CC BY
5
УДК 66.096.5
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ СРАВНЕНИЕ ВОДООХЛАДИТЕЛЯ С ЦЕНТРОБЕЖНЫМ СЛОЕМ НАСАДКИ И ВЕНТИЛЯТОРНОЙ ГРАДИРНИ
© 2018 Ю.Н. Агапов, Д.А. Давыдов
Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: приведены результаты экспериментального сравнения водоохладителя с центробежным псевдоожиженным слоем и вентиляторной градирни. В частности, показаны зависимости удельной холодопроизводительности и теплогидравлического показателя аппаратов от начальной температуры жидкости. Эксперименты проводились на стенде, предназначенном для исследования гидродинамических и тепловых характеристик трехфазного псевдоожиженного слоя. При этом в качестве рабочих элементов использовались опытные образцы аппаратов. Основными задачами исследований являлись: проверка работоспособности аппаратов, определение их холодопроизводительности и теплогидравлического показателя. Экспериментальное сравнение водоохладителя с центробежным слоем мелкозернистой насадки с вентиляторной градирней показало, что по удельной холодопроизводительности исследованный аппарат эффективнее градирни в два раза, а по теплогидравлическому показателю - в полтора раза. Результаты эксперимента позволяют рекомендовать псевдоожиженный слой в качестве насадки в градирнях с целью обеспечения оптимального технологического режима охлаждения оборотной воды потоком воздуха
Ключевые слова: псевдоожиженный слой, межфазовый теплообмен, насадка, градирня
Введение
Проблема охлаждения циркуляционной воды существует во многих отраслях промышленности и, в частности, на тепловых электрических станциях. Для этой цели используют градирни различных конструкций. В реальных условиях работы промышленных градирен охлаждение воды осуществляется в узком температурном диапазоне (максимум 10 - 12 оС). Перспективным направлением для интенсификации тепломассообменных
процессов в градирнях является использование псевдоожиженного слоя в качестве насадки. С целью проверки работоспособности и эффективности водоохладителя с
центробежным слоем было проведено его экспериментальное сравнение со стандартной вентиляторной градирней.
Описание экспериментальной установки
На рис. 1 приведена схема экспериментальной установки для
исследования процессов охлаждения воды в таком устройстве.
Экспериментальный охладитель состоит из центробежного вентилятора 1 и кольцевой камеры 2, образованной двумя коаксиально расположенными цилиндрическими
поверхностями 3 и 4. В камере установлена кольцевая форсунка 5, через которую вода
орошает слой мелкозернистого материала 6, расположенный на сетке, накрывающей кольцевую газораспределительную решетку 7 с профильными лопатками 8. Под решеткой находится ванна, предназначенная для сбора охлажденной воды 9. Внутренняя цилиндрическая поверхность 4 выполнена перфорированной для фильтрации через нее воздуха и отвода его из кольцевой камеры.
I
1 - центробежный вентилятор; 2 - кольцевая камера; 3, 4 - цилиндрические поверхности; 5 - кольцевая форсунка; 6 - слой мелкозернистого материала; 7 - газораспределительная решетка; 8 - профильные лопатки; 9 - ванна; 10 - микроманометр типа ММН-240
Принцип работы охладителя следующий. Воздух с помощью вентилятора через ванну и
решетку поступает под углом к горизонтальном плоскости в слой мелкозернистого материала. Вследствие этого частицы материала переходят в псевдоожиженное состояние и начинают перемещаться вдоль кольцевой решетки в сторону наклона лопаток. Так как сверху частицы орошаются водой, то на их высокоразвитой поверхности происходит контакт охлаждаемой воды с атмосферным воздухом, в результате чего вода охлаждается. Интенсивность тепломассообмена в этом случае на порядок выше, чем на пластинах, что позволяет значительно уменьшить габариты, а удельную холодопроизводительность
устройств - увеличить.
Экспериментальная градирня с центробежным псевдоожиженным слоем в качестве насадки оборудована центробежным вентилятором с электродвигателем мощностью N = 0,75 кВт. Холодопроизводительность установки определяется в процессе эксперимента. Удельная поверхность теплообменной насадки зависит от диаметра твердых частиц и определяется из следующего соотношения ^ = 6 (1 - е) / .
