Моделирование гидромеханических и теплои массообменных процессов в вентиляторной градирне с капельным орошением и проволочной насадкой

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 66. 045. 54
А. Б. Голованчиков, Н. А. Меренцов, В. А. Балашов, Я. А. Орлянкина
МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ТЕПЛО-И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В ВЕНТИЛЯТОРНОЙ ГРАДИРНЕ С КАПЕЛЬНЫМ ОРОШЕНИЕМ И ПРОВОЛОЧНОЙ НАСАДКОЙ
Волгоградский государственный технический университет
steeple@mail. ru
Предложена физическая и математическая модели вентиляторной градирни с капельным орошением и проволочной насадкой, выполненной из металлической проволоки или полимерных волокон. Разработан алгоритм расчета на ЭВМ коэффициентов тепло- и массопередачи, которые необходимы для проектирования промышленных вентиляторных градирен.
Ключевые слова: вентиляторные градирни, капельное орошение, проволочная насадка, коэффициенты тепло- и массопередачи.
A. B. Golovanchikov, N. A. Merentsov, V. A. Balashov, J. A. Orlyankina
MODELING HYDROMECHANICAL AND HEAT- AND MASS TRANSFER PROCESSER IN VENTILATORY COOLING TOWER WITH DRIP IRRIGATION AND THE WIRE NOZZLE
Volgograd State Technical University
The physical and mathematical model of the ventilator cooling tower of drip irrigation and wire nozzle made of metal wire or polymer fibers is proposed. Calculation algorithm is developed on the computer coefficients of heat-and mass transfer, which are necessary for the design of industrial ventilation cooling towers.
Keywords: ventilation cooling tower, drip irrigation, wire nozzle, coefficients of heat- and mass transfer.
В последние время все большое распространение получают вентиляторные градирни с капельным орошением и проволочной насадкой, имеющие значительные преимущества по сравнению с традиционными градирнями с пленочным орошением и листовыми или хордовыми насадками за счет интенсификации гидромеханических, тепло- и массообменных процессов [1, 2].
Они объясняются значительно большой поверхностью капель по сравнению с пленкой жидкости, скоростью ее падения и обдувания потоком воздуха, турбулизацией жидкого и воздушного потоков, движущихся навстречу друг другу, переходам лимитирующих процессов тепло- и массоотдачи от жидкого ядра пленки к границе раздела фаз к процессам, лимитирующим тепло- и массоотдачу от границы раздела фаз к ядру потока воздуха [3, 4].
Однако существующие методики для расчета промышленных градирен с пленочным орошением насадки априори предполагают лимитирующей стадией массообменные процессы, связанные с испарением капель. Для них в лабораторных исследованиях находят коэффициенты массоотдачи и массопередачи, затем определяют геометрические размеры промышленной градирни и подтверждают правильность допущения об автомодельности по теплопередаче. В капельных градирнях в связи с интенсификацией одновременно и массообменного и теплообменного процессов нельзя заранее предсказать какой из этих процессов основной, поэтому целью исследований является разработка методики одновременного определения коэффициентов тепло- и массопередачи, а также средней скорости капель по экспериментальным данным лабораторных исследований, необходимых для расчета и проектирования промышленной вентиляторной градирни с капельным орошением и новой проволочной насадкой.
В лабораторном аппарате, моделирующем проектируемую промышленную градирню, при проведении экспериментов необходимо установить удельные расходы воды и воздуха, температуру воды и воздуха на входе, соответствующие работе промышленной градирни,
и экспериментально определить объем капель воды в лабораторном аппарате, а также температуры воды и воздуха на выходе из него (рис. 1). В этом случае результаты расчетов коэффициентов тепло- и массопередачи, полученные экспериментально в лабораторных условиях можно использовать при расчетах и проектировании промышленной градирни, так как все определяющие критерии подобия (число Рейнольдса, Прандтля, Шмидта) будут одинаковыми в модели и натуре [5−8].
