CC BY
13
© Столярова EM., Лаптева Е.А., Лаптев А.Г УД К 66.021.3/4
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И ТЕПЛОМАССООБМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛЕНОЧНОЙ ГРАДИРНИ С КОМБИНИРОВАННЫМИ
НАСАДКАМИ
Столярова Е.Ю., Лаптева Е.А., Лаптев А.Г.
Казанский государственный энергетический университет, г. Казань, Россия
Резюме. АКТУАЛЬНОСТЬ в статье рассмотрены современные импортозамещающие насадки. Они являются важным элементов в системе охлаждения воды в оборотных циклах. Насадка дискретно-шероховатой поверхность и хаотичная, металлическая насадка «Пнжехим-2012» показала высокую эффективность.
ЦЕЛЬЮ данной статьи является экспериментальное исследование и обобщение результатов по гидравлическим и тепломассообменным характеристикам комбинированного посадочного слоя при проведении процесса охлаждения воды воздухом на макете градирни. МЕТОДЫ. На макете градирни, оборудованным комбинированной насадкой из полиэтиленовых труб с регулярно-дискретной шероховатость юс дополнительным верхним хаотичным слоем, исследован процесс охлаждения воды воздухом при пленочном противотоке фаз. Регулярная насадка состоит из вертикальных труб диаметром 50 мм и высотой один метр и хаотичной насадкой, засыпанной сверху регулярной с высотой слоя 0,20 метра. Хаотичная насадка состоит из аналогичных труб, нарезанных на цилиндры 50x50 мм или металлической 16мм «Пнжехим - 2012». Хаотичные насадки предназначены для более равномерного распределения воды на входе в регулярную насадку и создании дополнительной зоны контакта фаз с максимальной движущей силой тепломассообмена. Исследовался процесс охлаждения воды с температурой около 40°С воздухом, с температурой 20-25°С. Скорость воздуха в градирне достигала 2,6 м/с, а плотность орошения до 19,4 м /(лг час). Режимные характеристики близки к работе мини градирен. РЕЗУЛЬТАТЫ. Экспериментально определены перепад давления воздуха макета с насадкой, объемный коэффициент массоотдачи и тепловые эффективности по охлаждению воды и нагрева воздуха. Построены графические зависимости от режимных параметров. Выполнено сравнение с коэффициентами массоотдачи в посадочных градирнях с близкими конструктивными и режимными характеристиками. Показано преимущество комбинированных насадок. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Полученные результаты по гидравлическим и тепломассообменных характерам пленочных оросителей с интенсификаторами и активным участком могут применяться как в теоретических, так и практических методах расчета градирен при их модернизации или проектировании в различных отраслях промышленности и на тепловых станциях.
Ключевые слова: градирня; тепломассообмен; насадки; эффективность; пленочный режим.
Благодарность. Российскому научному фонду, грант №18-79-10136 https://rscf.ru/proiect/18-79-10n6/
Для цитирования: Столярова Е.Ю., Лаптева Е.А., Лаптев А.Г. Экспериментальные гидравлические и тепломассообменные характеристики пленочной градирни с комбинированными насадками // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2023. Т. 15. №1 (57). С. 37-47.
EXPERIMENTAL HYDRAULIC AND HEAT AND MASS TRANSFER CHARACTERISTICS OF A FILM COOLING TOWER WITH COMBINED NOZZLES
EY. Stolyarova, EA. Lapteva, AG. Laptev Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia
Abstract. RELEVANCE: the article discusses modern import-substituting nozzles. They are an important element in the water cooling system in the circulating cycles. The nozzle has a discretely rough surface and a chaotic, metal nozzle "Injechim-2012" has shown high efficiency.
THE PURPOSE of this article is an experimental study and generalization of the results on the hydraulic and heat and mass transfer characteristics of the combined packing layer during the process of cooling water with air on a model of a cooling tower.
METHODS. On a model of a cooling tower equipped with a combined nozzle made of polyethylene pipes with regularly discrete roughness with an additional upper chaotic layer, the process of cooling water with air with a film counterflow of phases is investigated. The regular nozzle consists of vertical pipes with a diameter of 50 mm and a height of one meter and a chaotic nozzle filled with a regular top with a layer height of 0.20 meters. The chaotic nozzle consists of similar pipes cut into cylinders of 50x50 mm or metal 16 mm "Injechim - 2012". Chaotic nozzles are designed for a more uniform distribution of water at the entrance to the regular nozzle and the creation of an additional phase contact zone with the maximum driving force of heat and mass transfer. The process of cooling water with a temperature of about 40 ° С with air, with a temperature of20-25 ° C. was studied. The air velocity in the cooling tower reached 2.6 m/s, and the irrigation density was up to 19.4 m3/(m2h). The operating characteristics are close to the operation of mini cooling towers.
RESULTS. The air pressure drop of the model with a nozzle, the volumetric mass transfer coefficient and thermal efficiencies for cooling water and heating air were experimentally determined. Graphical dependences on the operating parameters are constructed. The comparison with the mass transfer coefficients in the cooling towers with similar design and operating characteristics is carried out. The advantage of combined nozzles is shown.
