественными показателями. Количественная сторона работы охладителей воды в свою очередь характеризуется гидравлической и тепловой нагрузкой.

Гидравлическая нагрузка охладителя qf выражается количеством во-

3 2

ды в м /ч, приходящейся на 1 м активной (рабочей) площади охладителя в плане. Для брызгальных бассейнов и градирен эта величина называется плотностью орошения.

Тепловая нагрузка охладителя О выражается теплоотдачей, т. е. количеством теплоты, отдаваемого водой воздуху на 1 м2 площади' охладителя в плане:

О = М - С - qf

где М - перепад температур в охладителе, оС; С - удельная теплоемкость воды, кДж/{кг - град); qf - гидравлическаянагрузка охладителяв м3/(ч

2ч

м ).

Качественная сторона работы охладителя, или охладительный эффект, характеризуется:

- Перепадом температур, или шириной зоны охлаждения:

м = ^ -12

где t1 - температура воды, поступающей на охладитель, °С; t2 - температура охлажденной воды, °С.

- Степенью приближения температуры охлажденной воды к теоретическому пределу охлаждения, или высотой зоны охлаждения:

м' = 12 -т

где т - температура воздуха по влажному термометру психрометра (ртутный шарик термометра плотно обтянут какой-нибудь гигроскопической тканью, свободный конец которой погружен в сосуд с водой).

Следует отметить, что температура 12 охлажденной воды всегда выше

температуры т по влажному термометру: например, на вентиляторных градирнях эта разность может достигать 5 - 7° и на башенных - 9 - 12°. Чем меньше разность 12 - т , тем выше эффект работы охладителя.

Поскольку температура по влажному термометру зависит от состояния наружного воздуха и относительной влажности ф, предел охлаждения и действительная температура охлажденной воды изменяются при прочих неизменных условиях, как в течение года, так и суток. При этом изменяется также высота зоны охлаждения, возрастающая с понижением температуры воздуха по влажному термометру. В то время как ширина зоны охлаждения характеризует в основном лишь условия работы охладителя, высота зоны характери-

зует действительный эффект его работы. Этот эффект будет тем выше, чем благоприятнее (при данной гидравлической нагрузке охладителя) условия для поверхностного испарения воды в охладителе и для отдачи теплоты соприкосновением.

Эти условия улучшаются с увеличением: 1) поверхности соприкосновения данного количества воды с окружающим воздухом; 2) количества и скорости воздуха, омывающего свободную поверхность воды; 3) степени равномерности распределения воды и особенно поступающего воздуха на рабочей площади охладителя. Увеличение свободной поверхности охлаждаемой воды достигаются разбрызгиванием ее на капли: в брызгальных бассейнах и в брызгальных градирнях при помощи брызгал (сопел), в которые вода поступает по трубам под напором; в капельных градирнях - при помощи оросительного устройства - деревянных реек, где вода попадает с одного яруса реек на другой, разбиваясь на капли. Для охлаждения незагрязненной воды применяют градирни с пленочным оросителем, на котором вслед за каплями на деревянных дощатых плоскостях образуется непрерывно стекающая тонкая водяная пленка. Количество воздуха и скорость его движения в активном (рабочем) пространстве охладителя в свою очередь зависят: в (прудах) охладителях и брызгальных бассейнах - от направления и скорости ветра (в известной степени); в башенных градирнях - от естественной силы тяги, создаваемой вытяжной башней; в вентиляторных градирнях - от искусственной силы тяги, создаваемой действием отсасывающих или нагнетательных вентиляторов.

В связи с потерями воды, рассмотренными выше при проектировании и эксплуатации охладителей, приходится составлять баланс воды в системе оборотного водоснабжения.

Для количественной оценки интенсивности процессов тепло- и маосо-обмена при решении практических задач большей частью пользуются эмпирическими зависимостями.

Удельное количество теплоты, переданного соприкосновением, выражается при этом для элемента поверхности жидкости df как

Ча = = ~9)

и количество испарившейся жидкости как

^ = ^ = РР V-р),

где а — коэффициент теплоотдачи, tf ,9 - температуры поверхности жидкости и протекающей среды, °С; Рр — коэффициент массоотдачи; р", р -парциальные давления пара на поверхности жидкости и в ядре потока

Коэффициент теплоотдачи а и коэффициент массоотдачи /Зр определяются опытным путем.

При испарительном охлаждении указанные процессы являются, как уже указывалось, взаимосвязанными, но общее количество теплоты, отданной при этом жидкостью, условно разделяется на две части и выражается в виде суммы

Ч = Ча + Чр =а-9)+ г-Рр •

где q[¡=rgu=rfЗp

представляет собой количество теплоты, затраченное на испарение жидкости. Здесь г - теплота парообразования.

Парциальные давления пара могут быть выражены следующим образом:

x" x

Р =--РБ и р =--рБ,

х ' '+0,622 У х + 0,622 УБ'

где х" и х - влагосодержания воздуха на поверхности жидкости и в ядре потока;

При этом необходимо учитывать, что влияние всех факторов, сказывающихся на интенсивности рассматриваемых процессов, за исключением влияния только их движущей силы или разности потенциалов (разности температур и парциальных давлений), находит при этом отражение в численных значениях коэффициентов аир. Поэтому оба опытных коэффициента оказываются зависящими от физических свойств к скорости протекающей среды, конфигурации, размеров и состояния омываемой ею поверхности и т. д. Это ограничивает возможности перенесения опытных данных, полученных при одних условиях, на те же или аналогичные процессы, протекающие при других условиях. Такое перенесение опытных данных является закономерным только при соблюдении требований, устанавливаемых теорией подобия.

