36 жидкости со значительно большим кинематическим коэффициентом вязкости. В рассматриваемом случае такой переход не представляется возможным, те. полное подобие процессов в реальной градирне ив ее уменьшенной физической модели практически недостижимо. Поэтому в настоящей работе используется поэлементное моделирование.
2.3 Влияние гидрофобизации на расход воздуха через градирню. С целью изучения влияния гидрофобизации внутренней поверхности градирни на ее аэродинамическое сопротивление было осуществлено исследование, состоящее из двух этапов. На первом этапе, натурном, установлено, что на образцах из марок бетона, характерных для гидросооружений, возможно формирование гидрофобизации. Она достигается путем формирования на ней структурированных покрытий, определены оптимальные условия ее формирования и соответствующий эффект, характеризуемый снижением коэффициента гидравлического трения. На рис. 2.4. и 2.5. представлены поверхности бетона, одна из которых не модифицирована, а вторая модифицирована с использованием ПАВ. Рис. 2.4. Поверхность бетона без покрытия ПАВ
37 Рис. 2.5. Модифицированная поверхность бетона.
На втором этапе с целью анализа влияния гидрофобности внутренней поверхности оболочки градирни на интенсивность теплообмена осуществлено расчетное исследование помощью с пакета Flow Vision. Программный комплекс Flow Vision предназначен для моделирования трехмерных течений жидкости и газа в технических и природных объектах, атак же визуализации этих течений методами компьютерной графики. Моделируемые течения включают в себя стационарные и нестационарные, сжимаемые, слабосжимаемые и несжимаемые потоки жидкости и газа. Использование различных моделей турбулентности и адаптивной расчетной сетки позволяет моделировать сложные движения жидкости, включая течения с сильной закруткой, горением, течения со свободной поверхностью.
Flow Vision основан на конечно-объемном методе решения уравнений гидродинамики и использует прямоугольную адаптивную сетку с локальным измельчением. Для аппроксимации криволинейной геометрии с повышенной точностью Flow Vision использует технологию подсеточного разрешения геометрии. Эта технология позволяет импортировать геометрию из систем
САПР (в настоящей работе использована программа Solid Works) и
38 обмениваться информацией с системами конечно-элементного анализа. Использование этой технологии позволило решить проблему автоматической генерации сетки – чтобы сгенерировать сетку, достаточно задать всего лишь несколько параметров, после чего сетка автоматически генерируется для расчетной области, имеющей геометрию любой сложности. С использованием пакета Flow Vision было рассчитано течение воздуха в башне градирни за оросителем при наличии на внутренней поверхности башни гидрофобного покрытия и без него с шероховатостью стенок 2,5 и 25 мм. Распределение скоростей вначале расчетного участка принято равномерным с заданным модулем скорости воздуха V= 4 мс. Сравнение производится по потерям гидродинамического напора воздушного потока на расчетном участке. Сопротивление оросителя не учитывается. Разность соответствующих потерь характеризует влияние гидрофобизации и ее влияние на распределение скоростей в градирне. Граничные условия гидрофобизации поверхности задавались проскальзыванием пограничного слоя потока воздуха относительно этой поверхности. Результаты расчетов приводятся на рис. 2.6 ив Таблице 2.1. Расчетная область показана до оси симметрии градирни и дополнена сверху прямоугольным участком наружной атмосферы.
Гидрофобная поверхность Шероховатость 25 мм Рис. 2.6. Распределение скорости воздуха в градирне при скорости на входе V=4 мс.
39 Таблица 2.1. Гидравлические потери при скорости на входе V=4 мс Шероховатость
25 мм
2,5 мм Гидрофобная поверхность Потери, м возд. столбам мм Результаты расчетов показали, что гидрофобизация поверхности приводит к увеличению скорости у этой поверхности. Это обусловлено изменением аэродинамического взаимодействия воздуха с твердой поверхностью. В целом по потоку, как показано в таблице 1, наблюдалось снижение гидравлических потерь на 3,2% при гидрофобизации стенки с шероховатостью 25 мм и нас шероховатостью мм, что при, постоянно действующих, гравитационных силах эквивалентно соответствующему увеличению расхода и скорости воздуха, протекающего через градирню. В свою очередь увеличение скорости воздуха приводит к интенсификации теплообменных процессов в градирне. Таким образом, проведенные исследования доказали возможность интенсификации теплообменных процессов в градирне на основе гидрофобизации ее внутренней поверхности.
