Содержание к диссертации
Введение
1. Современное представление о процессах тепломассообмена в аппаратах контактного типа. постановка задачи 12
1.1. Охлаждение циркуляционной воды в системе охлаждения конденсатора 12
1.2. Типы градирен 14
1.3. Тепломассообмен и гидравлика в контактных аппаратах 17
1.4. Модель Меркеля 20
1.5. Анализ современных расчетных моделей испарительных градирен по литературным данным 25
1.6. Расчет градирен по номограммам 30
1.7. Постановка задачи исследования 33
Выводы по первой главе 34
2. Тепломассообмен и гидродинамика при испарении (конденсации) парогазовой смеси в насадке 36
2.1. Тепломассообмен в каналах 36
2.2. Интегральные уравнения пограничного слоя 37
2.3. Стандартные законы 39
2.4. Влияние поперечного потока массы 43
2.5. Соотношения для полупроницаемой поверхности 48
2.6. Факторизованные соотношения для трения, массоотдачи, теплоотдачи 50
2.7. Скорость испарения или конденсации 53
2.8. Особенности испарения в каналах 55
2.9. Гидродинамика стекающей жидкости 57
Выводы по второй главе 64
3. Дифференциальная модель испарительного охлаждения в градирнях 65
3.1. Схема потоков теплоносителей в градирне 65
3.2. Потоки массы и энтальпии 67
3.3. Тепломассообмен 69
3.4. Дифференциальная модель 70
3.5. Вычислительная программа 75
3.5.1. Исходные данные 76
3.5.2. Входные параметры для расчета 78
3.5.3. Расчет температур и расходов теплоносителей 80
3.5.4. Расчет характерных концентраций 85
3.5.5. Расчет теплового потока на межфазной границе 86
3.5.6. Интегрирование системы дифференциальных уравнений 88
3.5.7. Результаты вычисления 90
3.6. Вычислительный комплекс Visual Basic & Matlab 91
3.5.7. Главное меню программы 92
3.8.2. Меню File 93
3.8.3. Меню Regime Parameters 95
3.8.4. Меню Geometry 96
3.8.5. Меню Run 97
3.8.6. Меню PartialProblems 98
3.7. Инструментальное энергетическое обследование градирни 99
3.8. Сопоставление с экспериментальными данными 102
Выводы по третьей главе 109
4. Численные эксперименты по исследованию характерных режимов испарительного охлаждения 110
4.1. Граничный режим с одинаковой температурой теплоносителей на входе 111
4.2. Испарительное охлаждение при малом расходе воды 114
4.3. Испарительное охлаждение при повышенной влажности воздуха 115
4.4. Испарительное охлаждение в насадке значительной протяженности 117
4.5. Численные эксперименты по оптимизации высоты насадки 119
4.6. Численные эксперименты по оптимизации толщины зазора 121
4.7. Рекомендации по оптимизации режимных и конструктивных характеристик градирен 124
Выводы по четвертой главе 125
Заключение 127
Список литературы 129
Приложение 136
- Тепломассообмен и гидравлика в контактных аппаратах
- Факторизованные соотношения для трения, массоотдачи, теплоотдачи
- Интегрирование системы дифференциальных уравнений
- Рекомендации по оптимизации режимных и конструктивных характеристик градирен
Введение к работе
Актуальность проблемы. Работа посвящена исследованию процессов тепло- и массообмена при испарительном охлаждении воды в аппаратах контактного типа, в основном в испарительных градирнях. Распространенное применение градирен в энергетике и в крупных системах кондиционирования воздуха объясняется эффективным использованием принципа испарительного охлаждения при непосредственном контакте теплоносителей. В схемах тепловых и атомных электростанций современные градирни являются дорогостоящими и ответственными элементами, определяющими в существенной мере показатели эффективности энергетических установок в целом.