CONCLUSION. The results obtained on the hydraulic and heat and mass transfer characteristics of film sprinklers with intensifiers and an active site can be used in theoretical as well as practical methods for the modernization or design of cooling towers in various industries and at thermal power plants.
Key words: cooling tower; heat and mass transfer; packings; efficiency; film mode.
For citation Stolyarova EY, Lapteva EA, Laptev AG. Experimental hydraulic and heat and mass transfer characteristics of a film cooling tower with combined nozzles. KAZAN STATE POWER ENGINEERING UNIVERSITY BULLETIN. 2023; 15; 1(57): 37-47.
Beedenueflntroduction)
Регулярные насадки чаще применяются в ректификационных и абсорбционных колоннах, где необходим небольшой перепад давления, например при ректификации [1], хемосорбции [2], абсорбции [3]. Кроме этого регулярные насадки находят широкое применение в пленочных градирнях[4] и скрубберах-охладителях и очистки дымовых и технологических газов [5,6]. К настоящему времени известны сотни конструкций различных регулярных [7] и нерегулярных (хаотичных) насадок [8] и различных комбинированных [9]. Регулярные насадки отличаются от хаотичных меньшим гидравлическим сопротивлением, стоимостью и более высокими удельными гидравлическими нагрузками [10]. Скорость газа при подвисании жидкой фазы примерно в два раза выше, чем у хаотичных насадок при аналогичных условиях работы [9]. Причем в регулярных насадках меньше обратное перемешивание потоков, однако, эффективность немного уступает хаотичным насадкам из-за небольшой интенсивности турбулизации газового потока [8].
Гидравлические и тепломассообменные характеристики газожидкостных потоков исследовались в многочисленных работах различных авторов. Например, дисперсно-кольцевых потоков [11], насадок с перекрестным током фаз [12], с различными материалами насадок [13], с различной формой насадок [14], с различным расстоянием между листами регулярных контактных устройств [15], насадок из пленки, стекла и шариков с противотоком фаз [16]. Разработана термодинамическая модель [17] с поперечным потоком, тепловой эффективностью и эффективности увлажнения воздуха с учетом потерь на испарение. Выполнена [18] оценка влияния различных факторов на характеристики теплопередачи поперечных потоков. Отмечена трудность решения тепловой модели из-за двумерного описания потоков воды и воздуха. Также моделированию и расчету градирен посвящены работы [19,20], где использованы полуэмпирические подходы. Однако в ряде случаев отсутствуют экспериментальные данные по ряду важных характеристик градирен, таких как гидравлическое сопротивление, коэффициенты тепло-и массоотдачи и эффективность теплообмена по жидкой и газовой фазам. Следует вывод, что интенсификация процесса охлаждения воды на промышленных предприятиях [21] и тепловых станциях [22] является важным направлением развития
теоретических и прикладных исследований в теплоэнергетике. Отличительной особенностью данной работы является применение и исследование насадочного слоя с активным участком в пленочной градирне с интенсификаторами.
Материалы и методы (Materials and methods)
Известно что, в хаотичных насадках турбулентный режим газа начинается при числе Рейнольдса Re3 > 40, а в регулярных с гладкой поверхностью примерно как в трубах при Re., >2300. Однако при наличии поверхностных интенсификаторов (выступы, накатки, лепестки и т.д.) турбулизация начинается при Re3 >300-500, где Re3 =wTd3/vT, м>г -средняя скорость воздуха в слое, м/с: иг = и0 / ;;си: и0 - скорость воздуха на полное сечение аппарата, т.е. без насадки, м/с; <г/э = 4есв / av - эквивалентный диаметр насадки, м; есв - удельный свободный объем; av - площадь удельной поверхности, м2/м3; vr -коэффициент кинематической вязкости газа, м2/с. В статье экспериментально исследован турбулентный режим движения газа в слое комбинированной насадки.
На рисунке 1 представлена схема экспериментальной установки с колонной для исследования процесса охлаждения водывоздухом. Нагрев воды происходит в емкости Еэлектронагревателем ЭЛ. На схеме К - колонна макета градирнис внутренним диаметром 190 мм из оргстекла, высота колонны два метра; VI. N2 - насосы; В - газодувка; Е -емкость. Измерение температур воды и воздуха осуществляется термопарами на входе потоков Т.,ш. Тгн и на выходе Т[:к. Тгк; измеряются также объемные расходы воды 1'ж и воздуха Г'г; влагосодержание воздуха хн и хк. кг/кг; перепад давления воздуха в насадке АРг = Р\ - Ру Па. Для орошения используется распылитель воды с отверстиями диаметром 1 мм; число отверстий 130 шт. Число точек орошения около 1000 на м2. Высота регулярной насадки Нх=\й м; нерегулярной //2=0.20м. Общая высота комбинированной насадки Н=\2 м. Расстояние от распылителя воды до слоя комбинированной насадки 180 мм. Допущения: основной тепломассообмен происходит в насадочных слоях; теплопередача через стенки градирни в окружающей воздух незначительная; основное сопротивление тепломассообмена сосредоточено в газовой фазе.
