30 Апр

ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ВОЗДУШНО-ИСПАРИТЕЛЬНЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТАХ




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:

Существенные проблемы при эксплуатации воздушно-испарительных теплообменных аппаратов вызывают отложения на теплообменных поверхностях накипи в комплексе с продуктами биологического происхождения, коррозией и пылью из воздуха. Загрязнение аппарата приводит к снижению охлаждающей  способности теплообменной поверхности за счет увеличения аэродинамического сопротивления проходу воздуха и, соответственно, уменьшению его расхода.

Солевым отложениям и загрязнению наиболее подвержены испарительные аппараты с малым шагом оребрения  и, соответственно, с малыми  каналами для прохода воды и воздуха.

Применение электростатического поля (ЭСП) резко повышает отбор тепла от поверхности труб, внутри которых  циркулирует охлаждаемая среда, снижает расход воды, сокращает продолжительность процесса и предупреждает загрязнение аппарата.

Автором был разработан воздушно- испарительный конденсатор с охлаждением в ЭСП, который прошел промышленные испытания на ОАО «Мясокомбинат  Иркутский» в 2012 году.  Реконструкция действующего конденсатора ЭКА 400 была осуществлена путем установки между водяными форсунками и трубным пучком высоковольтного электрода. Для повышения безопасности эксплуатации конденсатора стенки корпуса возле высоковольтного электрода имели диэлектрическое покрытие. Схема воздушно-испарительного  конденсатора представлена  на рис. 1.

Рис.1.   Воздушно- испарительный конденсатор:

1- компрессор холодильной машины, 2 — нагнетательный трубопровод, 3 — трубный пучок, 4 — форсунки, 5 — высоковольтный электрод,            6 — блок питания, 7 — вентилятор, 8 — насос контура охлаждения технологической воды.

Горячие пары аммиака из компрессора 1 с температурой  tTH1 поступают в трубный пучок 3, где охлаждаются до температуры  tTH2, и смесь пара и жидкости поступает в линейный ресивер. В этой системе контур циркуляции технологической воды является замкнутым и закрытым.  С помощью насоса контура охлаждения технологической воды 8 по трубам подается вода к форсункам 4, из которых распыленные частички воды попадают в электростатическое поле.

ЭСП  создается высоковольтным электродом 5, который выполнен в виде изолированной от металлического корпуса  металлической сетки. Причем, напротив каждой форсунки 4 расположены металлические иглы.

ЭСП создает многократное дробление капель, эффективную турбулизацию пленки воды, стекающей по трубам, а также обеспечивает бактерицидную чистоту системы. Частички воды стекают вниз по пластинчатым ребрам, надетым на трубный пучок 3, в виде орошаемой пленки. Стекающая пленка воды отбирает тепло от поверхности труб и часть тепла передает  циркулирующему воздуху. В результате температура орошаемой воды на входе и выходе из аппарата поддерживается постоянной.

Воздух, проходящий через испаритель, воспринимает только тепло от пленки воды и его состояние изменяется  от  iB1 до iB2.

Особенность пленки воды, образованной струей капель, состоит в том, что капли непрерывно возмущают пленку, внося в нее жидкую массу. Интенсивность воздействия потока капель на пленку  зависит от изменения коэффициента теплоотдачи от  теплообменной поверхности при испарительном охлаждении в ЭСП [1].

В результате испытаний выявлено, что применение ЭСП напряженностью 2,5-4 кВ/м позволило обеспечить:

— прекращение роста микроорганизмов;

— разрушение водяного камня;

— снижение температуры аммиака после конденсатора на 1,5 К, по сравнению с таким же конденсатором без воздействия ЭСП.

В качестве высоковольтного блока применен трансформатор    НТМИ 20. Экономический эффект от внедрения ЭСП в воздушно-испарительном конденсаторе за 6 месяцев 2012 года составил 460 тыс. рублей.

Представляется интересным применение ЭСП не только в испарительных конденсаторах, но и в градирнях различного типа. На  рис. 2 представлен испарительный конденсатор и устройство для оборотного охлаждения воды с применением ЭСП.

В этой системе  аммиак  из компрессора 1 с температурой tTH1 поступает в трубный пучок  ап­парата воздушно–оросительного  охлаждения 3, где охлаждается до температуры tTH2. Воздух в нагнетательную камеру аппарата подается с по­мощью вентилятора 13, где он воспринимает тепло от оребренного трубного пучка 3 , и температура его изменяется от tB1 до tB2. Трубный пучок располагается в кожухе аппарата горизонтально. Циркуляционная вода, получившая в теплообменном аппарате  тепло, при помощи насоса 14 поступает в форсунки 11 и разбрызгивается над поверхностью бассейна. Рас­пыленная вода,  проходя через высоковольтный электрод 12 в виде сетки, заряжается и вступает в контакт с воздухом. В результате  происходит ее охлаждение от температуры tTw1 до температуры tTw2. Охлаждение воды происходит при соприкосновении воды и атмосферного воздуха за счет тепло- и массообмена между ними. Плотность теплового потока при этом составляет от 3 до 7 кВт на 1 м2. Охлажденная вода через фильтр 9  при помощи насоса 7 поступает на форсунки 4, получает заряд от высоковольтного электрода, закрепленного на изоляторах 5, и вступает в контакт с поверхностью трубного пучка.

В данном комплексе впервые реализована схема работы аммиачного конденсатора с брызгальной градирней в ЭСП.

