Определение расхода жидкости в градирнях вихревого типа с распылителями

О. С. Дмитриева, А. В. Дмитриев, А. Н. Николаев ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДА ЖИДКОСТИ В ГРАДИРНЯХ ВИХРЕВОГО ТИПА С РАСПЫЛИТЕЛЯМИ

Ключевые слова: градирня, расход воды, оборотная вода, распытитель.

В статье предложен аппарат для охлаждения оборотной воды и метод определения расхода воды.

Keywords: cooling tower, water consumption, circulating water, atomizer.

The paper developed a device for cooling circulating water and the method for determining the water consumption.

Мировая потребность в воде на сегодняшний день превышает половину среднегодового стока всех рек Земли. Нехватку воды испытывает более 2,5 млрд. людей на планете, и очевидно, что с ростом населения, развитием городов и производств дефицит будет только увеличиваться [1]. Анализ прогнозов развития экономики Российской Федерации, в том числе и с учетом последствий мирового экономического кризиса, приводит к выводу, что к 2020 году с большой вероятностью годовая потребность в водных ресурсах составит 90-110 км3 [2, 3]. В целях максимально эффективного использования водных ресурсов предприятия используют водооборотные охлаждающие системы, где в качестве охлаждающего оборудования используются градирни [4]. Однако существующие недостатки традиционных градирен, такие как плохая смачиваемость насадочных устройств, недостаточно равномерное распределение воды и другие, делают весьма актуальной задачу разработки новых аппаратов для охлаждения оборотной воды. В работах [5, 6] представлена конструкция

тепломассообменного устройства для контакта газа и жидкости в вихревом потоке для систем оборотного водоснабжения, применение которой позволит эффективно осуществлять процесс охлаждения оборотной воды. Авторами статьи разработан вихревой аппарат с дисковым распылителем [7], который не обладает вышеперечисленными недостатками.

Достоинствами аппарата являются низкое гидравлическое сопротивление аппарата, простота конструкции, высокая эффективность охлаждения при относительно низких энергетических и эксплуатационных затратах. Подробное описание разработанной конструкции представлено в работе [8].

Для оптимальной работы разработанной вихревой камеры с дисковым распылителем необходимо, чтобы все капли после контакта с воздухом имели одинаковую температуру. Это возможно, если выполняется условие постоянства диффузионного потока от всех капель, находящихся в рабочей зоне аппарата:

Пэ^а 2 Ра

где па = 6£ита/(па3) - количество капель в рабочей зоне аппарата диаметром а; а - диаметр капли, м; /За - коэффициент массоотдачи от капель к воздуху, м/с; х - влагосодержание воздуха, кг/м3; хР -

равновесное влагосодержание, кг/м ; та - время полета капель, с; - объемный расход жидкости с

3

/-того диска распылителя, м /с.

Откуда после всех преобразований можно определить распределение потоков жидкости с дисков распылителя

(h -Az)2

(

1 -11 -

D„ 1 i Az

2R I h,

V

p

(

(

h + i Az

tgz

h

1

_ Dn 1 i Az R —- I tg у

a 2 I hh

-1

p

\-2,29

где Ьт - массовый расход жидкости с /-того диска распылителя, кг/с; Ьттах - максимальный массовый расход жидкости с первого диска распылителя, кг/с; И - высота лопаток завихрителя, м; Аг - высота прорези в распылителе, м; Бп - диаметр патрубка для выхода воздуха, м; Яа - радиус аппарата, м; /Аг - расстояние от верхней крышки камеры до /-того диска распылителя; ИР - высота распылителя, м; % -угол наклона образующей конического днища к оси завихрителя, °.

Массовый расход воды в разработанном вихревом аппарате определяется по уравнению:

(

Lm = Lm

1 +-

1

-X Lm

Л

где п - количество дисков распылителя.