Рис 1. Принципиальная схема экспериментальной Fig. 1. Schematic diagram of the experimental установки: К - колонна; В - вентилятор installation: К - column; В - fan (gas blower); N -(газодувка); N - насосы; Е - емкость; Нь Н2 - pumps; Е - capacity; HI, H2 - height of the nozzle высота слоев насадки; ЭЛ - электронагреватель layers; EL - electric water heater. The rest of the воды. Остальные обозначения в тексте. notation in the text.
*Псточник: составлено автором *Source: compiled by the author
На рисунке 2 показаны расположение регулярной трубчатой насадки и размеры выступов на ее поверхности.
0,19 м
s с
4,5 мм
s
S гп
1_
2,5 мм
Рис. 2. Схема трубчатой регулярной насадки с Fig. 2. Diagram of a regular tubular nozzle with дискретной шероховатостью в виде discrete roughness in the form of rectangular прямоугольных выступов. protrusions.
*Псточник: составлено автором *Source: compiled by the author.
Дискретно - регулярная шероховатость создает ламинарно-волновой, а при повышенном расходе воды развитый турбулентный режим течения пленки.
Нерегулярная насадка, засыпанная поверх основного слоя, выполняет несколько функций.
Во-первых - более равномерное орошение регулярной насадки за счет перераспределения жидкой фазы хаотичными элементами [23]. Во-вторых - создание дополнительного контакта фаз - активного участка тепломассообмена, где максимальная движущая сила процесса охлаждения воды; в-третьих - уменьшение расстояния от распылителя жидкости до слоя насадки. Известно, что на большом расстоянии происходит значительное дробление струй на капли и мелкие капли при повышении скорости начинают захватываться газовым потоком и уносится в шлемовую линию аппарата (а в градирне в атмосферу).
В качестве регулярной насадки применялись гладкие и с регулярной дискретной шероховатостью полиэтиленовые трубки диаметром 50 мм (10 штук), а нерегулярной (хаотичной) аналогичные трубки, нарезанные в цилиндры высотой 50 мм (35 шт.) (т.е. аналог колец Рашига 50x50мм), а также металлические «Инжехим -2012» размером 16 мм[24]. Удельная поверхность верхнего слоя с кольцами - 77 м2/м3, с «Инжехим 2012» -267 м2/м3, нижнего слоя 110 м2/м3.
Удельный свободный объем всех насадок есв = 0,95. Температура воздуха в зависимости от температуры окружающей среды от эксперимента к эксперименту находилось в интервале, Ггн = 25-30 °С; а воды /ж|| = 35-38 С. Плотность орошения
э о
дж = 8,8-19,4 /м час; скорость воздуха ип = 0,7-2,6 м/с. Расходные параметры соответствую работе промышленных пленочных градирен и мини градирен, а также ряда других тепломассообменных аппаратов, например абсорберов и скрубберов-охладителей газов.
Результаты экспериментальных исследований (Re su Its)
Эксперименты выполнялись в три этапа. Первоначально исследовалась насадка только из полиэтиленовых шероховатых труб 50 мм (Hi=l,0 м) без верхнего хаотичного слоя, затем с верхним слоем (Н2=0,2 м) из полиэтиленовых колец (50x50мм) и на третьем этапе с хаотичной металлической насадкой «Инжехим-2012» 16 мм (Н2=0,2 м).
При экспериментальных исследованиях процесса на макете насадочной градирни измерялись: объемные расходы воды Г'ж и воздуха!'г, м3/с; температуры воды на входе 7 выходе ТЛХ. °С; температуры воздуха на входе 7П|. выходе 7П,. °С; влагосодержание на входе хн, и выходе хк. кг/кг; перепад давления воздуха насадочного слоя Д/'г = 1\ - /^ Па. Погрешность экспериментальных исследований не более ±7-8%.
Вычислялась удельная энтальпия воздуха на входе /н = (срв +српхн)^га +;охн? на
выходе/к = (СрВ+СрПхк)Ггк+г0хк, Дж/кг, где СрВ, СрП - удельные теплоемкости сухого воздуха и водяного пара, Дж/(кгК); г0- скрытая теплота парообразования воды, Дж/кг.
Значения равны срв = 1005 Дж/(кгК); срп = 1850 Дж/(кгК); r0 * 245-Ю4, Дж/кг.
Также вычислялись значения удельных энтальпий на линии насыщения
Al = (Срв +Српхн)^жн +'оХН> 1ц = (Срв +Српхк)^жк +'оХК> Дж/кг. где хн-
влагосодержание(кг/кг) при /жн. /жк и относительной влажности <р= 100%. Эти значения имеются в справочных данных и для удобства сведены в таблице.
