CC BY
25
ЭНЕРГЕТИКА
УДК 66.045.53
Гильфанов К.Х., Давлетшин Ф.М., Гилязов Д.Р.
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ ВОДЫ В ОРОСИТЕЛЯХ ГРАДИРНИ С ПРИНУДИТЕЛЬНОЙ ТЯГОЙ
Представлена математическая модель на основе теории пограничного слоя процесса испарительного охлаждения воды при пленочном течении воды по блокам оросителей в градирне с принудительной тягой. Рассмотрены результаты расчетов тепло- и массообмена при граничных условиях, определенных в натурном эксперименте на градирне СК-1200.
Ключевые слова: математическая модель, градирня, теория пограничного слоя, ороситель, тепло- и массообмен.
Использование оборотной воды на предприятиях теплоэнергетической, химической, нефтеперерабатывающей и металлургической отраслей промышленности составляет от 60 до 96% от общего водопотребления. В практике охлаждение оборотной воды широко используют испарительное охлаждение воды в градирнях. Охлаждающие градирни с принудительной тягой представляют собой полые башни, в которых сверху разбрызгивается теплая вода, а снизу вверх нагнетается вентилятором воздух. Расположенная внутри градирни насадка служит для увеличения поверхности контакта между водой и воздухом. Г орячая вода в градирне охлаждается как за счет контакта с холодным воздухом, так и в результате так называемого испарительного охлаждения в процессе испарения части потока воды. При испарительном охлаждении вода в градирне течет в виде пленки или капель, при этом испаряется 1-2%. Основное количество тепла (до 85-90%) передается от воды воздуху за счет массообмена. Остальное тепло отдается путём конвективного теплообмена воды с холодным воздухом [1; 2].
Представляется математическая модель процесса испарительного охлаждения воды при пленочном течении воды по блокам оросителей в градирне с принудительной тягой. Теоретическое описание процессов переноса в слое насадки базируется на известных законах для газовой фазы (смеси воздуха и водяного пара) - неразрывности, количества движения, энергии, диффузии и уравнения обмена на границе раздела фаз при отсутствии диссипации энергии записанных для стационарных условий.
Однако решение систем уравнений, описывающих тепло- и массо-обмен в данных условиях, встречает ряд значительных затруднений. В этой связи большое значение приобретают приближенные методы решения, основанные на применении, так называемых, интегральных соотношений пограничного слоя - импульсов, энергии и диффузии [3]. Пограничный слой образуется на границе раздела фаз - пленки воды и воздушного потока (рис. 1). В рамках двухслойной модели поток газовоздушной смеси состоит из турбулентного пограничного слоя с вязким подслоем и потенциального (невязкого) ядра.
Рис.1. Модель течения тепло- и массообмена у поверхности плёнки жидкости на стенке оросителя
промышленной градирни
Интегральные уравнения импульсов
^ + Ке„/(2 + й) = йе,1^(Ч> + Ь); (1)
энергии
(2)
диффузии
(Щ%- + = КеоїісіУс + Ъс))
дг ДС дг и с
неразрывности
4^— • Н = №0 — 1 — 4 С
Дед и ■'о
г рууШц,
Ро™о
Ке%25 (яе£'25);
(4)
замыкаются соотношениями для законов трения
£1 ЛІ То ДГ?'
(5)
теплообмена
$*= Ёг1 Ёйй/г1 І |і%
л] 2 ■'віл] Ро <?о ХЇЬ.
(6)
и диффузии
яс = Ег1 Р^Лс/Г,1 і №.
\2 СіЛ/Ро ' -Чіс д0 ^ Т ХЇс
(7)
Распределение относительного поперечного потока вещества по длине цилиндрического канала представлено на рис. 2. Относительно слабое падение данного параметра объясняется ростом толщины пограничного слоя и увеличением относительной скорости паровоздушного потока.
