Название: Вестник Ульяновского государственного технического университета (В.В. Ефимов)

Жанр: Гуманитарный

Просмотров: 1132


Об аэрогидродинамике системы «декарбонизатор –вентилятор»

 

Сопротивление насадки декарбонизаторов  оказывает существенное  влияние на эко- номичность и качество  декарбонизации, поскольку определяет правильный выбор вен- тилятора декарбонизатора.  Однако существующие методы определения сопротивле- ния орошаемой насадки, полученные на лабораторных установках, не согласовывают- ся с данными исследования промышленных аппаратов. Приведенные результаты экс- периментального исследования сопротивления орошаемой  насадки промышленных де- карбонизаторов позволяют внести коррективы в  методы определения сопротивления орошаемой насадки и подбора вентилятора для декарбонизационной установки.

В теплоэнергетических водоподготовительных установках в качестве первой ступени дегазации воды применяют декарбонизаторы. Декарбони- зация представляет собой процесс удаления из воды свободного диоксида углерода при организованном специальным образом контакте воды с атмо- сферным воздухом, подаваемым в декарбонизатор вентилятором.

В отечественной теплоэнергетике наиболее распространенными явля- ются противоточные насадочные декарбонизаторы с насадкой из колец Рашига (рис.1). Они представляют собой колонны, в которых на опорные решетки устанавливаются упорядоченная (регулярная) или засыпается не- упорядоченная насадки. Обрабатываемая вода стекает по насадке сверху

вниз, а навстречу ей движется нагнетаемый вентилятором воздух. При прохождении воздуха через насадку в него переходит выделяющийся из воды избыточный диоксид углерода. Насыщенный диоксидом углерода влажный воздух (выпар декарбонизатора) отводится из колонны.

 

6

1          Рис.1. Схема насадочного декарбонизатора:

1-  колонна  декарбонизатора;  2-

4          насадка декарбонизатора; 3- вен-

тилятор; 4- патрубок подвода об-

2          рабатываемой воды;  5-  патрубок

отвода  декарбонизированной  во-

ды; 6- патрубок отвода выпара

 

5          3

Основные энергетические затраты  на декарбонизацию в этих аппара- тах связаны с транспортом обрабатываемой воды и десорбирующего аген- та – воздуха. Но если расход воды, равный необходимой производительно- сти водоподготовительной установки в целом, не управляемая, а задавае- мая величина, тогда затраты на подачу воздуха остаются основным пара- метром, позволяющим управлять экономичностью процесса декарбониза- ции. В связи с этим необходимо большое внимание уделять правильному подбору и эксплуатации вентилятора, подающего воздух в декарбонизатор.

В настоящее время выбор вентилятора декарбонизатора осуществляет- ся исходя из обеспечения технологически необходимого удельного расхо- да воздуха, равного отношению расходов потребляемого воздуха и обраба-

тываемой воды, и преодоления сопротивления декарбонизатора. В спра- вочнике [1] рекомендовано принимать величину удельного расхода при работе декарбонизаторов в установках умягчения 25 м3/т, в обессоливаю- щих установках - 40 м3/т, а при установке декарбонизаторов в водоподго- товительных установках с подкислением подпиточной воды теплосети удельный расход воздуха должен быть около 30 м3/т [2].

Сопротивление  декарбонизатора  складывается  из  сопротивлений  на-

садки декарбонизатора и сети воздуховодов. Если сопротивление сети можно определить из ее геометрии, то определение сопротивления насадки представляет значительные трудности. Связано это с тем, что при работе декарбонизатора осуществляется двухфазное течение газа и жидкости. При прохождении газа через орошаемую насадку сопротивление декарбониза- тора в сравнении с сухой насадкой возрастает, что объясняется уменьше- нием сечения для прохода газа (поскольку часть сечения занята текущей жидкостью) и увеличением относительной скорости газа, определяющей гидравлическое сопротивление, по сравнению с его абсолютной скоро- стью.

В работах по изучению гидродинамики насадочных абсорберов, обоб- щенных в [3], экспериментальное исследование этих аппаратов осуществ- лялось в лабораторных условиях на моделях промышленных аппаратов. Сопротивление аппарата исследовалось без учета характеристик работы вентилятора в сети. При разработке методик определения сопротивления аппаратов предполагалось, что в аппарат постоянно подается заданное  ко- личество воздуха, а не то, которое фактически определяется суммарным сопротивлением насадки и сети воздуховодов. На практике воздух в де- карбонизаторы по сети воздуховодов подается вентилятором, который об- ладает определенными характеристиками, отражающими взаимосвязь ме- жду параметрами его работы.