В системах оборотного водоснабжения промышленных предприятий для охлаждения воды используются градирни различного типа: башенные, вентиляторные и открытые (атмосферные). Наибольшее распространение получили вентиляторные градирни, воздух в которых прокачивается с помощью нагнетательных или отсасывающих
вентиляторов. По сравнению с другими типами охладителей такие градирни обеспечивают более глубокое охлаждение циркуляционной воды, маневренное регулирование температуры охлаждаемой жидкости и требуют меньшей площади застройки. Вентиляторные градирни дешевле на 50 - 60 % башенных, строительство их проще, однако они имеют значительные эксплуатационные расходы [1].
Поэтому в качестве сравниваемого варианта принята вентиляторная градирня со следующими параметрами:
— холодопроизводительность до 900 кВт;
— расход воды до 2 кг/с.
Вентиляторная градирня снабжена осевым
вентилятором с электродвигателем мощностью N = 4 кВт. В качестве насадки используются пакеты мипластовых пластин с удельной поверхностью = 100 м2/м3.
Основным элементом вентиляторной градирни (рис. 2) является осевой вентилятор 1,
установленный в горловине башни 2 над оросителями (форсунками) 5. Под ним в оросительной башне расположена
тепломассообменная насадка 6, которая используется для увеличения поверхности контакта охлаждаемой жидкости с воздухом. В нижней части оросительной башни имеются воздухозаборные окна 3 и ванна сбора охлажденной воды 4.
^АДА А А А А А
'Л1- 7КЧ '/IV 7КЧ 71\- 71\ч 71\ч \ \ \ \ \ \ ) \
Рис. 2. Основные элементы вентиляторной градирни с пластинчатой насадкой: 1 - осевой вентилятор; 2 - башня;
3 - воздухозаборные окна; 4 - ванна сбора воды;
5 - оросители; 6 - тепломассообменная насадка;
7 - электродвигатель; 8 - насос; 9 - каплеуловитель;
10 - патрубок
В вентиляторной градирне охлаждение воды осуществляется следующим образом. Вода поступает через патрубок 10 и при помощи форсунок орошает насадку, состоящую из пакетов мипластовых пластин. Стекая по пластинам в виде пленки, вода контактирует с поступающим противоточно ей атмосферным воздухом, засасываемым осевым вентилятором через воздухозаборные окна. При этом воздух охлаждает воду, увлажняясь, и на выходе имеет относительную влажность, близкую к 100 %. В процессе тепломассообмена воды и воздуха в вентиляторных градирнях потери воды от испарения и уноса, достигают 5 % всей охлаждаемой воды [2]. Из ванны сбора воды она подается в охлаждаемые элементы теплотехнологических установок при помощи насоса 8.
Опыты проводились по следующей методике. При фиксированном расходе воздуха в аппарат загружалась определенная масса дисперсного материала и включались
вентиляторы. Расход воды через форсунку подбирался таким образом, чтобы не было уноса капель потоком воздуха. В отдельных опытах включали калорифер и осуществляли предварительный подогрев потока воздуха. После установления квазистационарного режима, о чем свидетельствовали неизменные показания всех термопар, измеряли расходы воздуха и жидкости, температуры воздуха по сухому и мокрому термометру и воды на входе в охладители и на выходе из них В процессе проведения исследований изменяли расход воздуха и воды, а также массу дисперсного материала в аппарате.
Для измерения расхода воздуха использованы «интегрирующие» трубки в комплекте с микроманометрами типа ММН-240. Перед началом опытов трубки тарировались на специальном стенде по стандартной диафрагме. Поток воздуха, поступающий в камеру, может предварительно подогреваться в электрокалорифере.
Для измерения температуры воздуха в различных точках камеры использованы термоэлектрические термометры градуировки ХК, изготовленные из проволоки диаметром 0,2 мм. В качестве вторичного прибора к ним служит автоматический потенциометр КСП-4. Температуру частиц в слое измеряли с помощью специальной ловушки, в которую вмонтирована хромель-копелевая термопара. В качестве вторичного прибора к ней использовался цифровой вольтметр типа В7-21.