40
Термодинамические параметры влажного воздуха на линии насышения
Thermodynamic parameters of humid air on the elevation line
т,° с х ,кг/кг I , кДж/кг Т,° С х ,кг/кг I , кДж/кг
20 0,0147 57,3 34 0,0345 122,46
21 0,01566 60,77 35 0,03659 128,89
22 0,01667 64,37 36 0,03874 135,48
23 0,01775 68,15 37 0,04111 142,65
24 0,01888 72,06 38 0,04357 150,05
25 0,0201 76,20 39 0,04616 157,80
26 0,02136 80,45 40 0,04890 165,94
21 0,0227 84,91 41 0,05178 174,46
28 0,02412 89,58 42 0,05484 186,86
29 0,02562 94,45 43 0,05806 192,86
30 0,02721 99,57 44 0,06146 202,76
31 0,02889 104,92 45 0,06506 213,18
32 0,03066 110,50 46 0,0689 222,1
33 0,03253 116,35
*Источник: составлено автором *Source: compiled by the author
Локальный поток теплоты (Вт) вэлементарном объеме
dQ = а^(Тж-Tr)dV+IndLu, (1)
где ccv - объемный коэффициент теплоотдачи (Вт/(м3К)) в элементарном объеме dV; /и -
энтальпия пара, Дж/кг; Lu - массовый расход испарившейся жидкости, кг/с.
Количество испарившейся жидкости dLu = f3xv (х* - x)dV. /1ху - объемный коэффициент массоотдачи, кг/(м3с); PJCV=PxdF / dV; dF - площадь межфазной поверхности в элементарном объеме, м2.
Из приведенных выражений записывают
*
dQ = a4(Tx-Tr)dV+InVx4(x -x)dV. (2)
Уравнение теплового баланса противоточной градирни
б = £срж(Гжн -ГЖК) + 0М =G(IK —/н), (3)
где L,G- массовый расход воды и воздуха, кг/с; Ои = Сржгжк<5(хк -хн)- поток теплоты с
испарившейся водой, Вт.
Тепловой баланс (3) на экспериментальной установке соблюдался с расхождением не более 2,5-3,0%.
На основе выражений (2), (3) с применением аналогии Льюиса записывается поток теплоты в градирне в известной форме
0 = G(/K-/H) = PxFA/cp, (4)
где А/Ср- средняя движущая сила процесса тепломассопередачи, Дж/кг; Рх - коэффициент
массоотдачи, отнесенный к разности влагосодержаний, кг/(\гс): /•'- площадь поверхности контакта фаз, м2.
На основе уравнения (4) из эксперимента находится объемный коэффициент массоотдачи
= (5) SKH ЛкЯА/ер
где .S'K - площадь поперечного сечения колонны, \г: // -обшая высота слоя насадки. м:шачснис А/Ср записывается как среднее логарифмическое A/cp =(AIq -AIm)/ln(AIq / AIm) при A/(-, / A/M >2.ПриAIq /AIM <2- как среднее арифметическое A/cp = 0,5(AIq + AIM).
AIq = /j! -/K; A/M = /,* - /п - большая и меньшая движущая сила теплообмена, Дж/кг.
Эффективность охлаждения воды Еж и нагрева воздуха Ет, исходя из достигнутых величин к максимально возможным, записывается в форме:
Т -Т Т -Т
-L MTU -L МГТГ „ -L 1С -1 TJ
£ж = -жн *жк ; £г = и^н 5 (6)
Т -Т т* т
1 ЖН 1 M.T. lv—li
где Гм т - температура смоченного термометра окружающего воздуха, °С.
Перепад давления воздуха комбинированного насадочного слоя составит из суммы перепадов давлений нижнего (регулярного) АР| и верхнего (хаотичного) ДР2 слоев и имеет форму
2
(7)
где ьЬ ь2 ~~ коэффициенты гидравлического сопротивления нижнего и верхнего слоя; нижние индексы «1» - нижний слой; «2» - верхний слой.
Экспериментальные исследования регулярной насадки из труб с дискретно-регулярной шероховатостью (рис.2) без орошения и без верхнего хаотичного слоя дают
п з
зависимость с'|СЛХ =2.2/ Яс>" . при 1500 <Яеэ <5500. Верхнего хаотичного слоя из колец 50x50
мм с шероховатостью <^2сух ~ 2,2 и слабо зависит от числа Рейнольдса. Коэффициент сопротивления верхнего слоя из хаотичной насадки «Инжехим-2012» <^2сух ~ 2,1 и также слабо зависит от Яеэ.
Средний коэффициент гидравлического сопротивления комбинированного насадочного слоя можно вычислить как сумму
Я1 , г Н2
Сер ь1сУХЯ1+Я2+С2СУХЯ1+Я2-Тогда перепад давления комбинированного насадочного слоя
APr=i(
Щ+Н2 РТМ'0
ср
(8)
(9)
э ср 2есв Ср
где (/., Ср - средний эквивалентный диаметр насадки с!.) Ср = с!.) | Н\ / (Н\ + Я 2) +¿/.,2//2 /(Н\ + /¡2)'- средний удельный свободный объем '-'свср =!:сп\^\ +всв2Н2/(//, +Н2).
Представленные вьфажения (7)-(9) справедливы для сухого комбинированного насадочного слоя.