2.4 Анализ влияния дисперсности воды на теплообмен в градирне. Важным фактором, влияющим на интенсивность теплообменных процессов в градирне, является степень диспергирования воды. Для упрощенной модели теплообмена воздуха и потока охлаждаемой воды в виде потока капель, падающих вертикально с некоторой высоты h при сферической форме капель и не учете испарения, расход охлаждаемой воды в результате диспергирования может быть представлен в виде /5,58/:
40 ж,
(2.5) Общее количество обмениваемой теплоты за время теплообмена
/58/: ж, (2.6) Вот дисперсности могут зависеть две величины коэффициент теплоотдачи
и время теплообмена
, т.к. изменение диаметра капель приводит к изменению поверхности теплообмена и аэродинамического сопротивления потока. Коэффициент теплоотдачи определялся, исходя из экспериментальной зависимости /105/:
Nu = 2+0,33 Pr
0,33
Re
0,54
+0,35 Pr
0,36
Re
0,58
,
(2.7) где
v
VD
a
D
a
Re
,
ν
Pr
,
λ
α
Nu
; Тогда
ν
Pr
68
,
0 2
ν
Pr
68
,
0 2
ν
Pr
68
,
0 2
ν
Pr
35
,
0
ν
Pr
33
,
0 2
Re
Pr
35
,
0
Re
Pr
33
,
0 2
α
56
,
0 34
,
0 44
,
0 56
,
0 56
,
0 34
,
0 56
,
0 34
,
0 58
,
0 36
,
0 54
,
0 33
,
0 58
,
0 36
,
0 54
,
0 33
,
0
D
V
D
D
V
D
VD
D
VD
VD
D
D
a
а
a
а
а
а
а
(2.8) Для оценки влияния степени дисперсности воды на время теплообмена
было принято, что движение капли строго перпендикулярно к поверхности земли и определяется только воздействием сил тяжести и аэродинамического сопротивления /106/: ж,
(2.9) Частным решением (2.9) является выражение
41
t
D
D
g
t
V
ж
a
а
ж
2 2
ν
ρ
ρ
18
exp
1
ν
ρ
ρ
18
)
(
,
(2.10) Зависимость времени падения капли от высоты h определяется интегралом от
(2.10):
τ
ν
ρ
ρ
18
exp
ν
ρ
ρ
18 1
ν
ρ
ρ
18 1
ν
ρ
ρ
18
exp
1
ν
ρ
ρ
18 2
2 2
2
τ
0 2
2
D
D
D
g
dt
t
D
D
g
h
ж
a
ж
a
а
ж
ж
a
а
ж
(2.11) Рис. 2.7. Зависимость времени падения капли от высоты брызгальных устройств для диаметров капель 1 мм (синяя линия) и 3 мм (красная линия. Из рис. 2.7 следует, что время теплообмена между каплями охлаждаемой воды и воздухом почти не зависит от диаметров капель. Тогда выражение (2.6) с учётом (2.8) примет вид аж 34
,
0
ν
λ
Pr
68 0
2
τ
ρ
6
,
(2.12)
42 С учетом того, что
)
(
)
(
tconstt
/106 /,
/6 / и
Dconst
/95 /, атак же допуская, что в рамках поставленных условий исследования
5
,
0 56
,
0
ν
ν
, выражение (2.12) можно преобразовать в (2.13) :
2
/
1
DQ (2.13) С целью определения влияния диаметра капель воды на интенсивность теплообменных процессов в башенной градирне выполнен расчетный эксперимент с использованием пакета Flow Vision. В качестве характерной области