На практике для упрощения расчетов тепломассообмена в градирне до сих пор используются концепции, базирующиеся на модели Меркеля. Хотя в историческом плане соответствующие расчетные методики претерпели заметную эволюцию (Л.Д.Берман, Д.В. Сезерланд, Д.Е. Браун), однако до сих пор нет достаточно полной современной физической и математической модели тепломассообмена при испарительном охлаждении в градирне, реализованной в форме компьютерной модели, как удобного инструмента для проектировщиков и эксплуатационников.
Рассматриваемая проблема принадлежит к классу задач двухфазного тепломассообмена в многокомпонентных средах. Испарение (или конденсация) происходит в присутствии инертных газов. Парогазовый поток может содержать дисперсную конденсированную фазу.
Расходы и энтальпии теплоносителей, их температуры, а также концентрации компонентов паровоздушной смеси должны определяться как распределения по высоте насадки. Плотность теплового потока на границе раздела и скорость испарения (или конденсации) должны рассчитываться как локальные характеристики в зависимости от геометрии каналов, локальной скорости парогазовой смеси, значений температуры в ядре потока и на поверхности раздела фаз, концентраций компонентов парогазовой смеси в ядре потока и на поверхности раздела фаз.
Необходимо учитывать, что градирни функционируют при значительных вариациях температуры и влажности атмосферного воздуха вследствие погодных и сезонных изменений, а также климатических различий.
Важной задачей при разработке расчетной модели является контроль изменения состояния парогазовой смеси при движении вдоль насадки, определение того, в какой форме — паровой, капельной (или, возможно, льда при низких температурах) находится влага. Диагностика состояний существенна как для точности расчета интенсивности тепломассообмена, так и в экологическом аспекте. Экологические проблемы наглядно проявляются в образовании облаков над градирнями, в возможном увеличении приземной концентрации влаги, в возникающем иногда искусственном гололеде вблизи станций.
Движение воздуха в градирнях тепловых станций обеспечивается естественной тягой, величина которой зависит от состояния влажного воздуха на выходе из насадки и не может быть рассчитана независимо от процессов тепломассообмена, интенсивность которых в свою очередь определяется скоростью циркуляции. Таким образом, расход воздуха через градирню является важным внутренним параметром задачи и должен быть определен посредством специальной вычислительной процедуры.
Учитывая комплексный характер и сложность проблемы, а также ее практическую значимость, следует признать разработку физической и математической модели контактных теплообменников, в том числе испарительных градирен, актуальной задачей.
Целью работы является исследование процессов конвективного тепломассообмена в контактных аппаратах, разработка адекватной математической модели и ее реализация в виде компьютерного кода, позволяющего исследовать и оптимизировать режимы работы градирен.
Достижение поставленной цели в диссертации потребовало решения следующих задач:
провести анализ существующих методик расчета;
разработать адекватную физическую и математическую расчетную модель процессов тепломассообмена и сопротивления при испарительном охлаждении в аппаратах с естественной тягой;
разработать алгоритм и компьютерную программу для расчета контактного тепломассообмена в градирне, позволяющую находить параметры теплоносителей по высоте насадки, учитывать потери воды на испарение, проводить диагностику состояния парогазовой смеси, учитывать образование
9 дисперсной фазы, определять расход воздуха через градирню (для аппаратов с естественной тягой);
провести численные эксперименты по оптимизации режимных параметров и определить влияние температур теплоносителей, расхода жидкости, концентрации влаги в паровоздушной смеси на эффективность работы градирни;
провести численные эксперименты по оптимизации конструктивных характеристик градирни, а именно, определить влияние высоты контактной насадки и толщины зазора между листами на охлаждающий эффект градирни;
выявить особенности режимов контактных теплообменников, связанные со спецификой тепломассообмена в двухфазных двухкомпонентных средах, которые могут негативно сказываться на работоспособности контактных аппаратов.
Объект исследования: контактный тепломассообмен при испарении и конденсации.
