bbk 000000

УДК 624.97:621.175.3

Лежнев М. Л., Рыжаков Г. Г., Арефьев Ю. И., Беззатеева Л. П.

Совершенствование конструкций оросителей из сетчатых пластмассовых труб

Аннотация

Приведены результаты совершенствования конструкций оросителей из сетчатых пластмассовых труб, а также анализ конструкций оросителей и их технологические характеристики. Показано, что доминирующими факторами, влияющими на охлаждение воды в оросителе, являются форма и размер поверхности, которые обеспечивают взаимодействие потоков воды и воздуха. Представлена совместная разработка ОАО «НИИ ВОДГЕО» и ООО «Техводполимер» – новый вариант формы длинномерных трубчатых сетчатых элементов «Флерон». В зависимости от условий эксплуатации градирни оросители можно собирать с горизонтальным, вертикальным или наклонным их расположением. На конкретном примере показано, что при одинаковых температурах воды на входе в градирню ороситель «Флерон»Н позволяет обеспечить плотность орошения в 1,6 раза больше, чем базовый ороситель БО-65, или снизить температуру охлажденной воды на 2,5°С.

Ключевые слова

градирня , массоотдача , охлаждающая способность , ороситель , длинномерный сетчатый элемент , площадь пленки (сетки)

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Ороситель – конструкция, в которой происходит основной процесс охлаждения воды в градирне. Стоимость оросителя составляет примерно 25–30% от общей стоимости градирни [1]. Количество тепла, отдаваемого водой в оросителе, во многом определяется площадью контакта воды с воздухом. В пленочных асбестоцементных оросителях за величину этой площади принимается обычно площадь щитов, в пластмассовых – площадь листов с двух сторон. Влияние величины площади контакта на охлаждающую способность оросителя достаточно подробно освещено в работах [2–4]. Сетчатые оросители создают режим движения потока воды не чисто пленочный, а капельно-пленочный. Тем не менее, величина площади пленки (сетки) также является определяющей для эффективности процесса охлаждения воды.

Охлаждение воды в градирнях происходит путем передачи тепла атмосферному воздуху за счет поверхностного испарения и теплоотдачи соприкосновением. «Движущей силой» процесса испарения является разность парциальных давлений пара у поверхности воды и в ядре воздушного потока. При теплоотдаче соприкосновением такой движущей силой является разность температур воды и воздуха.

В мировой практике на сегодняшний день общепринятым является расчет охлаждающей способности оросителя по методу Меркеля. Использование других методов затрудняет сопоставление их эффективности между собой, а во многих случаях дает ошибочную оценку величины их тепловых характеристик [5].

По методу Меркеля при выводе расчетных зависимостей испарительного охлаждения воды величина парциального давления водяного пара в уравнении Дальтона заменяется величиной влагосодержания с соответствующей заменой коэффициента массоотдачи β_рv, отнесенного к разности парциальных давлений, коэффициентом β_хv, отнесенным к разности влагосодержания.

Теоретических методов для определения коэффициента массоотдачи  β_хv не существует из-за неизвестной площади поверхности контакта воды с воздухом в этом объеме. Поэтому для каждого типа оросителя коэффициент β_хv находят экспериментально по формуле, в которую подставляют результаты измерений параметров работы и размеров градирни (оросителя):

гдеβ_хv – объемный коэффициент массоотдачи, отнесенный к разности влагосодержания, кг/(м³·ч·кг/кг); G_ж – гидравлическая нагрузка (расход оборотной воды), м³/ч; Δt – перепад температур воды в градирне, °С; с_ж – удельная теплоемкость воды, ккал/(кг·°С);K– поправочный коэффициент в упрощенном уравнении теплового баланса; V – объем оросителя градирни, м³; Δi_ср – средняя разность энтальпии (теплосодержания) воздуха, ккал/кг.

Для сопоставления результатов испытаний оросителей разных типов и конструкций необходимо иметь соответствующие критерии, причем предпочтительнее в безразмерном виде. Для этого экспериментальные данные представляют в виде графика зависимости:

где q_ж – плотность орошения градирни, м³/(м²·ч);  λ= q_в/q_ж – отношение массового расхода воздуха к расходу воды.

