Визначення ефективності градирні бризкального типу з урахуванням поверхні крапель розпиленої води Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 621.175

Е. Г. БРАТУТА, д-р техн. наук, професор О. В. КРУГЛЯКОВА, канд. техн. наук, доцент В. В.Чубарова, молодш. наук. ствроб. Я. В. Бондаренко, мапстр

Нацюнальний техтчний утверситет «Харшвський полтхтчний шститут», м. Харкiв

ВИЗНАЧЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТ1 ГРАДИРН1 БРИЗКАЛЬНОГО ТИПУ З УРАХУВАННЯМ ПОВЕРХН1 КРАПЕЛЬ РОЗПИЛЕНО1 ВОДИ

В статье приведенаматематическаямодель процесса охлаждения циркуляционной воды в градирне брызгального типа, построенная с учётом реальной поверхности диспергованой жидкости. Дано сравнение результатов расчёта с данными натурного эксперимента.

В статт1 приведена математична модель процесу охолодження циркуляцшног води в градирт бризкального типу, яка побудована з урахуванням реальног поверхт диспергованог р1дини. Даеться пор1вняннярезультатов розрахунку з даними натурного експерименту.

Постановка та актуальшсть проблеми

Як було показано в наших роботах[1, 2], ефективтсть охолодження циркуляцшно! води в градирнях суттево впливае на енергетичт характеристики ушх об'екпв енергогенеруючого та енергоспоживчого профiлю, коли виникае потреба в охолодженш циркуляцшно1 води. Одним з перспективних напрямшв у виршент вказано! задачi е реконструкция шнуючих, в бшьшост випадшв, застарiлих плiвкових градирень (ПГ) та крапельних (КГ) в градирнi бризкального типу (БГ), як вiдрiзняються простотою конструкцн, надштстю в експлуатацн, невеликими витрати на проведення ремонту 1 стабiльнiстю охолоджувального ефекту.

У той же час, результати натурних випробувань БГ показують, що мiра охолоджування циркуляцшно1 води в них (за шших рiвних умов) е нижчою, нiж в ПГ i КГ.

У зв'язку з цим для реалiзацil в БГ того ж охолоджувального ефекту, що i в ПГ i КГ щшьтсть зрошування, що рекомендуеться при роботi, наприклад, вентиляторах градирень, повинна ствввдноситися таким чином [3]: ПГ-8-12 м3/(м2г); КГ-6-8 м3/(м2г); БГ-5-6 м3/(м2г).

Так як при реконструкцн ПГ i КГ в градирт бризкального типу необхiдно зберегти ту ж витрату охолоджувано1 води, то очевидно, що необхвдна ступiнь охолодження в БГ може бути забезпечена як за рахунок використання ефективтших засобiв диспергування води, так i за рахунок рацiональнiшого !х розмщення в робочому об'емi градирнi.

Ввдомо, що i вiдпрацювання ефективних розбризкувачiв, i перевiрка рiзних технiчних ршень, що стосуються зрошувально1 системи градирт, у традицiйноl постановцi вирiшуеться суто експериментально, що пов'язане як з великими матерiальними витратами, так i значними витратами часу. Тому коротший i менш дорогий шлях до виршення поставленого завдання полягае у вщповвдному поеднанн1 методiв фiзичного експерименту i математичного моделювання.

Не зважаючи на те що першi роботи яш стосуються застосування БГ [4, 5] i початку теорil тепло-масообмшу мiж повiтрям та розпиленою рвдиною [6] вiдносяться до тридцятих-сорокових рошв, до теперiшнього часу методика розрахунюв охолодження циркуляцiйноl води майже повтстю заснована на емперiчних спiввiдношеннях, правомiрнiсть яких фактично обмежена умовами проведення експерименту. Протягом тривалого часу сама вдея застосування БГ була стрною.

Певний iнтерес, в планi вдосконалення методики розрахунку БГ, представляють роботи [7, 8], в яких зроблена спроба врахувати в емперiчних рiвняннях, що описують теплообмiн i гiдравлiчний опiр градирнi, дисперсний склад крапель. Однак i в цих випадках рекомендацн.

для розрахунку обмежет приватними умовами промислових 1 натвпромпсловпх випробувань.

Деяким компромюом м1ж емтрпчнпмп 1 теоретичними методами розрахунку е робота [8], в якш впкорпстат "числа випарування" в якосл основного визначального фактора, що дозволило (при незмшному дисперсному склад1 краиель, що мав мюце в БГ) запроионувати методику розрахунку охолодження цпркуляцшно! води.

Анатз опублшованих результате дослщження БГ дозволяе зробити висновок, що основною причиною обмеженосл юнуючпх метод1в розрахунку е не лише суто емтрпчнпй 1х характер, але в основному те, що в цих методах розрахунку не знаходить вщдзеркалення вплив реально! величини м1жфазно! поверхт, яка визначаеться дисперсним складом крапель.

