Диссертация (Исследование процесса охлаждения воды в безнасадочной градирне установок разновысотного расположения), страница 3

И. Андреевым, ограничен рамкамисуществующих конструкций контактных теплообменников и определеннымгидродинамическим режимом их работы, то есть этот метод носит, несмотряна все его расчетные сложности, «статический» характер и не позволяетоптимизировать конструкцию аппарата в зависимости от требований,предъявляемых к теплообменному процессу.12При локально-кинетическом методе расчета теплообменник разбиваетсяна зоны, которые последовательно проходят контактирующие потоки.Поперечное сечение каждой зоны соответствует площади сечения аппаратана этом участке, а высота (длина) каждой зоны в осевом направлениивыбирается таким образом, что в каждой зоне (объеме) условия протеканияпроцессов тепло- и массообмена можно было считать постоянными.Это положение позволяет для каждой зоны записать уравнениясохранения для газового потока, жидкости, тепла и влажности, включаянеобходимые характеристики тепло- и массообмена. Эти уравнения должныотражать конвективный теплообмен между зонами, а также обмен за счеттурбулентной диффузии.

Для каждой зоны обычно, по соответствующейпрограмме на ЭВМ, вычисляются все параметры потоков газов и жидкости.Естественно, что с уменьшением высоты (длины) зоны, то есть сувеличением числа зон, точность расчета увеличивается.В качестве примера локально-кинетический метод расчета может бытьпроиллюстрирован на модели процесса испарительного охлаждения газа вполом форсуночном скруббере [17]. Приведенные в работе расчетныеданные по двум теоретическим моделям удовлетворительно согласуются сэкспериментальнымииподтверждаютвыводослабомвлияниивзаимодействия капель даже при достаточно близком их расположении.Расчеты систем азото-водяного охлаждения приводится в ряде работ [5,18]. Скрубберы относятся к вспомогательному оборудованию, и их расчетстроится по аналогии с расчетом ректификационной колонны и поэтомуподробно в преобладающем большинстве тематической литературе нерассматривается.131.2 Отвод тепла конденсации в энергетических установкахс помощью градиренПрименение охлаждающей воды в качестве основного способа отводатепла конденсации связано в одних случаях с осуществлением самоготехнологическогопроцесса,например,сконденсациейпарапослерасширения в паровом двигателе или со сжижением продукта химическогопроизводства, в других – с предохранением от разрушения под действиемвысокой температуры отдельных элементов конструкций, цилиндровдвигателей внутреннего сгорания или кладки производственных печей.Вхолодильнойтехникенаустановкахсреднейибольшойпроизводительности и в системах централизованного кондиционирования спомощью оборотной воды снимается тепловая нагрузка конденсатора.Стоимость охлаждающей воды – одна из основных затрат при эксплуатациихолодильныхустановок[19].Следующийпримерможетпоказатьотносительную долю стоимости воды в стоимости 1000 ккал выработанногохолода[93]:При стандартных условиях работы аммиачной холодильной установки(t0=-15° С, tk=30°С) удельная холодопроизводительность затраченного кВт-чэлектроэнергии составит 4186 ккал/(кВт-ч).

Это значит, что на 1000 ккалхолода необходимо израсходовать Ni=0,24 кВт-ч. Нагрузка на конденсаторпри этом составит Qk = Q0 + 860Ni = 1000 + 860х0,24 = 1210 ккал. Принагреве воды в конденсаторе на 5° С расход ее на 1000 ккал холода составит1210/5 =242 кг или 0,242 м3. При отпускной цене на электроэнергию дляпромышленных предприятий 2 коп.

за 1 кВт-ч стоимость ее для получения1000 ккал. холода равна 0,48 коп. При стоимости воды 2 коп. за 1 м3 на 1000ккал придется затратить тоже 0,48 коп. Этот пример свидетельствует, чтобережное экономное отношение к расходованию воды должно стать закономдля работников холодильных установок.14Влияние температуры охлаждающей воды на энергопотреблениехолодильной установки приведено на графике (Рисунок 1.1) ниже,Электрическая мощность, Nэл, кВтпостроенному для холодильной машины ХМ-ФУ 175/2Д по данным из [20].126124122120118116114112110108192123252729313335Температура охлаждаемой воды, tw1, ˚СРисунок 1.1. Зависимость электрической мощность от температурыохлаждаемой воды для машины ХМ-ФУ 175/2Д.Длябольшинстватехнологическихпроцессовпредъявляютсятребования, чтобы температура воды не превосходила определенногозначения, обычно не более 28°С. Это диктуется условиями производства, атакже требованиям надежности и экономичности работы установок.