Аналогия между тепло- и массообменом и теория подобия приводят к практически важному выводу о том, что при испарительном охлаждении жидкости коэффициенты тепло- и массоотдачи должны находиться между собой в определенном и мало изменяющемся для практической области температур и влагосодержаний воздуха количественном соотношении.

Изменение условий, приводящее к увеличению или уменьшению одного из этих коэффициентов, приводит к практически такому же относительному изменению и другого коэффициента

Приближенно принимают

а

а=с"'

где сел—теплоемкость влажного воздуха, отнесенная к 1 кг содержащегося в нем сухого воздуха.

Тепло- и массоотдача капель.

Для области чисел Re < 50 - 200 результаты опытов, как правило, хорошо описываются двучленными формулами вида:

Ии = 2 + С  Яе т  Pгп,

Иив = 2 + С  Яет  Ргпв

где первое слагаемое представляет собой предельное значение критерия Нуссельта Ии0 = 2 ,к которому он стремится при Яе ^ 0 .

Когда Яе > 150 ^ 200 и Ии0 мало сравнительно с действительным значением Ии, результаты опытов описываются уравнениями:

Ми = С  Яе т  Ргп,

Мип = С  Яет  РгП

Показатель степени при критерии Прандтля принимается большей ча-1 ^

стью п = —, величины же С и т, по данным различных авторов, несколько

3

2

колеблются. Они составляют в среднем при Яе < 150 :С = 0,18и т = 3 и при

Яе > 150 : С = 0,6 и т = 0,5 .В качестве определяющего размера принимается диаметр капли (сферы). Физические константы, входящие в состав критериев, могут относиться к температуре основной массы воздуха.

Капли отличаются от твердых шаров тем, что при свободном падении возможно отклонение формы их поверхности от чисто сферической и возникновение вибраций, что отражается, конечно, и на интенсивности тепло- и массоотдачи , Однако при высотах свободного падения . капель и скоростях воздуха, имеющих место в градирнях, поверхность капель представляет собой практически правильную сферу и в учете влияния колебаний при их падении также нет необходимости. Для испарительного охлаждения воды при давлении воздуха около 1 ата и температурах его ниже 100 °С уравнения для пре-деления коэффициентов а и /р могут быть представлены следующем приближенном виде:

а = 0,6  —

w  d

V

ч 0,5

V а )

3,-

П

3=°,6

' w

V

V

V

Б  И  Т

8,6 -л-

)

Здесь следует принимать w в м/сек иё - в м. Тепло - и массоотдача жидкостной пленки.

Когда охлаждаемая жидкость разделяется на тонкие пленки, коэффициенты обмена зависят помимо прочего от формы поверхности, по которой стекает жидкость.

Исследования тепло - и массоотдачи при стекании пленки жидкости по внутренней поверхности вертикальных каналов круглого и прямоугольного сечения приводят к выводу, что при развитом, гидродинамически стабилизированном турбулентном течении встречного потока воздуха (

Яе > 5000 ^ 13000; 1 > 50 ) можно пользоваться формулами: d

.0,4

Ми = 0,023  Яе '  Рг МиБ = 0,023  Яе0,8  Рг£4

или при Рг =0,72 и Ргс = 0,63:

Ми = 0,020  Яе0'8. Мип = 0,020  Яе

0,8

В качестве определяющего размера принимается для круглого канала

3

его диаметр и для прямоугольного канала - гидравлическии диаметр, а скорость воздуха определяется относительно поверхности движущейся пленки, т. е. при противотоке

Wo ^ w + Ww ,

где w - абсолютная скорость воздуха и ww - скорость жидкостноИ пленки. Физические константы могут быть отнесены к среднеИ температуре воздуха.

УДК 66.047

М.К. Кошелева, С.Н. Шацких, И.В. Величко, А.Ю. Куницкая, Е.К. Стратонович, А.Я. Бахис

Московский государственный текстильныИ университет имени А.Н.Косыгина, Москва, Россия Средняя общеобразовательная школа №1145 имени Фритьофа Нансена, Москва, Россия

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМОВЛАЖНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ ПРОМЫВНЫХ ВОД ОТДЕЛОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА ТЕКСТИЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Разработано устроИство для обработки промывных вод отделочного производства текстильноИ промышленности. Один из главных и водоемких процессов отделки тканеИ -промывка. В промывных водах содержится огромное количество опасных и вредных веществ, попадание которых в окружающую среду недопустимо. Очистка таких вод проводится на отдельных машинах и подразумевает большие затраты. Данное устроИство позволяет совместить работы отделочного и очистного оборудования. Это возможно, например, при тер-мовлажностноИ обработке тканеИ.

The device for a treatment of washing water of finishing manufacturing of textile industry was developed. Flushing is one of the main water-intensive processes of finishing fabrics. Washing waters contain a huge amount dangerous and harmful substances, the presence of which in the environment is unacceptable. Cleaning of washing water is held on separate machines, and involves high costs. This device allows to combine the work of finishing and cleaning equipment. It is possible, for example, at hydrothermal treatment of fabrics.

Целью работы является разработка устроИства для обработки промывных вод отделочного производства текстильноИ промышленности, обеспечивающего совмещение работы отделочного и очистного оборудования, например, в процессе термовлажностноИ обработки текстильных материалов.

В [1] описывается устроИство для обработки промывных вод отделочного производства текстильноИ промышленности, содержащее промывную ванну, соединенную с неИ ультрафильтрационную установку с полупрони-цаемоИ мембраноИ и установку обратного осмоса. Недостатком устроИства является необходимость подбора мембран для каждого вида органических загрязнениИ, преобладающих в промывных водах отделочного производства текстильноИ промышленности. Кроме того, высокая стоимость мембран и ог-раниченныИ срок их работы сдерживает их применение для обработки промывных вод отделочного производства.

В работе [2] приведено описание устроИства для обработки промыв-