7. продольная координата 1 - Яе01=400; 2 - Яе01=2000; 3 - Яе01=4000; 4 - Яе01=6000 Рис. 2. Изменение относительного поперечного потока вещества по длине канала оросителя
Условные обозначения: Re - число Рейнольдса; С>/2- коэффициент трения; St - число Стантона; V = (С^/Су0) „ - относительный закон трения при Яе =1йвш\ = С££/5^о)яе£* - относительный закон теплообмена
при Яе* =1йвт; ^ = ($СС/5СС0)— относительный закон диффузии при Кес**=/^ет;Ь = —- параметр поперечного потока вещества (водя-
Ро^о(С/0/2)
ного пара) у стенки; =-------------тепловой параметр поперечного потока
Ро ш05ґ0
вещества у стенки; Ьс = — диффузионный поперечного потока ве-
щества у стенки, параметры поперечного потока вещества (водяного пара) отнесены соответственно к С/о/2,81:0, 81с0; 2 - продольная координата (высота); 2 = г/Б - безразмерная продольная координата; Б - диаметр канала; Т -температура; wz - проекция скорости на ось г; q - плотность потока тепла; g - поток вещества; qж - плотность орошения; w = wz/w0 - безразмерная скорость; Жо = и'о/и’о1 - относительная скорость; #,/- формпараметры; ф - от** _ ^ носительная влажность; Ке - характерное число Рейнольдса, «построен-
ное» по толщине потери импульса или энергии; И - энтальпия; х - влагосо-держание; р - плотность; х - касательное напряжение; у - параметр относительного изменения коэффициента трения, тепло- или массообмена; х ~
константа турбулентности. Индексы: 0 - параметры внешней границе пограничного слоя; 1 - параметры на границе вязкого подслоя; 01 - на входе в канал; № - параметры на стенке; ^ - параметры жидкости на стенке; И - тепловой; с - диффузионный.
Уравнения (5-7) получены на основе полуэмпирической теории турбулентности Прандтля, а также формул Фурье и Фика. Параметры на границе вязкого подслоя определяются по методике [4].
На границе раздела фаз (пленка воды - воздух) принимается, что влажный воздух насыщенный (ф = 100 %). Для влажного воздуха влагосо-держание и энтальпия водяного пара на границе раздела являются функцией от температуры на границе х№ = х„(Тм), Им,= И„ (х№, Тк). Температура на границе раздела принимается равной температуре жидкости Т^.
Система уравнений (1-4) совместно с (5-7) численно интегрируются по продольной координате 2 при граничных условиях, понятных из рис. 1:
• на входе в ороситель 2= 0^2 = ^01, Т = Т01, х = х01, Яе =Яе01 , Яе/, = К е/,01 , К-ес =Кег 01 , Яеоь
• температура на границе раздела Т^ = Т^(г);
• температура внешнего по отношению пограничного слоя паровоздушного потока Т0 = Т0(г);
• влагосодержание внешнего по отношению пограничного слоя па-
ровоздушного потока х0 = х0(г).
Функции Тм,ь = Т4,1(2),Т0 = Т0(г) их0 = х0(г) определяются по результатам натурных экспериментальных исследований градирни СК-1200: температура окружающей среды 4,3°С; относительная влажность 55%; температура выходящего воздуха 28°С; температуры горячей воды и охлажденной воды 31,7°С и 23,1°С. Скорость на входе в ороситель составляет 0,4-1,2 м/с. Предполагается линейность изменения температур воды и паровоздушной смеси по высоте оросителя.
Особенности и конструктивно-режимные параметры градирни СК-1200 (завод «Этилен» ОАО «Нижнекамскнефтехим») представлены на рис. 2. Скорость воздуха определялась с помощью анемометра, температуры - ртутным лабораторным термометром с ценой деления 0,1 °С, влажности - гигрометром ГС-210.
И', м/с
5 4
3 2 1 0 -1 -2
Рис. 3. Особенности и конструктивно'-режимные параметры градирни СК-1200
Расчет тепло- и массообмена в турбулентном пограничном слое выполнен для элемента оросителя, представляющего собой вертикальный цилиндрический гладкий канал диаметром 0,06 м и длиной до 30 диаметров по
Градирня СК-1200
приведенной математической модели. Расчеты проведены для чисел Рейнольдса, определенных по диаметру канала Яе01=400, 2000, 4000 и 6000.
