Національна металургійна академія України

ЖЕВЖИК ОЛЕКСАНДР ВЛАДИСЛАВОВИЧ

УДК 621.175.3

ГІДРОАЕРОДИНАМІЧНЕ УДОСКОНАЛЕННЯ РОЗПИЛЮВАЛЬНОЇ ГРАДИРНІ

05.14.06 – технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному центрі аерокосмічної освіти молоді України

Національного космічного агентства України

Науковий керівник: д.т.н., проф. Коваль Володимир Павлович, Дніпропетровський державний технічний університет залізничного транспорту, професор кафедри теплотехніки

Офіційні опоненти: д.т.н., проф. Циганков Григорій Тимофійович, Український державний хіміко-технологічний університет, завідувач кафедри енергетики д.т.н., проф. Самохвалов Сергій Євгеньйович, Дніпродзержинський державний технічний університет, завідувач кафедри прикладної математики та компўютерного моделювання

Провідна установа: Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", кафедра теплотехніки, Міністерства освіти і науки України, м. Харків

Захист відбудеться " 15 " травня 2001 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої   ради Д .084.03 Національної металургійної академії України за адресою: пр. Гагаріна, , м. Дніпропетровськ, 49600.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: пр. Гагаріна, , м. Дніпропетровськ, 49600.

Автореферат розісланий " 10 " квітня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, д.т.н., проф. В.К. Цапко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Як і основне устаткування промислових підприємств, до 70градирень зворотних систем водопостачання, побудованих у 60-70 роках, зношені і потребують відновлення працездатності або заміни на більш досконалі за умов зменшення обсягів виробництва, зростання цін на воду і енергоносії, підвищення екологічних вимог, дефіциту коштів на капітальне будівництво і ремонти. Це вимагає прискіпливого узгодження теплового навантаження обладнання з характеристикою градирні та мінімізації питомих витрат енергії на охолодження води.

Деревўяні зрошувачі зняті з виробництва, а використання пластмасових, внаслідок гідрофобності та погіршення змочування, обумовлює підвищення температури охолодженої води. У найбільш досконалому решітчастому зрошувачі фірми "Бальке-Дюрр" (Німеччина) використано краплинно-плівкове охолодження. Дослідження краплинних (бризкальних, розпилювальних) градирень проводяться давно, але показники охолодження води як в зрошувальних градирнях не досягнуті. Так, відповідно нормам СНіП 2.04.02-84, бризкальна градирня при тепловому навантаженні 30ё63 МДж/(м2Чгод) охолоджує воду на 5-10 °С при недоохолодженні до температури змоченого термометра 10ё12 °С. Доведення охолоджувальної спроможності такої градирні до рівня зрошувальної потребує досліджень на натурних обўєктах, при цьому удосконалення, які необхідно вносити по результатах досліджень, коштують дорого, чим зумовлена складність роботи і потреба в розробці надійних методів розрахунків. Зважаючи на суттєво меншу вартість реконструкції та експлуатації, гідроаеродинамічне удосконалення цих градирень актуальне для металургійних, хімічних, переробних та енергогенеруючих підприємств.

Мета і задачі дослідження. Покращення охолоджувальної спроможності розпилювальних градирень.

Обўєкт дослідження - розпилювальна градирня.

Предмет дослідження - гідроаеродинаміка і тепломасообмін розпилювальної градирні.

Задачі дослідження:

1) розробка математичної моделі для визначення характеристик краплинного потоку і вимог до розпилювання, при яких забезпечується мінімальна температура охолодженої води;

2) розробка відцентрових розпилювачів води, які задовольняють вимогам до розпилювання при тиску 0,02ё0,04 МПа в вентиляторніх та баштових градирнях і 0,04ё0,06 МПа в рідинно-ежекційних;

3) гідроаеродинамічне удосконалення проточної частини та водорозподільника градирні;

4) узагальнення досвіду розробки, випробування та експлуатації промислових розпилювальних градирень, визначення області застосування і створення методів розрахунку.

Методи дослідження:

1) чисельне моделювання охолодження і розподілу води в градирні для визначення характеристик краплинного потоку і вимог до розпилювача води;

2) експериментальне дослідження на моделях градирень аеродинамічного опору і розподілу швидкості повітря в проточній частині;

3) експериментальне дослідження промислових розпилювальних градирень для узагальнення досвіду розробки, випробування та експлуатації.

Наукова новизна одержаних результатів. Встановлено залежність для аеродинамічного опору і тиску краплинного потоку, які визначають тепломасообмін і гідроаеродинамічні характеристики розпилювальної градирні.

Вперше одержано закономірності розподілу швидкості повітря при вітрі в градирні і виявлено вирівнювання швидкості повітря на навітряній та підвітряній стороні при оптимальній висоті перегородки.