теплообмена рассматривалась струйка тока воздуха, расположенная ниже брызгальных устройств (рис. 2.6, 2.7). Форма данной области принята цилиндрической с вертикально направленной осью. Высота цилиндрам, диаметр D=0,5 м. На нижнем торце цилиндра задана скорость восходящего воздушного потока, равная V=1 мс, влажность воздуха φ= 50 %, температура воздуха t го С. Стенки цилиндра приняты непроницаемыми. На верхнем торце расчетной цилиндрической области задавалось равномерное распределение капель воды, входящих в данную область и падающих вниз под действием силы тяжести. Массовый расход капель жидкой фазы) G=1 кг/с, температура капель на входе t ж о
С. Форма капель принята сферической с одинаковым для всех капель диаметром. Исследование производилось для двух вариантов диаметра капель воды d
1
= 3 мм и d
2
= 1 мм, сравнение которых позволило сделать выводы о влиянии дисперсности воды на теплообменные процессы в градирне. Их обтекание воздухом рассматривалось в соответствии со стандартной k – ε моделью турбулентности для слабосжимаемой среды (учитывалась зависимость плотности воздуха от температуры. Использовалась стандартная модель тепломассообмена пакета Flow Vision, учитывающая как конвективную, таки испарительную составляющие охлаждения капель воды. Она описывается следующими основными уравнениями
- уравнением неразрывности
𝜕𝜌
𝑔
𝜕𝑡
+ ∇̅ ∙ (𝜌
𝑔
𝑉
𝑔
) = 𝑄
𝑚𝑎𝑠𝑠
𝑝
(2.14)
43
- уравнением сохранения энергии для слабосжимаемой среды
𝜕(𝜌
𝑔
ℎ
𝑔
(𝑇
𝑔
))
𝜕𝑡
+ ∇̅ ∙ (𝜌
𝑔
𝑉
𝑔
ℎ
𝑔
(𝑇
𝑔
)) = ∇̅ ∙ [− (− (
𝜆
𝑔
𝐶𝑝
𝑔
+
𝜇
𝑡
𝑃𝑟
𝑡
) ∇̅ℎ
𝑔
(𝑇
𝑔
))] + 𝑄
𝑒𝑛𝑡ℎ
𝑝
(2.15)
- уравнением температуры капли
𝑑𝑇
𝑝
𝑑𝑡
= (𝑞̇ − 𝑚̇ℎ
𝑙𝑎𝑡
(𝑇
𝑝
))
6
𝑑𝜌
𝑝
𝐶𝑝
𝑝
(2.16)
𝑞̇ = 𝑁𝑢
𝜆
𝑔
𝑑
(𝑇
𝑔
− 𝑇
𝑝
)
, (2.17) В расчете учитывается также уменьшение диаметра капель и объема воды по мере ее испарения. Граничные условия рассматриваемой задачи максимально соответствуют реальным процессам теплообмена в башенных градирнях. Принятые допущения относительно форм расчетной области и капель воды относятся в одинаковой степени к двум размерам капель и не оказывают существенного влияния на результаты расчета, представленные на рис. 2.8 и
2.9. Диаметр капель d
1
= 3 мм Диаметр капель d
2
= 1 мм Рис. 2.8. Распределение температуры воздуха t в
(
0
C) для расчетной области.
44
Диаметр капель d
1
= 3 мм Диаметр капель d
2
= 1 мм Рис. 2.9. Распределение скорости воздуха V (мс) для расчетной области. Из рис. 2.8 видно, что большая дисперсность воды приводит к более
значительному и быстрому нагреву воздуха, а, следовательно, и к лучшему охлаждению оборотной воды. По результатам расчетных исследований средняя температура воздуха на выходе из расчетной области составила t г
26,4 о
С при диаметре капель d
1
= 3 мм иго С при диаметре капель d
2
= 1 мм. Средняя температура капель после прохождения расчетной области составила t ж о
С при диаметре капель d
1
=3 мм и t ж о
С при диаметре капель d
2
= 1 мм /29/.