При подачи воды значение А/3, зависит также и от плотности орошения (рис. 3). Очевидно, что перепад давления комбинированного слоя с насадкой «Инжехим-2012» больше, чем из колец, из-за более высокой удельной поверхности.
дрг 1601401201008060 504030" 2010-
0.8 1,2 1,6 2.0 2.4 2,6
Рис. 3 Зависимость перепада давления комбинированных насадочных слоев от скорости воздуха. 1,2 - комбинация с кольцами; 3,4 -комбинация с «Инжехим-2012». 1,3 - плотность орошения <7ж=8,8 м3/(м2час); 2,4 - дж=19,4 м3/(м2час); 5 - трубы без верхнего слоя при <7ж=8,8 м3/(м2час)
Fig. 3 Dependence of the pressure drop of the combined packing layers on the air velocity. 1,2 — combination with rings; 3,4 - combination with "Injechim-2012". 1,3 - irrigation density qj=8.8 m3/(nrh); 2,4 - qj=19.4 m3/(nrh); 5 - pipes without top layer at qj=8.8 m3/(nrh)
*Псточник: составлено автором. *Source: compiled by the author
На рисунке 4 даны экспериментальные зависимости объемных коэффициентов массоотдачи (5) от скорости воздуха для комбинированных насадок. При повышении скорости воздуха и плотности орошения объемные коэффициенты увеличиваются.
42
Объемные коэффициенты массоотдачи комбинированных насадок больше на 20-35%, чем ушероховатой насадки без верхнего слоя. У насадки из гладких труб без верхнего хаотичного слоя коэффициент массоотдачи меньше на 8-12%, а у цилиндрической сетчатой насадки (10 трубок), исследованной в работе [25], меньше в 1,5-3 раза.
Коэффициенты массоотдачи можно вычислить с применением математических моделей для регулярных и хаотичных орошаемых насадок [9,26]. Расчеты по данным выражениям Shv /(Re3, <j0p. .Sty ) делают средние значения коэффициентов массоотдачи,
отнесенные к площади межфазной поверхности (контакта фаз), где ShT = ß, ¿/.,/Л), - число Шервуда; ßr - средний коэффициент массоотдачи, м/с; DT - коэффициент молекулярной диффузии влаги (паров) в воздухе, м2/с; 5сг = vT/DT - число Шмидта.
Объемный коэффициент массоотдачи (5) запишется в виде ßw = ßrPrM'i/'v- где \\ta -коэффициент активной поверхности, м2/м2[9].Значение можно весьма приближенно вычислить для близких по конструкции и материалу насадок [8,9], что дает очень приближенное значение ßw. Поэтому далее дано обобщенное эмпирическое выражение для комбинированной насадки с «Инжеим-2012» в виде широко используемого для градирен.
Для комбинированной насадки с хаотичной «Инжехим 2012» (16 мм) зависимость объемного коэффициента массоотдачи получена в виде
ß.TV=0,198^02(G/i)0'75. (10)
Выражение (10) обеспечивает согласование с экспериментальными данными (рис. 4) в пределах ±10% (кривые 3,4).
Рис. 4 Зависимость объемных коэффициентов Fig. 4 Dependence of the volumetric mass transfer
массоотдачи различных насадок от скорости coefficients of various nozzles on the air velocity with
воздуха с кольцами (кривые 1,2) и «Инжехим- rings (curves 1,2) and "Injechim-2012" (curves 3,4)
2012» (кривые 3,4) 1,3 - ^ж=8,8 м3/(м2час); 2,4 - 1,3 - qj= 8,8 m3/(m2h); 2,4 - qj=19,4 m3/(m2h); 5 -
<7ж=19,4 м3/(м2час); 5-гладкиетрубьцб-сетчатая smooth pipes; б - mesh nozzle [15] at qj=8.8
насадка [15] при дж=8,8 м3/(м2час) m3/(m2h);
*Псточник: составлено автором. *Source: compiled by the author
Рис. 5. Зависимость эффективности охлаждения Fig. 5. Dependence of water cooling efficiency on air воды от скорости воздуха. 1,3 - плотность velocity. 1,2 - combination with rings; 3,4 -орошения <7ж=8,8 м3/(м2час); 2,4 - дж=19,4 combination with "Injechim-2012". 1,3 - irrigation м3/(м2час); 5 - трубы без верхнего слоя при density qj=8.8 m3/(nfh); 2,4 - qj=19.4 m3/(nfh); 5 -(/ж=8,8 м3/(м2час) pipes without top layer at qt=8.8 m3/(m~h)
*Источник: составлено автором. *Source: compiled by the author
На рисунках 5 и 6 представлены зависимости тепловой эффективности (6) от скорости воздуха при различной плотности орошения. С комбинированной насадкой «Инжехим-2012» эффективность охлаждения воды выше 1,5-2 раза, чем в комбинации с кольцами. Эффективность Еж при увеличении скорости воздуха повышается, а в газовой фазе Ег - понижается. Повышения Еж объясняется большим притоком охлаждающего воздуха и его турбулизацией. Снижение ЕТ при увеличении скорости иу происходит из-за зависимости теплового числа единиц переноса =(Зду5'к///(рг^,), где числитель повышается при увеличении м>г примерно в степени 0,7-0,8 (коэффициент массоотдачи), а знаменатель в первой степени (расход воздуха). Это в итоге дает понижение □ 14'г , что и вызывает уменьшение тепловой эффективности Ет в газовой фазе
исходя из законов тепломассопередачи.
