Введение к работе
Актуальность проблемы. Испарительное охлаждение циркуляционной воды в градирнях является наиболее экономичным и распространенным способом отвода низкопотенциального тепла от промышленного оборудования в водооборотных циклах химических производств. Эффективность охлаждения испарительного аппарата во многом зависит от равномерности распределения контактирующих фаз (вода, воздух) в объеме насадки. Защита окружающей среды от потенциально вредных выбросов из градирен обеспечивается каплеотбойными устройствами.
В настоящее время на предприятиях химической промышленности РФ насчитывается более 1400 градирен, обслуживающих системы оборотного водоснабжения. Большинство из них построены в 1970-1980 г.г. и в настоящее время морально и физически устарели. Сконструированные в середине века насадочные устройства не обеспечивают энергоэффективной глубины охлаждения циркуляционной воды, а каплеотбой-ные устройства имеют повышенный процент выброса капельной влаги.
Разработка новых насадок позволяет увеличить глубину охлаждения циркуляционной воды, что в свою очередь способствует сокращению общего объема циркуляционной воды и соответственно снижению эксплуатационных затрат на электроэнергию и химическую подготовку оборотной воды. Конструирование и внедрение новых высокоэффективных каплеотбойных устройств позволяет сократить выбросы влаги в окружающую среду и повысит экологическую безопасность в районах действующих предприятий. Сокращение выбросов капельной влаги из градирен приводит к экономии водных ресурсов, которые идут на восстановление объема циркуляционной. Исследование гидродинамической обстановки в существующих конструкциях градирен обнаруживает неравномерности в распределении жидкой и газовой фаз в поперечном сечении оросительного пространства, что препятствует интенсификации процесса тепло- и мас-сообмена и снижает глубину охлаждения в водооборотной системе.
В связи с выше изложенным, является актулышм разработка и исследование новых энергоэффективных конструкций насадок и каплеотбойных устройств, а так же изучение физических закономерностей гидродинамики в градирнях.
Цель диссертации - разработка и исследование новых эффективных моделей регулярной насадки и каплеотбойных устройств; исследование гидродинамической и аэродинамической обстановки в градирне; нахождение путей программирования профиля скорости воздушного потока в поперечном сечении оросительного пространства для интенсификации процессов испарительного охлаждения.
Для реализации поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:
разработка новых моделей насадок и каплеотбойных устройств из полимерных материалов;
экспериментальное исследование гидродинамических и тепло-массобменных свойств новых моделей насадок;
экспериментальное исследование гидравлических и каплеулавливающих свойств новых моделей каплеотбойников;
исследование процесса распределения жидкости в разработанных моделях насадок;
разработка физической модели гидродинамических процессов газовой фазы в действующей градирне;
получение расчетных зависимостей для прогнозирования соотношения удельных расходов воздушного потока в характерных зонах насадки градирни;
разработка алгоритма и методики расчета градирни с учетом выравнивания профиля скорости газового потока в поперечном сечении оросительного пространства.
Научная новизна. Разработан новый вид геликоидно-структурных насадок. Модели насадок из геликоидных элементов образуют открытые многоканальные ячеистые структуры постоянно сообщающихся между собой по высоте каналов переменного сечения.
Разработана новая модель каплеотбойного устройства из геликоидных элементов. Каплеотбойник из геликоидных элементов предотвращает повторный унос капельной жидкости за счет n-кратного поворота воздушно-капельного потока в пределах своего объема.
Получены расчетные зависимости для определения гидродинамических и тепло- и массообменных свойств новых типов насадок. Получены расчетные зависимости гидродинамических свойств новых типов каплеотбойников.
Обнаружено свойство новых геликоидно-структурных насадок типа ПН-2Д(ЗД) обеспечивать эффективное поперечное перемешивание контактирующих потоков и равномерное распределение жидкой фазы по всему поперечному сечению оросительного пространства независимо от равномерности первоначального орошения.