Вперше одержано закономірності розподілу швидкості і тиску повітря у малогабаритній градирні з ромбоподібними вікнами і визначений взаємовплив елементів проточного тракту на аеродинамічний опір градирні.

Елементи удосконаленої проточної частини розпилювальної градирні захищені патентами України.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено методи розрахунку розпилювальної градирні та відцентрових плівкових розпилювачів для застосування при проектуванні; відцентрові плівкові розпилювачі води для вентиляторних, баштових, рідинно-ежекційних градирень; метод розрахунку рівномірності розподілу води в градирні при застосуванні відцентрових плівкових розпилювачів.

Удосконалені елементи проточного тракту: вітрова перегородка і повітрявхідні вікна.

З використанням методів розрахунку та розроблених розпилювачів води реконструйовано градирні: малогабаритна вентиляторна на ЗАТ "Укртатнафта" (м. Кременчук), двосекційна вентиляторна на ВАТ "Азот" (м. Черкаси), двосекційна рідинно-ежекційна на ЗАТ "Полтавський завод медичного скла" (м. Полтава), двосекційна рідинно-ежекційна на ЗАТ "Укртатнафта" (м. Кременчук), двосекційна на ВАТЗапорізький абразивний комбінат" (м. Запоріжжя), трисекційна безвентиляторна на ВОПівденний машинобудівний завод" (м. Дніпропетровськ).

Особистий внесок здобувача. Здобувачем встановлено залежності для аеродинамічного опору і тиску краплинного потоку, побудовано математичну модель охолодження води в градирні та підтверджено її адекватність дослідженнями градирень. Виконано розробки відцентрових плівкових розпилювачів. Одержано закономірності розподілу швидкості повітря і тиску в градирні. Запропоновано для розпилювальних градирень удосконалені елементи проточного тракту: ромбоподібні повітрявхідні вікна та вирівнювальна перегородка.

Статті [1-5] опубліковано з науковим керівником, який визначив завдання і напрямок роботи, інші співавтори приймали участь у обговоренні результатів досліджень.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень апробовано на П'ятій науковій конференції вчених Росії, Білорусії і України "Прикладные проблемы механики жидкости и газа" 16-20.09.1996 (м. Севастополь), Третій міжнародній виставці-конференції "Енергозберігаюча техніка і технологія" 17-20.04.1996 (м. Київ), щорічних наукових конференціях Дніпропетровського державного університету в 1997-1999 рр., семінарі кафедри "Процеси та апарати хімічної технології" Українського державного хіміко-технологічного університету (м. Дніпропетровськ, 2000 р.), об'єднаному науковому семінарі кафедр "Теплотехніки та екології металургійних печей" та "Промислової теплоенергетики" Національної металургійної академії України (м. Дніпропетровськ, 2001 р.).

Публікації. Результати дисертації опубліковано у шести статтях і трьох патентах.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, підсумку та додатків. Обсяг дисертації 180 сторінок,  рисунків, 23 таблиці, три додатки, 79 найменувань літературних джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі подано огляд літератури за темою та вибрано напрямок дослідження.

Розробки та дослідження баштових бризкальних градирень виконані у ВНДІГ ім. Б.Є. Вєденєєва (В.В. Гончаров) і ВТП "Укренергочермет" (Е.С. Елькін). Отримані результати свідчать про можливість досягнення в них показників охолодження води прийнятних для систем зворотного водопостачання. Відомі рідинно-ежекційні градирні (В.С. Галустов) з обўємно-поверхневим діаметром краплинного потоку 0,25ё0,3 мм, в яких розпилювачі працюють при тиску 0,2ё0,3 МПа. Розпилювач ВТП "Укренергочермет" для бризкальних градирень має обўємно-поверхневий діаметр d32=3,7 мм при тиску 0,05 МПа. Відомі розпилювачі з заповненим факелом (А.А. Чернышов, В.А. Мизин, И.М. Ханин) дозволили поліпшити рівномірність розподілу води і застосовуються у бризкальних градирнях при тиску 0,07ё0,09 МПа. Додаткове подрібнення краплин забезпечується сітками (Е.Г. Братута). На основі оптимізації вихрової камери створені відцентрові розпилювачі з поліпшеною дисперсністю при тиску 0,02ё0,06 МПаВ.П. Коваль), що дозволяє удосконалити градирні з краплинним потоком.

Відома залежність аеродинамічного опору від щільності зрошення при боковому обдуванні краплин діаметром 4ё6 мм (Л.Г. Акулова). Застосування в градирні дрібнодисперсного розпилювання обумовило необхідність визначення опору краплин боковому та зустрічному напрямку руху повітря в залежності від характеристик краплинного потоку та параметрів повітря.

