2150

Рис. 3.15. Разработанная конструкция градирни с повышенной охлаждающей мощностью:

а – общий вид; б – насадка (контактный узел); в – теплообменник

122

Сверху за каплеуловителем 4 установлен пластинчатый теплообменник 5 [206]. Снизу данного устройства расположен аккумуляторный бак 6 для воды, насос 7 для подачи воды и вентилятор 8 для подачи воздуха.

Вентилятор соединен при помощи воздуховодов с теплообменником 5 и с нижней частью корпуса (градирни) 1.

Градирня работает следующим образом.

Наружный воздух за счет разрежения, создаваемым вентилятором 8, проходит через теплообменник 5, затем направляется в градирню под слой насадки 2. Проходя насадку, воздух подвергается прямому испарительному охлаждению и увлажнению за счет контакта с пленкой воды, стекающей сверху вниз по насадке. После насадки увлажненный воздух проходит каплеуловитель 4, теплообменник 5 и выбрасывается в атмосферу.

Из-за разницы температур воздух, уходящий из градирни (поток У), принимает теплоту от наружного воздуха (потока Н с температурой tн) и нагревается, наружный воздух при этом охлаждается. Поверхностный теплообменник 5 работает по принципу рекуперативного воздухо-воздушного теплообменника. Конструктивно он выполнен в виде пластинчатого теплообменника.

Таким образом, через слой насадки 2 проходит воздух, предварительно охлажденный в поверхностном теплообменнике 5.

Данная воздушная среда формирует режим прямого испарительного охлаждения при контактировании с пленкой воды, стекающей сверху вниз по насадке [67]. С понижением температуры воздушного потока температура воды, соответственно, снижается. Если циркуляция воды будет осуществляться по замкнутому контуру (используется рециркуляционная вода): бак 6 – насос 7 – форсунка 3 – насадка 2 – бак 6, процесс охлаждения воздуха в насадке будет адиабатическим, температура воды tw будет равна температуре воздуха по мокрому термометру tмн. При этом температура воздуха в результате адиабатического охлаждения понизится до to. В данный момент времени (условно назовем этот период II стадией) движущая сила косвенного охлаждения наружного воздуха в теплообменнике 5 t = (tн – to) возрастает, т.е. повысится охлаждающая мощность воздушного потока, поступающего из насадки.

Наружный воздух будет охлажден в теплообменнике 5 до температуры еще ниже, чем tк, т.е. t < tк, что, соответственно, вызовет дальнейшее понижение температуры рециркуляционной воды в системе.

Разработанная конструкция градирни позволяет при организации двухступенчатого охлаждения наружного воздуха в данном устройстве (косвенного и прямого охлаждения) создавать условия для устойчивого понижения температуры воды до значений ниже температуры мокрого термометра воздуха. Такой эффект нельзя достичь с использованием существующих устройств.

123

При использовании охлажденной воды в системе оборотного водоснабжения, например, в конденсаторах холодильных машин и др., темпе- ратурно-влажностный режим работы данного устройства будет несколько отличаться от изоэнтальпийного (адиабатического) увлажнения и охлаждения воздуха в насадке градирни в соответствии с указаниями, приведен-

ными в [48, с. 131–132].

Для сокращения времени выхода градирни на стабильный рабочий режим рационально использовать две стадии работы:

I стадия – стадия пуска.

При этом теплообменник 5 (рис. 3.14) отключен, наружный воздух при помощи вентилятора 8 поступает в нижнюю часть насадки 2, минуя теплообменник; шибер (б) закрыт, шибер (а) открыт; насадка орошается рециркуляционной водой при помощи насоса 7. Отбор воды на сторону (потребителю) не производится, вентиль (в) закрыт, вентиль (г) открыт. Продолжительность стадии зависит от времени достижения температуры воды tw tмн .

II стадия – рабочая. Включают в работу теплообменник 5: шибер (а) закрывают, шибер (б) открывают. Происходит отбор воды из бака 6 насосом 7 потребителю, при этом вентиль (в) открывают, вентиль (г) закрывают. Вода от потребителя непрерывно поступает через форсунку 3 на насадку 2 для охлаждения воздуха, который предварительно подвергся косвенному охлаждению наружным воздухом в теплообменнике 5 (рис. 3.14).

Согласно уравнению теплопередачи F Q / К tср , применение разра-

ботанного устройства – градирни с повышенной охлаждающей мощностью при оборотном водоснабжении конденсаторов компрессионных холодильных машин позволяет при увеличении движущей силы теплопередачи, т.е. средней разности температур tср между рабочими средами, уменьшить поверхность теплопередачи F при заданной тепловой нагрузке Q. Это способствует уменьшению размеров конденсаторного блока, снижению материалоемкости и его стоимости [109, 127].

Для оценки влияния режимных параметров процесса на эффективность охлаждения воды в компактной градирне проведены экспериментальные исследования на лабораторном стенде.

Применялся математический метод планирования экспериментов. Был реализован полный факторный эксперимент ПФЭ 23 [46, 141].

На основе теоретических исследований в качестве независимых переменных факторов приняты: Х1 – расход воздуха в градирне, м3 /ч; Х2 – плотность орошения, м3/(ч·м2); Х3 – время работы градирни, мин.

