Тепловой и аэродинамический расчет

Вентиляторной градирни

Выбор типа градирни

Задание Запроектировать градирню для оборотной системы:

· Производительность оборотной системы Q_ч = 2800 м³/ч

· Температура горячей воды t_гор=45°C

· Температура охлажденной водыt_охл= 36^оС

· Оборотная вода загрязнена: в/в=10 мг/л

· Район расположения предприятия гКрасноярск.

Последовательность решения:

1. В соответствие с качеством оборотной воды по Приложению 2принимаем капельный ороситель N 26 с элементом оросителя Р500,сетчатые рулоны в блоке БОС ПД 1-3 (наклонные трубы)

2. По Приложению 3 принимаем каплеуловитель N 16- жалюзийный двухрядный из стеклопластиковых пластин.

3. Принимаем плотность орошения q_ж= 14,6м³/ч·м².

4. Определяем площадь орошения всей градирни по формуле

F_общ = Q_ч// q_ж = 2800/14,6 = 191,78 м²

5.В соответствии с Приложением 1 принимаем секционную градирню.   Количество секций в градирне принимаем 3.

6Определяем площадь одной секции градирни по формуле:

F_ск= 64/3 = 21,3 м².

          7.Принимаем к расчету и проектированию трехсекционную градирню с размером секции 8х8Lм и площадью 64 м² оборудованную вентилятором 2ВГ-50.

           8. Гидравлическая нагрузка: 2800/3 = 933,3м³/ч

Аэродинамическим и теплотехническим расчетами подтверждается правильность выбора   конструкции оросителя и каплеуловителя при обеспечении заданной температуры охлаждённой воды.

 

Аэродинамический расчет градирни

Аэродинамический расчет включает: определение коэффициента сопротивления секции градирни ζ_с, подсчет сопротивления секции Р_си расхода воздуха подаваемого вентилятором.

Для выполнения расчёта необходимо принять тип и конструкцию градирни, марку вентилятора, основные размеры градирни(секции), размер входных окон, воздухораспределителя, оросителя, водораспределителя и водоуловителя. Проектирование градирни производится методом перебора вариантов конструктивных элементов.

L

L

Рисунок 2.1 - Гидравлическая схема потока воздуха через градирню

 

На рисунке 2.1 приведена гидравлическая схема потока воздуха с указанием коэффициентов сопротивления каждого элемента градирни. Общий коэффициент сопротивления секции  определяется по формуле:

=

,

где: - сопротивление на входе в градирню, включая воздухораспределитель, с учётом поворота воздуха в ороситель

 определяется в зависимости от отношения площади входных окон к площади орошения секции  и определяется по формуле:

,

где ,  – площади входных окон и секций, м²

 

В секционной градирневоздуховходные окна расположены с боковых сторон. В обозначении размера секции L=8 м является шириной градирни и одновременно длинной воздухораспределителя градирни. Размер одного входного окна 2х8, площадь двух окон =(2х8)х2=32 . Отношение =32/64=0,5. Рекомендуемые значения F_вх/F_{с .}

=0,4 –  сопротивление в водораспределителе, получено по данным натурных исследований водораспределительной системы на опытной установке;

ζ_ву=2,1 – сопротивление в водоуловителе, по Приложению 3 для ω=2,35м/с

= 10  –  сопротивление при подходе воздуха к вентилятору на пути от водоуловителя до обечайки, получено по данным натурных исследований;

 – сопротивление, добавляемое при подаче на градирню воды определяется по формуле:

 

 

где  – плотность орошения, м³/м²·ч.

0,2 – коэффициент удельного сопротивления дождя под оросителем, отнесённый к скорости воздуха в свободном горизонтальном сечении градирни

- половина длины воздухораспределителя

- коэффициент сопротивления дождя в оросителе, принимаем по Приложению 2 капельного оросителя N26 с элементом оросителя ОС ПНД в блоке БОС ПД 1-3, К_ор = 0,24,

h- высота оросителя по Приложению 2-h=0,84м,

- коэффициент сопротивления дождя в водораспределительном устройстве, принятый для трубчатого распределителя с тангециальными соплами по данным натурных исследований равным 0,1;

 - высота дождя в водораспределителе, принимается при соплах, направленных факелами вниз 0,8 м, при соплах, направленных факелами вверх 2,35 м. Принимаем h_вр=0,8м в соответствие с расчетом водораспределительной системы;

П – коэффициент размерности, при переходе к безразмерному значению , при единицах измерения, принятых в данном случае, равен 1 .

– коэффициент, учитывающий влияние формы секции в плане на общее сопротивление градирни.

Принятая к расчету секция градирни с размерами 8х8 имеет соотношение сторон 1:1 и в соответствие с таблицей 1 коэффициент Ф=1,0.