Відомі дослідження аеродинаміки градирень з природною тягою при вітрі виявили збільшення аеродинамічного опору і нерівномірності розподілу повітря в башті. Запропоновані пристрої для зменшення негативного впливу вітру конструктивно складні та залишилися нереалізованими. Для вентиляторних градирень вітер обумовлює "дефлекторний ефект"НДІ ВОДГЕО).

Після аналізу відомих досліджень охолодження води в градирнях було визначено напрямок роботи: гідроаеродинамічне удосконалення розпилювальних градирень з використанням математичної моделі краплинного потоку та відцентрових розпилювачів води.

У другому розділі розроблено математичну модель тепломасообміну монодисперсного краплинного потоку в розпилювальній градирні. За характерний діаметр краплин прийнятий обўємно-поверхневий d32.

Система рівнянь руху краплин з випаровуванням в повітрі для градирні має вигляд:

;

;

; ;

;

;

;

,

де - коефіцієнт аеродинамічного опору краплини; y=exp(0,03ЧWe1,5) - коефіцієнт форми краплини; af=lв.п(2+0,552Re0,5Pr0,33)/d - коефіцієнт тепловіддачі; brf=D(2+0,552Re0,5Sc0,33)/d - коефіцієнт масовіддачі; =MпPн/(RЧq) - густина пари біля краплини; fпит=6q/(dЧVz) - питома поверхня охолодження; Re=rв.пd/mв.п - число Рейнольдса; We=rв.пd/s - число Вебера; Pr=mв.пCpв.п/lв.п - число Прандтля; Sc=mв.п/(Drв.п) - число Шмідта; D=8,82Ч10-5ЧT1,81/Pa - дифузія водяної пари в повітрі; , - вектори швидкості краплини води і повітря; Uz=-Uг для протитечійної градирні і Uz=Uг для прямоточної; y, z - координати краплини; t - час; d - діаметр краплини; q, T - температура води та вологого повітря; r, rп, rв.п - густина води, водяної пари і вологого повітря; rн, xн, Рн - густина, вологовміст і тиск насиченої пари; Ср, Срп, Срв.п - питома ізобарна теплоємність води, водяної пари і вологого повітря; L - теплота пароутворення; s - поверхневий натяг води; mв.п, lв.п - динамічна вўязкість і теплопровідність вологого повітря; Gс.п. - масова витрата сухого повітря; Ра - тиск атмосферного повітря; q, Sг - щільність і площа зрошення; g=9,81 м/с2 - прискорення вільного падіння; Мп=0,018 кг/моль - молекулярна маса водяної пари; R=8,314 Дж/(мольЧК) - універсальна газова стала.

Швидкість повітря визначається через перепад тиску DР між повітрявхідними вікнами і вихідним отвором

,

де xг  коефіцієнт аеродинамічного опору градирні.

В градирнях з природною тягою , де Нг, Нр - висота градирні та розпилювачів відповідно; =0,5(+) - середня густина повітря; , - густина повітря в атмосфері і над зоною розпилювання.

Тиск, який створює краплинний потік в рідинно-ежекційних градирнях

.

У вентиляторних градирнях швидкість Uг визначається за аеродинамічною характеристикою вентилятора.

Аеродинамічний опір краплинного потоку при боковому і зустрічному обдуванні є визначальними для охолодження води в розпилювальній градирні. Коефіцієнт аеродинамічного опору краплинного потоку зустрічному руху повітря, віднесений до динамічного тиску у градирні,

,

а при боковому русі повітря, віднесений до динамічного тиску у повітрявхідних вікнах

,

де Uвік - швидкість повітря у повітрявхідних вікнах, R - відстань від повітрявхідного вікна до осі градирні. Зіставлення xб з визначеним за відомою експериментальною залежністю Л.Г. Акулової xб=(0,1+0,025q3600) виявило збіжність коефіцієнтів аеродинамічного опору при діаметрах краплин ”5 мм і швидкості повітря ”1 м/с (рис. ).

Частка xб+xз в загальному коефіцієнті аеродинамічного опору xг при дрібнодисперсному розпилюванні досягає 75ё85для баштових градирень і 30ё50для вентиляторних. Суттєве зростання xг при зменшенні d і Uг потребує оптимізації характеристик краплинного потоку в розпилювальній градирні.

Граничні умови для чисельного рішення вихідних рівнянь: y=0, z=0, Vy=V0sin(aф/2), Vz=V0cos(aф/2), d=d0, q=q0 (aф  кут факела розпилювача); в залежності від напрямку руху повітря в градирні при z=Нр або z=0 температура атмосферного повітря Т=Т0=, абсолютна вологість повітря rп=rп0=.

У розрахунках використовували теплофізичні властивості води, сухого повітря, водяної пари, вологого повітря визначені з похибкою, яка не перевищувала 1

Третій розділ присвячено визначенню характеристик краплинного потоку, при яких забезпечується мінімальна температура охолодженої води, та гідроаеродинамічному удосконаленню проточної частини градирень.