Разработана физическая модель гидродинамики в действующей градирне. Показана возможность интенсификации процесса испарительного охлаждения путем выравнивания поля скоростей в оросительном пространстве градирни за счет использования блоков насадок с различным гидравлическим сопротивлением. Показана возможность повышения каплеотбойного действия за счет использования каплеотбойников с различным живым сечением.
Практическая значимость. В ходе работы над диссертацией получены следующие патенты: регулярная структурная насадка для тепло- и массообменных аппаратов (патент № 2338586); вентиляторная градирня (патент № 2353880); регулярная насадка для тепло-массообменных аппаратов (патент № 2359749).С использованием разработок, полученных в диссертации, проведены реконструкции градирен на трех объектах: водооборотиыс циклы в павильоне №20 ВВЦ г. Москва; на Ликероводочном заводе «Стумбрас» г. Каунас, Литва; в ГУП СКТБЭ г. Москва. Методика расчета градирни с учетом выравнивания поля скоростей принята к использованию при реконструкции градирен СК-400 на Литовском химическом предприятии «АХЕМА». Получен акт о внедрении методики.
На Всероссийском конкурсе молодых ученых и специалистов «Чистая вода» проходившем с октября 2008г. по январь 2009г., при поддержке Государственной думы РФ и ВПП «Единая Россия», по результатам диссертационной работы автору присужден диплом лауреата в номинации «Экологическая безопасность систем водоснабжения и водоотведения ».
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены на: Научно-техническом семинаре «Компрессорная техника. Насосное оборудование. Энергосбережение и экология. Киотский протокол» в МОО «Московское химическое общество им. Д.И. Менделеева», Москва 2005; Конференция «Энергетика и технологии», Каунас, Литва, 2007; 12-я Международная конференция «Технический и технологический прогресс в сельском хозяйстве» Раудондварис, Литва - 2007; Конференция «Энергетика и технологии» г. Каунас, Литва, 2008; I Международная конференция РХО им. Д.И. Менделеева «Ресурсо-и энергосберегающие технологии в химической и нефтехимической промышленности», Москва 2009.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 21 работа, в том числе 14 статей в научно-технических журналах, 4 тезиса доклада, 3 описания патента.
На защиту выносится: - конструкции новых геликоидно-структурных насадок различной геометрии из полимерных материалов;
конструкция геликоидного каплеотбойного устройства;
результаты экспериментальных исследований и эмпирические зависимости для определения гидродинамических и аэротермических свойств новых типов насадок;
результаты экспериментальных исследований и эмпирические зависимости для определения гидродинамических свойств новых типов каплеотбойных устройств;
результаты экспериментальных исследований и эмпирические зависимости распределения жидкости в объеме геликоидно-структурных насадок;
физическая модель гидродинамики газовой фазы в одиночной вентиляторной градирне, которая обосновывает наличие двух характерных гидродинамических зон с различными скоростными режимами;
расчетные зависимости для прогнозирования соотношения удельных расходов воздушного потока в характерных зонах поперечного сечения градирни;
методика расчета градирни с учетом выравнивания профиля скорости газового потока в насадке.
Достоверность полученных результатов исследований подтверждена данными, полученными на опытных стендах в аттестованной испытательной лаборатории ВНИИГ им. Е.Б. Веденеева и на стендах МГУИЭ. Оригинальные измерительные приборы для экспериментальных исследований были сертифицированы и аттестованы согласно требованиям ГОСТ и технических условий. Оценка достоверности результатов исследований проводилась с определением толерантного интервала погрешности.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения и 5 глав, содержащих обзор литературы и постановку задачи исследования, описания экспериментальных установок и методик проведения экспериментов по аэродинамике, гидравлике и аэротермикс, обработку результатов исследований и рекомендации по расчету; области использования и рекомендации по промышленному внедрению; общих выводов и списка литературы. Работа изложена на 134 страницах, включает в себя 69 рисунков, 8 таблиц, библиография 129 наименований.