Результаты исследований в целом доказывают интенсификацию теплообменных процессов в градирне путем увеличения дисперсности капель, которую предлагается достичь за счет изменения силы поверхностного натяжения (σ) охлаждаемой воды. Наблюдается более глубокое охлаждение воды, что весьма актуально в условиях летней эксплуатации градирен. Уменьшение диаметра капель интенсифицирует теплообменные процессы и может быть достигнуто без изменения конструкции брызгальных устройств. Перспективным подходом увеличения степени дисперсности воды без переоборудования градирен, в том числе брызгальных устройств,
45 является применения ПАВ-технологии. В /65/ проведены исследования по влиянию концентрации ПАВ на коэффициент поверхностного натяжения воды (σ). Помимо способности снижать гидравлические сопротивления труби других трактов перемещения воды и воздуха, ПАВ обладают свойством уменьшать коэффициент поверхностного натяжения воды. Однако при этом необходимо учитывать то, что уменьшение диаметра капель имеет граничное значение. Во-первых, диспергирование может привести к увеличению уноса оборотной воды, и, тем самым, к дополнительным затратам на подпитку контура. Во-вторых, существует вероятность того, что слишком высокая дисперсность будет приводить не к охлаждению воды, а к охлаждению воздуха за счет полного испарения капель воды, тек превращению градирни в оросительную камеру.
46 Глава
3. Разработка методов повышения надежности и эффективности эксплуатации башенных градирен за счет снижения интенсивности льдообразования Лабораторный эксперимент по исследованию адгезии наледи к поверхностям с гидрофобными покрытиями. 3.1.1 Методика проведения экспериментальных исследований. С целью разработки подходов к снижению обмерзания элементов башенных градирен было решено оценить эффективность новых, атак же давно применяемых в энергетике защитных покрытий как металлических, таки неметаллических. Был осуществлен целый комплекс лабораторных исследований и испытаний с привлечением современных методик с целью разработки способа и технологических основ снижения массы и скорости нарастания льда на элементах градирни. Для проведения гидродинамических расчетов использовался программный комплекс Flow Vision. Для сравнительных испытаний покрытий использовались образцы конструкционных материалов применяемых в энергетике. Покрытия на основе ПАВ формировались с использованием специальной установки для приготовления высокоэффективной эмульсии ПАВ с последующей сорбцией молекул вещества на поверхности экспериментальных образцов и специальной вакуумной установки. Покрытие на основе эпилама (фторсодержащий ПАВ) формировалось погружением образцов в раствор защитного покрытия в соответствии с рекомендациями фирмы-производителя. Испытания по воздействию низких температур на защитные покрытия проводились в морозильной камере позволяющей поддерживать температуру до -18 СВ ходе исследований качество сформированных защитных покрытий ПАВ, эпилам) на образцах оценивался по степени гидрофобности поверхности образцов. Оценка стойкости к обмерзанию осуществлялась последующим показателям по сравнению с образцами беззащитного покрытия степень адгезии льда к поверхности образцов с защитными покрытиями и без количество намораживаемого льда на поверхности экспериментальных образцов время схода образовавшегося льда.
3.1.2 Определение степени гидрофобности поверхности образцов. Степень гидрофобности поверхности образцов определялась как визуально, таки при помощи передового измерительного комплекса Kruss
GH11 е (Германия) (рис, позволяющего осуществлять измерение краевого угла смачивания
с высокой точностью.
48 Рисе. Форма поверхностного натяжения вблизи места ее контакта с твердым телом зависит от характера смачивания. Напомним, что гидрофильная жидкость принимает форму, показанную на риса гидрофобная - форму, показанную на рис. 3.3. Данные иллюстрации получены в результате обработки измерений при помощи комплекса Kruss GH11 е.
49 Рис. 3.2. Поверхность экспериментального образца с исходной поверхностью (угол смачивания
=70 0
) Рис. 3.3. Поверхность экспериментального образца с защитным покрытием ПАВ (угол смачивания
=120 0
)
Скачать 4.96 Mb.