Параметры работы любого вентилятора в сети определяются путем на-

ложения его напорной характеристики на характеристику сети. Напорная характеристика вентилятора – это графическая зависимость развиваемого

давления от расхода (подачи) воздуха. Характеристика сети представляет

собой графическую зависимость потерь давления от расхода воздуха. Точ- ка пересечения характеристик сети и вентилятора является рабочей точкой, параметры которой определяют давление и производительность данного вентилятора при работе в данной сети – единственно возможный режим работы вентилятора, при котором его подача равна расходу воздуха через

сеть, а давление - потерям давления в сети.

При определении потерь давления воздуха в насадках из керамических колец Рашига используют методы расчета, основанные на результатах экс- периментальных исследований гидродинамики насадочных абсорберов, которые приведены в [3]. В частности, метод Тейча основан на использо- вании графической зависимости отношения потерь давления в орошаемой

 

насадке к потерям в сухой насадке

ΔΡор

ΔΡсух

 

от величины К, определяемой

расчетным путем. Величина К определяется по формуле

 

К  0,12  Fr

 

 Re

0,8  (1  7,5 10

5 Re  ),

ж         ж

г

 
где Frж  – критерий Фруда; Reж   – критерий Рейнольдса для воды; Reг  –

критерий Рейнольдса для воздуха.

Критерии Frж, Reж, Reг определяются по следующим формулам

U 2 a

Frж=    ,

g

ж

 
Re  =   4U ж ,

а ж

г

 
Re =   4 г  ,

а г

где U – плотность орошения насадки, м/с; а – удельная поверхность насад- ки, м-1; ρг – плотность воздуха, кг/м3; μг – вязкость воздуха, мПа∙с; ρг – плотность воды, кг/м3;μж – вязкость воды, мПа∙с; ω0 – скорость воздуха, отнесенная ко всему сечению колонны декарбонизатора, м/с.

Скорость ω0   может быть определена как

 

ω0=L/S,

где L – расход воды, м3/с; S – площадь поперечного сечения колонны де-

карбонизатора, м2.

Плотность орошения насадки U , м/с, определяется по выражению

 

U=G/S,

 

где G – расход декарбонизируемой воды, м3/с.

Для определения потерь давления орошаемой насадки Рор  предвари-

тельно рассчитывают потери в сухой насадке по формуле

 

Н  

 

  3     а

Рсух           0          0          г           ,           (1)

8 3

 

где Н – высота слоя   насадки в декарбонизаторе, м; ε – доля свободного объема насадки; ξ0 – коэффициент сопротивления насадки.

В формуле (1) ξ0 является некоторым эффективным коэффициентом, учитывающим потерю давления как от трения воздуха о поверхность ко- лец Рашига, так и от изменения  скорости и направления воздушного пото- ка при протекании его по каналам между элементами насадки. Коэффици- ент ξ0 зависит от режима движения воздуха и является функцией критерия Reг. Обычно насадки декарбонизаторов эксплуатируются в турбулентном режиме движения (Re>40) и ξ0 может быть определен по формуле

 

16

î0      .

г

 
Re0,2

 

Наиболее универсальным методом определения сопротивления оро- шаемой насадки декарбонизатора считается составленная Эдулджи графи- ческая зависимость, выражающая соотношение

 

 

Re

 
Y         C         ФжФг

f  U 

         Frг

2          0 ,85                      

0,1

усл

при разных значениях  Рор /Н.

 0 

0

 
Здесь Frг= 2 /gd - критерий Фруда для газа, рассчитанный по номи-

нальному размеру насадки d; Reусл= 0 d г /  ж

- условный критерий Рей-

нольдса для газа; Фж= 

 ж ; Фг=  г  возд ;  

и  ж

- плотности воды

и орошающей жидкости,

возд и

 г - плотности воздуха и газа.

Для нахождения  Рор    рассчитывают Y и проводят горизонталь с этим

значением Y до пересечения с вертикалью U

 0  . Кривая  Рор  /Н, проходя-

щая через точку пересечения, дает соответствующее значение гидравличе-

ского сопротивления.

