Характеристика различных насадок

	Удель­ная	Пори­стость	Эквива­	Скрость
	поверхность,	слоя	лентный диа­метр,	воздуха перед насадкой,
Тип насадки	м2		мм	м/с
Блоки из бумажных полос, вложенных синусоидально	640	0,91	6,35	3,0 - 3,5
и пропитанных смолами
Блоки из бумажных полос, уложенных ромбовидно и пропитанных смолами	580	0,83	5,90	3,0 - 3,8
Сетки из плоских капроновых нитей с ячейками размером 2х4\7мм­	2000	0,85	1,76	1,0-1,5
Пакеты из пластин мипласта	706	0,65	3,65	2,0-2,5
Керамические кольца Рашига размером  25х25х3, укладка свободная	204	0,73	15,40	0,8—1,2

Как видно из табл.2.3 сущест­венно большей удельной поверх­ностью обладает сетчатая насадка, что позволяет применять весьма тонкие слои, по 30—40 мм, вместо 200—400 мм и более для других на­садок. Это дает возможность вы­полнять многоярусные конструкции с малым гидродинамическим со­противлением 100—200 Па при параллельном объединении потоков воздуха от нескольких слоев орошаемых насадок. Наибольшую относительную скорость газа обеспечивают сото-блочные регулярные насадки и пакеты из листового материала.

Худшими из указанных свойств обладает нерегулярная насад­ка, в том числе из насыпных колец Рашига, которая характери­зуется небольшой удельной поверхностью и скоростью воздуха, повышенными гидродинамическим сопротивлением и толщиной слоя. Достоинством колец Рашига, благодаря чему они нашли широкое применение, является их коррозионная стойкость, просто­та изготовления и эксплуатации. Нерегулярные насадки обладают ограниченными возмож­ностями в обеспечении различных режимов работы: имеют много­численные застойные зоны, связанные с неравномерностью сече­ний каналов, потоков сред, несмоченные и переувлажненные участки поверхности. Применение регулярных насадок позволяет подобрать оптимальный режим работы орошаемого слоя за счет изменения диаметра, глубины и профиля каналов и характери­зуется относительно высокими значениями скорости газа, удель­ной поверхности и пористости слоя.

Наиболее наглядные примеры использования контактных аппаратов в энергетике:

1. фильтры скрубберы, в которых происходит непосредственный контакт дымовых газов с водой за счет чего улавливаются взвешенные частицы (зола, сажа), химические соединения NO_x, CO₂, CO, SO₄. Применение этих фильтров улучшает экологическое состояние окружающей среды;

градирни являются разновидностью контактных теплообменных аппаратов. Их назначение - осуществлять отвод тепла из технологического цикла предприятия, в том числе ТЭС и АЭС за счет непосредственного контакта воздуха окружающей среды с циркуляционной водой, охлаждающей конденсаторы турбин станции или испарители холодильных установок. Этот вопрос необходимо рассмотреть более подробно. На любой станции существует система охлаждения конденсаторов турбины. Она необходима для конденсации отработавшего пара. При этом замыкается термодинамический цикл. Рассмотрим этот цикл для ТЭС с перегретым паром (цикл Ренкина) на примере T-S диаграммы (рис.2.9).

Как известно, выше точки К вода в жидком состоянии существовать не может ни при каком давлении, поэтому она называется критической точкой и характеризуется t > 370^о С.

Рис. 2.9. Т-S диаграмма термодинамического цикла ТЭС

На диаграмме показаны следующие процессы:

1-2 – разогрев питательной воды до линии насыщения;

2-3 – испарение воды ( в точке 2 – вода, в точке 3 – сухой насыщенный пар);

3-4 – перегрев пара (для ТЭС: t  550^оС, Р = 13 МПа);

4-5 – работа пара в турбине (в точке 5: t  20^оС, Р  5 кПа – это минимальные параметры)

5-6 – конденсация пара;

6-1 – процесс сжатия воды в насосе.

Все эти процессы должны быть реализованы для того, чтобы замкнуть термодинамический цикл.

В прямом термодинамическом цикле, который должен протекать по часовой стрелке, энергия парообразования (процесс 2-3) больше энергии конденсации (процесс 5-6) и составляет значение удельной энергии парообразования r  2500 кДж  кг.

Таким образом, полезно используемое тепло ограничено этими процессами и заключается внутри фигуры.

Большая часть произведенного тепла выбрасывается в окружающую среду.