Дисперсність розпилювання. Поліпшення теплової характеристики градирні можливе використанням дрібнодисперсного краплинного потоку. Але при цьому збільшується аеродинамічний опір і винос краплин із градирні.

Мінімальна температура охолодженої води в залежності від d32 (рис. ) для баштової градирні (Нг=55 м, Нр=8 м, q=7 м3/(м2Чгод), ta=29,3 °С, j=34досягається при використанні краплинного потоку з d32=1,7ё2,6 мм і залежить від перепаду температур.

Дрібнодисперсне розпилювання в вентиляторній градирні (Нг=17 м, q=7 м3/(м2Чгод), Dq=8 К, Uг=2,1 м/с, tа=29,3 °С, j=34 %, tм=18,4 °С) забезпечує значне зниження температури охолодженої води. Для краплинного потоку із d32=3,0 мм недоохолодження до температури змоченого термометра Dtм=qвих-tм=11,9 К; при зменшенні d32 до 1,8 мм Dtм =4,8 К. Мінімальна температура охолодженої води (рис. ) в градирні без водоуловлювачів досягається відповідним вибором d32 і Uг за умов забезпечення вимог СНіП по виносу. Оптимальний діаметр d32 практично не змінюється при збільшенні Dq до  К.

Застосування розпилювачів з d32<2,0 мм у рідинно-ежекційній градирні дозволяє значно знизити температуру охолодженої води. Темп зниження qвих уповільнюється при d32<1,0 мм.

Початкова швидкість та напрямок руху краплин. У баштовій градирні при Dq=8 К, d32=2,0 мм, aф=60ё160° і V0=2ё16 м/с охолоджувальна спроможність погіршується для більших V0 та менших aф, що обумовлене зростанням аеродинамічного опору краплинного потоку і зменшенням часу польоту краплин. Краща охолоджувальна спроможність забезпечується при aф>120° та V0<6 м/с. Таке розпилювання досягається при тиску води на рівні 0,02ё0,04 МПа.

Для вентиляторної градирні температура охолодженої води із збільшенням V0 підвищується при aф<130° і зменшується для aф>130° (рис. ). При aф”130° і V0=2ё16 м/с температура охолодженої води практично не змінюється, що обумовлене компенсацією зменшення часу польоту краплин більш інтенсивним тепломасообміном при більших V0.

У рідинно-ежекційній градирні qвих знижується із збільшенням V0 за рахунок збільшення витрати повітря та відносної швидкості краплин.

Товщина краплинного шару. Меншому діаметру краплин в баштовій градирні (q=7 м3/(м2Чгод), Dq=8 К) відповідає менша висота розпилювачів, при якій забезпечується мінімальна температура охолодженої води (рис. ).

У вентиляторній і рідинно-ежекційній градирні при збільшенні Нр температура охолодженої води зменшується.

Теплова потужність. Максимум теплової потужності Nmax баштової градирні залежить від qвих (рис. ). Для d32=2,0 мм, Нр=7,0 м, tа=29,3 °С, j=34і qвих=32 °С Nmax”86,9 МВт при q=4 м3/(м2Чгод) і Dq=12,3 К; із збільшенням допустимої qвих до 34 °С Nmax”140,4 МВт при q=4,5 м3/(м2Чгод) і Dq=17,7 К.

Теплову потужність вентиляторної градирні при Нр=8 м, d32=1,8 мм, tа=29,3 °С, j=34та Uг=1,5 м/с наведено на рис. . Для qвих=27 °С має місце максимум Nmax”18 МВт при q=8 м3/(м2Чгод) і Dq=10,1 К. При зменшенні qвих максимум зміщується до більших q і для qвих=25 °С Nmax”12,5 МВт при q=9 м3/(м2Чгод) і Dq=6,2 К. Для qвих<25 °С і q=2ё10 м3/(м2Чгод) максимум відсутній.

При d32>2,0 мм максимум N не досягається для q=2ё10 м3/(м2Чгод) та qвих=23ё31°С, а спостерігається зменшення темпу зростання N для q>5 м3/(м2Чгод).

У вентиляторній градирні при виключеному вентиляторі можливе охолодження води, коли рух повітря в башті забезпечується природною тягою або ежекцією повітря через дифузор краплинним потоком. Природна тяга реалізується при (-)ЧgЧHp>DРе. На рис. для градирні з Нг=17 м, Нр=8 м та q=7 м3/(м2Чгод) наведено температуру охолодженої води та режим роботи в залежності від Dq і ta при відносній вологості j=60При ta=10 °C і Dq<3,9 К в градирні реалізується реверсивний режим з виходом вологого повітря через повітрявхідні вікна. Збільшення Dq до 3,9 К переводить градирню на режим природної тяги. Перехід на природну тягу при підвищенні ta до 15 °С здійснюється при збільшенні Dq до 4,5 К.