Этот график в логарифмических координатах представляет собой прямую линию, аналитически выраженную в виде:

где А – эмпирический коэффициент, характеризующий влияние конструктивных особенностей оросителя на его охлаждающую способность, 1/м; m – показатель степени, характеризующий зависимость объемного коэффициента массоотдачи от изменения массовой скорости воздуха.

После преобразований [2] имеем:

гдеМе – безразмерный критерий Меркеля.

По графику Ме= f(λ) определяют значения А и m в формуле (4), которая является основным расчетным уравнением при обработке результатов испытаний охлаждающей способности оросителей градирен. Значения А и m можно также получить методом наименьших квадратов, подставляя последовательно данные нескольких опытов в формулу (4). Эти безразмерные зависимости позволяют производить сопоставительные расчеты охлаждающей способности оросителей при различных условиях работы градирен. На их основе с использованием показателей А и m производятся технологические расчеты вентиляторных и башенных градирен, составляются компьютерные программы, паспортные характеристики охлаждения и т. д.

На симпозиуме [6], посвященном вопросам охлаждения оборотной воды, подтверждено, что метод Меркеля является общепринятым для расчетов башенных и вентиляторных градирен, поскольку обеспечивает возможность перенесения результатов лабораторных и натурных исследований на другие условия.

Аэродинамическое сопротивление элементов градирен и в частности оросителей считают по формуле:

где ∆Р – потери полного давления в оросителе, мм вод. ст.; ζ_ор – коэффициент аэродинамического сопротивления оросителя с учетом гидравлической нагрузки; γ_в – плотность атмосферного воздуха, кг/м³;  ω – скорость воздуха в оросителе, м/с; g – ускорение свободного падения, м/с².

Иногда ошибочно считают, что режим движения воздуха в градирне для набегающего потока характеризуется «большим» числом Рейнольдса Rе ~ 1·10³ [7]. Это приводит к значительным погрешностям в аэродинамических расчетах и является одной из причин ошибок при конструировании оросителей и водоуловителей. Следует иметь в виду, что гидравлический режим движения воздуха в градирнях турбулентный с Rе = 1,5·10⁶ и более, а законы механики сплошных сред в градирнях неприменимы.

Параметры А и ζ_с.о(коэффициент аэродинамического сопротивления сухого оросителя) являются основными технологическими характеристиками оросителей. В табл. 1 и 2 приведена их классификация [8] в зависимости от охлаждающей способности и аэродинамического сопротивления оросителя высотой 1 м. При другой высоте параметры должны быть пересчитаны [2].

Конструкции пластмассовых сетчатых оросителей могут быть самыми разнообразными. Различные условия эксплуатации градирен обусловливают необходимость применения оптимальной конструкции оросителя в каждом конкретном случае [9].

Сетчатые оросители могут собираться из горизонтально, вертикально или наклонно расположенных длинномерных элементов с поперечным сечением разной формы (рис. 1). Это позволяет производителям варьировать их эффективность, а следовательно, и стоимость.

Решение о горизонтальном или вертикальном расположении элементов в оросителе принимается в зависимости от качества охлаждаемой воды. Для загрязненной воды предпочтительнее устанавливать оросители с вертикальным расположением элементов, а для чистой воды – с горизонтальным. При использовании наклонных элементов необходимо жестко зафиксировать их в оросителе, чтобы по возможности уменьшить создаваемую ими неравномерность распределения потоков воды и воздуха.

Сетчатые оросители получили достаточно большое распространение. Материалом для них служит, как правило, полиэтилен низкого давления (ПНД), который возгорается при контакте с открытым огнем. при необходимости ороситель может быть выполнен в несгораемом варианте (самозатухающем), однако его стоимость увеличивается на 60–70%.

Разработкой и производством сетчатых оросителей занимаются многие фирмы. Одним из разработчиков и производителей пластмассовых сетчатых трубчатых оросителей является ООО «Техводполимер».

Технология изготовления оросителей из полиэтилена низкого давления ПНД 273-79 по ГОСТ 16338-85 соответствует заявленным требованиям, т. е. при необходимости можно их выполнить несгораемыми (самозатухающими), с шероховатой поверхностью и т. п. В табл. 3 представлены технологические характеристики оросителей производства ООО «Техводполимер» (в хронологическом порядке разработки).