Сравнение водоохладителя с
центробежным слоем и градирни проводилось по удельной холодопроизводительности и теплогидравлическому показателю.
Холодопроизводительность установок определяется по следующей формуле:
Q = С • G -(Т -Т ), (1)
^х ж ж\нж кж/> V/
где Сж- удельная теплоемкость охлаждаемой жидкости, кДж / (кг • К);
вж - расход охлаждаемой жидкости, кг/с;
Тнж - начальная температура жидкости, К;
Ткж - конечная температура воды, К
Удельная холодопроизводительность
определяется по формуле:
а = Ох,
Чух V '
* а
где Vа - объем аппарата, м3.
(2)
Теплогидравлический показатель
определяется из соотношения:
Е = °х_, (3)
N3 ' '
где Nэ - мощность электродвигателя, кВт. Результаты эксперимента
На рис. 3 и рис. 4 приведены показатели Е и охладителя с псевдоожиженным слоем и вентиляторной градирни, из сравнения которых видно, что аппарат с центробежным слоем насадки эффективней градирни.
кВг/м3 650
600
550
500
350
300
г"-
15,5
19,5
21,5
23,5
Рис. 3. Зависимость удельной холодопроизводительности от начальной температуры жидкости: •, ■ - эксперимент; • - охладитель с псевдоожиженным слоем; ■ - вентиляторная градирня
Рис. 4. Зависимость теплогидравлического показателя
от начальной температуры жидкости: •, ■ - эксперимент; • - охладитель с псевдоожиженным слоем; ■ - вентиляторная градирня
Заключение
Экспериментальное сравнение водо-охладителя с центробежным трехфазным псевдоожиженным слоем с вентиляторной градирней показало, что по удельной холодопроизводительности исследованный аппарат в два раза эффективнее градирни, а по теплогидравлическому показателю - в 1,5 раза.
Литература
1. Абрамов Н.Н. Водоснабжение. М.: Стройиздат, 1982. 440 с.
2. Агапов Ю.Н., Медведев Д.И. Экспериментальное исследование теплообмена в центробежном псевдоожиженном слое // Вестник Воронеж. гос. техн. унта. Сер. "Энергетика". 2003. Вып. 7.3. С. 153- 158.
Поступила 25.12.2017; принята к публикации 16.05.2018 Информация об авторах
Агапов Юрий Николаевич - д-р техн. наук, профессор, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: pt_vstu@mail.ru
Давыдов Денис Андреевич - аспирант, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: davydovdenis48@yandex.ru
EXPERIMENTAL COMPARISON OF THE WATER COOLER WITH NOZZLE CENTRIFUGAL
BED AND COOLING TOWER
Yu.N. Agapov, D.A. Davydov
Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: the article presents the results of an experimental comparison of a water cooler with centrifugal fluidized bed and a cooling tower. In particular, the dependences of the specific cooling capacity and thermal-hydraulic index on the initial temperature of the fluid are shown. The experiments were carried out on a test bench designed to study the hydrodynamic and thermal characteristics of a three-phase fluidized bed. In this case, prototype models were used as working elements. The main tasks of the research were: testing the performance of devices, determining their heating capacity (cooling capacity) and the thermo-hydraulic index. An experimental comparison of the water cooler with a centrifugal three-phase fluidized bed and a cooling tower showed that the device is twice as effective as the cooling tower for specific cooling capacity, and 1.5 times for the thermo-hydraulic index. The results of the experiment make it possible to recommend a fluidized bed as a nozzle in cooling towers to ensure the optimal technological mode of cooling of circulating water via the air flow
Key words: fluidized bed, interphase heat exchange, nozzle, cooling tower
References
1. Abramov N.N., "Waters" ("Vodosnabzhenie"), Moscow, Stroyizdat, 1984, 440 p.
2. Agapov Yu.N., Medvedev D.I. "Experimental study of heat transfer in a centrifugal fluidized bed", The Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2003, vol. 7, no.3, pp. 153-158.
Submitted 25.12.2017; revised 16.05.2018
Information about the authors
Yuriy N. Agapov, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), e-mail: pt_vstu@mail.ru
Denis A. Davydov, Graduate Student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), e-mail: davydovdenis48@yandex.ru
