Введение к работе
Актуальность работы. Водооборотные циклы промышленных предприятий в основном предназначены для охлаждения оборотной воды от низкопотенциального тепла технологических процессов. Они состоят, как правило, из комплекса взаимосвязанных сооружений - водозаборных устройств (насосных станций), установок предварительной подготовки воды, регулирующих и запасных емкостей, охладителей воды и разводящей сети трубопроводов.
По данным государственного учета использования в Российской Федера-ции промышленностью расходуется в год около 40 миллиардов м свежей воды, что составляет 50% общего количества, забираемого для нужд народного хозяйства из источников водоснабжения. Это составляет примерно 20% потребности промышленных предприятий в воде. Недостающее количество (160 мил-лиардов м ) обеспечивается за счет повторного использования воды после охлаждения и (или) очистки. Такая вода называется оборотной или циркуляционной.
Оборотная вода применяется в качестве хладагента для охлаждения технологического оборудования или для конденсации и охлаждения газообразных и жидких продуктов в теплообменных аппаратах. Нагретая в процессе теплосъе-ма оборотная вода охлаждается преимущественно на градирнях, и после очистки (при необходимости) возвращается в систему. Часть оборотной воды (обычно не более 5%) теряется на испарение, капельный унос, утечки и сброс при продувке системы.
Превышение температуры оборотной воды от регламентируемой по техническим требованиям к технологическим процессам всего лишь на 1,5 С приводит к снижению выработки продукции (до 15%) и ухудшению ее качества. Вместе с тем, при неудовлетворительной работе градирен температура воды, возвращаемой в оборотный цикл, часто превышает регламентируемую температуру, и предприятия для поддержания требуемого температурного режима прибегают к нежелательному приему - «освежению» системы оборотного водоснабжения, при котором повышают до 10% и более сброс из системы теплой воды при одновременном увеличении расхода подпиточной воды из природного источника.
Эффективность процесса охлаждения оборотной воды в градирнях в основном определяется насадочными устройствами (оросителями), которые должны обеспечить необходимую поверхность контакта фаз при минимально возможных аэро- и гидродинамическом сопротивлениях, а также способствовать свободному перераспределению восходящего воздушного потока по своему объему и поддерживать устойчивое пленочное течение охлаждаемой воды.
Несмотря на то, что в нашей стране рядом производственных фирм и организаций изготавливается полимерная оснастка для градирен, в промышленности до сих пор (около 70 %) в качестве оросителей применяются устаревшие, малоэффективные конструкции, выполненные из дерева или асбестоцемента. Кроме этого, технология изготовления полимерной оснастки нередко не отра-
ботана, сложна и энергозатратна. Основными недостатками данных оросителей являются большая масса на единицу площади, недолговечность, малая поверхность контакта, высокий коэффициент аэродинамического сопротивления, невозможность свободного перераспределения восходящего воздушного потока по объему, неустойчивость и нестабильность типа и режима течения охлаждаемой оборотной воды по поверхности контакта.
Однако, как показывает опыт, использование полимерных материалов и композиций на их основе, технологические характеристики которых значительно превосходят аналогичные у традиционных материалов, в совокупности с высокопроизводительными и технологичными способами для изготовления оросителей может значительно повысить их эффективность и эффективность теп-ломассообменных процессов охлаждения оборотной воды в целом.
Вышеизложенное обуславливает актуальность данной работы.
Часть диссертационной работы выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (гос. контракты на проведение НИР: № П 358 от 30.07.09; № 16.740.11.0304 от 07.10.10).
Цель и задачи исследования
Целью диссертационной работы является совершенствование тепломассо-обменных процессов в водооборотных циклах промышленных предприятий повышением эффективности охлаждения оборотной воды в градирнях с обоснованием и реализацией концепции разработки конструкций насадочных устройств из полимерных материалов и определении технологии их изготовления, за счет:
разработки конструкций насадочных устройств - оросителей из полимерных материалов с оптимальным соотношением поверхностных и аэродинамических характеристик, возможностью обеспечения режима устойчивого пленочного течения оборотной воды по межфазной поверхности, обладающих высокой надежностью, долговечностью и химической стойкостью;
формулировки научно обоснованных рекомендаций по технологии изготовления составляющих элементов оросителя градирен, с совершенствованием инструментов реализации процесса, разработкой методик их расчета, исследовании реологических и гидродинамических характеристик расплавов полимеров.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
провести анализ современного состояния технических водооборотных систем и проводимых в них процессах испарительного охлаждения;
разработать и классифицировать новый тип конструкций полимерных оросителей градирен;
разработать экспериментальную установку для определения основных технологических характеристик полимерных оросителей;
исследовать влияния конструктивных особенностей, аэродинамических и технологических характеристик полимерных насадок градирен на эффективность процесса охлаждения оборотной воды;
разработать методику расчета основных технологических характеристик оросителей из полимерных материалов и композиций на их основе;
провести анализ и рекомендовать технологию изготовления полимерной оснастки градирен, характеризующуюся высокой производительностью, энергоресурсосбережением;
разработать конструкцию экструзионной головки и усовершенствовать методику расчета и проектирования экструзионного формующего инструмента для изготовления сетчатых элементов полимерной оснастки градирен.