I 2
I жидкость ^-=-
| газ
Рис. 1. Схема лабораторной установки с проволочной насадкой:
1 — корпус- 2, 3 — верхний и нижний перфорированный диск-
4 — болты- 5 — опора под нижний диск- 6 — проволочная насадка-
7 — гайка
Каждый эксперимент на лабораторной установке, при фиксированных значениях исходных параметров, повторялся три раза и по известной методике определялась дисперсия воспроизводимости, которая оказывалась меньше табличного значения Кохрена. Температуры воды и воздуха на входе и выходе из аппарата фиксировались с помощью платиновых датчиков ДТС 105-Р1 100. А3 (повышенного класса точности), сигнал от которых преобразуется в микропроцессорных приборах измерения 2ТРМ0 и регулирования ТРМ10.
С =С +С (х-х)
мп мгк в V г н /
х"
О с (, — ,)+О (, — х с , — с ,)
мн «У мн мкс?_______в н н м м в вк У
О (г + с У -с ,)
в п п вк к
по:
^ =¦
Чв = О& amp-
Чмн = ОА
Т =
Р! мм
ц =-
Он/) Nк = ~^Р~
пн
(~Г)
6
Рк = ПНИ к
р =
Ц =
О.
0,622%н Рп
(1,033 — % Р*)
К = свУвн + хн (гп + спО
Ж = Ов (хк — хн)
0 = О -Ж
мк мн
1
г = с, + х (г + с ,)
к в вк к V п п вк '-
% =1,033
[(0,622+ хк) р*]
I
(, -,) — (, -,) л + V №н вк/ V №к вн/
С 1п (, -, л мн вк
, -, мк вн у
К =
ЮОООв (1К -1») р -Ыс
Дх=
т
_Дх
х = хн +Дх2 +Дх (-1)
г, = а + Ьх,
(c)
, = 1 О в (, г —, н) + Омк СмУмк ]
м (О с)
мг м '-
рм= К
V
хмп = 0 * 622 рмг
(1,033 — Рм,)
I
(, г — хг • Гп) (св + х, • Сп)
I
ЧЕП, = ?
г=1
т
Дх
с = (хк — хн V ЧЕПх

К = Ж/ т~ /(р. Дх Т) / V кс с к'-
л
4
х
к
Ч
И
а
хн =
Рис. 2. Блок-схема для расчета коэффициентов тепло- и массопередачи по результатам экспериментальных исследований в лабораторном аппарате
Рис. 3. Рабочая линия (1) зависимости энтальпии от влагосодержания воздуха на 1-х диаграмме Рамзина
Таблица 1
Исходные, справочные данные и расчетные параметры коэффициентов тепло- и массопередачи по экспериментальным данным лабораторного аппарата с капельным орошением и проволочной насадкой
№ Наименование Размерность Обозначение Величина
1 2 3 4 6
Исходные справочные данные
1 Диаметр капель (25 мм) м dн 310−3
2 Удельный расход воды на входе [1] кг/м2с Gwн 2,4
3 Удельный расход воздуха кг/м2с Gв 3,5
4 Температура воды на входе °Смн 50
5 Температура воздуха на входе °С 1вн 20
6 Высота насадки в аппарате м Ьа 1,5
7 Диаметр аппарата м па 0,1
8 Относительная влажность воздуха на входе — фн 0,85
9 Давление насыщенных паров воздуха на входе ат * Рн 0,0238
10 Теплоемкость сухого воздуха кДж/кг-К св 1,01
11 Плотность воздуха кг/м3 Рв 1,2
12 Теплоемкость воды кДж/кг-К См 4,19
13 Плотность воды кг/м3 Рw 994
14 Удельная теплота парообразования при 0 °C кДж/кг Гп 2493
15 Теплоемкость пара кДж/кг-К сп 1,97
16 Коэффициенты степенного уравнения в зависимости давления насыщенных паров от температуры (определены МНК для табличной зависимости p =p ат к п 3,5−10−5 2,086
Параметры, получаемые экспериментально
1 Удерживающая способность по воде (объем капель в аппарате) м3 V '- ум 1,95−10−5
2 Температура воды на выходе °Смк 48,1