Реверсивний режим роботи може бути базовим в градирні з Dq=2ё3 К, коли утворюється незначна кількість водяної пари, за умови забезпечення необхідної температури охолодженої води при недоохолодженні Dtм=8ё12 К.

У рідинно-ежекційній градирні при збільшенні q зменшується Dq, але теплова потужність збільшується для q=2ё8 м3/(м2Чгод) та qвих=23ё29 °С.

Рівномірність розподілу води. Забезпечення рівномірного розподілу води по поперечному перерізу градирні є основною вимогою для проектування водорозподільника, оскільки в зонах підвищеної щільності зрошення зменшується витрата повітря, що обумовлює погіршення охолодження води. В дисертації розроблено методику розрахунку розподілу води по площі F та висоті Н краплинного потоку при розпилюванні відцентровими плівковими розпилювачами. Коефіцієнт нерівномірності залежить від схеми розміщення, шагу розпилювачів і відстані від них (рис. ). Шагу розпилювачів а=0,4ё0,8 м відповідає h=0,25ё0,3.

Висота вітрової перегородки. При дослідженні моделі 1:50 градирні в аеродинамічній трубі виявлено залежність розподілу повітря в розпилювальній градирні від висоти перегородки. Вітер, який гальмується перегородкою на навітряній стороні, рухаючись в напрямку дифузора, обумовлює всмоктування повітря через повітрявхідне вікно на підвітряній стороні. Вітрова перегородка Нп=(1,4ё2,7)Hвік (Нвік висота повітрявхідного вікна) вирівнює швидкість повітря в градирні і забезпечує використання енергії вітру для покращення охолодження води (рис. ).

Форма повітрявхідних вікон. Дослідження моделі 1:10 малої вентиляторної градирні з квадратною баштою і чотиристороннім входом повітря показали, що ромбоподібні повітрявхідні вікна з жалюзійною решіткою і осесиметричний водоуловлювач у порівнянні з прямокутними вікнами забезпечують зменшення коефіцієнту аеродинамічного опору на 31покращують рівномірність розподілу швидкості в градирні, збільшуючи в 1,4 рази площу висхідного потокурис. ).

Розміщення елементів проточного тракту на малій відстані обумовлює нерівномірний розподіл повітря перед кожним з них і в зрошувальному просторі та вносить невизначеність в розрахунки коефіцієнту аеродинамічного опору. Суттєвий взаємовплив місцевих опорів в градирні обумовлює необхідність виконання при проектуванні досліджень коефіцієнтів опору на моделях.

Четвертий розділ присвячено методам розрахунку розпилювальних градирень та відцентрових плівкових розпилювачів, вибору типу та основних елементів градирні при реконструкції і новому проектуванні та узагальненню досвіду випробувань реконструйованих градирень. Охолоджувальну спроможність розпилювальної градирні з розпилювачами Ф02.00.002 (d32=2,2 мм) і Ф02.00.001 (d32=1,7 мм) та градирні з плівковим зрошувачем і без зрошувача зі штатним водорозподільником (Ю.И. Арефьев, В.С. Пономаренко) для ta=24,5 °C, j=57q0=40 °С наведено на рис. . Із графіків видно, що в градирні без зрошувача з штатним водорозподільником та розпилювачами температура охолодженої води збільшується на 3ё4 К. Водорозподільник з розпилювачами Ф02.00.002 і Ф02.00.001 забезпечує охолоджувальну спроможність на рівні плівкових зрошувачів.

Таким чином, при переводі градирні на розпилювальний режим роботи необхідна реконструкція водорозподільника з розпилювачами.

Область застосування розпилювальних градирень з розпилювачами Ф02.00.001 (рис. ) залежить від теплового навантаження, вимог до температури охолодженої води і параметрів атмосферного повітря (tа=29,3 °С, j=34tм=18,4 °С).

Баштова розпилювальна градирня висотою 55 м забезпечує перепад Dq і недоохолодження Dtм як в градирнях зі зрошувачем при питомому тепловому навантаженні 100ё150 МДж/(м2Чгод), вищому норм СНіП для бризкальної градирні 30ё63 МДж/(м2Чгод).

Вентиляторна розпилювальна градирня забезпечує норми СНіП до вентиляторної градирні зі зрошувачем по питомому тепловому навантаженню Nт, перепаду температур Dq і недоохолодженню Dtм.

Рідинно-ежекційна градирня може бути застосована на питоме теплове навантаження до 250 МДж/(м2Чгод) при Dq=5ё10 К і Dtм=6ё10 К.

Питомі витрати енергії на охолодження води в вентиляторній розпилювальній градирні мають мінімум, який залежить від Dtм, і в 2ё3 рази більші ніж в баштовій і рідинно-ежекційнійрис. ).

