Расчетно-теоретическая оценка влияния гидрофобности функциональных поверхностей градирни на интенсивность теплообмена

Основными функциональными элементами, определяющими скорость и расход атмосферного воздуха, являются ороситель и внутренняя поверхность башни градирни. Влияние типа оросителя и качества его поверхности сравнительно хорошо изучено. Поэтому наиболее актуальной задачей исследования является определение влияния гидрофобности внутренней поверхности башни на интенсивность теплообмена. Наличие гидрофобности на внутренней поверхности башни позволяет увеличить скорость и расход воздуха в результате снижения коэффициента гидравлического трения (гидравлических потерь) из-за уменьшения эквивалентной шероховатости поверхности и модификации пристенного пограничного слоя.

Первоначально на физических моделях определена сама возможность гидрофобизации поверхностей различного качества путем использования поверхностно активных веществ (ПАВ), определены ее оптимальные условия и соответствующий эффект, характеризуемый снижением коэффициента гидравлического трения. На их основании произведен численный эксперимент по определению влияния гидрофобизирующих покрытий внутренней поверхности башни градирни на интенсивность теплообмена.

Сравним протекание 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. Ороситель является определенного вида хонейкомбом, выравнивающим распределение скоростей потока воздуха по сечению башни. Распределение скоростей в начале расчетного участка принято равномерным с заданным модулем скорости 5 м/с. Сравнение производится по потерям гидродинамического напора воздушного потока на расчетном участке. Сопротивление оросителя не учитывается. Поэтому разность соответствующих потерь характеризует в чистом виде влияние рассматриваемой гидрофобизации. Кроме того, рассматривается влияние последней на распределение скоростей в башне градирни.

Расчет производился с помощью программного комплекса Flow Vision. Гидрофобизация поверхности учитывалась как проскальзывание пограничного слоя потока воздуха относительно этой поверхности.

Результаты расчетов приведены на рис. 1 и в таблице 1. Расчетная область показана до оси симметрии башни градирни и дополнена сверху прямоугольным участком наружной атмосферы.

Гидрофобная поверхность Шероховатость 25 мм Рис. 1 Распределение скорости воздуха в градирне при скорости на входе 5 м/с.

Таблица 1.

Гидравлические потери при скорости на входе 5 м/с.

Как видно из рис. 1, гидрофобизация поверхности приводит к увеличению скорости у этой поверхности. Очевидно, отмеченное увеличение скорости связано со снижением коэффициента трения на стенках при их гидрофобизации. В целом по потоку, как показано в таблице 1, это приводит к снижению гидравлических потерь на 3,2% при гидрофобизации стенки с шероховатостью 25 мм и на 2,1% - с шероховатостью 2,5 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.

Анализ влияния дисперсности воды на теплообмен в градирне Одним из наиболее важных факторов, влияющих на интенсивность теплообменных процессов в градирне, является степень диспергирования воды. Процессу диспергирования противостоят силы поверхностного натяжения на границе вода — воздух, которые прямо пропорциональны коэффициенту поверхностного натяжения воды (у) и обратно пропорциональны радиусу капли воды. В первом приближении, средний размер капель воды в градирне при прочих равных условиях пропорционален у.

Доказано, что использование ПАВ в несколько раз снижает значение у и существенно повышает степень диспергирования воды. /4/.

Рассмотрим следующую упрощённую модель. В результате диспергирования это количество жидкости может быть представлено в виде:

(1).

где G— расход охлаждаемой воды (кг/с), D — средний диаметр капель (м), _ж — плотность жидкости (кг/м³), n — расход частиц (1/с).

Пусть — коэффициент теплоотдачи (Вт/(м² град)), тогда количество теплоты, обмениваемой между единичной каплей и воздухом равно:

(2).

где t — средняя разность температур между каплей и воздухом.

Для n капель это количество теплоты будет равно:

(3).

так что общее количество обмениваемой теплоты за время теплообмена составит величину:

. (4).

Здесь от дисперсности зависят две величины: коэффициент теплоотдачи и время .

Коэффициент теплоотдачи определяется исходя из экспериментальной зависимости, например,.

Nu = 2+0,03 Pr^0,33Re^0,54+0,35 Pr^0,36Re^0,58, (5).

где, _а — коэффициент теплопроводности воздуха, коэффициент кинематической вязкости воздуха, U — скорость обтекания капли воздухом, так что:

(6).

Для простоты примем, что движение капли лишь вертикальное под действием силы тяжести и силы сопротивления:

(7).

где t время _а — плотность воздуха, и был принят закон Стокса для сопротивления капли:.

Частное решение при нулевых начальных условиях имеет вид:

(8).