3 Температура воздуха на выходе °С 1вк 21,5
4 Давление насыщенных паров воды в воздухе, соответствующих 4к ат * Рк 0,026
Расчетные параметры
1 Площадь сечения лабораторного аппарата м2 8а 7,85−10−4
2 Массовый расход воздуха кг/с Чв 2,75−10−2
3 Массовый расход воды на входе в аппарат кг/с Цмн 1,88−10−2
4 Среднее время пребывания капель в лабораторном аппарате с Тк 1,029
5 Средняя скорость капель м/с ик 0,486
6 Число капель удельное шт/м2-с К 170 985
7 Удельная площадь потока капель м2/м2-с Рк 4,83
8 Поверхность капель в лабораторном аппарате м2 Рм 3,9−10−2
9 Фиктивная скорость воздуха м/с ив 2,92
10 Начальное влагосодержание воздуха кг/кг Хн 0,0124
11 Начальное теплосодержание воздуха кДж/кг Ін 51,66
12 Конечное влагосодержание воздуха кг/кг Хк 1,409 10−2
13 Удельный расход испаряемой при массопередачи воды кг/м2-с Ш 5,84−10−3
14 Удельный расход воды на входе кг/м2-с G 2,394
15 Конечное теплосодержание воздуха кДж/кг Ік 57,44
16 Конечная относительная влажность воздуха — фк 0,88
Окончание табл. J
№ Наименование Размерность Обозначение Величина
1 2 3 4 б
17 Коэффициенты рабочей линии i=i (x) в виде i=a+bx кДж/кг a b 8, б07 34б5,5
18 Средняя движущая сила процесса теплопередачи °С л, с 28,3
19 Коэффициент теплопередачи Вт/м^К К 147,07
20 Число единиц переноса по влагосодержанию воздуха — ЧЕПХ 2,75
21 Средняя удельная поверхность потока капель м2/м2-с Fкс 4,82б
22 Средняя движущая сила по влагосодержанию воздуха кг/кг Лxc б, 0бЗ10−2
23 Коэффициент массопередачи кг/м2-с- •(кг/кг) Кт 0,0194
Таблица 2
Зависимость основных расчетных параметров капель воды и воздуха вдоль рабочей линии
от влагосодержания воздуха (рис. 3)
Наименование Размер- ность Обозна- чение Величина
1 2 3 4 5 б 7 8 9 10
1. Влагосодержание воздуха кг/кг X, JO2 1,24 1,2б 1,28 1,29 1,31 1,33 1,34 1,3б 1,38 1,39
2. Энтальпия воздуха кДж/кг ii 51, бб 52,24 52,82 53,40 53,98 54,55 55,13 55,71 5бД9 5б, 87
3. Температура воздуха °С tgi 20 20,15 20, бЗ 20,45 20, б 20,75 20,9 21,05 21,2 21,35
4. Давление насыщенных паров для температуры воздуха ат-102 Pi 2,34 2,37 2,40 2,42 2,45 2,47 2,50 2,53 2,55 2,58
5. Относительная влажность — Фі 0,85 0,852 0,853 0,855 0,857 0,858 0,8б0 0,8б2 0,8бЗ 0,8б5
б. Влагосодержание воздуха у поверхности капель воды кг/кг xwi JO2 7, б4 7,71 7,78 7,85 7,93 8 8,07 8,15 8,22 8,29
7. Температура капель воды °С twi 48,1 48,29 48,48 48, б7 48,8б 49,05 49,24 49,43 49, б4 49,81
8. Удельный расход капель воды кг/м^с Gwi 2,394 2,395 2,395 2,39б 2,397 2,397 2,398 2,398 2,399 2,399
9. Давление насыщенных паров при температуре капель воды W ат-102 Pwi ІІД 11,79 11,48 11,58 11, б7 11,77 11,8б 11,9б 12,5б 12,15
Как видно из табл. 1 и 2 коэффициенты тепло- и массопередачи в аппаратах с капельным орошением и проволочной насадкой превосходят эти же коэффициенты в градирнях с пленочным орошением на листовой или хордовой насадкой в 1,3−1,б раза, что соответственно снижает габариты промышленных градирен
[1−3- 9- 10].