Следует отметить, что первый диск имеет индекс / = 0. На верхние диски жидкости подается больше с целью более равномерного заполнения каплями рабочей зоны вихревой камеры, т.е. £ттах = Ьт0. Расчет вихревой камеры с дисковым распылителем проводился для аппарата с радиусом Яа = 0,5 м, диаметром выходного патрубка для газа Бп = 0,25 м, высотой распылителя ИР = 0,2 м, высотой лопаток завихрителя И = 0,3 м, углом наклона образующей днища на оси завихрителя х = 20°, общим количеством дисков распылителя п = 10.

Результаты расчетов показали, что такие конструктивные параметры аппарата, как высота распылителя и диаметр патрубка для выхода воздуха, практически не влияют на изменение распределения жидкости с дисков распылителя (рис. 1, 2).

L

L

1

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

Рис. 1 - Распределение воды с дисков

распылителя в зависимости от высоты распылителя, м: 1 - 0,05; 2 - 0,1; 3 - 0,2; 4 - 0,3

1

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

0123456789 *'

Рис. 2 - Распределение воды с дисков

распылителя в зависимости от диаметра выходного патрубка для газа, м: 1 - 0,1; 2 - 0,15; 3 - 0,2; 4 - 0,25

На рисунке 3 видно, что при радиусе аппарата Ra < 0,3 м зависимость имеет практически линейный характер.

1

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

0

Рис. 3 - Распределение воды с дисков

распылителя в зависимости от радиуса аппарата, м: 1 - 0,3; 2 - 0,4; 3 - 0,5; 4 - 0,7

Оказывают существенное влияние на распределение жидкости с дисков распылителя такие параметры, как радиус аппарата и угол наклона образующей днища к оси завихрителя, поскольку объем рабочей зоны аппарата, заполненный каплями равных диаметров, становится практически одинаковым по радиусу аппарата (рис. 3, 4). В вихревых камерах с малым радиусом и небольшим углом наклона образующей днища к оси завихрителя происходит более

равномерное заполнение рабочей зоны аппарата каплями воды, пространство между распылителем и лопастями уменьшается и заполняется мелкими каплями (рис. 3, 4).

1

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

0123456789 i Рис. 4 - Распределение воды с дисков

распылителя в зависимости от угла наклона образующей днища к оси завихрителя, °: 1 - 10; 2 - 30; 3 - 45; 4 - 60

Таким образом, разработанный аппарат с дисковым распылителем позволяет создавать капли требуемых диаметров, что позволит равномерно заполнить всю рабочую зону мелкодисперсными каплями и увеличить эффективность процесса охлаждения оборотной воды.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках реализации ФЦП «Научные и научнопедагогические 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. И.Р. Калимуллин, Г.Х. Гумерова, А.Н. Николаев, Вестник Казанского технологического университета, 16,

2, 142-144

2. Водная стратегия Российской Федерации на период до 2020 года. Москва, 2009. 39 с.

3. В.И. Данилов-Данильян, Водные ресурсы мира и перспективы водохозяйственного комплекса России. ООО «Типография ЛЕВКО», Москва, 2009. 88 с.

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

5. О.С. Дмитриева, А.В. Дмитриев, А.Н. Николаев,

Вестник Казанского технологического университета, 16, 3, 63-65

6. Заявка на патент Российской Федерации 2012144822/20

7. Заявка на патент Российской Федерации 2012154478/06

8. О.С. Дмитриева, А.В. Дмитриев, Химическое и

нефтегазовое машиностроение, 3, 13-16

0123456789 г'

© О. С. Дмитриева - старший преподаватель кафедры процессов и аппаратов химических технологий Нижнекамского химико-технологического института (филиала) ФГБОУ ВПО «КНИТУ»; А. В. Дмитриев - докт. техн. наук, доцент кафедры процессов и аппаратов химических технологий Нижнекамского химико-технологического института (филиала) ФГБОУ ВПО «КНИТУ»; А. Н. Николаев - докт. техн. наук, профессор, заведующий кафедрой оборудования пищевых производств ФГБОУ ВПО «КНИТУ»