так что время падения определяется интегралом от этого результата для заданной высоты h:

Рис. 2 Зависимость высоты падения капли от времени для двух диаметров капли: 0.5 мм (сплошная линия) и 2 мм (пунктирная линия)

Из этих результатов следует, что интервалы времени почти не зависят от диаметров капель. Тогда выражение (4) с учётом (6) примет вид:

(9).

так что с учётом (8) в первом приближении можно считать, что:

.

Таким образом, при одном и том же расходе охлаждающей жидкости количество обмениваемой теплоты обратно пропорционально квадрату диаметра капель. А так как последний пропорционален коэффициенту поверхностного натяжения воды, то при наличии в воде достаточной концентрации ПАВ следует ожидать существенного роста интенсивности теплообменных процессов в градирне. Необходимо отметить, что диаметр капель имеет некоторое критическое значение, меньше которого возможно превращение градирни в оросительную камеру, связанное с полным испарением капли при ее падении.

тепломасообмен гидрофобность теплообмен дисперсность Моделирование процессов тепломассообмена между каплями воды и воздухом при разной дисперсности капель С целью определения влияния размера капель воды на интенсивность теплообменных процессов в башенной градирне выполнен вычислительный эксперимент с использованием пакета Flow Vision. В качестве характерной области теплообмена рассматривался участок струйки тока воздуха, расположенный ниже брызгальных устройств. Форма данной области принята цилиндрической с вертикально направленной осью. Высота цилиндра — 3 м, диаметр — 0,5 м. На нижнем торце цилиндра задана скорость восходящего воздушного потока, равная 1 м/с, влажность воздуха — 50%, температура 20 ^оС. Стенки цилиндра являются непроницаемыми.

На верхнем торце расчетной цилиндрической области задано равномерное распределение капель воды, входящих в данную область и падающих вниз под действием силы тяжести. Массовый расход капель (жидкой фазы) — 1 кг/с, температура на входе — 40 ^оС. Форма капель принята шарообразной с одинаковым для всех капель диаметром. Исследование производится для двух вариантов диаметра капель воды -3 мм и 1 мм, сравнение которых позволило сделать определенные выводы по влиянию дисперсности воды на теплообменные процессы в градирне. Их обтекание воздухом рассматривалось в соответствии со стандартной k — е моделью турбулентности для малосжимаемой среды (учитывается зависимость плотности воздуха от температуры). Использовалась стандартная модель тепломассообмена пакета Flow Vision, учитывающая как конвективную, так и испарительную составляющую охлаждения капель воды. Учитывалось также уменьшение диаметра капель и объема воды по мере испарения последней.

Отметим, что, приведенные выше, параметры назначены в качестве граничных условий решения рассматриваемой задачи из условия максимального соответствия реальным процессам теплообмена в башенных градирнях. Сделанные допущения относительно форм расчетной области и капель воды относятся в одинаковой степени к обоим вариантам использованных размеров капель и не должны оказать существенного влияния на основные выводы работы, которые производятся на основании сравнения этих вариантов. Данные, полученные в результате численного моделирования, по распределению в расчетной области скорости и температуры воздуха приведены на рис. 3 и 4.

Диаметр капель 3 мм Диаметр капель 1 мм Рис. 3 Распределение температуры воздуха в расчетной области

Диаметр капель 3 мм Диаметр капель 1 мм Рис. 4 Распределение модуля скорости воздуха в расчетной области

Как видно из рисунков, присутствует существенная неравномерность распределения скорости и температуры воздуха по сечению расчетной области. Такая неравномерность, проявляющаяся в целом по градирне, окажет негативное влияние на эффективность охлаждения оборотной воды. Причем, большая дисперсность воды приводит и к большей неравномерности. Поэтому для уточнения влияния дисперсности воды на интенсивность теплообменных процессов в градирне необходим полномасштабный численный эксперимент с захватом всей области градирни, включая ороситель и реальную конфигурацию стенок градирни, которые также оказывают значительное влияние на отмеченную неравномерность.

Из рис. 4 видно, что большая дисперсность воды приводит к более значительному и быстрому нагреву воздуха, а, следовательно, и к лучшему охлаждению оборотной воды. По результатам исследования средняя температура воздуха на выходе из расчетной области составила 26,4 ^оС при диаметре капель 3 мм и 35,8 ^оС при диаметре капель 1 мм. Средняя температура капель после прохождения расчетной области составила 28,3 ^оС при диаметре капель 3 мм и 26,6 ^оС при диаметре капель 1 мм.

Таким образом, результаты исследований в целом доказывают высокую степень эффективности использования ПАВ с целью интенсификации теплообменных процессов в градирне путем снижения коэффициента поверхностного натяжения воды и увеличения ее дисперсности.