разработать экспериментальную установку для определения реологических и расходно-напорных характеристик расплавов полимеров, исследовать реологические характеристики промышленных полимеров и выбрать оптимальный материал и режим для изготовления разработанных конструкций оросителей градирен.
Научная новизна
Получены математические зависимости, устанавливающие связь между силами поверхностного натяжения оборотной воды и конструктивными элементами полимерных оросителей для оптимизации их геометрии с целью образования устойчивой пленки оборотной воды на их поверхности.
Установлены математические зависимости и разработана методика расчета для определения основных технологических характеристик полимерных оросителей градирен.
Получена математическая зависимость по определению расходно-напорных характеристик формующего инструмента для изготовления сетчатых оболочек, основанная на степенной зависимости эффективной вязкости расплавов промышленных полимеров от напряжения сдвига.
Установлена математическая зависимость между коэффициентом разбухания экструдата, геометрическими характеристиками формующих каналов экс-трузионных головок и основными параметрами процесса при экструзии расплава полиэтилена низкого давления (ПНД 277-73) по ГОСТ 16338, полиэтилена высокого давления (ПЭВД 15802-020) по ГОСТ 16337, полистирола (ПСМ -115) по ГОСТ 20282.
Классифицирован новый тип полимерных оросителей градирен на основе сетчатой оболочки.
Практическая значимость и реализация работы заключается в том, что:
- сформулированы принципы конструирования и разработан новый тип
конструкций полимерных оросителей градирен на основе сетчатой оболочки,
обеспечивающий устойчивое пленочное течение оборотной воды по поверхно
сти контакта;
получены методики расчета для оптимизации геометрии конструктивных элементов оросителей. Получено 22 патента на изобретения и полезные модели по конструкциям оросителей;
созданы экспериментальные установки для определения основных технологических характеристик насадочных устройств, исследования реологических и расходно-напорных характеристик промышленных полимеров для изготовления оросителей;
- сформулированы основные принципы проектирования профильно-
погонажных экструзионных головок и разработана конструкция промышленной
экструзионной головки для изготовления полимерной сетчатой оболочки. По
лучено 7 патентов на изобретения и полезные модели по конструкциям экстру
зионных головок.
- разработана методика расчета профильно-погонажных экструзионных
головок.
Разработанные конструкции полимерных насадочных устройств с целью совершенствования процесса охлаждения оборотной воды в градирнях внедрены и прошли промышленные испытания на предприятиях:
ОАО «ГАЗПРОМ НЕФТЕХИМ САЛАВАТ» (проведена замена древесных оросителей на градирне ВГ - 70);
ОАО «КАУСТИК» (проведена замена асбестоцементных оросителей на градирне СК - 400);
ООО «Стерлитамакский завод катализаторов» (проведена реконструкция эжекционной градирни с установкой вентиляторов и полимерных оросителей);
ОАО «Синтез Каучук» (произведена реконструкция градирни СК - 400 с заменой древесных оросителей на полимерные);
ООО «Розничная сеть АЗС САЛАВАТ» (проведена реконструкция вентиляторной миниградирни «Росинка»).
Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и получили положительную оценку:
на VIII Международной научно-практической конференции «Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков», г. Пенза 2003 г.
на 22 Симпозиуме по реологии, г. Валдай, 2004 г.
на IV Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», г. Санкт - Петербург, 2007 г.
на VII Российском энергетическом форуме «Роль науки в развитии топливно-энергетического комплекса», г. Уфа, 2007 г.
на Международной конференции «Производство. Технология. Экология», г. Ижевск, 2010 г.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 53 научных труда. Из них одна монография, 18 статей в изданиях, рекомендован-
ных ВАК, 29 патентов на изобретения и полезные модели, 5 докладов на различных научных конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и рекомендаций, библиографического списка, включающего 223 наименования. Общий объем работы 250 страниц, 107 рисунков, 29 таблиц.