Например, атомная станция с реактором типа ВВЭР имеет КПД= 33%, а одноконтурная с реактором РБМК КПД = 35–36%. Тепловые станции, АЭС с реакторами на быстрых нейтронах (БН), высокотемпературными газоохлаждаемыми реакторами типа ВТГР имеют высокие параметры пара - t_п>500^oC. В них реализован термодинамический цикл Ренкина с перегревом, показанный на рис.2.8, КПД установки достигает 41%.

Чем выше температура горячего источника термодинамического цикла, тем выше КПД цикла. Так, например, температура в ВТГР достигает 1000^о С, КПД при одноконтурной схеме может достигать 50%.

Для отвода тепла в процессе 5-6 используются различные охлаждающие системы:

1. Прямоточная, когда охлаждающая вода берется выше по течению реки от станции, а сбрасывается ниже. Природоохранными органами при этом ограничен перепад температур между забором воды и сбросом: он не должен превышать более 5^о С.

2. Оборотная с прудом-охладителем. В этом случае зеркало пруда является поверхностью, с которой тепло отводится в окружающую среду. Например, на Ростовской АЭС, (Волгодонской) (рис.2.10).

Рис. 2.10. Схема оборотной системы охлаждения с прудом-охладителем: 1 – сбросной канал; 2 – дамба, ограничивающая пруд-охладитель; 3 – направление движения воды в процессе охлаждения; 4 – разделяющая дамба; 5 – береговая насосная станция

3. Оборотная с брызгательными бассейнами. В ней охлаждение воды происходит за счет ее разбрызгивания и контакта с окружающим воздухом. Например, на Запорожской АЭС пруд – охладитель небольшой, хотя действуют там 6 энергоблоков. В результате в летний период только 30% циркулирующей воды охлаждается в пруде-охладителе. Остальные 70% охлаждаются в брызгательных бассейнах и в градирне.

3. Наиболее дорогая система – охлаждения - с градирнями.

2.2.3. Градирни. Их подразделяют на сухие и мокрые. Градирня – это охлаждающая башня (рис.2.11). Основное отличие сухой градирни от мокрой заключается в том, что в сухой градирне отвод тепла осуществляется конвекцией воздуха, а в мокрой за счет испарительного охлаждения. Назначение башни – создать перепад давлений для осуществления восходящего движения воздуха.

Контакт воды с воздухом может быть реализован следующими способами:

1. капельным (капля воды падает под действием силы тяжести в восходящий поток воздуха);

2. пленочным (пленка воды стекает по деревянным или асбоцементным щитам);

3. капельно-пленочным, (который образуется при помощи полиэтиленовых сеток с ячейкой 20  40 мм).

Рис. 2.11. Схема градирни: 1 – бассейн (ковш); 2 – башня (может быть изготовлена из железобетона, листовой стали); 3 – насадок, обеспечивающий контакт воздуха с водой; 4-разбрызгивающее устройство; 5-влагоуловитель (улавливает капельный унос)

Отвод тепла от воды на 90 % осуществляется за счет испарения ее части. Только 5-10 % тепла отводится в градирне за счет конвекции.

В природе вода почти всегда имеет температуру ниже окружающего воздуха и только при влажности 100 % их температуры равны. Наибольшая разность температур достигается при максимальной сухости и может составлять 7-10^о С.

Изобарную теплоемкость влажного воздуха с_р обычно относят к 1 кг сухого воздуха, т.е. к (1+d) кг влажного воздуха. Она равна сумме теплоемкостей 1 кг сухого воздуха и d кг пара:

.

В приближенных термодинамических расче­тах процессов с влажным воздухом в не­большом диапазоне температур можно при­менять: удельную изобарную теплоемкость сухого воздуха С_рв  1,00 кДж/(кгК) = сопst; удельную изобарную теплоемкость водяного пара С_рп  2 кДж/(кгК) = соnst. В этом случае, выражая теплоемкость в кДж/(кгК), получим:

С_р=1,0+2d.

Энтальпия влажного воздуха опреде­ляется как энтальпия газовой смеси, со­стоящей из 1 кг сухого воздуха и d кг во­дяного пара:

h = h_в + d h_п.

Энтальпия 1 кг сухого воздуха, кДж/кг

h_в= c_рвt = 1  t .

Энтальпия 1 кг пара, кДж/кг, достаточно точно может быть вычислена по формуле, в которой теплота испарения во­ды при 0°С принята равной 2500 кДж/кг, а теплоемкость пара - 2 кДж/(кгК):

h_п = 2500 + 2t.