Предметом исследования является тепло- и массообмен в контактных испарительных и конденсационных аппаратах с насадками, таких как градирни -установки для испарительного охлаждения циркуляционной воды на ТЭС и АЭС, или контактные конденсаторы на выхлопе парогазовых установок и т.п.
Методы исследования. В диссертационной работе для исследования процессов тепло- и массообмена при испарении (конденсации) парогазовой смеси использован метод математического моделирования, решение получается численными методами, результаты сопоставлены с экспериментом.
Научная новизна. В диссертации получены следующие новые научные результаты:
разработана универсальная методика расчета процессов тепломассообмена при испарении (конденсации) в контактных теплообменниках с насадками, при прямоточной или противоточной организации потоков теплоносителей;
разработана методика расчета расхода воздуха через градирню с естественной тягой, определяемого из условия равенства гидравлического сопротивления в градирне и гидростатического напора, возникающего благодаря разности плотностей теплого влажного воздуха в башне и холодного воздуха снаружи;
разработаны алгоритм и блоки вычислительной программы для диагностики состояния парогазовой смеси при движении в насадке, позволяющие учитывать образование дисперсной жидкой фазы (тумана, капельной влаги) в результате пересыщения паровоздушной смеси;
разработана и программно реализована дифференциальная математическая модель испарительного охлаждения в градирнях, позволяющая рассчитывать изменение параметров теплоносителей по высоте насадки, учитывать потери воды на испарение, проводить диагностику состояния парогазовой смеси, учитывать образование дисперсной фазы, определять расход воздуха через градирню (для аппаратов с естественной тягой);
разработаны рекомендации по оптимизации режимных и конструктивных характеристик градирни, а именно, по влиянию температур теплоносителей, расхода жидкости, степени насыщения воздуха, высоты контактной насадки и толщины зазора между листами на охлаждающую способность градирни.
Достоверность результатов исследования обусловлена корректностью и современным уровнем физической и математической постановки задачи, тестированием вычислительной программы и верификацией компьютерной модели посредством сопоставления расчетных результатов с экспериментальными данными, полученными в результате энергетического обследования градирен №3 и №4 ТЭЦ-8 г. Москва.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработана математическая и компьютерная модель контактного тепломассообмена, позволяющая исследовать режимы работы градирни методом численного эксперимента в широком диапазоне параметров, рассчитывать локальные (по высоте насадки) характеристики потоков воды и паровоздушной смеси, проводить оптимизацию режимных и конструктивных параметров. Выявлены факторы, влияющие на эффективность испарительного охлаждения циркуляционной воды. Предложены рекомендации по оптимизации режимных и конструктивных характеристик градирни.
Разработанное программное обеспечение может быть рекомендовано для проведения расчетов при проектировании и модернизации градирен, а также с целью диагностики их функционирования.
Материалы диссертационной работы использовались при создании электронного учебника «Теплообмен в энергетических установках»
(). Компьютерная модель расчета градирни принята к реализации на сайте и рекомендуется для применения согласно информационному письму Департамента генеральной инспекции по эксплуатации электрических станций и сетей РАО «ЕЭС России» № ИП-10-2004 от 23.01.2004 для руководителей АО-энерго, АО-электростанций, АО ГВЦ «Энергетики», проектио-изыскательских и научно-исследовательских АО.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на:
III Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности теплоэнергетического оборудования» (г. Иваново, 21—22 ноября 2002 г.);
Девятой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 4-5 марта 2003 г.);
XIV Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (г. Рыбинск, 26-30 мая 2003 г.);
На научно-техническом совете станции ТЭЦ - 11 (г. Москва, июнь 2003);
V Минском международном форуме по тепло- и массообмену (г. Минск, Беларусь, 24-28 мая 2004 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка, состоящего из 76 наименований, приложения. Основной текст изложен на 135 страницах, включает 36 рисунков. Общий объём диссертации 148 страница.