Розрахунками визначені оптимальні характеристики розпилювання води в баштових та вентиляторних градирнях: d32=1,7ё2,2 мм, aф=120ё130°, DР=0,02ё0,04 МПа і рідинно-ежекційних: d32=1,0ё2,0 мм, aф”90°, DР=0,04ё0,06 МПа. Відповідно цим вимогам розроблені відцентрові розпилювачі води (рис. ), які застосовуються в реконструйованих градирнях.

Реконструйовано з передачею в експлуатацію розпилювальні градирні: малогабаритна вентиляторна площею зрошення Sг=4 м2 та Nт=376 МДж/(м2Чгод) при Dq=6,0 К на ЗАТ "Укртатнафта" (м. Кременчук); двосекційна вентиляторна Sг=288 м2 та Nт=253 МДж/(м2Чгод) при Dq=10,6 К на ВАТ "Азот" (м. Черкаси); двосекційна рідинно-ежекційна Sг=51,2 м2 та Nт=55 МДж/(м2Чгод) при Dq=7,3 К на ЗАТ "Полтавський завод медичного скла" (м. Полтава); двосекційна рідинно-ежекційна Sг=36 м2 та Nт=62 МДж/(м2Чгод) при Dq=3,6 К на ЗАТ "Укртатнафта" (м. Кременчук); двосекційна Sг=128 м2 та Nт=35 МДж/(м2Чгод) при Dq=5,4 К на ВАТЗапорізький абразивний комбінат" (м. Запоріжжя); трисекційна безвентиляторна висотою 17 м, Sг=144 м2, Nт=44 МДж/(м2Чгод) при Dq=2,1 К з реверсивним режимом роботи і температурою qвих=24,9 °С на ВОПівденний машинобудівний завод" (м. Дніпропетровськ).

ВИСНОВОК

В дисертації наведене нове вирішення наукової задачі, що виявляється в покращенні охолоджувальної спроможності розпилювальних градирень. З використанням запропонованих залежностей для коефіцієнту аеродинамічного опору і тиску ежекції краплинного потоку розроблено математичну модель охолодження води в розпилювальній градирні, яка дозволила визначити характеристики краплинного потоку, при яких забезпечується мінімальна температура охолодженої води. Створено відцентрові плівкові розпилювачі, які задовольняють вимогам до розпилювання в градирнях. Експериментально виявлено закономірності розподілу швидкості повітря при вітрі в градирні в залежності від висоти перегородки. Для малогабаритної градирні одержано закономірності розподілу швидкості і тиску повітря. Запропоновані нові елементи проточного тракту: вирівнювальна перегородка та ромбоподібні повітрявхідні вікна, які захищені патентами України на винахід.

Такі гідроаеродинамічні удосконалення покращили охолоджувальну спроможність розпилювальної градирні і розширили область її застосування. Питоме теплове навантаження розпилювальної баштової градирні 130 МДж/(м2Чгод) у порівнянні з вимогами СНіП для таких градирень 63 МДж/(м2Чгод). У розпилювальній вентиляторній градирні показники охолодження і питоме теплове навантаження відповідають зрошувальній.

Наукові і практичні результати.

1. З припущення про монодисперсність краплинного потоку побудовано математичну модель охолодження води в розпилювальній градирні. Розрахунки проводяться на ЕОМ і не потребують використання експериментальних об'ємних коефіцієнтів тепломасовіддачі.

2. Аеродинамічний опір краплинного потоку при зустрічному і боковому обдуванні та тиск краплин визначено в залежності від характеристик краплинного потоку по середніх на траєкторії параметрах повітря. Коефіцієнт аеродинамічного опору при боковому обдуванні дрібнодисперсного краплинного потоку збільшується в 2,0ё2,4 раз. Частка опору краплинного потоку досягає 50ё85від загального опору градирні.

3. Визначено вплив геометричних розмірів градирні, характеристик краплинного потоку та параметрів атмосферного повітря на рівень охолодження води в розпилювальній градирні. Відповідно розрахункам, оптимальні для баштової та вентиляторної розпилювальної градирні діаметр d32=1,7ё2,2 мм та кут факелу розпилювачів aф=130°; для рідинно-ежекційної - d32=1,0ё2,0 мм та aф=90°. Кожному діаметру d32 і тепловому навантаженню відповідає висота розміщення розпилювачів, при якій забезпечується мінімальна температура охолодженої води.

4. Оптимізація характеристик краплинного потоку дозволяє реконструювати градирні у розпилювальні за індивідуальними проектами, враховуючи фактичне теплове навантаження, з витратами енергії на охолодження води меншими ніж в типових.

Зіставлення з експериментальними дослідженнями реконструйованих градирень підтверджують адекватність математичної моделі реальному охолодженню води.