С целью изучения влияния расходов обрабатываемой воды и воздуха, подаваемых в аппарат, на сопротивление орошаемой насадки промышлен- ного декарбонизатора на Ульяновской ТЭЦ-3 нами было проведено экспе- риментальное исследование декарбонизаторов с номинальной производи- тельностью 550 т/ч и внутренним диаметром 3430 мм. Насадка декарбони- затора - из керамических колец Рашига размером 35  35  4 мм,  высотой

1,5 м. Декарбонизаторы снабжены вентиляторами марки Ц4-76 №8 (Q=14000 м3/ч, p=1,4 кПа). Расход воздуха, поступающего в декарбониза- тор, измерялся с помощью ручного анемометра, предварительно оттариро- ванного на лабораторной установке. Было исследовано несколько режимов декарбонизации при разной степени открытия шибера, установленного на всасывающем патрубке вентилятора. При аппроксимации эксперименталь- ных данных с помощью программы GRAFER были получены аналитиче- ские зависимости, позволяющие с дисперсиями 15805, 6067 и 70 опреде- лять действительные расходы воздуха на декарбонизацию D, м3/ч,   в ин- тервале расходов обрабатываемой воды G от 0 до 520 т/ч при различных степенях открытия шибера (100, 80, 45\%):

 

D1 = 16193 – 5,44 G – 0,014 G2, D2 = 13238 – 3,34 G – 0,01 G2,

D3 = 7321 – 2,52 G – 0,00022 G2.

 

На рис. 2 представлена зависимость удельного расхода воздуха на де- карбонизацию от расхода обрабатываемой воды в режиме с полностью от- крытым шибером (линия 1), построенная с помощью выражения (10). Ли- ния 2 соответствует постоянному удельному расхода воздуха 25 м3/т. Из графика видно, что эти линии пересекаются в точке а, соответствующей расходу воды 430 т/ч, следовательно, в интервале расходов обрабатывае- мой воды от 430 т/ч до максимальной производительности декарбонизато-

ра технологически необходимый удельный расход воздуха на декарбони- зацию не обеспечивается и качество декарбонизированной воды ухудшает- ся, хотя вентилятор декарбонизатора был выбран из условия обеспечения декарбонизатора удельного расхода воздуха 25 м3/т при максимальной производительности 550 т/ч.

18000

 
м3

d          ,           т

 

70

 

60

 

50

1

40

 

2

30        а

 

Рис. 2. Зависимость удельного расхода воздуха на декарбонизацию от расхода обрабатываемой воды (линия 1); линия 2 соответствует постоянному удельному расходу d=

25 м3/т

 

20

 

10

430

200      300      400      500

 

 

600

 
G ,т ч

 

По экспериментально определенным расходам воздуха через насадку при различных расходах обрабатываемой воды  с помощью метода Тейча были определены гидравлические сопротивления насадки декарбонизато- ра. График, представляющий зависимость удельного сопротивления насад- ки декарбонизатора при 100\% открытии шибера от плотности орошения насадки, представлен на рис. 3. Как видно из графика, максимальное удельное сопротивление орошаемой насадки - 100 Па/м (или  Рор=150 Па при высоте насадки 1,5 м)  при плотности орошения U=0,0156 м/с.

18

 
Па

 Рор  ,           м

 

90

 

80        Рис.  3.  Зависимость  удельного сопротивления орошаемой

70        насадки           декарбонизатора        от плотности             орошения       насадки,

60        полученная по методу Тейча

 

50

 

40

 

30

 

0          0,5       1 ,0      1 ,5

 

60

 
U 1 0 -2, м  с

Вентилятор декарбонизатора был выбран по справочнику [1] из усло- вий, что при максимальном расходе обрабатываемой воды он обеспечит необходимый удельный расход воздуха 25 м3/ч и при этом напор вентиля- тора будет достаточен для преодоления сопротивления декарбонизатора и сети воздуховодов. Удельное сопротивление орошаемой насадки из кера- мических колец Рашига в этой методике принято равным 120 Па/м, что, в общем, согласуется с результатами эксперимента, обработанными по ме- тоду Тейча. Однако если бы методика подбора вентилятора была верна, то

при максимальной производительности декарбонизатора вентилятор обес- печил бы необходимый удельный расход воздуха, чего не наблюдалось в ходе эксперимента. Отсюда можно сделать вывод о том, что принятое зна- чение удельного сопротивления насадки не отвечает реальному значению и то, что существующие методы расчета сопротивления орошаемой насад- ки неточны.