Тогда

h = t + (2500 + 2t) d . (2.1)

Ряд практических задач в области кондициони­рования, сушки материалов, вентиляции и отопления довольно просто решается с по­мощью Н, d-диаграммы, предложенной Л. К. Рамзиным в 1916 г. (рис.2.12). В диаграмме энтальпия (1+d) кг влажного воздуха (ось ординат) представлена как функция абсолютной влажности d, г/кг (ось абсцисс). Для удоб­ства пользования Н, d - диаграмма построе­на в косоугольных координатах. В ней ось абс­цисс направлена под углом 135° к оси ординат.

В представленной на рис. 2.12 диаграм­ме наклонная ось не показана, вместо нее из начала координат проведена горизон­тальная прямая, на которой даны значения влагосодержания. Таким образом, линии d = сопst - это вертикальные прямые, а ли­нии H = сопst - наклонные прямые. Так как энтальпия является линейной функцией t и d как видно из формулы (2.1), то изотермы изображаются на диаграмме прямыми линиями. Кроме того, на диаграмме нанесены кривые  = соnst. Кривая  = 100% — кривая насыщения; она является своего рода пограничной кривой, разделяющей область ненасыщенных со­стояний (вверху) и область тумана (вни­зу), в котором часть влаги находится в виде пара, а часть — в жидком или твердом виде (снег, ледяной туман).

Н, кДж/кг

Парциальное давление Р_п,мм рт.ст.

Рис.2.12. Диаграмма Рамзина для влажного воздуха

Любая точка в Н, d-диаграмме обо­значает вполне определенное физическое состояние воздуха, а изменение этого со­стояния изображается линией процесса. Так, например, в процессе нагрева воздуха в калорифере (воздухонагревателе) влаго­содержание воздуха не изменяется (d = сопst), поэтому он изображается в H, d-диаграмме вертикальной прямой (линия 1-4). В процессе охлаждения воздуха в воз­духоохладителе при d = соnst (линия 1-2) повышается его относительное влагосодер­жание и при определенной температуре t₂, равной температуре точки росы, воздух ста­новится насыщенным ( = 100%). При даль­нейшем охлаждении воздуха будет проис­ходить конденсация водяных паров из него и соответственно осушение воздуха (ли­ния 2-3). Количество сконденсированной влаги определяется конечной температурой воздуха t_з и выражается разностью влагосодержаний d₁—d_з.

Воздух может охлаждаться и за счет непосредственного испарения в него воды, имеющей более низкую температуру. Если теплота, необходимая для испарения воды, берется только из окружающего воздуха, то влагосодержание его будет увеличиваться, а температура понижаться. Такой процесс адиабатного охлаждения влажного воздуха пойдет по линии 1-5 при Н = const, а пределом охлаждения будет адиабатная температура мокрого термометра.

Влажность измеряется психрометром: это два термометра, один из которых измеряет температуру воздуха (сухой), а другой температуру испаряющейся воды (мокрый). По разнице температур сухого и мокрого термометра определяется влажность.

2.2.4. Струйные аппараты. Струйными аппаратами называются устройства, в которых осу­ществляется процесс инжекции, заключающийся в передаче кинети­ческой энергии одного потока другому потоку путем непосредствен­ного контакта (смешения).

Смешиваемые потоки могут находиться в одной и той же фазе (жидкой, паровой, газовой) или в разных фазах (например, пар и жидкость, газ и твердое тело и др.). В процессе смешения фазовое состояние смешиваемых потоков может оставаться неизменным или же изменяться (например, пар может превратиться в жидкость). По­ток, вступающий в процесс смешения с большей скоростью, назы­вается рабочим, с меньшей скоростью — инжектируемым [9].

Как правило, в струйных аппаратах происходит сначала преобра­зование потенциальной энергии и теплоты в кинетическую энергию. В процессе движения через проточную часть струйного аппарата про­исходит выравнивание скоростей смешиваемых потоков, а затем об­ратное преобразование кинетической энергии смешанного потока в по­тенциальную энергию или теплоту.

Обычно давление смешанного потока на выходе из струйного аппа­рата выше давления инжектируемого потока перед аппаратом, но ниже давления рабочего потока.