Тепломассообмен и гидравлика в контактных аппаратах
Существуют другие многочисленные и важные приложения контактных теплообменников с насадками: установки технического кондиционирования уходящих газов, контактные конденсаторы, промышленные водогрейные котлы, различные выпарные установки и т.д. [32]. Тепломассообмен при непосредственном контакте жидкости и газа осуществляются в барботажных устройствах, в ректификационных колоннах, в выпарных установках. Тепломассообмен в контактных аппаратах рассматривался в теоретических и экспериментальных работах [11, 12].
Существует ряд работ по изучению процессов тепломассообмена гравитационно стекающей пленке жидкости [39, 40, 66]; имеются публикации по математическому моделированию испарительного охлаждения пленок воды [9, 64, 67]. Для массообменного процесса характерным является переход компонента из одной фазы в другую. Схема взаимодействия потоков жидкости и газа, типичная для пленочных аппаратов, представлена на Рис. 1.4. Движущей силой, определяющей процесс массопередачи, является разность концентраций. Расчет тепломассообмена в контактных аппаратах основан на балансовых уравнениях сохранения массы и энергии. Подробно методика расчета и математическая модель таких теплообменников приведены в [41]. В модели приняты следующие допущения: переносом тепла и массы вдоль направления движения пленки пренебрегают, в жидкой фазе реализуется ламинарно-волновой режим течения, а в газовой - переходный или турбулентный режим. Коэффициент массоотдачи принимается постоянным. Для решения предложенной математической модели в [41] используется консервативная неявная разностная схема. Широкое распространение в промышленности получили пленочные контактные аппараты, когда контакт газа с жидкостью осуществляется при течении жидкости в виде слоя (пленки) по поверхности насадки. Известно, что интенсивность процессов тепло- и массообмена между газом и жидкостью в значительной степени достигается размещением внутри аппарата различного рода насадок [17]. Пленочные аппараты применяют для осуществления тепломассообменных процессов, таких как конденсация, нагрев, охлаждение, абсорбция и т.д. Различают гравитационное, восходящее и нисходящее течения пленки. При гравитационном течении жидкость стекает вниз по поверхности насадки под действием сил тяжести и инерции. При восходящем или нисходящем движении жидкость транспортируется вверх или вниз по поверхности насадки за счет касательных напряжений на межфазной поверхности. Аппараты со стекающей пленкой жидкости в насадках широко используются в энергетике, для проведения химических и биохимических процессов.
Однако, темпы изучения процессов, протекающих в свободно стекающих пленках жидкости, недостаточно изучены. Это обусловлено сложностью гидродинамической структурой течения пленок. Влияние различных гидродинамических факторов на испарение с поверхности пленок детально изложено в [41]. Гидродинамика противоточного течения пленки жидкости и газа имеет практический интерес, поскольку такое течение является основой ряда теплофизических процессов, протекающих в контактных теплообменниках [1]. Так, при возрастании плотности орошения в стекающей пленке наблюдается смена режимов пленочного течения. Режим течения пленки зависит от значения числа Реинольдса ReF, которое увеличивается вниз по поверхности вместе с расходом GF стекающей пленки. С увеличением нагрузки по жидкости на поверхности пленки появляются волны, развиваются процессы поперечного и продольного перемешивания ее частиц [18]. Ламинарный безволновой режим реализуется при небольших плотностях орошения. Верхний предел существования этого режима наблюдается при условии: В интервале 5 ReF 400 ламинарное течение сопровождается волнообразованием. Когда число Реинольдса ReF превосходит критическое значение, равное примерно 400, наблюдается переход к турбулентному режиму. Особенностью противоточного течения в насадках является то, что данный режим может существовать лишь в ограниченном интервале расходов. Нижний предел определяется главным образом условием смачиваемости и растекания жидкости по материалу насадки [41]. Верхний предел нагрузок аппаратов обусловлен режимом захлебывания, который определяется обычно величиной критической скорости газового потока [18]. Известно, что эта скорость зависит от соотношения расходов газа и жидкости, физических свойств взаимодействующих сред, геометрических характеристик насадки. Изучение режима захлебывания в каналах рассмотрено [36]. При некотором значении расхода, максимального для конкретной системы, происходит нарушение устойчивого течения стекающей пленки жидкости. На ее поверхности образуются большие волны, которые увлекаются вверх потоком газа. При анализе процесса захлебывания определяемой величиной является скорость газового потока. Гидродинамика жидкости, стекающей по вертикальной поверхности под действием силы тяжести, рассмотрена в параграфе 2.9. Расчетная модель градирни впервые была предложена Меркелем (F.Merkel, 1925г.). Ввиду сложности процессов испарительного охлаждения Меркелем были приняты некоторые допущения и упрощения [71]. Сложность расчета обуславливается зависимостью количества тепла, отдаваемого водой при испарительном охлаждении, от интенсивности двух процессов - тепло- и массообмена. Упрощение достигнуто следующими способами: предполагается, что потерей воды при испарении можно пренебречь; предполагается, что имеет место полная аналогия процессов тепло- и массообмена; предполагается, что воздух на выходе из градирни насыщен водяным паром, то есть q = 100%, и характеризуется только энтальпией. В расчетной модели используются известные уравнения Дальтона и Клапейрона, применяющиеся для идеальных газов. По закону Дальтона давление влажного воздуха рт[х равняется сумме парциальных давлений сухого воздуха pg и водяного пара ру
Факторизованные соотношения для трения, массоотдачи, теплоотдачи
Интегральные уравнения пограничного слоя для парогазовой смеси, движущейся вдоль поверхности со скоростью ию, (2. 20) - (2. 22) переписывается в безразмерном виде следующим образом: Уравнения (2. 42) - (2. 44) показывают, как развиваются динамический, диффузионный и тепловой пограничные слои вдоль поверхности, через которую проходят потоки вещества: на поверхности раздела фаз происходит конденсация или испарение. Посредством подстановок решений (2. 42) - (2. 44) для Re„, ReD„, ReT„ в соотношения вида (2. 26) вычисляют истинные, с учетом коррекции на поперечный поток массы, значения коэффициента трения и чисел Стантона: В соответствии с методом приближенной факторизации используется единый параметр проницаемости, рассчитываемый по соотношениям (2. 28), (2. 36): Выражения (2. 45) -(2. 47) имеют факторшованную структуру, т.е. состоят из множителей, каждый из которых описывает определенный эффект: Множитель в круглых скобках можно назвать гидродинамическим фактором, он отражает влияние гидродинамики потока Множители в квадратных скобках ответственны за влияние свойств теплоносителей (чисел Рг и о) Множители в фигурных скобках представляют воздействие поперечного потока массы. Вводится специальное обозначение:
Причем У7-фактор учитывает только изменение структуры пограничного слоя при вдуве или отсосе при неизменной толщине пограничного слоя. Фактор iFx представляет общее воздействие поперечного потока как на изменение структуры, так и на изменение толщины пограничных слоев - утолщение при вдуве и утоньшение при отсосе (Рис. 2. 3). Для турбулентного режима FX -фактор рассчитывается следующим образом [48]: При вдуве и слабом отсосе результаты расчета по формулам (2. 49) и (2. 50) практически совпадают (Рис. 2. 4). При сильном отсосе более вероятен ламинарный режим вследствие известного эффекта стабилизации течения. Поэтому целесообразно в приближенной методике принять ламинарную формулу как универсальную. Причем множитель в фигурной скобке (2. 51) есть корректирующий фактор Ч х для инженерных критериальных формул, выбираемый на основе аналогии. Для задач конденсации и испарения он вычисляется через характерное отношение концентраций (см. (2. 36), (2. 37)): Множитель в круглой скобке (2. 51) является выражением аналогии процессов теплообмена и массообмена. Множитель bi в (2. 51) следует рассматривать как массодвижующую силу. Заметим, что это не просто разность концентраций, как предполагается в некоторых устаревших методиках расчета [30]. Как видно из Рис. 2. 5, скорость конденсации стремится к бесконечности при значении параметра проницаемости, близком к отрицательной единице.