Двухъярусный ороситель БО-65 с вертикальным расположением труб является базовым. Он представляет собой два блока, устанавливаемых один на другой. Конструкция блока представлена на рис. 2, а схема сетчатой трубы внешним диаметром 65 мм – на рис. 3. В конструкции трубы оросителя 8 нитей, средняя толщина нити сетки ~ 3 мм. Ороситель имеет небольшую охлаждающую способность при малом аэродинамическом сопротивлении (табл. 1 и 2). Малое аэродинамическое сопротивление, прочность конструкции и простота монтажа оросителя БО-65 позволили обеспечить успешную работу башенных и вентиляторных градирен на ряде промышленных и энергетических предприятий в заданных температурных режимах.

Для повышения охлаждающей способности оросителя БО-65 были сделаны попытки усовершенствовать его путем наклонной установки трубчатых элементов (ороситель БО-65Н), увеличения контактной поверхности за счет большего числа нитей в конструкции трубы при уменьшении диаметра нитей приблизительно до 2 мм (вертикальное расположение элементов – ороситель БО-65-14, наклонное – БО-65Н-14), изменения диаметра сетчатых труб с 65 до 45 мм (вертикальное – БО-45-14, наклонное – БО-45Н-14), а также установки «Четырехъярусного» оросителя вместо двухъярусного БО-65Н при высоте каждого яруса 0,25 м.

В результате совершенствования базового оросителя наиболее эффективным оказался БО-45Н-14, охлаждающая способность которого на 28,2% выше, чем оросителя БО-65. Недостатком этого оросителя, как и всех, выполненных из наклонных элементов, является необходимость строгой фиксации расположения труб, что осложняет технологию его изготовления.

Существенное преимущество «Четырехъярусного» оросителя – возможность упрощения комплектации по высоте в зависимости от конкретных условий охлаждения, что по сравнению с двухъярусными оросителями позволяет в ряде случаев избежать неоправданных затрат на материалы и высоту подачи воды. В то же время, технология изготовления этого оросителя (по сравнению с двухъярусным) сложнее.

Наиболее эффективным конструкциям оросителей (БО-65Н и БО-45Н-14) при совершенствовании была придана шероховатость с помощью специальных добавок. Охлаждающая способность оросителя БО-45Н-«Турбо» оказалась выше, чем базового варианта, примерно в 1,5 раза. При этом аэродинамическое сопротивление увеличилось в 2 раза и составило 10,8 1/м, что близко к оптимальному, так как обеспечивает равномерность распределения потоков воздуха по площади оросителя. Этому способствовало и увеличение смачиваемости поверхности оросителя за счет шероховатости.

Анализ конструкций оросителей и их технологических характеристик показывает, что доминирующими факторами, влияющими на охлаждение воды в оросителе, являются форма и размер поверхности, которые обеспечивают взаимодействие потоков воды и воздуха.

ОАО «НИИ ВОДГЕО» совместно с ООО «Техводполимер» разработана и исследована новая конструкция оросителя из трубчатых сетчатых элементов «Флерон», которые имеют в поперечном сечении форму пятилепесткового цветка (рис. 4) [10]. Были исследованы три варианта расположения элементов «Флерон»: горизонтальное («Флерон»Г), вертикальное («Флерон»В) и наклонное («Флерон»Н).

За счет формы поперечного сечения сетчатых элементов площадь поверхности взаимодействия воды с воздухом при вертикальном расположении элементов «Флерон» (рис. 4, б) увеличилась по сравнению с базовым оросителем в 1,5 раза с соответствующим изменением его технологических характеристик (рис. 5). Охлаждающая способность элементов «Флерон»В на одну треть превосходит базовый вариант, а аэродинамическое сопротивление составляет 10,5 1/м, что ближе к оптимальному. Наибольшей охлаждающей способностью обладает ороситель «Флерон»Г с горизонтальным расположением элементов при приемлемом аэродинамическом сопротивлении (рис. 4, а).

Элемент «Флерон» – новый вариант формы длинномерных трубчатых сетчатых элементов, внешний контур поперечного сечения которых представляет собой окружность с пятью каплевидными впадинами, имеющими меньшую ширину, чем у лепестков. Это гарантированно препятствует попаданию краев лепестков во впадины смежного элемента (рис. 4). Такой контур позволяет избежать кольматации и стекания воды струями, а также способствует взаимодействию пленок и капель воды с воздухом по всему сечению элемента.