Принципиальная схема струйного аппарата показана на рис. 2.13. Основные элементы аппарата: рабочее сопло, приемная камера, ка­мера смешения, диффузор. Потоки рабочей и инжектируемой сред поступают в камеру смешения, где происходит выравнивание скоро­стей, сопровождающееся, как правило, повышением давления. Из камеры смешения поток поступает в диффузор, где происходит даль­нейший рост давления. Давление смешанного потока на выходе из диффузора выше давления инжектируемого потока, поступающего в приемную камеру.

Рис. 2.13. Схема струйного аппарата:

А — рабочее сопло; В — приемная камера; С — камера смешения;

О — диффузор

Повышение давления инжектируемого потока без непосредствен­ной затраты механической энергии является основным, принципиаль­ным качеством струйных аппаратов. Благодаря этому качеству ис­пользование струйных аппаратов во многих отраслях техники позво­ляет получать более простые и надежные технические решения по сравнению с применением механических нагнетателей (компрессоров, насосов, газодувок, вентиляторов и др.). Простота схем включения струйных аппаратов в различные уста­новки наряду с исключительной простотой их конструкции, а также несложностью их изготовления обеспечили широкую область исполь­зования этих аппаратов в технике.

В литературе струйные аппараты одного и того же типа встре­чаются под самыми различными названиями, например инжекторы, компрессоры, эжекторы, элеваторы, насосы и др. Правильнее принять классификацию струйных аппаратов, учитывая существо происходящих в аппарате процессов. Процессы, характерные для всех без исключения струйных аппа­ратов, описываются тремя законами:

• сохранения энергии (кинетической энергией рабочего и инжектируемого потоков перед аппа­ратом и сжатого потока после аппарата обычно пренебрегают):

hр + u hн = (1+u) hс,

где hр, hн, hc — энтальпии рабочего и инжектируемого потоков до аппарата и смешанного потока после аппарата, кДж/кг; u = Gн/Gp — коэффициент инжекции, т. е. отношение массового расхода инжек­тируемого потока к массовому расходу рабочего потока;

• сохранения массы

Gc = Gр + Gн,

где Gp, Gн, Gc — массовые расходы рабочего, инжектируемого и смешанного потоков, кг/с;

• сохранения импульса, который для камеры смешения произволь­ной формы (см. рис.2.12) записывается так:

Ip1 + Iн1 =  pdf + Ic3,

где Ip1, Iн1- импульс рабочего и инжектируемого потоков во вход­ном сечении камеры смешения, Н; Ic3 - импульс смешанного потока в выходном сечении камеры смешения, H; pdf - интеграл импульса по боковой поверхности камеры смешения между сечениями 1-1 и 3-3. В цилиндрической камере смешения pdf = 0,1.

Импульс потока в любом сечении

I = Gw + pf,

где G - массовый расход, кг/с; w - скорость, м/с; р - давление, Па; f - сечение, м².

В зависимости от свойств и условий взаимодействия рабочего и ин­жектируемого потоков в струйных аппаратах возникает ряд допол­нительных процессов, которые специфичны только для аппаратов определенного типа. Эти процессы существенно отражаются в работе аппаратов данного типа и должны учитываться при их расчете. Процессы, происходящие в струйных аппаратах, зависят в первую очередь от агрегатного состояния взаимодействующих сред.

С этих позиций можно все струйные аппараты разбить на следую­щие 3 группы (табл.2.4):

1) аппараты, в которых агрегатное состояние рабо­чей и инжектируемой сред одинаково; к ним относятся газопароструйные компрессоры, эжекторы и инжекторы, а также струйные насосы;

2) аппараты, в которых рабочий и инжектируемый потоки находятся в разных агрегатных состояниях, не изменяющихся в процессе смешения этих потоков. К ним относятся струйные аппараты для пневмотран­спорта, водовоздушные эжекторы и струйные аппараты для гидро­транспорта;

3) аппараты с изменяющимся агрегатным состоянием сред. В этих аппаратах ра­бочий и инжектируемые потоки до смешения находятся в разных фа­зах, а после смешения — в одной фазе, т.е. в процессе смешения из­меняется агрегатное состояние одного из потоков. Например, пароводяные инжекторы и струйные подогреватели.

Условия работы струйных аппаратов зависят также от упругих свойств взаимодействующих сред. Под упругими свойствами или сжимаемостью понимается значительное изменение удельного объема среды при изменении ее давления. На практике применяются струй­ные аппараты, в которых: а) обе среды (рабочая и инжектируемая) упруги; б) одна из сред упруга; в) обе среды неупруги.

