Использование разбрызгивающих устройств в вихревых камерах для охлаждения оборотной воды Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 621.175.3.

О. С. Макушева, А. В. Дмитриев

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАЗБРЫЗГИВАЮЩИХ УСТРОЙСТВ В ВИХРЕВЫХ КАМЕРАХ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ОБОРОТНОЙ ВОДЫ

Ключевые слова: разбрызгивающее устройство, вихревая камера, охлаждение оборотной воды.

Предложены вихревые камеры с разбрызгивающими устройствами для процессов охлаждения оборотной воды.

Keywords: spray device, vortex chamber, cooling circulating water.

The vortex chambers with spray devices for processes of cooling circulating water were suggested.

Большинство производственных процессов осуществляется с использованием воды. К примеру, предприятия теплоэнергетической отрасли потребляют две трети свежей воды, забираемой на промышленные нужды из источников водоснабжения, при наибольшем расходовании её для охлаждения технологического оборудования. По данным государственного учета использования воды промышленностью Российской Федерации расходуется в год примерно 40 км3 свежей воды, что составляет 50% общего количества, забираемого для нужд народного хозяйства из источников водоснабжения [1]. Кроме того, по данным работы [2] стоимость воды постоянно растет, в среднем на 18% в год, и существенно превосходит затраты на ее подготовку и перекачивание.

Потребление свежей воды в промышленности в значительной мере может быть сокращено за счет перехода производств на системы оборотного водоснабжения с градирнями различных типов и конструкций. Однако проблема осложняется тем, что градирни построены 20-40 лет назад и к настоящему времени существенно изношены, насадочные устройства не обеспечивают требуемой эффективности охлаждения воды, распределение потоков воды и воздуха по сечению аппарата происходит неравномерно, что препятствует интенсификации процессов тепло- и массообмена. Электродвигатели вентиляторов работают в очень влажной среде, содержащей капли воды, что приводит к различным видам замыканий. Кроме того, каплеотбойные устройства имеют повышенный процент уноса капельной влаги, что ухудшает экологическую обстановку в районах действия промышленных градирен. Не стоит забывать, что зачастую капитальный ремонт промышленных градирен на 20-40% дороже строительства новых, эксплуатационные расходы за время существования системы охлаждения во много раз превышают капитальные затраты на её создание [3]. В связи с этим, является актуальным разработка и исследование новых энергоэффективных аппаратов для охлаждения оборотной воды промышленных предприятий [4].

Весьма перспективными в процессе охлаждения оборотной воды промышленных предприятий могут быть вихревые камеры. Их достоинством является большая пропускная способность по воздуху при малых габаритах, а также сравнительно низкие энергетические потери. При изменении температуры воздуха на входе в аппарат доля испарения воды меняется незначительно и составляет менее чем 0,2%, поскольку время контакта воздуха и воды минимальное. Однако эффективность работы вихревых камер может достигать 95% только при равномерном заполнении рабочей зоны каплями жидкости и устойчивой работе. При вводе жидкости в вихревую камеру она движется по днищу аппарата. Далее, при высоких скоростях воздуха, происходит срыв большого количества капель воды с поверхности пленки, движущейся по коническому днищу камеры, и их унос в рабочую зону. При этом наблюдается неравномерный режим работы, что снижает её эффективность. Для создания большой поверхности контакта фаз предлагается установить разбрызгивающее устройство [5] (рис. 1) у основания конического днища вихревой камеры.

Рис. 1 - Разбрызгивающее устройство: 1 - конус, 2 - пластины, 3 - опоры

Вихревая камера с разбрызгивающим устройством, выполненным в форме конуса 1, работает следующим образом. Проходя через лопаточный тангенциальный завихритель, воздух приобретает вращательное движение. Вращаясь, поток воздуха перемещается к центру камеры и удаляется через центральный патрубок. Вода поступает в вихревую камеру через патрубок, расположенный в нижней части аппарата. Попадая на разбрызгивающее устройство, выполненное в виде конуса, вода распыливается в разных направлениях, дробится потоком воздуха на капли, которые вовлекаются в совместное вращательное движение. Пластины 2 установлены на внешней стороне опор 3, выполненных наклонными для образования объемного факела распыла воды. При ударе потока воды о пластины 2 происходит вторичное дробление на капли, которые отбрасываются, образуя объемный факел распыла, что исключает возможность проскока воздуха без контакта с водой и сохраняет стабильность работы вихревой камеры (рис. 2). Движение плоского элемента воды с пластин 2 происходит с постоянной скоростью, так как поверхностные силы, приложенные к границам плоского элемента, пренебрежимо малы.

Рис. 2 - Картина распада потока жидкости разбрызгивающим устройством с углом 45° при скорости воды на поверхности разбрызгивающего устройства 2 м/с

Расчеты, представленные в работе [6], показали, что крупные капли воды движутся по равновесным траекториям большего радиуса, т.е. их равновесные траектории смещены к периферии вихревой камеры. Наоборот, равновесное движение капель малого размера происходит вблизи оси вращения, по малым радиусам. Равновесные радиусы капель диаметром более 500 мкм превышают радиус рабочей зоны, следовательно, при ударе о лопатки завихрителя они будут дробиться на более мелкие капли, которые будут вращаться в рабочей зоне аппарата.

Таким образом, вода поступает в вихревую камеру в виде капель, равномерно покрывая всю рабочую зону, что увеличивает эффективность охлаждения оборотной воды промышленных предприятий. Кроме того, исключен унос капельной влаги, что значительно улучшит экологическую ситуацию промышленных и прилегающих к ним районов.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы (госконтракты на проведение НИР 02.740.11.0062, 02.740.11.0685, 02.740.11.0753) и гранта президента РФ.

Литература

1. Пономаренко, В. С. Градирни промышленных и энергетических предприятий: справочное пособие /

B. С. Пономаренко, Ю. И. Арефьев. - М. : Энергоатомиздат, 1998. - 376 с.

2. Калатузов, В. А. Основные проблемы повышения энергоэффективности работы ТЭС и АЭС / В. А. Калатузов // Академия энергетики. Проблемы и перспективы. - 2009. - № 6 (32). - С. 24-27.

3. Галустов, В. С. Оптимизация систем оборотного потребления охлаждающей воды / В. С. Галустов // С.О.К. Сантехника Отопление Кондиционирование. - 2005. - № 5. - С. 42.

4. Макушева, О. С. Контактные устройства для охлаждения оборотной воды промышленных предприятий / О. С. Макушева, А. В. Дмитриев, А. Н. Николаев // Вестник Казан. технол. ун-та. -2011. - Т. 14. - № 3. - С. 153-154.

5. Пат. 89000 Российская Федерация, МПК В 05 В 1/26. Разбрызгивающее устройство / Макушева О.

C., Дмитриев А. В., Николаев Н. А.; заявитель и патентообладатель Казанский научный центр Российской академии наук. - № 2009129889/22; заявл. 03.08.09; опубл. 27.11.09, Бюл. № 33. - 2 с.

6. Дмитриев, А. В. Очистка газовых выбросов в вихревых камерах с разбрызгивающим устройством / А. В. Дмитриев, О. С. Макушева, А. Н. Николаев // Экология и промышленность России. - 2010. - № 10.- С. 15-17.

© О. С. Макушева - асп. каф. оборудования пищевых производств КГТУ, А. В. Дмитриев - канд. техн. наук, доц. той же кафедры, ieremiada@gmail.com.