Повышение эффективности охлаждения воды в системах оборотного водоснабжения промышленных энергетических установок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.04, кандидат технических наук Давлетшин, Феликс Мубаракович

• Давлетшин, Феликс Мубаракович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Давлетшин, Феликс Мубаракович

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Обзор схем с применением промышленных градирен и аппаратурного оформления процесса охлаждения оборотной воды.

1.2. Методы расчета градирен.

1.2.1. Тепловой расчёт (Тепломассообмен между водой и воздухом).

1.2.2. Гидравлические расчеты водораспределительных систем.

1.3. Модернизация градирен.

1.4. Выводы и постановка задачи исследования.

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОХЛАЖДЕНИЯ ВОДЫ В ГРАДИРНЕ.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Основные уравнения, описывающие аэромеханические, тепловые и массообменные процессы в трубчатых элементах оросителей.

2.3. Законы переноса импульса, тепла и массы.

2.3.1. Уравнения турбулентного обмена пограничного слоя.

2.3.2. Аппроксимация касательных напряжений, тепловых и массовых потоков в пограничном слое.

2.3.3. Характеристики пограничного слоя на границе вязкого подслоя.

2.3.4. Профили плотности, скорости, энтальпии и концентрации.

2.3.5. Интегральные характеристики пограничного слоя.

2.4. Трение, тепло- и массообмен в оросителях промышленных градирен.

2.4.1. Подобие полей скорости, энтальпии и концентрации.

2.4.2. Процессы переноса импульса, тепла и массы при течении паровоздушной смеси на начальном участке цилиндрического канала.

2.4.2.1. Трение и теплообмен в условиях отсутствия массообмена.

2.4.2.2. Трение и теплообмен при наличии поперечного потока вещества.

2.4.2.3. Определение поля скоростей в воздухораспределительной камере градирни.

2.4.2.4. Тепло- и массообмен в турбулентном пограничном слое на начальном участке цилиндрического канала.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ

ПРОМЫШЛЕННЫХ ГРАДИРЕН.

3.1. Задачи экспериментального исследования.

3.2. Экспериментальная установка для исследования характеристик оросителей промышленных градирен.

3.3. Оценка погрешности при экспериментальном исследовании оросителей промышленных градирен.

3.4. Экспериментальная установка для исследования характеристик водоразбрызгивающих сопел промышленных градирен.

4. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМ ПОДАЧИ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВОДЫ В ПРОМЫШЛЕННЫХ ГРАДИРНЯХ.

4.1. Принципы оптимального проектирования водоподающих и водораспределительных систем промышленных градирен.

4.2. Методика расчёта геометрических параметров водораспределительной системы промышленных градирен.

4.2.1. Теоретическое распределение ВС в градирнях круглого поперечного сечения.

4.2.2. Теоретическое распределение ВС в градирнях прямоугольного поперечного сечения.

4.3. Влияние взаимного расположения водоразбрызгивающих сопел на площади ВРС на поля плотности орошения.

4.4. Некоторые результаты разработки и внедрения систем подачи и распределения воды в промышленных градирнях.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности охлаждения воды в системах оборотного водоснабжения промышленных энергетических установок»

Особенностью многих производств является отбор тепла, в широком интервале температур, от охлаждаемых продуктов и тепла, выделяемого в ряде технологических процессов.

Общая система отвода тепла состоит, в зависимости от температурного уровня, из ряда стадий, на каждой из которых применяются различные технические средства. Значительную долю этих средств занимает системы водяного охлаждения. На промышленных и энергетических предприятиях могут функционировать различные охлаждающие системы водоснабжения: прямоточные, с повторным использованием воды, оборотные и комбинированные. При этом СНиП 2.04.02-84 [26] предписывает проектировать новые системы промышленного водоснабжения с оборотом воды. По составу сооружений система оборотного водоснабжения сложнее, чем прямоточная и с повторным использованием воды, дороже в строительстве и эксплуатации, но позволяет в 25.50 раз снизить потребность предприятия в свежей воде и уменьшить не меньше чем в 80 раз сброс тепла в водоисточник [2].