Уровни варьирования факторов приведены в табл. 3.8. В качестве функций отклика приняты:

y1 – температура охлаждённой воды в баке градирни tw, С;

y2 – разность температур ∆t = (tм – tw), С (температурный показатель); y3 – аэродинамическое сопротивление градирни ∆Р, мм вод. ст.

124

Т а б л и ц а 3.8

Уровни варьирования факторов

Результаты проведенных экспериментов приведены в табл. 3.9.

Т а б л и ц а 3.9 Матрица планирования экспериментов ПФЭ 23

и результаты ее реализации

В таблице yi' / yi'' – значения функций отклика в параллельных опытах.

Все опыты дублировались и были рандомизированы во времени.

На основе регрессионного анализа получены уравнения регрессии

[46, 76]:

125

Из данных, приведенных в табл. 3.9, следует, что во всех опытах температура воды, охлажденной в градирне, была ниже температуры окружающего воздуха по мокрому термометру.

Также следует из уравнения (3.32), что на температуру воды в баке tw значимо влияли все три фактора: расход воздуха, плотность орошения, время работы установки. Температура охлажденной воды в баке уменьшалась с увеличением данных факторов.

В то же время разность температур между температурой мокрого термометра воздуха и охлажденной воды (температурный показатель) увеличивалась с повышением расхода воздуха, плотности орошения и продолжительности процесса (уравнение (3.33)).

Для построения графических зависимостей представим уравнение (3.33) в натуральном выражении факторов [141]:

Данные зависимости (рис. 3.16–3.18) построены на основе уравнения 3.35 при фиксировании одного фактора на верхнем уровне.

температурный показатель, С

расход воздуха, м3/(ч м2)

продолжительность работы, мин

Рис. 3.16. Зависимость t f ( , q)

126

На втором этапе экспериментальных исследований проведены дополнительные опыты по оптимизации процесса [27, 67, 194].

Вкачестве параметра оптимизации выбран температурный показатель Y2, т.е. разность температур ∆t = (tм – tw), С (табл. 3.8).

Был реализован метод крутого восхождения [35].

Вкачестве режимных факторов приняты: Х1 – расход воздуха, Х2 – плотность орошения. Фактор Х3 – время работы градирни стабилизировали на основном уровне (Х3 = 15 мин).

Базовый фактор определялся расчетным путем [141].

(здесь bi – коэффициенты регрессии, λi – шаг варьирования).

Согласно расчету (3.36) базовым фактором является первый фактор Х1 – расход воздуха.

Шаг движения для первого фактора принят меньше его шага варьирования в основном эксперименте λа' = 20 м³/ч.

Шаг движения для второго фактора определялся расчетом:

Установлено, что для второго фактора вычисленный шаг движения оказался по численному значению близким к его шагу варьирования в основном эксперименте (табл. 3.8).

Результаты дополнительных опытов приведены в табл. 3.10.

* Опыт 4 провести не удалось из-за ограниченных конструктивных и режимных параметров опытного образца градирни.

Из анализа экспериментальных данных, приведенных в табл. 3.10, можно сделать вывод, что во всех дополнительных опытах (№ 1, 2, 3) температурный показатель водывозрастал с 1,9 до 4,8 С, т. е. температура воды в градирне снижалась, охлаждающий эффект увеличивался. При этом температура воды на выходе из градирни во время проведения всех опытов была ниже температуры воздуха по мокрому термометру.

128

Наглядно движение по градиенту представлено на рис. 3.19.

Здесь заштрихованная площадь представляет область изученного факторного пространства, для которого применимо уравнение регрессии (3.33).

В опыте 3 температура охлажденной воды была ниже температуры воздуха по мокрому термометру на 4,8 С. По сравнению с температурой охлажденной воды, получаемой на градирне фирмы «Тепломаш», г. СанктПетербург, по абсолютной величине снижение температуры воды равно: 3 + 4,8 = 7,8 ≈ 8 С.

Рис. 3.19. Движение по градиенту

В соответствии с данными, приведенными в табл. 3.7, уменьшение температуры воды в градирне позволит снизить расход электроэнергии на привод компрессора холодильной машины на 15…30 %.

Таким образом, проведенные экспериментальные исследования подтвердили возможность эффективного охлаждения воды в компактной градирне с многоступенчатым охлаждением воздуха, воду можно охлаждать до температуры на несколько градусов ниже, чем температура окружающего воздуха по мокрому термометру. На основе исследований определены значимые факторы, позволяющие увеличить указанную разность температур, т.е. повысить охлаждающий эффект в разработанной градирне [14, 23, 31].

Теоретические и экспериментальные исследования позволили получить математические модели в виде регрессионных уравнений (3.32) – (3.34), адекватно описывающие охлаждение воды в градирне, и на их основе провести оптимизацию процесса. Они предлагаются для практического

129

определения температуры охлаждения воды в типовой градирне при данных режимных параметрах.

Для градирен испарительного типа, традиционно выпускаемых отечественными производителями, теоретическим пределом охлаждения воды является температура наружного воздуха по мокрому термометру, практически же вода в них охлаждается на 3…5 С выше температуры мокрого термометра воздуха.

В настоящее время экспериментальный стенд – компактная градирня является базовым элементом учебного процесса при выполнении лабораторного практикума по курсу «Кондиционирование воздуха и холодоснабжение» при подготовке бакалавров, магистров по направлению Строительство [9].

130