4. Численные эксперименты

Целью численных экспериментов было выявить особенности режимов охлаждения циркуляционной воды в градирне, связанных со спецификой тепломассообмена в двухфазных двухкомпонентных средах. В серии расчетов вариациям подвергались температуры теплоносителей, расход охлаждаемой воды, высота насадки, толщина зазора между листами.

Парадоксальный режим, при сопоставлении с обычными теплообменниками, имеет место при одинаковых температурах теплоносителей на входе (Рис. 7). Как видно на графиках, по всей высоте насадки имеет место процесс испарения, благодаря которому температура воды убывает, несмотря на одинаковость исходных температур на входе.

Примечательным является немонотонный характер изменения температуры паровоздушной смеси: в нижней части насадки воздух охлаждается, в верхней ­­– нагревается (график 2, Рис. 7). Пересечение температурных кривых теплоносителей для обычных теплообменников было бы невозможно. Разрешение видимого парадокса состоит в том, что имеются две движущие термодинамические силы: разность температур и разность концентраций.

1	Рис. 7. Немонотонное изменение температуры парогазовой смеси при одинаковых температурах теплоносителей на входе в противоточное контактное испарительное устройство	4
2		5
3		6

Как свидетельствует кривая скорости испарения (график 4, Рис. 7), по всей высоте насадки сохраняется концентрационная движущая сила одного знака, обеспечивающая диффузионный поток от поверхности раздела в парогазовую смесь. Испарение имеет место локально и там, где температуры теплоносителей сравниваются. Полный поток энтальпии Qна границе раздела изменяется монотонно (график 6, Рис. 7), оставаясь направленным от воды в газовую среду. Аналогично изменяется тепловой поток в жидкой фазе вблизи поверхности раздела. Тепловой поток в парогазовой среде изменяет знак, в соответствии с изменением знака температурного напора «вода–газ».

Если при фиксированных параметрах охлаждающего воздуха на входе уменьшать расход воды, то возникают описанные выше режимы с немонотонным изменением температуры паровоздушной среды. Паровоздушный поток покидает теплообменник практически с той же температурой, с которой поступает на входе, однако с заметно увеличившимся содержанием пара (Рис. 8, а). При этом, вследствие эффекта испарения, температура воды значительно уменьшается. Неблагоприятной особенностью данного режима является протяженная зона адиабатического испарения, как видно из графика распределения температур по высоте насадки (Рис. 8, б).

а) б)

Рис. 8. Локальные характеристики охлаждения при малом расходе воды

а) изменение температуры воды t_f, ⁰С, и паровоздушной смесиt_v, ⁰С по высоте насадки; б) изменение степени насыщенияSatCoefпо высоте насадки.

Численные эксперименты показывают, что эффективное испарение может быть обеспечено и при высокой влажности поступающего охлаждающего воздуха (Рис.9). Насыщенный влажный воздух с капельной влагой (туман) при прохождении через насадку «подсушивается». Разумеется, речь идет об уменьшении относительного влагосодержания, поскольку происходит испарение воды в паровоздушную смесь, благодаря высокой концентрации пара непосредственно у поверхности раздела фаз.

Рис. 9. Испарительное охлаждение воды насыщенным влажным воздухом с капельной влагой

Дополнительная иллюстрация возможной неэффективной работы насадки с завышенным значением протяженности иллюстрируется на Рис.10.

Рис. 10. Неравномерность распределения интенсивности охлаждения для насадок большой протяженности

Характерным показателем работы градирни является температура охлаждаемой воды на выходе из насадки t_f,out. Компьютерная модель была применена для поиска оптимальных высоты насадки (Рис.11) и толщины зазора между листами (Рис. 12) при фиксированных остальных параметрах воздуха и воды.

1	Рис. 11. Численный эксперимент по оптимизации высоты насадки: 1 – зависимость температуры воды на выходе от высоты насадки; 2 – зависимость расхода воздуха от высоты насадки
2

Как видно из Рис.11 для принятых условий наиболее глубокое охлаждение воды достигается при высоте насадки примерно 2,5 метра. Увеличение высоты насадки, так же как и ее уменьшение, ведет к повышению температуры воды на выходе из градирни. Естественное на первый взгляд стремление увеличить высоту насадки и, следовательно, контактную поверхность с целью увеличить степень охлаждения воды может привести к противоположному результату – уменьшению степени охлаждения, то есть к ухудшению работы градирни. Анализ правой части графика 1, Рис.11 показывает, что увеличение высоты слоя контактной насадки приводит к относительному росту гидравлического сопротивления, следовательно, к снижению расхода и скорости охлаждающего воздуха и соответствующему уменьшению интенсивности тепломассообмена в насадке. Этот важный результат имеет существенное значение при проектировании и модернизации градирен с естественной тягой.

1	Рис. 12 Численный эксперимент по оптимизации толщина зазора: 1 – зависимость температуры воды на выходе от толщины зазора; 2 – зависимость расхода воздуха от толщины зазора
2

Численный эксперимент по исследованию толщины зазора между листами (Рис. 12) показывает, что для принятых условий наиболее глубокое охлаждение воды достигается при ширине канала 11,5 мм. Нахождение оптимальных значений параметров насадки в условиях естественной тяги является важным результатом численных экспериментов.