газовой фазе от скорости воздуха при различной phase on air velocity at different irrigation densities. плотности орошения. 1,3 - плотность орошения 1,2 - combination with rings; 3,4 - combination with <7ж=8,8 м3/(м2час); 2,4 - дж=19,4 м3/(м2час); 5 - "Injechim-2012". 1,3 - irrigation density qj=8.8 трубы без верхнего слоя при дж= 8,8 м3/(м2час) m3/(nrh); 2,4 - qj=19.4 m3/(nrh); 5 - pipes without
top layer at qt=8.8 m3/(m~h) *Источник: составлено автором. *Source: compiled by the author
Выводы (Conclusions)
Физическое и математическое моделирование проводимых процессов является важной составляющей при разработке новых конструкций аппаратов или модернизации действующих. В настоящее время известны сотни разнообразных конструкций контактных устройств для процессов тепломассообмена в газожидкостных средах, и в частности в пленочных градирнях.
При применении теоретических методов расчета градирен в виде численных или приближенных математических моделей необходимы экспериментальные исследования тепломассообменных характеристик новых типов контактных устройств. В первую очередь к таким характеристикам относится объемныйкоэффициент массоотдачи, который существенно зависит от конструкции и гидродинамики потоков. Таким образом, экспериментальные исследования имеют важное значение как для теории, так и для практики организации процессов в газожидкостных средах.
Одним из перспективных направлений развития конструкций контактных устройств (блоков оросителей градирен) является комбинация различных типов, что позволяет снизить их стоимость и повысить эффективность охлаждения воды. Организация вверху насадки активного участка тепломассообмена в виде хаотичного слоя позволяет максимально использовать движущую силу процесса испарительного охлаждения воды. Исследованные в данной работе два вида комбинированных насадок - регулярной и нерегулярной (хаотичной) повышают эффективность охлаждения воды на 15-35% по сравнению с применением только регулярной насадки. Представлены и сделаны выводы по полученным графическим зависимостям перепада давления, объемного коэффициента массоотдачи и тепловой эффективности по жидкой (воде) и газовой (воздуху) фазам.
Экспериментальные данные могут применяться при проектировании или модернизации градирен на различных промышленных предприятиях и тепловых станциях.
Литература
1. Мадышев И.Н., Гарипов М.Г., Латыпов Д.Н., Харьков В.В., Дмитриев А.В. Определение гидравлического сопротивления контактного устройства со встроенным дефлегматором//Вестник технологического университета. 2022. Т.25, №1. - С. 41.
2. Laptev A.G., Farakhov Т.М., Basharov М.М. Processes and apparatuses of chemical technologies: modeling and modernization of industrial desulfurizing packed columns at refineries // Chemistry and Technology of Fuels and Oils. 2016. T. 52. № 5. C. 472-479.
3. Скачков И. В., Бальчугов А. В., Рыжов С. О. Гидродинамические исследования технологии газожидкостных процессов на новой регулярной насадке // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2012. - № 3(35). - С. 147-150.
4. Пушнов А. С., Цурикова Н. П., Шинкунас С. [и др.] Совершенствование конструкций контактных устройств для градирен: / под об.ред. А. С. Пушнова, А. Сакалаускаса. - Санкт-Петербург : ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2020. - 382 с.
5. Bespalov V.V. Simulation of surface-type condensing units for heat recovery from the flue gas with air heating / V.V. Bespalov, L.A. Belyaev, L.S. Kuchman // MATEC Web of Conferences. 2017. № 91. 01003.,
6. Boyadjiev C.H.R.B., Dzhonova D.B., Popova-Kramova P.G., Stefanova K.V., Pavlenko A.N., Zhukov V.E., SlesarevaE.Yu. Liquid wall flow in counter-current column apparatuses for absorption processes with random packings // Bulgarian Chemical Communications. 2020. V. 52. P. 74-79.
7. Сокол, Б. А., Чернышев А. К., Баранов Д. А.. Насадки массообменных колонн : -Москва : Галилея-принт, 2009. - 358 с.
8. Витковская Р.Ф., Пушнов А.С, Шинкунас С. Аэрогидродинамика и тепломассообмен насадочных аппаратов: Лань-Пресс. 2019. - 288с.
9. Каган А. М.,. Лаптев А. Г, Пушнов А. С., Фарахов М. И. Контактные насадки промышленных тепломассообменных аппаратов: - Казань: Отечество, 2013. - 454 с.
10. Федяев В. Л., Власов Е. М., Гайнуллина Р. Ф., Гайнуллин Р. Ф. Оценка охлаждающей способности оросительных градирен // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. - 2011. - № 3-4. - С. 27-32.