Выделяют три основные системы охлаждения оборотной воды: централизованную, локальную и групповую (промежуточную). Централизованные системы целесообразно использовать на сравнительно небольших предприятиях, когда требования потребителей к воде отличаются незначительно. Групповые системы более целесообразны на крупных предприятиях. Использование локальных систем оправдано и эффективно во всех случаях. Тем не менее, до настоящего времени главным образом используются централизованные и групповые системы, в основном в связи с тем, что в локальных системах применяют охладители сравнительно небольших размеров, а все традиционные охладители с уменьшением производительности, как правило, снижают свою энергетическую эффективность.

Использование оборотной воды на предприятиях теплоэнергетической, химической, нефтеперерабатывающей и металлургической отраслей промышленности составляет от 60 до 96% от общего водопотребления. В практике охлаждение оборотной воды широко используют испарительное охлаждение воды в градирнях. При испарительном охлаждении вода в градирне течет в виде пленки или капель, при этом испаряется 1.2%, и таким образом основное количество тепла (до 85.90%) передается от воды воздуху за счёт массообмена. Остальное тепло - путём конвективного теплообмена. Оба процесса протекают одновременно, оказывая друг на друга взаимное влияние.

Интенсивность работы градирни зависит от условий, какие предоставляются для поверхностного испарения воды в ней. В связи с этим можно выделить два типа величин, влияющих на испарительное охлаждение:

1. Величины, зависящие от условий внешней среды;

2. Величины, зависящие от конструкции охладителя (градирни).

К первому виду относятся влагосодержание наружного воздуха, температура воды поступающей на охлаждение, скорость ветра.

Ко второму виду относятся, в первую очередь, условия образования поверхности воды, с которой происходит и испарение, что определяется конструкцией водоразбрызгивающих сопел, их распределением по площади над оросителем, а так же конструкций и расположением самого оросителя. Другим фактором, определяющим условия испарения воды, является скорость воздуха и равномерность распределения воздушного потока по поперечному сечению оросителя, а также аэродинамическое сопротивление оросителя.

Как известно, проблема эффективности оборотного водоснабжения, особенно остро ощущаются в теплый период года и решение её возможно лишь при комплексном подходе и рассмотрению всех вышеперечисленных факторов в их взаимосвязи. Кроме этого необходимо предусматривать и специальные меры по повышению эффективности градирен, такие как установка ветрозащитных или направляющих движение воздуха перегородок, подача дополнительного воздуха в центральную часть градирни по специальным каналам, дополнительная подача воды (10.20 %) на сопла, установленные на кольцевом коллекторе вокруг чаши градирни и дополнительная подача воздуха за счёт эжектирующего действия этой дополнительной воды, перераспределение орошающих сопел с учетом аэродинамической картины течения воздуха в градирне и др.

Совершенство работы градирни, в итоге, обычно характеризуют степенью приближения температуры выходящей воды, к теоретическому пределу охлаждения - к температуре мокрого термометра.

В настоящей диссертации обобщаются результаты более чем за десятилетний период работ по проектированию и модернизации промышленных градирен, и решается в комплекс задач повышения их эффективности путем создания и экспериментальной проверки новых конструкций оросителей и водоуловителей, оптимизации водораспределительной системы с учетом распределения воздушных потоков в градирне, совершенствования и экспериментальной отработки конструкций водоразбрызгивающих сопел. Создание математической модели охлаждения воды с учетом перечисленных выше факторов позволяет разработать рекомендации и технических решения по реконструкции промышленных градирен.

Заключение диссертации по теме «Промышленная теплоэнергетика», Давлетшин, Феликс Мубаракович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель процесса испарительного охлаждения воды в блоке оросителей с трубчатыми элементами градирни с принудительной тягой. Модель построена на основе уравнений пограничного слоя с использованием полуэмпирической теории турбулентного обмена Прандтля.

2. Определены начальные условия по скорости, необходимые для численного решения интегральных соотношений импульсов, энергии и диффузии. Проведены расчеты трения, тепло- и массообмена по высоте блока оросителей при соответствующих начальных и граничных условиях.

3. На экспериментальном стенде проведены исследования процесса охлаждения воды. Получены обобщающие уравнения для расчета объемного коэффициента массоотдачи.