Характерные числа Рейнольдса Яе , Яе , Яес растут пропорционально интегральным толщинам динамического теплового и диффузионного пограничных слоев и повышению относительной скорости Ж0. В пределах начального участка толщины пограничных слоев растут, приближаясь к единице. Начальный участок (стабилизации) потока равен 10^25 диаметров канала, повышение входной скорости способствует росту начального участка. Участки стабилизации тепло- и массообмена короче, составляют 8^17 диаметров канала, что соответствует числам Прандтля и Шмидта, которые являются качественной мерой соотношения между толщинами аэродинамического, теплового и диффузионного пограничных слоев.
Расчеты свидетельствуют о том, что повышение числа Рейнольдса Яе01 приводит к увеличению длины начального участка. С замыканием динамического пограничного слоя профиль скорости принимает «стандартную» форму, а падение статического давления описывается формулой Блазиуса.
0 5 10 15 20 26 30
7. продольная координата 1 - Яе01=400; 2 - Яе01=2000; 3 - Яе01=4000; 4 - Яе01=6000 Рис. 4. Изменение коэффициента трения по высоте оросителя
13
О 5 10 15 20 25 30
7. продольная координата 1 - Яе01=400; 2 - Яе01=2000; 3 - Яе01=4000; 4 - Яе01=6000 Рис. 5. Число Стантона в функции продольной координаты
О 5 10 15 ЗС 25 30
7. продольная координата 1 - Яе01=400; 2 - Яе01=2000; 3 - Яе01=4000; 4 - Яе01=6000 Рис.6. Распределение безразмерного коэффициента массообмена по длине цилиндрического канала оросителя
На рисунках 2-5 представлено изменение безразмерных коэффициентов трения, теплообмена и массообмена по длине цилиндрического канала оросителя. Наблюдается падение коэффициентов обмена по мере удаления от входной кромки канала. Характер изменения качественно подобен, особенно это заметно для чисел и Б^. Локальные коэффициенты переноса тепла и массы после смыкания пограничных слоев практически не меняются, что указывает на устойчивость пограничного слоя и возможность расчета данных величин по известным формулам для стабилизированного течения. Значительный темп падения коэффициентов трения, теплообмена и массообмена на входе в канал происходит по причине роста толщины пограничных слоев и перестроения профилей скорости, температуры и концентрации. По мере стабилизации режимов течения, тепло- и массообмена соответствующие коэффициенты приближаются к значениям, близким к развитым турбулентным потокам.
Таким образом, в статье представлена разработанная математическая модель процесса испарительного охлаждения воды в блоке оросителей с трубчатыми элементами градирни с принудительной тягой. Модель построена на основе уравнений пограничного слоя с использованием полу-эмпирической теории турбулентного обмена Прандтля. Определены начальные условия по скорости, необходимые для численного решения интегральных соотношений импульсов, энергии и диффузии. Проведены расчеты трения, тепло- и массообмена по высоте блока оросителей при соответствующих начальных и граничных условиях. Проверка адекватности математической модели показывает удовлетворительное согласование с опытными и промышленными данными (±10-12%) для цилиндрических каналов проточных частей оросителей. Предложенные технические решения по модернизации обеспечили снижение температуры охлажденной воды на
4°С на градирне Каргалинской ТЭЦ, что дало дополнительно около 45,6-106 кВт-ч/год электроэнергии. За счет применения эффективных оросителей и улучшения равномерности орошения реконструкция одной градирни СК-1200 на ОАО «Уралоргсинтез» позволила заменить две старые.
Источники
1. Берман Л.Д. Испарительное охлаждение циркуляционной воды. 2 издание. М.: Госэнергоиздат, 1957. 320 с.
2. Пономаренко В.С., Арефьев Ю.И. Градирни промышленных и энергетических предприятий: справ. пос. / под общ. ред. В.С. Пономаренко. М.: Энергоатомиздат, 1998. 376 с.
3. Кутателадзе С., Леонтьев А.И. Тепломассообмен и трение в турбулентном пограничном слое. М.: Энергоатомиздат, 1985. 320 с.
4. Фафурин А.В. Законы трения и теплоотдачи в турбулентном пограничном слое / Тепло- и мас-сообмен в двигателях летательных аппаратов. Казань: КАИ, 1979. Вып. 2. С. 62-69.
Зарегистрирована 17.02.2011 г.