Так, напаротурбинных электростанциях, повышение температуры охлаждающейводы влечет за собой увеличение расхода топлива на выработкуэлектроэнергии, а при известных условиях и понижение располагаемоймощности; на нефтеперерабатывающих заводах и в ряде химическихпроизводств оно связано с уменьшением выхода продукции, а иногда спотерей наиболее ценных ее составляющих, например, легкокипящихфракций нефти; на холодильных установках оно приводит к понижению иххолодопроизводительности.Прямоточное водоснабжение в рамках существующих законовзапрещено по экономическим и экологическим соображениям, поэтомучасто осуществляют воздушное охлаждение или охлаждение с помощьюоборотной воды, циркулирующей в замкнутой системе и выполняющей роль15промежуточного теплоносителя между охлаждаемым устройством илипродуктом и наружным воздухом.Непосредственноеиспользованиевкачестветепловоспринимающей среды воздуха получило оченьраспространение.Обусловливаетсяэтовосновномвнешнейограниченноеоченьнизкимкоэффициентом теплоотдачи от охлаждаемой поверхности к воздуху ималой теплоемкостью воздуха, вследствие чего требуемая поверхностьохлаждения возрастает в несколько десятков раз сравнительно с водянымохлаждением.

Указанные недостатки воздушного охлаждения сохраняются ипри оборотной системе водоснабжения, когда воздух используется дляохлаждения циркуляционной воды в поверхностных теплообменниках(калориферах или радиаторах). Значительное повышение интенсивноститеплообмена между циркуляционной водой и воздухом, а также уменьшениепотребногоконтактныхколичествавоздухаохладителей,достигаютсяиспользующихвслучаепринциппримененияиспарительногоохлаждения воды. При этом охладитель может быть выполнен из болеедешевых и менее дефицитных материалов, а затраты мощности навентиляторы или вовсе отпадает, или становится во много раз меньшей, чемприповерхностныхохладителях.Благодаряэтимпреимуществамиспарительное охлаждение циркуляционной воды получило преобладающееприменение в системах оборотного водоснабжения на большинствепредприятий всех отраслей промышленности.Как пишет автор [21] «Расчет градирен в значительно большей степениоснован на использовании эмпирических зависимостей…», т.е.

подбором пографикам охлаждения, чем расчет других видов теплообменников. Вдействительности, при расчете градирен необходимо учесть настолько многопараметров, что «…некоторые инженеры считают расчет градирен чем-товродечерноймагии.Большаячастьзатрудненийвозникаетиз-заповышенной чувствительности градирен к изменениям в атмосфере.» [21].16За последнее время все более широкое применение находят методытепловогорасчетаградиренпоформуламтеориииспарительногоохлаждения. Количество тепла, отдаваемое теплоносителем охлаждающемуагенту в градирнях, так же как и в обычных теплообменных аппаратах,пропорциональноповерхноститеплообмена.Подповерхностьютеплообмена в градирне следует понимать общую поверхность всех капель ипленок воды, вступающих в соприкосновение с воздухом.Дляохлажденияполучениявосновных[22]закономерностейрассматриваетсяиспарительногостационарныйпроцесстепломассообмена в простейшей пленочной градирне, в которой вода ивоздух приводятся в непосредственный контакт друг с другом по схемепротивотока (Рисунок 1.2).Рисунок 1.2.

Схема теплового и материального баланса пленочнойградирни.Для элементарного объема составляют уравнение теплового баланса,устанавливающее равенство между теплом, потерянным сплошной водянойпленкой с поверхности щитов в единицу времени, и теплом, котороеприобрел воздух за то же время при непосредственном увеличении еготемпературы и влагосодержания за счет проникновения в него пара врезультате испарения воды.При составлении уравнения теплового баланса делаются следующиедопущения, в соответствии с [5], незначительно, по мнению авторов,17отражаются на конечном результате испарительного охлаждения воды вусловиях градирен:1. Коэффициенты теплоотдачи αf, Вт/(м2K), и массоотдачи βpf, кг/(м2ч),принимаются постоянными для всей поверхности охлаждения, так какколебания их значений весьма незначительны при изменениях температурыводы и воздуха, а не рассчитываются.2.

Парциальное давление водяного пара Рпθ в пределах градирни весьмамало в сравнении с очень незначительно меняющимся полным давлениемвлажного воздуха Рб, и величина парциального давления сухой частивоздуха Рв.сθ может быть принята постоянной.3. Количество испаряющейся воды незначительно и может бытьпринято, что Gж1 ≈ Gж.4. Температура на поверхности пленок воды в сечении градирни можетбыть принята равной средней температуре воды в том же сечении. Прималых значениях удельного теплового потока, отнесенного к единицеповерхности контакта воды с воздухом, и интенсивном перемешиваниижидкости, что характерно для градирен, можно с достаточной дляпрактических расчетов точностью это условие принять при выводе основныхрасчетных зависимостей.Линейные дифференциальные уравнения первого порядка могут бытьиспользованы для решения задачи по определению поверхности охлажденияградирни foхл, м2, при заданных температурах воды и параметрахатмосферного воздуха или для оценки эффекта охлаждения градирни при заданной поверхности,хотя решение этихуравнений сопряжено созначительными трудностями.В книге [5] развернуто описаны способы охлаждения оборотной водыв различных типах контактных водоохладителей.