При увеличении расхода воды возрастает сопротивление насадки де- карбонизатора и сети в целом, а, следовательно, меняется характеристика системы «декарбонизатор – вентилятор» и рабочая точка, находящаяся на

пересечении аэродинамических характеристик вентилятора и сети, смеща- ется влево, тем самым подтверждая уменьшение действительного расхода воздуха.

Л.С. Фошко в работе [2] отметил (без теоретического объяснения или экспериментального подтверждения), что вентиляторы в системе «декар- бонизатор – вентилятор» обеспечивают лишь половину своей номинальной

производительности и при их выборе надо принимать производительность вентилятора вдвое больше расчетной.

Расхождение в проектной и фактической производительности, как пра- вило, объясняется ошибками в определении сопротивления орошаемой на- садки декарбонизатора, а, следовательно, и напора вентилятора. Ошибки связаны, прежде всего, с несовершенной методикой расчета и проектиро- вания декарбонизаторов, изложенной в справочной литературе. Вентиля-

тор с недостаточным напором в эксплуатационных условиях не обеспечи- вает поддержание заданной величины удельного расхода воздуха на де- карбонизацию.

По нашему мнению, основная причина неточности определения сопро- тивления насадочных аппаратов по методикам Тейча и Эдулджи связана с тем, что при применении этих методик насадочный аппарат рассматрива-

ется изолированно от вентилятора. Это видно из приведенных в [3] приме- ров расчета, в которых приведенная скорость газа (воздуха) ω0 в формулах (4), (7), (9) принимается постоянной, независящей от плотности орошения насадки и характеристики нагнетателя.

Для более точного определения аэрогидродинамического сопротивле-

ния орошаемой насадки декарбонизатора необходимо рассматривать рабо-

ту декарбонизатора в системе с вентилятором. С помощью имеющейся ха-

рактеристики вентилятора Ц4-76 №8 [4] по данным эксперимента были определены удельные сопротивления орошаемой насадки декарбонизатора при различных плотностях орошения насадки (или расходах декарбонизи- руемой воды). Полученные данные представлены графически на рис. 4.

 

18

 
Па

 Рор  ,           м

 

600

 

500

 

400

 

300

 

200

 

100

Рис. 4. Зависимость удельного сопротивления орошаемой насадки декарбонизатора про- изводительностью 550 т/ч от плотности орошения насадки, определенная по эксперимен- тальным данным и характери- стике вентилятора Ц4-76 № 8

 

0

 

0          0,5       1 ,0      1 ,5

 

60

 
U 1 0 -2, м  с

 

 

Сравнивая рис. 4 и рис. 3, можно заметить, что действительное сопро- тивление орошаемой насадки декарбонизатора в 5,5-6,5 раза больше зна- чений, полученных по методу Тейча и принимаемых в справочной литера- туре. Таким образом, для того, чтобы вентилятор обеспечивал необходи- мый удельный расход воздуха на декарбонизацию во всем диапазоне рас- ходов обрабатываемой воды, при подборе вентилятора необходимо закла- дывать большие значения удельного сопротивления насадки, а следова- тельно, выбирать вентилятор с большим напором.

Таким образом, проведенные исследования позволили сделать сле-

дующие выводы:

1.  Расход воздуха, являющегося десорбирующим агентом в декарбони-

заторах водоподготовительных установок, в значительной мере определяет массообменную эффективность декарбонизаторов, а затраты энергии на

подачу воздуха в декарбонизаторы являются основным параметром, опре-

деляющим экономичность процесса декарбонизации. В связи с этим необ- ходимо большое внимание уделять правильному подбору и эксплуатации вентилятора, подающего воздух в декарбонизатор.

2.  Существующие методы расчета и проектирования декарбонизаторов

являются несовершенными и нуждаются в доработке, поскольку не позво- ляют обеспечить задаваемых удельных расходов воздуха на декарбониза- цию во всем интервале расходов обрабатываемой воды.

3.  При определении сопротивления декарбонизатора необходимо рас-

сматривать его работу не изолированно, а в системе декарбонизатор- вен-

тилятор.

4.  Выполненное авторами экспериментальное исследование позволило получить зависимость сопротивления насадки наиболее распространенно-

го в отечественной теплоэнергетике декарбонизатора от его гидравличе- ской нагрузки. Экспериментально установлено, что действительные вели- чины сопротивления декарбонизатора в несколько раз превышают приво- димые в справочной литературе. Полученные данные позволяют найти действительное значение сопротивления аппарата и выбрать вентилятор с технологически необходимыми напором и производительностью.