Глубину охлаждения воды и тепло­вую нагрузку градирни определяет величина ЭСП, а также  соотношение расходов воды и воздуха, проходящих через градирню. Использование открытых градирен с ЭСП  в качестве охладителей оборотной воды позволяет в зави­симости от температуры воды и расхода воздуха получить температу­ру охлажденной воды на 2-2,5 К ниже теоретического предела охлаждения воздуха.

Кроме того, при разработке испарительного конденсатора особое внимание уделялось конструкции распылительных форсунок, технические решения которых взяты из [3].  Форсунки для рас­пыления воды     (рис.3, а) состоят из корпуса 1, к которому подводится жидкость. При распыливании жидкость выходит через кольцевую щель и попадает на электрод 3, капли жидкости за­ряжаются и затем диспергируются  на более мелкие частицы. При таком способе распыления заряды, приобретенные каплями, вызы­вают некоторое увеличение поверхностной энергии капель и их ох­лаждение. Поверхностная энергия распыляемых капель зависит  от величины аэродинамических сил и от напряженности электростати­ческого поля [2].

Рис. 2. Испарительный конденсатор с охлаждением оборотной воды в открытой градирне с применением ЭСП.

На рис.3, б приведена схема пневматической форсунки. Воздух, выходя из сопла, создает разряжение во внутренней полости форсунки, в результате чего вода устремляется к выходу сопла, где происходит электростатическая зарядка и распыление охлаждающей среды. Электрод 1, смонтированный в кольцевом изоляторе, установлен на внешней поверхности корпуса. У острых кромок электрода разви­вается заряд. Между электродом и охлаждаемой поверхностью образуется электростатическое поле, в результате чего частицы принуди­тельно и равномерно осаждаются на охлаждаемой поверхности.

Форсунка включает корпус 5, камеру распы­лителя 7, тангенциальные каналы подвода жид­кости 4, сопловое отверстие 6, центральный стержень 8, изоляционную проставку 9, регулятор давления подаваемой жидкости 3, регулятор напряженности электрического поля 1, устройство связи регуля­торов напряженности 2.

Рис. 3. Форсунки для рас­пыления воды:

а – гидравлическая,  б — пневматическая, в — центробежно-струйная.

 

На рис.3 (в), в изображен продольный разрез центробежно-струйной форсунки.

Работа осуществляется следующим образом. Жидкость под давлением через регулятор  давления 3 поступает в камеру  распылителя 7 по тангенциальным каналам 4, расположенным в корпусе  форсунки 5. Напротив соплового отверстия 6 установлен центральный стержень 8, изолированный элект­рически от корпуса 5 изоляционной проставкой 9. Диаметр центрального стержня  несколько больше диаметра воздушного вихря, образующегося в сопловом отверстии 6 в результате закрутки потока жидкости в камере  распылителя. Расстояние от конца центрального стержня 8 до входа в сопловое отверстие 6 равно диаметру последнего. Внут­ренние слои жидкости затормаживаются вследствие трения о центральный стержень  и создают ради­альное распределение скорости жидкости в соп­ловом отверстии, чем обеспечивается заполнение факела.

Дополнительно в форсунке осуществляется электризация распыляемой жидкости подводом электрического потенциала к центральному стержню  или к корпусу  форсунки. Таким образом, струя жидкости находится в электрическом поле. Под действием этого поля на поверхности пленки жидкости происходит некоторое распределение давлений, деформирующее пленку и вызывающее потерю ее устойчивости, приводящее к распаду ее с образованием мелких капель жидкости. Обра­зующиеся капли приобретают электрический заряд. При этом уменьшается их собственное внутреннее давление, а, соответственно, и поверхностное на­тяжение.

С уменьшением внутреннего давления капель увеличивается эффективность воздействия аэро­динамических сил, что резко увеличивает силы взрыва капли. Чем больше напряженность элект­рического поля, тем сильнее взрыв и мельче брызги разрушенной капли.

Таким образом, подвод электрического потен­циала к форсунке способствует получению дис­персных частиц распыляемой жидкости.

Поскольку при снижении производительности форсунки за счет уменьшения давления подво­димой для распыла жидкости дисперсность полу­чаемых капель увеличивается, и сохранить качество распыла жидкости можно путем увеличения под­водимого электрического потенциала, т. е. воз­действием на регулятор  давления подаваемой жидкости, происходит одновременное воздействие на регулятор  напряженности электрического поля  1 устройством 2.  Причем, уменьшение давления подводимой жидкости сопровождается увеличением подводимого электрического потенциала и наоборот.

Данные конструктивные решения центробежно-струйных форсунок позволяют обеспечить надежную работу воздушных и испарительных конденсаторов, эконо­мию воды и равномерность распыления охлаждающей среды.

Литература:

  1. Киреев В.В. Моделирование теплообмена в воздушно-испарительном охладителе при воздействии электростатического поля // Вестник Международной Академии Холода. 2003, №4, с.10-12.
  2. Бабакин Б.С., Еркин М.А. Влияние электрического поля на интенсификацию теплообмена // Холодильная техника. №6. 1988. с.41-43.
  3. Исаченко В.П. и др. Струйное охлаждение.- М.: Энергоатомиздат, I -с. 246.
    ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ВОЗДУШНО-ИСПАРИТЕЛЬНЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТАХ
    Written by: Киреев Владимир Васильевич
    Published by: БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА
    Date Published: 03/28/2017
    Edition: ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_30.04.2015_04(13)
    Available in: Ebook