4. Предложена методика расчёта геометрических параметров водораспределительной системы промышленных градирен. Выполнены расчеты с целью снижения неравномерности орошения и предложены соответствующие технические решения, эффективность которых проверена в натурных условиях.

5. Проверка адекватности математической модели показывает удовлетворительное согласование с опытными и промышленными данными (±10-12 %). Модернизация градирни № 1 на ОАО «Павлоградэнерго» позволяют повысить охлаждающую способность градирни на 25 %. Предложенные технические решения по модернизации обеспечили снижение температуры охлажденной воды на 4 °С на градирне Каргалинской ТЭЦ, что дало дополнительно около 45,6-106 кВт-ч/год электроэнергии. За счет применения эффективных оросителей и улучшения равномерности орошения реконструкция одной градирни СК-1200 на ОАО "Уралоргсинтез " позволила заменить две старые.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Давлетшин, Феликс Мубаракович, 2007 год

1. Берман Л.Д. Испарительное охлаждение циркуляционной воды. 1. издание, Государственное энергетическое издательство, М; Л; 1957 г. 320 с.

2. Пономаренко B.C., Арефьев Ю.И. Градирни промышленных и энергетических предприятий: справочное пособие / под общ. ред. B.C. Пономаренко. М.: Энергоатомиздат.: 1998. -376 е.: ил.

3. Пажи Д.Г., Галустов B.C. Распылители жидкостей. -: Химия, 1979. 216 с.

4. Иванов О.П. Конденсаторы и охлаждающие устройства. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд - ние, 1980. - 165 е.: ил.

5. Фраас А., Оцисик М. Расчёт и конструирование теплообменников. Перевод с англ. М., Атомиздат., 1971. 360 е., ил.

6. Давлетшин Ф. М., Овчинников А.А., Николаев Н.А Интенсификация теплообмена при диспресно-кольцевом течении газожидкостного потока в каналах. -Казань: изд-во КГУ, 2001. 88 с.

7. Пономаренко B.C. Технические и экологические аспекты применения градирен типа «Росинка» в системах холодильных установок. //Холодильная техника, 1997, №2 С. 11.

8. Малышев Г. П. Эффективные системы охлаждения оборотной воды // Холодильная техника, 1995, № 5 С. 10.

9. Кокорин О. Я, Рыбальченко Г.В. Аппарат ВИО-Ю для испарительного охлаждения воды // Холодильная техника, 1988, № 9 С. 31.

10. Дорошенко А.В., Липа А.И., Сикорская Е.М. Рабочие характеристики регулярных насадок поперечноточных вентиляторных градирен // Холодильная техника, 1982, №9 С. 23.

11. Берман Л.Д. О справедливости аналогии между тепло и массообменном и соотношение Льюиса для кондиционеров и градирен //Холодильная техника, 1974, №2 С. 32.

12. Шепелёв И.А. О тепловом расчёте плёночных градирен // Холодильная техника, 1979, № 1 С. 33.

13. Кокорин О.Я., Гоголин В.А. Методика расчёта вентиляторных градирен с орошаемыми регулярными насадками //. Холодильная техника, 1971, №5 С. 19.

14. Алексеев В.П., Дорошенко А.В. К теории испарительного охлаждения воды. -ИФЖ, 1975, т.28, № 2 С. 370.

15. Муштаков А.Г. Малогабаритная градирня.// Холодильная техника, 1987, № 6, С. 47.

16. Берман Л.Д. определение средней разности энтальпий воздуха при расчёте градирни и мокрых кондиционеров.//Холодильная техника, 1960, № 1 С. 25.

17. Гоголин А. Причины несоблюдения отношения Льюиса для мокрых конди-ционеров.//Холодильная техника, 1960, №1, С. 20.

18. Алексеев В.П., Пономарева Э.Д., Дорошенко А.В. Исследование рабочих характеристик пленочных градирен с регулярной насадкой.//Холодильная техника, 1968, №8, С. 25.

19. Вайнберг Б.С. К расчёту теплообмена между водой и влажным воздухом //. Холодильная техника, 1961, № 2, С. 25.

20. Дорошенко А.В., Хамуда P.M. О процессах тепло-и массобмена в плёночных градирнях с регулярной насадкой. // Холодильная техника, 1970, № 1, С.31.

