II Всероссийский конкурс молодых специалистов инжинирингового профиля в области энергетики
Тепломеханическое, природоохранное и воднохимическое
направления и связанные с ними процессы
Компьютерная модель тепломассообмена и гидравлики в испарительных градирнях
Егорова Наталья Владимировна
-
РАО «ЕЭС РОССИИ»
ОАО «ВНИПИЭНЕРГОПРОМ»
Г.Москва
2007
Общая характеристика работы
Актуальность проблемы.Работа посвящена исследованию процессов тепло- и массообмена при испарительном охлаждении воды в аппаратах контактного типа, в основном в испарительных градирнях. Распространенное применение градирен в энергетике и в крупных системах кондиционирования воздуха объясняется эффективным использованием принципа испарительного охлаждения при непосредственном контакте теплоносителей. В схемах тепловых и атомных электростанций современные градирни являются дорогостоящими и ответственными элементами, определяющими в существенной мере показатели эффективности энергетических установок в целом.
На практике для упрощения расчетов тепломассообмена в градирне до сих пор используются концепции, базирующиеся на модели Меркеля. Хотя в историческом плане соответствующие расчетные методики претерпели заметную эволюцию (Л.Д.Берман, Д.В. Сезерланд, Д.Е. Браун), однако до сих пор нет достаточно полной современной физической и математической модели тепломассообмена при испарительном охлаждении в градирне, реализованной в форме компьютерной модели, как удобного инструмента для проектировщиков и эксплуатационников.
Рассматриваемая проблема принадлежит к классу задач двухфазного тепломассообмена в многокомпонентных средах. Испарение (или конденсация) происходит в присутствии инертных газов. Парогазовый поток может содержать дисперсную конденсированную фазу.
Расходы и энтальпии теплоносителей, их температуры, а также концентрации компонентов паровоздушной смеси должны определяться как распределения по высоте насадки. Плотность теплового потока на границе раздела и скорость испарения (или конденсации) должны рассчитываться как локальные характеристики в зависимости от геометрии каналов, локальной скорости парогазовой смеси, значений температуры в ядре потока и на поверхности раздела фаз, концентраций компонентов парогазовой смеси в ядре потока и на поверхности раздела фаз.
Необходимо учитывать, что градирни функционируют при значительных вариациях температуры и влажности атмосферного воздуха вследствие погодных и сезонных изменений, а также климатических различий.
Важной задачей при разработке расчетной модели является контроль изменения состояния парогазовой смеси при движении вдоль насадки, определение того, в какой форме – паровой, капельной (или, возможно, льда при низких температурах) находится влага. Диагностика состояний существенна как для точности расчета интенсивности тепломассообмена, так и в экологическом аспекте. Экологические проблемы наглядно проявляются в образовании облаков над градирнями, в возможном увеличении приземной концентрации влаги, в возникающем иногда искусственном гололеде вблизи станций.
Движение воздуха в градирнях тепловых станций обеспечивается естественной тягой, величина которой зависит от состояния влажного воздуха на выходе из насадки и не может быть рассчитана независимо от процессов тепломассообмена, интенсивность которых в свою очередь определяется скоростью циркуляции. Таким образом, расход воздуха через градирню является важным внутренним параметром задачи и должен быть определен посредством специальной вычислительной процедуры.
Компьютерная модели разрабатывалась, в первую очередь, как инструмент исследования сложных процессов двухфазного тепломассообмена.
Учитывая комплексный характер и сложность проблемы, а также ее практическую значимость, следует признать разработку физической и математической модели контактных теплообменников, в том числе испарительных градирен, актуальной задачей.
Для исследования процессов тепло- и массообмена при испарении (конденсации) парогазовой смеси использован метод математического моделирования, решение получается численными методами, результаты сопоставлены с экспериментом.
Научная новизна.
разработана универсальная методика расчета процессов тепломассообмена при испарении (конденсации) в контактных теплообменниках с насадками, при прямоточной или противоточной организации потоков теплоносителей;
разработана методика расчета расхода воздуха через градирню с естественной тягой, определяемого из условия равенства гидравлического сопротивления в градирне и гидростатического напора, возникающего благодаря разности плотностей теплого влажного воздуха в башне и холодного воздуха снаружи;
разработаны алгоритм и блоки вычислительной программы для диагностики состояния парогазовой смеси при движении в насадке, позволяющие учитывать образование дисперсной жидкой фазы (тумана, капельной влаги) в результате пересыщения паровоздушной смеси;
разработана и программно реализована дифференциальная математическая модель испарительного охлаждения в градирнях, позволяющая рассчитывать изменение параметров теплоносителей по высоте насадки, учитывать потери воды на испарение, проводить диагностику состояния парогазовой смеси, учитывать образование дисперсной фазы, определять расход воздуха через градирню (для аппаратов с естественной тягой);
разработаны рекомендации по оптимизации режимных и конструктивных характеристик градирни, а именно, по влиянию температур теплоносителей, расхода жидкости, степени насыщения воздуха, высоты контактной насадки и толщины зазора между листами на охлаждающую способность градирни.
Достоверность результатов исследования обусловлена корректностью и современным уровнем физической и математической постановки задачи, тестированием вычислительной программы и верификацией компьютерной модели посредством сопоставления расчетных результатов с экспериментальными данными, полученными в результате энергетического обследования градирен №3 и №4 ТЭЦ-8 г. Москва.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработана математическая и компьютерная модель контактного тепломассообмена, позволяющая исследовать режимы работы градирни методом численного эксперимента в широком диапазоне параметров, рассчитывать локальные (по высоте насадки) характеристики потоков воды и паровоздушной смеси, проводить оптимизацию режимных и конструктивных параметров. Выявлены факторы, влияющие на эффективность испарительного охлаждения циркуляционной воды. Предложены рекомендации по оптимизации режимных и конструктивных характеристик градирни.
Разработанное программное обеспечение может быть рекомендовано для проведения расчетов при проектировании и модернизации градирен, а также с целью диагностики их функционирования.