Скорость испарения относительно медленно растет с увеличением параметра проницаемости. Область определения концентрационного параметра для задач конденсации: При стремлении параметра М к 1 наблюдается случай "слабой конденсации: j — О / « Л/ -1. При стремлении параметра М к нулю имеет место "сильная 1 конденсация: то есть диффузионные процессы перестают ограничивать скорость конденсации и лимитирующим фактором становится термическое сопротивление пленки конденсата. Таким образом, реализуется необходимый переход к конденсации чистого (без примесей инертного газа) пара. При испарении концентрационный параметр положителен: С [оо/ При испарении в каналах необходимо учитывать, что толщина пограничного слоя ограничивается характерным поперечным размером потока - эквивалентным диаметром канала [26]. Поэтому в данном случае целесообразно применять соотношение вида: где Stj=Q рассчитывается по известным инженерным формулам для каналов с непроницаемыми стенками. Для щелевого слоя с непроницаемыми стенками число Стантона определяется как: Корректирующий фактор рассчитывается следующим образом [48]: Из Рис. 2. 6 видно, что логарифмическая зависимость (2. 56) для корректирующего фактора лучше описывает ситуацию при больших вдувах (больших bi), поскольку обеспечивает неограниченный рост скорости испарения по закону ln(l+bi) при переходе к чистому пару, вместо стремления к некоторому ограниченному пределу (пунктирная линия Рис. 2. 6). Таким образом, для расчета конденсации (bi 0) необходимо применять соотношения (2. 45)- (2. 47), (2. 51), (2. 52), а соотношения (2. 56), (2. 57), -для испарения (bi 0). При расчете конденсации пара логарифмическая зависимость (2. 56) является недостаточной в другом асимптотическом пределе - при сильной конденсации.
Интегрирование системы дифференциальных уравнений
Система дифференциальных уравнений (3.9) описывает изменение расхода и энтальпии потоков теплоносителей по высоте насадки, представленных в программном модуле Dy (Приложение): Для расчета величин, входящих в Dy (3.41), вызывается пользовательская функция InterfaceFluxes. Для рассматриваемой противоточной схемы движения теплоносителей (Рис. 3.1) интегрирование системы дифференциальных уравнений (3.9) организуется как решение краевой двухточечной задачи: входные параметры для паровоздушной смеси заданы в нижнем сечении (величины с индексом down\ а для охлаждаемой воды - в верхнем (величины с индексом top). Чтобы посредством встроенного интегратора типа bvp4c провести интегрирование от нижнего сечения по направлению координаты z, следует предварительно определить недостающие условия для потока воды в нижнем сечении (Рис. 3.1). Решение реализуется в программном модуле SoIvBVP (Приложение). Пользовательская функция solinit формирует вектор начальных условий в нижнем сечении zdawn. Решение одномерной двухточечной краевой задачи, созданной системой дифференциальных уравнений в функции Dy, реализуется зависимостью sol.
Встроенная функция bvp4c осуществляет поиск недостающих граничных условий в нижнем сечении насадки. Далее создается вектор-функция res, определяющая невязку между пробным решением и заданными значениями для воды в верхнем сечении z, , Полученный в результате решения вектор Y содержит результаты вычисления -распределение по высоте насадки энтальпий и расходов жидкости и парогазовой смесим. Результаты численного интегрирования помещаются в матрицу У, которая содержит координаты z и величины расходов и энтальпий теплоносителей. Последующие операции подготавливают результаты к наглядному графическому представлению. Обращение к функции Хех необходимо, чтобы вычислить распределения по высоте насадки явных параметров потоков, таких как расходы компонентов и температуры теплоносителей. Функция InterfaceFluxes вычисляет распределения по высоте насадки поперечных потоков через поверхность раздела фаз.