11. Cioncolini, A. Pressure drop prediction in annular two-phase flow in macroscale tubes and channels / A. Cioncolini, J.R. Thome // International Journal of Multiphase Flow. - 2017. -No. 89.-P. 321-330.
12. A.V. Dmitriev, I.N. Madyshev, V.V. Kharkov, O.S. Dmitrieva, V.E. Zinurov. Experimental investigation of fill pack impact on thermal-hydraulic performance of evaporative cooling tower. ThermSciEngProg. 22 (2021) 9.
13. R. Ramkrishnan, R. Aramugam. Experimental study of cooling tower performance using ceramic tile packing. ProcessingandApplicationofCeramics. 7 (2013) 21-7.
14. R. Ramkumar, A. Ragupathy. Optimization of cooling tower performance with different types of packings using Taguchi approach. J BrazSocMechSciEng. 37 (2015) 929-36.
15. M. Rahmati, S.R. Alavi, M.R. Tavakoli. Experimental investigation on 486 performance enhancement of forced draft wet cooling towers with special emphasis on the role of stage numbers. EnergyConvManag. 126 (2016) 971-81.
16. G. Raj, P. Chandra, P.K. Pathak. Comparative analysis of two different types of fills used in wet cooling tower for higher-scale water with conventional film type fill. HeatTransf-AsianRes. 48 (2019) 493 4000-15.
17. B.K. Naik, P. Muthukumar. A novel approach for performance assessment of mechanical draft wet cooling towers. ApplThermEng. 121 (2017) 14-26.
18. L. Wang, X. Wang, J. Lu. Research on heat transfer model and affecting factors for cross flow cooling towers. JournalofThermalScienceandTechnology. 14 (2015) 278-82.
19. Interfacial friction in upward annular gas-liquid two-phase flow in pipes / A.M. Aliyu, Y.D. Baba, L. Lao et al. // Experimental Thermal and Fluid Science. - 2017. - No. 84. - P. 90109.
20. Prediction of interfacial shear stress of vertical upward adiabatic annular flow in pipes / P. Ju, Y. Liu, C.S. Brooks, M. Ishii // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2019. -No. 133.-P. 500-509.
21. Федяев В.Л., Снигерев Б.А., Моренко И.В., Гайнуллин Р.Ф., Гайнуллина Р.Ф. О модернизации градирен СК-1200 // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2009. № 5-6. С. 43-51.
22. Дмитриев А.В., Мадышев И.Н., Круглов Л.В., Чичирова Н.Д. Оценка эффективности процессов тепло- и массообмена в трехпоточной испарительной градирне с
наклонно-гофрированными контактными элементами // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2020. Т. 12. № 4 (48). С. 126-135.
23. Розен, А М., Марпошин Е. И, Олевский В. М. [и др.] Масштабный переход в химической технологии: разработка промышленных аппаратов методом гидродинамического моделирования: / под ред. А. М. Розена. - Москва: Химия, 1980. - 320 с.
24. Фарахов Т.М., Фарахов М.М., Лаптева Е.А. Обобщенные гидравлические и массообменные характеристики новых контактных насадок колонных аппаратов// Химическая промышленность сегодня. 2016. № 2. С. 50-56.
25. Лаптев А.Г., Ведьгаева И.А. Устройство и расчет промышленных градирен. Казань: КГЭУ, 2004. - 180с.
26. Laptev A.G., Lapteva Е.А. Mathematical models of friction on the surface of phase separation and heat and mass transfer in film units of cooling-tower sprinklers with intensifiers // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2021. T. 55. № 5. C. 906-913.
Авторы публикации
Столярова Екатерина Юрьевна - аспирант, Казанского государственного энергетического университета, г. Казань, Россия.
Лаптева Елена Анатольевна - доцент, к.т.н., доцент кафедры «Энергообеспечение предприятий, строительство зданий и сооружений», Казанский государственный энергетический университет, г. Казань, Россия.
Лаптев Анатолий Григорьевич - профессор, д.т.н., профессор кафедры «Инженерная экология и безопасность труда», Казанский государственный энергетический университет, г. Казань, Россия.
References
1. Madyshev IN, Garipov MG, Latypov DN, et al. Opredeleniye gidravlicheskogo soprotivleniya kontaktnogo ustroystva so vstroyennym deflegmatorom. Vestnik tekhnologicheskogo universiteta. 2022;25(1):41.
2. Laptev AG, Farakhov TM, Basharov MM. Processes and apparatuses of chemical technologies: modeling and modernization of industrial desulfurizing packed columns at refineries. Chemistry and Technology of Fuels and Oils. 2016;52(5):472-479.
3. Skachkov IV, Bal'chugov AV, Ryzhov SO. Gidrodinamicheskiye issledovaniya tekhnologii gazozhidkostnykh protsessov na novoy regulyarnoy nasadke. Sovremennyye tekhnologii. Sistemnyy analiz. Modelirovaniye. 2012;3(35).
4. Pushnov AS, Tsurikova NP, Shinkunas S. Sovershenstvovaniye konstruktsiy kontaktnykh ustroystv dlya gradiren: / pod ob.red. A. S. Pushnova, A. Sakalauskasa. Sankt-Peterburg : POLITEKH-PRESS, 2020. 382 P.