Расход воздуха определяется по формуле:

 

 

(2.1)

Таблица2.1

 Коэффициент влияния формы на сопротивление секции

 

Форма градирни      Соотношение              Коэфциент в плане                     Fвх / Fс                           Ф

1:1 -- 1:1 3:4 2:3 1:2 1 0,8 0,9 1,1 1,2 1,3

 

 

Сопротивление секции градирни определяем по формуле:

P_с= ,                                                                                                                                                                       (2.2)

где  – плотность воздуха;

 -скорость движения воздуха в свободном сечении градирни, ;

,                                                                            (2. 3)

где G_в – подача водуха вентилятором, м³/ ч;

 -скорость движения воздуха в свободном сечении градирни ;

,                                                          (2. 4)

где G_в – подача воздуха вентилятором, м³/ ч;

.

 

 

 

Преобразуем зависимость (2.2) с учетом зависимости (2.3)

.                                                        (2.5)

Характеристика рабочей зоны вентилятора градирни аналитически определяется по формуле:

,                                                                 (2.6)

где Н=Р_с – давление воздуха, создаваемый вентилятором, Па (кг/м²);

Н₀ – давление (условное) при нулевой подаче воздуха,Па (кг/м²);

К_х – коэффициент характеристики вентилятора, (кг ч²/м²).

 

Подставляем зависимость (5) в зависимость (4) получаем расчетную формулу расхода воздуха вентилятором, м³/ч

        ,

где – коэффициент сопротивления секции;

 

– коэффициент заполнения сечения, принимаем 0,8 (по данные исследований К_з=0,76-1,0);

– коэффициент характеристики вентилятора;

 – условное давление при нулевой подаче воздуха;

 – площадь секции 64 ;

– плотность воздуха 1,2 ;

Принимаем к установке вентилятор 2ВГ-50,аэродинамические характеристики которого по Приложению 2[7]

Определяем расчетную подачу воздуха вентилятором G_в, дляζ_с=37,071 по формуле:

.

Аэродинамический расчет градирни выполняется на ПК в соответствии с инструкцией Приложения 5.

 

Результаты расчетов выполнены в табличной форме 2.

 

Таблица 2.2 - Исходные данные и результаты аэродинамического

расчёта градирни

Наименование	Обозначение	Размерность	Величина
Тип оросителя	№26		Капельно-пленочный, Р500, сетчатые рулоны
Материал			ПНД
Высота оросителя	hop	м	1,00
Охлаждающая способность	A	1/м	0,648
Показатель степени	m		0,56
Объемная плотность	ζv	кг/м3	35
Поверхностная плотность	ζs	кг/м2	53
Тип водоуловителя			Капельно-плёночный из профильных полиэтиленовых пластин
Скорость воздуха в водоуловителе	v	м/с	2,35
Капельный унос воды		%	0,022
Потеря полного давления в водоуловителе		мм.вод.ст.	0,6
Отношение площади входного окна к площади орошения			0,5
Коэффициент формы градирни	Ф		1,0
Длина воздухораспределителя	L	м	4,00
Высота дождя в водораспределителе	hвр	м	0,8
Плотность орошения в градирни	qж	м3/(м2·ч)	14,600
Коэффициент размерности	П		1
Коэффициент сопротивления на входе в градирню	ζвх		0,132
Коэффициент сопротивления сухого оросителя	ζор	1/м	10,63
Коэффициент сопротивления водораспределителя	ζвр		0,4
Коэффициент сопротивления водоуловителя	ζву		1,7
Коэффициент сопротивления на входе вентилятора	ζпв		10
Коэффициент сопротивления дождя в водораспределителе	Kвр		0,1
Коэффициент сопротивления дождя в оросителе	Kор		0,468·103
Коэффициент сопротивления дождя	ζд		13,841
Коэффициент сопротивления секции	ζс		37,071

Тепловой расчет градирни

 

Рисунок 2.2 - Схема противоточной градирни

 

Баланс тепла, передаваемого в градирне водой к воздуху,представляется в следующем виде:

(3.1)

 

Материальный баланс (баланс влаги) определяется равенством между количеством испарившейся воды и приращением влагосодержания воздуха по уравнению:

 . (3.2)

гдеG_ж– расход горячей воды, кг/ч; 

G_и–расход испарившейся воды кг/ч;

G_в– расход воздуха, кг/ч; 

t₁, t₂–температура, соответственно, горячей и охлажденной воды, x₁, x ₂ – влагосодержание, соответственно, входящего и выходящего воздуха, кг/кг;

 

с_ж–удельная теплоёмкость воды, =4,19 кДж/(кг·К) [1 ккал/(кг·ºС)];

i₁,i₂–удельная энтальпия (теплосодержание) воздуха на входе и выходе из градирни, ккал/кг.

При тепловом расчете градирни задаются расходы и начальные температуры воды и воздуха, а конечные параметры t₂, i₂, x ₂ требуется определить.