Величина SatCoef характеризует изменение состояния водной компоненты паровоздушной смеси. Значения, меньшие единицы, соответствуют ненасыщенному влажному воздуху, а большие единицы — насыщенному влажному воздуху с диспергированной конденсированной фазой (туман). На Рис, 3.5 представлены результаты расчета градирни с естественной тягой. Шесть графиков (Рис. 3.5) демонстрируют, как изменяются по высоте контактной насадки следующие характеристики: расход охлаждаемой воды G г, кг/(м с), и паро-воздушно-капельного потока (атмосферного воздуха) Gvgc{t кг/(м с), (график 1); температура воды tj-, С, и паровоздушной смеси tv, С, (график 2); концентрации пара у поверхности раздела Cvsurj и в ядре потока Cvjowi а также концентрация, соответствующая насыщению Cvjj0WiSal (график 3); расход пара v, кг/(м с), и скорость испарения gy0[, кг/(м с), (график 4); коэффициент насыщения SatCoef (график 5); объемные плотности теплового потока qy0it Вт/м , и потока энтальпии через границу раздела фаз на стороне паровоздушной смеси Q, Вт/м3, (график 6). Оболочка, созданная в системе визуального программирования Visual Basic 6, обеспечивает эффективное взаимодействие с пользователем посредством меню, удобного ввода числовых параметров, управления просмотром результатов в графической форме. Исследованные режимы вместе с наборами геометрических и других параметров задачи запоминаются во встроенной базе данных, и могут быть в любой момент вызваны для просмотра и редактирования. Ниже приводится краткая инструкция для пользователя вычислительного комплекса. Раздел File главного меню предназначен для работы с Базой данных. База данных состоит из набора записей, содержащих параметры режимов, геометрические параметры установки (градирни): при необходимости база данных может быть дополнена информацией о свойствах теплоносителя, экспериментальными данными, параметрами физической модели, параметрами счета. Работа с программой начинается с открытия базы данных (File-Open) и выбора конкретной записи (Рис. 3.7). Если параметры режима редактировались пользователем, то при необходимости сделанные изменения могут быть сохранены (File-Save) (Рис. 3.7). При этом старые данные будут потеряны (заменены новыми значениями). Отредактированная запись может быть также добавлена в Базу данных (File-Add Record) (Рис. 3.7). При этом старые данные будут сохранены.
Рекомендации по оптимизации режимных и конструктивных характеристик градирен
Детальное исследование режимов работы градирни в широком диапазоне параметров, выполненное методами компьютерного моделирования, отчетливо показывает особенности градирни как теплообменного аппарата контактного типа, функционирующего на принципе испарительного охлаждения. Несмотря на известные недостатки, испарительная градирня является единственным типом примышленных теплообменных аппаратов, способным обеспечить охлаждение до температуры, меньшей температуры холодильного агента. Зафиксированы режимы с весьма значительными изменениями параметров по ходу теплоносителей и даже с немонотонным изменением температуры и пересекающимися температурными распределениями, что указывает на необходимость применения полных локальных дифференциальных моделей рассматриваемых сложных теплообменных устройств. На ряде примеров получены распределения параметров по высоте насадки с протяженными участками адиабатического испарения, что можно рассматривать как характерный признак неэффективности конструктивного выполнения градирни. В результате численных экспериментов с варьируемыми высотой насадки и шириной зазора между листами выявлено наличие оптимальных значений, для которых достигается наиболее глубокое охлаждение воды. Таким образом, при проектировании новых установок, а также при модернизации и реконструкции градирен можно рекомендовать проведение указанных оптимизационных расчетов, с учетом индивидуальных особенностей установок и климатических условий эксплуатации. Представляется, что констатация существования оптимума будет служить стимулом к продолжению исследований в этом направлении.