Основна частина

Ввдмшною рисою запропоновано! нами математпчно! модел1 розрахунку процесу охолодження цпркуляцшно! води в БГ, е використання реально! функци розподшу крапель за розм1рами у факел! розпилено! рвдпни.

В якосп зазначено! функци впкорпстовуеться р1вняння виду

2

V (Б) = —а4 Б3 К 1(а Б), (1)

3п

в якому единим параметром, визначеним з експерпменту на основ! л1чильно-!мпульсного методу [9] , е величина параметру розподшу а .

Безперервна функщя (1) розбиваеться на N штерватв ! для кожного i-тoгo штервалу записуеться настуина система р1внянь:

р1вняння руху одинично! крапт в потощ повиря

dVk

ик \ик

т1к=±тё~ СБ^(Б)Р2

де Со - коефщент аеродинам1чного опору крапт у вид1 [10]

(2)

СБ = — + 0,248(1 + —)05 + 0,248, (3)

Яе к Яе к

де у(о) - коефщент, який враховуе деформащю крапт, приймаеться, як рекомендований у [11]:

V (Б) = ехр(0,03Же)1,5. (4)

Р1вняння тепло-масообмшу для рщпнно! компонентп дисперсного потоку

тСР ^ = /[а(гР - гп) + рг(юр -юп)], (5)

dт

р1вняння балансу енерги повггря уздовж лшл струму пароповиряно! сумш!

dt„ dtn dd

МПСРП ^ = СрЫр ^ - гпЫп —, (6)

dт dт dт

р1вняння нерозрпвносп потоку повиря.

£ = V»F . (7)

ат

У pa3Í баштово! градирш висотою H ця система р1внянь доповнюеться р1внянням природно! тяги повпря:

V 2

hd (Рп: -Рп 2) = рп , (8)

Де ря= 0,5(Ап +рп2) . Аеродинам1чний onip бризкально! градирш Ра о.:

Pa.0. = X Pj , (9)

1=1

де Pj, аеродинам1чний onip i-того елемента градирш

V 2

Pi = . (10)

Р1вняння (1)—(10) доповнюються сшввщношенням для визначення критерда Nu=aD/A, у вигляд1, що рекомендуеться в робот! [10]:

2

Nu=2+(0,04ReK0'5+0,06ReK3)P 0'4, (11)

2

де Nu = 2 + (0,04 Re0,5 + 0,06 Re 3) Pr0,4 ; Pr - критерш Прантля.

Коефщент масовщдач1 р визначаеться, виходячи з под1бноси процеав тепло масообмшу, за формулою

а

Л, (12)

де теплоемнють вологого пов1тря приимаеться, як:

Срп = 1,0056 + 1,9693 d . (13)

Для TÍe'í частини рщини, яка випадае на ctíhkh градирш у вигляд1 пивки використовуеться р1вняння:

Nu = 0,023 Re 0,8 Pr 0,4 , (14)

запропоноване в робот1[7].

На шдстав1 узагальнення результаив експериментального дослщження[9] дисперсного складу крапель у факел1 розпилювач1в, як1 використовуються у зрошувальнш систем! градирш, було отримано залежнють виду:

а = 0,24 АР 0,25 , (15)

де а - параметр розподшу функцп (1),

АР - перепад тиску на розпилювачг

Р1вняння (15), а також залежноси для куту розкриття факелу 1 характеристики видатноси форсунки ударного типу (якими обладнана зрошувальна система градирш) були використаш у залежнш систем! р1внянь математично! моделг

Для встановлення ефективност! математично! модел! були використаш результати експериментального доопдження бризкально! градирш, схема яко! показана на рис.1

Рис.1. Схема бризкально! градирш: 1 - витяжна вежа; 2 - проти теч1 на область; 3 - кшьцевий тамбур; 4 - поперечно-точна область; 5 - трубопровщ гарячо! води; 6 - водозб1рний басейн; 7 - трубопровщ водопостачання; 8 - роздшьна перегородка м1ж водозб1рними басейнами; 9 - водозб1рний басейн поперечно точно! обласи; 10 - насосний блок; 11 - вщведення води з басейну противоточно! области 12 - загальне скидання води з градирш

При числовш реаизаци математично! модел! режимно-геометричш характеристики градирш, а також параметри води на вход! охолоджувача, параметри повггря ! витрати взаемоддачих середовищ приймались вщповщно умовам проведеного експерименту в робот! [12].

Весь обсяг експериментального матер1алу був представлений у вигляд! вщношення в функци АР, що вщображало вщносну стушнь охолодження води, що припадае на

АР

одиницю напору перед розбризкувачем. Щ даш наведен! на рис. 2. Тут крапками нанесен! результати експерименту, суцшьш крив! отриман! в результат! чисельно! реаизаци математично! модели

0 2 4 „6 лР

0 2 4 6 дР

Рис. 2. Залежнють вщносного ступеню охолодження А^/АР в функцп АР при р1зних кутах розкриття факелу ф 1 д1аметрах сопла форсунки с1ф.