21. Проектирование холодильных сооружений. Справочник под редакцией А.В. Быкова, 1978, Изд-во пищевая промышленность.

22. Гладков А.В., Пономаренко B.C. Технологический расчёт градирен по графикам охлаждения. // Водоснабжение и санитарная техника. 1991, № 12, С. 4.

23. Фарфоровский Б.С., Пятов Я.Н. Проектирование охладителей для производственного водоснабжения. Л.: Госстройиздат., 1960.

24. ДавлетшинФ.М., СагдеевА.А. Оптимизация работы водораспределительной системы промышленных градирен.// Проблемы энергетики, 2003, № 5-6 С. 48.

25. Петручин А.И., Солодухин А.Д., Фисенко С.П. Математическое моделирование капельных и пленочных течений воды в башенных испарительных градирнях. IFZh, V.74, №1,2001.

26. СНиП 2.04.02 84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения/Госстрой ССр. М.: Стройиздат., 1985.

27. Алферова Л.А., Нечаев А.П. Замкнутые системы водного хозяйства промышленных предприятий, районов и комплексов. М.: Стройиздат

28. Гончаров В.В. Брызгальные водоохладители ТЭЦ и АЭС. Л.: Энергоатом издат., 1989.

29. Гладков В.А., Арефьев Ю.И., Пономаренко B.C. Вентиляторные градирни. М., Стройиздат, 1976,120 с.

30. Пономаренко B.C., Арефьев Ю.И., Кадилин Е.Н. Опыт модернизации вентиляторной градирни.// Водоснабжение и санитарная техника. 1996, № 3.

31. Арефьев Ю.И., Пономаренко B.C., Стонин Я.З. Малогабаритная вентиляторная градирня «Паюс Вод Гео».// водоснабжение и санитарная техника, 1994, №8

32. Арефьев А.Н. Методы расчета башенных охладителей. При переменных режимах, Известия ВТИ, 1931, №2, С. 5.

33. Ackermann G., Theorie der Verdunstungskuhlung, Jngenieur Archiv, Bd5, №2, 1934, s. 124.

34. Merkel F., Verdunstungskskuhlung, VDJ Forschungsheft, № 275,1925.

35. Проскуряков Б.В., Теория термического режима пленочной градирни, «Известия НИИГ», т. 16, 1935, С.112.

36. Бибиков Д.Н., О тепловом расчёте пленочных градирен с поперечным потоком воздуха. Известия НИИГ, т.23,1938, С. 273.

37. Берман Л.Д. Упрощенный метод теплового расчета градирен, Известия ВТИ, 1941, №2, С. 12.

38. Шлихтинг Г., Теория пограничного слоя. М.; Наука, 1969, - 744 с.

39. Сполдинг Д.В. Конвективный массоперенос. М. Л., Энергия, 1965, 383с.

40. Klenke W. Brennst. Warme - Kraft. 18, 97, 1966; Kaltentechnik - klimatis-ierung, 22, 322,1970.

41. Вишнякова И.В. Моделирование процесса охлаждения оборотной воды и реконструкция промышленных градирен.: Дис. .кандид. техн. наук. Казань: КГТУ, 2000, 153 с.

42. Ведьгаева И.А. Математическое моделирование и повышение эффективности работы промышленных градирен с сетчатой насадкой.: Дис. .кандид. техн. наук. Казань: КГЭУ, 2003,152 с.

43. Дьяконов С.Г., Елизаров В.И., Лаптев А.Г. Моделирование массотеплопе-реноса в промышленных аппаратах на основе исследования лабораторного макета // Теор. основы хим. технол. 1993. - т. 27. - № 1. с. 4.

44. Дьяконов С.Г., Елизаров В.И., Лаптев А.Г. Определение эффективности массообменных устройств на основе сопряженного физического и математического моделирования.// Теор. основы хим. технолог. 1992. - т. 26. - №1. С.ЗЗ -42.

45. Lewis "The evaporation of a liquid into a gas ", Mech. Eng.4, 1922, p. 445.

46. Патент на изобретение № RU 2197694 C2, МПК 7F28F25/08. Ороситель гра-дирни/Давлетшин Ф.М., Давлетшин Ф.Ф. Опубликовано 27.01.2003 г. Бюл. № 3.4 с.

47. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1975, - 599 е., ил.

48. Шевелёв Ф.А. Таблицы для гидравлического расчета стальных, чугунных, асбоцементных и пластмассовых и пластмассовых водопроводных труб. М.: Стройиздат, 1970.

49. Бергман Д. Испарительные градирни: современные конструкции и преимущества реконструкции // Энергетик: спецвыпуск. 2000. С. 15-21.

50. Киркор А.В., Мухортов В.Н. Вентиляторные; градирни. Могилев, 2002.

51. Давлетшин Ф.М., Сагдеев А.А. Оптимизация работы водораспределительной системы промышленных градирен. Известия ВУЗов. Проблемы энергетики, 2003, №5-6, с. 48. Издание КГЭУ, Казань.

52. Оросители, водоуловители и разбрызгивающие сопла из полимеров в конструкциях градирен. М.: ВНИИНТПИ, 1991.

53. Сточек Н.П., Шапиро А.С. Гидравлика жидкостных ракетных двигателей. М., Машиностроение, 1978,128 с.

54. Бородин В.А. и др. Распыливание жидкостей М., Машиностроение, 1976 г.

55. Крутов В.И., Грушко И.М., Попов В.В. и др. Основы научных исследований. Учебн. для техн. Вузов / Под ред. Крутова В.И., Попова В.В.-М.: Высшая школа, 1989.-400 с.

56. Зайдель А.Н. Ошибки измерения физических величин. Л.: Энергия, Ленинградское отделение, 1974.-108 с.

57. Нуждин А.С., Ужанский B.C. Измерения в холодильной технике: Справочное руководство. -М.: Агропромиздат, 1986.-368 е.: ил.

58. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергия, 1978.-704 с.

59. Исаев С.И., Кожинов И.А., Кофанов В.И. и др. Теория тепломассообмена (под редакцией А.И.Леонтьева). М.: Высш. школа, 1979.495 с.

60. Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И. Турбулентный пограничный слой сжимаемого газа. Новосибирск: Сиб. отделеление АН СССР, 1962.180 с.

61. Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И. Тепломассообмен и трение в турбулентном пограничном слое. М.: Энергия, 1972. 344 с.

62. Кутателадзе С.С., Леонтьев А.И. Тепломассообмен и трение в турбулентном пограничном слое. М.: Энергоатомиздат, 1985.320 с.

63. Пасконов В.М., Полежаев В.И., Чудов Л.А. Численное моделирование процессов тепло- и массообмена. М.: Наука, 1984.288 с.

64. Романенко П.Н. Гидродинамика и тепломассообмен в пограничном слое. М. Энергия, 1974. с. 464.

65. Сукомел А.С., Величко В.И., Абросимов Ю.Г. Теплообмен и трение при турбулентном течении газа в коротких каналах. М.: Энергия, 1979. 216 с.

66. Тепло- и массобмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник/ Под ред. В.А.Григорьева и В.М.Зорина. М.: Энергоиздат, 1982. 512 с.

67. Фафурин А.В. Законы трения и теплоотдачи в турбулентном пограничном слое// В сб.: Тепло- и массообмен в двигателях летательных аппаратов. Казань.: КАИ, 1979. Вып 2. С. 62-69.

68. Федяевский К.К., Гиневский А.С., Колесников А.В. Расчет турбулентного пограничного слоя несжимаемой жидкости. Л.: Судостроение, 1973. 256 с.

69. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена.- М.: Атомиздат, 1979.415 с.

70. Марков С.Б. Экспериментальное исследование скоростной структуры и гидравлических сопротивлений в неустановившихся напорных турбулентных потоках// Изв. АН СССР. Механика жидкости и газа. 1973. No 2. С. 65-74.

71. Лаптев А.Г., Ведьгаева И.А. Устройство и расчет промышленных градирен: Монография. Казань: КГЭУ, 2004. -180 с.

72. Давлетшин Ф.М., Сагдеев А.А., Гильфанов К.Х. Экспериментальная установка для исследования характеристик оросителей промышленных градирен. Изв. вузов. Химия и химическая технология, 2006, т. 49, вып. 12, С. 90-92.157