В зависимости от условий эксплуатации градирни можно собирать оросители с горизонтальным, вертикальным или наклонным расположением элементов. В табл. 4 и 5 приведены результаты сопоставительных расчетов t₂ и q_ж для оросителей БО-65, БО-65Н и «Флерон»Н (рис. 4, в).

Площадь секции типовой градирни F_c = 144 м², вентилятор 1ВГ 70 (аэродинамический расчет градирни выполнен по [2]). Климатические условия: температура атмосферного воздуха по сухому термометру Θ = 24,5°С; температура атмосферного воздуха по влажному термометру τ = 19°С; относительная влажность атмосферного воздуха φ = 57%; барометрическое давлениеР_б = 745 мм рт. ст.

Из табл. 4 и 5 следует, что при одинаковых температурах ороситель «Флерон»Н позволяет обеспечить плотность орошения в 1,6 раза больше, чем базовый, или снизить температуру охлажденной воды на 2,5°С.

Таким образом, результаты расчета свидетельствуют о том, что в условиях эксплуатации вентиляторной градирни вместо трех секций с базовым оросителем БО-65 достаточно построить две секции с оросителем «Флерон»Н или (если требуется по условиям производства) снизить температуру охлажденной воды на 2,5°С путем замены указанных оросителей.

Выводы

1. сетчатые пластмассовые трубчатые оросители градирен получили большое распространение по причине простоты изготовления и монтажа. Их технологические характеристики обеспечивают требуемое охлаждение воды для систем оборотного водоснабжения многих производств. Материалом для них служит, как правило, полиэтилен низкого давления. при необходимости он может быть выполнен несгораемым.

2. Базовый ороситель БО-65 с вертикальным расположением труб (производства ООО «Техводполимер») характеризуется малым аэродинамическим сопротивлением, прочностью конструкции и простотой монтажа. Ороситель БО-65 позволил обеспечить успешную работу башенных и вентиляторных градирен на ряде промышленных и энергетических предприятий в заданных температурных режимах. В результате совершенствования этого оросителя созданы 8 его модификаций. Лучший из них – БО-45Н-«Турбо» с охлаждающей способностью по коэффициенту А примерно в 1,5 раза выше, чем ороситель БО-65.

3. Новый вариант формы длинномерных трубчатых сетчатых элементов «Флерон», представляющий собой окружность с пятью каплевидными впадинами, обладает значительно более высокими технологическими характеристиками по сравнению с базовым оросителем БО-65.

Список цитируемой литературы

1. Бэрджер Р. Влияние насадки градирен на экономические результаты их работы // Нефтегазовые технологии. 2000. № 6.
2. Пономаренко В. С., Арефьев Ю. И. Градирни промышленных и энергетических предприятий: Справ. пособие. – М.: Энергоатомиздат, 1998.
3. Арефьев Ю. И. Технико-экономические аспекты применения в градирнях пластмассовых оросителей и водоуловителей в сравнении с традиционными конструкциями // Энергохозяйство за рубежом. 1984. № 1.
4. Арефьев Ю. И., Пономаренко В. С. Технологические расчеты башенных градирен // Водоснабжение и сан. техника. 2000. № 7.
5. Арефьев Ю. И., Беззатеева Л. П. Некоторые особенности технологических расчетов градирен // Теплоэнергетика. 2003. № 9.
6. Арефьев Ю. И., Беззатеева Л. П. Симпозиум «Оборудование для водоснабжения, сточных вод и охлаждения оборотной воды» // Водоснабжение и сан. техника. 2005. № 12.
7. Моренко И. В. Гидродинамика решеток инерционных улавливающих устройств и фильтров: Автореф. дисс. … канд. техн. наук. – Казань, Институт механики и машиностроения КазНЦ РАН, 2004.
8. Арефьев Ю. И., Беззатеева Л. П., Сухова Н. Н. Влияние расположения сетчатых элементов на эффективность оросителя // Водоснабжение и сан. техника. 2009. № 10, ч. 2.
9. Бутов А. А., Данилов В. Г. Как правильно выбрать ороситель для градирни // Территория нефтегаз. 2009. № 10.
10. Пат. 2360199 (51), РФ. МПК F 28 F 25/08. Насадка для тепломассообменного аппарата / Арефьев Ю. И., Беззатеева Л. П., Рыжаков Г. Г. и др. // Изобретения. Полезные модели. 2009.