Для решения этой задачи составляется дифференциальное уравнение описывающие процессы тепломассообмена между воздухом и водой для элементарного объёма оросителя dV c единичной площадью и высотой dh (см. Рисунок2)

 

dQ= (t – t_ст) dV + (3.3)

 

где -коэффициент теплоотдачи, ;

t–текущая температура воды от t₁ доt₂,

t_ст – температура воздуха по сухому термометру

 -энтальпия пара при температуре воды t₁,ккал/кг;

–влагосодержание насыщенного воздуха, кг/кг; 

x -текущеё значение влагосодержания воздуха от входа до выхода из оросителя, кг/кг.

 

Первый член уравнения(3.3)  определяет количество тепла отнимаемого воздухом от воды соприкосновением (конвекцией). Процесс охлаждения воды соприкосновением происходит при условии, когда температура горячей воды превышает температуру воздуха по сухому термометру (t>t_ст)и прекращается при равенстве температур (t =t_ст). При превышении температуры воздуха по сухому термометру к температуре горячей воды(t_ст>t) протекает процесс нагрева воды. Дальнейшее охлаждение воды обеспечивается отводом тепла испарением, которое определяется вторым членом уравнения 3. Пределом

охлаждения воды является увеличение влагосодержания входящего воздуха x до полного насыщения ( =x), которое является теоретическим пределом охлаждения воды на градирне и равенством температуры охлажденной воды t₂ температуре воздуха по смоченному термометру (t₂=t_мт).

Для характеристики оросителей градирен был предложен безразмерный критерий Меркеля, определяемый по уравнению:

 

Ме =Аhλ^m,где (3.4)

Ме – безразмерный критерий Меркеля;

 А – коэффициент, характеризующий влияние конструктивных особенностей оросителя на его охлаждающую способность, 1/м;

 

 

h_ор – высота оросителя, м;  

λ=q_в/ q_ж – отношение массового расхода воздуха к расходу воды, кг/кг;

 m – показатель степени, характеризующий зависимость объёмного коэффициента массоотдачи от изменения массовой скорости воздуха.

По уравнению  (3.4)  определяются значения А и m при обработке экспериментальных данных испытаний охлаждающей способности оросителей представленных в Приложении 1[7].

Если принять в формуле 4 значения h=1м и λ=1, получаем Ме=А.

Таким образом, охлаждающая способность оросителя характеризуется коэффициентом А.

 

Из решений дифференциальных уравнений получена зависимость критерия Меркеля характеризующая тепловые процессы на оросителе

 

Ме=                                                                   (3.5)

где:  –температурный перепад охлаждения воды,

с_ж –теплоёмкость воды, ккал/кг; 

 -средняя разность удельных энтальпий воздуха, ккал/кг; К=1-с_жt₂/r –поправочный коэффициент в упрощенном уравнении теплового баланса;

r - теплота парообразования.

Основная задача при проектировании градирни – это определение конечной температуры охлажденной воды t₂. Из формул 4 и 5 составим расчетное уравнение

                                                     (3.6)

Решаем уравнение 6 относительно t₂ получаем расчетную формулу температуры охлажденной воды

      t₂=t₁ – Аλ^mhК                                   (3.7)

По формуле 3.7 составлена программа расчета на ПК. Блок-схема и инструкция по работе с программой приведена в Приложении 5.

 

Исходные данные вносятся в Таблицу 3.

 

 

Таблица2.3 Тепловой расчет градирни для г. Красноярск при 5%-ой

обеспеченности при расходе оборотной воды Q_ч = 2800 м³/ч

Наименование	Обозначение	Размерность	Величина
Температура воздуха по сухому термометру	tcт	˚С	22,5
Температура воздуха по смоченному термометру	tмт	˚С	17,8
Влажность наружного воздуха	φ	%	61,0
Барометрическое давление		кПа	98,00
Исходные параметры
Температура воды на входе	t1	˚С	45,0
Высота оросителя	hор	м	2,00
Охлаждающая способность	А	1/м	0,662
Показатель степени	m		0,40
Гидравлическая нагрузка		м3/ч	933,33
Коэффициент сопротивления секции	ζс		37,07
Таблица 3 - Продолжение
Коэффициент заполнения сечения
	Кз		0,8
Площадь орошения секции		м2	64,0
Исходные данные вентилятора:
Марка вентилятора	2ВГ-50
Напор условный вентилятора	Н0	кг/м2	27,0
Коэффициент характеристики	Кх	(кг·ч)/м2	0,460·10-10
Расчетные данные:
Подача воздуха	Gв	кг/ч	489330,88
Относительный расход воздуха		кг/кг	0,63
Скорость воздуха	ω	м/с	1,77
Температура воды на выходе	t2	˚С	31,0