Работа равнофазных аппаратов с упругими средами зависит в зна­чительной мере от степени сжатия инжектируемой среды, а также от степени расширения рабочей среды. Здесь и далее для краткости степенью сжатия называется отношение давления рс/рн, т. е. отноше­ние конечного давления сжатия к начальному, хотя более строго было бы назвать это отношение степенью повышения давления, по­скольку под степенью сжатия обычно понимается отношение удель­ных объемов. Аналогично под степенью расширения рабочего потока здесь понимается отношение давлений рр/рн, т. е. отношение началь­ного давления перед соплом к конечному за соплом, хотя более строго было бы назвать это отношение степенью снижения давления.

По степени сжатия и степени расширения равнофазные струйные аппараты для упругих сред можно классифицировать следующим образом:

• аппараты с большой степенью расширения и умеренной сте­пенью сжатия. Такие аппараты в дальнейшем будем называть газо­струйными или пароструйными компрессорами. Рабочей и инжекти­руемой средой в этих аппаратах является пар или газ. Степень рас­ширения рабочего потока в компрессорах велика. Отношение давле­ний рабочего и инжектируемого потоков перед компрессором во много раз больше критического отношения давлений. Степень сжатия, раз­виваемая такими аппаратами, обычно находится в пределах 2,5 > рс/рн > 1,2. К ним относятся аппараты для повышения давле­ния отработавшего пара, газа в сети и др.;

• аппараты с большой степенью расширения и большой степенью сжатия. Такие аппараты обычно применяются в установках, где тре­буется поддерживать глубокий вакуум. В дальнейшем будем назы­вать их газоструйными или пароструйными эжекторами. Степень расширения рабочего потока в эжекторах также весьма значительна. Отношение давлений рабочего и инжектируемого потоков перед эжектором рр/рн также во много раз больше критического отноше­ния давлений. Степень сжатия, создаваемая такими аппаратами рс/рн > 2,5;

• аппараты с большой степенью расширения и малой степенью сжатия. Такие аппараты в дальнейшем будем называть газоструйными или пароструйными инжекторами. Рабочей и инжектируемой средой в этих аппаратах является пар или газ. Степень расширения рабочего потока в инжекторах значительна, но степень сжатия мала: рс/рн <1,2. Поскольку степень сжатия мала, упругие свойства ин­жектируемого и смешанного потоков проявляются слабо. Поэтому при расчете таких аппаратов в основных расчетных уравнениях мо­гут не учитываться свойства сжимаемости инжектируемого и смешан­ного потоков. К таким аппаратам относятся: паровоздушные дутье­вые инжекторы топочных устройств котлов и котельных установок воздушные обдувочные инжекторы, газовые инжекционные горелки и др. На практике применяются также равнофазные струйные аппа­раты, в которых свойства сжимаемости рабочего и инжектируемого потоков не проявляются. Такие аппараты в дальнейшем будем назы­вать струйными насосами. Рабочей и инжектируемой средой в этих аппаратах в большинстве случаев является жидкость. К таким аппаратам относятся водоструй­ные насосы для откачки воды из скважин и колодцев; элеваторы широко используемые в теплофикационных системах для присоединения отопительных установок к водяным тепловым сетям, и др.

Рабочей и инжектируемой средой в струйных насосах может быть также газ или пар, но в этом случае степень расширения рабочего тела должна быть значительно меньше критического отношения дав­ления; должна быть мала также и степень сжатия (рс/рн < 12). Разнофазные струйные аппараты в зависимости от упругих свойств взаимодействующих сред можно разделить на 3 типа:

1) аппараты с упругой рабочей и неупругой инжектируемой сре­дами. К ним относятся пневмотранспортные струйные аппараты в которых газ инжектирует сыпучее твердое тело или жидкость;

2) аппараты с неупругой рабочей и упругой инжектируемой сре­дами. К ним относятся жидкостно-газовые эжекторы, например водо-воздушные;

3) аппараты, в которых обе среды неупруги. К ним относятся аппараты для гидротранспорта твердых сыпучих тел, в которых жид­кость инжектирует сыпучее твердое тело.

Струйные аппараты, в которых полностью изменяется агрегатное состояние одного из взаимодействующих потоков, можно разделить на два типа. К первому типу относятся аппараты, в которых рабочей средой является пар, а инжектируемой - жидкость (парожидкостные инжекторы). Ко второму типу относятся аппараты, в которых рабочей средой является жидкость, а инжектируемой - пар (струйные по­догреватели).

Таблица 2.4