* " • • • - сопло с1ф 10 мм 2- О О _ сопло ¿ф ¡5 мм 3 - ■ ■ ■ - сопло ёф 20 мм 4 - X X _ сопло с1ф 25 мм

Результата, як1 показан! на рис. 2 по-перше, шдтверджують гарне узгодження розрахункових (сусшльш лшп) 1 експериментальних (точки) даних. По-друге, отримане нова проста форма узагальнення експериментальних результате, яка показуе доцшьну межу шдвищення напору води перед форсунками. Так, для розглянутого вар1анту градирш з рис.2 видно, що ця межа лежать в штерваи 0,08 < АР < 0,1 МПа.

Прийнятт1 позначення:

V - швидкють; х - час; р - щшьнють; 1 - температура; { - поверхня; а - коефшдент теплообмшну; р - коефшдент масообмшу; г - теплота пароутворення; Ю - концентрацш; Ср - ¿зобарна теплоемкють; 1 - ентальшя; М - маса; ё - вологоемкють; - коефшдент аеродпнам1чного опору; Р - тпск; т - маса краплц Б - диаметр краплц Яе, Рг, Ки - крптерп Ренольдса, Прандтля, Нуссельта; X - коефшдент теплопровщностг

Висновки

В робота запропонована адекватна математпчна модель процесу охолодження циркуляцшно! води в градирш бризкального типу, що дозволяе встановлювати п ефектпвшсть вже на р1вш предпроектнпй розробок в залежноста ввд майже уах режпмно-геометричних характеристик об'екту.

Запропонована нова форма узагальнення результаив експериментального вппробування градирш у вигляд1 вщносного ступеню охолодження води, що дозволяе встановлювати доцшьш д1апазони напору води перед розбризкувачем.

Список лтратури

1. Братута Э. Г. Влияние температуры охлаждения воды на ефективность холодильной установки/ Э. Г. Братута, И. В. Смородская// 1нтегроваш технолог!!' ! енергозбереження. -2000. - № 2. - С. 3-6.

2000. - № 2. - С. 3-6.

2. Братута Э. Г. Влияние температуры охлаждения воды на теплоенергетические характеристики при компремировании газов в холодильной технике. / Э. Г. Братута, В. Г. Шерстюк// 1нтегроваш технологи i енергозбереження. - 2006. - № 2. - С. 84-88.

3. Гладков В. А. Вентиляторные градирни/ В. А Гладков, Ю. И. Арефьев, В. С. Пономаренко //- М.:Стройиздат, 1976, - 216 с.

4. Giebel C. // Verein deutscher Ingenieure - 1921. V. 242. - P. 1-98.

5. Merkel F. // V.D.I. Zeitschrift. - 1926. - № 4 . - P. 123.

6. Simpson W. M., Sherwood T. K. // Refrigerating Engineering. - 1946. - December. -V. 52. - P. 50-58.

7. Берман Д. Д. Испарительные охлаждения циркуляционной воды / Д. Д. Берман. - М., 1957. - 320 с.

8. Морозов В. А. Охлаждение воды в градирнях бризгального типа / В. А. Морозов, В. В. Гончаров // Изв. ВНИИТ им. Б. Е. Веденеева. - 1970. - Т. 92. - С. 274-288.

9. Братута Э. Г. Диагностика капельных потоков при внешних воздействиях/ Э. Г. Братута. - Харьков: - Вища школа, 1987. - 144 с.

10. Терехов В. И. Тепломассоперенос и гидродинамика в газокотельных потоках / В. И. Терехов. - Новоссибирск: Изд-во НГТУ, 2009. - 284 с.

11. Раушенбах Б. В. Физические основы рабочего процесса в камерах воздушно-реактивных двигателей/ В. Б. Раушенбах, С. А. Белый, И. В. Беслелов и др. // Изд-во «Машиностроение», М.:1964. - 526 с.

12. Гельфанд Р. Е. Метод теплового расчета брызгальных установок с использованием числа испарения / Р. Е. Гельфанд // Изв. ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева. -1980.

DETERMINATION OF THE EFFICIENCY OF THE SPRAY TYPE COOLING TOWER ON THE BASIS OF THE AREA OF SPRAYED WATER DROPS

E. G. BRATUTA, Doctor of Engineering, Professor O. V. KRUGLIAKOVA, Candidate of Engineering, Associate Professor V. V. CHUBAROVA, Junior Research Fellow Y. V. BONDARENKO, Master

The article contains the mathematical model of circulating water cooling in the spray type cooling tower created on the basis of the actual area of dispersed liquid. Results of calculations are compared with real experimental data.

Поступила в редакцию 15.03.2013 г.