5. Розроблено плівкові відцентрові розпилювачі води з об'ємно-поверхневим діаметром краплин d32=1,4ё2,2 мм та тиском на розпилювання для вентиляторних та баштових градирень не більше 0,04 МПа; для рідинно-ежекційних - 0,06 МПа. Експериментальні дослідження плівки води в розпилювачі Ф02.00.002 підтвердили розрахунковий об'ємно-поверхневий діаметр краплин. Цей розпилювач при діаметрі вхідного отвору 24 мм, діаметрі сопла 62 мм, забезпечує d32=2,2 мм та кут факелу aф=129° при тиску ,02ё0,04 МПа. Використання розроблених розпилювачів дозволяє досягти в розпилювальній градирні охолодження води як в градирні зі зрошувачем.

6. Розроблено методику розрахунку рівномірності розподілу води по поверхні зрошення, яка дозволяє на етапі проектування визначити коефіцієнт нерівномірності води при застосуванні плівкових розпилювачів, вибрати відстань між розпилювачами і схему їх розташування на водорозподільнику.

7. Експериментальним дослідженням моделі розпилювальної градирні в аеродинамічній трубі виявлено вплив висоти перегородки в башті на рівномірність розподілу повітря. Вирівнювальна перегородка висотою 1,4ё2,7 висоти повітрявхідних вікон забезпечує використання енергії вітру для покращення охолоджувальної спроможності розпилювальної градирні.

8. Експериментальні дослідження на моделі та в натурі аеродинамічного опору малогабаритної вентиляторної градирні з входом повітря з чотирьох сторін показали, що загальний опір градирні перевищує в 1,2 рази розрахований як сума опору окремих елементів. Запропоновані ромбоподібні повітрявхідні вікна зменшують нерівномірність розподілу повітря в башті (площа висхідного потоку збільшується в 1,4 рази) та зменшують загальний опір градирні на %.

9. На основі розроблених методів розрахунку реконструйовано з передачею в експлуатацію розпилювальні градирні: вентиляторні, з природною тягою, рідинно-ежекційні та малогабаритна.

Список опублікованих автором праць по темі дисертації:

1. Коваль В.П., Жевжик А.В. Гидроаэродинамическое совершенствование безоросительной градирни // Системні технології. Дослідження динаміки і оптимізація параметрів технологічних процесів: Збір. наук. праць. -Вип.2. - Дніпропетровськ: "Системні технології", 1998. -с.23-39.

2. Коваль В.П., Жевжик О.В. Малая безоросительная градирня. Тепловая и аэродинамическая характеристика. // Системні технології. Комп'ютерна обробка експериментальних данних: Збір. наук. праць, -Вип.3, Дніпропетровськ, 1998. -с.35- 40. 

3. Коваль В.П., Жевжик О.В. Жидкостно-эжекционная градирня. Математическое моделирование и эффективность Системні технології. Комп'ютерна обробка експериментальних даних: Збір. наук. праць, -Вип.3. Дніпропетровськ, 1998. -с.41- 47.

4. Коваль В.П., Жевжик О.В., Рогожкін А.С. Аеродинамічне удосконалення проточного тракту малої вентиляторної беззрошувальної градирні // Системні технології. Системне моделювання технологічних процесів: Збір. наук. праць. -Вип.6, Дніпропетровськ, 1999. -с.32-39.

5. Коваль В.П., Жевжик О.В., Привалов Д.О.Використання енергії вітру для всмоктування повітря у бризкальну градирнюВісник Дніпропетровського університету. Механіка.- 1999. - Вип. , Т. , с. . 

6. Жевжик О.В. Рівномірність розподілу рідини в апаратах з плівковими відцентровими розпилювачами // Вопросы химии и химической технологии. -2000. - №3. - С. 49-51.

7. Заявка на винахід №98020754 Україна, F28C1/00. Бризкальна градирняО.В. Жевжик, В.П. Коваль (Україна). Заявлено 13.02.98.

8. Пат. 31484 А Україна, МКИ F28C 1/02. Повітрявхідне вікно градирні / В.П. Коваль, А.С. Рогожкін, О.В. Жевжик, О.Ф. Ткачов (Україна). -№98094849; Заявл. 15.09.1998; Опубл. 15.12.2000, Бюл.№7-II.- с.

9. Заявка на винахід № 99010382 Україна, F28C1/00. Бризкальна градирня / В.П. Коваль, О.В. Жевжик, Д.О. Привалов (Україна). Заявлено 26.01.1999.

По заявкам прийняті рішення про видачу патенту на винахід.

Жевжик О.В. Гідроаеродинамічне удосконалення розпилювальної градирні. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика - Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2000.