5. Bespalov W, Belyaev LA, Kuchman LS. Simulation of surface-type condensing units for heat recovery from the flue gas with air heating. MATEC Web of Conferences. 2017;91. 01003.,
6. Boyadjiev C.H.R.B, Dzhonova DB, Popova-Kramova PG, et al. Liquid wall flow in counter-current column apparatuses for absorption processes with random packings. Bulgarian Chemical Communications. 2020;52:74-79.
7. Sokol BA, Chernyshev AK, Baranov DA. Nasadki massoobmennykh kolonn: -Moskva: Galileya-print, 2009. 358 P.
8. Vitkovskaya RF, Pushnov AS, Shinkunas S. Aerogidrodinamika i teplomassoobmen nasadochnykh apparatov: Lan'-Press. 2019. 288P.
9. Kagan AM, Laptev AG, Pushnov AS, et al. Kontaktnyye nasadki promyshlennykh teplomassoobmennykh apparatov. Kazan': Otechestvo, 2013. 454 P.
10. Fedyayev VL, Vlasov YeM, Gaynullina RF, et al. Otsenka okhlazhdayushchey sposobnosti orositel'nykh gradiren. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Problemy energetiki. 2011;3-4:27-32.
11. Cioncolini A, Thome JR. Pressure drop prediction in annular two-phase flow in macroscale tubes and channels. International Journal of Multiphase Flow. 2017;89:321-330.
12. Dmitriev AV, Madyshev IN, Kharkov W, et al. Experimental investigation of fill pack impact on thermal-hydraulic performance of evaporative cooling tower. ThermSciEngProg. 22 (2021):9.
13. R. Ramkrishnan, R. Arumugam. Experimental study of cooling tower performance using ceramic tile packing. ProcessingandApplicationofCeramics. 7:(2013):21-7.
14. R. Ramkumar, A. Ragupathy. Optimization of cooling tower performance with different types of packings using Taguchi approach. J BrazSocMechSciEng. 37:(2015):929-36.
15. M. Rahmati, S.R. Alavi, M.R. Tavakoli. Experimental investigation on 486 performance enhancement of forced draft wet cooling towers with special emphasis on the role of stage numbers. EnergyConvManag. 126 (2016) 971-81.
16. G. Raj, P. Chandra, P.K. Pathak. Comparative analysis of two different types of fills used in wet cooling tower for higher-scale water with conventional fdm type fill. HeatTransf-AsianRes. 48 (2019) 493 4000-15.
17. B.K. Naik, P. Muthukumar. A novel approach for performance assessment of mcchanical draft wet cooling towers. Appl'lhermh'.ng. 121 (2017) 14-26.
18. L. Wang, X. Wang, J. Lu. Research on heat transfer model and affecting factors for cross flow cooling towers. JournaloiThermalScienceandTechnology. 14 (2015) 278-82.
19. Aliyu AM., Baba YD., Lao L, et al. Interfacial friction in upward annular gas-liquid two-phase flow in pipes. Experimental Thermal and Fluid Science. 2017;84:90-109.
20. Prediction of interfacial shear stress of vertical upward adiabatic annular flow in pipes / P. Ju, Y. Liu, C.S. Brooks, M. Ishii. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2019;133:500-509.
21. Fedyayev VL, Snigerev BA, Morenko IV, et al. O modernizatsii gradiren SK-1200. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Problemy energetiki. 2009;5-6:43-51
22. Dmitriyev AV, Madyshev IN, Kruglov LV, et al. Otsenka effektivnosti protsessov teplo- i massoobmena v trekhpotochnoy isparitel'noy gradirne s naklonno-gofrirovannymi kontaktnymi elementami. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo energeticheskogo universiteta. 2020;12(4 (48): 126-135.
23. Rozen, AM, Martyushin Yel, Olevskiy VM, et al. Masshtabnyy perekhod v khimicheskoy tekhnologii: razrabotka promyshlennykh apparatov metodom gidrodinamicheskogo modelirovaniya: / pod red. A. M. Rozena. Moskva : Khimiya, 1980. 320 p.
24. Farakhov TM, Farakhov MM, Lapteva YeA. Obobshchennyye gidravlicheskiye i massoobmennyye kharakteristiki novykh kontaktnykh nasadok kolonnykh apparatov. Khimicheskayapromyshlennost' segodnya. 2016;2:50-56.
25. Laptev AG, Ved'gayeva IA. Ustroystvo i raschet promyshlennykh gradiren. Kazan': KGEU, 2004. 180p.
26. Laptev AG, Lapteva EA. Mathematical models of friction on the surface of phase separation and heat and mass transfer in film units of cooling-tower sprinklers with intensifiers.
Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2021 ;55(5): 906-913.
Authors of the publication
Ekaterina Yu. Stolyarova - Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia. Elena A. Lapteva - Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia. Anatoly G. Laptev - Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia.
Получено 13.02.2023г.
Отредактировано 27.02.2023г.
Принято 01.03.2023г.