Вычислительная программа содержит ряд упрощений, справедливых при анализе рассмотренных установок и режимов, но ограничивающих ее применение в общем случае. Необходимые уточнения не потребуют изменения структуры программы и могут быть легко внесены в программный код. Разработанная компьютерная модель позволяет исследовать режимы работы градирни методом численного эксперимента в широком диапазоне параметров, проводить оптимизацию режимных и конструктивных параметров. Численные эксперименты отчетливо показывает особенности градирни как теплообменного аппарата контактного типа, функционирующего на принципе испарительного охлаждения. Зафиксированы режимы с немонотонным изменением температуры и пересекающимися температурными распределениями, что указывает на необходимость применения полных локальных дифференциальных моделей рассматриваемых сложных теплообменных устройств. На ряде примеров получены распределения параметров по высоте насадки с протяженными участками адиабатического испарения, что можно рассматривать как характерный признак неэффективности конструктивного выполнения градирни. Численные эксперименты с варьируемой высотой насадки и шириной зазора между листами выявили наличие оптимальных значений, для которых достигается наиболее глубокое охлаждение воды. При проектировании новых установок, а также при модернизации и реконструкции градирен можно рекомендовать проведение указанных оптимизационных расчетов, с учетом индивидуальных особенностей установок и климатических условий эксплуатации. Расчетные эксперименты при меняющихся в широких пределах параметрах теплоносителей (паро-воздушно-капельного потока и воды) показали, что изменения температуры, концентрации, содержания капельной влаги могут сложным образом изменяться по длине (высоте) насадки.
Поэтому следует признать оправданным разработку дифференциальной модели, требующей применения компьютера для ее реализации. 1. Разработана физическая и математическая модель тепломассообмена в контактных аппаратах, таких как испарительные градирни. Математическая модель включает уравнения сохранения массы и энергии для потоков теплоносителей, т.е. паровоздушной смеси и охлаждаемой воды, а также уравнения тепломассообмена между ними с учетом, влияния поперечного потока массы на интенсивность переноса. Математическая модель включает также уравнения для сопротивления и естественной тяги с целью расчета скорости потока воздуха. 2. Разработаны алгоритм и программный код в среде Matlab, обеспечивающие численное решение двухточечной краевой задачи для системы нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений четвертого порядка. Программный код включает функции для расчета теплофизических свойств теплоносителей, процедуры для диагностики состояния паровоздушной смеси, расчета температур и концентраций по значениям расходов и энтальпий на каждом шаге интегрирования, специальную процедуру для нахождения скорости паровоздушной смеси в аппаратах с естественной циркуляцией. 3. Компьютерная модель, реализованная как Windows-приложение, является мультипрограммным комплексом, включающим графический пользовательский интерфейс и локальную базу данных, разработанные в среде Visual Basic, а также вычислительное ядро и графический вывод в среде Matlab. Компьютерная модель имеет модульную структуру, приспособленную к проведению оптимизационных расчетов, поиску альтернативных вариантов, благодаря возможности независимой модификации кода программных блоков с целью учесть изменения геометрии насадки, ее тепломассообменных характеристик и т.п. 4. Компьютерное моделирование реальных установок и режимов и сопоставление с данными инструментального обследования градирен подтверждает обоснованность и достоверность модели. 5. Методом численных экспериментов исследованы характерные режимы установок испарительного охлаждения и проанализированы характерные распределения температур, концентраций, потоков по высоте насадки. 6. Методом численных экспериментов с компьютерной моделью исследовано влияние конструктивных параметров — высоты насадки и ширины каналов — на охлаждающую способность градирни. В обоих случаях найдены оптимальные значения, при которых температура охлаждаемой воды достигает минимума. Предложены рекомендации по оптимизации режимных и конструктивных характеристик градирни.