З використанням математичної моделі визначені оптимальні характеристики краплинного потоку: дисперсність розпилювання, початкова швидкість і напрямок руху краплин, а також режим роботи градирні, теплове навантаження, висота водорозподільника над повітрявхідними вікнами, нерівномірність розподілу води по поперечному перерізу башти. Створені плівкові відцентрові розпилювачі з обўємно-поверхневим діаметром краплин 1,7ё2,2 мм при тиску 0,02ё0,04 МПа з кутом факелу 130°, які забезпечують охолодження води в розпилювальній градирні як в градирні зі зрошувачем. Розроблена методика розрахунку рівномірності розподілу води по площі зрошення і визначені відстань і схема розташування розпилювачів на водорозподільнику. Запропоновані нові елементи проточного тракту: вирівнювальна перегородка та ромбоподібні повітрявхідні вікна. Реконструйовані для промислової експлуатації розпилювальні градирні: вентиляторні, з природною тягою, рідинно-ежекційні та малогабаритна.

Ключові слова: розпилювальна градирня, краплинний потік, тепломасообмін, гідроаеродинамічне удосконалення, відцентровий розпилювач, теплове навантаження.

Zhevzhik O.V.improvement of spray cooling-tower. - Manuscript.

Thesis for candidat's degree by specialty 05.14.06 – technical thermal physics and industrial heat-and power engineering. National Metallurgical Academia of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2000.

Using mathematical water-cooling model in the spray cooling-tower optimal characteristics of drop-stream were obtained: spraying dispersion, initial speed and droplet movement direction, cooling tower behavior, heat and hydraulic load, water distributor height above the air-entraining windows, uniformity water distribution.

Thin-film sprayers are developed with droplet volume - surface ratio 1,7ё2,2pressure 0,02ё0,04spray angle 130°, which provide cooling of water in non-packed cooling-tower as in plastic packed cooling-tower.

New wind aligning partition, romboid air-entraining windows are improved.

Spray cooling towers with forced and natural convection, compact and road draft ventilation towers are reconstructed for industrial use.

Key words: spray cooling-tower, drop flow, heat-mass transfer, hydroaerodynamical improvement, centrifugal sprayer, heat load.

Жевжик А.В. Гидроаэродинамическое усовершенствование распылительной градирни. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 - техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. - Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2000.

Математическая модель охлаждения воды в распылительной градирне построена при допущении, что капельный поток монодисперсный. За характерный диаметр принятый объемно-поверхностный диаметр (по Заутеру). Расчет тепло- и массоотдачи ведется по известным зависимостям для чисел Нуссельта и Шервуда одиночных капель, и не требует использования экспериментальных значений объемных коэффициентов тепло- и массоотдачи.

Получены соотношения для расчета аэродинамического сопротивления капельного потока в башенных и вентиляторных градирнях и давления эжекции в жидкостно-эжекционных. Доля сопротивления капельного потока в общем сопротивлении распылительной градирни достигает 75ё85для башенной градирни и 30ё50для вентиляторной.

Определено влияние характеристик капельного потока: высоты, дисперсности распыливания, начальной скорости и направления полета капель на уровень охлаждения воды в градирне, а также режимы работы градирни. Согласно расчетам оптимальными для распылительной градирни является диаметр капель d32=1,7ё2,2 мм с углом факела распылителя aф=130°; для жидкостно-эжекционной - d32=1,0ё2,0 мм с углом факела aф=90 °. Высота капельного слоя зависит от дисперсности и тепловой нагрузки на градирню.

Оптимизация характеристик капельного потока позволяет реконструировать градирни по индивидуальным проектам, учитывая фактическую тепловую нагрузку с затратами энергии на охлаждение меньшими, чем в типовых.

Разработаны распылители воды, которые обеспечивают объемно-поверхностный диаметр капель d32=1,7ё2,2 мм при давлении на распыливание 0,02ё0,04 МПа для вентиляторных и башенных градирен и d32=1,4 мм при давлении 0,04ё0,06 МПа для жидкостно-эжекционных. Использование этих распылителей позволяет достигнуть в распылительных градирнях охлаждения воды на уровне градирен с оросителем.

Разработана методика расчета равномерности распределения воды в градирне, которая позволяет определить расстояние между распылителями и схему их размещения на водораспределителе.

Ветровая перегородка высотой (1,4ё2,7)Нвх, где Нвх - высота воздуховходного окна, обеспечивает выравнивание давления на наветренной и подветренной стороне градирни.

Для вентиляторной градирни с входом воздуха с четырех сторон предложены ромбовидные воздуховходные окна, которые снижают аэродинамическое сопротивление на 31% и улучшают равномерность распределения скорости воздуха в башне.

Реконструированы для промышленной эксплуатации распылительные градирни: вентиляторные, с естественной тягой, жидкостно-эжекционные и малогабаритная.

Ключевые слова: распылительная градирня, капельный поток, тепломассообмен, гидроаэродинамическое усовершенствование, центробежный распылитель, тепловая нагрузка.