Поэтому разработанную методику и алгоритм расчета коэффициентов тепло- и массопе-редачи целесообразно использовать при проектировании и расчетах на ЭВМ вентиляторных градирен с капельным орошением, так как она не требует дополнительных экспериментальных исследований по изменению относительной влажности воздуха или парциального давления водяных паров, температур воды и воздуха внутри аппарата и их изменение по высоте насадки.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Пономаренко, В. С. Градирни промышленных и энергетических предприятий: справочное пособие / В. С. Пономаренко Ю. И. Арефьев — под ред. В. С. Пономаренко. -М.: Энерготомиздат, 1998. — 376 с.
2. Ваганов, А. А. Тепломассообменные испытания сетчатой насадки / А. А. Ваганов, А. С. Тимонин // Химическое и нефтегазовое машиностроение. — 2010. — № 11. -С. 32−36.
3. Ваганов, А. А. Исследование тепломассообменных характеристик сетчатой насадки / А. А. Ваганов, А. С. Ти-монин // Безопасность в техносфере. — 2010. — № 2. -С. 37−42.
4. Ваганов, А. А. Гидравлические испытания сетчатой насадки / А. А. Ваганов, А. С. Тимонин, И. И. Сидельни-ков // Химическое и нефтегазовое машиностроение. -2010. — № 11. — С. 41−42.
5. Пат. 109 015 Российская Федерация, МПК
В01І19/32, Б0Ш45/00. Насадка для массообменного аппарата / А. Б. Голованчиков, С. Б. Воротнева, Н. А. Дульки-на, Е. Г. Фетисова, Ю. О Ужва, А. А. Решетников — заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Волгоградский го-
сударственный технический университет». — 2 011 118 810/05 — заяв. 10. 05. 2011, опуб. 10. 10. 2011, Бюл. № 21 (III ч.)
6. Проектирование и оптимизация режима работы напорной ветроэнергетической установки / А. Б. Голованчи-ков [и др.] // Известия ВолгГТУ: межвуз. сб. науч. ст. № 9 (35) / ВолгГТУ. — Волгоград, 2007. — 155 с. — (Серия «Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах" — вып. 3). — С. 13−15.
7. Гурская, Т. Г. Энерго-информационная модель для эффекта потенциала течения / Т. Г. Гурская, В. М. Зарипова // Известия ВолгГТУ: межвуз. сб. науч. ст. № 9 (35) / ВолгГТУ. — Волгоград, 2007. — 155 с. — (Серия «Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах» — вып. 3). — С. 104−107.
8. Рева, С. Л. Экспериментальная установка для исследования работы жидкостно-газового струйного аппа-
рата / С. Л. Рева, Л. С. Рева, А. Б. Голованчиков // Известия ВолгГТУ: межвуз. сб. науч. ст. № 11 (37) / ВолгГТУ. -Волгоград, 2010. — 150 с. — (Серия «Реология, процессы и аппараты химической технологии» — вып. 4). — С. 40−43.
9. Гидродинамика пленочных абсорберов с регулярной насадкой / Г. В. Рябчук [и др.] // Известия ВолгГТУ: межвуз. сб. науч. ст. № 1 (49) / ВолгГТУ. — Волгоград, 2009. — 148 с. — (Серия «Реология, процессы и аппараты химической технологии» — вып. 2). — С. 54−56.
10. Меренцов, Н. А. Автономные системы оборотного водоснабжения для малотоннажных химических производств / Н. А. Меренцов, А. Б. Голованчиков, В. А. Балашов // Известия ВолгГТУ: межвуз. сб. науч. ст. № 1(74) / ВолгГТУ. — Волгоград, 2011. — 120 с. (Серия «Реология, процессы и аппараты химической технологии» — вып. 4). -С. 102−104.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой