Текст
                    

Л. Д. 'БЕРМАН ИСПАРИТЕЛЬНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ ЦИРКУЛЯЦИОННОЙ ВОДЫ ОПЕЧАТКИ Строка Напечатано Должно быть Стра- | 1’“~ нцца ' формула (5-16) Формула (6-13) ерм t в — Испарительное охлаждение циркуляционной воды. МОСКВА 1949 ЛЕНИНГРАД
эт—5—3 В книге рассматриваются теоретические основы и прак- тика испарительного охлаждения промышленной циркуляци- онной соды в прудах, брызгальных бассейнах и градирнях. В первой части книги излагаются вопросы теплообмена при- испарительном охлаждении, теория и некоторые вопросы- гидравлики охладителей; во второй части описываются кон- струкции еодоохлаждающих устройств, методы их теплового' расчета и основные правила зксплоатации охладителей. Книга предназначена для инженерно-технических работ- ников, занимающихся проектированием., эксплантацией и исследованием охладителей циркуляционной воды, и может служить учебным пособием для студентов втузов и для слу- шателей факультетов заочного повышения квалификации ин- женерно-технических работников. । Редактор Я- М. Рубинштейн Технический редактор Л, М Фридкин? Сдано в пр-во 21/1V 1949 г. Подписано к печати 1/XII 1949 г. Объем 27,5 и- л.-}-3 вклейки 31 уч.-изд, л, Тираж 2 500- Формат бумаги бОХЭЗ1/^ 43 000 тип. знак в 1 п. л.. А-15140 Заказ № 2147 Типография ГосэнергоизДата. Москва, Шлюзовая наб., 10
ПРЕДИСЛОВИЕ Испарительное охлаждение циркуляционной воды получи- ло очень широкое применение в различных отраслях нашей промышленности и, в частности, в энергетике. Устройства, в которых осуществляется испарительное охлаждение воды, вы- деляются среди многочисленных типов теплообменных аппа- ратов своеобразием протекающего в них процесса теплообмена, сопровождающегося переносом вещества, сильно отличаются по своим конструктивным особенностям, а также по условиям их эксплоатации. Изучению рабочих процессов этих устройств, разработке их рациональных конструкций и правил эксплоа- тации в СССР за последние двадцать лет было посвящено большое число работ, описанных, главным образом, в специ- альных журналах и сборниках. Предлагаемая работа имеет целью дать собранное в одной книге систематическое изложение основных вопросов теории, проектирования и эксплоатации охладителей циркуляционной воды и этим облегчить практическое использование богатого опыта, накопленного в данной области советскими специали- стами. Наряду с этим ее задачей является также помочь пра- вильной постановке продолжающихся у нас исследований в области испарительного охлаждения воды. Первоначально эта книга была задумана как переработанное издание моно- графии автора «Градирни», вышедшей в 1941 г., но затем круг рассматриваемых в ней вопросов был расширен с тем, чтобы охватить и другие типы применяющихся в промышлен- ной практике водоохлаждающих устройств, в которых исполь- зуется принцип испарительного охлаждения. Книга разделена на две части. В первой части рассматри- ваются теплообмен при испарительном охлаждении и вопросы теории охладителей, разработкой которых занимались в СССР Всесоюзный теплотехнический научно-исследовательский ин-
4 Предисловие ститут ям. Ф. Дз^жинского (ВТИ), Всесоюзный научно-иссле- довательский институт гидротехники (ВНИИГ), Сектор прудо- вого хозяйства СЗО ТЭП и некоторые другие организации. Вопросы теории испарительного охлаждения излагаются в книге под углом зрения решения практических задач, связан- ных с конструированием и расчетом охладителей. Вторая часть книги непосредственно касается практики ис- парительного охлаждения циркуляционной воды. В пей рас- сматриваются конструкции охладителей, области применения охладителей различных типов, методы их теплового расчета и основные правила эксплоатации. Описание конструкций дается, главным образом, по материалам трестов Теплоэлектропроект, Промэнергопроект и Центр оэнер го монтаж, обладающих боль- шим опытом в области проектирования охладителей. Кроме того, использованы материалы и ряда других организаций, а также описываются некоторые, представляющие интерес для нашего читателя, зарубежные конструкции охладителей. Изла- гаемые методы теплового расчета базируются как на теорети- ческих решениях, описанных в первой части книги, так и на чисто эмпирических данных, систематизированных ВТИ, по- скольку более строгие методы расчета оказываются пока при- ложимыми далеко не ко всем типам охладителей. В главе об эксплоатации охладителей использованы в первую очередь материалы ВТИ и ОРГРЭС. В ней даны также некоторые сведения о водном режиме в циркуляционной системе. Ряд ценных указаний был сделан при просмотре рукописи проф. Я- М. Рубинштейном и инж. В. Н. Покровским, которым приношу свою благодарность. Выражаю также благодарность инж. В. В. Абрамову, И. Э. Апельцину, Е. М. Бурмейстеру, Г. Г. Джанибекову, К. И. Корбушу и Б. С. ФарфоровскоМу, любезно предоставившим мне ряд материалов, использован- ных в книге. Автор
z СОДЕРЖАНИЕ Предисловие...................................... . . . . 3 Основные обозначения .. . .............................. 7 Введение ......................................... ....... 9 Часть первая ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ Глава первая. Теплообмен при испарительном охлаждении ... 12 1-1. Особенности испарительного охлаждения ......... 12 1-2. Свойства влажного воздуха...................... 16 1-3. Строение воздушного потока..................... 22 1-4. Основные законы распространения тепла и массы .... 25 1-5. Количество переданного тепла и испарившейся жидкости 33 1-6. Условия и критерии подобия.................... 37 1-7. Связь между коэффициентами тепло- и массоотдачи ... 42 1-8. Опытные данные................................. 45 1-9. Теоретический предел охлаждения . ............. 58 Глава вторая. Теория охладителей.......................... 63 2-1. Охлаждение воды в открытом водоеме (в пруду) .... ^63^ 2-2. Охлаждение воды в брызгальном бассейне........ 2-3. Процесс в закрытом охладителе. Теоретический расход '“х воздуха........................................ 73 2-4. Охлаждение воды при противотоке (расход воздуха выше теоретического)................................. 77 2-5. Определение поверхности охлаждения и температуры охлажденной воды................................ 84 2-6. Охлаждение воды при противотоке (расход воздуха ниже теоретического)............................... 87 2-7. Охлаждение воды при поперечном токе..... . . 93 2-8. Первое упрощенное решение для закрытого охладителя (противоток) ..... .............................. 95 2-9. Второе упрощенное решение для закрытого охладителя (противоток и поперечный ток)........... . 100 Глава третья. Вопросы гидравлики и распределения воздуха в охладителях............................................ ПО 3-1. Течение воды в открытом водоеме ................ПО 3-2. Механическое распиливание воды соплами.........117 3-3. Распиливание воды в решетнике ............ 127 3-4. Течение жидкости в пленочном охладителе........140 3-5. Сопротивление оросительного устройства потоку воздуха .146 3-6, Распределение воздуха в противоточном охладителе ... 153
6 Содержание Часть вторая ВОДООХЛАЖДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА Глава четвертая. Типы и конструкции охладителей..............162 4-1. Классификация охладителей......................... 162 4-2. Характеристики охладителей (основные определения) . . 164 \ 4-3. Охлаждающие пруды.................................. 169 * 4-4. Брызгальные бассейны...............................гЛП) 4-5. Открытые градирни..................................’20о 4-6. Башенные градирни — брызгальные и капельные .... 225 4-7. Башенные градирни — пленочные и комбинированные . . 249 4-8. Вытяжные башни.....................................265 4-9. Вентиляторные градирни........................... 274 4-10. Материалы для охладителей.........................292 4-11. Области применения охладителей различных типов . . . 296 Глава пятая. Тепловой расчет охладителей.....................301 5-1. Общие замечания. Задание для расчета ......... 301 5-2. Расчет охлаждающих прудов........................ 308 5-3. Расчет поверхности охлаждения противоточной градирни 315 5-4. Расчет поверхности охлаждения градирни по упрощенным методам. Размеры оросителя.......................... 323 5-5. Расчет вентиляции градирен....................... 336 5-6. Поверочные расчеты башенных градирен...............341 5-7. Опытные зависимости для градирен...................346 5-8. Расчет водораспределительного устройства градирни . . 367 5-9. Определение основных размеров брызгального бассейна 5-10. Определение количества добавочной воды............365 Глава шестая. Эксплоатация охладителей......................369 6-1. Общие положения...................................369 6-2. Контроль работы охладителей.......................371 6-3. Уход за капельными и пленочными градирнями........380 6-4. Уход за брызгальными градирнями й брызгальными бас- сеймами........................................... 6-5. Уход за водосборными резервуарами и опарными кокет- рукциями .... .............................387 6-6. Уход за охлаждающими прудами.....................389, 6-7. Эксплоатация охладителей в зимнее время ....... 390 6-8. Водный режим в циркуляционной системе ........ 399 6-9. Расчеты и контроль водного режима ................409 6-10. Борьба с цветением и зарастанием охладителей .... 420 ПРИЛОЖЕНИЯ I. Физические константы воды ....................... 426 [ И. Физические константы воздуха при давлении 1 ома . - . 426 Ш. Давления насыщенного водяного пара (в ama) при тем- ; пературах от 0° до Ю0°С........................... 427 IV. Теплосодержание влажного воздуха .......................... f V. Влагосодержание воздуха................... VI. Удельный вес влажного воздуха....................430 VII. Психрометрическая диаграмма. « _............- > . 431 ! Библиография........................................ 432 Алфавитный указатель..........,........................ 437 i
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ теплоемкость1 влажного воздуха*, ккал/кг °C. с — теплоемкость1 сухого воздуха, ядсйл/яг °C, сп —теплоемкость1 водяного пара, кксиЦкг °C. сем теплоемкость влажного воздуха1, отнесенная к 1 кг смеси, ккал/кг °C. — теплоемкость жидкости (воды), !скал}кг °C. d—действительный или гидравлический диаметр, лш или м. f— удельная поверхность охлаждения, /уд удельная площадь активной зоны охлаждающего пруда, лт2 сутки]м\ f,F — поверхность охлаждения, .и2. F — полная площадь активной зоны пруда, ж2, Гд —действительная поверхность зеркала пруда, м*. Fap — площадь оросителя градирни, ж2. F — воздушное сечение оросителя градирни, л*. gc —производительность сопла, ти/чйс или —удельная гидравлическая нагрузка орошаемой поверхности (на 1 пог. ж), кг]м час. Ge—расход добавочной воды, кг]час, т]час или м^час. G.K — гидравлическая нагрузка охладителя (количество охлаж- даемой воды), кг/час, m/час или G6 —расход воздуха, кг)час. Ga — количество испаряющейся воды, кг/чдс, т,]час или я?]час. И — напор воды перед соплом, ж вод, ст, Н6 , Н— высота оросителя, башни и всей градирни, м. Z, i6A —теплосодержание влажного воздуха*, ккал'кг. Г, ^"ал — теплосодержание насыщенного влажного воздуха*, ккал;кг. ie—теплосодержание сухого воздуха, ккал!кг. in — теплосодержание водяного пара, ккал]кг, F - Р— — коэффициент использования охлаждающего пруда. kp — коэффициент диффузии, отнесенный к градиенту парциаль- ных давлений, м/час. v, рп— парциальное давление водяного пара во влажном воздухе, ата. р" —парциальное давление пара в насыщенном воздухе, ата. р& — барометрическое давление, ата или мм рт. ст. ре —парциальное давление сухого воздуха, ата. Ръ Р& — потери воды вследствие испарения, уноса и продувки, %. q — плотность орошения, м^м* час. Q — тепловая нагрузка охладителя, ккал]чаа. с - теплота испарения воды, ккал/кг. Re , — газовые постоянные для сухого воздуха и водяного пара. кгм/кг град. 1 При постоянном давлений. Отнесены к 1 кг сухого воздуха в смеси.
g Основные обозначения t— температура воды, СС. £]—температура поступающей в охладитель воды, °C. 4—температура охлажденной воды, СС* te —естественная температура воды в пруду, °C. Т— абсолютная температура, °К. — объем оросителя, л3. Уй -%- объемный расход воздуха, я*/час. да—Хскорость, м/с&к. ws , w0 — абсолютная и относительная скорости воздуха в оросителе градирни, м/сек, — скорость жидкости, м/сек. х— влагосодёржание воздуха, кг/кг. х”—влагосодержапие насыщенного воздуха, кг/кг. Z—полное сопротивление градирни или сила тяги, мм вод, ст, а—коэффициент теплоотдачи, ккал/м^ час °C, —объемный коэффициент теплоотдачи, ккал/м* час °C. — коэффициент массоотдачи (испарения), отнесенный к раз-' ности парциальных давлений пара, кг/м? час ат, — коэффициент массоотдачи, отнесенный к разности влаго- содержаний, кг/лА час (кг/кг). —объемные коэффициенты массоотдачи, кг/м3- нас ат я кг/мЛ час (кг/кг). 7— удельный вес, кг/м3. '(9 — удельный вес воздуха, кг/м%. 7^,—удельный вес воды, кг[м%. С—коэффициент сопротивления. ft—температура воздуха, °C. 1— коэффициент теплопроводности, ккал!м час °C. <?е ) = q— — относительный расход воздуха, кг/кг. аг — теоретический расход воздуха, к?/кг. |а— коэффициент динамической вязкости, кг сек/м*. и— коэффициент расхода сопла и сливной трубки. v— коэффициент кинематической вязкости, л^/сск. у р = — —плотность, кг секР/м4. г—температура влажного термометра или предел охлаждения, °C. ср—относительная влажность воздуха. F 2 = Q— — приведенная поверхность охлаждения, м2/м^ ат, ширина зоны охлаждения (перепад температур воды), СС. А/—разность теплосодержаний воздуха, ккал/кг. Параметры влажного воздуха в охладителе fti, f1( рр ii — наружный воздух (входящий в охладитель). fta, fa, Ль х* — уходящий воздух. Рр Хр 4 — насыщенный воздух у поверхности жидкости при началь- ной температуре воды р%, х?, 4 — насыщенный воздуху поверхности жидкости при тем- пературе охлажденной воды t2.
ВВЕДЕНИЕ Осуществление грандиозной программы социалистической индустриализации нашей страны привело наряду с ростом старых промышленных районов к созданию многочисленных новых центров промышленности во всех республиках СССР, Выполняемая сейчас программа нового мощного подъема про- изводительных сил Советского Союза, намеченная товарищем Сталиным, предусматривает дальнейший рост промышленности во всех частях страны. Одной из многих задач, разрешения которых требует созда- ние новых промышленных предприятий, является обеспечение их водой. Разнообразие требований, предъявляемых при этом отдельными отраслями промышленности, а также особенности отдельных районов СССР в отношении наличия водных ресур- сов, качества и возможности использования имеющихся при- родных вод, приводят к применению и различных технических решений. В ряде важнейших отраслей промышленности, таких, как энергетика, химия, металлургия и др., приходится сталкиваться с необходимостью отведения больших количеств тепла при низких температурах. В качестве среды, воспринимающей это тепло в производственных аппаратах, используется большей частью вода, играющая здесь роль охладительного агента. На цели охлаждения расходуется преобладающая доля из боль- шого количества воды, потребляемого промышленностью. Применение охлаждающей воды связано в одних случаях с осуществлением самого технологического процесса, например, с конденсацией отработавшего пара после расширения его в паровых двигателях или со сжижением продукта химического производства, в других — с предохранением от быстрого раз- рушения под влиянием высоких температур отдельных элемен- тов конструкций, например цилиндров двигателей внутреннего сгорания или кладки производственных печей. В зависимости от назначения охлаждающей воды требования, предъявляемые к ней в отношении ее температуры и качества, т. е. содержа- ния различных примесей, могут быть весьма разнообразны. Большей частью предъявляются требования, чтобы темпе- ратура воды не превосходила определенного, сравнительно не- высокого предела, а содержание в пей примесей не приводило
)0 Введение бы к образованию отложений в системе или коррозии метал- лических частей. Это диктуется условиями протекания произ- водственных процессов, а также требованиями надежности и экономичности работы установок. Так, на паротурбинных элек- тростанциях повышение температуры охлаждающей воды вле- чет за собой увеличение расхода топлива на выработку элек- троэнергии, а при известных условиях и понижение распола- гаемой мощности; на нефтеперерабатывающих заводах и в ряде химических производств оно связано с уменьшением вы- хода продукции, а иногда с потерей наиболее ценных ее со- ставляющих, например, легкокипящих фракций нефти; на хо- лодильных установках оно приводит к понижению их холодо- производительности и т. д. К. таким же результатам приводят и отложения (накипь, слизь) на охлаждаемых поверхностях, ухудшающие теплообмен. Когда охлаждение имеет целью поддержание температуры металла или кладки в допустимых пределах, органические или минеральные отложения могут вести к чрезмерному повышению этой температуры и в том случае, если температура охлаждающей воды сравнительно невелика. Температурный режим охлаждаемых аппаратов требует обычно наряду с достаточно низкой температурой поступаю- щей воды также и ограничения нагрева ее в системе. Это при- водит к большим расходам воды, достигающим для отдельных предприятий тысяч и даже десятков тысяч кубических метров в час (электростанции, металлургические и нефтеперерабаты- вающие заводы и др.). Лишь в сравнительно немногих слу- чаях может допускаться значительный нагрев воды, вплоть до температуры кипения (например, «горячее» или «кипящее» охлаждение двигателей внутреннего сгорания), что позволяет заметно снизить ее расход. При наличии достаточного по мощности водного источника (реки, озера или др.) большей частью применяется прямо- точная система водоснабжения, при которой забираемая из источника вода используется однократно для целей охлажде- ния и затем сбрасывается. Но такая система водоснабжения может быть осуществлена далеко не всегда. Препятствиями к этому могут являться как недостаточный дебит водного источ- ника, так и техническая, сложность и высокая стоимость тре- бующихся сооружений. Последнее может обуславливаться необходимостью подачи воды на большое расстояние или большую высоту; значитель- ными колебаниями уровня воды в реке, затрудняющими устройство водозабора; сильной минерализованностью воды или загрязненностью ее химически агрессивными примесями, требующими дорогостоящей очистки, и т. д. Удаленность вод- ного источника или высокая стоимость воды, например, в го- родах, где возможно получение ее только из питьевого водо-
Введение 11 мровода, могут приводить к отказу от прямоточного водоснаб- жения и в случаях незначительного расхода охлаждающей .воды (небольшие холодильные и силовые установки, транс- форматорные и ртутные подстанции, радиостанции и т. д.). Когда применение прямоточного водоснабжения оказывает- ся невозможным или экономически нецелесообразным, может быть осуществлено непосредственное воздушное охлаждение или охлаждение с помощью воды, циркулирующей в замкну- той системе и выполняющей роль промежуточного теплоноси- теля между охлаждаемым устройством и наружным воздухом. В последнем случае систему водоснабжения называют обо- ротной, а воду, циркулирующую в замкнутой системе, цир- куляционной водой. Непосредственное использование в качестве внешней тепло- воспринимающей среды воздуха получило очень незначитель- ное распространение. Обуславливается это в основном очень низким коэффициентом теплоотдачи от охлаждаемой поверх- ности к воздуху, вследствие чего требуемая поверхность охлаждения возрастает в несколько десятков раз сравнительно с водяным охлаждением, и малой теплоемкостью воздуха, вы- зывающей высокую затрату электроэнергии* на подачу боль- ших его количеств с помощью вентиляторов. Указанные недостатки воздушного охлаждения сохраняют- ся и при оборотной системе водоснабжения, когда воздух используется для охлажде- ния циркуляционной воды в поверхностных теплообмен- никах (калориферах или ра- диаторах). Значительное повышение интенсивности теплообмена между циркуляционной во- дой и воздухом, а также уменьшение потребного ко- личества воздуха достигают- Фиг. 1-1. Схема оборотного водо- снабжения. I—охлаждаемый рабочий'аппарат; 2—во до ох- лаждающее устройство; 3 -резервуар охлаж- дешюй воды; 4—циркуляционный насос; й —добазочная вода; 6—сброс йоды. ся в случае применения кон- тактных охладителей, ис- пользующих принцип и с п а- рнтельного охлаж- дения воды (фиг. 11). При этом охладитель может быть выполнен из более дешевых и менее дефицитных материалов, а затрата мощности на вентиляторы или вовсе отпадает, или становится во много раз меньшей, чем при поверхностных охла- дителях. Благодаря этим преимуществам испарительное охлаждение циркуляционной воды получило преобладающее применение в систем ах оборотного водоснабжения.
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГЛАВА ПЕРВАЯ ТЕПЛООБМЕН ПРИ ИСПАРИТЕЛЬНОМ ОХЛАЖДЕНИИ 1-1. ОСОБЕННОСТИ ИСПАРИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ Под испарительным охлаждением жидкости понимается охлаждение ее в результате процессов тепло- и массообмена, возникающих при непосредственном соприкосновении свобод- ной поверхности жидкости с каким-либо газом или же смесью газов, например атмосферным воздухом. Понижение темпера' туры жидкости происходит при этом в результате: а) теплоотдачи соприкосновением; б) излучения; в) поверхностного испарения жидкости. Роль каждого из этих процессов в охлаждении жидкости может быть различной в зависимости от физических свойств и параметров жидкости и газа. В рассматриваемых ниже охлаждающих устройствах, где обменивающимися теплом сре- дами являются вода и атмосферный воздух, в течение большей части года преобладающую роль в охлаждении воды играет поверхностное испарение, посредством которого от воды отво- дится до 80—90% всего количества отдаваемого ею тепла. При . низких температурах наружного воздуха роль поверхностного испарения снижается и доля отдаваемого водой тепла, прихо- дящаяся на теплоотдачу соприкосновением, увеличивается до 50—70% против 10—20%<в летнее время. Теплообмен излучением большей частью не играет суще- ственной роли в водоохлаждающих устройствах и его не при- нимают во внимание. Исключением являются открытые водо- емы с большим зеркалом (охлаждающие пруды), где солнеч- ная радиация и излучение водной поверхности существенно отражаются на охлаждении воды. Механизм процесса поверхностного испарения жидкости при температурах ниже точки кипения согласно кинетической теории следующий Ч Вследствие беспорядочного теплового дви- жения молекул жидкости скорости их в очень широких преде- 1 О. Д. X в ел ь с о н. Курс физики, т. 1, изд. 5-е, ГИЗ, 1923, стр. 430; В. В. Шулейкин, ЖРФ ХО, ч. физ., т. 58, 1926, стр. 527; А1. Бара- наев, «Успехи химии1-, т. VIJ, 1938, вып. 8, стр. 1231 и др.
§ Id ] Особенности испарительного охлаждения 13 лах отклоняются от среднего значения. Часть поверхностных молекул, обладающих кинетической энергией, достаточной для преодоления сил сцепления, вырывается в расположенную над поверхностью жидкости газовую среду. Вследствие столкнове- ний этих молекул между собой и с молекулами газа они ча- стично отражаются обратно к поверхности жидкости, где вновь отражаются от нее или же поглощаются жидкостью. Часть вырвавшихся или отраженных от поверхности жидкости моле- кул проникает в результате диффузии и конвекции в газовую среду и уже безвозвратно теряется жидкостью. ‘ Количество испарившейся жидкости представляет собой, таким образом, разность между количеством па молекул жидко- сти, оторвавшихся от ее поверхности вследствие теплового движения, и количеством пк молекул, вновь поглощенных жидкостью при ударах о ее поверхность, т. е. (1-1) где п — количество молекул, отвечающее видимому испаре- нию с единицы поверхности в единицу времени. Жидкость теряет при испарении наиболее быстро движу- щиеся молекулы, вследствие чего средняя кинетическая энер- гия, оставшихся молекул уменьшается или, иначе говоря, тем- пература жидкости становится ниже. Избыточную энергию вырвавшихся молекул, затрачиваемую на преодоление сил сцепления и работу увеличения объема при испарении, назы- вают теплотой испарения. При испарении в газовую среду скорость удаления моле- кул пара от поверхности в результате диффузии и конвекции ничтожно мала сравнительно со скоростью испускания моле- кул жидкостью. Поэтому в слое, непосредственно прилегаю- щем к поверхности жидкости, происходит быстрое накопление молекул пара, прекращающееся, когда парциальное давление пара в этом слое достигает значения, при котором устанавли- вается равенство (1-1). Если рассматривать процессы испускания и обратной кон- денсации молекул, как происходящие независимо друг от друга, то значения пи и пк можно считать пропорциональными соответственно давлению насыщенного пара р" при темпера- туре поверхности жидкости и парциальному давлению пара р* в прилегающем к поверхности слое. Принимая в качестве первого приближения одинаковый коэффициент пропорциональности для обоих процессов, можно для коли- чества молекул п при установившемся состоянии системы написать следующую зависимость: р*), (1-2) где /С—коэффициент пропорциональности.
14 Теплообмен при испарительном охлаждении [гл. X С другой стороны, согласно существующим представлениям можно принять, что количество молекул пара /г, удаляю- щихся от поверхности, пропорционально разности давления р* и парциального давления пара р в окружающей среде на достаточном удалении от поверхности. Обозначая соответствующий коэффициент пропорциональности через можем написать п = К!(р* — р). (1-3) Приравнивая правые части уравнений (1-2) и (1-3) и решая полученное равенство относительно р*} находим: (1-4) Как показывают теоретические и опытные данные, при. испарении воды в воздухе под атмосферным давлением коэф- фициент К в несколько сот раз больше коэффициента /С, Поэтому в уравнении (1-4) можно пренебречь значениями К'р и К' сравнительно с Кр" и К. Тогда р* == р". (1-4а) Отсюда следует, что хотя, строго говоря, при испарении, давление пара над поверхностью жидкости несколько ниже давления насыщения, отвечающего температуре этой поверх- ности, практически этим отличием можно обычно прене- брегать, считая, что пар у поверхности жидкости является насыщенным1. Поверхностное испарение жидкости происходит при р"^>р независимо от того, выше или ниже температура жидкости,, чем температура газа, омывающего ее поверхность. При этом испарение жидкости всегда связано с ее охлаждением. В отличие от этого перенос тепла в результате теплоотдачи соприкосновением (теплопроводности и конвекции) может происходить как от жидкости к газу, так и от газа к жидкости в зависимости от того, какая из этих сред имеет более высо- кую температуру. Когда температура жидкости выше температуры газа, охлаждение ее происходит в результате совместного действия поверхностного испарения и теплоотдачи соприкосновением. 1 Некоторыми авторами, в том числе Аккерманом, высказывалось предположение о значительном понижении парциального давления пара у поверхности жидкости сравнительно с давлением.насыщения, отвечаю- щим температуре этой поверхности. Но, как нам неоднократно прихо- дилось уже отмечать, этот взгляд основывается па неправильной обра- ботке опытных данных, в частности по испарительному охлаждению во- ды в градирнях, и не подтверждается более надежными данными.
§ 1-1 ] Особенности испарительного охлаждения 15 Температура газа при этом повышается. Напротив, когда тем- пература газа выше, чем температура жидкости, теплоотдача соприкосновением приводит к охлаждению газа и передаче части его тепла жидкости. Но пока количество этого тепла меньше количества тепла, теряемого жидкостью благодаря по- верхностному испарению, охлаждение жидкости не прекра- щается. Оно происходит до тех пор, пока направленный от газа к жидкости поток тепла вследствие теплоотдачи сопри- косновением не становится равным затрате тепла на испаре- ние. В этом случае достигается теоретический предел охлаждения жидкости. Из сказанного видно, что при испарительном охлаждении наряду с обычными явлениями переноса тепла большую роль играет процесс испарения, сопровождающийся' переносом ве- щества или массы. Количество отдаваемого жидкостью тепла,, а также возможный предел ее охлаждения определяются при этом не только температурой охлаждающей газовой среды, но и содержанием в ней паров данной жидкости. Температура газовой среды может при этом как повышаться, так и пони- жаться, тогда как содержание в ней паров жидкости и тепло- содержание парогазовой смеси растут. Поверхностное испаре- ние позволяет осуществить охлаждение жидкости не только до начальной температуры охлаждающей среды, но и до темпе- ратуры более низкой, что является особенностью, свойственной только испарительному охлаждению. Первые работы в области изучения закономерностей испа- рительного охлаждения жидкостей относятся примерно к сере- дине XVIII в. Одним из основоположников научного исследо- вания в этой области является ближайший сотрудник М. В. Ломоносова известный русский физик акад. Г. В. Рихман. Экспериментальные исследования Г. В. Рихмана, опубликован- ные в докладах Петербургской Академии наук охватили ряд вопросов теплообмена и испарения, в том числе: «Исследование свойства, как жидкие тела в сосудах на воз- духе непременной теплоты в некоторое определенное время про- стывают...» или, если пользоваться современной терминологией, исследо- вание испарительного охлаждения жидкостей в открытых со- судах при неизменной температуре воздуха. Г. В. Рихман впервые открыл непосредственно связанное с испарительным охлаждением влияние смачивания шарика термометра на по- казания последнего, т. е. явление, использованное уже позд- нее,. в начале XIX в., для создания психрометра. , В дальнейшем основное внимание исследователей было на- 1 CommentнН Academiae Sciential urn Imperially Petropolitanae, 1744--- 175J.
16 Теплообмен при испарительном охлаждении [гл. 1 правлено в сторону изучения раздельно протекающих процес- сов теплообмена и испарения, и в течение длительного периода изучение испарительного охлаждения производилось, главным образом, применительно к условиям работы психрометров. Здесь должны быть отмечены работы русского ученого Н. А. Зворыкина, относящиеся к концу XIX в.1. Промышленное использование испарительного охлаждения потребовало расширения круга этих работ, и в 20—30-х годах настоящего столетия появляются теоретические и эксперимен- тальные исследования, посвященные изучению испарительного охлаждения циркуляционной воды, продолжающиеся по на- стоящее время. Из первых отечественных исследований промышленного характера нужно особо указать на проводившиеся во Всесоюз- ном теплотехническом институте им. Ф. Дзержинского работы А. Н, Арефьева в области экспериментального изучения дей- ствующих охладителей (градирен и брызгальных бассейнов), а также на проводившиеся в Отделе исследований Л. О. Энер- гостроя работы Н. М. Вернадского по изучению охлаждающих прудов, положившие начало разработке у нас в Советском Союзе теории промышленных охладителей, использующих принцип испарительного охлаждения воды-. 1-2. СВОЙСТВА ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА Атмосферный воздух, используемый для охлаждения цир- куляционной воды, всегда содержит некоторое количество водя- ного пара, т. е. является влажным. Содержащийся в атмосфер- ном воздухе водяной пар находится обычно в перегретом со- стоянии. Условимся в дальнейшем под сухим воздухом пони- мать смесь содержащихся в воздухе газов, исключая только водяной пар, а влажный воздух условно считать состоя- щим из двух частей: сухого воздуха и водяного пара. В пределах интересующей нас области давлений и темпе- ратур сухой воздух и водяной пар, даже если последний нахо- дится в состоянии, близком к насыщению, могут рассматри- ваться как идеальные газы. Это позволяет применять для влажного воздуха те же законы, что и для смеси двух идеаль- ных газов. По закону Дальтона давление влажного воздуха должно равняться сумме парциальных давлений сухого воздуха ps и водяного пара ря: Рв=Р' + Р„- (1-Я 1 Н. А. Зворыкин, Определение влажности посредством психро- метра, Приложение к „Запискам Академии наук", т. И, СПБ, 1881.
§ 1-2] Свойства влажного воздуха 17 где рЕ— давление смеси, которое для условий охладителей циркуляционной воды всегда может приниматься равным барометрическому давлению. В дальнейлем парциальное давление пара будет обо- значаться также для простоты без индекса, остальные же давления всюду отмечаются соответствующими подстрочными индексами. Парциальные давления сухого воздуха и пара могут быть определены из уравнения состояния Клапейрона: ^ ^PT-iO-4 и —£лТ-10-4, Т3 3 Ъг п ’ (1-6) воз- пара тел- где Ye и ?л — удельные веса сухого воздуха и пара, дг/лг; /?й и /?л—газовые постоянные для сухого воздуха и пара, кгм{кг град; Т—температура, °К, Давления р0, рп и рп выражаются здесь и ниже, за исключением особо оговоренных случаев, в технических атмосферах (кг/сщ2), в соответствии с чем в уравнения (1-6) и введен множитель 10~4 с правой стороны. Газовые постоянные составляют для сухого 1^7 духа £е=29,27 кгм[кг град и для водяного „.Jfe1'£„“47,05 дгж/кг град. Для влажного воздуха при атмосферном давлении и иературах ниже 100° С максимально возможный вес водяного паРа’ содержащегося в I ж3 смеси, определяется условием, .'что парциальное давление водяного пара не может превзойти давление насыщенного пара при данной температуре. Если в единице объема влажного воздуха определенной температуры содержится такое количество водяного пара, 'Шк что парциальное давление последнего рп равно давлению Ой/'его насыщения р'п, то дальнейшее поглощение пара воздухом уже невозможно, и влажный воздух в этом случае также называют пасы щ е н н ы м. Отношение веса п(„ водяного пара, заключающегося в 1 м3 Смеси, к максимальному его весовому количеству, которое Могло бы в этом объеме содержался, т. е. для смеси с тем- пературой ниже 100° С к удельному весу ?л насыщенного 1 ||^йодяного пара той же температуры, называется огноси- ^:^.;Тельной влажностью воздуха и обозначается через о. Принимая, что водяной пар подчиняется законам для 7?^: .-Идеальных газов, т. е, при данной температуре удельный вес г'>Ц;Пара пропорционален его парциальному дав^Шло;- относи-,. .. тельную влажность воздуха можно определись как Л. Д. Берман. ? И,*:-
18 Теплообмен при испарительном охлаждении [ гл. I отношение парциального давления рп пара, содержащегося в смеси, к давлению р“ насыщенного пара той же темпера- туры, т. е. г Уп . _ Ртг z, ?—>—7- (1-/) >п Рп Отсюда для парциальных давлений водяного пара и су- хого воздуха можно написать: Р*=ЧР„ И Р' = Рв— ЧРп- U’8) Содержание водяного пара в смеси характеризуется вели- чиной влагосодержания х, представ ляющей собой отношение веса водяного пара к весу содержащегося в том же объеме сухого воздуха1, т. е. х = С1'9) Заменяя здесь удельные веса согласно (1-6) и подставляя численные значения газовых постоянных, получаем, принимая во внимание (1-8), что „ = 0 622 = 0,622 ™ 0,622 ~-?Лг „. (1-10) Ро Рб-Рп Рб-^Л Величина влагосодержания х" насыщенного воздуха (при определяет максимальное весовое количество водяного пара, которое может содержаться во влажном воздухе на 1 кг заключающегося в нем сухого воздуха, т. е. характеризует влагопоглощающую способность воздуха при данных рБ и Т. С повышением температуры воздуха его влаго- поглощающая способность быстро растет1 2. Из равенства (1-Ю) следует, что при данном барометри- ческом давлении парциальное давление пара однозначно определяется влагосодержанисм, причем 0,622 + х ’ 1) Влагосодержание определяет также и температуру, до которой при данном давлении рБ нужно охладить влажный 1 Здесь влагосодержание выражено в кг/к?. В нашей литературе в качестве единицы измерения для влагосодержания часто применяется также г/кг, причем оно обозначается при этом через d. Очевидно, что d ~z 1 000 х. 2 См. приложение V в конце книги.
Свойства влажного воздуха 19 'Жг' воздух, чтобы содержащийся в нем водяной пар достиг состояния насыщения, или, что то же, чтобы влажный воз- дух стал насыщенным. Эту температуру называют точкой росы. При понижении температуры воздуха ниже точки росы Уу... начинается конденсация пара в объеме воздуха (появление тумана). У?- В чистом воздухе при отсутствии ядер конденсации воз- уУ можно пересыщение пара. Конденсация последнего в объеме начинается в этом случае при достижении определенной критической степени пересыщения. Однако, в атмосферном V/ воздухе, содержащем ионы, а также твердые частицы (пыль ...у.;, и др-), образующие ядра конденсации,’ возможная степень УУ пересыщения весьма мала, и конденсация пара практически У? начинается уже при достижении точки росы. Чтобы опреде- лить точку росы для влажного воздуха с данным влагосо- :Ж. держанием х, нужно подсчитать но формуле (1-11) парциаль- ное давление пара рп и по таблицам водяного пара найти у.соответствующую рп температуру насыщения — это и будет Уу, точка росы- У: Удельный вес влажного воздуха определяется как сумма . удельных весов, содержащихся в смеси сухого воздуха и во- дикого пара: У + (1-12) Как и для всех газов и их смесей, величина удельного веса У влажного воздуха понижается с уменьшением давления и у. повышением температуры. Здесь важно еще отметить, что Jy удельный вес влажного воздуха уменьшается У с повышением его относительной влажности1 При испарительном охлаждении вес сухого воздуха, содер- жу жащегося в смеси, не меняется, поэтому удобно при рассмотре- у нии этого процесса относить теплосодержание и теплоемкость влажного воздуха не к единице веса смеси, а к 1 кг содер- у жащегося в ней сухого воздуха, т. е. к количеству смеси У'.' весом I ; х кг. Теплосодержание влажного воздуха2 определится при .у; этом как сумма теплосодержаний 1 кг сухого воздуха и х кг У.водяного пара: у Zej"ккал1кг (сухого воздуха), (1-13) У. У. 1 См. приложение VI. У 2 Для теплосодержания влажного воздуха часто применяется обо- У значение 7, но из соображений единообразия обозначений мы сохраняем УУ для него, как и для теплосодержаний сухого воздуха и водяного пара, Уу обозначение строчной буквой 7 с соответствующим индексом или без У.', индекса. УУ 2*
20 Теплообмен при испарительном охлаждении [гл. 1 где 10 и in — соответственно теплосодержания сухого воздуха и водяного пара, кка-л^г. При определении теплосодержания за нуль принимаются для сухого воздуха его теплосодержание при 0°С, а для водяного пара теплосодержание воды при 0° .. Соответственно для теплосодержания сухого воздуха имеем: i -—с I в в ? где са —средняя теплоемкость (при постоянном давлении) сухого воздуха в интервале температур от 0° до ’ td, которую для рассматриваемых условий можно считать постоянной и равной 0,24 ккал[кг град. Теплосодержание водяного пара in может быть определено по таблицам водяного пара или по приближенной формуле Ь=г+ьЬ где для области температур, встречающихся в охладителях циркуляционной воды, можно с достаточной точностью при любом парциальном,давлении пара принимать: г —595 ккал[кг и сп = 0,47 ккал} кг град. Заменяя ie и in в формуле (1-13), получаем: (г-}-ся/) =0,247-4- х(595 —1~0,47/). (144) Теплоемкость влажного воздуха1 равна: сйл ~са х= 0,24-|-0,47-х ккал[кг град. (1-15) При практических расчетах процесса испарительного охлаждения можно с достаточной точностью принимать 0,25 ккал[кг град. Для удобства практических расчетов связь между основ- ными параметрами влажного воздуха часто представляется в графической форме. Наиболее широким распространением пользуется 1ва х или Id - диаграмма Л. К. Рамзина (фиг. 1-2). На ней нанесены также изотермы, весьма близкие к прямым, кривые постоянного насыщения (-у = const) и линия, позво- ляющая находить непосредственно на диаграмме парциальное давление водяного пара. Для улучшения развертывания линий <p=const угол между осями координат принят равным 135°. Диаграмма построена для барометрического давления р$~~ 1 В дальнейшем мы не будем оговаривать, что теплосодержание и теплоемкость влажного воздуха отнесены к 1 кг сухого воздуха в сме- си, ко это все время следует иметь в виду.
§ 1-2] Свойства влажного воздуха 21 = 745 ли/ рт. ст., или 1,014 ата. На7 фиг. 1-2 пунктирными линиями показано определение по этой диаграмме основных величин для влажного воздуха при температуре его 20° С и относительной влажности 60% (точка а). Пересечение линии x=const, проведенной через точку, отвечающую данному состоянию воздуха (линия ае нафиг. 1-2), с линией <? = 100% в^агйсодержамие &падула, л кз/нг Фиг. 1-2, Диаграмма Л. К. Рзмзияи для влажного воздуха. определяет точку росы (точка с). Для определения предела охлаждения воды (см. § 1-9) при данном состоянии воздуха нужно провести лилию гм = const до пересечения с линией ™ 100 % (точка g). При расчетах охладителей циркуляционной воды обычно удобнее пользоваться диаграммами и x-t, на кото- рых также наносятся линии = const Такие диаграммы, выполненные в более крупном масштабе, приведены в прило- жениях IV и -V (в конце книги). , В приложении VI дана зависимость удельного веса влаж- ного воздуха от его температуры и относительной влажности.
22 Теплообмен при испарительном охлаждении С гл. I 1-3, СТРОЕНИЕ ВОЗДУШНОГО ПОТОКА Теплоотдача соприкосновением и поверхностное испарение, совместное действие которых определяет интенсивность испа- рительного охлаждения жидкости, являются в свою очередь сложными процессами. Каждый из них связан с молекулярны- ми явлениями, как теплопроводность и диффузия, и с моляр- ным переносом тепла и массы в результате конвекции, т. е, перемещений достаточно больших сравнительно с отдельными молекулами элементарных масс газовой среды. Когда воздух, расположенный над поверхностью жидкости, имеющей более высокую температуру, неподвижен или, точ- нее говоря, когда ему не сообщается вынужденного движения, конвективные токи возникают в нем вследствие повышения его температуры и влагосодержания у поверхности жидкости. При нагреве и увлажнении удельный вес паровоздушной смеси уменьшается, она поднимается кверху, а к поверхности при- текает более холодный и сухой воздух. Это явление называют свободным движением или естественной кон- векцией. Оно способствует увеличению интенсивности теплоотдачи и испарения при отсутствии вынужденного движе- ния воздуха. В охладителях циркуляционной воды воздух большей частью находится в состоянии вынужденного д в и ж с- н и я под влиянием внешних факторов (ветра или тяги, созда- ваемой искусственным путем с помощью вытяжной башни или вентилятора) и роль свободного движения сравнительно неве- лика. Интенсивность испарительного охлаждения определяется при этом в значительной мере строением воздушного потока. Наблюдается две принципиально различных формы тече- ния: вязкое или ламинарное течение, при котором элементарные массы жидкости или газа движутся по траекто- риям, параллельным друг другу и направленным вдоль глав- ного направления потока, а скорости их не меняются во вре- мени, и турбулентное течение, при котором движение элементарных масс жидкости носит нерегулярный, неупорядо- ченный характер. При турбулентном течении скорости отдельных элементарных масс беспрерывно меняются во времени и имеют также меняющиеся во времени поперечные составляющие, направленные нормально к главному направлению потока. Форма течения зависит при прочих неизменных условиях от скорости потока, причем малым скоростям отвечает лами- нарная форма течения, а при превышении некоторой скорости, называемой критической, упорядоченное ламинарное течение нарушается и переходит в турбулентное. В общем случае ха- рактер течения зависит помимо скорости от формы и размеров обтекаемой твердой поверхности и от плотности и вязкости движущейся среды. Он определяется при данной форме по-
Строение воздушного потока 23 верхности величиной так называемого числа или крите- рия Рейнольдса п да'd где w — скорость течения; d—характерный размер поверхности; >—коэффициент кинематической вязкости движущейся среды. При обтекании поверхности твердого тела скорость жидко- сти (газа) непосредственно у поверхности равна нулю, затем в ср авн ителъно то н ко м, прилегающем к поверх- ности слое она быстро на- растает от нуля до скоро- сти основного потока, Этот слой, называют в зависи- мости от характера тече- ния в нем л а м и и а р- ц ы м или турбулент- ным пограничным слоем. Но и при турбу- лентном течении в погра- ничном слое вблизи, по- верхности всегда о стае, гея область, в которой тече- ние сохраняет ламинар- ный характер или, точнее, турбулентные пульсации скоростей, возрастающие по мере удаления от по- верхности, еще настолько ---к----- - К----- о \Г!аграничный /ламинарный слой П) Наде$анЛций поток ~ 1 ~ -^Турбулентный пограничный слой Ламинарный подслой Фиг. 1-3. Распределение скоростей при турбулентном течении жидкости вдоль плоской поверхности (й) ?и внутри канала (б). незначительны, что тече- ние можно рассматривать как ламинарное (фиг. 1-3,а). Эту область принято называть ламинарным или вязким подслоем. Когда турбулентный поток движется внутри трубы или ка- нала, т. е. ограничен со всех сторон твердыми стенками, турбу- лентный пограничный слой может распространяться па все сечение потока и строение* последнего характеризуется при этом наличием турбулентного ядра и тонкого ламинарного слоя вблизи стенок. В этих случаях турбулентного течения ламинарным пограничным слоем часто называют прилегающую к стенке область ламинарного течения, т. е, незначительных еще амплитуд турбулентных пульсаций. Переход от ламинарного течения к турбулентному происхо- дит в случае* течения внутри трубы при значении числа Рей-
24 Теплообмен при испарительном охлаждении [ гл. I нольдса, равном 2 300 (считая, что w есть средняя по сечению скорость, a d — диаметр трубы). При обычных условиях переход от ламинарного течения к турбулентному происходит, однако, не внезапно, а постепен- но и появляется область неустойчивой или так называемой переходной формы течения, распространяющаяся до зна- чения Re порядка 10000. При ламинарном течении распределение местных скоростей в сечении трубы отвечает параболическому закону, при турбу- лентном же течении скорости быстро нарастают вблизи по- верхности—в ламинарном пограничном слое, но в центральной части потока они сильно выравнены благодаря переносу коли- чества движения из одной области в другую при поперечных перемещениях элементарных масс. Примерное распределение скоростей в последнем случае показано на фиг. 1-3,6. Нужно иметь в виду, что, говоря о распределении скоростей в области турбулентного течения, обычно подразумевают усредненные за достаточно длительный промежуток времени местные скорости, а не мгновенные их значения, претерпевающие здесь постоян- ные изменения (пульсации). Описанное выше строение потока в канале и соответствую- щее распределение скоростей устанавливаются не сразу при входе жидкости в канал. Участок канала, на протяжении кото- рого происходит преобразование начального профиля скоро- стей в профиль, отвечающий данной форме течения, называют начальным участком. В случаях внешнего обтекания тел картина течения услож- няется явлением отрыва потока. Если форма тела не является хорошо обтекаемой, поток не охватывает его пол- ностью, а в определенных точках поверхности отрывается, при- чем со стороны сбегания потока (кормовой части тела) обра- зуются вихри. Угол охвата потоком обтекаемого тела зависит от формы этого тела и значения числа Рейнольдса (фиг. 1-4). Указанные особенности гидродинамического строения по- тока очень сильно отражаются на условиях протекания про- цессов теплоотдачи и испарения. При чисто ламинарном тече- нии перенос тепла и массы в направлении, нормальном к на- правлению движения потока, может происходить лишь в ре- зультате молекулярной теплопроводности и диффузии. Про- цессы обмена характеризуются при этом сравнительно неболь- шой интенсивностью. В отличие от этого при турбулентном течении преобладающее влияние приобретает молярный пере- нос тепла и вещества, связанный с наличием нерегулярного движения элементарных масс движущейся среды. Вызываемое этим беспорядочным движением турбулентное перемешивание резко повышает скорости процессов тепло- и массообмена. Их называют в этом случае тур бу лентной теплопров од- н остью и турбулентной диффузией.
§ 1-4] 'аксны распространения тепла и массы 25- Наряду с влиянием характера течения движущейся среды; на процессы обмена нужно отметить и обратное влияние, ко- торое эти процессы оказывают на строение потока. При нали- чии теплообмена неравномерное температурное поле, а при испарении также и неравномерное поле влагосодержания, при- водит к изменению распределения вязкости и плотности по сечению потока сравнительно с изотермическим течением одно- родной среды. В результате этого изменяется также и распре- деление скоростей: при ламинарном течении в трубе закон,; *6470 725 Фиг. 1-4. Внешнее обтекание тел. а—обтекание шара; б—обтекание трехгранвой призмы. распределения скоростей отклоняется от параболического, а при турбулентном течении изменяется толщина погранич- ного слоя. 1-4. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ТЕПЛА И МАССЫ, Молекулярные процессы теплопроводности и диффузии связаны с тепловым движением частиц, приводящим в одном случае к выравниванию в данном объеме температур, а в дру- гом — концентраций или парциальных давлений составных ча- стей газовой смеси. Если в неподвижной среде с неравномерным полем темпе- ратур выделить изотермическую поверхность, то плотность теп- лового потока, т. е. количество тепла, протекающее в единицу времени через единицу площади в направлении нормали п, составит согласно закону Фурье (1-16) где к—коэффициент теплопроводности; — — градиент температуры в направлении нормали п. Знак минус в правой части уравнения (1-16) показывает, что поток тепла направлен в сторону понижения температуры.
”26 Теплообмен при испарительном охлаждении [ гл, I Если среда движется и составляющая скорости в на- правлении п равна wH, то к потоку тепла вследствие тепло- проводности добавляется количество тепла, переносимое дви- жущейся жидкостью, и ? = —k^ + w«’c7'> 0-17) где у—удельный вес среды; с — весовая теплоемкость при постоянном давлении. Выражение (1-17) может быть использовано для состав- ления уравнения теплового баланса элементарного параллеле- пипеда со сторонами dx, dy и dz, выделенного в объеме движущейся однородной и изотропной среды. Это приводит для случая стационарного теплового режима, при допущении, что физические параметры с и 7 неизменны во всем объеме, к следующему дифференциальному уравнению распростра- нения тепла или уравнению теплопроводности Фурье-Кирхгофа1 дТ , дТ . 5т ( д*Т , д'2Т . где w и — составляющие скорости в направлениях трех координатных осей; а — — коэффициент температуропроводности. Для неподвижной смеси двух газов или жидкостей при неравномерном поле концентраций составных частей смеси имеем по закону Фика, что количество данного вещества, .диффундирующего в единицу времени через единицу пло- щади, составляет: = (М9) где kc — коэффициент диффузии; дС — градиент концентрации в направлении нормали п. При движущейся смеси через единицу площади протекает еще количество рассматриваемого вещества wwC,h соответ- ственно о- — -’-да С, (1 -.20) й - ОП и * 4 7 1 Подробнее см. в курсах теплопередачи. В приведенном уравнении опущен вследствие его малости член, отвечающий тепловому эквивален- ту механической работы сил вязкости (внутреннего трения).
1-4] Законы распространения тепла -и массы 27 ж .где С — концентрация данного вещества, т. е. его количество, содержащееся в единице объема, С помощью (1-20) можно получить, полагая коэффициент диффузии неизменным, дифференциальное уравнение распро- странения вещества или уравнение диффузии: дС , дС । дС г /WC , д2С , д'2С \ . - / Сопоставление дифференциальных уравнений теплопро- водности и диффузии показывает, что оба процесса подчи- няются аналогичным законам. Описывающие их уравнения (1-18) и (1-21) построены совершенно одинаково и разли- чаются лишь входящими в . них физическими параметрами. Выводы, вытекающие из этой аналогии, как будет видно из дальнейшего, сильно облегчают исследование и практические расчеты испарительного охлаждения. Уравнения (1-19) по (1-21) сохраняют свою силу при выражении количества диффундирующего вещества g, а соот- ветственно и концентрации С, как в единицах массы, так и веса. При практических расчетах обычно пользуются весо- выми единицами, которые и приняты в дальнейшем изложе- нии. Концентрация вещества С совпадает при этом с его удельным весом. При рассмотрении испарительного охлаждения (по причине, указанной ниже, на стр. 32) для элементарного закона диффу- зии вместо (1-20) обычно пользуются выражением 0-20а) где kp — коэффициент диффузии, отнесенный к градиенту д парциального давления; — градиент парциального давления рассматриваемого вещества. В случае изотермических условий, т. е. при урав- ,] некие (1-20а) вытекает непосредственно из (1-20), если заме- нить в последнем концентрацию согласно уравнению состоя- ; ния Клапейрона. При этом, обозначая газовую постоянную Диффундирующего вещества через R, получаем следующее соотношение между коэффициентами диффузии: kc = kpRT. (1-22) Если концентрация С выражается в кг/лг3, парциальное давление р в кг/л«5, а величина g в кг/лг час, то коэффи- циент kc выражается в м?1час и kp— в м1час.
28 Теплообмен при испарительном охлаждении [ гл. Г Оба коэффициента диффузии — kc и kp — зависят в ос- новном от природы перемешивающихся газов, давления и. температуры, зависимостью же их от концентраций газов, хотя она, строго говоря, и существует, обычно можно пре- небрегать. Но коэффициент kc для данной смеси двух газов один и тот же независимо от того, диффузия какого из газов рассматривается, тогда как коэффициент kp различен' для двух диффундирующих компонентов газовой смеси. Обозначим величины, относящиеся к каждому из двух перемешивающихся газов, соответственно индексами 1 и 2. Тогда для коэффициентов диффузии kpl и kp^ исходя из (1-22) и принимая еще во внимание, что kcl-:-.kc^ можно* написать: kp 1__#э &р Э (1-23). где у — молекулярный вес. Значения коэффициента k для диффузии водяного пара в воздухе, подсчитанные по Махе 1 с учетом соотношения' (1-22), приведены на фиг. 1-5. Выражению элементарного закона диффузии в форме1 уравнения (1-20а) отвечает дифференциальное уравнение- диффузии ™ + ™ ^ + w^.= k + ^(1-21аУ * дх 1 Уду ' я dz Р\дх2 оу2 1 dz^j Применение уравнений (1-20а) и (1-21а) вместо (1-20) и (1-21) Tie нарушает отмеченной выше аналогии между зако- нами распространения тепла и вещества (массы). Указанная аналогия может быть распространена с извест- ными ограничениями на явления как молекулярного, так и тур- булентного обмена. Но для правильного использования этой аналогии необходимо отдавать себе отчет в причинах, ограни- чивающих область закономерного ее применения. Аналогию можно было бы считать полной, если бы наряду с одинаковым построением дифференциальных уравнений рас- сматриваемым процессам отвечали бы также одинаковые гра- ничные условия, т. е. одинаковое распределение в начальном сечении потока и по поверхности температур в случае тепло- обмена и парциальных давлений пара в случае испарения, и одинаковое в обоих случаях распределение скоростей в потоке.. Однако, процесс испарения связан с образованием потока- вещества, направленного нормально к поверхности, а следова- 1 По Джиллиленду значения коэффициента диффузии для системы водяной пар—воздух при температуре 26° С на 3,8% выше, а при тем- пературе 59° С на 0,6% выше, чем по Махе.
Законы распространения тепла и массы 29 дельно и с появлением поперечной составляющей скорости протекающей среды, чего нет в случае чистого теплообмена 1. Рассмотрим раздельно протекающие процессы переноса тепла и вещества при вынужденном одномерном движении газовой среды вдоль поверхности, в одном случае представляю- щей собой твердую или жидкую стенку, в другом — поверх- ность испаряющейся жидкости 1 * 3. Фиг. 1-0. Коэффициент диффузии водяного пара в воздухе. В случае распространения тепла присутствие поверхности, ограничивающей объем газа, отражается только на граничных условиях, которые должны приниматься при решении уравне- ния (1-18). Гидродинамические условия характеризуются при этом, как отмечалось, отсутствием поперечной составляющей скорости протекающей среды, т. е. скорости, направленной по нормали к поверхности. Иначе обстоит дело для потока вещества при движении 1 Здесь имеется в виду усредненная во времени скорость, а не мгно- венная пульсационная скорость. 3 Приведенные выше выражения для элементарного закона диффу- зии предполагают, что интенсивность этого процесса определяется, толь- ко наличием градиента концентрации или парциального давления диф- фундирующего вещества. При испарении жидкости подобный изотер- мический процесс диффузии практически никогда не имеет места; <ш всегда сопровождается теплообменом, влияющим в свою очередь и на интенсивность переноса вещества. Однако, возможны условия, когда, разностью температур жидкости и парогазовой среды можно пренебречь, приближенно рассматривая процесс как изотермический.
30 Теплообмен -при испарительном охлаждении [ гл. Г парогазовой смеси вдоль поверхности испаряющейся1 жидкости. При поверхностном испарении парциальное давление пара- понижается от значения ,р'п на поверхности жидкости до зна- чения рп в основной массе паровоздушной смеси. При неиз- менном общем давлении смеси р/;, т. е. Л,— ?я + рй=-'const, где рв— парциальное давление газа, градиенту парциальных „ dp„ давлении пара отвечает градиент парциальных давлений газа dPs... _<*рп dn dn Соответственно газ должен диффундировать в направле- нии, противоположном направлению диффузии пара, т. е. к поверхности жидкости. Но так как поверхность жидкости непроницаема для газа, то возможность постоянного его потока, направленного к поверхности, исключается: это приводило бы к постоянному накоплению газа и по ышению- его давления у поверхности, что невозможно. Перемещение частиц газа, направленное к жидкости, должно поэт му вызывать появление компенсирующего поперечного потока- всей парогазовой смеси в обратном направлении. Скорость поперечного потока определяется из условия, что поток газа gs в направлении нормали п к поверхности должен быть равен нулю, т. е. d.n, где —скорость поперечного потока; Сд — весовая концентрация газа; k— коэффициент диффузии для газа. Заменяя здесь k через коэффициент диффузии для dP а пара k согласно (1-23) и через — находим, что _____kpn . dpn Св-'рв dn ’ где Rn и Re — газовые постоянные для пара и газа.
1-4] З'акопы распространения тепла и массы ЗГ Количество протекающего в направлении нормали п водя- ного пара при концентрации его Сп составляет: После подстановки найденного выше значения находим:: „ =_А ,2X±f«.?« = _A рп рв dn рп ~ в (1 -24) р„ dn ' u Zi>' Из уравнения (1-24), полученного дует, что поперечный поток, возникающий при ограничивающей поверхности испаряющейся жидкости, уве-- Р,- личивает количество протекающего пара в раз сравни- Рв тельно со случаем беспрепятственной диффузии обеих пере- мешивающихся сред. Поэтому одной из предпосылок для распространения указанной выше протекающие Стефаном, сле- наличии аналогии на раздельно протекающие процессы теплоотдачи и испарения является условие, что при испарении можно пренебрегать отличием от единицы, т. е. что парциальное д а в л е-. и массо- возмож- величины ниепара в парогазовой смеси мало. Для совместно протекающих процессов тепло- обмена при испарительном охлаждении сохраняется ность различия граничных условий по температуре и по. парциальному давлению, но различие гидродинамических условий отпадает, так как поперечный поток вещества является одновременно и носителем тепла. Из последнего следует, однако, что условия распространения тепла у по- верхности при испарительном охлаждении отличаются от условий при теплоотдаче от твердой стенки. Пренебрегать, этим отличием можно лишь при сравнительно малом попе- речном потоке, т. е. при малых разностях парциаль- ных давлен ийпар а, а соответственно и—т емператур. В случае совместного протекания обоих процессов уело- . вия усложняются еще тем, что неравномерное поле концен- траций оказывает влияние на тепловой поток, а поле темпе- ратур— на поток вещества1. В выражение (1-17) для теплового потока в этом случае должен быть добавлен член, отвечающий явлению так назы- ваемой термодиффузии, а в выражение д^я потока веще- ства (1-20а)—добавлен член, отвечающий явлению „диффу-. 'адч', 1 См. Д. А, Франк-Каменецкий, Диффузия и теплопередача, в химической кинетике. Изд. Академии паук СССР, М., 1947, стр. 151 и ел..
32 Теплообмен при испарительном охлаждении фгл. 1 знойной теплопроводности". По теории Энскога-Чеимена имеем при этом: Ч-~~+ т + А/гт~RJ'g* (1-17а) гп И g— k (dp + kT- р“-d^+Wu-^T. (1-206) где kT—„термодиффузионное отношение", являющееся без- размерной физической константой для данной бинар- ной смеси; у и с — удельный вес и теплоемкость смеси при постоянном давлении; Д —тепловой эквивалент механической работы. Остальные обозначения прежние. Величина термодиффузионного отношения kT зависит от природы газов, составляющих данную смесь, и их концен- траций. При небольшой разнице между молекулярными весами обоих газов и малой концентрации одного из них численное значение k? весьма мало и во многих практических случаях можно пренебречь в приведенных формулах членами, содер- жащими kT. В частности, это может быть сделано в первом приближении для обычных условий испарительного охлаж- дения циркуляционной воды. Формулы Энског а-Чепмена переходят при этом в обычные формулы для потоков тепла и вещества. Для потока вещества получаем при этом вы- ражение (1-20а), в которое входит градиент парциального давления, а не градиент концентрации. Поэтому пользование градиентом парциального давления в случае неизотерми- ческой диффузии считают более точным, чем пользование градиентом концентрации. Выше, рассматривая законы распространения тепла и ве- щества, мы понимали под теплопроводностью и диффузией чисто молекулярные процессы переноса, вызываемые тепловым движением частиц. В практических же условиях приходится наиболее часто встречаться с турбулентным течением паро- газовой смеси, а следовательно, и с явлениями турбулентного обмена. В этом случае в дифференциальных уравнениях переноса в форме Кирхгофа (1-18) и (1-21) величины и Ж, должны рассматриваться как мгновенные скорости, которые могут быть представлены каждая в виде суммы средней и пульсационной скоростей, а коэффициенты X и kp должны быть заменены ^аналогичными коэффициентами для турбу- лентной теплопроводности и турбулентной диффузии. По- следние оказываются сильно зависящими от координат и претерпевают изменения от нуля у поверхности, вдоль кото- рой движется среда, до больших значений на некотором
Количество переданного тепла 33 • удалении от этой поверхности. Не касаясь деталей, отметим, что законы распространения тепла и вещества при этом также оказываются идентичными, благодаря чему указанная выше аналогия распространяется с соответствующими огра- ничениями и на случай турбулентного течения парогазовой среды. Если коэффициенты турбулентного обмена обозначить соответственно через и kc{m)i то для них можно на- писать: кс (т) Для того чтобы количественные соотношения между молекулярными и молярными явлениями, сопутствующими обычно друг другу, были одинаковыми, должно быть: А _ \т) ке или, принимая во внимание предыдущее равенство и соотно- шение (1-22): а____а __ а . ТсА™ кс ~~ ~~ (1-25) Это условие может быть иначе сформулировано, как необходимость равенства между собой или близости числен- ных значений критериев Прандтля для тепло- и массообмена (см. § 1-6). Т аким образом, для испарительного о хлаждения при . турбулентном течении парогазовой смеси рассмотренная ана- v логия может считаться приближенно справедливой при сле- дующих условиях: а) разности парциальных давлений пара должны быть невелики по сравнению с абсолютными значе- ниями парциальных давлений, а соответственно должны быть .малы и разности температур; б) значения а и kt или Крите- £ риев Прандтля для тепло- и массообмена должны быть близ- г ни между собой. Процессы в водоохлаждающих устройствах ? обычно в достаточной мере удовлетворяют этим условиям. 1-5. КОЛИЧЕСТВО ПЕРЕДАННОГО ТЕПЛА И ИСПАРИВШЕЙСЯ ЖИДКОСТИ Аналитическое решение задачи о тепло- и массообмене , представляет большие трудности, особенно при турбулентном ’’ течении движущейся среды. Существующие решения для : Некоторых частных случаев, основывающиеся на так назы- ; ваемой гидродинамической теории обмена, имеют ограничен- Л. Д. Берман.
34 Теплообмен при испарительном охлаждении [ гл. Г ную область приложения и могут рассматриваться лишь как теоретическое приближение, нуждающееся в дальнейшей уточнении по мере развития представлений о структуре- турбулентного потока. Поэтому для количественной оценки интенсивности процессов тепло- и массообмена при решении, практических задач большей частью пользуются эмпириче- скими зависимостями. Количество тепла, переданного соприкосновением, выра- жается при этом, как Q7 - : 7 (/ — &) р ккал!час, (1 -26} и количество испарившейся жидкости1, как^ (1-27) где а — коэффициент теплоотдачи, ккал/м1 2час град; t и & — температуры поверхности жидкости и протекающей газовой среды, °C; — коэффициент массоотдачикг/м2час ат; рп и р — парциальные давления пара на поверхности жидко- сти и в ядре потока, ата. Коэффициент теплоотдачи а и коэффициент массоотдачи р определяются опытным путем. При испарительном охлаждении указанные процессы, являются взаимосвязанными, но общее количество тепла,, отданного при этом жидкостью, условно разделяется на две части и выражается в виде суммы Q = Q, + a (t - В) F + (р" - р) F, (1-28) где Q^rQa^r^’~p)F (1-29) представляет собой количество тепла, затраченное на испа- рение жидкости. Здесь г — теплота испарения, ккал[кг. 1 Часто для определения количества испарившейся^ жидкости поль- зуются получающейся из уравнения (1-24) формулой Стефана. Но эта формула выведена для случая переноса вещества путем чисто молеку- лярного процесса диффузии пара через неподвижный слой газа конеч- ной толщины. Применение ее в случае движущейся парогазовой среды, особенно когда течение турбулентное, связано с необходимостью введе- ния фиктивной „высоты диффузии0 (или толщины .приведенной плен- ки1), что лишь усложняет расчетные формулы, не приближая их к пра- вильному отображению физической картины явления. 2 Его называют также „коэффициентом испарения1, „коэффициентом пара отдачи11 и т. и. Принятый здесь термин является более общим и пригоден при любых процессах массообмена между парогазовой средой и поверхностью.
§ 1-5] Количество переданного тепла 35 В формулах (1-27) и (1-29) разность р”—р заменяется с, иногда разностью концентраций пара С”—С кг[м3 и соот- £ ветственно вводится коэффициент массоотдачи 0 выражае- | мый в м!час. При неизотермическом процессе испарения, | т, е. когда температуры жидкости и газа различны, счита- | ется, однако, более правильным пользоваться разностью ?;•: парциальных давлений. I При практических расчетах испарения часто для Ga при- Г меняется также выражение, включающее в себя вместо раз- ности парциальных давлений пара разность влагосодержаний воздуха. I/ Согласно формуле (1-11) парциальные давления пара мо- t гут быть выражены следующим образом: И х + Ф622 'РВ> j где хп и х — влагосодержания воздуха на поверхности жидко- 7 сти и в ядре потока; ? 0,622 — отношение газовых постоянных воздуха и / м I пара -в - . I \ / | Поскольку величина 1,61 х мала по сравнению L с единицей, можно приближенно, но с большой степенью | точности принять: । 0,622 ’ (* оГб22^~ 1,61 -Г (1 — 1,61 X). £ Принимая соответственно ! Р" = 1,61 РБх”- (1—1,61 х”), I /Г- 1,61/7/;Х- (1 — 1,61 X) | и подставляя эти значения р1Г и р в формулу (1-27), полу- | чаем: | = 1,61 р}$р (х"—х}-[1—1,61 (х"4-х)]-/\ (1-30) I В литературе это выражение дается, однако, в более В упрощенном виде. Пренебрегая в формулах для р” и р зна- । чениями х” и х сравнительно с 0,622, что равноценно при- | равниванию единице множителя, стоящего в формуле (1-30) I в квадратных скобках, обычно принимают: I Gu=\fi\pl.^(<x"-x)-F = Mx’'-x)F, (1-30а) I I 3*
36 Теплообмен при испарительном охлаждении [ гл, ! где 1,61 = рБ$р— коэффициент массоотдачи, отнесенный к разности влагосодержаний, ягг/жЧш? (кг/кг). Эта формула применяется довольно часто, и поэтому следует указать, что если коэффициент не найден непо- средственно из опыта для данных условий, а определяется путем пересчета по величине £ (или а), то упрощение, при- нимаемое при получении формулы (1-30а), может иногда приводить к значительной погрешности. Это обуславлива- ется тем, что допускаемые при таком упрощении относи- тельно. небольшие погрешности в определении р,( и р могут быть велики по отношению к входящей в формулу (1-27) разности р”—р, которая мала сравнительно с абсолютными значениями парциальных давлений. Из сопоставления формул (1-30) и (1-30а) следует, что при одинаковых значениях рр последняя дает значения G№, превышающие подсчитанные по формуле (1-30) в Л- 1'-з, раза или на 100 %, где Дх= 1,61 (х"4-х). Для условий охладителей циркуляционной воды величи- на Ю0 Д,. может достигать 15%, а в некоторых случаях и более высоких значений. Более точной, как мы видели, является формула (1-30), т. е. Оа = ?х(х"-х)Р, (1-ЗП где ₽'ж= 1.61 рД1-\) Р, - (i-дл,. При распиливании воды на капли, когда точное опреде- ление свободной поверхности воды F связано с большими трудностями, часто пользуются объемными коэффициен- тами тепло- и массоогдачи, т. е. коэффициентами, отнесен- ными не к единице поверхности охлаждения, а к единице активного объема охладителя. В этом случае формулы для Q и Ga. приобретают вид: (/-&)!/; (1-32) & -р) а-зз) где V—активный объем охладителя, а коэффициенты составляют: «F „ К? % v » Ppv — ~у“ И — ~v'
>§ 1*6] Условия и критерии подобия 3? и выражаются: av в ккал; м^час град, р—кг;м3час ат и — кг]мгчас (кг1кг). Пользуясь формулами (1-26) и (1-27) или их видоизмене- ниями, следует иметь в виду, что в них влияние всех фак- торов, сказывающихся на интенсивности рассматриваемых ;> процессов,-за исключением влияния только их „движущей, силы" (разности температур или парциальных давлений),. находит отражение в численных значениях коэффициентов /а и Поэтому оба опытных коэффициента оказываются зависящими от физических свойств и скорости протекающей среды, конфигурации, размеров и состояния омываемой ею g поверхности и т. д. Это ограничивает возможности перене- ' сепия опытных данных, полученных при одних условиях, 4'на те же или аналогичные процессы, протекающие при дру- тих условиях, Такое перенесение опытных данных может быть произведено только при соблюдении ряда требований, устанавливаемых теорией подобия. 1-6. УСЛОВИЯ и КРИТЕРИИ ПОДОБИЯ До настоящего времени в практике расчетов испаритель- f кого охлаждения иногда применяются грубо эмпирические формулы для определения коэффициентов тепло-и массоотда- .. чи, например, вида a = a~j-bw, £ ~ с 4- dw, (Ь34) различными где щ...скорость воздуха, м;сек\ а, Ь, с и d — постоянные. Многочисленные формулы этого типа с Значениями постоянных, различающиеся еще иногда тем, что в них вместо w входит квадратный корень из w, дают сильно расходящиеся между собой численные значения опытных коэффициентов. Объясняется это тем, что эти фор- мулы учитывают влияние на а и £ лишь скорости воздуха, Тогда как другие условия, при которых велись опыты, ле- Жащие в их основе, были различны. Обобщение опытных данных может быть закономерным и ' Приводить к практически ценным выводам лишь при обработ- этих данных с учетом требований теории подобия. . Теория подобия устанавливает, что принадлежность явле- ний к одному классу, определяющаяся общностью характери- зующей их системы’ основных физических уравнений, недоста- точна для суждения о подобии этих явлений между собой. Недостаточно также установить тот факт, что они протекают в одинаковых гидродинамических условиях, а тем более огра- ничиться условием одинаковой скорости движущейся среды, .поскольку эта скорость сама по себе не определяет полностью,
,38 Теплообмен при испарительном охлаждении [гл, 1 как указывалось уже выше, даже и гидродинамических условий. Не останавливаясь на подробном изложении теории подо- бия, которое можно найти в специальных работах и курсах теплопередачи1, приведем лишь некоторые необходимые нам сведения. Подобными называются физические явления, разли- чающиеся только масштабом величин, которыми они характе- ризуются (например, геометрических размеров, физических параметров, скоростей движения, разностей температур и т. д.). Значения каждой из этих величин могут меняться в пределах данной системы, а также различаться между собой по вели- чине для сходственных точек двух подобных систем. Но отно- шения местных значений каждой из этих величин для всех сходственных точек подобных систем должны выражаться одним и тем же числом, называемым множителем преобразо- вания. Так, например, для скоростей w должно быть: _ с w2" w-3" ‘ ‘' wn" где cw—множитель преобразования для скоростей, верхние индексы при да обозначают принадлежность к той или иной системе, а нижние индексы — номера сходственных точек. Группа подобных явлений должна удовлетворять требова- ниям подобия условий однозначности и характери- зоваться одинаковыми значениями критериев подобия. Требования подобия условий однозначности могуть быть сформулированы следующим образом: 1) явления должны протекать в геометрически подобных системах, например, ограничивающие систему поверхности должны иметь геометрически подобную конфигурацию; 2) поля характёрных физических констант (плотность, коэффициенты теплопроводности и вязкости и др.) должны быть подобны; 3) начальные и граничные условия должны быть подобны, т. е. распределение характеризующих данное явление величин (скоростей, разностей температур и пр.) должно быть подобно в начальный, момент во всех сходственных точках систем (если процесс неустановившийся) и в любой момент времени на всех ограничивающих эти системы поверхностях. Критериями подобия называют безразмерные комплексы физических величин, полученные путем преобразования мето- 1 М. В. Кирпичей, М. А. Михеев и Л. С. Э й г е н с о п. Теплопередача, Энёргоиздат, 1940; М. А. Михее в, Основы теплопере- дачи, Госэяергоиздат, 1947; А. А. Г у хм ан, Физические основы тепло- передачи, Энергоиздат, 1934.
1-6] Условия и критерии подобия 3g .дами, устанавливаемыми теорией подобия, основных диффе- ренциальных уравнений, математически описывающих явления данного класса. Для класса явлений тепло- и массообмена в движущихся средах такими уравнениями являются дифферен- циальные уравнения движения, сплошности, распространения -тепла или соответственно диффузии вещества, а также урав- нения обмена на границах. Для всей группы подобных явлений критерии подобия (ха- рактеризующие гидродинамические условия, физические свой- ства среды и пр.) имеют одинаковые значения. При измене- нии тех или иных критериев подобия в общем случае подобие явлений нарушается, а следовательно изменяются и значения -остальных критериев подобия. Но поскольку эти явления от- носятся к одному и тому же -классу и происходят в геометри- чески подобных (или сходственных, однообразных) системах, между различными критериями подобия должна существовать определенная связь. Форма этой связи или критериаль- ной зависимости устанавливается опытным путем. Задача экспериментирования сводится при этом к опреде- лению зависимости между ограниченным числом комплексов величин взамен исследования влияния каждой из этих величин и отдельности. Так, для стационарного процесса теплообмена между дви- жущейся средой и стенкой критериальная зависимость имеет ^ид: ЛГя=Ф ^Re, Gr, Prt 0, (1-35) где = у — критерий Нуссельта, характеризующий интен- сивность теплообмена на границе движу- щейся среды; Re — — критерий Рейнольдса, характеризующий гидро- динамический режим потока при вынужден- ном движении; * М— критерий Грасгофа, характеризующий усло- вия свободного движения жидкости под влия- нием разности удельных весов; fev \ .Рг = --у~ ——-критерий Прандтля, характеризующий физи- ческие свойства среды; I ---отношение характерных размеров поверхно- сти, определяющее геометрические свойства системы; d, I — основные или определяющие размеры (диа- метр канала, высота его или др,);
40 Теплообмен при испарительном охлаждении [гл. $ л —- коэффициент теплопроводности; w — скорость; у —удельный вес; с — теплоемкость при постоянном давлении; > — коэффициент кинематической вязкости; — температурный коэффициент объемного рас- ширения среды; — разность температур, определяющая разность плотностей среды; а — /---коэффициент температуропроводности, -[С Единицы измерения для величин, входящих в состав кри- териев подобия, должны выбираться таким образом, чтобы для последних получались отвлеченные (безразмерные) чис- ленные значения. Величина^-, введенная в формулу (1-35), не является критерием подобия, и при геометрически вполне подобных системах, отношение каких-либо геометрических размеров, не должно входить в критериальное уравнение. Такое отно- шение вводится, когда рассмотрению могут подвергаться не вполне подобные геометрически, но однообразные систе- мы, например, каналы с одинаковой формой сечения и раз- личной длиной. В последнем случае отношение ™ представ- ляет собой отношение длины капала к определяющему раз- меру, например диаметру или ширине сечения канала. Зная из опыта вид функции (1-35), можно для каждого частного случая определить величину коэффициента тепло- отдачи а — J Gr, Рг,~у (1-35а> Аналогия между механизмами процессов теплопровод- ности и диффузии приводит для случая переноса массы при поверхностном испарении к такой же системе критериев подобия, что и для теплообмена между жидкостью и стен- кой, с той только разницей, что в критерии Нуссельта ко- эффициент теплоотдачи заменяется коэффициентом массоот- дачи и коэффициент теплопроводности — коэффициентом диффузии, а в критерии Прандтля коэффициент темпера- туропроводности заменяется коэффициентом диффузии. При этом в критерий Нуссельта для массообмена должен вво- диться коэффициент диффузии, отнесенный к тому же пара- метру, что и коэффициент массоотдачи, т. е. к градиенту парциальных давлений или концентраций в зависимости от того, применяется ли коэффициент массоотдачи р или р(1, а
§1-6] Условия и критерии подобия 41 в критерий Прандтля— коэффициент диффузии, отнесенный к градиенту концентраций. Отличая критерии для массообмена индексом D, полу- чаем соответственно: Выражение для критерия Грасгофа также отличается в этом случае от приведенного выше для теплообмена, но причина этого уже иная. В общем случае, когда изменение плотности среды мо- жет обуславливаться как изменением температуры, так и состава среды (например, влажности воздуха), подъемная сила, вызывающая свободное движение, пропорциональна Л ——Ь а критерий Грасгофа имеет вид: Gr~ \ /с г' где у, Л? и Т—'удельный вес, газовая постоянная и абсо- лютная температура среды (смеси) в основ-- ной массе; Rf и Tf—то же на поверхности. При неизменном составе среды, т. е. когда R=Rf, выра- жение в скобках может быть заменено через что и делается при рассмотрении теплообмена движущейся среды с твердой стенкой. При испарении же жидкости изменяется влажность воздуха и нужно пользоваться полным выраже- нием для критерия Грасгофа. Это относится, однако, не только, как часто указывают, к массообмену, но в равной мере и к теплообмену при испарительном охлаждении. Для стационарного процесса поверхностного испарения имеем аналогично (1-35) и (1-35а): №о=Фо(/?е, Gr, PrD, (1-36) =4 -ф« (*«> -Gr> Pro- /) • (1'3ба> При свободном движении газовой среды значения крите- рия Рейнольдса исключаются из уравнений (1-35) и (1-36), ( тогда как при вынужденном движении и достаточно вы со- ;; ких значениях можно обычно пренебрегать влиянием
42 Теплообмен при испарительном охлаждении [гл. I свободного движения и не включать в эти уравнения кри-. дерия Грасгофа. В последнем случае Ки = ф(Ре, Рг, (1-37) 3 и J s №„ = ФлДе, PrD, f). (1-37а) При соблюдении подобия граничных условий вид функ- ций Ф и Фр в формулах (1-35) и (1-36) должен быть оди- наков. Но это верно лишь с теми оговорками, которые бы- ли сделаны выше (§ 1-4) в отношении справедливости ана- логии между явлениями теплопроводности и диффузии. Кро- ме того, дополнительное ограничение вносится еще тем обстоятельством, что формула (1-36) не учитывает условий распространения тепла в жидкости. При поверхностном испарении затрата тепла на изменение .агрегатного состояния вызывает в жидкости тепловой поток, направленный к границе раздела фаз. Если систему основных дифференциальных уравнений, характеризующих процесс испа- рения, дополнить уравнением распространения тепла в жидко- сти, а также уравнениями движения последней, то они дадут новые критерии подобия, которые должны быть добавлены к указанным выше1. Отмеченные ограничения не лишают все же возможности пользоваться уравнениями (1-35) и (1-36) для условий охла- дителей циркуляционной воды. В частности, как подтверждают опытные данные, эти уравнения позволяют сравнительно точно установить количественную связь между коэффициентами теп- ло- и массоотдачи. Но в то же время опыты обнаруживают необходимость введения в некоторых случаях коррективов к этим уравнениям, что будет еще показано ниже при рассмот- рении результатов экспериментальных работ. J-7. СВЯЗЬ МЕЖДУ КОЭФФИЦИЕНТАМИ ТЕПЛО-И МАССООТДАЧИ Определяя коэффициенты тепло- и массоотдачи из уравне- ний (1-37) и (1-37а), получаем, что при вынужденном движе- нии эти коэффициенты должны находиться между, собой в следующем соотношении: а - (1-38) 1 С. С. Кутателадзе, Теплопередача при изменении агрегатного состояния, Машгиз, 1939.
§1-7] Связь между коэффициентами тепло- и массоотдачи 43 Вид функций Ф и Фл устанавливается обычно эмпири- ческим путем, причем, как было показано ’ранее, из анало- гии между явлениями теплопроводности и диффузии сле- дует, что эти две функции должны быть тождественными. Большей частью опытные данные для определенных преде- лов изменения рассматриваемых критериев представляются в виде степенных функций. Принимая степенной вид функций Ф и Фп и учитывая, что при соблюдении указанной выше аналогии постоянные в формулах для теплоотдачи и испарения должны быть одинаковыми, можем написать для случая вынужденного движения Nu=C'Ren-Pr" (£>}, (1-39) М<0=С./?е-.Рг"Г/.у, (1-40) и, соответственно, а-= cRemPrn(-£Y, (1 -39а) а \а j ’ 4 ' u-40a) где коэффициент с и показатели степени т, п и s являются постоянными числами. Из (1-39а) и (1-40а) получаем1: Л k 1/РГ\П— А lkPRnT\” /1 4П ~ Ц а ) ’ где kp — коэффициент диффузии пара в воздухе. Если в соответствии с условием (1-25) принять, что PrD = Рг или то из (1-41) будем иметь: — zzzz--- — у r RT или о™ —Y г (1-42) kp * СЛГ '-п I СМ '--СМ 4 ' Для воздуха при атмосферном давлении значения крите- риев Рг и PrD в довольно широких пределах изменения тем- 1 Нужно иметь в виду, что в случае влажного воздуха физические < константы среды (удельный вес, коэффициент теплопроводности, тепло- емкость и др.), входящие в критерии подобия, относятся к смеси.
44 Теплообмен при испарительном охлаждении пературы остаются практически постоянными и в интервале от 0° до 100°С составляют: /V —0,72 и Рг 0,63. Показа- тель степени, п согласно опытным данным колеблется как при течении среды внутри канала, так и при внешнем обтекании поверхности в довольно узких пределах от 0,3 до 0,4. При этом для воздуха I — ) — 1,04 -~ \prDj 1,05/ т. е. сравнительно мало отличается от единицы. От- ношение ~ также мало изменяется в зависимости от темпера» туры, и для обычных условий охладителей циркуляционной воды получаем из (1-41) = 0,33 -ы 0,35 ккал ат/кг град. р Подставляя в (1-42) из(1-30а) в и принимая во вни- мание, что RT = —, получаем1: Is я о у* __________л ^см 13 Ь"~ с'й 6 Рб~ см^7 *РгГ'СелРв' (1-43) (1-44) где и сСЛ1 — удельный вес и теплоемкость влажного воз- духа, отнесенные к 1 кг смеси; свл—теплоемкость влажного воздуха, отнесенная к 1 кг содержащегося в нем сухого воздуха. Приближенно принимают также QA (1-44а) так как при малом парциальном давлении пара в воздухе Ре 1. Ра Величина свл меняется в узких пределах и доставляет около 0,25 ккал/град кг. Таким образом, аналогия между явлениями теплопровод- ности и диффузии и теория подобия приводят к практиче- ски важному выводу о том, что коэффициенты тепло- имассоотдачи должны находиться между со- бой в определенном и мало изменяющемся для 1 На формулу (1-44) распространяется сказанное в § 1-5 о погреш- ности, к которой может приводить применение формулы (1-30д).
I -8] Опытные данные 45 практической области температур количест- венном соотношении. Еще до того, как эта связь между коэффициентами -тепло- и массоотдачи была установлена теоретическим путем, ряд исследователей обнаружил ее, анализируя чисто эмпи- фические данные, полученные при изучении работы психро- метров. Более поздние опыты также подтвердили практиче- ское постоянство отношения — для указанной выше области температур и дали довольно близкое количественное совпа- дение с результатами подсчетов по приведенным формулам1. # Полученные соотношения для а и (или рх) сохраняют -свою силу и для объемных коэффициентов тепло-? и массо- отдачи. Но критериальные уравнения (1-35) и (1-36) или (1-39) и (1-40) не могут быть непосредственно распространены на объемные коэффициенты, поскольку последние зависят уже не только от факторов, влияющих на а и (или pj, но и от факторов, определяющих величину поверхности охлаж- дения F. 1-8. ОПЫТНЫЕ ДАННЫЕ Мы остановимся — за некоторыми исключениями — на ре- зультатах тех экспериментальных исследований теплоотдачи и испарения, обработка которых производилась с учетом требований теории подобия. В ряде работ получены опытные данные только для коэф- фициента теплоотдачиI * 3 или только для коэффициента массо- отдачи. В этих случаях оценка коэффициента, для которого ; отсутствуют непосредственные опытные данные, может быть . произведена, исходя из соотношений, приведенных в преды- дущем параграфе. Следует, однако, иметь в виду, что опре- : деление таким путем величины по данным о теплоотдаче с твердой поверхности вследствие различия гидродинамиче- ских и граничных условий может приводить к значениям /коэффициента массоотдачи, преуменьшенным на 10—20%. Эмпирические формулы, приводимые ниже, относятся к теплоотдаче и испарению в воздухе, и влияние критериев Рг и PrD не рассматривается вследствие отмечавшегося уже ранее практического постоянства значений этих критериев для воздуха в широкой области температур. I Некоторыми авторами сделаны попытки уточнить эти зависимо- сти, но мы не останавливаемся на этих работах, так как, помимо спор- ности предложенных выводов, внесенные в формулы изменения, практи- чески не отражаются на.величине отношения для условий охлади- телей циркуляционной воды. 3 Здесь" речь идет только о коэффициентах теплоотдачи, отнесен- . |яых к поверхности раздела стенки (или жидкости) и воздуха.
46 Теплообмен при испарительном охлаждении [гл. В В водоохлаждающих устройствах наиболее часто прихо- дится встречаться с испарением и теплоотдачей с поверх- ности водяных капель, имеющих сферическую форму. Из существующих опытных данных для теплообмена взвешенных сферических частиц или падающих капель с окружающей средой более достоверными следует считать- полученные Д. Н. Вырубовым1 во ВТИ и Д. Н. Ляховским^ в ЦКТИ, Для значений критерия Рейнольдса выше 150 (оп- ределяющий размер — диаметр частицы d) этими авторами, дается зависимость Nu^c-Re^, (1-45)- где, по Вырубову, при 150 2 500 с™ 0,54 и, по Ляхов- скому, при 150 30 000 с — 0,62. Физические константы отнесены при обработке опытов к температуре воздуха. Критериальные зависимости вида (1-45) можно часто- упростить, выразив входящий в них комплекс физических констант как некоторую функцию от температуры или даже приняв постоянное его значение для заданного интервала давлений и температур. В частности, формула (1-45) для теплоотдачи в воздухе при давлении 1 ата и температурах от 0° до 1001 2 э может быть представлена в следующем при- ближенном виде: (1-45а> откуда, принимая согласно (1-43) Л-~ 0,35. получаем: ^ = 0.35 /! (М6> Здесь, по Вырубову, Ь — 3,0 и, по Ляховскому, £—3,4. Указанные опыты проводились с твердыми частицами, (шариками), но формула (1-46) получила подтверждение и в. 1 Д. Н. Вырубов, „Журнал технической физики*, т. 9, 1939, №21». стр. 1923. 2 д. Н. Ляхозский, „Журнал технической физики’, т. 10, 1940,. № 12, стр. 999; „Котлотурбостроение’, 1947, №5, стр. 29. В более поздней работе Ь. Д. К ацн е л ь с о н и Ф. А. Тимофеева (см. „Котлотурбо- строение*, 1948, № 5, стр. 16), обобщившие наряду с результатами указан- ных выше и своих собственных опытов также данные опытов Лойцянского- и Шваба (ЦАГИ), Сокольского (ЛПИ) и Фреслинга, предложили для ши- рокой области изменения критериев Re и Рг несколько более сложную зависимость. Но для значений Re от 150 до 3 200 результаты их опытов, практически совпали с результатами опытов Вырубова и Ляховского.
§ 1*8] Опытные данные 47 в (1-48} опытах Д. Н. Вырубова по испарению свободно падающих капель1. При приближении Re к нулю значение критерия Нус- сельта для шара стремится к предельному значению Л/я0—2. Поэтому для малых значений Re эмпирическая зависимость Ми от Re дается обычно в виде двучленной формулы Ми — Z — c-Re”. (1-47} По. опытам А. П. Сокольского2, постоянные в этой фор- муле при Re < 200 составляют; с—0,16 и л=0,67. Однако, для области малых значений Re необходимо еще считаться и с тем обстоятельством, что вынужденное дви- жение среды оказывается при этом соизмеримым со свобод- ным движением. Д. Н. Ляховский предложил для указанной' области, основываясь на своих опытах, следующую формулуг включающую в себя также критерий Грасгофа: Mu — (aJrb^Re)*Grn, I.. где для 5 и 1 <-Gr<-35: I л = 2,75; 6 = 0,0594 и п — Re*(0,0024—0,00048*Re\ | а для 20^/^ -<Г20 и 35<Gr<1500: g а = 3,07; 6=0,0361 и п = 0,0572—0,000477*Re. g:, Здесь "критерий Грасгофа относится к случаю чистого Ш теплообмена. В случаях стекания воды в охладителях в виде тонкой Цдленки коэффициенты тепло-и массоотдачи зависят по- |}мимо прочего от формы и размеров поверхности, по кото- рой стекает вода. Опыты, проведенные автором во ВТИ, по- цр/казали, что и в этих случаях для различных форм поверхно- ]|||!'стей, применяющихся в промышленной практике, могут быть- применены степенные зависимости вида Ж?' Nu — c*Rem, (1-49) NuD^cD-Rem. (1-50} Опыты по испарению и теплоотдаче с поверхности водя- ной пленки, стекающей внутри узкого прямоугольного ка- '.щ, ] 1 Д. Н. В ы р у б о в, Сборник МВТУ „Рабочие процессы двигателей' внутреннего сгорания", Машгиз, 1946. ' 2 А. П. Сокольский и Ф, А. Тимофеева, Сборник „Нееле- Дй- '..Дование процессов горения натурального топлива", Госэнергоиздат, 1948,. i; Ж стр. 175.
48 Теплообмен при испарительном охлаждении [ гл. 1 нала1, обнаружили в пределах изменения Re от 5000 до 27 000 две области, для которых законы изменения 2V« и Nun в зависимости от Re различны (фиг. 1-6). Одна из них соот- ветствует переходной форме течения, другая — развитой турбулентности воздушного потока. Кроме того, значения, критерия Re*, при которых наблюдается переход от одной формы течения к другой, а также постоянных в формулах (1-49) и (1-50) оказались зависящими от температуры охлаж- Фиг. 1-6. Коэффициент массоотдачи при испаре- нии с поверхности движущейся водяной пленки. даемой воды. Последнее может быть объяснено тем, что формулы не включают в себя критериев, характеризующих условия течения жидкой пленки и распространения в ней тепла. Значения cD и т, полученные в этих опытахЕ 2, охватив- ших как изотермические, так и неизотермические режимы, приведены в табл. 1-1, значения Л нанесены на фиг. 1-7. ?р 1 Л. Д. Берман, Сборник ВТИ „Исследование процессов регули- рования, теплопередачи и обратного охлаждения*, ГОНТИ, 1938, стр. 130; .Журнал технической физики*, т. 9, 1939, № 3, стр. 148. 2 Зависимости, полученные для области развитой турбулентности воздушного потока, -хорошо подтвердились позднее и опытами, прове- денными Н, М. Михайловыми полупромышленных условиях при сте- кании воды по асбошифермым щитам высотой 6 м (см. Сборник ВТИ „Проблемы сушильной техники", вып. II, ГЭИ, 1941, стр. 49). Проведен- ные недавно аналогичные опыты Симпсона и Шервуда (Refiig, Eng. v. 52, 1946, № 6, р. 535) велись при малых расходах воды, явно не обеспечивавших полного смачивания поверхности^ вследствие чего их результаты не представляют общего интереса.
Опытные данные 49 Т а б л и ц а 1-1 Значений постоянных с0 и т в формуле (1-50) для водяной пленки внутри прямоугольного канала (при противотоке) Средняя тем- < пература воды,; °C 18 30 40 Переходная область я?* т 7 300 (0,001) 1 (1,18) 9 400 0,00086 ) 1,18 0,00074 . 1,18 12 500 i Турбулентная область (/ге>лв*> 0,8 0,8 0,8 т 0,0294 0,0280 0,0267 Фиг. 1~7. Отношение коэффициентов тепло- и массоотдачи при испарительном охлаждении движущейся водяной пленки. I' Данные относятся к -^24,4, Критерий Re подсчиты- вался по скорости воздуха относительно движущейся пленки. , В качестве определяющего размера был принят гидравличе- ский диаметр d (удвоенная ширина) канала, Физические "константы относились к средней температуре воздуха. Если приближенна принять для рассматриваемых условий зависимость от --, полученную Я. М. Рубинштейном1 для .теплоотдачи внутри круглой трубы, то для значений , от- от указанного, приведенные в табл, 1 величины . личающихся ( г должны быть умножены на коэффициент Г . , /7 - -• 0.71 Экспериментальные точки для значений полученных Рд ;?в этих же опытах, ложатся немного ниже теоретической линии (фиг, 1-7), что объясняется влиянием на показания 1 Я. М. Рубинштейн, цитированный выше Сборник ВТИ „Ис- следование процессов,,.", стр, 31. '4 Л, Д, Бермен, IIIIIIIIII
SO Теплообмен при испарительном охлайсДейий [ гл. 1 термометра, расположенного непосредственно за рабочим участком экспериментальной установки, мелких капель, уно- сившихся воздухом и смачивавших время от времени тер- мометр. Учитывая, что последнее приводило к несколько преуменьшенным против действительных значениям коэффи- циента а, совпадение опытных значении у с теоретическим ?Р можно считать достаточно близким. Для пленки жидкости, стекающей внутри круглой трубы, Джиллиленд и Шервуд1 получили при = 43,8 и 2 000 Re < -6 20000: 0,019(1-51) Их опыты велись только, при изотермическом режиме, т. е. при температуре испаряющейся жидкости, приблизительно равной температуре воздуха. Сопоставление данных, относя- щихся к этому режиму, дает очень близкое совпадение ре- зультатов опытов для прямоугольного канала и круглой трубы. Опыты автора во ВТИ по теплоотдаче с поверхности попе- речно обтекаемых брусков2 велись при отсутствии испарения. В табл. 1-2 приведены значения с и т в формуле (1-49) для брусков треугольного (отношение длин сторон 1:1:1,41) и Таблица 1-2 Значения постоянных с и т в формуле (1-49) для поперечно обтекаемых трехгранных и прямоугольных брусков (Re от 3 000 до 20000) Форма Сечения бруска Расположение ^брусков s пуч- [ ке 7Г д Постоянные с j т Треугольная Шахматное 2,60 2,76 0,159 0,75 1:1:13 2,60 4,42 0,177 0,72 О 2,60 5,52 0,166 0,72 0 2,60 6,63 0,154 0,72 9» 2,60 11,6 0,151 0,72 3,70 6,63 0,147 0,72 Коридорное 2,60 6,63 0,156 0,72 Каскадное 6,50 8,28 0,125 0,75 Одиночный брусок — — 0,218 0,61 Прямоуголь- Шахматное 2,10 6,28 0,179 0,72 ная 2:1 Ступенчатое 3,14 6,28 0,163 0,72 Одиночный брусок — *'' - 0,234 0,66 1 Джиллиленд и Шервуд, Ind. Eng. р, 516. г См. „Известия ВТИ“, 1940, № 8, стр. 18. Chem., v. 26, 1934, № о,
Опытные данные прямоугольного (2:1) сечения при различном их расположе- нии в пучках (фиг. 1-8) и 3 000 < Ate <20 000. В качестве определяющего размера принята величина = “ , где и— периметр сечения бруска, а скорость воздуха отнесена к набегающему потоку. Физические константы от- носились к средней температуре воздуха и поверхности, но Шахмыпн&в КариЗщыю шумное Фиг. 1-8. Схемы расположения трехгранных и четырехгранных брусков в пучках. для обычного диапазона температур в охладителях можно при пользовании этими данными с достаточной точностью оп- ределять физические константы и по средней температуре воздуха. При >> 6,5 ~ 7 дальнейшее увеличение расстояния между рядами брусков практически не отражается уже на коэффициенте теплоотдачи (фиг. 1-9) и, вводя постоянное значение для комплекса физических констант, можно при- ближенно принимав (при /<60°С): ' (1-52) где для трехгранных брусков а “ 10 и 0,028, а для четырехгранных — а ~ 12,9 и b = 0,072. 4*
S2 Теплообмен при испарйтслЬном охлаждении [ гл. 1 Влияние на теплоотдачу угла 0 между направлением воздушного потока и широкой гранью одиночного трех- Фиг. 1-9. Влияние продольного шага на теплоотдачу пучка трехграппых*брусков. гранн-'го бруска по- казано на фиг. 1-10. Для бруска с прямо- угольным сечением’ изменение & от 90° до ISO'*1 приводит к снижению а прибли- зительно на 12 %. Влияние направле- ния воздушного по- тока по отношению к продольной оси бруска в этих опы- тах не было исследо- вано и показано на фиг. 1-11 по данным для круглых труб. Для теплоотдачи водяной пленки на поверхности засып- ки из колец Рашига с нерегулярной за- грузкой Н. М. Жа- воронков и И. Э. Фурмер1 получили при 2 500 ^/^<30000 и’г30<^С^'100: Ци = 0,009 Re°’7-Re^, (1-53) Фиг. 1-Ю, Влияние направления воздушного потока на теплоотдачу трехгранного бруска. 1 Н. М. Жаворонков, Гидравлические основы скрубберного про- цесса и теплопередача в скрубберах, зд_ яСове'1Ккая наука11, 1944. и
§ 1-8] Опытные данные 53 этом случае с изменением Фиг. 1-11. Влияние угла атаки на теплоотдачу круглых труб. где ---критерий Рейнольдса для жидкости; 'X и ''ж — скорость и коэффициент кинематической вязкости жидкости1; d—определяющий размер канала. Значительное влияние критерия Рейнольдса ReM для жидкости связано, в объема насадки и смоченной поверх- ности колец в зави- симости от гидрав- лической нагрузки. Для регулярно за- груженных колен коэффициент тепло- отдачи практически не зависит от ги- дравлической на- грузки. При подсчете кри- териев, в том числе и ReM„ в них вво- дился в качестве определяющего раз- мера эквивалентный диаметр, равный учетверенному отно- шению свободного объема засыпки к ее поверхности. Для не- сметен ных керамиче- ских колец размерами (наружный диаметр, высота и толщина стенки) ' от 15x15x2 мм до 50x50X5 мм отношение эквивалентного диаметра к действительном}7 диаметру колец составляет приблизительно от 0,56 до 0,72, возрастая с увели- чением размера колец. Для орошаемых колец свободный объем, а следовательно, и эквивалентный диаметр уменьшаются с повышением интенсивности орошения. Скорость воздуха w берется при нормальных условиях (0сС и 760 мм рт. ст.) и относится к набегающему потоку, т. е. подсчитывается для сечения, не загроможденного засыпкой. Вместо линейной скорости воды в критерий введена плотность ороше- 1 При введении вместо ш(Л, плотности орошения, выраженной в Mjwc (см. ниже), коэффициент кинематической вязкости должен бьпв выражен в мЧ!игг>
54 Теплообмен при испарительном охлаждении [гл. 1 ния д, имеющая ту же размерность и составлявшая в опы- тах от 3,5 до 10 м?/м? час (или м/час). Для температур воздуха до 80—90°С и указанных раз- меров колец можно также пользоваться следующей прибли- женной формулой (да в м/сек при нормальных условиях и д в м3/м1 2 3 час): a~7,lw°’V< (Ь53а) Довольно многочисленны, но весьма разноречивы опытные данные по испарению в открытых водоемах1. Эти данные, как и данные по теплоотдаче в водоемах, обработаны большей частью в виде эмпирических зависимостей вида фор- мул (1-34). Они основываются частью на лабораторных наблю- дениях, но преимущественно на наблюдениях за испарением ‘ воды в небольших сосудах — пловучих испарителях или кало- риметрах — в естественных метеорологических условиях. Пло- щадь зеркала воды в сосуде составляет обычно около 1 м2. Для перехода к условиям большого водного бассейна изме- ренная высота слоя испарившейся воды умножается на попра- вочный («редукционный») коэффициент, оцениваемый отдель- ными исследователями по-разному. Принимаемое его значение составляет в среднем около 0,75—0,80. Отсутствие постоянных зависимостей между испарением с поверхности водоемов и показаниями испарителей не дает, однако, возможности установить постоянное значение редукци- онного коэффициента для испарителя определенной конструк- ции, что очень сильно ограничивает область применения рас- сматриваемых формул. Из эмпирических зависимостей этого типа приведем здесь широко применяющуюся для больших открытых водоемов фор- мулу Карпентера 11,9+1,6 да (1-54) и предложенную недавно формулу Крицкого, Менке ля и Рос- сийского2 ™ 12,3 + 3,7 да, (1-55) где да — скорость ветра в м/сек [в формуле (1-55) на высоте 1 м над зеркалом воды3]. 1 См., например, Д. И. Б и би ко в и Ф. М. Сотяич енко, ,Извес- тия НИИГ“, т. 23, 1938, стр. 26; статьи В. В. Паотровича, С. И Руденко и др. в сборнике „Вопросы гидрофизики", Труды ГГЙ вып. 11, Гидрометеоиздат, 1941. 3 С. Н. Крицкий, М. Ф. Менке ль и К. И. Российский, Зим- ний термический режим водохранилищ и рек, Госэнергоиздат, 1947. 3 По данным Руденко (см. цитированные выше Труды ГГИ), форму- ла Карпентера дает близкое совпадение с результатами обработанных иу уатериадов по испарению в ряде бассейнов пдощадьр) от 20 м? ц
§ 1-8] Опытные данные 55 Следует подчеркнуть незакономерность распространения таких формул на область малых скоростей ветра, где уже ве- лика роль свободного движения воздуха. Более строгая зависимость, не говоря о влиянии мало ме- няющихся для интервала положительных наружных темпера- тур физических констант, должна была бы отражать влияние формы и размера зеркала водоема. В этом отношении инте- ресны предложенные некоторыми авторами для рассматри- ваемого случая полуэмпирические формулы, не получившие, однако, достаточной практической проверки. Так, акад. Лей- бензон ], исходя из гидродинамической теории обмена, получил для испарения жидкости с прямоугольной плоской поверхности формулу обычного вида /V«fl =CD./?e°-6, где в качестве определяющего размера принята сторона прямоугольника L в направлении движения ветра. Отсюда о Для испарения с плоской поверхности воды в неподвижный воздух, т. е. для условий свободного движения воздуха, Бэлтер и др.2 предложили эмпирическую зависимость --0,643 (Gr(1-56) пригодную для области 1.0z ^Gr-PrD < 2-108. Опыты велись ими с небольшим круглым сосудом, диаметр которого состав- лял 0,3 м, Диаметр сосуда принят в качестве определяю- щего размера, а физические константы отнесены к средней температуре поверхности жидкости и воздуха. Рассмотрим также некоторые данные по объемным коэффици ента м, представляющие наибольший практи- ческий интерес для случаев, когда точное определение поверх- ности охлаждения затруднительно. Последнее относится к охладителям, в которых вода разбрызгивается с помощью со- пел или стекает в виде пленки и капель в решетнике из дере- вянных брусков. Дак будет подробнее показано ниже, величи- на поверхности охлаждения, приходящаяся на единицу актив- выше при подстановке в нее скорости ветра на высоте 9 Принимая это и приближенно пересчитывая коэффициент при w в формуле (!-54> применительно к скорости ветра на высоте 1 ж, получаем около 2,5 вместо 1,6. 1 Л. С. Лей бензон, „Известия Академии наук СССР/ сер. гео- граф. и геофиз., 1940, № 3,, стр. 285. 2 Б э л т е р, Гордон, Гриффин, Ind. Eng. СЬеш.. у. 38,. 1.946., № 6, р. 596, ' ’ ’
56 Теплообмен при испарительно?^ охлаждении [гл. I кого объема охладителя, меняется в этих случаях в зависимо- сти от количества поступающей воды и скорости воздуха, что отражается и на значениях объемных коэффициентов тепло- и массоотдачи. Произведенная нами ранее обработка некоторых опытных данных показала, что объемный коэффициент массоотдачи для решетника градирен пропорционален весовой скорости воз- духа в степени 0,55— 0,60 и плотности оро- шения в степени при- близительно 0,3—0,4. Близкий к этому ре- зультат дают также и более новые опыты Лихтенштейна1. 1 а фиг. 1-12 нанесена за- висимость объемного коэффициента массоот- дачи от плотности орошения при различ- ных весовых скоростях воздуха по дан- ным этих опытов. Фор- ма, размеры и распо- ложение брусков в исследовавшемся ре- шетнике показаны на графике. Воздух двигал- ся снизу вверх. Темпера- тур а посту пающейводы составляла 38 — 46СС, Три кривые, относя- Фиг. 1-12. Объемный коэффициент массо- отдачи для решетника й зависимости от плотности ор л ш ени и. щиеся к значениям дауй, от 0,87 до 2,28 мг/д? сек и q от 2 до 14 ш3/ш3 час, могут быть с большой степенью точности сов- мещены в одну, если отложить по оси ординат величину ^„/(^Лв)0’03» причем в двойных логарифмических координа- тах получаем при этом практически прямую линию. Это по- зволило нам выразить результаты указанных опытов с по- мощью эмпирической формулы о гот / - 1 \О,ЬЗ 0,39 Ы,= 035(®Х) Я (1-57) Весовая скорость воздуха отнесена здесь к полному сече- нию противоточного охладителя. ’ Л и х т « и ш т s й н, Trans, А8МП, v. бф 1943, М 7, р, 779.
Опытные данные 57 ? Влияние температуры поступающей воды на ^Л.г, эти опыты £ не позволяют обнаружить, так как они а елись в узком ; интервале начальных температур воды. Подсчеты же объем- у ного коэффициента массоотдачи для решетника по другим у опытам, как правило, обнаруживают понижение его с уве- личением температуры поступающей воды, подобно тому, как это указывалось выше для испарения с поверхности водяной пленки1. Следует только иметь в виду, что такие опыты часто ведутся при расходе воздуха ниже „теорети- ческого" (см. § 2-3), а подсчет коэффициента массоотдачи оез учета этого оостоя- тельства приводит к пре- f" уменьшенным его зна- чениям и сильно преуве- : личенному влиянию на него температуры водьь г В первом приближении ; можно считать, что ко- < эффициент обратно пропорционален абсолют- 1 ной температуре посту- ? дающей воды в степени 1,1. С учетом этого фор- > муле (1-57) может быть : придан следующий вид: J ( , ШбЗ 0,39 0-57 а) где Т — температура по- ступающей воды, иК. Платность орошения, д чар Фиг. 1-13. Объемный коэффициент мас- соотдачи для брызг а л иной градирни в зависимости от плотности орошения =1,03 кг[о№сек). 1—12 сопел типа А га высоте 2 МО лмД 2— в сопел типа В на высоте 1 ИО м,и; сопел типа В на высоте 2 140 мм. F "Значения объемного коэффициента массоотдачи для про- < тивоточного охладителя с разбрызгивающими соплами2 при- > ведены на фиг. 1-13. Сечение охладителя составляло 0,6 X ? X 0,915 м. Опыты велись с соплами двух размеров—малыми (тип А) производительностью 31 кг [час при напоре 7 м. вод, ст. и более крупными (тип В) производительностью 283 кг!час при том же напоре. Сопла располагались на вы- соте 2,14 м и 1,17 ад Коэффициент 3.,, изменялся прибли- зительно пропорционально квадратному корню из напора или прямо пропорционально количеству подававшейся воды. Увеличение высоты расположения сопел снижало коэффициент массоотдачи, отнесенный к единице активного объема охла- 1 То же, как было нами показано ранее (см. книгу „Градирни11, стр. 30), обнаруживают опыты на охладителе с кольцами Рашига и при разбрызгивании зоды соплами. 8 К э л т г, р и Хор и, Trans. ASHVE, v, 49, 1943, р, 309.
58 Теплообмен при испарительном охлаждении [гл, 1 дителя, вследствие того что наиболее интенсивное испарение воды происходит вблизи сопел, а также, невидимому, и из-за попадания части воды на стенки. Данные фиг. 1-12 и 1-13 нельзя, конечно, распространять на охладители, заметно отличающиеся по конструкции от испытывавшихся. 1-9. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ПРЕДЕЛ ОХЛАЖДЕНИЯ Как уже указывалось, при испарительном охлаждении может быть достигнута температура воды, более низкая, чем температура воздуха. Рассмотрим теперь подробнее, ка- ков при этом теоретический предел охлаждения. Предположим, что охлаждается определенный объем воды, свободная поверхность которой омывается движущимся воздухом, содержащим водяной дар, но не насыщенным (<р< 1); СЛОЙ воды достаточно тонок, чтобы можно было пренебрегать изменением температуры по толщине этого слоя, а расход воздуха настолько велик, что можно не при- нимать во внимание изменение его состояния при протекании над поверхностью жидкости. Кроме того, примем, что лучис- тым теплообменом можно пренебрегать. Пусть в начальный момент температура воды t выше температуры воздуха &. Вследствие теплоотдачи соприкос- новением и испарения температура воды начнет понижаться, В какой-то момент времени будет достигнуто равенство температур и количество тепла, передаваемого посред- ством соприкосновения, станет равным нулю. Но испарение при этом не прекратится, поскольку по условию воздух не насыщен водяным паром и парциальное давление пара р -в воздухе будет оставаться более низким, чем давление пара р" на поверхности жидкости. Испарение обусловит дальнейшее понижение температуры поды, и она станет ниже температуры воздуха. Вследствие этого вода начнет уже получать тепло от воздуха посред- ством соприкосновения. Дальнейшее охлаждение воды будет определяться разностью количеств тепла, расходуемого ею на испарение и получаемого посредством соприкосновения. По мере. понижения температуры воды испарение ее будет замедляться и расход тепла на испарение становиться ниже/ тогда как количество тепла, получаемого водой от воздуха, будет ’ возрастать, пока при некоторой температуре воды t~x эти количества тепла не уравняются между собой. Когда это будет достигнуто, охлаждение воды прекратится, хотя испарение ее и приток тепла к ней от воздуха будут продолжаться. Процесс испарения воды при неизменной температуре т за счет тепла, получаемого ею от воздуха^ будет длиться до тех пор, цока вся вода не испарится,
t-9] Теоретический предел охлаждения 59 Температура т и есть тот предел, ниже которого охлаж- дение воды уже невозможно, поэтому ее называют преде- лом охлаждения. Из сказанного ранее следует, что ‘ предел охлаждения достигается, когда — p)F, (1-58) 'где 5 — свободная поверхность воды; р’\— давление насыщенного водяного пара при температуре м Из равенства (1-58) видно, что в каж- дом отдельном случае величина предела Т.охлаждения определяется температурой & воздуха и парциальным давлением р ! содержащегося в нем водяного пара или относительной влажностью tp воздуха. ' Это равенство показывает также, (что вода не может быть охлаждена до температуры точки росы tpi отвечающей (данному состоянию омывающего ее по- верхность влажного воздуха. Если обо- значить давление насыщенного пара, 'отвечающее точке росы, через рцто (согласно сказанному в § 1-2 При охлаждении воды до темпера- туры tp правая часть равенства (1-58) t обратилась бы в нуль, а левая его (часть сохранила бы положительное зна- чение, так как т. е. такой случай невозможен. При ненасыщенном воздухе Ср<И) предел охлаж- дения всегда выше точки росы ' 'и приближается к последней с увеличе- нием относительной влажности воздуха. Только при ю™1, т. е. когда воздух Фиг. 1 14. Психрометр. (насыщен водяным паром, предел охлаждения и точка росы, равные при этом температуре воздуха 0, совпадают между собой. Это наглядно показывает х-диаграмма для влаж- !. кого воздуха (фиг. 1-2). Отмеченная выше связь между величинами, характери- ( дующими состояние влажного воздуха, и пределом охлажде- уния издавна используется для определения влажности воз- (духа с помощью так называемого психрометра. Психрометр представляет собой прибор, состоящий из •.двух одинаковы^, термометров (фиг. Ь14). Ртутрьгй пщрик
gO. Теплообмен при испарительном охлаждении [ гл, 1 одного из термометров, называемого влажны м1, плотно обтя- гивается какой-либо гигроскопической тканью, свободный конец которой погружается в сосуд с водой. Шарик дру- гого термометра, называемого сухим, остается открытым. Через некоторое время, после того как психрометр поме- щен в воздух, влажность которого должна быть определена, вода, пропитывающая ткань на шарике влажного термо- метра, охлаждается до температуры т, и термометр начи- нает показывать эту температуру. Сухой термометр пока- зывает при этом действительную температуру & воздуха. Зная температуры 0 и -т, можно найти из таблиц соответ- ствующие им давления р'гъ и pv" насыщенного водяного пара и подсчитать на основании уравнения (1-58) парциальное давление пара в воздухе: р = р".-^ (»-) = /',-А(»-=), (1-59) а также относительную влажность воздуха rr „ Формулу (1-59) называют психрометрической фор- мулой, а разность температур — 't) — психрометри- ческой разностью. В действительности вследствие влияния радиации на пока- зания влажного термометра величина входящего в психро- метрическую формулу коэффициента А отличается от значе- ния . Она определяется обычно по эмпирическим дан- ным, хотя имеются попытки определения се теоретическим путем. Подтверждаемая многочисленными опытами малая зави- симость психрометрического коэффициента А от т хорошо согласуется с теоретическими данными для отношения Влияние радиации приводит к зависимости коэффициента А от скорости воздуха да, омывающего шарик влажного термометра. Опытные и теоретические данные показывают, однако, что с повышением скорости воздуха влияние ее уменьшается и при скоростях выше 2,5-:-“3 м1сек коэффи- циент А можно считать практически постоянным, не завися- щим от скорости воздуха. При меньших же скоростях воз- духа необходимо учитывать, что показание т влажного тер- мометра тем выше, чем меньше скорость воздуха, а сле- довательно, и психрометрический коэффициент А должен быть выше. 1 Его называют также ,,мокрым" или „смоченным" термометром,
§ 1-9 ] Теоретический предел охлаждения б! Для устранения необходимости вводить поправку иа скорость ветра психрометр снабжают иногда вентилятором, искусственно создающим движение воздуха около термомет- ров, а ртутные шарики последних защищают от лучеиспу- скания экранными трубками. Такие психрометры называют аспирационными. Гидрометеорологической службой СССР принят коэффици- ент A = 0,0007974/3s при •w = 0,8 м[сек (обычный психрометр Августа, установленный в нормальней метеорологической будке) и А = 0,000662/?а. при высоких скоростях воздуха (аспирационный психрометр Ассмана). Здесь барометриче- ское давление рБ выражается в мм рт, ст. Давления р и в формуле (1-59) при этом также должны выражаться в мм рт. ст. Из сказанного видно, что при одних и тех же условиях (В, ?» Лд) психрометр Августа показывает более высокое значение температуры влажного термометра, чем аспирацион- ный психрометр. Соотношение между значениями -с по показаниям психрометров двух различных типов можно определить следующим образом. Обозначим показания влажных термометров и психроме- трические коэффициенты индексом 1 для психрометра Авгу- ста и индексом 2 для аспирационного психрометра. Тогда на основании (1-59), поскольку величина р не зависит от способа измерения, можем написать: (1-60) откуда X;-/Л (1-60 -а Здесь р"т r — Разложив эту функцию в ряд Тэйлора, по- лучим: Р -с, Р та — i ^7 ; VI ‘2/ I 2 > d~? i 3' i ••• \ ; -я Так как в нашем случае ряд быстро сходящийся, огра- ничимся первым его членом, т. с. примем: Л - Л,=Ш -ы (1-62) Из (1-61) и (1-62) находим, что Д7=т,—(л1дД-)(—Ы. (1-63) 12 >'аР \ л •Д: 1
62 Теплообмен йрй йспзрительной охлажлейий f гл. 1 Вводя сюда указанные выше значения психрометриче- ских коэффициентов и обозначая получаем: о 1,35'10-4*/?,, -пгсАтгч-- ’ /л п 4-7,97-10-4Д£ {1-64) Фиг. 1-15. Поправка к показанию влажного термометра по псп- » хрометру Августа (т5) для определения предела охлаждения. Значения Дг, подсчитанные по формуле (1-64) для давле- ния дл. —-755 мм рт. ст., приведены на фиг. 1-15. Значения п определялись при подсчете с помощью таблиц насыщен- ного водяного пара. Температура т влажного термометра, измеренная при /достаточно больших значениях w (> 2,5-4-3 м!сек)> может ^рассматриваться как теоретический предел охлаждения воды при данном состоянии воздуха1. Если же измерена темпера- тура влажного термометра по психрометру Августа, то для 'определения предела охлаждения нужно рз этой темпера- туры вычесть величину Дт, подсчитанную по формуле (1-64) .или найденную на фиг. 1-15. 1 Психрометрический график, показывающий зависимость t от S при различных ?, см. в приложениях. С его помощью можно определять т по заданным & и у или находить влажность воздуха f по г и заме- ренным с помощью психрометра Ассмана.
§ 2-11 Охлаждение йодЫ в Открытом водоеме 63 ГЛАВА ВТО Р А Я ТЕОРИЯ ОХЛАДИТЕЛЕЙ 2-1. охлаждение воды в открытом ВОДОЕМЕ (В ПРУДУ) В водоохлаждающих устройствах условия испарительного охлаждения отличаются от рассмотренных выше при опреде- лении теоретического предела охлаждения тем, что охлаждает- ся не постоянный объем воды, а вода все время заменяется, поступая в охладитель с одной температурой и выходя из него с другой, более низкой температурой. Изменяет свое состояние и протекающий над поверхностью воды воздух. Когда охлаждаемая вода течет в открытом водоеме или канале, движение воздуха над ее поверхностью обуславливает- ся ветром и естественной конвекцией. При отсутствии ветра Фиг. 2-1. Характер свободного движения охлаждающей среды над тепло- отд ающей поверхностью. а—ноиержносгь небольших, размеров; 6--поверхность неограниченных размеров. характер свободного движения воздуха над зеркалом воды, как это можно судить по опытам акад. М. В. Кирпичева 1 с го- ризонтальными теплоотдающими плитами (фиг. 2-1), должен зависеть от размеров зеркала. Роль естественной конвекции и ее влияние на характер движения воздуха заметно понижа- ются по мере увеличения скорости ветра. Так как воздух, омывающий поверхность воды в пруду, ничем не отграничен от окружающей атмосферы, нельзя опре- делить, какое именно количество воздуха непосредственно участвует в процессе тепло- и массообмена. Это лишает воз- можности выразить количества переносимого тепла и массы через средние величины, характеризующие изменение состоя- ния воздуха: его температуру, относительную влажность (или парциальное давление пара) и теплосодержание. Аналитиче- ское исследование испарительного охлаждении в этих усло- виях, называемых обычно условиями внешней задачи, очень сложно и требует Для того, чтобы задача была определенной, привлечения зависимостей, основывающихся на детальном 1 М. В. Кирпиче в, Труды Государственной физико-технической лаборатории 1929, вып. 9.
64 Теория охладителей [гл. 2 анализе гидрод’инамических явлений. Гидродинамическая тео- рия испарения с плоской поверхности в турбулентном потоке разрабатывается применительно к условиям испарения в есте- ственных водоемах и с земной поверхности уже в течение многих лет Г но построение полной теории наталкивается на значительные трудности из-за неоднородности атмосферы и сложности механизма турбулентной ди*ффузии. Предложенные решения содержат большое число допущений, нуждающихся еще в экспериментальной проверке, и не могуч’ быть непосред- ственно распространены на условия испарительного охлаж- дения. Обстановка при охлаждении воды в открытом водоеме (пруду) усложняется еще тем, что обычно водоем имеет не- правильные очертания в плане и неправильный рельеф дна; вода, подлежащая охлаждению, подается в него и затем заби- рается с одной какой-либо стороны, и траектория струи между местами подачи и забора воды имеет сложную криволинейную форму; ширина струи пл ходу ее движения меняется, а там, где она не заполняет полностью сечения водоема, образуются вихревые области. Все это вынуждает при решении практических инженерных задач принимать для испарительного охлаждения в открытых водоемах сильно упрощенную сравнительно с действительной схему процесса, из которой мы и будем в дальнейшем исхо- дить. Действительная поверхность пруда заменяется при этом согласно предложению И. М. Вернадского1 2 з «площадью актив- ной зоны’», под которой понимается площадь- фиктивного' пру- да, в котором все струи параллельны, а начальная и конечная температуры воды те же, что и в действительном пруду. Отно- шение площади активной збны F к действительной поверхно- сти пруда Fd называют коэффициентом использования пруда. 1 См,, например, М. И. Будыко, Испарение в естественных усло- виях, Гидром етеоиздат, Л., 1918. з Н. М. Вернадский и Б. В. Проскуряков, Опыт теории и практики расчета прудов-холодильников, ГНТИ, 1931, Сохраняя в даль- нейшем исходную схему „активной зоны", принятую в этой работе, мы вносим существенные изменения в самое решение? Более ранние рабо- ты по расчету охлаждающих прудов (Кнорре, Кочерина, Алексеева и др.) описаны в статье А. А. П е т р о в а, Материалы по гидрологии, гид- рографии и водным силам СССР, вып. XVI, ГЭИ, 1933. Единственная по- пытка теоретического решения задачи о тепловом расчете охлаждающих прудов, известная нам в иностранной литературе (Антониу, Die War- me, Jhg. 65, 1942, № 36, S. 313), базируется на ошибочных предпо- ложениях и лишена поэтому практическом ценности.
« 2-1 ] Охлаждение воды ,в открытом водоеме При указанной схеме течение воды в пруду уподобляется течению ее в открытом канале постоянной ширины и глубины (фиг. 2-2), причем принимается, что температура воды по ши- рине струи неизменна, а коэффициенты тепло- и массоотдачи одинаковы для всей поверхности. Рассмотрим охлаждение воды на элементарном отрезке, пути dy в такам канале,. Ось Y направим навстречу движе- нию воды. Ширина струи равна Ь$- К сечению ab (фиг. 2-2) подходит G кг^час воды со средней температурой t и от сечения cd уходит G— йСж кг[час с температурой t — dt, где ЖСж— количество воды, испарившееся на элементе поверхности df—b^dy. Общее количество тепла, отданного водой, составляет при этом dQ=СД— где сж— теплоемкость воды, ккал/кг град. Производя сокращения и пренебрегая членом высшего порядка малости, получаем отсюда <2-0 Величина dQ может быть также определена и другим путем. Вода отдает тепло воздуху посредством соприкос- новения, затрачивает тепло на частичное испарение и теряет количество тепла, содержавшееся в испарившейся воде. Кро- ме того, она получает тепло за счет солнечной радиации и частично .излучает его обратно. Количество тепла, отдавае- мого через ложе пруда, весьма невелико, и им можно пре- небречь. Обозначив дополнительный приток тепла, представ- ляющий собой разность количества тепла, получаемого за .. счет солнечной радиации, и потери тепла в результате обрат- ного излучения, через qt ккал[м? час, можем написать: dQ^a(t — й) г. dGM cj • dG:w — qд - df, (2-2) где I? — температура на поверхности воды; — теплота испарения при температуре . Учитывая незначительность количества испаряющейся во- ды, примем G ~ Ож и введем также сж^\ ккал^кг град. 5 Л. Д Берман.
6б Теория охладителей гл, 2 1огда, приравнивая правые части уравнений (2-1) и (2-2) и принимая во внимание, что (2-3) будем иметь: Ц — й) Л-г^Р(р'{ — р) — q^df, (2-4) где Ож—количество поступающей в пруд воды; р{ — давление насыщенного пара при температуре . Это единственное уравнение, которое может быть состав- лено для данного случая, исходя из рассмотрения теплового баланса. Если полагать, что температура /^является одно- значной функцией средней температуры воды t в сечении струи, то в уравнении (2-4) остаются еще три независимые переменные: температуры I и Н и давление р. Поэтому обыч- но вводят еще допущение, что состояние воздуха при его движении над зеркалом воды сохраняется неизменным. Такое предположение, позволяющее свести число неизвест- ных в уравнении (2-4) до одной, допустимо при весьма ма- лой длине пути воздуха над поверхностью воды, в остальных же случаях оно может приводить к заметному преувеличению количества отдаваемого водой тепла. Эта погрешность может быть уменьшена, если влияние повышения температуры и влагосодержания воздуха при движении его над зеркалом воды приближенно учесть, определяя коэффициенты я и как усредненные по поверхности и соответственно введя в формулы для них множитель, зависящий от средней темпе- ратуры воды, формы поверхности и размера ее в направле- нии движения воздуха. В настоящее время нет еще, однако, надежных опытных данных, которые позволили бы устано- вить влияние перечисленных факторов, и отмеченную по- грешность приходится компенсировать путем соответствую- щей оценки коэффициента использования пруда. При указанном допущении имеем: и р7-ръ где индексом 1 отмечены параметры наружного воздуха до со- прикосновения его с водой. Температуру воды на поверхности, учитывая возмож- ность значительной глубины водоема и неравномерности рас- пределения температур по вертикали, иногда выражают через среднюю температуру воды t при помощи переходного коэф- фициента kh, т. е. — причем коэффициент kb считают для всей поверхности пруда постоянным. В действительности, однако, значения переходного коэффициента меняются по хо- ду транзитной струи и зависят от ряда факторов (интенсив- ность солнечной радиации, перемешивание воды по глубине
§ 2-1 J Охлаждение воды' в открытом водоеме 67 потока и др.), влияние которых не может быть обычно учте- но сколько-нибудь строго. Поэтому величина kh приобретает смысл чисто эмпирического коэффициента. Мы не будем его вводить при решении уравнения (2-4), принимая ™ I и со- ответственно давление р\ равным давлению рц насыщенного водяного пара при температуре /, а влияние неравномерности распределения температур воды по глубине струи учтем вве- дением аналогичного эмпирического коэффициента в выра- жение для поверхности активной зоны пруда. Для давления насыщенного водяного пара примем линей- ную зависимость от температуры — щ-ф- nt, (2-5) где т и п— постоянные для заданного интервала температур. При сравнительно узких пределах изменения темпе- ратуры воды в пруду по- грешность, связанная с при- менением линейной зависи- мости (2-5), очень незначи- тельна, так как спрямление кривой рп — Ф (£) произво- дится при рассматриваемом решении лишь на небольшом участке, отвечающем задан- ной зоне охлаждения воды. Для условий охлаждения циркуляционной воды эта погрешность может быть Фиг. 2-3. Спрямление участка кривой давлений насыщенного пара. практически сведена на-нет, если соответствующий участок кривой давлений АВС, построенной по таблицам насыщен- ного водяного пара (фиг. 2-3), заменить .прямой, проходящей не через точки А и С, отвечающие начальному и конечному значениям давления (ра и р"2 ), а через точки Д' и Сг, от- вечающие давлениям II ' 1Г и Л а р} — ьр" и уъ — '^р; где можно принимать: II . п л 'г Pl +/>2 ~~ 2Рт (2-6) (2-6а) 4
58 Теория охладителей [гл. 2 Здесь р"т —давление насыщенного пара при средней темпе- ратуре воды / __й -bjy '•? - - 2 • Произведя в уравнении (2-4) замены в соответствии со сказанным выше, перепишем его следующим образом: G^dt = {(а+ nr$p}d— или А (/—())<//, (2-7) где (2-7а) 6 = t (2-76) а -4- пг$р Рассмотрим охлаждение воды в пределах от некоторого промежуточного сечения с координатой /, которому отвечает температура воды t (здесь ^>£>^2), до сечения водозабора, которому при принятом направлении оси К отвечает /=0 и температура воды /2. Разделяя переменные и интегрируя уравнение (2-7) в пре- делах от 0 до / и от до t, получим: i— о (7 = Л -,п гУ~ 9 * Введем в знаменатель этого равенства упоминавшийся выше поправочный коэффициент, учитывающий влияние не- равномерности распределения температур по глубине потока. Так как численное значение вводимого нами коэффициента должно мало отличаться от значения переходного коэф- фициента1 /гЛ =, сохраним и в этом случае обозначение kh . Тогда Ож $—® /=лл'-1п^=1’ <2-8) откуда 1 Это можно видеть, если провести описанный выше вывод, введя в исходное уравнение
§ 2-1 ] Охлаждение, воды в открытом водоеме 69 где обозначено 0=-/. и е — основание натуральных логарифмов. Уравнение (2-9) выражает собой закон изменения темпе- ратуры воды по ходу ее движения в рассматриваемом водо- еме (фиг. 2-4). Крайние значения температуры воды и t2 получим, подсгавив сюда соответственно з™/ и з~0, где Фиг. 2-4. Изменение температуры воды .в пруду по ходу потока. есть удельная пло- щадь активной зоны и F — полная площадь активной зоны. Из уравнения (2-8) имеем: (2-8а) или . 1 , 6 — 9 ’ п4 б~ * (2-86) После простых пре- образований можно отсю- да -получить для началь- ной и конечной темпера- тур воды (2-9а) и (2-96) тдё a-~~.Akn и t2 есть перепад температур воды или так называемая зона охлаждения. Формула (2-8а) или (2-86) может быть использована для' определения при расчете охлаждающего пруда требуемой площади активной зоны, а формулы (2-9а) и (2-96) — для оп- ределения температур воды при известном F или f д. Для этого нужно предварительно подсчитать величину дл, от ко- торой зависит значение 0 (об определении qсм. §’ 5-2).
Теория охла дителе й f гл. 2 Величину дл можно заменить в расчетных формулах вели- чиной так называемой темпера ту р*ы воды в естест- венном состоянии, представляющей собой температуру воды в пруду -при тех же метеорологических условиях, но при отсутствии подвода тепла извне с поступающей водой, т. е. при Д/-0. В последнем случае имеем из (2-4): —(2-10) где te—температура воды в естественном состоянии, С; Ps^re.—Деление насыщенного пара и теплота испарения при температуре (в дальнейшем будем принимать Примем, что коэффициенты а и Ър сохраняют при всех режимах одинаковые значения, что не вполне точно, но мо- жет быть принято для практических расчетов, если коэффи- циенты аир выбирать с некоторым запасом. Тогда из (2-76) и (2-10), принимая согласно (2-5) и (2-6), что пь~ р', — nL ор", находим; При данном Д/разность 6 — te практически зависит только от , т. е. от степени приближения температуры охлаж- денной воды к температуре воды в естественном состоянии. Эта зависимость представлена ниже в графической форме на фиг. 5-5 (стр. 312). Упрощающие допущения, принимаемые в настоящее время при практических решениях задачи об испарительном охлаж- дении воды в открытом водоеме, позволяют рассматривать та'кие решения только как первые, довольно грубые прибли- жения, неточности которых должны компенсироваться при расчетах значениями опытных коэффициентов. 2-2. ОХЛАЖДЕНИЕ ЙОДЫ В БРЫЗГАЛЬНОМ БАССЕЙНЕ В брызгальном бассейне над поверхностью водоема уста- навливаются разбрызгивающие насадки-сопла, через которые подается поступающая вода. Выходные отверстия сопел на- правляются обычно кверху. При выходе из сопла водяная
§ 2-2 ] Охлаждение воды в брызгальном бассейне 71 струя распадается на капли, поднимающиеся сначала кверху под некоторым углом к вертикали, а затем под влия- нием силы тяжести падающие вниз в водосборный бассейн (фиг. 2-5). Каждая капля движется по траектории тела, бро- шенного иод углом кверху и встречающего на своем пути со- противление воздуха. Но вследствие того что размеры, угль? вылета и начальные скорости отдельных капель различны, тра- ектории их движения также нс совпадают между собой, и вы- ходящая из сопла вода образует заполненный движущимися каплями «факел». Фиг. 2-5. Схема брызгам» пог о бассейна. Движение воздуха в пределах бры зга л иного бассейна, как и в случае охлаждающего пруда, обуславливается наличием ветра и естественной конвекцией, причем связанная с послед- ней и направленная кверху вертикальная составляющая ско- рости воздуха несколько возрастает благодаря эжектирующему действию выходящих из сопел водяных струй. Так как, с одной стороны, расположенное на пути воздуха большое число водя- ных факелов создает' значительное сопротивление его движе- нию в горизонтальном направлении и понижает' составляющую скорости в этом направлении, а, с другой стороны, более раз- витая поверхность воды и большая интенсивность тепло- и массообмена при распиливании воды на капли малых разме- ров приводит к более значительному нагреву и увлажнению воздуха, роль свободного движения даже при наличии ветра должна быть, пивидимому, более значительна в брызгальном бассейне, чем в охлаждающем пруду. Характер движения воз- духа должен при этом приближаться к показанному на ..фиг. 2-1,6, причем области подъема воздуха соответствуют ли-
Теория охладителей [ гл. 2 ниям, вдоль которых расположены сопла, а более холодный и сухой воздух притекает от краев бассейна и сверху, гю кори- дорам, оставляемым между рядами сопел. Притекающий, воздух, пересекая водяной факел, омывает падающие вниз капли, уже подвергшиеся охлаждению, а за- тем уже капли, только образовавшиеся при выходе струи из сопла. Благодаря отсутствию перемешивания воды на ее пути от выхода из сопла до падения в водосборный бассейн (селpi не считать только столкновений и слияния капель соседних факе- лов), температура на поверхности капель, определяющая тем- пературный напор и разность парциальных давлений, может по мере их охлаждения заметно отклоняться от средней темпе- ратуры воды и в тем большей степени, чем крупнее капли и чем выше их начальная температура, Существенным отличием условий охлаждения воды в ёрызгальном бассейне от условий в охлаждающем пруду яв- ляется то, что скорость движения воздуха, отражаясь на ко- личестве его, участвующем в процессе теплообмена, в то же время не является определяющей для коэффициентов тепло- и массоотдачи. Последние зависят от скорости воздуха относи- тельно поверхности движущейся жидкости, а скорости движе- ния самих капель, особенно на начальных и конечных участ- ках их траекторий, где они достигают 6—12 м!сек, во много раз превосходят при средних ветрах абсолютные скорости дви- жения воздуха в пределах, брызтального бассейна. Поэтому скорости движения капель и определяют в основном относи- тельную скорость воздуха, а соответственно и значения коэф- фициентов тепло- и массоотдачи. Значения этих коэффициен- тов изменяются в довольно широких пределах для капель, отличающихся по размерам, а также для одних и тех же ка- пель на различных участках их. пути. Из сказанного видно, что условия протекания процесса ис- парительного охлаждения в брызгальном бассейне еще более сложны, чем в охлаждающем пруду. Этим объясняется тот факт, что для брызгальных бассейнов мы не располагаем пока сколько-нибудь удовлетворительным 'решением задачи об охлаждений воды, которое позволяло бы производить хотя бы приближенный их тепловой расчет. Известей ряд попыток дать, такое решение (работы Г. Г. Джанибекова, Н. Н. Терентьева, Н. Н. Петруничева, П. И. Лебедева и др.), но. авторы их вы- нуждены были при этом исходить из предпосылок, довольно далеких от реальных условий охлаждения воды в брызгаль- ных бассейнах. Описанное в литературе решение инж. Г. Г. Джанибекова ’ 1 См. курс „Водоснабжение промышленных предприятий и населен- ных мест* под ред. Н, Н, Гениева, ч. И, Госстройиздат, 193$, стр. 6Ц а сл.
дтттЪж ГГЛТШ* лгплшй lllllh пицц llllUds И1Й - § 2-3 ] Процесс в закрытом охладителе 73 является, по существу, попыткой распространить па брызгаль- ные бассейны метод теплового расчета, разработанный для г противоточных охладителей закрытого типа с вынужденным t движением воздуха и заданным количеством последнего. Определение количества участвующего в процессе воздуха производится при этом, исходя из предположения, что в брыз- £ сальном бассейне вся масса воздуха движется в горизонталь- if ном направлении с одинаковой скоростью, равной расчетной Ж Ц скорости ветра. Решение же произведено для случая противо- щ. тока, что не соответствует ни принятой схеме движения воз- духа, ни действительным условиям. | Инж. Н. Н. Терентьев1 пользуется для построения рас- у четных графиков одним лишь уравнением теплового баланса вида (2-4), вводя допущения о постоянстве как параметров & воздуха, так и температуры воды, причем для воздуха он I принимает его параметры и р, до соприкосновения с во- ( дой, а для воды среднюю температуру ZJ ___б 4~ б СР~"" ' 2 м.штт Такое далеко идущее упрощение решения не мож’ет дать надежных оснований для распространения опытных данных на условия, отличающиеся от тех, при которых они непосред- ственно были получены. Попытка более полно учесть гйдродинамичские условия . работы брызгального бассейна сделана применительно к двух- мерной (плоской) задаче в работе А. Н. Патрашева. ЬЪ эта работа содержит ряд спорных положений2 и также далека еще от решения поставленной задачи дать теоретическую ос- нову для теплового расчета брызгальных бассейнов. Отсутствие аналитического решения задачи, об охлаждении воды в брызгальном бассейне вынуждает пока пользоваться для этих охладителей чисто эмпирическими данными. 1111Е:11 2-3. ПРОЦЕСС В ЗАКРЫТОМ ОХЛАДИТЕЛЕ. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАСХОД ВОЗДУХА Й- ..& Г"1 гптгш Для закрытого охладителя, сечение которого ограничено со всех сторон стенками, известно количество протекающего через него и участвующего в процессе охлаждения воздуха, значения начальных и конечных параметров воды и Средние воздуха птгпш 1 Н. Н. Терентьев, „Водоснабжение и санитарная 1940, .Ж 1, стр. 24. 2 Например, в исходной системе дифференциальных уравнений отсут- ствует уравнение распространения массы, в уравнениях движения опу- щены подъемные силы, хотя рассматривается свободное движение возду- ха, и т. д. техника**,
Теория охладителей могут быть в этом случае связаны между собой уравнениями теплового и материального балансов. Закрытое водоохлажлающее устройство схематически изо- бражено на фиг. 2-6. Пусть через него протекает вода в ко- личестве Ож кг/час, охлаждаясь с температуры до темпе- ратуры Z2; в противоположном направлении над поверхностью воды протекает воздух в количестве Gs кг'яас, и его темпе- ратура повышается с до 8g, а влагосодержание — с л*! до х>. При этом возрастают также парциальное давление содер- жащегося в воздухе водяного пара с pt до р2 и теплосодер- жание воздуха1 с до i2. Фиг, 2-6. Схема закрытого охладителя. Количество тепла, отданного водой, составляет: Q =^G с L~~(G ~G.,}c ГО (А а количество тепла, воспринятого воздухом: где сж — теплоемкость воды, в дальнейшем принимаемая рав- ной 1 ккал1кг град; Gu — количество испарившейся воды, кг!;час. Так как при установившемся процессе Q^:::~Qe, то от- сюда получаем следующее уравнение теплового баланса’- Ож(«, - « + ОЛ = О, (2-12) Материальный баланс (баланс влаги) определяется равен- ством между количеством испарившейся жидкости и прира- щением влагосодержания воздуха.: О.^ОДх,-^). (2-13) 1 Здесь и ниже для простоты опускаем индекс ад при обозначении теплосодержания влажного воздуха.
§ 2-3] Процесс s закрытом охладителе Уравнения (2-12) и (2-13) являются, однако, недостаточ- ными для решения задач, связанных с испарительным охлаж- дением, поскольку заданными являются обычно только рас- ходы и начальные параметры воды и воздуха и неизвестными остаются температура охлажденной воды и 2 параметра, ха- рактеризующие состояние уходящего влажного воздуха. Урав- нения тепло- и массообмена (1-27) и (1-28) могут быть напи- саны лишь в дифференциальной форме, поскольку входящие в эти уравнения параметры все время меняются по ходу воды в охладителе. Поэтому возникает задача решения системы дифференциальных уравнений, которая может быть составлена для элемента поверхности воды. Прежде чем перейти к формулировке и решению этой за- дачи, необходимо разграничить два принципиально отличных случая испарительного охлаждения, возможных в закрытом охладителе. Рассмотрим для этого, как изменяются условия охлажде- ния воды при неизменном ее расходе и неизменной начальной температуре, но при меняющемся расходе воздуха. Пусть сначала расход воздуха велик по сравнению с рас- ходом охлаждаемой жидкости, причем поступающий в охлади- тель воздух, который может быть влажным, нс насыщен водя- ным паром и его конечная относительная влажность при вы- ходе из . охладителя также не достигает еще 100 %. Если мы начнем затем понижать расход воздуха, степень его насыще- ния при выходе из охладителя будет возрастать,’.пока при не- котором расходе не будет достигнута конечная влажность 100%. Такой расход воздуха, при котором достигается полное его насыщение в самом конце пути над свободной поверх- ностью охлаждаемой жидкости, мы будем в дальнейшем на- зывать теоретик е с к и м расходам, Уменьшение расхода воздуха ниже теоретического не мо- жет уже повлечь за собой дальнейшего увеличения его конеч- ной относительной влажности, хотя в результате повышения температуры уходящего воздуха его влагосодержание продол- жает возрастать. Воздух насыщается в этом случае еще до того, как достигает конца своего пути над поверхностью жидкости. Условия охлаждения воды в начальной (по ходу воздуха) части охладителя, где относительная влажность воз- духа ниже 100 %, существенно отличаются от условий в остальной его части, где воздух уже насыщен паром. Увели- чение влагосодержания воздуха в последней зоне может про- исходить лишь в меру повышения его температуры и соответ- ственно законы изменения-температур и парциальных давле- ний должны быть здесь иными, чем в начальной зоне. Пар, приобретающий у поверхности жидкости температуру ] последней, проникая в поток более холодного воздуха, охлаж- дается. вследствие чего несколько повышается общая темпера-
76 Теория охладителей [гл. 2 тура протекающей в охладителе п ар своз л ушной смеси. Коли- чество переносимого таким путем тепла обычно незначительно и им, как правило, пренебрегают. При расходе воздуха ниже, теоретического явление, однако, усложняется, так как в зоне насыщенного воздуха при большой интенсивности испарения часть пара, проникающего в воздух, не может быть послед- ним поглощена. Поэтому здесь должно иметь место не только охлаждение пара по мере удаления его от поверхности жидкости, но и частичная конденсация проникающего в воз- дух пара1. Последнее сопровождается дальнейшим повыше- нием температуры смеси за счет теплоты конденсации. Даже при сравнительно небольшом количестве конденсирующегося пара количество выделяющегося тепла оказывается настолько значительным, что им нельзя уже пренебрегать при составле- нии теплового баланса. Таким образом, при рассмотрении испарительного охлаж- дения в закрытом охладителе следует различать два случая; 1) когда расход воздуха выше или равен теоретическому и изменение состояния воздуха вдоль поверхности охлаждения характеризуется непрерывным увеличением его относительной влажности; 2) когда расход воздуха ниже теоретического и изменение состояния воздуха, а вместе с тем и условия охлаждения воды различны для двух участков поверхности охлаждения. В последнем случае можно различать I (начальный) уча- сток, на1 котором относительная влажность воздуха нарастает от некоторого его начального значения до 100%, и II участок, где относительная влажность воздуха постоянна. Если началь- ная влажность воздуха равна 100%, имеется только I! уча- сток. Величина теоретического расхода воздуха зависит в каж- дом отдельном случае от начального состояния воздуха и тем- ператур охлаждаемой воды. Так, при начальных параметрах воздуха, отвечающих летним условиям Москвы, и при пере- паде температур воды 5° С теоретический расход воздуха (кг воздуха на 1 кг воды) составляет 0,3—0,7, а при пере- паде температур воды 20° С он возрастает до 1,8—2,2. Рас- ходы воздуха ниже теоретического отвечают обычно малым относительным расходам или высоким начальным влажностям воздуха, а также высоким перепадам температур воды. Особенности протекания процесса при режимах, опреде- ляющихся нами как режимы с расходами воздуха ниже тео- ретического (наличие зоны насыщенного воздуха, частичная конденсация пара в этой зоне), упускаются обычно из виду 1 Не исключена частичная кондепсацяя проникающего' к воздушный поток пара и в зоне ненасыщенного воздуха, по там роль этогр явле- ния должна быть, повилимому, незвдчцгедьной.
fj 2-'l ’ Осаждение вод^ при противотоке "77 при исследованиях испарительного охлаждения, в частности при обработке опытных данных, что приводит иногда к непра- вильному определению коэффициентов тепло- и массоотдачи, а в некоторых случаях и к ошибочным теоретическим выво- дам Ч Между тем, с расходами воздуха ниже теоретического приходится нередко встречаться при анализе работы как опыт- ных, так и промышленных охладителей, особенно башенных градирен. 2-4. ОХЛАЖДЕНИЕ ВОДЫ ПРИ ПРОТИВОТОКЕ (РАСХОД ВОЗДУХА ВЫШЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО) Рассмотрим теперь охлаждение воды на элементе ее пути dy в охладительном устройстве, изображенном на фиг, 2-6, предполагая, что расход воздуха равен теоретическому или выше последнего. Будем также полагать ширину струи воды на всем се пути неизменной и равной а температуру воды— одинаковой по всей ширине струи. Аналогично (2-2), опуская только дл, поскольку лучис- тым теплообменом в данном случае допустимо пренебречь, можем написать для количества тепла, отданного на путиdy* dQ--a(tf — $)-df-\-rl-dGllc-lrclletl-dGjic = = «(^ — «)<//+ hdG^, (2-14) где i"n = сж' tf A- rf — теплосодержание, пара при температуре tp df — bQ-dy — элементарная площадка. Уравнение (2-1) сохраняет в этом случае свою силу без изменений, и из (2-1), (2-3) и (2-14) получаем: [e(tt-В) + г, UP"-p»-df = G^c^dt. (2-15) Воздух, движущийся навстречу воде в количестве Q кг/час (считая по сухом}’’ воздуху), повышает свое тепло- содержание на пути dy на G^di. Часть этого тепла затра- чиваетс;! на повышение температуры воздуха и содержав- шегося в нем ранее пара с &° до остальная часть представляет собой теплосодержание пара, вновь проник- шего в воздух в результате испарения воды, т. е. dQ = Gt-di = Ge-clll-db + iltdG:K, (2-16) где сзг — теплоемкость влажного воздуха, ккал/кг град; 1 Подробнее см. Л. Д. Берман, „Известия ВТИ“, 1940, № 10—11, стр. 17.
7S Теория охладителей [ r/J. 2 in— теплосодержание содержащегося в воздухе водя- ного пара, ккал]кг. Можно с. достаточной точностью принять, что где сн —теплоемкость водяного пара при постоянном давле- нии, ккал < кг град. Тогда из (2-14) и (2-16) А, я ~ »W + Й — 4) - dGxc ~ или G^c8A-dh^KAt-^df, (2-17) где К^±~~Чр-Р} (2-17а) есть коэффициент, учитывающий перенос тепла водяным паром, проникающим от поверхности жидкости в воздуш- ный поток. При малых разностях парциальных давлений можно принимать X^l, Повышение влагосодержания воздуха на пути dy состав- ляет G&-dx. Так как оно равно количеству dGjfc испарив- шейся жидкости, можем написать: dG'3№ ™ (Р"~Р) df^ Ge>dx. (2-18) Но согласно (1-10) dx~ 0,622-4/р— и, следовательно, p)df=0fi22G„-d У'- ] . (2-19) •> \РЬ р I Уравнениями (245), (2-17) и (2-19) можно воспользоваться для решения задачи о распределении температур и парциаль- ных давлений в противоточном охладителе. Решение этой за- дачи дает необходимые зависимости также и для определения требуемой поверхности охлаждения или охладительного эф- фекта при заданной поверхности. Подобные решения, пригодные при расходах воздуха, боль- ших или равных теоретическому, предложены рядом авторов.
Охлаждение воды при противотоке Эти решения связаны с введением некоторых упрощающих предпосылок и при практической равноценности в отношении степени их точности существенно различаются между собой по сложности и возможностям практического использования полученных зависимостей. Так, примененный Аккерманом 1 прием замены исходной системы уравнений -интегральным уравнением типа Вольтерра не позволил довести решение в общем виде до получения конечных расчетных формул. Б. В. Проскуряков1’, применивший приближенный прием за- мены подинтегральной функции, довел решение до конца, но не получил в явной форме искомых зависимостей для темпе- ратур и парциальных давлений, вследствие чего применение этого способа для решения отдельных частных задач также очень сложно. Возможно, однако, решение рассматриваемой системы уравнений достаточно простым методом без приме- нения каких-либо искусственных приемов и в то же время без ущерба для точности получаемых результатов сравнительно с указанными более сложными способами решения3. Будем исходить из следующих допущений, довольно хо- рошо удовлетворяющихся в условиях охладителей циркуляци- онной воды: 1) коэффициенты я, и Ка, а также мало зависящие от температуры физические константы г и се1 могут быть при- няты постоянными для всей поверхности охлаждения; 2) парциальные давления водяного пара в протекающем воздухе весьма малы сравнительно с. очень незначительно меняющимся полным давлением паровоздушной смеси и мо- жет быть принято, что рБ — р-'~ риср — const, где р — среднее парциальное давление сухого воздуха; . 3) количество испаряющейся воды незначительно и можно принять, что Ож_у--аж; 4) температура воды на поверхности может быть принята равной средней температуре воды в данном сечении, т. е, tf—t (соответствующее давление насыщенного пара—>//'); 5) для давления насыщенного водяного пара в рас- сматриваемых незначительных пределах изменения темпера- туры воды может быть принята линейная зависимость от температуры согласно уравнению (2-5). Первые три допущения не требуют особых пояснений. Возможность введения четвер того допущения подтвержда- ется подсчетами, произведенными как для пленочных4, так 1 Г. Аккерман, Ingenieur-Archiv, Bd. 5, 1931, № 2, S. 124. 3 Б. В. Проскуряков, „Известия НИИГ", т. 16, 1935, стр. . 12, ' 3 Л. Д. Берман, Сборник ВТЙ „Исследование процессов регулиро- ; вания, теплопередачи и обратного охлаждения4, ГОНТИ, 1938, стр. 107. ?. 4 Аккерман, цитированное сочинение.
80 Теория охладителей [гл. 2 и для капельных1 охладителей, в которых вода подвергается многократному перемешиванию. Что касается пятого допу- щения, то выше (§ 2-1) уже отмечалось, что связанная с ним погрешность очень незначительна для условий охладителей циркуляционной воды и может быть практически сведена на-нет, если ввести поправку с помощью уравнения (2-6а). Принятые допущения позволяют рассматривать систему уравнений (2-15), (2-17) и (2-19) как систему из трех сов- местных обыкновенных дифференциальных уравнений пер- вого порядка с постоянными коэффициентами. Такая система может быть решена, например, методом двукратного диф- ференцирования с последующим исключением неизвестных функций. Мы получаем при этом в рассматриваемом нами случае дифференциальное уравнение 3-го порядка без сво- бодного члена, содержащее только производные от неизвест- ной функции. Решение подобного уравнения не представляет никаких трудностей и может быть доведено до конца. Заменим величину через относительный расход воз- духа а в качестве независимой переменной введем величину что позволит пользоваться конечными формулами и в случаях, когда точная величина поверхности охлаждения неизвестна. Введем, далее, для упрощения следующие обозначения: а = и & = -Рв'ср- свр. и 0,622 л 1,61 , Л и примем для воды, что сж~ 1 ккал!кг град. Тогда рассматриваемые уравнения (2-17), (2-19) и (2-15) с учетом всех принятых допущений могут быть переписаны следующим образом2: ^=а (Z-8), (2-20) 'g. = Z>(p”-p), (2-21) (;_&) + ' (/>’'_р), (2-22) и Гр 1 Л. Д. Берма н, Исследование рабочих процессов градирен. Диссер- тация, МЭИ, 1044. * в Здесь и ниже для простоты опускаем индекс при величине г.
§ 2-4] Охлаждение воды при противотоке gj где р" =т-\- nt. Решение этой системы уравнений приводит к линейному дифференциальному уравнению 3-го порядка относительно любой из переменных t, & и р. С точки зрения практиче- ского удобства получаемых конечных формул предпочтитель- ным оказывается решение относительно &. Получаем при этом 1 /' ! т а \ «"-ft f / г г а \ d$ Л L ДД_£_ГЯ 4J ah ^агп^р — (J d<^ ! \ 1 j d<& у d'M , (2-23) Уравнению (2-23) соответствует характеристическое урав- нение у3 4- Му- + Му = 0, (2-24) где М~а~\-Ь — гл — , Р.Д М= ab — агп — b ~ , рр Один из корней уравнения (2-24) равен нулю, остальные два корня определяются решением простого квадратного уравнения: у2 + -j- = 0, (2-24а) откуда Подставляя значения М и АГ, находим, что ЛР — 4W=(а — b 4- гп — в-- V 4- 4/тг - >0, т. е. не может быть ни мнимых, ни равных корней yt и у2. Возможен, однако, случай, когда один из этих двух кор- ней равен нулю и уравнение (2-24) имеет двукратный корень. Последнему случаю отвечает равенство ЛГ=О или am -Mb ~ = ab , (2-25) г?? Подставляя сюда значения а и Ь, получаем: 5Ы. + 0,622 — = 1 (2-25а) К. 1 ’ Р,.ер - 6 Л. Д. Верман.
82 Теория охладителей [г-к 2 откуда 1 Л“~ 7в1 "т • (2-26) т-'-+0,622 К 7 & я Рд.ср Так как А олг» п 0,622 dp" dx" 0,622 — — 77 “77- , Рщ Рв.ер lU dt то равенство G (2-25а) после подставки и введения сж ^Ж принимает вид: rGt dx"=GMc^U. (2-27} Из (2-15), (2-17) и (2-18) имеем для элемента поверхности 7-G/<,-^a + ''Gs-^ = G^-*. (2-28) Равенства (2-27) и (2-28) становятся тождественными в случае, когда изменения температур воды и воздуха одина- ковы по величине, т. е. d$~ai, а изменение влагосодержа- ния протекающего воздуха равно изменению влагосодержа- ния насыщенного воздуха у поверхности жидкости, т. е., dx^dxf*. При отсутствии испарения первому из этих усло- вий (db — dt) соответствовало бы равенство водяных экви- валентов обменивающихся теплом веществ: G с - G с . ж ж ц вл В случае испарительного охлаждения благодаря^величению влагосодержания воздуха теплоемкость последнего как бы dx возрастает на величину г и если ввести понятие приве- cs г dx денной теплоемкости воздуха с’8— -]-/ , то выражение (2-27) приобретает при указанных условиях аналогичную' форму G с — Gc' Ж Ж в в’ т. е. случаю равенства приведенных водяных эквивалентов отвечает наличие двукратного корня уравнения (2-24). Вид общего интеграла уравнения (2-23) различен в за- висимости от наличия или отсутствия кратных корней у ха- рактеристического уравнения (2-24).
§ 2t4j Охлаждение воды .при противотоке S3 Когда все три корня характеристического уравнения раз- личны, общий интеграл уравнения (2-23) имеет вид: где и у2 — корни квадратного уравнения (2-24а): г? —основание натуральных логарифмов; Clt С2, С:.— постоянные интегрирования. Подставляя это значение & в уравнения (2-20) и (2-22), находим для рассматриваемого случая искомые законы изме- нения температур и парциального давления пара1: а^С^+С^-НСз, (2-29) t — ^-C2h2ey^ ^-CSf (2-30) р=С,~ (</ — hY J • еЛ"4- C2 у (</-*,; <?'*" + p", (2-31), где обозначено: и р" определяется уравнением (2-5). Характеристическое уравнение имеет двукратный корень при Лг-0. в этом случае два корня уравнения (2-24) равны нулю, для третьего же имеем: —М Интегрирование уравнения (2-23) дает при этом & — С -р C2w-|- Cg, (2-29а); Z = Cp^“ + Cyy + J + C31 (2-30а) р = С^и~к'е^^сРр<1-\'\ + р’', (2-31Д, где 1 Здесь не учитывается, конечно, влияние нестабилизированиого ре- жима на начальном участке течения, поскольку « и приняты постоян- ными. 6*
34 Теория охладителей [гл. 2 Из (2-29а) и (2-30а) dt~~(CJiyeyw + C2).d<o. Как мы видели выше, равенству приведенных водяных эквивалентов должно отвечать А'--0 и d^ — dt и, следова- тельно, в этом случае должно быть: C.ye^^C^he^- Так как -^-=7^0, то также h--\ Н-~ F 1 и последнее ра- венство может быть удовлетворено только при Cj —0*. Следовательно, в частном случае, когда при Af — 0 равны также приведенные водяные эквиваленты, (2-296) / = £> + С2-У + С3, (2-306) р = р"+с/уТ. ' (2-316) Уравнения (2-296) по (2-316), учитывая еще принятое выше допущение 5, показывают, что в данном случае мы получаем для изменения температур и парциальных давлений линей- ные законы. Постоянные интегрирования Ст, С2 и С3, входящие в при- веденные выше формулы, определяются в отдельных слу- чаях по заданным граничным условиям, которые могут быть различны в зависимости от характера поставленной задачи. 2-5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ОХЛАЖДЕНИЙ И ТЕМПЕРАТУРЫ ОХЛАЖДЕННОЙ ВОДЫ При определении требующейся величины поверхности ох- лаждения Р заданными являются обычно пределы охлажде- ния воды и начальное состояние воз духа. Имеем при этом следующие условия (за начало отсчета поверхности f или соотзегсгвеняо аргумента у> принято сечение со стороны входа воздуха): при ш — 0 t = /3; & = //' —у?"— Ърп\ p^zp}; (2-32) * К равенству С, — 0 можно прийти и иным путем, решая относи- тельно постоязлых интегрирования уравнения (2-29а), (2-30а) я (2-31а) при граничных условиях (2-32).
§ 2-5 ] Определение поверхности охлаждения .85 (2-34) (2-35) (2-36) При со / = /р p,f = p~ — bp"> (2-33) ? U ж где F — полная величина поверхности охлаждения. Предполагаем ЛГ^О. Тогда, решая уравнения (2-29), (2-30) и (2-31) относительно Съ С2 и С3 при начальных усло- виях (2-32), находим: __«3 th — 8Т) {d — А3) аг (р2 —Pj — o/9 1 — — (Л __ Ь) __(ta — frj) (d — ftQ 4- ar (pl —Pi — fo") 2 “ ' 7а'(Л— >’i) C3-— -&i Сг C2. Зная постоянные интегрирования, можно определить 2 из уравнения (2-30) и условия (2-33), согласно которым h = + C2h^~ + С3. (2-37) Решать уравнение (2-37) относительно-Q нужно подбором. Для условий работы водоохлаждающих устройств решение обычно может быть облегчено, так как второй член суммы, стоящей в правой части этого уравнения, оказывается очень малым сравнительно с остальными слагаемыми. Если прене- бречь им, получаем следующую простую зависимость: Здесь принято, что есть корень характеристического уравнения, получающийся при знаке плюс перед радикалом. Правильность решения, полученного с помощью приближен- ной формулы (2-38), может быть проверена путем подста- новки найденного значения & в уравнение (2-37). При задан- ных Ож и величина U определяет и требуемую величину поверхности охлаждения Е. Аналогичным путем могут быть найдены постоянные интегрирования и величина 2 и в случае, когда ЛГ—О, пред- ставляющем меньший практический интерес. Подставляя найденные значения постоянных интегриро- вания и £i в уравнения (2-29) в (2-31) или (2-29а) и (2-31 а), нетрудно уже найти и значения 08 и р.>, характеризующие состояние уходящего воздуха. С помощью уравнений (2-29) по (2-31) могут быть также определены и промежуточные значения величин t, 8 и р для.
86 Теория охладителей [гл- 2 случая, когда Лг^40, На фиг. 2-7 приведены кривые темпе- ратур и парциальных давлений для трех случаев, различаю- щихся между собой степенью охлаждения воды. Когда поверхность F известна и требуется определить конечные значения величин & и р} заданными являются обычно условия: при W—0 и р~~р^ (2-39) при t~tv (2-40) Температура, "С Фиг. 2-7. Распределение температур и парциальных давлений при проти- вотоке. Часто условие (2-40) заменяется заданным перепадом температур воды — (2-40а) прячем значения и 4 неизвестны. При условиях (2-39) и (2-40) получаем систему уравнений (Л4^0): »i =C,-LC24-C3. (2-29в) Л = С,А17й+СДеЛЙ+С3 (2-30в) А — С1 (d — hy) + С2 ~ (d — Л3) 4- р'^ — Ър”. (2-31 в) Если задано условие (2-40а), уравнение (2-306) заменяет- ся следующим: AZ = с Д - 1)+C.h, (/’й — 1). (2-30г)
§ 2-6 J Охлаждение воды при противотоке 87 При Аг—О формулы соответственно видоизменяются. Так как температура /3 является искомой, то неизвестно и значение давления р%, входящего в уравнение (2-31в). Это не позволяет непосредственно найти величину /3. Последней приходится задаваться и затем уточнять ее путем последо- вательных приближений. Как и в случае определения F, система уравнений (2-29в)— <2-31 в) может быть решена в общем виде относительно €\, С3 и С3. Получаемые прн этом формулы оказываются очень громоздкими и представляется более удобным численное решение этих уравнений для отдельных частных случаев. При найденных таким путем значениях постоянных интегри- рования могут быть определены конечные и промежуточные значения ty & и у. Практическое использование полученных зависимостей тре- бует наличия опытных данных по коэффициентам тепло- и массоотдачи или по крайней мере по одному из них. Реше- ние частной задачи о нахождении состояния уходящего воз- духа возможно, однако, и в случае отсутствия этих данных. Для этого достаточно, не определяя раздельно и А, найти величину 11 и, пользуясь ею, подчитать и /?3. 2-6. ОХЛАЖДЕНИЕ ВОДЫ ПРИ ПРОТИВОТОКЕ (РАСХОД ВОЗДУХА НИЖЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО) При расходе воздуха ниже теоретического систему урав- нений (2-20)—(2-22) нельзя уже распространять на всю по- верхность охлаждения. Как было показано в § 2-3, в этом случае имеется два участка поверхности жидкости, для ко- торых условия охлаждения различны. I участок (по ходу воздуха) может быть назван зоно’й ненасыщенного воздуха. Условия охлаждения не отли- чаются здесь от тех, которые имеют место при расходе воз- духа выше или равном теоретическому. Поэтому для I участ- ка пригодны зависимости, полученные в § 2-4, с той только разницей, что начальная температура воды tx и конечные' параметры воздуха 02 и р% должны быть соответственно за- менены величинами i', и р\ отвечающими состоянию воды и воздуха на границе между I и II участками. В частных случаях, когда поступающий воздух является насыщенным, I участок может совсем отсутствовать. Иные условия имеют место на II участке или в зоне насыщенного воздуха, где увеличение влагосодержа- ния воздуха может иметь место лишь в связи и в количествен- ном соответствии с повышением его температуры и где проис- ходит, как отмечалось ранее, частичная коденсация пара, про- никающего в воздушный поток. Указанные особенности долж-
88 Теория охладителей [гл. 2 ны быть учтены при составлении уравнений теплового и ма- териального балансов для рассматриваемого участка1. Если через х£ обозначить влагосодержание насыщенного воздуха при температуре В- и через . тоже при темпе- ратуре то приращение влагосодержания воздуха на элементе поверхности охлаждения df составит для зоны насыщенного воздуха = -4 = 0,622 (-4^— - А' )- (2’41) РЦ—р» ' где р& и — давления насыщенного пара при темпера- турах & и 0 4- Разность dGK^dGx — G -dx (2-42) определит количество сконденсировавшегося водяного пара. Влага, образовавшаяся в результате конденсации, может или уноситься воздушным потоком, или же смешиваться с охлаждаемой водой, несколько понижая ее температуру. Так как в последнем случае изменение температуры воды очень незначительно, мы не будем его в дальнейшем учитывать. Уравнения (2-17) и (2-18) оказываются для зоны насы- щенного воздуха уже неприложимыми. Условие материаль- ного баланса определяется в этом случае равенствами (2-41) и (2-42). Примем Р& А)4-Л& Рк Р$ Р'в. ср' Тогда из (2-41) , 0,622 . , dx— - -dp Ps.cp и соответственно d0< = = М.Р”-Р)-df-0,622-^ .dp. (2-42а) Гв.Ср Вместо уравнения (2-17) имеем: G, c„-df> = aKa(i - Vt-df+r^dG,, (2-43) ИЛИ о.ев/9 = аА'«Г —й)</+^ 1₽р(Р"—p)-df— 0,622 P^-dp . L Га‘сР _________ (2-43a) 1 Л. Д. Берман, „Известия ВТИ“, 1940, № Ю—11, стр.. 17..
§ 2-6 ] Охлаждение воды при противотоке 89 Кроме того, имеем, как и раньше, для охлаждения воды на элементе поверхности: °ж cwdi ~ — 0) df+ ri <W' •df- (2’44> Через ri и ra выше обозначены значения теплоты испаре- ния, отнесенные соответственно к температурам воды и воздуха. Учитывая сравнительно узкие пределы изменения тем- ператур воды и воздуха, примем и в этом случае для соот- ветствующих давлений насыщенного пара в рассматривае- мых интервалах изменения t и & линейную зависимость от температуры: р" = т, + л/. Р — + пД где tnt, nt, и zz,_ — постоянные для заданных интервалов температур воды и воздуха. Как и прежде, коэффициенты а и 3 а также мало зави- сящие от температуры величины г и свя могут быть приняты в пределах рассматриваемого участка поверхности охлаж- дения постоянными. Примем сж = 1 ккал] кг град, rf~~r^r, /<а~1 и для упрощения обозначим: I «Г f г а f ar = г 4- гд ; b’ — - Ц- г/г&; 0,622 « *. - — л. .. * h'- ^ = fp- ' иж d' = r (т{ — mJ — r(z?2 — pt — nft2 + л Д— Ър’ . Тогда уравнения (2-43а) и (2-44) могут быть представле- ны в следующем виде: 1 Дш * (2-45) £ / __ L я I < _ hf h' h' da> 1 (2-46) откуда следует, что dt — h'd$. При сделанных допущениях коэффициенты в формулах (2-45) и (2-46) можно рассматривать как постоянные. Решая обычным путем эту систему из двух обыкновенных линей- ных дифференциальных уравнений 1-го порядка, получаем: ус» +c3j (2-47)
90 Теория охладителей 3 гл. 2 ,. V® г Ъ d /о .'|о> t — Cfte (2-48) где , b’ у-- а,— Тг. h Парциальные давления пара вполне определяются в дан- ном случае температурами & и t, так как по условию и в ядре потока пар является насыщенным. Примем за начало координат (ш=:0) границу между I и П участками. То1да при ш — 0 и & —{И. Находим, исходя из этого условия, постоянные интегрирования ___ a'f— &ТУ Ц- d' 1 “ a'fa' — b' * c3 —Ср Принимая во внимание, что при <о — Ц} t — ib находим для II участка: о | «Ч] — Ь'С2 (Г_ 2,3 , — Оа -yd' ,.Цт“ у — у“ д'Г—‘ (2-4У) Зная законы изменения температур и парциальных давле- ний в зонах ненасыщенного и насыщенного воздуха, можно определить требуемую для заданных условий величину по- верхности охлаждения и состояние уходящего воздуха. Ход решения при этом следующий. Сначала производится предва- рительный расчет. Определяя Й, &2 и /?5 обычным путем, как и в случае к>- строим кривую Ф(ш), где — относи- тельная влажность воздуха. Точка пересечения этой кривой >с линией 100% определяет границу между I и II уча- стками. Граница эта может быть уточнена путем пересчета I участка при новом значении п, отвечающем начальной и конечной температурам воды на этом участке. Затем пере- считывается уже с помощью полученных выше уравнений для зоны насыщенного воздуха И участок. При пересчете II участка для определения величины п{]. требуется знать температуру уходящего воздуха $2. Эта температура находится подбором с помощью формулы »г = 9' + ^-', (2-50) полученной из приведенных выше зависимостей. Так как /?/ мало меняется с изменением температуры 02, величина по- следней может быть найдена очень быстро, обычно уже после первого подсчета, при котором hf определяется, исходя из значения ’%, полученного при предварительном расчете.
§ 2-6] Охлаждение воды при противотоке 91 На фиг. 2-8 приведены в графической форме результаты подобного расчета для частногй примера. Пунктирными ли- ниями нанесены данные предварительного расчета, сплошны- ми—уточненных пересчетов I и II участков. Хотя предвари- тельный расчет дал значение —102%, сравнительно мало превышающее 100%, протяженность зоны насыщенного воз- духа оказалась довольно значительной, около 75% от всей Фиг. 2-8. Изменение температуры воды и пара- метров воздуха при расходе воздуха ниже теоретического. поверхности охлаждения. Значение 12, составившее по пред- варительному подсчету 1,2, возросло при окончательном рас- чете благодаря наличию зоны насыщенного воздуха до 1,4. О Укажем еще на вытекающие из сказанного выше выво- ды в отношении обработки опытов при расходах воздуха ниже теоретического. ' В этом случае для определения на основании опытных данных численных значений коэффици- ентов тепло-и массоотдачи следовало бы пользоваться фор- мулами ’(2-51) 8 {р" ~Р)ср-^ (2-52)
92 Теория охладителей [гл. 2' где (i — х>) и (р,} — р)гр означают средние разности темпера- тур и парциальных давленийл Однако» количество сконденсировавшегося пара G* обыч- но не может быть непосредственно измерено» и его можно определить лишь косвенным путем — из расчета, задаваясь теоретическим значением отношения ~ . Последнее позво- ляет подсчитать величину £1, а затем и G;: по формуле О.=°ж [° (р" - P'ict, - Ю, - *,)] (2-53) Совпадение опытных данных с теоретическим расчетом проверяется путем сопоставления замеренных и подсчитан- ных значений €2. Температура уходящего воздуха полностью определяет в данном случае его состояние, так как уходя- щий воздух является при рассматриваемом режиме насы- щенным. При расходе воздуха, равном или выше теоретического, GK=0 и формулы (2-51) и (2-52) переходят’в обычные фор- мулы для определения указанных коэффициентов. Подсчеты показывают, что уже при сравнительно неболь- ших значениях GK, составляющих 5 — 15% от количества испарившейся воды, применение обычных формул для под- счета а и £ вместо формул (2-51) и (2-52) приводит к пре- увеличению а в 1,3 —1,5 раза и к преуменьшению на 5—15%. Отношение ~~ при этом преувеличивается в 1,4— 1,8 раза. Изложенные выкладки, в которых мы пользовались усред- ненными по сечению параметрами воздуха, не учитывают усложняющую явление неравномерность распределения темпе- ратур и влагосодержаний в воздушном потоке. Эта неравно- мерность должна, невидимому, усиливать явление конденса- ции пара, проникающего в воздушный поток. По всей вероят- ности, она должна также приводить к появлению, хотя и не- значительной, местной конденсации пара и при расходах воз- духа, несколько превышающих теоретический Ч Требует еще изучения вопрос о влиянии своеобразных усло- вий обмена в зоне насыщенного воздуха на значения коэффи- циентов тепло- и массоотдачи. Поскольку же позволяют судить имеющиеся данные, для этой зоны можно принимать те же значения указанных коэффициентов, что и для зоны не- насыщенного воздуха. 1 Об образовании пересыщенного лара и его конденсации в объеме парогазовой смеси при неравномерном распределении температур см. работы А. Г. Амелина, ДАН, т. 58, 1947, № 8, стр. 1673 и „Коллоидный журнали, т. 10, 1948, Хе 3, стр. 169.
§2-7] Охлаждение воды при поперечном токе 93 2-7. ОХЛАЖДЕНИЕ ВОДЫ ПРИ ПОПЕРЕЧНОМ ТОКЕ Рассмотренный выше случай противотока воды и воздуха является наиболее выгодным с точки зрения использования поверхности охлаждения, так как ему отвечают наибольшие значения средних разностей температур и парциальных дав- .лений. В практических условиях соображения компоновки во- доохлаждающего устройства иногда приводят к отказу от ис- пользования преимуществ противотока и осуществлению пере- крестного или поперечного тока, при котором воздух движется в направлении, нормальном к направлению движения жидко- охладителей циркуляци- сти. параллельный ток в практике он ной воды встречается редко. Фиг. 2-9. Схема движения воды и воздуха при попе- речном токе. При поперечном токе решение в общем виде задачи об испарительном охлаждении сильно усложняется, и такое ре- шение пока не предложено. Для определения в отдельных частных случаях распределения температур и парциальных давлений при поперечном токе можно воспользоваться прибли- женным графическим методом интегрирования I Рассмотрим охлаждение воды, стекающей по двум парал- лельным вертикальным плоскостям (щитам), между которыми в горизонтальном направлении движется воздух (фиг. 2-9). ' Выделим на поверхности жидкости элементарную пло- щадку d2/' -dx-dy (фиг. 2-9,а). Количество воды, протекаю- щей в направлении у на ширине грани dx этой площадки, составит g^dx к г [час, где — расход воды на 1 я шири- ны струи (кг/м час}. Количество воздуха, протекающего в направлении х на ширине грани dy, составит: 1 Д. Н. Бибиков, „Известия НИИГ", т. 23, 1938, стр. 273.
94 Теория охладителей [ гл. 2 где g3 — 3 600 ws yg {кг/м?час — скорость воздуха в м/сек, 7в — удельный вес воздуха в кг/м31 и b— ширина канала в л/). Сохраняя допущения, перечисленные в § 2-4, исключая только равенство температур воды по ширине струи, мо- жем для случая поперечного тока составить следующую систему уравнений, аналогичную системе уравнений (2-20)— (2-22): ^ =<»(<_»), (2-54) g=*(/>"-/,), (2-55) « = = ' (2-56) tJp &ж &ж Фиг, 2-10, Построение интегральных кривых, где , г ^рРв.ер ______ ^рРз.ср а — 3 600», 7,.,.с,., ' ° — 36ОТ<СД4^622* “ П2б<7м 4 ’ ' k= ....................; Если теперь всю поверхность охлаждения разбить на ряд небольших площадок, как это показано на фиг. 2-9Д, то при заданных начальных условиях (/р /?Д и /у) можно найти для площадки 1-1 из уравнений (2-54) и (2-55) значения1 и, подставив последние в (2-5G), определить также / dt \ (. ду ) \ /у = й J Величина pi' находится из таблиц по заданному значению Так- же находятся значения р" и при последующих операциях.
§ 2-8] Первое упрощенное решение 95 Полученные значения производных определяют наклон начальных касательных к интегральным кривым рассматри- ваемых дифференциальных уравнений. Наносим эти каса- тельные на графики до^ пересечения их с ординатами xt и (фиг. 2-10, прямые Z). Затем находим средние значения пере- менных 8, р, I и pv, отвечающие нанесенным отрезкам каса- тельных, и, подставляя их в уравнения (2-54) по (2-56), вновь- подсчитываем для этой же площадки значения производных и , Отвечающие последним отрезки на графике выше прямых /. Повто- операцию, пока прямых щита Фиг. 2-11. Распределение температур воды при поперечном токе. _о& др_ дх~’ дх 2 ложатся или ниже ряем эту направления двух послед- них прямых не будут отли- чаться между собой лишь на очень малую величину. Так же строятся отрезки прямых сначала для всех площадок ряда I, затем ряда /I и т. д., что позволяет определить ход температур и парциальных давлений в пре- делах всей поверхности. Полученное описанным способом распределение тем- ператур воды при попереч- ном токе показано на фиг. 2-11 (по Бибикову). Графический метод ин- тегрирования может быть использован и в случаях, когда величина полной поверхности охлаждения F заранее неизвестна. Построение кривых заканчивается при этом на1 том горизонтальном ряду, для которого средняя температура' охлажденной воды отвечает заданному ее значению. Таким' путем может быть определена требуемая величина поверхно- сти охлаждения. При расходе воздуха ниже теоретического в описанный- способ расчета должны быть внесены соответствующие изме- нения. 2-8. ПЕРВОЕ УПРОЩЕННОЕ РЕШЕНИЕ ДЛЯ ЗАКРЫТОГО ОХЛАДИТЕЛЯ (ПРОТИВОТОК) Изложенные выше в § 2-4 по 2-7 решения позволяют про- изводить необходимые расчеты как при теоретическом анализе работы закрытых охладителей, так и при их проектировании.
96 Теория охладителей (гл. 2 Они дают возможность разграничить принципиально отлич- ные друг от друга режимы работы охладителей при расходах воздуха выше и ниже теоретического и установить отвечаю- щие различным режимам изменения промежуточных и конеч- ных параметров процесса. При практических расчетах полу- ченные решения позволяют определить не только требуемую величину поверхности охлаждения, но и состояние уходящего ,из охладителя воздуха. Однако, для повседневных практических расчетов, особенно когда требуется просчитать и сопоставить между собой боль- шое число различных вариантов, эти методы оказываются довольно сложными и желательно иметь упрощенное решение, хотя бы и за счет некоторого сужения области его примене- ния. Наличие более точных решений является при этом необ- ходимой предпосылкой для выяснения допустимой области применения того или иного упрощенного метода расчета. Сложность расчетных формул обуславливается в рассмат- риваемом случае зависимостью количества тепла, отдаваемого водой при испарительном охлаждении, от разностей двух пара- метров (температур и парциальных давлений). Упрощение их может быть достигнуто следующими способами: а) использо- ванием упрощающих предположений в отношении законов из- менения основных параметров процесса, т. е. законов измене- ния температур и парциальных давлений вдоль поверхности охлаждения, и б) введением взамен температуры и парциаль- ного давления нового параметра для определения «движущей силы» данного процесса. Так как и тот и другой способ могут находить практическое применение, мы остановимся на обоих этих способах. Первое упрощенное решение рассмотрим применительно к случаю противотока1. Будем исходить из следующих уравнений теплового и материального балансов для охладителя (при = 1): Ч~ ™ &в' (4 (2-57) « % - ад, (2-58) . (р" — . F = Ga • (х2 — хх), (2-59) где (/—0)сри (?"— р)ср — соответственно средние по поверх- ности значения разностей температур и парциальных дав- лений. 1 См. Л. Д. Берман, „Теплосиловое хозяйство0, 1938, №11, стр. 34.
§ 2-8] Первое упрощенное решение 97 Из уравнения (2-57) имеем для теплосодержания уходя- щего воздуха ; _। J_Af ’ г1~Г А i (2-60) где Ga — —t,; kz=-A ^ж и г 1 _ Ga(i. 6 )- (2-61) Так как G« = 0«-O2 — г и Q = Qa+QB==G,(is-ZI),. то 1 В.-Й Za“J r(i + <r (2-62) где и ~ 1 ^2 i'l | r ' Л3—X-i . (2-63) есть отношение количества тепла Q переданного соприко- сновением, к количеству тепла Q^, затраченному на испаре- ние воды. Разделим теперь почленно друг на друга уравнения (2-58) и (2-59). Получаем при этом 17 _ $3 "• " (/'—р) ср * С^л ' А'3 — ’ а откуда, если принять 0,35 ккал ат/кг град и с8Л = = 0,25 ккал1кг град. »2 -= »! J- 1,4 (X, - х,)• . (2-64) Если задаться каким-либо законом изменения температур и парциальных давлений, например логарифмическим или ли- 7 Л. Д. Еерман.
98 Теория охладителен {гл. 2 нейным, то можно подставить в уравнение (2-64) соответст- вующие выражения для (/ —- &) и (р!> — р) , которые бу- дут включать в себя значения параметров для воды и воз- духа в начальном и конечном сечениях охладителя. При заданных значениях температур воды (^, /3) и на- чальных параметров воздуха хг) неизвестными в урав- нении (2-64) будут три величины, отвечающие состоянию уходящего воздуха: и Как следует из сказанного в § 1-2, состояние уходящего влажного воздуха при данном барометрическом давлении полностью определяется значени- ями каких-либо двух из этих параметров, причем в рассмат- риваемом случае они не могут выбираться произвольно, а должны соответствовать теплосодержанию 4, найденному из уравнения (2-60). Это позволяет, задаваясь различными -зна- чениями 63 и <р3, отвечающими данному теплосодержанию уходящего воздуха /а, и находя из таблиц или диаграмм со- ответствующие значения р$ и Л'2, подбором решить уравне- ние (2-64) относительно i>2. Определив состояние уходящего- воздуха, можно, пользуясь уравнением (2-58) или (2-59), под- считать также требуемую величину поверхности охлаждения Л Решение это, естественно, получается более простым, если принять линейное изменение температур и парциальных давлений вдоль поверхности охлаждения. При этом средние разности температур и парциальных давлений в уравнении (2-64) для случая противотока равны средним арифметическим. Мы получили выше (§ 2-3), что при принятых в основ- ном решении допущениях температуры и парциальные дав- ления изменяются по линейному закону в случае равенства приведенных водяных эквивалентов жидкости и влажного воздуха. Но, как подтверждают поверочные расчеты, и при условиях, отклоняющихся от указанного, можно во многих случаях с достаточной степенью точности пользоваться средними арифметическими значениями разностей темпера- тур и парциальных давлений. Такое упрощение может при- меняться в довольно широких пределах изменения задан- ных . расчетных параметров, когда задача ограничивается только определением состояния уходящего воздуха, например при расчете естественной тяги, или определением теорети- ческого расхода воздуха, и в более ограниченных пределах, когда нужно определить требуемую величину поверхности охлаждения. Для уточнения средней разности парциальных давлений следует при ее определении уменьшать значения р^ и р%г Па величину Ър”, определяющуюся уравнением (2-6 а). Введя в формулу (2-64)
§ 2-8] Первое упрощенное решение 99 получаем: -------i—г- J----> И ’---- (2-65) ?1 4- 2 • «Д — Pl — p-i ' 7 Решение этого уравнения удобнее производить графи- ческим путем, откладывая до оси абсцисс предварительно принятые значения i%, а по оси'ординат — значения &>, под- считанные по уравнению (2-65). Точка пересечения получен- ной кривой с прямой линией, проходящей через начало координат под углом 45° к осям, определит искомое зна- чение &2. Для поверхности охлаждения имеем из (2-59): Ов -{хз — xj (2-66) Когда перепад температур воды Д/ не превосходит при- мерно 10° С и температура, охлажденной воды на 5—7° С и более превышает температуру наружного воздуха, здесь также можно принимать величину (p" — /?)fp равной средней арифметической разности парциальных давлений. $о для условий, отклоняющихся от указанных, более точные ре- зультаты при определении F дает средняя логарифмическая разность (.Р''—Plp РзП- (Pg-- ДО p\j— <лр" —pY тогда как для определения &2 по формуле (2-65) необходи- мости в таком уточнении большей частью не возникает. Последнее объясняется тем, что в формуле (2-64) или (2-65) входит в одно из слагаемых отношение средних разностей температур и парциальных давлений, и допуская одинаковые по знаку и близкие по порядку величин отно- сительные погрешности в определении этих разностей, мы получаем весьма малую ошибку при подсчете. Ь2; при опре- делении же поверхности охлаждения с помощью' формулы ; (2-66) погрешность в оценке средней разности парциальных давлений полностью отражается на результате расчета. На случае поперечного.тока мы здесь останавливаться ; не будем. В этом случае практической необходимости в ? 7*
100 - Теория охладителей [гл- 2 применении рассмотренного способа решения, оказываю- щегося при поперечном токе более сложным, обычно не воз- никает и может быть использован способ упрощенного ре- шения, описываемый ниже. 2-9. ВТОРОЕ УПРОЩЕННОЕ РЕШЕНИЕ ДЛЯ ЗАКРЫТОГО ОХЛАДИТЕЛЯ (ПРОТИВОТОК И ПОПЕРЕЧНЫЙ ТОК) Другой путь упрощения расчетных зависимостей связан с введением взамен температуры и парциального давления нового параметра. Использование этого приема оказалось возможным благодаря установлению определенного соотноше- ния между коэффициентами тепло- и массоотдачи. Это поз- волило представить количество тепла, отдаваемого водой при испарительном охлаждении, в виде простой зависимости” от разности теплосодержаний воздуха1. Рассмотрим сначала теплообмен при противотоке, ' Согласно (244) при t имеем Для элемента поверх- ности df (фиг. 2-5) dQ~-a-(t — &)-df '^0^. (2-67) Воспользуемся для количества' испарившейся жидкости выражением ' $Ож~$х(х''~-x')-df. .(2-68) Заменяя соответственно dG^ в уравнении (2-67)' и при- нимая во внимание соотношение (1-44а), получаем:' dQ = [а (/—&) ф- С f^(A" - х)] * *df= ~ (* — *>) -г О"—х)] • (2-69) Подставим сюда е,,~е.+‘:пх. C^r + c^.l. Тогда, учитывая еще, что согласно (1-14)* А Ф, Меркель, VDI-Forschungsheft, № -275. 1925. Предлагались также другие параметры („охладительный потенциал", эквивалентная температура и нр.), н зависимости от разности которых выражалось количество тепла, передаваемого при испарительном охлаждении, но они значительно менее удобны для практического применения, * Как это уже было принято выше, при обозначении теплосодержа- ния влажного воздуха опускаем индекс вл.
§ 2-9] Второе упрощенное решение 101 получим из (2-69) после простых преобразований dQ = • (Z" — Z) df> (2-70) где i" =Ф(0 — теплосодержание насыщенного влажного воз- духа на поверхности жидкости, ккал]кг; i — Ф(1>л.)—теплосодержание влажного воздуха в ядре потока, ккал/кг. В интегральной форме это равенство может1 быть пред- ставлено следующим образом: F Q = jJx(p"-I-)4/=^.A'c,-F, (2-71) о где Дг —-средняя разность теплосодержаний воздуха, ккал] кг. Для определения средней разности теплосодержаний Д/,р Меркель ввел допущение о линейном изменении t и i по ходу воды. Это допущение, которое не было чем-либо обосновано, привело к довольно сложному способу опреде- ления Д/ . Точнее, но требует кропотливых подсчетов, при- ближенное числовое интегрирование уравнения (2-70), пред- ложенное Г. Г. Джанибековым1. Более простой метод может быть получен1 2, если использовать с небольшим видоизмене- нием способ, применяющийся для решения некоторых других аналогичных задач, например для расчета абсорбционных аппаратов. Из (2-57) и (2-71) имеем (при к кал] кг град)' ’<? =4 -Ож м -=О, (i, - £,) = -Р, (2-72) где Д£ = tx— /2 — перепад температур воды, °C; k — поправочный коэффициент, определяющийся формулой (2-62). . Аналогично '(2-72), для элемента поверхности dft принимая с достаточной точностью k —const, можем написать: —1- ^(Г — i)-df, (2-73) 1 Г. Г. Джаин беков, Методология теплового расчета охладителей промышленных вод. Материалы ТЭП, 1933— 1934-г. 2 Л. Д. Берман, .Известия ВТЙ“, 1941, № 2, стр. 12.
102 Теория охладителей [гл. 2 Фиг. 2-12. Изменение теплосодержаний воздуха на поверхности жидкости и в потоке (случай противотока). Фиг. 2-13. К определению инте- грала Z. Отсюда ₽.r J l’ ~ 1 A и из (2-72) и (2-74) (2-74) (2-75) где Gs Интеграл / может быть определен графическим методом. На фиг. 2-12 по оси ординат отложены теплосодержания воздуха i, по оси абсцисс температуры воды t. Кривая АВ отвечает условиям равновесия жидкой и паровой фазы, т. е. £=и", где in— теплосодержание насыщенного воздуха при температуре I. Если действительное состояние воздуха ха- рактеризуется точкой С, расположенной ниже этой кривой, то для соответствующего сечения охладителя разность I" — i определится отрезком ДС. Подставляя в уравнение (2-60) вместо и С промежу- точные (текущие) значения этих величин i и I, получим еле-
§ 2-9] Второе упрощенное решение 103 дующую зависимость между теплосодержанием воздуха й температурой воды в каждом сечении охладителя; i = + (2-76) Пусть начальному и конечному состояниям системы отвеча- ют на фиг. 2-12 точки С (zlf /2) и D (Z2, /j). Тогда все промежу- точные теплосодержания воздуха определятся прямой CD, на- клон которой составляет -А, т. е. при данном k зависит только ял от относительного расхода воздуха X. Определив с помощью фиг. 2-12 значения Z" — i, отвечающие различным значениям г, можно построить показанную на фиг. 2-13 кривую =~Ф (г) и найти величину интеграла /, равную площади, заключенной между этой кривой, осью абсцисс и ординатами и Решение значительно упрощается, если для заданного интервала температур / зависимость = также предста- вить в виде прямой линии. Связанная с этим погрешность .может быть сведена до очень незначительной величины даже при наиболее высоких перепадах температур воды, встре- чающихся в охладителях, при помощи того же приема, который был применен нами выше (§ 2-1) для давлений на- сыщенного пара. Заменим соответствующий отрезок кривой Z" прямой ли- нией, проходящей не через точки, отвечающие крайним зна- чениям I" (А и В, фиг. 2-12), а через точки А' и Вг, отвеча- ющие теплосодержаниям: Л .fT 1ц Ы , Jf л if. Ч=Ч-М', где примем: 8г" = (2-77) Здесь — теплосодержание насыщенного воздуха при тем- _____________ р -р . пературе tcp ™ в ккал/кг. Так как при замене кривой АВ прямой линией А'В’ от- резки А'С, B’D и другие, отвечающие промежуточным зна- чениям i’f — i, располагаются между двумя прямыми, то и зависимость I” — i от i также должна быть линейной; Z" — г = а ь < I,
104 Теория охладителей [ гл. 2 где а и b — постоянные. Получаем отсюда diz=± — и i& &я / - J _ 1 f HCtlL) „ 1 , J i" „ j — b J I" - i — b •1П где i/i i2 и iK— ip Для определения b воспользуемся условиями: при i — 1г i,f —i — Ык; при i=z2 1Ц — i~ Ы . Тогда находим, что b •— . Eg — Z| Из (2-72), (2-75), (2-78) и (2-79), учитывая, что AZh = AZj — St", Д^ — Д/2 получаем окончательно д/ — ._2^.\72А/2_ где — —ц — разность теплосодержаний на стороне входа воды; Zj — разность теплосодержаний на стороне выхода воды. Формула (2-80) позволяет очень просто подсчитать сред- нюю разность теплосодержаний, не прибегая к графическому определению величины /. Расчет не отличается при этом от обычного расчета теплопередачи. Если начальная и конечная разности теплосодержаний сравнительно мало различаются между собой, то можно- пользоваться и средней арифметической разностью, т. е. Ду — ^г*« .4" л ™ —2— — 2 — 01 .
§ 2-9] Второе упрощенное решение 105 ' Расхождение между средней логарифмической и средней арифметической разностями не превышает 4% при ; 015<-.Л^Лг<2. ’ шэ — ы При малых перепадах температур воды (Д£ до 5 — 7° С) можно принимать or" — 0 и тогда разность теплосодержаний по формуле (2-80) оказывается равной обычной средней логарифмической 6 Когда используемые опытные значения коэффициента массоотдачи отнесены не к разности влагосодержаний, гак это принято при выводе формулы (2-71), а к разности пар- циальных давлений, в эту формулу следует ввести попра- вочный множитель. Замена в выражении (2-68) коэффициента через согласно (1-31) затруднила бы дальнейший вывод. Поэтому определим приближенное значение искомого поправочного коэффициента, исходя из следующих соображений. Применение коэффициента ‘Рр =?= 1,61 рБ - ^при- водит к преувеличению количества испарившейся жидкости в 1 4~&г раз, где Дг —1,61 (х"+-х). Во столько же раз преувеличивается при этом и количество тепла, затрачивае- мого на испарение жидкости. Примем ради простоты для всей поверхности охлаждения У V* Д v =1,6^ — const, (2-81). где = х^ -ф- х<£ -4- х2. Тогда для поправочного коэффициента можно написать-/, pg I г __ _s + 1 + 4 _ 1 + ь (1 + д j ~~ ~~ * + Г (1 т£)(1 или р г*_ 1 Т г (1 4~ 9)8 о,-».. С ~ (1 + 0(Г+0,8.VX) (^ 82) и соответственно '(} = ?, -1,61 рБ-C-Mv -Р=$р -F, (2-83) где С' —1,61 рБС. 1 Этот же вывод был получен для малых At другим путем Гоголи- ным. См. А. А. Г о го лип, Обратное охлаждение воды в холодильных установках, Пищепромиздат, 1940.
106 Теория охладителей [гл. 2 Для летних условий, когда величина $ = QJQ& обычно невелика, можно без существенной погрешности упростить выражение для С, приняв в нем s = 0. При этом получаем: С =__________- -- 1 + 0,82л; * (2-82а) Если применяется объемный коэффициент массоотдачи, величина поверхности F заменяется в формуле (2-71) или (2-83) величиной активного объема охладителя. Формула (2-71) была предложена для случая противотока. К этому же случаю относится и полученная нами формула (2-80). Для можно, однако, применить формулу (2-71) и к случаю поперечного тока, если соответственно опреде- лить величину средней разности теплосодержаний. По своему построению формула (2-71) аналогична обыч- ному уравнению для теплопередачи Q=^-U„-C отличаясь от последнего только тем, что вместо коэффи- циента теплопередачи К в нее входит величина и вместо разности температур — разность теплосодержаний воздуха. Эта аналогия может быть продолжена, если для тепло- содержания насыщенного воздуха в заданной зоне охлажде- ния приближенно принять, как это было сделано выше, линейную зависимость от температуры. В этом случае количество тепла, отдаваемого жидкостью и восприни- маемого воздухом, может рассматриваться как пропор- циональное разностям j теплосодержаний Z"—и /2 — Л, по“ добно тому, как при теплопередаче (без испарения) оно про- порционально разностям температур участвующих в тепло- обмене сред (считая, что теплоемкости их не меняются). Отмеченная аналогия позволяет использовать в рассма- триваемом случае зависимости, полученные Нуссельтом1 для случая теплопередачи при поперечном (перекрестном) токе. Для этого нужно только заменить в соответствующих выра- жениях Нуссельта температуры через теплосодержания воз- духа. Получаем при этом для случая поперечного тока воздуха (2-34) где коэффициент является функцией двух величин: 1 В. Ну ссельт, Techn. Meeh. u. Thermo dyn. Bd. 1, 1930, № 12, S.147.
§_2-9] ... Второе упр-ощенное решен:!г 107 Фиг, 2-14. Отношение средних разностей теплосодержаний воздуха при поперечном токе ) и при противотоке (AZcp). Связь между величинами X, д и £ выражается сложными аналитическими зависимостями, которые мы не будем здесь : приводить, а ограничимся графиком, показывающим, как из- меняется отношение разностей теплосодержаний при попе- речном токе и противотоке в зависимости от т1 и £ (фиг. 2-14). Из графика видно, что средняя разность теплосодержаний при поперечном токе всегда ниже, чем при противотоке. При пользовании описанным упрощенным решением нужно иметь в виду следующее. Уравнения (2-67) и (2-68) могут применяться при любом расходе воздуха, независимо от того, больше или меньше он теоретического расхода. Объемная конденсация пара при расходе воздуха, меньшем теоретического, приводит лишь к внутреннему перераспределению тепла во влажном воздухе, но не меняет зависи- мости (2-69) для об- nt е го_ко л и честна тепла, отданного водой. Од- нако, при этом изменя- ется температура воз- духа О и его влагосо- держапие х, а выра- жение для теплосодер- жания протекающего .воздуха должно вклю- чать в себя значение х, отвечающее насыщен- ной паровоздушной сме- си при температуре и дополнительный член, учитывающий теплоту жидкости, образовав- шейся при конденсации. Соответствующие дополнительные члены появляются так- же в формуле (2-70) и уравнении теплового баланса (2-57).' Поэтому приведенные выше расчетные формулы отно- сятся, строго говоря, только к расходу воздуха, большему пли равному теоретическому, хотя ими можно пользоваться в известных пределах и при Другим обстоятельством, ограничивающим область при- менения этих формул, является невозможность определить с их помощью температуру и относительную влажность ухо- дящего воздуха. Они позволяют определить расчетным путем лишь его теплосодержание. Состояние уходящего воздуха можно приближенно опре- делить, исходя из предположения, что теплообмен происходит ,, j при неизменной температуре воды, составляющей tcp,
(2-85) при темпе- (2-86) 108 . Теория охладителей [гл. 2 и изменение состояния воздуха изображается на zx-диаграмме прямой линией1. Тогда __ 2g - /] Lm— // где i —теплосодержание насыщенного воздуха ратуре tcp . Из (2-85) имеем: 1т~ О Определив из теплового баланса теплосодержание г2 и подсчитав &2, можно с помощью диаграмм влажного воздуха найти и относительную влажность ср2. Упрощающие предположения, положенные в основу вывода формулы (2-86), заметно ограничивают, однако, допу- стимую область применения указанного способа определения состояния уходящего воздуха. Этот вывод предполагает, что изменение состояния воздуха на элементе его пути в охла- дителе можно рассматривать как результат простого смеше- ния основной массы поступающего влажного воздуха с насы- щенным влажным воздухом, образующимся у поверхности; жидкости, что не отвечает действительному протеканию про- цесса. Помимо того эта условная схема применяется к случаю охлаждения жидкости лишь в результате испарения при со- хранении ее температуры неизменной на всей поверхности; влияние теплоотдачи соприкосновением этой схемой вовсе не учитывается. Поэтому формула (2-86)' может приме- няться только как грубо приближенная при расчетах для не очень высоких значений и наиболее жаркого летнего Qa времени, когда величина сравнительно мала и влия- нием Q на изменение состояния воздуха можно пренебре- гать. При других условиях, особенно когда определение со- стояния уходящего воздуха необходимо для расчета естест- венной тяги, лучше пользоваться описанным выше первым упрощенным решением. Эти ограничения касаются только формулы (2-86) для определения &2 и не относятся к расчету поверхности охлаждения с помощью формул (2-71) или (2-83).. В табл. 2-1 сопоставлены результаты расчетов для част- ного примера, произведенных по методу, изложенному в. § 2-5, и по упрощенным методам, изложенным в предыду- 1 А. А. Гоголин, цит. соч., стр. 66.
'§ 2-91 Второе упрощенное решение 109 тем и настоящем параграфах1. Подсчеты относятся к летним условиям и к случаю сравнительно высокого перепада температур воды А/™: 25° С. Т а б л и ц а 2-1 Результаты расчетоз противоточного охладителя Температуры воды; = 55° и £3 = 30°. .Поступающий воздух: 03 = 25,б°; ^“0,6 и п— 1,143 кг/лг3. Барометрическое давление 1,033 ата. Относительный расход воздуха д = 3. Метод расчета i Детальный |расчет по § 2-5 Первый упро- Второй упро- щенный метод щепный метод. Приведенная поверхность охла- ждения й rz F ж3/л£3 ат 0,778 0,807 0,803 -Уходящий воздух: температура . 29,8 29,7 30,2 относительная влажность 0,95 0,94 0,90 удельный вес ...... 1,125 1,126 1,123 Разность удельных весов yj— 0,018 0,017 0,020 Таблица 2-1 показывает, что расчеты дают расхождение .в величине требуемой поверхности в пределах 3—4%, при- чем по упрощенным методам величина поверхности охлаж- дения получается немного большей, т. е. с некоторым запа- сом. В отношении определения состояния уходящего воздуха первый упрощенный метод дает более близкое совпадение с результатами, полученными по детальному расчету; для -более низкой температуры наружного воздуха это преиму- щество первого упрощенного метода должно было бы про- явиться еще заметнее., Следует в заключение отметить большое влияние на ре- зультаты расчета поверхности охлаждения по упрощенным методам введенных выше поправок ор" и of". Не вводя по- следних, мы получили бы для рассмотренного примера значе- ния й (или преуменьшенные более чем на 20% сравни- тельно с полученным по детальному расчету. Роль этих поправок тем значительнее, чем выше перепад темпе- ратур воды и чем ниже средняя разность парциальных дав- лений пара или теплосодержаний воздуха. 1 См, ниже числовые примеры 5-3, 5*1 и 5-7.
J1Q Вопросы гидравлики и распределения воздуха {гл. 3 ГЛАВА ТРЕТЬЯ ВОПРОСЫ ГИДРАВЛИКИ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА В ОХЛАДИТЕЛЯХ 3-1. ТЕЧЕНИЕ ВОДЫ В ОТКРЫТОМ ВОДОЕМЕ При рассмотрении охлаждения воды в открытом водоеме мы предполагали, что водяная струя сохраняет одинаковую глубину и ширину па всем ее протяжении. В действительности, однако, вследствие неправильных очертаний берегов и пере- менной глубины водоема (пруда, озера) струя имеет непра- вильную форму. Она не всюду заполняет сечение водоема, и в- последнем образуются «заводи» и «водовороты», поверхность которых слабо используется для охлаждения воды. Чтобы правильно оценить активную площадь зеркала воды, необхо- димо установить картину течения в водоеме. Для вновь проектируемого пруда это наиболее надежно может быть сделано путем изучения течения на модели водо- ема. Опыты на модели позволяют также наметить, а по- скольку модель уже осуществлена, то и сравнительно просто проверить эффективность различных способов изменения кар- тины течения воды в желаемом направлении. Для плоских (двухмерных) потоков, характеризующихся тем, что составляющая скорости в направлении вертикальной оси равна нулю, применяются также приближенные теорети- ческие методы построения течений. Хотя сведение простран- ственной задачи к плоской всегда связано с известными откло- нениями от реальных условий, такие методы дают в ряде слу- чаев, в; частности для потоков в каналах с плавными очерта- ниями берегов *, удовлетворительные результаты. Когда по- ток не заполняет сечения русла, условия сильно усложняются и степень надежности приближенных методов построения те- чений становится значительно меньшей. Мы вкратце рассмотрим здесь способ построения течений в открытых водоемах, применяющийся в практике проектиро- вания охлаждающих прудов. Путь к построению картин течения в форме «ортогональ- ных сеток» для движений, отличающихся от потенциальных,, был намечен в работе А. А. Саткевича 3. В этой работе пока- зано, что наряду с зависимостью, выражающей условие равно- весия сил, действующих в направлении течения (уравнение Бернулли), может быть аналогичным образом получена зави- симость для сил, действующих перпендикулярно к направле- 1 М. А. Вслйкааов, Динамика русловых потоков,Гидрометеоиздат» 1945. ' А, А. С а т к е в и ч, „Известия Российского гидрологического инсти- тута", 1924, № 9, стр. 33.
§3-1] Течение воды в открытом водоеме 111 нию течения. Последние возникают при движении жидкости по криволинейному пути и представляют собой центробежные силы и уравновешивающие их силы давления. На фиг. 3-1 представлен в плане элемент плоского потока. Если направить ось X вдоль линии тока, а ось У по нормали к ней, то для рассматриваемого элемента в случае установив- шегося движения могут быть написаны следующие два урав- нения: а) уравнение равновесия сил в продольном направлении dh \ dw , г г. лг „ _.г г —-0; & дх 1 дх 1 х ’ б) уравнение равновесия сил в поперечном направлении ^+<=0’ 0-2) где h — координата по направлению глубины потока; w — скорость течения; g— ускорение силы тяжести; — сила трения; — радиус кривизны траекто- рии движения. Фиг. 3-1. Элемент плоского Основываясь на этом, И. М. Бер- потока. надский1 попытался математически решить задачу построения линий тока в открытом водоеме.. Приняв ряд упрощающих предположений, ои интегриро- вал уравнения (3-1) и (3-2) совместно с уравнением не- разрывности и получил таким путем уравнение, связывающее между собой геометрические параметры «планового пояса», т. е. участка струи, заключенного между двумя поперечниками (кривыми, пересекающими под прямым углом линии тока). Это основное уравнение используется затем для графического построения ортогональной плановой сетки, элементарные клет- ки которой являются криволинейными прямоугольниками. Практическое применение получил предложенный тем же автором приближенный графический метод построения тече- ний, при котором условия (3-1) и (3-2) используются для про- 1 Н. М. Бе. рн адский, Теория турбулентного потока и ее приме- нение к построению течений в открытых водоемах, ГЭИ, 1933 и дит. соя. Н. М. Б е р н а д с к о г о и Б. В. Проскурякова (см. стр. 64). Н. М. Вернадским сделана также попытка решения пространственной задачи, но лежащие в ее основе представления о механизме турбулент- ного течения не могут быть признаны правильными.
||2 Вопросы гидравлики и распределения воздуха |[гл. 3 верки ориентировочно нанесенной ортогональной сетки из ли- ний токов и поперечников Ч Для построения ортогональной сетки поток делится на не- сколько струй с равными расходами воды. Как и в исходном теоретическом решении, принимается, что струи не смешива- ются между собой, будучи как бы разделенными вертикаль- ными непроницаемыми перегородками. Сначала ориентиро- вочно намечается предполагаемое направление движения воды от места сброса в водоем до водозабора с учетом того, что из условия наименьшей работы потока все изменения его направления, обуславливаемые очертаниями берегов или струенаправляющих сооружений, должны происходить плавно. После этого приступают к построению сетки. Построение начинается от выходного отверстия сбросного сооружения, размер и расположение которого определяют начальную ширину и начальное направление потока. Для начального участка, где транзитный поток еще нигде но касается берегов (фиг. 3-2), Вернадский, исходя из пред- положения, что струя, примыкающая к неподвижной гори- зонтальной заводи, сама должна быть горизонтальной, принял в уравнении (3-1), что —0. Решая затем уравнение (3-1) совместно с уравнением неразрывности, он получил выра- жение для „закона расширения струи“ па этом участке. Полученная зависимость применяется в следующем несколь- ко' упрощенном виде: v b^=b»kx-e',‘<‘ ’ (з-з) где Ьо и Ьх — ширина струи в начальном сечении и на рас- стоянии х от выходного отверстия сброса; и — глубина потока в начальном и рассматривае- мом сечениях; h— средняя глубина потока; е — основание натуральных логарифмов; п — коэффициент шероховатости ложа по Маннингу. Когда достигнуто сечение, в котором поток распростра- няется до одного из берегов пруда, дальнейшее построение производится путем последовательного перехода от одного, поперечника к другому по направлению течения. ' 1 Краткое описание приближенного метода построения плана тече- ний в прудах дается в основном по материалам ЛОТЭП, из которых позаимствованы также фиг. 3-2 и 3-3. Более подробное изложение этого метода для случая построения плана течений речного потока имеется в книге И. И. Леви, Динамика русловых потоков, Госэнерго- мздат*, 1943, стр. о 7 и сл.
i з-i] Течение веды в открытом водоеме из 8 Л. Д Берман. Фиг. 3-2. Пример плана течения в пруду.
114 Вопросы гидравлики и распределения воздуха [гл. 3 Пусть АА (фиг. 3-3) есть исходный поперечник и ему соответствует показанный на рисунке профиль дна. Ширина отдельных струй намечается, исходя из равенства расходов воды в них, с учетом отметок дна русла. Затем находятся длины клеток. При одинаковых глубинах принимается отно- шение длины клетки 1К к ее ширине Ьк, равное единице (квадратная сетка); при разных глубинах квадратная клетка принимается, для начальной (крайней) струи, примыкающей к берегу или водовороту, от которой начинается построение, а при определении длин клеток последующих струй исходят Фиг. 3-3. К построению ортогональной сетки для потока в пруду. из приближенной формулы, [основывающейся на теоретиче- ском решении Вернадского; где hK— средняя глубина в клетке рассматриваемой струи; Л, — то же в клетке крайней струи, примыкающей к берегу или водовороту. Полученные длины 1К откладываются от исходного по- перечника ортогональной сетки. Если нормали к осям струй образуют при этом ступенчатую линию (фиг, 3-3,а), наме- чается новое распределение, струй по живому сечению по- тока, пока не будет получен новый поперечник в виде плав- ной линии (фиг. 3-3,б). Принимая полученный поперечник за исходный, продолжают построение так же, как зто описано выше.
§ 34] Течение воды н открытом водоеме 115 В местах „кризисов" (например, образования водоворотов) обычно не удается нанести непрерывную сетку и ее прихо- дится прерывать, начиная построение заново от сечения для которого с достаточной вероятностью может быть наме- чено направление поперечника. Таким же путем, как для транзитного потока, произво- дится построение плана течений и для водоворотов. Когда установлен план течений, допускающий нанесение правильной ортогональной сетки, производится проверка его с помощью уравнений продольного и поперечного равнове- сия сил, представленных в следующем виде: и 9 9 9 Н~ИХ=~2Г—V (3-4) ^сЬ> gR (3-5) где и Hv — средние отметки свооодной поверхности во- ды на поперечниках, ограничивающих рас- сматриваемую клетку плановой сетки, м; и w2 — средние скорости на тех же поперечниках, м[сек-, we— средняя скорость струи на пути 1К между смежными поперечниками, м;сек\ hc— средняя глубина потока на пути 1К, п — коэффициент шероховатости ложа водоема по Маннингу; 1к — длина рассматриваемой клетки, м; Н' и Ну —отметки свободной поверхности на концах среднего поперечника данной клетки, м; Zy —средняя ширина клетки, я; R — средний радиус кривизны продольной оси струи в пределах рассматриваемой клетки, я. В соответствии с результатами проверки в первоначаль- ный набросок ортогональной сетки вносятся необходимые из- менения. Построение плана течений таким методом требует навыка от исполнителя этой работы, а проверка ортогональной сетки сильно затрудняется тем, что разности отметок, входящие в уравнения (3-4) и (3-5), очень малы. Но не только в этом за- ключается недостаток описанного метода. Теория, лежащая в его основе, помимо отхода от прост- ранственной задачи, исходит из допущения как свободного скольжения отдельных струй друг относительно друга или от-
П6 Вопросы гидравлики и распределения воздуха [гл. 3 носительно стенок (берегов), так и свободного скольжения их в местах примыкания к «заводям» и «водоворотам». Формула (3-3) учитывает растекание струи на начальном участке лишь вследствие потери скорости, вызываемой трением, и пи в ней, ни в способе построения ортогональной сетки для основного участка потока в местах примыкания его к водоворотам не на- шло отражения турбулентное перемешивание между транзит- ным потоком и прилегающими слоями воды. Таким образом, основное отличие условий течения в прудах, заключающееся в наличии свободных границ потока, не ограниченных стенка- ми, оказалось обойденным в предложенном решении, рассмат- ривающем транзитный поток как резко отграниченный от остальной массы воды. Разработка метода построения плана течений в прудах яв- ляется сложной гидродинамической задачей, остающейся пока нерешенной, и для решения практических вопросов, возникаю- щих при проектировании прудов, наиболее надежным способом является сейчас построение моделей. При исследованиях прудов на моделях должны удовле- творяться требования, устанавливаемые теорией подобия1. Модель должна быть геометрически подобна существующему или запроектированному сооружению (образцу), и скорости воды в ней должны выбираться, исходя из условия механиче- ского (динамического) подобия между моделью и образцом При турбулентном течении и пе слишком малом масштабе мо- дели можно обычно пренебрегать влиянием на движение жидкости сил вязкости и поверхностного натяжения, считая, что единственной силой, определяющей движение в образце и модели, является сила тяжести. Тогда; одним из условий ме- ханического подобия является равенство в обоих случаях критерия Ф р у да где w —-скорость; у— ускорение силы тяжести; I — определяющий размер. Отсюда видно, что отношения скоростей в модели и об- разце должны быть равны квадратному корню из линейного масштаба модели, т. е. при уменьшении геометрических раз- меров модели сравнительно с образцом в п раз скорости движения воды в ней должны быть в Vп раз меньше, чем в образце. Обеспечение при этом в модели турбулентного те- чения проверяется.по критерию Рейнольдса. Шероховатость модели должна быть, по возможности, по- добрана таким образом, чтобы отношение коэффициентов шс- 1 См., например, Гидравлическое моделирование, Госэнергоиздат, 1947.
§ 3-2_ Механическое распиливание воды соплами Ц7 роховатости по Маннингу равнялось корню шестой степени из масштаба длин. Коэффициенты шероховатости определяются для моделей путем пробных опытов. На модели должны быть обеспечены правильные условия подхода и выхода струй, для чего необходимо воспроизвести достаточные длины участков реки выше и ниже пруда, а также водоподводящих и водозаборных каналов. Наблюдения направлений течения (линий тока) при от- сутствии струенаправляющих и струераспредслительных со- оружений и при различном выполнении последних может про- изводиться на моделях с помощью поплавков, нитей, привя- занных к проволокам, введением в поток жидкой краски или другими способами. Для измерения скоростей используются поплавки, вертушки и трубки Пито. При моделировании существующего пруда целесообразно проведение поверочных опытов, результаты которых могут быть сопоставлены с измерениями в натуре. Иногда можно допускать искажение масштаба модели, принимая вертикальный масштаб большим горизонтального и учитывая это в соответствии с имеющимися правилами при выборе отношений скоростей. Изучение течений на моделях может сильно облегчать правильное решение вопросов, возникающих при проектирова- нии прудов, при условии достаточной тщательности и проду- манности подготовки и проведения опытов во избежание серьезных ошибок в их результатах. 3-2. МЕХАНИЧЕСКОЕ РАСПЫЛИВАНИЕ ВОДЫ СОПЛАМИ Одним из способов увеличения свободной поверхности воды, применяющихся в охладительных установках, является распыливание ее с помощью сопел (форсунок). Вода подается под напором в сопла и выходит из них в виде струй, распа- дающихся затем на капли. Такой способ называют меха- ническим распиливанием в отличие от распилива- ния жидкости при подаче ее в сопла с помощью струи пара (пароструйные форсунки) или воздуха. Для механического распиливания воды в охладителях применяются сопла трех типов: центробежные, щелевые и ударные. В соплах Ш&.ЩТ р о^^джмщэ г о типа поступающей под напором воде назидается вращгЬе*льное движение или пу- тем тангенциального подвода ее в полый цилиндрический корпус (т а_н г е и ц и адья ьхе сопла,,), или путем установ- ки в и утр и "корП уса"и аир ав ляющёго” аппарата, имеющего в ипто - образные лопасти (винтовые сопла). Щелевые сопла имеют полый корпус с узкими щелеобразными прорезями для выхода воды, расположенными, сверху или в боковых стен- ках. В ударных соплах два или более отверстия раепола-
118 Вопросы гидравлики и распределения воздуха [гл. 3 гаются таким образом, что выходящие из них водяные струи сталкиваются друг с другом. Конструкции сопел более под- робно описываются во второй части книги (§ 4-4). Характеристики сопел разных типов — их производитель- ность, размеры водяного факела и дисперсность распыла воды в зависимости от ее напора — определяются большей частью опытным путем. Исходя из чисто эмпирических данных, под- бираются обычно и геометрические размеры сопла. Лишь сравнительно недавно для сопел тангенциального типа Г. Н. Абрамовичем1 предложена теория, позволяющая установить Фиг. 3-4. Схематическое изображение тангенциаль- влияние на их работу геометриче- ской характеристики, представляю- щей собой соотношение между не- которыми основными размерами сопла. Корпус тангенциального сопла имеет форму цилиндра с эксцентрич- но расположенным входным патруб- ком и центральным ‘Выходным отвер- стием в одной из торцевых стенок (фиг. 3-4). Поступающая через вход- ной патрубок струя жидкости обла- дает некоторым моментом количе- ства движения относительно осн кор- пуса. Поэтому жидкость протекает через сопло с вращением, и при вы- ходе из него элементарные струйки имеют не только поступательную, но кого сопла. и тангенциальную составляющую скорости. Выходящие из сопла ча- стицы жидкости движутся по инерции прямолинейно по ли- ниям распыла, расположенным так, что тангенс угла между ними и осью сопла равен отношению тангенциальной состав- ляющей скорости к осевом w, т. е. tg Д — -К ь w Если пренебречь действием сил трения, то момент коли- чества движения любой частицы относительно оси сопла дол- жен сохранять постоянное значение на всем ее пути от вхо- да в сопло до выхода из него или (3-6) где wsx — скорость входа воды в сопло; 1 Г. Н. Аб р а м о в и ч. Сборник ЦАГИ «Промышленная аэродинамика", изд. БИТ МАП, 1944, стр. 18.
§3-2] Механическое распиливание воды соплами 119 А? — радиальное расстояние от оси сопла до частицы жидкости во входном отверстии (в дальнейшем в целях упрощения принимается для любой частицы равным /?ev); — тангенциальная составляющая скорости в выход- ном отверстии; 9 г — радиальное расстояние от оси сопла до частицы жидкости в выходном отверстии. Не учитывая весьма малой разности уровней, получаем из (3-6) и уравнения Бернулли для давления р в любой точке потока следующее равенство: где Н— полный напор; Т — удельный вес жидкости. Отсюда следует, что вблизи оси сопла (г = 0) скорость потока должна иметь бесконечно большое положительное значение, а давление — бесконечно большое отрицательное значение, что невозможно. В действительности, по мере при- ближения к оси скорость растет, а давление падает лишь до тех пор, пока последнее не становится равным атмосфер- ному давлению. Центральная часть сопла не заполняется потоком жидкости, в ней образуется воздушный вихрь с из- быточным давлением в нем 0. Истекающая струя жидко- сти имеет кольцевое сечение, внутренний радиус кото- рого равен радиусу воздушного вихря гп, а внешний—‘радиусу выходного отверстия г.. Давление на внешней поверхно- сти струи в выходном сечении рс>0. Примерная картина течения воды внутри тангенциального сопла изображена на фиг. 3-5. Наличие воздушного вихря подтвердили непосред- ственные наблюдения при опытах ЦАГИ с соплом больших размеров, имевшим стеклянную торцевую стенку. Живое сечение выходящей струи жидкости составляет: (г3с - = =ТД. (3-8) а объемный расход жидкости в единицу времени = = (3-9) где 1---------— степень заполнения выходного отверстия б? или „коэффициент живого сечения" сопла;
120 Вопросы гидравлики и распределения воздуха [гл. 3 wa ~ -Д-----эквивалентная скорость истечения, отвечаю- кг; щая полному заполнению потоком пло- щади fc выходного отверстия; Р — коэффициент расхода сопла. Кольцевой элемент жидкой струи радиусом г и толщи- ною dr, расположенный в устье сопла, будет находиться в равновесии, если разность давлений на его боковую поверх- ность dp будет уравновешиваться центробежной силой: да? да? "i , dp—-din =—*P'dr, где dm — масса кольцевого элемента с боковой поверхностью, равной единице; Y — удельный вес жидкости. Интегрирование этого уравнения приводит к равенству 2 •••••” 2 д wu 7 2g 2g где — тангенциальная скорость на границе воздушного вихря. Сопоставление полученного равенства с (3-7) позволяет заключить, что поступательная скорость в выходном сечении сопла должна быть постоянной величиной. Уравнение (3-7) после подстановки р— рт = 0 дает для значения поступательной скорости W2 _______ Т_Т “'«STl 2g п ’ (3-7а> Можно, далее, найти, что тангенциальная скорость на границе вихря (г-г^) составляет: — W * & ат ^вх'Г' 17 где — радиус входного отверстия (фиг. 3-4). да. Подставим это значение и ту™ -- в уравнение (3-7а). Тогда после решения полученного уравнения относительно найдем: ..... 1/Н^7 /т ?2’ Ф 1 - ?
§3-21 Механическое распиливание воды соплами 121 где введено обозначение для геометрической харак- теристики сопла Отсюда (3-10> г ей 1 — о Фиг, 3-5, Течение воды внутри тангенциального сопла. Если принять, что устой- чивым должен быть воздуш- ный вихрь таких размеров, при которых обеспечивается максимальный расход жидко- сти в сопле, то истинному значению живого сечения струи будет соответствовать максимальное значение ко- эффициента расхода, т. е ~ — 0. Это условие дает: Д = (1-?) 1/1, (3-11) г Г и соответственно коэффи- циент расхода сопла состав- ляет: 2 — <Р (3-10а) Пользуясь формулами (3-10а)ги (3-11), можно установить зависимость коэффициента расхода от геометрической харак- теристики сопла, представленную на фиг. 3-6. При измене- нии А от 0 до со коэффициент рас.хода изменяется в преде- лах от 1 до 0. Вследствие непостоянства скорости в поперечном сече- нии выходящего из сопла потока углы распыла для от- дельных элементарных струек различны. Тангенс бокового угла распыла определяется отношением тангенциальной со- ставляющей скорости к осевой tg а — ---- W Принимая, что распыл характеризуется некоторой сред- ней величиной угла, соответствующей среднему значению
122 Вопросы гидравлики и распределения воздуха [гл. 3 окружной скорости, Г. Н. Абрамович определяет тангенс этого угла, как tga = ^> (3-12) » да > тде при тангенциальной скорости около стенки выходного отверстия (г = гД равной wuct ^ас ±"^ае Г с ас W —--------------— —-------------= —--------- U Ср Гер + г>п < , Гт 1 ~Г г г с Геометрическая характеристика сопла И t.__. Гс+ гт ср 2 Выражая даИ(? через w и <р, а — через ф, можно получить ИЗ (3-12) , 2/7(1 — ?) ga~ KF(i + /T^i)‘ (3-12а) Зависимость сред- него угла распыла от геометрической харак- теристики сопла, опре- деленная с помощью формул (3-11) и (3-12а), также приведена на фиг. 3-6. Нанесенные фиг, 3-6. Коэффициент расхода и угол распыла для тангенциального сопла в -зависимости от его геометрической харак- теристики. Кривые нанесены, по теоретическим формулам, точки—по опытам НАГИ. на этом графике опытные точки показывают удовлетвори- тельное совпадение опытных данных с теоретическими как для у, так с несколько меньшей степенью точности и для а. Так как благодаря центробежному давлению в выходном сечении устанавливается фактически не атмосферное давле- ние, а несколько превышающее его, и перед выходом струи избыточное давление превращается в скоростной напор, уве- личивающий осевую скорость, формула (3-12а) дает немного завышенные значения углов распыла. Изложенная теория не учитывает действия сил . трения. При относительно малых напорах воды, когда влияние сил трения проявляется более заметно, численные значения р- и а оказываются еще зависящими от напора, убывая вместе с последним.
:§3-2] Механическое распиливание воды соплами 193 В соплах с осевым подводом воды, не имеющих закручи- вающих приспособлений, угол распыла струи очень невелик, что неблагоприятно с точки зрения условий охлаждения во- ды, В центробежных же соплах, как следует из сказанного выше, можно, изменяя соотношение их основных геометри- ческих размеров, в широких пределах изменять и конфигу- рацию водяного факела. Опытные данные показывают, что если написать для рас- хода жидкости gc^a-H\ где а — коэффициент, зависящий от конструкции и разме- ров сопла, то показатель степени п несколько отклоняется обычно от 0,5, достигая 0,55—0,65, что связано с отмечен- ным выше влиянием сил трения на коэффициент расхода. Для однотипных сопел с разными диаметрами выходного отверстия в ряде опытов * получено изменение расхода жидкости, приблизительно пропорциональное диаметру вы- ходного отверстия dc в первой степени, т. е. -Я '1 , &с с где одинаковыми индексами, обозначены отвечающие друг др>гу значения gc и dc. Этот результат также связан с тем, что коэффициент расхода р в формуле gc = У pyZgH ~ же остается постоянным. Если изменение dc не сопровождается пропорциональным изменением других размеров, т. е. сопла одной серии гео- метрически не подобны друг другу, то с изменением dc даже при незначительности сил трения меняется и коэффициент расхода а при малых размерах сопел или низких напорах изменение р может вызываться также влиянием трения. Поскольку один лишь диаметр выходного отверстия не ха- рактеризует полностью геометрические размеры сопла, ре- зультаты указанных выше опытов нельзя без проверки пе- реносить на другие серии сопел. Очень важными характеристиками сопел являются дис- персность распыла воды (средний размер и гранулометри- ческий состав капель) и степень равномерности распреде- ления жидкости по сечению факела. 1 В. И Блинов. О дисперсности механически распыленной воды изд. ВТИ, 1931.
124 Вопросы гидравлики и распределения воздуха [ гл. 3 Распад истекающей из сопла цилиндрической или коль- цевой струи на отдельные капли вызывается действием сил поверхностного натяжения, турбулентностью струи и сопро- тивлением воздуха Ч При небольших напорах или, иначе говоря, малых ско- ростях истечения струи распад ее происходит преимущест- венно под действием сил поверхностного натяжения и на- чальных возмущений, вызывающих колебательные движения в струе. Дисперсность распыла определяется при этом в ос- новном скоростью истечения струи, зависящей помимо напора Н от конструктивных особенностей сопла^коэффициента рас- хода р). При механическом распиливании жидкости образуются капли разных размеров. Диаметры наиболее крупных из них могут в 10—15 раз превосходить диаметры наиболее мелких капель. В зависимости от принятого способа усреднения диа- метров капель распределение их по фракциям получается различным. Наиболее обычно усреднение диаметров капель по количеству поверхности (яД или объему (dz,): —тг» d ' я (3-13) где nf— количество капель данного п ni — общее число капель. Иногда определяют также средний метр диаметра эквивалентный" диа- (3-1 За) т. е. суммарная по- d]' Развернутая поверхность факела верхность всех капель, находящихся в каждый данный мо- мент в объеме факела, составляет: =r.ndf и суммарный объем всех капель Так как для общего числа капель имеем отсюда К2м. В. И. Едино в, цит. сочд В. И. Б ли нов и Е. И. Фей н- берг, „Журнал технической физики", 1933, № 5, стр. 712; сборник „Двигатели внутреннего сгорания', т. I, ОНТИ, 1936 и др.
$ 3-2] Механическое распыливание воды соплами 125 то можем также написать: r=6vr-4=e!/, «I d> где объем может быть приближенно определен опыт- ным путем по производительности сопла gc и времени t меж- ду моментом отсечки факела и моментом прекращения па- дения воды. Численные значения d(.^ df> dv и d9 могут заметно раз- личаться между собой. По количеству всегда преобладают наиболее мелкие капли, кривые же распределения капель но поверхности и объему имеют отчетливо выраженные макси- мумы. При увеличении напора максимум этих кривых сме- щается в сторону более мелких фракций и диапазон диа- метров капель суживается., т. е. распиливание становится более тонким и равномерным. В. И. Блинов дает для среднего эквивалентного диаметра капель d9 следующую зависимость от напора: Ун где с ит—постоянные для данного типа и размера сопла. Основываясь на теории распада сплошных струй жидкости, Блинов нашел теоретическое значение т —3. К аналогичному результату пришел иным путем И. И. Но- виков Ч Воспользовавшись изложенной выше теорией Абрамо- вича и предположив, что для капель отношение объема к поверхности сохраняется тем же, что и для образующейся при истечении жидкости из тангенциального сопла кольце- вой струи, он получил: где В — численный коэффициент, составляющий 1,89 (опыты Новикова дали несколько более высокое его значе- ние, около 2,1); <7 —поверхностное натяжение жидкости. Эта приближенная формула дает также зависимость d3 от геометрических размеров сопла, но не включает в себя диаметра выходного отверстия, тогда как имеются основываю- 1 И. И. Новиков, „Журнал технической физики*, 1948, № 3, стр, 345.
126 Вопросы гидравлики и распределения воздуха [гл. ® щиеся на опытных данных указания, что при сравнительно не- больших скоростях истечения жидкости с уменьшением диа- метра выходного отверстия средний диаметр капель также уменьшается. Изменение отношения длины выходного отвер- стия к его диаметру по имеющимся данным не сказывается существенно на распыливании. Распределение жидкости в сечении факела неравномерно как по количеству (плотности потока), так и по размерам ка- пель. Более тонкие фракции капель находятся ближе к центру факела, а наиболее крупные капли — на периферии факела. При направлении выходного от- верстия сопла кверху жидкость распределяется менее равномер- но, чем при направлении выход- ного отверстия книзу1. Завихри- вание струй в центробежных соп- лах и сталкивание двух струй в ударных соплах способствует бо- лее равномерному распределению жидкости по поперечному сече- нию факела. В охладителях с целью огра- ничения расхода энергии на на- копляй различных 3 М- Фиг. 3-7. Распределение по- верхности факелов винтовых сопел по диаметров при напоре 6 вод. ст. (данные НИИГ). а—сопло Кер'гинг; б—сопло ЭДОТЭП. сосы и уменьшения уноса воды применяются сопла и напоры во- ды перед ними, при которых раз- меры образующихся капель срав- нительно велики. Поэтому часто говорят не о распиливании, а о разбрызгивании воды в охладителях. Тонкое распылив ан ие воды в охладителях неце- лесообразно и потому, что капли наиболее мелких фракций при этом полностью испаряются, что увеличивает потерю во- ды и приводит к увлажнению воздуха, ухудшающему охлаж- дение остальных капель, В табл. 3-1 приведены по опытам Бибикова и Рымши1 2 в НИИГ для центробежных винтовых сопел и по опытам ЛОТЭП для щелевых сопел типа П-16 данные о производи- тельности сопел и дисперсности распыла воды, а на фиг. 3-7— распределение поверхности факела по каплям различных диа- метров. Для тангенциальных сопел, применяющихся в охлади- телях, геометрическая характеристика А составляет 0,6—1 и коэффициент расхода и - - от 0,45 до 0,6, что довольно хо- рошо согласуется с данными подсчетов по теоретическим фор- 1 И. Н. К у з ь м и н ы х и Э. И. Даугаве т, „ Химическая промыш- ленность", 1944, № 2, стр. 21. 2 Д. Н. Бибиков и В. А. Рымша, «Теплосиловое хозяйство\ 1940, № 3, стр. 22. Консфукции испытанных сопел см, в § 4-4.
§ 3-3] Распиливание воды в решетнике 127“ мулам Абрамовича. Сопоставление этих цифр с данными* табл. 3-1 показывает, что коэффициенты расхода для танген- циальных сопел ниже, чем для винтовых сопел. I а б лица 3-1, Результаты испытаний разбрызгивающих сопел Тип и размеры1 сопла ! Напор Ht м вод- ст. Габариты факела®, м 3 Ч г, и S * 3 w * eg О Рч Коэффициент расхода ц 5ДНИЙПО ПО- >хности дна- тр капель Объем воды и факеле Уф^а f вЯ-7?22Г,кЯ' , — 1 Развернута поверх гtoci факела рф Уф .И2,' м3 радиус rd 5 о S й а QJ Ч-. £ я-о* Винтовое— 3 1,75 1,5 13,3 0,908 1,8 0,00435 14,8 3 390 1,Н МОТЭП 5 2,5 3,0 17,6 0,930 1,5 0,00784 31,2 3 970 1,77 50/26 Л/М 6 2,/з 3,&з 20,0 0,977 1,5 0,0104 41,3 3 990 2,07 Винтовое— 3 1, 75 1,5 10,8 0,863 17 0,0036 12,7 3 350 1,18. Кертипг 5 3,5 2,5 15,1 0,935 1,6 0,00672 26,8 3 990 1,77 50/24 з*лс 6 4,53 3,03 16,7 0,945 1,5 0,00883 35,2 3990 2,11 Винтовое— 3 1,75 1,5 6,37 0,739 2,8 0,00212 5 2 360 0,79 Спрско 11-А о 2,5 3,0 9,36 0,836 2,5 0,00416 10 2 400 1,07 50/20 мм 6 2,7П 3,53 10,3 0,840 2,4 0,00532 13,5 2 450 1,31 4 4,15 2,5 34,0 1,8 и — — Щелевое— 6,4 5,65 3,9 43,6 1,6 — — 178.. Петрова П-16 8,1 6,15 4,4 49,3 1,5 —™ — 2,22 - 10 6,5 4,9 54,5 1,4 —„ — 2,18 1 Диаметры входного и выходного. отверстий в .«.и. а При установке сопел выходными отверстиями кверху. Для сопла П-16 радиус из- мерен на 1,75 .ч ниже уровня сопла. а При напоре 6,5 ,-и вод. ст. Как следует из последнего столбца табл. 3-1, величина суммарной поверхности капель, отнесенная к единице расхода, воды, изменяется почти прямо пропорционально напору. Сле- дует, однако, иметь в виду, что при работе большого количе- ства сопел в брызгальном бассейне существенное влияние на. охлаждение воды оказывает не только величина ее свободной, поверхности, но и условия подвода к ней воздуха, вследствие- чего увеличение напора воды перед соплами в условиях брыз- гального бассейна дает меньший эффект в отношении улучше- ния теплообмена, чем для одиночного сопла. Поэтому нельзя также оценивать предназначенные для охладителей сопда-з только лишь по зачениям или по данным о работе оди- ночных сопел. 3-3. РАСПИЛИВАНИЕ ВОДЫ В РЕШЕТНИКЕ В охладителях так называемого «капельного» типа для рас- пиливания поступающей воды применяется решетник, состоя-, щий из брусков той или иной формы, горизонтальные ряды ко-.
128 Вопросы гидравлики и распределения воздуха торых расположены друг под другом в виде этажерки; вода, подаваемая сверху, обтекает бруски каждого ряда и падает в виде капель с одного ряда брусков на другой. Свободная поверхность воды в. решетнике складывается из трех основных частей (фиг. 3-8): а) поверхности водя- ной пленки, образующейся на брусках при обтекании их падающей сверху водой; б) поверхности крупных ка- пель, образующихся на нижних гранях брусков и падаю- щих затем вниз; в) поверхности мелких капель — бр ыз г, образующихся при уда- рах крупных капель о верхние грани нижележащих брусков. Форма и размеры капель, обра- зующихся на брусках, определяют- ся условием равновесия сил по- верхностного натяжения и внешних сил, действующих на жидкость. Это равновесие выражается из- вестным из теории капиллярно- сти уравнением Лапласа-Гаусса. Имеется приближенное решение этого уравнения для капель, сви- сающих с плоской поверхности, при бесконечно медленном стека- нии жидкости, но для капли, от- Крупные Фиг. 3-8. Схема распиливания воды в решетнике. рыпающейся от смачиваемой плоской поверхности, теоретиче- ского решения пока нет. К тому же при обычных динамических условиях, характеризующихся конечной скоростью стекания воды, размеры капель оказываются зависящими также от ско- рости их образования и от вязкости жидкости. Экспериментальное исследование распиливания воды в решетнике, выполненное автором во ВТИ, показало, что при сравнительно небольших гидравлических нагрузках бруска gw (до 150—180 кг/м час) образующиеся капли имеют не- сколько более вытянутую форму, чем теоретическая, получен- ная для квазистатических условий, и заметно большую длину шейки перед отрывом. При отрыве основной капли от шейки последняя также отрывается от бруска и из нее образуются одна-две более мелкие капли-спутники (фиг. 3-9,а). С повышением гидравлической нагрузки сначала наблю- дается дальнейшее удлинение шейки и увеличение количества и размеров образующихся при отрыве основной капли спут- ников, а затем появление постоянно стекающих с бруска струек и образование капель уже в результате распада этих струек на расстоянии 3—5 см от нижней грани (или ребра) бруска (фиг. 3-9,6). Капля после отрыва от поверхности бруска
§ 3-3] Распиливание воды в решетнике 129 пли от струйки приобретает под действием сил поверхност- ного натяжения сферическую форму. Вследствие трудно устранимой неравномерности растека- ния воды по бруску при одной и той же нагрузке наблю- дается как образование капель непосредственно на нижней поверхности бруска, таки стекание распадающихся затем струек. В резуль- тате этого, а также обра- зования спутников, диа- метры отдельных капель колеблются в диапазоне от 1,5 мм 8—11 мм. Средние диаметры капель для трех- и четырехгран- ного брусков при различ- ных гидравлических на- грузках приведены в табл. 3-2. Обозначенья ср ед ни х диа м етр ов соот- встствуют здесь форму- лам (3-13) с добавлением индекса (к), которым мы будем отличать «крупные» капли, понимая под ними асе капли, образующиеся при стеканий воды с бру- Фиг. 3-9. Образование капель на бру- сках, а—при малой гидравлический нагрузке (100 кг!м час); б—при большой гидравлической нагрузке (400 кг/м час). СКОВ. Таблица 3-2 Средние диаметры капель срывающихся с брусков, мм Гидравли- ческая нагрузка бруска £ж> tcziK Трехгранный брусок (50X50x71 лии) Четырехгранный брусок (20 х 40 мм) dKf ^KV 100 5,9 6,3 6,6 6,5 7,0 7,4 120 6,0 6,2 6,4 — •т*. J — 200 5,6 5,8 6,0 6,1 6,6 ' 7,0 300 5>q 5,2 5,5 4,4 4,7 4,9 400 5,1 5,3 5,5 5,0 5,2 5,5 . 500 5,6 5,7 5,9 5,9 6,1 6,3 Срывающиеся с брусков капли падают большей частью вертикально вниз. При значительных гидравлических нагруз- ках наблюдается некоторое отклонение траектории части па- 9 Л. Д. Берман.
]30 Вопросы гидравлики и распределения воздуха [гл. 3' дающих капель от вертикальной. При треугольном сечении бруска это явление более заметно и происходит, главным об- разом, благодаря составляющей скорости, направленной под углом 45° к вертикали, которой обладает вода, интенсивно стекающая по нижним наклонным граням. При прямоуголь- ном сечении бруска капли могут приобретать незначительную горизонтальную составляющую скорости вследствие переме- вbroom a. h м- Фиг. 3-10. Коэффициент разбрызгивания для трехгранных брусков. щений очагов их образования по нижней грани. Можно, од- нако, в обоих случаях с достаточной точностью рассматривать капли, срывающиеся с брусков, как падающие вниз под дей- ствием силы тяжести без начальной скорости. Падающие вниз крупные капли при ударе о верхнюю грань нижележащего' бруска разбиваются на большое число- мелких капель-брызг, отлетающих от поверхности под разны- ми углами. На фиг. 3-10 приведены значения «коэффициента разбрызгивания», представляющего собой отношение количе- ства жидкости в отлетающих брызгах к количеству жидкости, попадающей на брусок в виде падающих сверху капель. Из графика видно, что при обычных значениях высоты свобод-
§ 3-3 ] Распиливание волы в решетнике < 131 лого падения отрывающихся от брусков капель, составляющих 0,6— 0,7 м, преобладающая часть (60—70%) падающей на брусок воды разбрызгивается. Брызги или мелкие капли имеют размеры от десятых .до- лей миллиметра до 4,5 льч в диаметре, (фиг. 3-11). Средние их диаметры (дополнительный индекс б) приведены в табл. 3-3^ Таблица 3-3 Средние диаметры мелких капель (брызг) Гидравлическая 1 8ЫСОтя падения Средние диаметры брызг, мм нагрузка бруска чае крупны капель hy ДЕ d6 ср i d6f <!6v 170 0,35 0,87 ! 0,99 1,15 170 0,55 0,79 ! 0,91 1,07 170 0,75 0,85 | 0,98 1,16 340 0,35 0,90 i 1,02 . 1,19 340 0,55 0,84 J 0,99 1,19 340 0,75 0,88 ’ 1,03 1,17 i Данные этой таблицы получены при падении капель в непо- движном воздухе. В случае движения воздуха кверху мелкие капли различных диаметров имеют и различные скорости, вследствие чего распределение их в объеме решетника, а со- ответственно и средние для всего, объема диаметры капель не- сколько изменяются. Как показывают подсчеты, при скорости воздуха 1 м/сек, средние диаметры капель (брызг) с учетом различных скоростей падения уменьшаются на 15—18% про- тив указанных в таблице. Из-за сопротивления воздуха действительные скорости па- дающих вниз капель, особенно мелких, меньше скорости сво- бодного падения. При падении капель под действием силы тяжести уравнение их движения может быть написано следующим образом: 7,эдэ dw тде т—масса капли; щг—скорость капли; F—миделево сечение капли (площадь ее проекций на поверхность, нормальйу-ю потоку ; > Р—плотность воздуха; Z—время; g — ускорение силы тяжести; - С1 — коэффициент сопротивления. Подставляя в уравнение движения найденную опытным 9*
132 Вопросы гидравлики ,и распределения воздуха [гл. 3 путем установившуюся скорость капель различного диа- > метра и соответственно ускорение f/-- ~ О, можно вычислить для них значения коэффициента сопротивления С и, ноль-* Фиг, 3-11. Распределение мелких капель (брызг) различных диаметров. 1—по количеству; 2—по ДоверхносТй; <?—по объему. зуясь последними,. найти для капель, падающих из непод- вижного состояния в покоящийся воздух, значения пройден- ного пути и скорости в зависимости от времени падения. При движеиии йоздуха кверху со скоростью we относи- тельная скорость капли составляет где — абсолютная скорость капли. Путь, пройденный каплей за время z сек., Доставит: г г i A = j (w0 — wj-dz~ § — fly,-г.
§ 3-3 ] Распыливание воды в решетнике 133 Сместим начало отсчета времени на — zQ сек., полагая zQ равным времени, в течение которого капля, падающая из неподвижного состояния в покоящийся воздух, достигла бы скорости we. Тогда А-- J wQ-dz— wez= j wQ-dz—tjwq-dz — wos™ za 0 0 ht — Ao — где Ил— путь, который капля прошла бы при падении в покоящемся воздухе за время z0-j-z сек.; Ло — то же за время z0 сек. Описанным способом были подсчитаны значения h и w и определены отношения средней скорости свободного падения на пути hc к действительной средней скорости w на том же пути, т. е. значения нанесенные на фиг. 3-12 в зависимости от диаметра капли и скорости воздуха. Для капель, которые при данной скорости воздуха витают в нем, скорость равна нулю, а величина р. — бесконечности. Диаметры витающих капель при различ- ных скоростях воздуха составляют: скорость воздуха, м[сек 0,5 1 2 3 4 5 диаметр капель, мм- - . ........... 0,12 0,23 0,47 0,75 1,1 1,5 Все капли с диаметром, меньшим указанного, увлека- ются движущимся воздухом кверху. В противоточных ох- ладителях скорости воздуха не превышают обычно 1— 2 м)сек и увлечение воздухом капель не может, невиди- мому, играть существенной роли. Рассмотрим теперь величину удельной поверхности воды в решетнике, отнесенную к единице его объема. В соответствии со сказанным ранее она может быть определена как сумма / — А + А+А, где А» А и А — удельные поверхности пленки, крупных, и мелких капель в м21м3. Свободная поверхность водяной пленки (если пренебречь незначительной ее толщиной) приблизительно, равна поверх- ности брусков решетника. Обозначим через и—периметр со-
134 Вопросы гидравлики и распределения воздуха f гл. 3 чения бруска; 5Х — шаг между брусками в ряду и з2—шаг между рядами брусков (все размеры в ж). Тогда Л = 0-15) Здесь п — поправочный коэффициент, больший единицы, учитывающий дополнительную поверхность во- дяной пленкина подрешетинах, стойках и пр.; Диаметр капли- cLmm Фиг, 3-12. Отношение средней скорости свободного падения к действительной средней скорости падения капли. & — коэффициент растекания, выражающий долю, составляемую активной поверхностью пленки при неполном растекании воды по брускам. Неполное растекание воды по поверхности брусков начи- нает обнаруживаться при гидравлических нагрузках ниже примерно 130 кг/.и час. Приблизительные значения коэффи- циента растекания в зависимости от приведены па фиг. 3-13. Если исключить из рассмотрения несколько верхних ря- дов решетника, где происходит перераспределение посту- пившей воды, то можно принять, что ?с каждого бруска падает в виде крупных капель столько же воды, сколько по-
§ 3-3'j Распиливание вйды н решетнике |35 падает на него в виде капель этого рода. Точно так же равны между собой количества воды, содержащиеся в падающих на данный брусок и в отлетающих от него брызгах. Обозначим количество воды (в м3/м2 час), обтекающей бруски и падающей с них в виде крупных капель, через qK и отлетающее от них в виде брызг через q6. Бдлыпая часть последних в количестве aq6 падает на нижележащие ряды решетника, остальная же часть (1—ц)-^ на другие бруски Того же ряда. Фиг. 3-13, Коэффициент растекания для решетника. Предположим далее, что падающие вниз брызги равно- мерно распределяются между с нижележащими рядами решетника. Тогда объем воды, протекающей в единицу време- ни через какое-либо сечение оросителя между двумя ряда- ми решетника (плотность орошения), определится выраже- нием Я « час- Отсюда видно, что qK ной на решетник воды q меньше полного количества подан- и составляет цд, где Я* 1 а / 1+8-Г',2" q Здесь обозначено: 8 = --коэффициент разбрызгивания и Ь — -(значения h и h см, на фиг. 3-8).
136 Вопросы гидравлики и распределения воздуха [гл, 3 Коэффициент д учитывает тот факт, что часть воды па- дает с одного ряда брусков на другой в виде брызг. Свободная поверхность капель, находящихся в каждый дан- ный момент в оросителе, зависит при заданной плотности орошения от размеров капель и от длительности их пребы- вания в оросителе. Для капель диаметром d удельная поверхность состав- ляет: f „ з______. 3 6J0 dw ’ где — расход воды, приходящийся на капли данного диа- метра, час\ <з — путь капли, приходящийся на 1 м. высоты оросителя^ в долях единицы; гд — средняя скорость капли, м/сек. Суммируя поверхности капель различных диаметров, по- лучим для удельной поверхности капель, срывающихся с брусков, следующее выражение: Z __ JfC VI J/С ZQ Н/,\ А ~~ббб~ ак wK~~”600^77 1 где J* =—*• к3--доля общего объема воды(^), приходящая- ся на капли диаметром dK-t iK— количество капель с диаметром dK\ дас п ---отношение средней скорости свободного- падения к действительной средней ско- рости капли. Принимая линейную зависимость от , допустимость чего подтверждается проведенными нами опытами, полу- чаем: и ТЬ 1 jit fSc №rc dK dK) ср dKf Z J dK V/ и3 ~ d3 d3 d*-,’ к UKV UKV где — отношение скоростей падения для капель с диа- метром dKf. Следует подчеркнуть, что для определения суммарной поверхности капель в решетнике 1 нельзя пользоваться, как 1 То же относится к определению поверхности распыленного потока создаваемого соплами.
£< 3-зп Распыл ив ание воды в решетнике 137 это иногда делают, просто средневзвешенным их диаметром d и, в частности, вместо эквивалентного диаметра dK3 принимать величину d Это можно видеть из следующего примера. Для бруска с прямоугольным сечением при 5^ = 200 кг\м нас опыты дают: у, ^ — 6,1 мм\ dK/ — 6,6 мм и zZKt, = 7,0 мм; отсюда dK== -j—=7,9 лог или приблизительно на 30% превышает d . Имеем далее (фиг. 3-8): Л ск -}- Ь-л . Здесь -----------—-—коэффициент, зависящий от конст- рукции решетника и для шахматного расположения брусков равный 2. Произведя соответствующие подстановки в уравнении (3-16), получаем: f 1 /][ , м t S'J ~ ''/> . ___у?___,___ У g ' 600 * тк ' dK9 ! ззо ' 'dK '^ (3-16а) Определение поверхности мелких капель (брызг) более сложно. Помимо того, что они имеют различные размеры,, они отлетают от верхних граней брусков под разными углами и с различными начальными скоростями. Вследствие этого суммирование должно производиться как по различ- ным диаметрам капель, так и по различным их путям Учитывая, однако, что преобладающая часть брызг отлетает под небольшим углом к горизонтали и имеет сравнительно не- большую горизонтальную составляющую скорости, будем в виде первого приближения рассматривать их как падающие вертикально вниз под действием силы тяжести. Тогда, обозначая величину среднего пути мелких капель через получаем для удельной поверхности брызг Л- (3-17) ° 1 330 У s, d6.3 Z Общая удельная поверхность воды в оросителе опреде- лится суммой пг Л—к -|-8 . Л * (3-18) " 1 3301<^ *dK9 Vm6 -d&a /
138 Вопросы гидравлики и распределения воздуха (гл. 3 Произведенные подсчеты дали для обычного решетника из трехгранных брусков (фиг. 4-52/) при плотности ороше- ния 3,5 лр/.ч2 час величину удельной поверхности воды около '6 м2/м3. Распределение ее показано в табл. 3-4 и на фиг. 3-14. Т а б л и (I а 3-4 Удельная поверхность воды в решетнике Наимеяозанйе Коэффициент теплоотдачи «, ккал'М-час^С Удельная поверхность Количество отдаваемого тепла, % /О Пленка на брусках .... 14,5 4,41 72,8 28,2 Крупные капли 55,5 0,33 5,5 8,1 Мелкие капли (брызги) . . 100 1,31 21,7 63,7 Всего . . . 37,4* 6,0.5 100,0 100;0 Но для суждения о роли пленки и капель различных родов в ох- лаждении воды недоста- точно определить только абсолютные значения их поверхностей, поскольку свойственные отдельным частям поверхности коэф- фициенты тепло- и массо- отдачи различны. Поэто- му в табл. 3-4 и на фиг- 3-14 показано также рас- пределение общего коли- чества отдаваемого тепла, подсчитанное с учетом различной интенсивности теплообмена для отдель- ных частей поверхности охлаждения. Из подсчетов * Средневзвешенный. Пленка Крупные Брызги капли. Фиг. 3-14. Распределение поверхности воды в решетнике. следует, что в решетнике рассматриваемого типа до 70—80% свободной поверхности воды приходится на водяную пленку, лишь около 5% на крупные капли и 15—20% на мелкие кап- ли-брызги. Но по количеству отдаваемого тепла на первом месте оказываются мелкие капли. На их долю приходится до 65—70% от всего количества отдаваемого водой тепла, тогда как на долю пленки приходится до 25—30%. Крупные капли и в охлаждении воды играют небольшую роль.
~5;;3'-3] Распиливание воды в решетнике 139 При уменьшении расстояния s2 между рядами решетника по высоте увеличивается удельная поверхность пленки, а в не- сколько меньшей степени и крупных капель. Но при этом уменьшается коэффициент разбрызгивания и увеличивается средний диаметр мелких капель. Поэтому понижение дает сравнительно небольшой эффект и может оправдывать себя лишь до тех пор, пока оно не начинает приводить к значи- тельному увеличению сопротивления проходу воздуха. Приведенные подсчеты не учитывают некоторых деталей процесса, например, неравномерности распределения скоро- стей воздуха в охладителе и возможного слияния (агломера- ции) части капель при их столкновениях. Тем не менее они дают достаточно правильные соотношения, ориентирующие в вопросе о структуре и величине поверхности охлаждения в решетнике и о роли отдельных частей этой поверхности в -общем теплообмене Из этих подсчетов, как и из опыта, следует, что величина удельной поверхности воды не является постоянной для данной конструкции решетника, а зависит от количества подаваемой воды — плотности орошения — q и скорости воз- духа ^е. При этом отдельные части, из которых составля- ется поверхность охлаждения, меняются по величине неоди- наково, и их относительная роль в образовании свободной поверхности воды и ее охлаждении также меняется. Как уже отмечалось ранее, это должно отражаться и на значениях объемных коэффициентов тепло- и массоотдачи, которые могут быть представлены следующим образом: а„=а№гД»+“«Л+а«Д 'Здесь коэффициенты и являются усредненными для :всей поверхности, а коэффициенты, стоящие в правых ча- стях равенства, отнесены соответственно к единице поверх- ности пленки, крупных и мелких капель. Изменение плотности орошения отражается, на величине активной поверхности пленки только при относительно не- больших гидравлических нагрузках, когда коэффициент ра- стекания становится меньше единицы, но заметно сказы- вается на величине поверхности капель. Поверхность круп- 1 Интересно отметить, что получающиеся при этом объемные коэф- фициенты тепло- и массоотдачи по порядку величины удовлетворительно согласуются с опытными данными. Для рассмотренного выше примера (табл. 3-4) объемный коэффициент массоотдачи получается равным. $pz/ 650 кг/м^ час ат.
140 Вопросы гидравлики и распределения воздуха {гл. 3 ных капель изменяется приблизительно пропорционально плотности орошения в степени 1,2—1,4 до тех пор, пока с ростом гидравлической нагрузки (сверх 350 кз/лг час) не появляются в большом количестве'стекающие с брусков струйки воды, что влечет за собой уменьшение свободной поверхности. Поверхность брызг растет с увеличением q несколько медленнее вследствие уменьшения степени раз- брызгивания воды и увеличения среднего диаметра брызг,. В целом же при нагрузках g3K<Z 350 кг/м час поверхность, охлаждения растет с увеличением плотности орошения при- близительно пропорционально q в степени 0,3—0,4. Увеличение скорости воздуха, движущегося навстречу воде, также приводит к некоторому увеличению ее свобод- ной поверхности вследствие понижения при этом скорости капель. Отражаясь, главным образом, на величине поверх- ности мелких капель-брызг, которая растет приблизительно* пропорционально w, в степени 1,1—1,2, увеличение скорости воздуха мало сказывается на поверхности крупных капель и, в особенности, на величине поверхности пленки. 3-4. ТЕЧЕНИЕ ЖИДКОСТИ В ПЛЕНОЧНОМ ОХЛАДИТЕЛЕ В охладителях 1(пленочного “ типа вода стекает по какой- либо поверхности—большей частью по плоской поверхности, расположенной вертикально или под небольшим углом к вер- тикали,— в виде тонкой пленки. Значительно реже приме- няется в пленочных охладителях засыпка из колец Рашига. Для ламинарного течения пленки жидкости по плоской поверхности совпадающие между собой теоретические зави- симости, позволяющие определить скорость течения и тол- щину пленки, были даны Нус'сельтом и Лэмбом. Пред- ложенное ими решение может быть распространено также на поверхности, радиус кривизны которых велик сравни- тельно с толщиной жидкой пленки (например, стенки труб). Рассмотрим течение ламинарной пленки жидкости по плоскости, наклоненной к горизонтали под углом В (фиг. 3-15), Ось X расположим параллельно поверхности по ходу тече- ния жидкости, а ось Y—нормально к поверхности. Ширину поверхности в направлении, перпендикулярном плоскости чертежа, примем равной единице. Будем предполагать, что силы инерции пренебрежимо малы сравнительно с силами трения внутри жидкости. При этом расстояние частицы жидкости от верхнего края плоскости или координата х не влияет на ее скорость, и последняя зависит только от рас- стояния у по нормали к поверхности. Касательное напряжение на грани ab элементарного па- раллелепипеда, выделенного в слое жидкости, составляет
§ 3-4 j Течение жидкости в пленочном охладителе 141 --'dx, касательное напряжение на грани de составляет . dx. Разность касательных напряжений, т. е. вяз- . костная сила, уравновешивается силой тяжести, проекция которой на ось X составляет y-sinO-eZ^’^y, где у—удельный вес жидкости в кг/м3. Отсюда имеем следующее условие равновесия: -4-у-sin 9 = 0. dy 1 1 (3-19) Фиг. 3-15. Схема стекания и распределение : Л скоростей б пленке жидкости. 4Х—при неподвижном воздухе; б—прй встречном движении воздуха с большой скоростью. По закону трения Ньютона ’ - (3-20) где и — коэффициент динамической вязкости жидкости, кг сек1м2-, w — местная ско- рость жидкости, м/сек. Из (3-19) и (3-20) •Ру’Sin 0 — 0. (3-21) При интегрировании этого уравнения одно из граничных условий определяется тем, что скорость жидкости у стенки равна нулю. .Если пренебречь трением между жидкостью и воздухом, то получаем второе граничное условие, что на свободной поверхности жидкости касательная сила равна нулю. Имеем, таким образом: при > — 0 w — 0, при у ~ у о t — 0, где у0— толщина пленки, м. Интегрирование (3-21) при указанных (граничных усло- виях дает: 7*з1п0 У3\ (3-221 w == •*--— ( V У г, — , V1 11 Ху3
142 Вопросы гидравлики и распределения воздуха (гл. 3£ т. е. скорости распределяются в пленке по закону параболы (фиг. 3-15,й). Максимальная скорость имеет место на свобод- ной поверхности пленки (у—j/0) 11 равна: w T_S1I18. 1/ (3-23) Расход воды на единице ширины потока в единицу време- ни (кг/.н аде) составляет: Уо ^=3600 С 3 600 73-sin 0 о о — 1 20П‘2,sin8'50. Отсюда толщина пленки — 1 200-sin 6 •у3 (3-24> и средняя скорость пленки СР 3/ ёж Y 3600/ (3-25> Из параболического закона распределения скорости по толщине пленки (3-22) следует также, что ^макс _ 3 Сравнение с опытными данными многих исследователей хорошо подтвердило теоретические зависимости для у0 и wrp при значениях критерия Рейнольдса для пленки Кеж < 1 500. Критерий Рейнольдса определяется при этом как rj ______ . ^срЗ-'о____________________£ж Ж У «с Ж 900 W.g -где — у0 — гидравлический радиус пленки в я и = у— коэффициент-кинематической вязкости жидко- сти, м2/сек. В условиях охладителей значения ReM, составляют при- близительно от 80 до 500, т. е. всегда лежат в области, от-
§3-41 Течение жидкости в пленочном охладители 143- вечающей ламинарному течению пленки; значения толщины пленки на вертикальной поверхности (sin 0 — 1) составляют от 0,15 до 0,30 мм и значения средней скорости ее течения от 0,30 до 0,15 м\сек. Предложены теоретические решения и для случая дви- жения воздуха над свободной поверхностью пленки с уче- том влияния силы трения на границе жидкость — газ, но мы не приводим их, так как подсчеты с помощью получаемых таким образом формул подтверждают, что при указанных выше значениях Rs_№ и обычных в охладителях скоростях воз- духа (не выше 4—5 Mi сек) можно с достаточной точностью принимать, что движущийся воздух не влияет па течение водяной пленки. Наблюдения обнаруживают, однако, что при достаточно малых Re^ отвечающих области ламинарного течения плен- ки, последняя имеет волнистую поверхность, т. е. характер течения отличается от простого ламинарного. Более подроб- ное изучение этого явления1 показало, что наличие волн на поверхности жидкости наблюдается и при неподвижном воз- духе в пределах значений Реж от 20—30 до 1 500 и только прй более низких ReM они исчезают. Образование волн свя- зано с действием капиллярных сил, которые при тонких слоях жидкости даже в случае небольшого искривления поверх- ности становятся но их величине сравнимыми с вязкостными силами. При волновом или „псевдоламинарном“ течении средняя толщина пленки ув°'гн зависит от амплитуды волны и, вооб- ще говоря, она меньше, чем при чисто ламинарном течении, но различие это невелико,— по теоретическим данным П. Л. Капицы до 7%,—почему оно и не обнаруживается опытными, данными» Средняя скорость пленки при волновом течении &ЛС W — -----------— СР ЪЪМ-^увй0ЛК составляет соответственно до 1,07 от средней скорости ПРИ чисто ламинарном течении. Средняя по длине волны скорость частиц на наружной поверхности пленки, составляет ^1,24* 1,0/-wcp =1,32 wcp , 1 П. Л. Капица, „Журнал.экспериментальной и теоретической фи- зики", т. 18, 1948, пып. 1, стр. 3; П. Семенов, „Журнал технической физики*, т. 14, 1944, ДЬ 7—8, стр. 427.
144 Вопросы гидравлики и распределения воздуха [гл. 3 т. е. она несколько. ниже максимальной скорости при лами- нарном течении, составляющей 1,5 ^7/’ Приведенные данные показывают, что при практических расчетах, особенно когда задачей является определение о т- посительной скорости воздуха (т. е. при противотоке скорость пленки порядка 0,15—0,30 м/сек суммируется с абсо- лютной скоростью воздуха 1,5—3 м/сек), допустимо пользо- ваться формулами для простого, ламинарного течения жидко- сти без введения поправок к ним* При увеличении скорости воздуха с некоторого ее значения начинает наблюдаться захват жидкости воздухом, а при еще больших скоростях — срыв течения пленки или «захлебыва- ние» охладителя, В охладителях циркуляционной воды ско- рость воздуха никогда не достигает значений, при которых возможно их захлебывание, но иногда приближается к значе- ниям, отвечающим началу захвата жидкости. Результаты наблюдений 1 за скоростями воздуха, при ко- торых начинается видимый на-глаз отрыв капель с поверх- ности пленки, текущей по вертикальной плоскости внутри ка- нала прямоугольного сечения шириной 50—100 мм, .приве- дены в табл. 3-5. Данные эти относятся к случаю противотока. Таблица 3-5 Начало видимого срыва капель с поверхности водяной пленки . Материал поверхности Гидравлическая нагрузка, Скорость воздуха, отвечающая началу видимого срыва капель, м<сек Источник Строганые доски 151 6,4 Наблюдения 238 5,0 Д. Н. Бибикова 256 232 4,0 4,2 Стекло 455 732 3,5 3,0 Наблюдения автора Таблица показывает, что чем выше гидравлическая нагруз- ка (или #еж), тем ниже скорость воздуха, при которой обна- руживается срыв жидкости с поверхности пленки. Проведенные нами специальные опыты показали, что. мельчайшие капельки отрываются и при более низких скоростях воздуха, но и эти 1 См* цитированную выше статью автора в сборнике ВТИ „Иссле- дования процессов регулирования, теплопередачи' и обратного охлажде- ния“, ГОНТИ, 1938, стр. 130 и Д. Н. Б и б и к о в, „Тепло и сила*, 1937, № 6, стр. 28.
§ 3-4 j Течение жидкости в йлейочноМ охладителе 145 опыты подтвердили, что срыв жидкости становится значитель- ным только при указанных «критических» скоростях. При па- раллельном же течении пленки и воздуха срыв жидкости не наблюдается согласно опытам А. 3. Краснова до скоростей 30—40 м/сек. Зависимость «критической» скорости воздуха от гидравлической нагрузки может быть связана со сказанным выше о влиянии на волнистость поверхности пленки. При засыпке из беспорядочно уложенных колец Рашид а наблюдается неполное смачивание поверхности пленкой теку- щей жидкости. Доля смоченной поверхности колец заметно понижается (до около 40%) при переходе от верхних слоев колец к нижним, что должно приниматься во внимание при определении активной поверхности засыпки 6 Неполное смачивание поверхности наблюдается и при плоских вертикальных поверхностях, ио лишь в случаях очень низкой гидравлической нагрузки. Сплошная пленка легче устанавливается на поверхностях из смачиваемых и гигроско- пичных материалов, а также на шероховатых поверхностях. При плоской поверхности из стекла для получения устой- чивой сплошной пленки в наших опытах требовалось, чтобы гидравлическая нагрузка, отнесенная к единице ширины щита с одной его стороны, была не ниже 100 : 150 кг/м час, тогда как при поверхностях из дерева или асбошифера эта мини- мальная нагрузка опускалась до 80 кг/м час и ниже, Эти цифры получены для широких щитов, где сказывается неравномер- ность подачи воды, которая обычно не может быть полно- стью избегнута. Они могут быть заметно меньшими при малом смачиваемом периметре. Известны опыты, когда получалась устойчивая сплошная пленка на внутренней поверхности сте- клянной трубки при гидравлической нагрузке всего 36 кг/м час. При условии растекания воды по всей орошаемой поверх- ности величина последней определяет и величину поверхности охлаждения. В общем случае для удельной поверхности охлаж- дения в оросительном устройстве2 пленочного охладителя можно написать: /-“/zspr м2/м^ (3-26) где п. — коэффициент, учитывающий поверхность водяной пленки на вспомогательных строительных элементах конструкции; 1 Подробнее об этом см. циг. Соч, Н, М. Жаворонком. 3 Оросительным устройством называют основную часть охладителя4 в которой непосредственно происходит охлаждение воды (решетник в капельных охладителях, щиты или иную орошаемую поверхность в пленочных). См. § 4-5, 445 и 4-7. 10 «1. Д. Вер&аН.
146 Йопросы гидравлики й распределения воздуха [гл. 3 а — коэффициент растекания; Г--- полная величина орошаемой поверхности, л/2; V—объем оросительного устройства, м\ Возьмем в качестве примера конструкцию пленочного оро- сительного устройства из деревянных щитов толщиной 10 мм с расстоянием между ними 40 мм в свету. При этом полу- чаем, считая п~ I и е=1, удельную поверхность охлажде- ния f = 40 м2/м\ т. е. почти в 7 раз большую, чем для рас- смотренного в предыдущем параграфе решетника (см, табл. 3-4). Но и в этом случае нельзя при сравнении эффективности того или иного типа оросительного устройств^ исходить лишь из. величины свободной поверхности воды. Коэффициенты тепло- и массоотдачи, отнесенные к единице поверхности, для пленочного оросительного устройства из плоских щитов за- метно ниже, чем для решетника. В то же время устройство из щитов в пленочном охладителе создает меньшее сопротивле- ние проходу воздуха. Если исходить из условия равного со- противления обеих конструкций, т. е, принять для пленочного охладителя соответственно более высокую скорость воздуха, то и тогда использование единицы поверхности оказывается для него ниже (для рассматриваемого примера коэффициент теплоотдачи для пленочной конструкции составляет 10™- 13 ккал/м2 час °C против 37,5 ккал/м? час СС для решетника). Поэтому при- прочих равных условиях количество тепла, от- данного в единице объема, или объемные коэффициенты тепло- и массоотдачи для пленочного охладителя превышают соответствующие значения для капельного охладителя не в 6—7 раз, а лишь приблизительно в 1,6—2,5 раза. Более эффек- тивное использование активного объема охладителя дости- гается при этом за счет значительного увеличения поверхности воды, перекрывающего при том нее сопротивлении проходу воздуха понижение .использования единицы этой поверхности. В случае применения нерегулярно уложенных колец Ра- шига коэффициенты тепло-' и массоотдачи для единицы по- верхности возрастают, но очень сильно растет при этом и со- противление потоку воздуха. 3-5. СОПРОТИВЛЕНИЕ ОРОСИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА ПОТОКУ ВОЗДУХА Мы видели выше, что повышение скорости воздуха позво- ляет интенсифицировать теплообмен в охладителях, но при этом возрастает также их гидравлическое, (воздушное) сопро- тивление, что является одной из основных причин, вынуждаю- щих ограничивать принимаемые на практике скорости воздуха в закрытых охладителях. Из различных сопротивлений, со- ставляющих в сумме общее сопротивление закрытого охлади-
i 3-S] Сопротивление оросительного устройства 1-47 теля, наибольшим является сопротивление оросительного устройства. Согласно теории подобия при вынужденном движении гидравлическое сопротивление, т. е. падение давления дви- жущейся среды в канале или при обтекании тел, должно быть связано с другими величинами, характеризующими усло- вия течения, функциональной зависимостью Eu~f(Re), (3-27) где Ей — — критерий Эйлера; Ад— падение давления (разность давлений в двух точках); р — плотность движущейся среды; -w — скорость течения. Вид этой зависимости определяется на основе опытных данных. Во многих случаях она может быть представлена в виде степенной функции ™ с • Rem(3-28) где с и т— постоянные. При практических расчетах чаше пользуются вместо критерия Эйлера так называемым коэффициентом сопротив- ления C = p«3 = 2'a- 0-29) 2 f' Из уравнений (3-28) и (3-29) следует, что ^?ws-c-Rem. (3-30) 4* Для различных типов решетника, показанных на фиг. 1-8, опыты автора во ВТИ1 дали значения постоянных с и т в формуле (3-28), приведенные в табл. 3-6. Критерий Re опре- делялся, как и при обработке данных по теплообмену (ср. табл. 1-2), по скорости набегающего потока и в качестве , и. определяющего размера вводилась величина а = у , где и — периметр сечения бруска. Из таблицы видно, что показатель степени /д при критерии Рейнольдса мал — от 0,04 до 0,07— т. е. закон изменения сопротивления &р в зависимости от скорости близок к квадратичному. 1 См. „Известия ВТИ", 1940, № 8, стр. 22. 10*
148 Вопросы гидравлики й распределения воздуха [гл. 3 Т а б лица 3-6 Постоянные г и т в формуле (3-28) (!& от 3 000 до 2д ООО) Форма сечения брусков Рчспо.до'керие брусков й пучке •и а d Число радов л С ZZ 1П Шахматное 2,60 2,76 6 1,04 0,05 2,60 4,42 6 0,90 0,05 2,60 6,63 8 0,84 0,05 Треугольная 1 : 1 : 1,4 2,60 11,6 5 0,84 0,05 3,70 6,63 6 0,49 0,04 Коридорное 2,60 6,63 6 0,79 0,05 Каскадное 6,50 8,28 5 1,07 0,05 Шахматное 2,10 6,28 6 1,09 0,07 Прямоугольная 2 : 1 Ступенчатое 3,14 6,28 * 6 0,37 0,07 Фиг. 3-16. Сопротивление шахматно- го пучка трехгранных брусков в за- висимости от числа рядов. Изменение продольного шага между рядами брусков сказывается на ве- личине критерия Эйлера или коэффициента сопротив- ления лишь пока этот шаг сравнительно невелик а проявляется взаимное влия- ние рядов пучка на условия обтекания брусков в каж- дом из них. При этом уве- личение -J- влечет за собой а понижение гидравлического сопротивления. Но, начиная от ~ 6,5 ч- 7, отдельные ряды перестают оказывать влияние друг на друга в гидродинамическом отноше- нии и дальнейшее увели- sa чение не сказывается уже на величине Ей или С при том же числе рядов в пуч- ке1. При больших , характерных для решетника гради- рен, можно с достаточной точностью считать сопротивление пучка прямо пропорциональным числу рядов (фиг. 3-16). 1 Аналогичные результаты были получены Л. С. Эйгенсоном для пучков круглых труб. См. «Известия ЭНИН", т. 8, 1940, стр. 19,
§ 3-5] Сопротивление оросительного устройства 149 Большое влияние на сопротивление решетника оказывает величина шага между брусками по ширине у. Увеличение у всегда приводит к понижению сопротивления. Т абдица 3-7 Коэффициент сопротивления 5 на 1 м высоты решетника j { 1 1 Форма и размеры сечемря бру- 1Расположение брусков Шаг по ши- (Х1] пц СКОВ в пучке рине я Треугольная, 50X50X71 мм Шахматное Каскадное ! 0,142 ' 0,355 0,350 0,450 7 9 7'15 Треугольная, 45X45X65 мм Ступенчатое ( 0,183 0,350 з.о Прям оугольпая, 20 X 40 мм. Шахматное Ступенчатое : 0,080 | 0,120 I 1 0,350 0,350 9,4 Прйм^пйние, Подсчитано для чисел Рейнольдса, отвечающих скорости воздуха 1 м}сек при температуре ЯРС. В табл, 3-7 приведены для нескольких распространенных типов решетника-значения коэффициента сопротивления, отне- сенного к 1 м высоты оросительного устройства. Шахматное и каскадное расположения трехгранных брусков по величине гидравлического сопротивления на 1 м высоты решетника оказываются равноценными. Выделяется своим высоким со- противлением решетник с шахматным расположением прямо- угольных брусков. В то же время решетник из тех же прямо- угольных брусков, но со ступенчатым их расположением, обладает наименьшим сопротивлением. Переход к ступенча- тому расположению, связанный с заметным разрежением брусков в ряду, сильно понижает сопротивление и при трех- гранных брусках. Значительно меньшими данными мы располагаем пока о .величине сопротивления, создаваемого в решетнике дождем капель. Оно складывается из сопротивлений, оказываемых от- дельными каплями воды. Зависимость коэффициента сопротивления от Зе для от- дельной сферической капли (шара) приведена на фиг. 3-17. Здесь коэффициент С' относится к закону сопротивления р — р кг 2 м ’ где Рм—миделево сечение, равное площади проекции обте- каемого тела на плоскость, перпендикулярную по- току;
J50 Вопросы гидравлики и распределения воздуха [гл. 3 w0 — относительная скорость тела, равная при встречном движении воздуха сумме абсолютной скорости тела w и скорости воздуха wa. itt/2 В случае шара гя — ~ и соответственно Р = p,'Pd8wp (3-30а) В качестве определяющего размера при подсчете Re при- нимается диаметр шара. Фиг. 3-17. Коэффициент сопротивления шара в зависимости от числа Рейнольдса, Если плотность орошения обозначить через q час и долю общего объема воды, приходящуюся на капли диамет- ром d через /, то количество капель этого размера на еди- ницу площади и высоты оросительного устройства соста- вит: jgh ?.(№ OdOttwrfS * 6~ h где л---у-у——- время, в течение которого капля данного диаметра проходит путь Л, приходящийся на 1 я высоты решетника, часов; w — средняя скорость падения капель данного диаметра, м^сек. Цз (3-30а) и (3-31) получаем для суммарного коэффици-
§3-5] Сопротивление оросительнсго устройства 151 ента сопротивления дождя воды, отнесенного к абсолютной скорости воздуха и 1 ж высоты решетника, . _S*? _ я_____VI ’в 2 400-^JJ суГ" (3-32) Определение этого коэффициента сопротивления расчет- ным путем крайне затруднительно из-за большого разнооб- разия диаметров капель, падающих с различными скоростя- ми, Поэтому для практических целей желательно распола- гать опытными дан- ными, показываю- щими зависимость от плотности орошения общего коэффици- ента сопротивления данного типа решет- ника: ’р ‘ о’ где Си С —соот- Г 5 ветственно коэффи- циенты сопротивле- ния сухого решет- ника и дождя воды. Однако таких дан- ных в литературе почти нет, Фиг/ 3-18. Коэффициент сопротивления гра- дирни с каскадным решетником в зависимости от плотности орошения. Некоторое представление о величине сопротивления, создаваемого дождем воды, дает фиг, 3-18, на которой пред- ставлен в функции плотности орошения коэффициент сопро- тивления для решетника каскадного типа, подсчитанный на- ми по данным опытов А, Н. Арефьева1. На основании этих данных доля сопротивления, создаваемого дождем воды, мо- жет быть оценена при плотностях орошения порядка 2~3 мг]мЪ1шс в 30—40% от общего сопротивления решетника. Для чисто пленочного охладителя щитового типа, в кото- ром воздух протекает по каналам прямоугольного сечения, имеем: (3-33) где к — коэффициент трения; I и d—длина и гидравлический диаметр канала. Гидравлический диаметр капала равен учетверенной ве- 1 Д. Н, Арефьев, „Известия ВТИ*, 1931, № 2, етр,
152 Вопросы гидравлики и распределения воздуха (гл. 3 личине отношения площади канала к его смоченному пери- метру, т. е. j 4 __л (3-34) или для узкого канала при Z>2 « Ь, ' ^=2*.,. где Ь{ и Ь.,— длины сторон сечения канала. Коэффициент X может быть определен по формуле зиуса для гладких труб: , 0,3164 гм , ,м,,,, Ц|М ч Бла- (3-35) где для прямоугольных каналов следует вводить в Re гид- равлический диаметр. Значение \ подсчитанное по этой формуле, нужно уве- личить на 5 -н 10%, учитывая добавочное сопротивление, создаваемое каплями, падающими в небольшом количестве в канале. Влияние волнистого характера поверхности пленки на коэффициент трения проявляется по упоминавшимся ра- нее опытам Семенова только при скоростях воздуха, выше 5 — 6 м1сек. * При расстоянии между щитами 40 мм, скорости воздуха в канале 2 м/сек и температуре воздуха 20° С получаем л = = 0,0375 и коэффициент сопротивления, отнесенный к 1 м высоты пхитов, г = 1<-1,1. Как отмечалось уже выше, он много меньше, чем для решетника. Устройство вертикаль- ных разрывов между досками щитов несколько увеличивает коэффициент сопротивления. При засыпке из колец Рашига большое влияние на вели- чину гидравлического сопротивления оказывает многократ- ное изменение направления движения воздуха, а также из- менение проходного сечения из-за нерегулярной укладки колец и заполнения части сечения водой". Коэффициент со- противления зависит при этом не только от Ret но и от плотности орошения. По опытам ВНИХИ1 сопротивление слоя колец Рашига размерами 25 х 25 >< 3 мм, уложенных на сетке с, живым сечением 80%, составляет &р — [44 • h -|- (0,75 %- 4,6 h\ • • (w0 YB)2,4- ^лгг/ж3, 1 См. А. А. Г оголим, «Холодильная промышленность", 1938, № 4, стр. 14; более подобные опытные данные для колец Рашига, представ- ленные в форме графиков, показывающих зависимость потери напора от скорости воздуха при различных плотностях орошения, приведены § цитированной выше (стр. 52) работе И. М, Жаворонкова,
§ 3-6] Распределение воздуха 153 где Л— высота слоя колец, м (составляла в опытах от ОД до 0,6 лг); q — плотность орошения, ж3/лг3 час; — весовая скорость воздуха, отнесенная к полному се- чению оросителя, кг!м2 час. Для неорошаемого слоя колец тех же размеров, по Махе, Сопротивление слоя колец Рашига значительно выше сопротивления оросительных устройств других конструкций как пленочных, так и капельных. 3-8. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВОЗДУХА В ПРОТИВОТОЧНОМ ОХЛАДИТЕЛЕ В охладителях закрытого типа (градирнях) наряду с за- дачей правильного распределения воды и. создания большой ее свободной поверх- ности возникает также Задача равномерного распределения воздуха по сечению охладителя. Особенно существенно пр авильное р ешение этой задачи для проти- воточных охладителей. Изучение распреде- ления воздуха, как и определение значений гидравлических сопро- тивлений отдельных элементов конструкции, путем непосредствен- ных измерений на ра- ботающих охладителях наталкивается на зна- чительные трудности, так как скорости воз- духа и перепады дав- лений здесь очень неве- лики, а. условия измере- 3-19- Внешний вид модели градирни, ния крайне неблагопри- ятны для применения требующихся при этом точных измери- тельных приборов. Поэтому о распределении воздуха приходит- ся судить по косвенным данным, например по распределению температур охлажденной воды или уходящего воздуха. Эти данные обычно1 искажаются в большей или меньшей мере не-
154 Вопросы гидравлики и распределения воздуха [гл. 3 равномерностью распределения воды, влиянием ветра' и пр., Кроме того, в эксплоатационных условиях затруднительно, а часто и невозможно осуществление конструктивных изме- нений с целью выяснить их влияние на распределение воз- духа. Для проверки и уточнения теоретических представлений об условиях и мерах для улучшения распределения воздуха в охладителях может быть использован метод моделирования. Внешний вид одной из моделей, исследовавшихся во ВТИ, по- казан на фиг. 349. При выполнении моделей градирен стро- гое соблюдение всех условий подобия 1 оказывается обыч- но невозможным и прихо- дится допускать ряд отступ- лений от них—.продувать «су- Фиг. 3-20. Схема поступления возду- ха в оросительное"устройство. хие» модели, т. е. модели без воды, заменять при малом масштабе модели ороситель- ное устройство «эквивалент- ными сопротивлениями» или др., но это; не лишаев иссле- дования на моделях боль- шой практической ценности. Подобные исследования, до- полняя данные, полученные в натуре, способствуют усо- вершенствованию конст- рукций охладителей. Схема поступления воздуха в противоточный охладитель приведена на фиг. 3-20. Воздух поступает сбоку через проем (окно) АВ и протекает через полость ABCD, которая может быть названа «воздухораспределителем». Количество воздуха по ходу его движения в воздухораспределителе все время уменьшается в результате того, что часть его удалятся через оросительное устройство BCEF. Так как статическое давление за последним, как подтверждают опыты, мало изменяется по; площади охладителя, распределение воздуха может довольно точно характеризоваться изменением статических давлений в воздухораспределителе. Статическое давление в начальном сечении АВ воздухо- распределителя составляет: где' рБ — барометрическое давление; 1 См. М. В. К и р п и ч е в и М, А. Михеев, Моделирование тепла- IW устройств, изд. АН СССР. 1936. ’’
§ 3-6] Распределение воздуха 155 -средняя скорость воздуха в рассматриваемом се- чении; {^—коэффициент сопротивления входа, учитывающий также влияние неравномерности поля скоростей. Предполагая сечение воздухораспределителя по всей его длине неизменным, можем, пользуясь теоремой импульсов, написать для контрольной поверхности (teed, показанной на фиг. 3-20: J- pF=.4 (р dp) F - i- dd dr, (3-36) где G и w— расход и скорость движения воздуха в направ- лении горизонтальной оси воздухораспредели- теля в сечении alp £ —ускорение силы тяжести; р— статическое давление в сечении ab; F — площадь сечения воздухораспределителя; dJ—проекция на горизонтальную ось воздухорас- пределителя количества движения воздуха, про- ходящего через поверхность Ьс\ dT—проекция на ту же ось силы трения. Так как строгое решение этого уравнения вызывает труд- ности, введем следующие упрощения: будем пренебрегать изменением плотности воздуха, а величины J и Т выразим приближенно через скоростной напор в начальном сечении: о ^0, 2 ’ (3-37) где а и Z — коэффициенты и Л— длина воздухораспредели- теля, Так как при- допущении у — const можем, произведя соответствующие преобразования ; и со- кращения, переписать уравнение (3-36) следующим образом: ЦП--------------~ г г (3-38) Интегрируем уравнение (3-38) в пределах от х—0 до Я = 2.. Имеем: при X = 0 р —Ра W — К’о; при X~L
156 Вопросы гидравлики и распределения воздуха {гл. 3 Получаем при этом L I. — [dJ— IfdT F J FJ 0 0 или, принимая во внимание (3-37): р„-Л = (2-а-С)^==(А-С)р_Х% (3-39) Фиг. 3-21, Распределение статических давлений до и после оро- сительного устройства (модель с отсасывающим вентилятором). где /^.-—давление в конце воздухораспределителя и Л ~ 2 — а. В зависимости от того, будет ли здесь величина коэф- фициента сопротивления воздухораспределителя С больше или меньше А разность рк — р0 может приобретать положи- тельные или отрицательные значения или, иначе говоря, стати- ческое давление в воздухораспределителе может возрастать или понижаться. Соответственно и скорости воздуха в оро- сителе могут расти или уменьшаться по мере удаления от входного сечения воздухораспределителя, При свободном от дождя воды воздухораспределителе, Когда величина С мала, статические давления растут по ходу
§ з.б] Ра спределенйе Ьоздухй 157 воздушного потока в результате уменьшения количества про- текающего воздуха и частичного преобразования кинетической энергии остающегося потока, скорость которого понижается, в энергию давления. Удаленная от входного окна часть оро- сительного устройства оказывается при этом лучше обеспечен- ной воздухом, чем часть его-, прилегающая к стороне входа воздуха. Это подтверждают как проведенные нами во ВТИ1 опыты на моделях (фиг. 3-21), так и измерения на промыш- ленном охладителе (см. ниже фиг. 4-100). Действительное распределение статических дав- лений в воздухораспределителе усложняется, однако, в этом, случае явлением отрыва струи при обтекании верхней кромки входного окна, приводящего к образованию вихревой области и местного сужения потока разных условиях входа. Фиг. 3-22. Спектры течения в возду- хораспределителе. (фиг. 3-22}а), Чем больше высота воздухораспределителя, тем меньше протяженность вихревой области и равномернее рас- пределение статических давлений в остальной части воздухо- распределителя, Но значительное увеличение высоты воздухе- 1 См, „Известия ВТИ“, 1940, № 3, стр. 23,
158 Вопросы гидравлики и распределения воздуха [гл. 3 распределителя обычно нежелательно вследствие связанного с этим увеличения высоты подачи воды на градирню. При А улучшение условий входа воздуха и его рас- пределения по площади охладителя может быть достигнуто, приданием плавного очертания верхней кромке входного окна или, что практически доступнее, постепенным (непрерыв- но или ступенями) увеличением сечения воздухораспредели- теля по мере приближения к входному окну (фиг. 3-22,6). Влияние указанных мероприятий наглядно показывают результаты опытов на модели градирни с односторонним вхо-. дом воздуха, представленные на фиг. 3-23. При очень малом и острой верхней кромке входного окна в значительную часть оросительного устройства, расположенную со стороны входа воздуха, последний вовсе не поступает (фиг* 3-23,а). Ступенчатое увеличение высоты воздухораспределителя в на- правлении к входному окну приводит к резкому сокращению неактивной зоны оросительного устройства (фиг. 3-23,6), а добавление еще козырька, придающего верхней кромке плав- ное очертание, практически полностью устраняет эту зону (фиг. 3-23,в). Когда охладитель имеет в плане форму круга или равно- стороннего многоугольника, проходное сечение воздухораспре^ делителя уменьшается в направлении к центру, что также способствует более равномерному рапределению воздуха при малом С. Но если в воздухораспределителе имеются диамет- рально расположенные перегородки, разделяющие его на от- дельные секторы, вблизи перегородок наблюдается картина, аналогичная описанной выше. Это видно на фиг. 3-24, где показаны лйнии равных ско- ростей воздуха по сечению модели градирни с двусторонним подводом воздуха для случая острой верхней кромки у вход- ных окон. В этом случае постепенное увеличение высоты воздухо- распределителя со стороны входа также способствует более равномерному распределению воздуха. При наличии дождя воды в воздухораспределителе и большой его длине С оказывается больше Л, а статическое давление в удаленной от входного окна части воздухораспре* делителя — ниже, чем со стороны входа. Соответственно и ко- личество воздуха, поступающего в оросительное устройство, оказывается здесь меньше. При упоминавшихся выше опытах, проводившихся на «су- хих» моделях, увеличение £ достигалось путем установки в воздухораспределителе равномерно распределенных по его длине металлических сеток. Увеличение числа сеток приводило к сокращению, а затем к полному устранению неактивной зо- ны воздухораспределителя со стороны входа воздуха при со* хранении острой верхней кромки входного окна и одинаковой
% 3-6 j РасЛреДеЛёпие йалдухй 159 высоте воздухораспределителя по всей его длине (фиг. 3-23,е). Дальнейшее увеличение ч должно было бы, однако, привести к уменьшению количества воздуха, поступающего в наиболее удаленную от входного окна часть оросительного устройства, что и наблюдается на практике в больших капельных гра- дирнях. oempofi'jfi перегородка. Фиг. 3-24. Линии равных скоростей воздуха в оросителе градирни с двусторонним входом воздуха по опытам на модели. Для улучшения подвода воздуха в удаленную часть оро- сительного устройства в этом случае необходимо уменьшить ч, например, путем улавливания стекающей воды или концентра* ции ее в сосредоточенные струи и освобождения таким спосо- бом сечения воздухораспределителя. Это не исключает целе- сообразности осуществления в ряде случаев описанных выше мероприятий, благоприятствующих поступлению воздуха в пе- риферийную зону оросительного устройства. Гидравлическое сопротивление оросительного устройства, не отражаясь на качественной стороне картины распределения воздуха, влияет на ее количественную сторону, Чем выше это
l(jO Вопросы гпдраилйкп И распределения воздуха [гл, 3 сопротивление сравнительно с сопротивлением воздухораспре- делителя, тем меньшую роль играет разность давлений^ —р0> а соответственно меньше и степень неравномерности распреде- ления воздуха, обуславливаемая понижением или увеличением статических давлений в воздухораспределителе. То же относится и к типу оросительного устройства (ка- пельный или пленочный), влияние которого на распределение воздуха в противоточном охладителе проявляется в основном лишь в той мере, в какой различаются гидравлические сопро- тивления оросительных устройств разных типов. В остальном же изложенное выше относится в равной мере к охладителям как капельного, так и пленочного типа. Поскольку на гидравлическое сопротивление воздухорас- пределителя и оросительного устройства приходится преобла- дающая доля общего сопротивления охладителя, влияние со- противления вытяжной башни, а следовательно, и ее формы на распределение поступающего воздуха в охладителе не мо- жет быть существенным. Некоторое влияние на распределение воздуха может ока- зывать естественная тяга, возникающая благодаря нагреву и увлажнению воздуха при протекании его через оросительное устройство. Сила тяги всегда выше в тех зонах градирни, в которые поступает меньшее количество воздуха и где вслед- ствие этого нагрев и увлажнение воздуха более значительны. Поэтому естественная тяга должна, вообще говоря, способст- вовать выравниванию распределения воздуха. Но влияние естественной тяги также не может быть существенным, так как тяга, возникающая в. оросительном устройстве, обычно не- велика сравнительно с тягой, создаваемой вытяжной башней или вентилятором, предназначенными для побуждения движе- ния воздуха в охладителе. Неравномерность распределения воздуха, связанная с на- личием вихревых областей и образованием высоких местных скоростей воздуха в оросительном устройстве, вызывает зна- чительное увеличение гидравлического сопротивления охлади- теля. Поэтому улучшение распределения воздуха влечет за собой, как правило, и понижение полного гидравлического сопротивления. Это иллюстрирует таблица 3-8, в которой по данным опытов на моделях показано, как сказываются на входном сопротивлении, сопротивлении оросительного устрой- ства и полном сопротивлении охладителя некоторые из меро- приятий, обеспечивающих более равномерное распределение воздуха. Сказанное не касается, конечно, таких мероприятий для улучшения распределения воздуха, которые сами по себе вызывают увеличение гидравлического сопротивления охла- дителя, например, применение водоулавливающих устройств, резко сужающих живое сечение для прохода воздуха, или др.
§ 3-61 Распределение воздуха 161 Таблица 3-8 Влияние формы верхней кромки входного окна и уступов в ниж- ней части оросительного устройства на сопротивление охладителя (градирни) j Двусторонний Односторонний Подвод воздуха Тип насадки Сопротивление входа й воздухо- 3 распреде- лителя § ороситель- g вого I S" устройства' g- дты) О О К 6 в Капельн 4 И о и 5 К к О m Q Н о «5 И Р И Рич i i £ ороситель-! & ' НОГО {£ I i устройства, g атник)| си о Q СЗ Плево । « * й £ О ад <J г и о fl М вд Ск Ч зный ty О •=; О к Острая кромка без ус- тупов (фиг. 3-22, а) Закругленная кромка без уступов . . . Острая кромка с ус- тупами (фиг. 3-22,6) Закругленная кромка с уступами .... 100 76 52 52 100 78 78 71 100 79 76 70 100 75 56 44 100 91 84 71 100 90 84 72 100 89 64 55 100 80 62 55 Примела и и е. Сопротивление указано в процентах. За 100% во всех столбцах принято сопротивление при отсутствии уступов и острой кромке. Наибольшее влияние на распределение воздуха в прстиво- тонном охладителе оказывают условия входа его, в частности гидравлическое . сопротивление воздухораспределителя, и им следует уделять основное внимание при решении задачи об улучшении распределения воздуха и понижении гидравличе- ского сопротивления охладителя. Л. Д. BepiiaEi.
ЧАСТЬ ВТОРАЯ ВОДООХЛАЖДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ ТИПЫ И КОНСТРУКЦИИ ОХЛАДИТЕЛЕЙ 4-1. КЛАССИФИКАЦИЯ ОХЛАДИТЕЛЕЙ Испарительное охлаждение жидкости используется чело- веком с очень давних времен. Но если говорить об охлажде- нии промышленной циркуляционной воды, то для этой цели испарительное охлаждение начало применяться во второй по- ловине прошлого столетия. Первыми примитивными типами охладителей циркуляцион- ной воды были хворостяные градирни и небольшие искус- ственные водоемы (пруды). Градирни были позаимствованы из практики добычи соли путем выпаривания воды из соляных озер. Для выпаривания издавна использовались кучи хворо- ста, орошавшиеся водой из озера. Позднее, с целью улучшить омывание поверхности воды воздухом, хворост стали уклады- вать на расположенные друг над другом «этажеркой» ре- шетки из прутьев или брусьев. Так как процесс выпаривания рассолов называют градированием, эти устройства получили наименование «градиры» или «градирни». Такие градирни и были впервые применены для охлаждения промышленной циркуляционной воды. Быстрое развитие промышленности выдвигало, однако, такие требования в отношении охладительного эффекта, про- изводительности и компактности охладителей, которые не могли быть удовлетворены указанными простейшими устрой- ствами. Это вызвало появление градирен с вытяжной башней, первая из которых представляла собой старую вышедшую из употребления дымовую трубу, в нижней части которой было помещено оросительное устройство из хвороста. Затем хворост был заменен в градирнях расположенными горизон- тально металлическими сетками, решетником из деревянных брусков или лотков и были созданы первые пленочные кон- струкции с оросительным устройством из вертикальных металлических сеток или уложенных рядами друг над другом металлических колец; для подачи воздуха в оросительное устройство были использованы вентиляторы. С целью улучше- ния охладительного эффекта прудов начали применяться соп-
§ 4-1 J Классификация охладителей 163 ла, разбрызгивающие поступающую воду. В течение сравни- тельно короткого промежутка времени, в 80-х и 90-х годах XIX в., появились почти все основные типы охладителей циркуляционной воды, применяющиеся и в настоящее время. За прошедшие с тех пор более чем 50 лет охладители под- вергались дальнейшему совершенствованию, и- количество раз- нообразных их конструкций сейчас очень велико. Большая работа по улучшению и созданию оригинальных конструкций охладителей была проделана в СССР рядом про- ектных и исследовательских организаций, разработавших водо- охлаждающие устройства, обладающие существенными пре- имуществами со строительной точки зрения и высокими эко- номическими показателями. Как было показано в первой части настоящей книги, усло- вия для теплообмена при испарительном охлаждении тем благоприятнее, че?л больше свободная поверхность воды и чем больше количество и скорость воздуха, омывающего эту поверхность. Способы, которыми достигаются увеличение поверхности охлаждаемой воды и интенсивное омывание ее воздухом, могут быть положены в основу классификации су- ществующих типов охладителей. Различные способы увеличения свободной поверхности во- ды — создание большого зеркала водоема, разбрызгивание соплами или в решетнике, образование водяной пленки —уже описывались выше, причем было показано, что эти способы различаются между собой не только величиной создаваемой поверхности охлаждения; разная форма этой поверхности и иные условия для обтекания ее воздухом также существенно отражаются на охладительном эффекте. Охладители, снабженные разбрызгивающими соплами, называют брыз га льны м и, а имеющие оросительное устройство (решетник, плоские щиты или др.) — в зависимо- сти от его типа капельными или пленочными. При сочетании сопел с решетником или последнего со щитами для образования водяной пленки охладители называют комби- нированными. По способу подвода атмосферного воздуха к поверхности воды охладители разделяются на следующие группы: о т к р ы- тые илн атмосферные охладители, в которых исполь- зуются только естественные токи воздуха — ветер и отчасти естественная конвекция; башенные охладители, в которых тяга воздуха создается искусственным путем при помощи высокой вытяжной башни; вентиляторные охладители, снабженные нагнетательными или отсасывающими вентилято- рами для создания побудительного движения воздуха, и охла- дители со смешанной тягой, в которых сочетается применение вытяжной башни и вентиляторов. 11*
104 Типы и конструкции охладителей [ гл. 4 В соответствии со сказанным все основные типы охлади- телей могут быть распределены следующим образом: I. Открытые охладители 1. Охлаждающие пруды. 2. Брызгальные бассейны. 3. Открытые брызгальные градирни. 4. Открытые капельные градирни. 5. Открытые комбинированные градирни (с соплами и решетником). II. Башенные охладители 1. Башенные брызгальные градирни. 2. Башенные капельные градирни. 3. Башенные пленочные градирни. 4. Башенные комбинированные (капельно-пленочные) гра- дирни. III. Вентиляторные охладители 1. Вентиляторные брызгальные градирни. 2. Вентиляторные капельные градирни. 3. Вентиляторные пленочные градирни. 4. Вентиляторные комбинированные градирни. IV. Смешанные охладители Капельные градирни со смешанной тягой. Различные способы создания развитой поверхности воды и подачи свежего воздуха применяются, как видно из при- веденного перечня, в разнообразных сочетаниях. Но некото- рые из возможных сочетаний, например открытый охладитель с оросительным устройством пленочного типа, оказываются практически нецелесообразными и поэтому не применяются. К отмеченным главным признакам охладителей могут до- бавлятся и некоторые другие, из которых укажем на направ- ление движения воздуха по отношению к основному направле- нию движения воды. В охлаждающих прудах оно меняется в зависимости от направления ветра, тогда как в других открытых охладителях, как правило, имеет место поперечный ток воздуха. Башенные и вентиляторные градирни разделя- ются по этому признаку на противоточные, поперечноточные и поперечно-противоточные. 4-2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ОХЛАДИТЕЛЕЙ (ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ) Прежде чем перейти к описанию конструкций охладителей, рассмотрим основные показатели, которыми характеризу-
§ 4-2] Характеристики охладителей ю ге я их производительность и обеспечиваемый ими охлади- тельный эффект. Основным показателем тепловой работы водоохлаждаю- щего устройства является температура охлажденной воды, поступающей 'к потребителю. Но эта температура зависит от большого числа факторов, и для правильной оценки работы охладителя необходимо достаточно полно определить условия, к которым относится указываемая температура воды, а имен- но нагрузку охладителя и метеорологические условия. Различают гидравлическую нагрузку !охладителя, представляющую собой количество Ож охлаждаемой воды, и тепловую нагрузку, т. е. количество отдаваемого этой во- дой тепла (ккал/час): Q = [<Ъ h - - G„ )/2] • 103 ож (tl - у • 103=. д I. юз, (4-1) где Ом,— количество охлаждаемой воды, mJ час; Ga — количество испарившейся воды, mJ час; tx— температура поступающей воды, °C; —температура охлажденной воды, °C; —и — перепад температур воды, °C. Гидравлическую нагрузку охладителя, а также количество испарившейся воды, чаще принято выражать в .и3/ч«с. Это не вносит изменений в формулу (4-1), поскольку удельный вес воды, мало отличающийся от 1 г/ж3, может быть в ней опущен так же, как опущено и значение теплоемкости воды. Расчетную гидравлическую нафузку охладителя иногда называют его «номинальной производительностью» (по1 воде). Часто оказывается более удобным рассматривать удель- ные значения указанных величин, отнесенные к единице пло- щади Го> занимаемой охладителем. Если вокруг охладителя имеется защитная зона, жалюзийное ограждение илй воздуш- ный коридор, занимаемая ими площадь, как правило, не при- нимается во внимание и под Го понимают «активную» пло- щадь охладителя. Удельную гидравлическую нагрузку 0 q-zzz.-p-м31м2 час, или м)час (4-2) называют плотностью орошения или плотностью дождя, иногда также высотой орошения или высотой дождя. Для охлаждающих .прудов чаще применяют обратную величину, т. е. величину площади активной зоны, приходя- щуюся на единицу количества охлаждаемой воды, называе- мую удельной площадью активной зоны. Послед- нюю относят обычно к суточному количеству охлаждае-
166 Типы и конструкции охладителей [гл. 4 мой воды. .Обозначая удельную площадь активной зоны через }уд и понимая под Сж средний часовой расход воды, имеем: fyd (4“3) где Го есть в данном случае полная площадь активной зоны. Удельная тепловая нагрузка охладителя составляет: — /скал/м2 час. (4-4) Перепад температур воды Д/ называют также шириной зоны охлаждения или просто зоной охлаждения. Когда в замкнутой (оборотной) системе установлен один охладитель, зона охлаждения М зависит только от количе- ства тепла, передаваемого воде в рабочем аппарате (конден- саторе, цилиндре двигателя или др.), и количества циркули- рующей в системе воды. Она определяется при установив- шемся состоянии системы зависимостью (4-5) и характеризует лишь условия, но не качество работы охладителя. При известном GyK или q зона охлаждения Д/ характери- зует тепловую нагрузку охладителя и может задаваться вместо величины Q или q-^t. Чтобы пояснить последнее, рассмотрим работу охладите- ля в начальный период после пуска системы. В момент пу- ска рабочего аппарата в пего поступает холодная вода с температурой 4 и выходит из него с температурой == = /'4-Д/. Пусть при температуре поступающей в него воды , 4 охладитель не может обеспечить перепада температур Д7, т. е. отвода всего воспринятого в рабочем аппарате тепла Q — бы.• А/• Ю:\ Тогда из охладителя вода выйдет уже с температурой более высокой, чем 4 , и, пройдя через рабо- чий аппарат, вновь поступит в охладитель с температурой также более высокой, чем t[. Повышение температуры посту- пившей в охладитель воды приведет к увеличению количе- ства отдаваемого в нем водой тепла. До тех пор, пока пос- леднее не уравняется с количеством тепла, воспринимаемым водой в рабочем аппарате, нарастание ее температур будет продолжаться и прекратится лишь после того, как перепад температур воды в охладителе достигнет значения Д/, опре-
§4-2 J Характеристики охладителей 167 деляющегося равенством (4-5). Чем лучше работает охлади- тель, тем ниже будут температуры воды ix и Л, при которых установится это равновесие. Совершенство работы охладителя как теплообменного ап- парата можно характеризовать отвечающей заданным усло- виям величиной высоты зоны охлаждения, под кото- рой понимают разность /2— s где т — теоретический пре- дел охлаждения, определяющийся состоянием наружного воз- духа. Высота зоны охлаждения показывает степень прибли- жения температуры охлажденной воды к теоретическому пределу охлаждения. Когда охладителей несколько и они включены параллель- но, равенство (4-5) определяет лишь среднее значение Д/ для всей группы охладителей, в отдельных же из них могут иметь место различные перепады температур воды,« поскольку в более совершенных охладителях при том же tx температура охлажденной воды будет ближе к пределу охлаждения \ чем в хуже .работающих охладителях. Поэтому распределе- ние тепловой нагрузки между охладителями будет опреде- ляться не только распределением между ними всего коли- чества воды, но также и соответствующими значениями зависящими от качества работы отдельных охладителей. Для оценки качества работы охладителя иногда пользу- ются величиной коэффициента совершенства или эффективности -у], представляющего собой отношение действительной ширины зоны охлаждения к ее значению при охлаждении воды от той же начальной температуры до те- оретического предела, т. е. Был также предложен ряд аналогичных коэффициентов, отличающихся от приведенного заменой температур воды со- ответствующими теплосодержаниями воздуха или определяю- щихся еще более сложно, но они не получили практического применения^ Коэффициент и другие предлагавшиеся коэф- фициенты зависят помимо конструкции охладителя от всех факторов, определяющих режим его работы, меняясь в до- вольно широких пределах, и не имеют существенных пре- имуществ в отношении полноты оценки охладительного эф- фекта перед более наглядной и отчетливой по физическому смыслу величиной высоты зоны охлаждения — т. Температура охлажденной воды или высота зоны охлаж- дения .при данных метеорологических условиях могут быть для одного и того же охладителя различными в зависимости ют удельной тепловой и гидравлической нагрузки, т. е. от
168 Типы и конструкции охладителей [ гЛ.. 4' перепада температур воды &Z и плотности орошения q. По- этому для правильного сопоставления между собой значений. t2 или 4— г, относящихся к однотипным охладителям, срав- нение должно вестись для одинаковых Л/, q и -с, а если охладители открытые, то и для одинаковых скоростей ветра-ж Если же сравниваются разнотипные охладители, то должны быть одинаковыми Д/, и w, но плотности орошения могут быть различными и выбираться для каждого из типов охла- дителей, либо исходя из принятой практики, либо как эконо- Фиг. 4-1. Кривая охлажде- ния. е. мически наивыгоднейшие, либо по какому-либо иному признаку. Широкое распространение полу- чило графическое изображение за- висимости между величинами, ха- рактеризующими тепловую работу охладителя. Наиболее часто при- меняются так называемые кри- вые охлаждения, показываю- щие зависимость температуры ох- лажденной воды 4 от температуры влажного термометра или предела- охлаждения (фиг. 4-1). Как правило, температура 4 при прочих неиз- - менных условиях тем ближе к пределу охлаждения чем выше значение последнего, т. е. летом 4—т меньше, чем зимой. Каждая кривая охлаждения относится к определенной тепловой и гидравлической нагрузке охладителя (AZ и q\ а для охладителей открытого типа или вентиляторных также к определенной скорости ветра или скорости воздуха в оро- сителе. Выяснение зависимости температуры охлажденной воды от возможных колебаний всех этих параметров потре- бовало бы наличия для данного охладителя большого числа кривых охлаждения, пользование которыми было бы неудоб- ным. Поэтому кривые охлаждения дополняются иногда кри- выми поправок на изменение того или иного параметра или же применяются более сложные графики типа цомограмм. Использование в качестве единственной величины, харак- теризующей состояние наружного воздуха, температуры влажного термометра не является вполне строгим. Когда интенсивность испарительного охлаждения зависит от есте- ственной конвекции или тяги, создаваемой вытяжной башней,, охладительный эффект при том же значении несколько ухудшается с увеличением психрометрической разности О — = &—так как при этом становится меньшим изменение удельного веса воздуха при одинаковом изменении его тепло- содержания. Влияние психрометрической разности отража-
§ 4-3 Охлаждающие пруды 169 ется особенно заметно на работе башенных градирен \ Сильно пониженное барометрическое давление в высокогорных мест- ностях также несколько снижает охладительный эффект. Некоторые данные об охладительном эффекте будут при- ведены при описании различных типов охладителей, а более подробные данные — в главе об их тепловом расчете. Полная оценка охладителей не может, конечно, основы- ваться только на показателях их тепловой работы, а требует более широкого технико-экономического сравнения их между собой. 4-3. ОХЛАЖДАЮЩИЕ ПРУДЫ В качестве охлаждающих прудов используются как есте- ственные, так и искусственные водоемы. Bi первом случае во- да охлаждается в естественном пруде или озере, а иногда и в системе озер, соединенных, между собой. Во втором случае для охлаждения служит специально сооруженный искус- ственный бассейн или пруд, образованный путем перегар-ажи- вания плотиной'русла реки, дебит которой недостаточен для осуществления прямоточного водоснабжения. Когда для отвода большого количества тепла используется несколько близлежащих естественных озер или в дополнение к существующему озеру строится одно, или несколько искус- ственных, отдельные озера соединяются между собой при помощи каналов и водосливов таким образом, чтобы вода проходила через них последовательно (фиг. 4-2). Это обеспе- чивает обычно лучшее использование поверхности воды. Искусственные бассейны применяются для отвода сравнительно небольших количеств тепла, примерно до 200 000 ккал}час, что требует зеркала воды площадью до 800—1 000 м1 2. Такие бассейны должны иметь одежду для обеспечения устойчивости и водонепроницаемости стенок и дна. Они выполняются в виде круглых или прямоугольных открытых железобетонных резервуаров, расположенных в выемке э. Сейчас искусственные бассейны редко применяются для охлаждения воды вследствие их высокой стоимости и больших размеров площади, необходимой для нх размещения. Шире распространены крупные искусственные пруды-водо- хранилища на реках, совмещающие большей частью функции 1 Экспериментальному исследований) влияния психрометрической разности на работу башенных градирен у нас были посвящены работы А. Н. А р е ф ь е в а („Известия ВТИ", 1933, №7, стр. 32), за границей—ра- боты Ланга (WSrme, Bd 55, 1932, № 1 и 2; „Энергетическое обозрение^ вып, теплотехнический, 1933, № 2, стр. 37). Вопрос о влиянии психроме- трической разности на работу других охладителей еще мало изучен. 3 См, П. А. Остряков, Водоохлаждающие устройства мощных радиостанций, Связьтехиздат, 1937,
170 Типы и конструкции охладителей [ гл. 4 охладителя и регулятора стока реки. Пруд должен обеспечить в этом случае запас воды, необходимый для нормальной ра- боты системы водоснабжения, но в то же время срабатывание запаса воды не должно приводить к недопустим ому уменьше- нию поверхности охлаждения в маловодный период. Это тре- бует выбора отметок пруда на основе детальных водохозяй- ственных расчетов. Если естественный приток оказывается в некоторые периоды недостаточным для восполнения убыли воды в пруду, а возможность срабатывания имеющегося за- Фиг. 4-2. План электростанции с системой охлаждающих прудов (озер). паса воды ограничена условиями охлаждения, иногда соору- жают еще выше охлаждающего пруда дополнительное водо- хранилище специально для регулирования стока реки. Более редко применяется для пополнения пруда подкачка в него воды из другой расположенной поблизости реки. Среднюю глубину пруда выбирают, по возможности, не менее 1,5—2 л# и не более 3 м. При слишком малой глубине пруд сильнее подвержен зарастанию и емкость его недо- статочна для желательного обычно выравнивания суточ- ных колебаний температур воды, а при большой глубине удо- рожаются гидротехнические сооружения и уменьшается активная поверхность из-за сужения транзитной струи. Имеющиеся наблюдения показывают, что циркуляционный поток не распространяется обычно глубже 3 .к, вследствие
§ 4-3 ] Охлаждающие пруды 171 чего нецелесообразно без особой необходимости превосходить эту глубину. Вследствие указанного ограничения глубины воды для образования искусственных прудов-водохранилищ на реках применяются относительно невысокие плотины (иногда до 14—15 я). Длина плотины зависит от местных условий и до- стигает 1—2 км, Плотина должна иметь водоспуск, обеспечи- вающий пропуск максимальных расходов воды в реке. Форма пруда-водохранилища в плане и изменение объема зд поверхности воды в нем при колебаниях ее горизонта зави- Фиг. 4-3, Искусственные пруды-водохранилища, 1— плотина; 2 —забор охлажденной воды; .? -еброс теплой воды; 4—перепускной канал (зимний сброс); о—сброс воды из пруда; б—транзитный поток (заштрихован). 'сят от рельефа местности. Последним определяется в значи- тельной мере и выбираемая схема циркуляции воды. Более высокий коэффициент использования поверхности .воды достигается при вытянутой, постепенно расширяющейся в направлении течения форме пруда и сбросе теплой воды в верхнюю, узкую его часть (фиг. 4-3,а). Если сток реки, пи- тающей пруд, значителен и избыток воды сбрасывается через плотину в нижний бьеф, осуществление циркуляции по такой схеме обеспечивает более низкую температуру воды также и за счет частичного использования прямоточного охлаждения. Условия для охлаждения воды более благоприятны, когда узкий и длинный пруд оказывается расположенным таким -образом, что господствующий летом ветер направлен нор- мально к направлению течения воды, благодаря чему путь воздуха над водой невелик. Расположение пруда полностью определяется, однако, местными условиями и не может быть произвольно выбрано при проектировании, как это можно, например, делать для искусственных бассейнов.
172 Типы и конструкции охладителей [ гл. 4 Стрдераспределительная стенка S устье канала Деревянная струераспредеяителъная стенка Фцг. 4-4. Струераспределительные сооружения. Местные условия часто вынуждают также осуществлять сброс теплой воды в нижнюю часть пруда, а водозабор осу- ществлять из верхней его части (фиг. 4-3,6). Обеспечение эффективного использования зеркала пруда для целей охлаждения воды является одной из основных за- дач при его проектировании. Исследования, проведенные в свое время сектором прудового хозяйства Северо-западного (ныне Ленинградского) отделения Теплоэлектропрсекта (инж. А. А. Петров, Н. М. Вернадский и др>), позволили разработать ряд мероприятий, улучшающих работу охлаждающих прудов1. 1 Помимо цитированной выше работы Вернадского и Проскурякова эти исследования описаны в „Сборниках по вопросам прудового хозяй- ства электростанций“ под ред. С. В. Григорьева и А, А. Петрова, издан- ных в 1933 н 1935 гг.
£ 4-3 ] Охлаждающие пруды 173 При неблагоприятной форме пруда увеличение его актив- ной поверхности достигается в основном двумя способами: -а) увеличением общей площади пруда, расположенной между водосбросом и водозабором, и б) улучшением использования зеркала пруда за счет увеличения длины и ширины транзит- ной струи. Тд-эке при наличии сменяй Для увеличения об- щей площади зеркала пруда точки сброса и забора воды распола- гаются на возможно большем расстоянии друг от друга, а в слу- чае необходимости при- нимается более высо- кая отметка воды в пруду. Кроме того, для улучшения использова- ния зеркала пруда при- меняются так называе- мые «струер аспредели- тельные» и «струена- правляющие» сооруже- ния. Струераспреде- ,л и т е л ь н ы е соору- жения служат для уве- личения ширины транзитной струи. Они представляют собой во- досливы или стенки со щелью, расположенной ниже горизонта воды (фиг. 4-4). Более про- стым и дешевым реше- нием является установ- ка струер аспредели- тельной стенки непосредственно в конце расширяющейся части открытого сбросного канала (фиг. 4-5,а). Струераспредели- тельные стенки-переборки, пересекающие пруд от одного бе- рега к другому (фиг. 4-5,6), требуют принятия мер для про- пуска паводка, предотвращения ледовых затруднений и вы- полнения ряда других требований водного хозяйства, что вле- чет за собой усложнение и удорожание их конструкции. Если возможны большие и быстро нарастающие паводоч- ные расходы воды, устройство стенок, расположенных поперек пруда, не рекомендуется, так как при обычных конструкциях Фиг, 4-5. Схемы расположения струсрас- пределительных стенок в пруду. 1—сбросной канал теплой воды; 2—струераспреде- лате ль на я стенка.
174 Типы и конструкции охладителей [гл. 4 они не могут быть быстро разобраны для своевременного предохранения их от разрушения в периоды паводков* Ширина щели в струераспределительной стенке опреде- ляется из условия, чтобы разность горизонтов верхнего и ниж- него бьефов не превосходила 5—10 см. Увеличение ширины транзитной струи достигается иногда и другими способами, например путем устройства над поверх- ностью воды в пруду деревянного лотка, являющегося про- должением сбросного канала и пересекающего пруд от одного берега до другого. Выпуск поступающей'воды из лотка в пруд производится через расположенные на равных расстояниях по> его длине отверстия в обоих бортах, что обеспечивает’ как га- шение энергии потока, так и равномерное распределение воды по всей ширине пруда. Во избежание сужения потока при подходе к плотине с узким проемом для воды, сбрасываемой в нижний бьеф, устраивают или несколько проемов по длине плотины, и/ш в теле последней укладывают равномерно распределенные по ее длине трубы. Струенаправляющие сооружения предназначены для увеличения длины транзитной струи. Они выполняются в зависимости от местных условий в виде дамб или стенок, расположенных между водосбросом и водозабором таким об- разом, что удлиняется путь воды в пруду, благодаря чему увеличивается и активная площадь зеркала пруда (фиг. 4-6). Дамбы могут строиться из земляных или песчаных грунтов- (иногда шлаков) или каменной наброски. Дамбы из камен- ной наброски обычно дороги и применяются редко, преиму- щественно в случаях уже наполненных прудов, когда земляные дамбы не могут быть осуществлены, или при наличии доста- точного количества местного дешевого камня. Ширина дамбы по гребню выбирается, исходя из условия производства работ и эксплоатации, в пределах 2—4 м, от- косы принимаются в зависимости от угла естественного откоса тела дамбы под водой от 1 : 2 до 1:3 (для камня 1 : 1). В пре- делах колебаний горизонтов воды в пруду откосы земляной дамбы крепятся каменной отмосткой (фиг. 4-7). Принимаемое превышение гребня дамбы над максимальным горизонтом во- ды зависит от наибольшей протяженности пруда (в направле- нии, перпендикулярном оси дамбы), определяющей возможную высоту волны (фиг. 4-8)* Так как струенаправляющие дамбы являются безнапорными, они не требуют обычно подготовки основания под них. Деревянные струенаправляющие стенки выполняются в ви- де однорядного шпунта при глубине пруда до 1—1,5 м или в виде двух рядов шпунта с засыпкой между ними грунта, шлака, торфа или другого материала при глубине пруда до

176 Типы и конструкции охладителей [гл. 4 3—3,5 ж (фиг. 4-7). На глубоких участках или при скалистом дне, не допускающем забивки свай, применяются деревянные струенаправляющие стенки, установленные па затопленном гребне дамб, подобно тому, как это показано для стр уер аг- оре делительной стенки на фиг, 4-4 снизу. Земляная дамба Фиг, 4-7. Струснаправляющие сооружения. Правильный выбор расположения струенаправляющих со- оружений является довольно сложной задачей, тем более, что в каждом отдельном случае ее приходится решать для новых условий. При ошибочном же размещении дамб или стенок они могут оказаться в лучшем случае неэффективными, а в худ- шем—даже уменьшить активную поверхность пруда. Учитьь вая довольно высокую стоимость этих сооружений, а в особен- ности сложность н дороговизну всяких переделок при уже заполненном пруде, ооычно рекомендуется производить пред- варительную проверку намечаемого их расположения путем построения плана течений или опытов на модели. Из сказан- ного ранее в § 3-1 следует, что второй путь является значи- тельно более надежным, и .моделирование надо считать необ- ходимым при проектировании большей части крупных прудов.
§ 4-3] Охлаждающие пруды Фиг. 4-8. Превышение гребня над максимальным горизонтом пруду (Д/z) в зависимости от дамоы воды в длины Наряду с удовлетворением основного требования — созда- ния достаточной активной поверхности воды — пруд должен удовлетворять и ряду других требований, связанных с обеспе- чением длительной надежной и бесперебойной работы систе- мы циркуляционного водоснабжения. Прежде всего уже при проектировании и сооружении пру- да должны быть предусмотрены меры по борьбе с его заиле- нием и зарастанием. Эти меры заключаются в создании пре- пятствий для попадания в планктонной и высшей водной .. растительности. Основными мероприятия- ми этого рода являются: а) тщательная подго- товка будущей чаши пру- да путем очистки ее от ра- стительности, предметов и строений, гниение которых может создавать благо- приятную питательную среду для фитопланктона и болотно-водной расти- тельности; б) укрепление путем мощения, одерновки или засадки быстро растущим кустарником берегов, мо- гущих в дальнейшем под- вергаться размыву; в) устройство в случае необходимости отстойников, препят- ствующих попаданию в пруд водной растительности, торфа и других наносов из впадающих в него рек или ручьев; соору- жение фильтрующих дамб в устьях оврагов или других спе- циальных сооружений, препятствующих выносу в пруд взве- шенных частиц; осветление воды, сбрасываемой из системы гидрозолоудаления, а также очистка от золы дымовых газов, если возможно значительное отложение летучей золы в пруду; г) обеспечение, глубины береговой полосы пруда не менее 1 м путем углубления дна, засыпки или обвалования мелко- водий; д) устройство донного водоспуска г для сброса из пруда нижних слоев воды, имеющих повышенное содержание орга- нических примесей, являющихся питательными веществами для растительности; 1 Устройство донного водоспуска требует большой надежности за- твора, так как при неисправности последнего возможно аварийное опорожнение, пруда. По этой причине часто отказываются от устройства донных водоспусков. 12 Л. Д, Вер ма.ц*
178 Типы и конструкции охладителей [гл. 4 е) создание полосы отчуждения вдоль берегов, по которой должно быть запрещено вспахивание земли; запрещение сбро- са в пруд фекально-хозяйственных и других сточных вод, со- держащих органические примеси, и т. п. Нужно предусматривать, по возможности, такое располо- жение поверхностного водосброса плотины, которое позволяло бы сбрасывать в нижний бьеф воду с массой сильно концерн трированного в результате нагонного действия ветра планкто- на и плавающего мусора. Расположение водозаборного сооружения ' выбирается с учетом распределения температур воды по глубине пруда. В летнее время верхние слои воды могут иметь более высокую температуру благодаря действию солнечной радиации. Но при умеренных глубинах, в пределах примерно до 3 м, разница в температурах по глубине обычно невелика, так как ветер пе- ремешивает воду в пруду. При более значительных глубинах, встречающихся, главным образом, в случаях использования естественных озер, вода в нижних, придонных слоях может быть заметно холоднее. Если это связано с наличием доста- точно мощных донных источников (ключей), питающих озеро, то может быть целесообразным осуществление водозабора на большей глубине. Забор воды из глубинных слоев, где количество планктона менее значительно, позволяет также уменьшить трудности, вызываемые цветением пруда. Нужно, однако, учитывать вы- сокую стоимость глубинных водозаборов и возможность повы- шенного солесбдержания в нижних придонных слоях воды. Водоприемник следует располагать в месте, не подвержен- ном скоплению нагонного планктона (водорослей) и мусора. Он снабжается обычно очистными сетками с размером ячеек от 4 X 4 мм до 10 X Ю мм в зависимости от степени загряз- ненности воды. При наличии в пруду слабоукрепляющихся видов водорослей рекомендуется применение вращающихся сеток. Для предохранения сеток от забивания их в зимнее время донным льдом или шугой к водоприемнику подводится по перепускному каналу часть теплой циркуляционной воды. Сооружение перепускного отводящего канала, позволяю- щего сбрасывать часть или всю нагретую воду в пруд по уко- роченному пути, может быть необходимым для обеспечения бесперебойной работы системы водоснабжения не только в зимнее вр~емя, но и в периоды паводков, когда повышение уровня воды в пруду приводит к созданию подпора в главном отводящем канале. Иногда предусматривается также возмож- ность при максимальных уровнях воды в пруду сбрасывать нагретую воду в нижний бьеф. Устройство нового пруда на реке требует заблаговременно- го проведения довольно большого комплекса изысканий и
§4-3] Охлаждающие пруды 179 исследований, а также своевременной подготовки чаши буду- щего пруда’. Все эти работы, включая и сооружение плоти- ны, должны быть завершены задолго до вступления вэксплоа- тацию промышленного предприятия, поскольку заполнение пруда может потребовать нескольких лет. Фиг. 4-9. Диапазоны среднемесячных температур охлаждающей воды. I—прямоточное (речное) водоснабжение; II—-охлаждающие пруды; III—башенные градир, ни и брызгальные бассейны. Среднемесячные температуры охлажденной воды для пру- дов, обслуживающих тепловые электрические станции (Д/ =8—10°), показаны по данным Л, О. ТЭП на фиг. 4-9. Для сравнения там же приведены температуры речной воды и охлажденной воды при градирнях и брызгальных басссейнах. Как видно из графика, пруды при достаточно большой удель- ной площади активной зоны обеспечивают, особенно зимой, более низкие температуры воды, чем другие типы охлади- телей. Максимальные температуры воды могут превышать сред- немесячные на 5—8° С. Колебания температуры воды (8^) в 1 См. ,И. А. Лифанов, Организация чаши водохранилища, Госэнер- гоиздат, 1946. 12*
180 Типы и конструкции охладителей [ гл. 4 течение суток в зависимости от глубины охлаждающего пру- да (Ji) составляют для летнего времени, до данным А* А. Пет- рова \- h м 0,5 1 2 3 3Z °C 4,5 2,5 1,5 1,0 На фиг. 1 м2, полной туры воздуха при скорости ветра 4-10 показано количество тепла, отдаваемого с поверхности пруда, в зависимости от темпера- 2,7 м/сек (на высоте 1,5 м) и разных значениях сред- ней температуры воды Фиг, 4-10. Количество тепла, отдаваемого с единицы поверхности охлаждающего пруда при различных температурах воды и воздуха (скорость ветра 2,7 м/сек) t ср^ Эти данные, полученные в результате наблюдений на. ряде дей- ствующих прудов 2, недо- статочно полны, в частно- сти состояние воздуха характеризуется в них только температурой по сухому термометру, и их нельзя распространять на любые условия, но они дают в общем правильное представление об исполь- зовании поверхности пру- дов, В СССР имеется до- вольно большое число действующих прудов; пло- щадь зеркала наиболее крупных из них достигает 1,2—1,5 млн. л/2. Стои- мость устройства прудов сильно зависит от местных условий н дать для них какие-либо общие технико-эконо'мические по- казатели нс представляется возможным. Обычно оборотная система водоснабжения с искусственным охлаждающим пру- дом требует больших капитальных затрат, чем система с брыз- гальным бассейном или градирнями. При расположении сооружений или дорог вблизи пруда необходимо считаться с возможностью интенсивного тумано- образования в зимнее время. Туман может распространяться примерно на 200 м от пруда в направлении ветра. 1 В. Н. Покровский, , Электрическис станции", 1944, №3, стр, 13. 3 Power, 1936, № 3, р. 142.
§ 4-4 j Брызгальные бассейны 181 4-4. БРЫЗГАЛЬНЫЕ БАССЕЙНЫ Брызгальные бассейны, как и охлаждающие пруды, пред- ставляют собой естественные или искусственные открытые водоемы, но вода подается в них не непосредственно, а через систему разбрызгивающих сопел, расположенных над поверх- ностью воды в бассейне (фиг. 4-11). Охлаждение воды в са- мом бассейне, играет при этом уже незначительную роль сравнительно с охлаждением капель, образующихся при раз- Фиг. 4-11. Брызгальный бассейн. J -подвод теплой воды; 2—распределительные трубопроводы; 3—пучки сопел; 4- опорные столбики; о— водосборн бЗСССЙ!!,' ^-^6>ТВОД ОЛЛЯЖДСНИЛЙ ВОДЫ ЛЯ брызгиваиии воды соплами. Подвод свежего воздуха к поверх- ности воды происходит благодаря ветру и естественной кон- векции, а отчасти и вследствие эжектирующего действия водя- ных струй. Разбрызгивающие сопла устанавливаются иногда над зер- калом иску сственп ого охл ажд а гот. него пруда - в одо хр анил ища (со стороны водозабора) для дополнительного охлаждения воды в летнее время или над естественным озером, если по- верхность последнего не обеспечивает достаточного охлажде- ния воды.. Однако, большей частью брызгальный бассейн представляет собой самостоятельное сооружение, состоящее
182 Типы и конструкции охладителей [гл. 4 из сети распределительных трубопроводов с разбрызгиваю- j щими соплами и искусственного бассейна, играющего здесь роль водосборного резервуара. ! / Малые брызгальные бассейны выполняются в плане круг- р лыми или прямоугольными. Такие бассейны производитель- ? г ностью до 500 м^час с числом сопел примерно до 50 шт. рас- \ | полагаются иногда (например, в холодильных установках) ; выше уровня земли на специальном деревянном шатре, устро- k ' сыном над оросительным конденсатором, или на крыше произ- Расширенные бездушные коридоры 1 секция И секция Фиг. 4-12. План двухсекционного брызгального бассейна. Бедственного здания. Для уменьшения уноса воды ветром они' окружаются при этом жалюзийным ограждением высотой 3—3,5 ля, выполненным из досок шириной 15 ши, расположен- ных горизонтально по длине и наклоненных широкой гранью в сторону бассейна под углом 45° к горизонтали. Когда, бас- сейн расположен на уровне земли или в выемке, что встре- чается значительно чаще, жалюзи не применяются, так как они понижают охладительный эффект брызгального бассейна. При средних или больших размерах брызгального бассейна ему придается в плане форма вытянутого прямоугольника (фиг. 4-12). Длинная ось такого бассейна располагается, по возможности, нормально к направлению господствующего летом ветра. При устойчивом по направлению ветре и пра-
$ 4-4] Брызгальные бассейны 183 сильно ориентированном относительно направления ветра •брызгальном бассейне длина последнего может быть очень большой и достигает на практике нескольких cdr метров. Но активная (т. с. не считая защитных зон) ширина бассейна в направлении господствующего ветра должна составлять не более 40—50 я, так как в противном случае41 доступ свежего Фиг. 4-13. Поперечный разрез брызгального бассейна, —бетонные плиты; 2- крупный песок; 2а -щебень или галька; 3—мятая г липа; 4—желез* мне опоры под распределительные трубы: S—роликовые опоры; б—распределительные трубы; 7--соплодержа1ели; <У—разбрызгивающие сопла- 7 секций И секций Фиг. 4-14. Схема распределительных трубопроводов с секционными цен- тральными коллекторами. воздуха к расположенным с подветренной стороны водяным факелам сильно затрудняется и охладительный эффект оказы- вается здесь недостаточно высоким. Сопла устанавливаются выходными отверстиями кверху1 на высоте 1,5—2 я, а при расположении .малого бассейна на 1 Нам известна из литературы лишь одна установка (электростанция Логэн в США), где сопла, расположенные над руслом реки на высоте около 7,5 м от уровня воды, обращены выходными отверстиями книзу, В обычных условиях такое расположение сопел едва ли целесообразно, так как значительный h »дъем сопел связан или с необходимостью уве- личения напора, создаваемого циркуляционными насосами, или же с ухудшением распиливания воды из-за уменьшения рабочего напора перед соплами.

§ 4-4] Брызгальные бассейны 185 крыше — на высоте 0,6 м от нормального горизонта водр! в бассейне (фиг. 4-13). Сопла непосредственно или сошюдержа- тели присоединяются к распределительным трубопроводам, проложенным через определенные интервалы параллельно, друг другу. В больших установках распределительные трубо- проводы присоединяются к общему коллектору, расположен- ному вдоль одной из длинных сторон бассейна, а иногда по- средине бассейна вдоль его длинной оси (фиг. 4-14). По длине каждого трубопровода сопла распределяются равномерно по^ Фиг. 4-16. Тангенциальные сопла. а - эвольиенгнее; б -Спреко. Лакатос [поднимающееся) дно одному или пучками по 3—6 шт. в зависимости от производи- тельности единичного сопла. Для облегчения доступа воздуха к поверхности воды при направлениях ветра, отклоняющихся от направления нормаль- ного к длинной оси бассейна, между отдельными группами распределительных трубопроводов оставляются более широ- кие проходы для воздуха — расширенные воздушные кори-, доры (фиг. 4-12). С о п л а применяются в брызгальных бассейнах преимуще- ственно центробежные (винтовые и тангенциальные), иногда щелевые и ударные. Конструкции сопел различных типов по- казаны на фиг. 4-15—4-19, производительность сопел в зави- симости от рабочего напора воды — на фиг. 4-20. Конструк- тивные различия сопел одного типа часто обуславливаются.
186 Типы и конструкции охладителей [гл. 4 лишь патентными соображениями и не являются существен- ными. Это относится, например, к конструкциям тангенциаль- ных сопел, показанным на фиг. 4-16 и 4-17. Несмотря на различное их внешнее оформление, эти сбила при соответ- ствующем подборе основных геометрических размеров (гео- Разрез по СВ Фиг. 4-17. Тангенциальное сопло Марли. метрической характеристики) можно считать .практически равноценными. Существенным преимуществом сопел тангенциального типа* является меньшая подверженность их засорению. При при- нятых в настоящее время размерах они имеют сравнительно с винтовыми соплами более низкий коэффициент расхода, вследствие чего при тех же диаметрах выходных отверстий и одинаковых напорах их производительность ниже, чем винто- вых сопел. Но при невполне чистой воде коэффициент расхода
§ 4-4] Брызгальные бассейны 187 винтовых сопел в условиях эксплоатзции значительно сни- жается из-за загрязнений и их производительность падает. Центробежные сопла требуют тщательного изготовления отливок и хорошей обработки. Они делаются обычно из брон- зы, а в последние годы изготовляются У нас также из чугу- SokoBuQ Sud Развертка tinodiacnio Фиг. 4-18. Щелевое сопло Петр08'1 (П-16). па и стали. Чугунные сопла долговечнее стальных,jio нс допус- кают хорошей обработки внутренних поверхностей. В СССР довольно широкое распростРанение получило очень простое в изготовлении щелевое сопло типа .П-16, пред- ложенное инж. А. А. Петровым. Оно изготовляется из тазовой трубы диаметром 50 мм (фиг. 4-18). В верхней части отрезка трубы делаются клинообразные вырезь?» и оставшиеся зубиы
188 Типы и конструкции охладителей I гл. 4 загибаются к оси трубы. При этом вверху сопла образуется усеченный конус со щелями по его поверхности и небольшим круглым отверстием в верхней части. Сопла П-16 обладают высокой производительностью, что позволяет заметно умень- шить количество подлежащих установке сопел. Это обстоя- тельство наряду с простотой конструкции делает их особенно удобными при необходимости изготовления сопел па месте из маличных материалов. Щелевые сопла более подвержены за- сорению сравнительно с соплами других типов. В летнее время щели могут прочищаться при действующем сопле, в холодное время чистка сопел требует прекращения подачи воды. Срок службы железных сопел П-16 менее продолжителен, чем брон- зовых и чугунных сопел. Из- за коррозии и износа сопла. П-16 требуют замены их че- рез каждые 1—2 года. Ударные сопла (фиг. 4-19) не-получили у нас ши-, рокого распространения, хо- тя вследствие простоты кон- струкции таких сопел изуче- ние их работы заслуживает внимания. Предлагались конструк- ции сопел с «дефлекторами» или «рассекателями», распо- Фиг. 4-19. Ударное сопло. лагавшимися снаружи, напротив выходного отверстия корпу- са, с целью раздробления истекающей струи, но они не оп- равдали себя, так как даже незначительное нарушение цент- ровки рассекателя относительно оси выходного отверстия рез- , ко ухудшало работу сопла. Сопла крепятся на резьбе. Каждое сопло навинчивается на прямую или изогнутую трубку-соплодержатель, которая в ' свою очередь укрепляется на резьбе в литой фасонной части,. • если распределительный трубопровод чугунный, или привари- вается к распределительному трубопроводу, если он стальной. Соплодсржатели изготовляются большей частью из труб диаметром 50 мм. При изготовлении соплодержателей из га- зовых труб желательна внутренняя их оцинковка. Соцлодср- жателп должны устанавливаться с уклоном в сторону распре- делительной трубы, чтобы при выключеш-ш бассейяав зимнее время они, а также сопла, полностью опорожнялись от воды; в противном случае замерзание воды может приводить к раз- рушению соплодержателей и сопел. На фиг. 4-13 показано линейное расположение сопел в пуч- ' же из 3 шт. и на фиг. 4-21 — радиальное в пучке из 5 шт. При радиальном расположении сопел небольшой производительно- сти одно из них устанавливается также в центре пучка. Сопла
§ 4-41 Брызг альвыс б а ссе й н ы 189 типа П-16 устанавливаются по одному на вертикальных ? стояках (фиг. 4-18). ) Рекомендуемое расположение сопел в пучке и расстояния между пучками и распределительными трубопроводами указа- ны в табл. 4-1. Разбивка сопел должна быть такова, чтобы плотность оро- шения, отнесенная к активной площади бассейна и к напору у сопел .5 м вод. ст.,' не превосходила бы 1,2—1,5 мДм2 час. Для расширенных воздушных коридо- ров расстояние меж- ду распределитель- ным и тр у'боп р овод а - ми увеличивается в 1,3—1,5 раза против указанного в табл. 4-1. Такне увеличен- ные коридоры устра- иваются между группами из 3—5 распределительных трубопроводов в каждой. Если бас- сейн неблагоприятно расположен по отно- шению к направле- нию господствующе- го летом ветра, то целесообразно так- же устраивать попе- речные; воздушные коридоры, увеличи- вая через определен- ные интервалы рас- стояния между пуч- ками сопел Г| (см. ни- же фиг. 4-27). Напор t Н м вод ст Фиг. 4-20. Гидравлические характеристики разбрызгивающих сопел. Рабочий напор воды перед соплами принимается 5—7 м вод. ст., иногда до 8—10 м вод. ст. Повышение напора при- водит к улучшению охладительного эффекта и увеличивает производительность сопел, благодаря чему уменьшается тре- буемое их количество и сокращаются размеры трубопроводов и бассейна. По при этом возрастает расход электроэнергии на циркуляционные насосы и заметно увеличивается унос воды ветром. Поэтому технико-экономические расчеты не оправды- 2 Н. С. Г л ад у и, «Теплосиловое хозяйство11, 1939, № 6, стр. 42
190 Типы и конструкции охладителей [ гл. 4 Таблица 4-1 Расположение сопел в брызгальном бассейне Тяп и конструкция сопла Диаметр вход- ного и ВЫХОД- НОГО отвер- стия, мм Число сопел в пучке, шт. Расположе- ние сопел в пучке | Расстояние между сопла- | ми н пучке1, -и Расстояние между пучка- ми й, м Расстояние между распре-1 ? делительными- линиями м 1 Винтовые МОТЭП и Кортинг 50/24 и 50/26 50/20 ‘ 3 Линейное 1,5—2,0 3,0—3,5 10—12- Спрско 11-А . . . 4 — 5 Радиальное 1,2—1,5 4,0—5,0 6—8 Тангенциаль- ные Эвольвентное . . • 50/25,4 5 Радиальное 1,5 4,0 9 Сцреко 38/22 и 50/29 4—5 JJ 1,2 -1,5 4,0—5,0 6-8- Марли S-2000 50/27 2 Линейное 1,2--2,4* 2,35 8 Щелевое Петрова, П-16 . . — 1 Одиночное ,— 4,0-4,5 8—10 Ударное Фиг. 4-19 .... 50/12,5 X 2 5 Радиальное 1,3—1,4 4,0—4,2 8 1 Для радиальных пучков — расстояние от центра пучка. * Меняется от пучка к пучку. вают применения напоров воды, выходящих за указанные пределы. Водораспределительная сеть — коллектор и распределительные линии — выполняется в практике нашего* строительства преимущественно из стальных труб со сварны- ми соединениями и сварными фасонными частями; лишь в ме- стах соединений труб с задвижками применяются фланцы. В заграничной практике широко используются чугунные тру- бы и чугунные литые фасонные части. Общий коллектор устраивается, когда число распредели- тельных линий больше двух-трех. Теплая вода подводится к коллектору или примерно на середине его длины или в не- скольких точках по длине с целью уменьшения его диаметра и лучшего распределения воды. Коллектор из стальных труб укладывается на подвижных катковых или скользящих опо- рах, расположенных на железобетонных опорных столбах или непосредственно на вертикальной подпорной стенке водосбор- ного бассейна. Для восприятия температурных деформаций на коллекторе устанавливаются компенсаторы, преимущественно линзовые, а для трубопроводов небольшого диаметра иногда
§ 4-4] Брызгальные бассейны 191 Промежуточный пучок вид cfaty Концевой пучок Фиг. 4-21. Пучок с радиальным расположением. сопел.
192 Типы и конструкции охладителей [ гл. 4 также сальниковые. Мертвые опоры между компенсаторами .располагаются в местах ответвлений распределительных труб. При мпогосекци окном брызгалки ом бассейне на коллекторе устанавливаются задвижки, позволяющие отключать отдель- ные секции бассейна, или каждая секция имеет отдельный коллектор (фиг, 4-14). Иногда коллектор выполняется из же- лезобетона и укладывается вдоль бассейна под землей. Фиг. 4-22. Надводное и подводное расположение распределительных трубопроводов в брызгальном бас- сейне, а—расположение с минимальным превышением над уровнем воды; б—подводное расположение. , Каждая распределительная труба снабжается задвижкой • для возможности отключения ее. Распределительные трубо^ проводы могут быть расположены выше или ниже нормаль- ного горизонта воды в водосборном бассейне (фиг. 4-22); ( При надводном расположении трубопроводов они лежат на опорных столбиках, выполняемых большей частью из желе- зобетона (фиг. 4-23). Устройство столбиков, прорезающих дно бассейна, может приводить к фильтрации воды и потому при- меняется преимущественно при водонепроницаемых грунтах., ; При водопроницаемых грунтах рекомендуется установка опор- / ных столбиков в гнездах. Применяются также железные или деревянные опорные конструкции в виде козел, устанавливае- ; мых на дно бассейна (фиг. 4-13). Когда сопла располагаются - над естественным озером или охлаждающим прудом, распре- делительные трубопроводы укладываются на деревянные свай- ные опоры. Опорные столбики надводных трубопроводов для предохранения их от обмерзания размещаются, по возможно- сти, в промежутках между пучками сопел таким образом, что-
а—установка стол- бика е проразкой дна; б—деталь ба- шмака (гнезда) дай опорного стол- бика, устанавлива- емою без прорез- ки дна. 7—слой утрамбо- ванного щебня (103 .мл;); 2— запол- нение БЫ-уТЫМ грунтом с послой- ным трамбованием; 3—песчаная подго- товка (150 jwjh); 4 —бетонные и литы (120 л*л<); 5—битум- ный мат по пери- метру опоры. Фиг. 4-23. Железобетонные опорные столбики под распределительные трубопроводы брызгального бассейна. 13 Л. Д, Берман.
]()4 Типы и конструкций охладителей [гл. 4 § 4-4] Брызгальные бассейны 195 бы обеспечивалось интенсивное омывание их водой, или же выполняются невысокими с минимальным превышением над горизонтом воды. В последнем случае расстояние от низа тру- бы до уровня воды в бассейне принимается 0,1—-0,2 ж. Трубы укладываются на подвижных опорах с катками из • чугуна или отрезков стальных труб (фиг. 4-24). Подводное расположение распределительных трубопрово- дов преследует цель полностью устранить возможность обра- зования наледей и разрушения опор в зимнее время. В этом Фиг. 4-24, Подвижная катковая опора со сварными опорными подушками., случае трубы укладываются на деревянные подкладки из брусьев (фиг, 4-25,fl). Во избежание всплывания труб при от- сутствии в них воды и заполненном бассейне они укрепляются в нескольких точках по длине на ' невысоких кирпичных (фиг. 4-25,6) или бетонных столбиках, установленных на дни- - ще бассейна. 1 Укладка распределительных трубопроводов ниже уровня воды в бассейне рекомендуется только для районов с особо суровыми зимами, так как она затрудняет контроль за состоя- нием трубопроводов и ведет к некоторому подогреву охлаж- денной воды. В конце каждой распределительной линии должно уста- навливаться промывное сопло; торцовый фланец с отверстия- ми в нижней части или задвижка, позволяющая осуществлять постоянную промывку трубопровода и избежать застоя и за- мерзания воды у тупикового конца при работе зимой с малым расходом воды через сопла. Можно также предусматривать в конце каждой трубы снизу отверстие диаметром 15—25 мм, оставляемое всегда открытым. При установке в конце линии задвижки она может быть использована для опорожнения рас- пределительного трубопровода в случае его выключения или Фиг. 4-25. Опоры под распределительные трубопроводы, расположенные ниже горизонта воды. а—деревянная опора; б—кирпичная опора; /—деревянный брус; 2 -хомут из полосового желе и; 3—кладка из клинкерного кирпича на цементном растворе. для выпуска части воды в холодное время года помимо сопел. Так как обслуживание задвижки, расположенной на расстоя- нии 7—8 м от борта бассейна, неудобно, иногда присоединяют к тупиковому концу распределительного трубопровода дохо- дящую почти до борта бассейна трубу небольшого диаметра, 13*
196 Типы и конструкции охладителей [ гл. 1 Фиг. 4-26. Автоматическое дренажное устройство. на конце которой устанавливается задвижка (см., например, фиг. 4-27). Для уменьшения расхода воды через сопла в зим- нее время часто устраивают «холостой выпуск» воды у места присоединения трубопровода к коллектору или в самом кол- лекторе. Это не исключает, однако, необходимости предусмат- ривать возможность выпуска воды со стороны тупикового кон- ца распределительной трубы для ее промывки. Распредели- тельному трубопроводу дается уклон ОД—0,2% в направлении к началу или концу в зависимости от того, где находится вы- пуск для его опорожнения. Во избежание замерзания воды в трубах и разрывов по- следних при неожиданных выключениях брызгальяых бассей- нов в зимнее время иногда при- меняются устанавливаемые на кон- цах распределительных труб авто- матически действующие дренажные устройства. На фиг. 4-26 показано подобное устройство, в корпусе ко- торого расположен стаканообраз- ный клапан, прижимаемый давлени- ем воды к седлу. При выключении брызгального бассейна пружина от- тягивает клапан кверху и открывает отверстие для слива воды из трубы. Диаметры труб распределитель- ной сети уменьшаются по ходу во- ды в соответствии с уменьшением ее количества и выбираются, исхо- потеря напора воды не превы- шала определенного предела. Теплоэлектропроект при- нимает, что разность напоров для наиболее удаленных друг от друга сопел не должна быть больше 0,3 ч вод. ст., в заграйич-, ной практике при среднем напоре перед соплами 4—7 л вод. ст. иногда допускают потерю напора от входа в коллектор до наиболее удаленного сопла до 1,5—2 м вод. ст., что позволяет уменьшить диаметры труб, но связано с большой неравномер- ностью работы сопел. Участки из труб различных диаметров соединяются с по- мощью несимметричных конических переходных патрубков таким образом, чтобы нижние образующие труб находились на одном уровне. Этим избегается скопление загрязнений в местах перехода от большего диаметра трубы к меньшему при промывке распределительного трубопровода, а также обеспечивается полное опорожнение трубопровода при спуске из него воды. В малых бассейнах из соображений уменьшения количества фасонных частей и упрощения монтажных работ от умень- шения диаметров труб по ходу воды часто отказываются. из условия, чтобы
§ 4*4] Брызгальные бассейны 197 Все неутепленные задвижки снабжаются в нижней части отверстиями с отводами, через которые зимой пропускается небольшое количество воды во избежание замерзания задви- жек. Устройство в пределах брызгального бассейна мостиков для обслуживания арматуры или консолей для съемных слу- жебных мостиков не допускается, так как они оказываются очагами для образования в зимнее время наледей. Водосборный бассейн должен иметь размеры в плане, достаточные для создания защитной зоны между край- ними соплами и бортами бассейна шириной около 7 л, а для районов с сильными ветрами — до 10 м. Устройство защитной зоны предусматривается с целью уменьшения уноса воды. Малые брызгальные бассейны, расположенные на крышах зданий и огражденные жалюзи, не требуют защитной зоны. Глубина бассейна, если к нему не предъявляются особые требования в отношении создания запаса воды,'принимается 1,8 :-2 ж, а нормальный рабочий слой воды в нем—1,5 — 1,7 ж. В некоторых случаях, главным образом при расширении или реконструкции существующих брызгальных бассейнов, под частью сопел устраиваются незаглублент^ые водосборные пло- щадки с уклоном в сторону бассейна (фиг. 4-27). Бассейн устраивается большей частью в выемке. Борты бассейна выполняются в виде пологих откосов, реже в виде вертикальной стенки. Откосы и дно водосборного бассейна покрываются соответствующей одеждой (фиг. 4-13 и 4-28) для предохранения их от размыва падающей водой и для предотвращения в случае водопроницаемых грунтов фильтра- ции циркуляционной воды. Выбор типа одежды бассейна сильно зависит от местных условий, в первую очередь от геологического строения и фи- зико-механических свойств грунта, а кроме того, от гидро- геологических условий, рельефа местности, условий сейсмич- ности и от наличия местных стройматериалов. При устройстве бассейна в водонепроницаемых грунтах (глинах и плотных суглинках) рекомендуется одежда в виде каменной мостовой на песчаной подготовке. Подготовка из крупного песка или мелкого гравия служит для удобства пла- нировки дна и откосов и плотной укладки булыжного или бутового камня. При отсутствии или высокой стоимости камня он может быть заменен пропитанным битумом и укатанным крупным 'щебнем или гравием, клинкерным кирпичом или бетонными плитами. Бетонные плиты выполняются па месте в клетках размерами примерно 1,5Х1>5 « из досок, постав- ленных на ребро и остающихся затем в качестве температур- ных швов. При водопроницаемых грунтах (песчаных и гравелистых грунтах и супесях) также применяется одежда из камня или бетонных плит, но при этом ниже песчаной подготовки укла™
198 Тины и конструкции охладителей _______________л____л_ г [гл. i дывается слой мятой глины толщиной 30—50 см, играющий роль гидроизоляции. Водонепроницаемость глиняного экрана при небольших деформациях грунта (осадка, пучение) .не на- c&v&vi# а-а “Фиг. 4-27. Брызгальный бассейн с незаглубленными водосборными пло- щадками под крайними распределительными трубопроводами, J подвод теплой волы, 2 забор воды из бассейна; 3подвод добавочной воды; 4—отвод &оды в канализацию, 5-продуи«а; 7—ластовой асфальт толщиной 25 мм; щебеночное основание (I/O мм). рушается. Глина при укладке ее тщательно очищается от по- сторонних предметов и трамбуется слоями не более 10 см. Устройство глиняного экрана хорошо оправдало себя в практике нашего строительства и получило'поэтому широкое

200 Типы и конструкции охладителей [ гл. 4 распространение. Необходимо, однако, следить за тем, чтобы укладка глины не производилась при наружных температурах ниже 0°, так как в противном случае не обеспечивается доста- точная плотность гидроизоляционного слоя. При отсутствии глины может применяться одежда из бетонных плит по подго- товке из тощего бетона с гидроизоляционной прослойкой из асфальтовой мастики. Доски, применяющиеся при бетонировке плит, в этом случае удаляются, а швы заполняются мастикой,. Асфальтовая мастика составляется из 30% битума (марки III или IV) и 70% заполнителя (известковый порошок, портланд- цемент). В качестве облицовочного и гидроизоляционного ма- териала может быть также использован асфальто-бетон. Под- . бор состава асфальто-бетона и термического режима приго- с товления смеси должен производиться в соответствии с пред- стоящими температурными условиями работы покрытия на основе лабораторных исследований или имеющегося практи- ческого опыта. Водонепроницаемость вертикальных железо- бетонных стенок бассейна достигается нанесением с внутрен- ней стороны штукатурки на церезитовом молоке. Особенно жесткие требования в отношении водонепрони- цаемости одежды брызгального бассейна предъявляются при макропористых и просадочных (лессовидных) грунтах, так как фильтрация воды может в этих случаях вызвать как разру- шение самого бассейна,'так и просадку грунта под другими,, расположенными поблизости, сооружениями. Два типа одеж- ды, предложенные Теплоэлектропроектом для бассейнов,, устраиваемых в лессовидных суглинках, показаны на фиг. 4-28,в и а. В обоих случаях дно и откосы котлована во влажном состоянии укатываются катками до получения уплотненного слоя толщиной не менее 10 см. В конструкции, показанной на фиг. 4-28,в, на уплотненное основание накла- дывается экран из разрыхленного жирного суглинка, укаты- ваемого слоями по 10 см. По экрану укладывается слой из тощего, бетона, затем битумный слой и бетонные плиты. Во второй конструкции разрыхленный суглинок обрабатывается еще черными вяжущими материалами (нагретый каменно- угольный деготь и битум) в количестве 8—10% от веса сухого грунта. При лессовидных грунтах применяется также гидро- ’ изоляция из оклеенных материалов, например в виде прослой- ки из двух слоев рубероида на клебемассе между бетонным или железобетонным днищем и подготовкой, с устройством' дренажа основания, предотвращающего возможность подмоч- ' ки грунтов. Для незаглубленных водосборных площадок .также долж- ны применяться покрытия типа описанных выше. Применяв- шееся в некоторых случаях для таких площадок асфальтовое покрытие по щебеночному основанию не рекомендуется, так как асфальт растрескивается из-за колебаний температуры и
§ 4-4] Брызгальные бассейны 201 Деталь направляющей для шандор Деталь направляющей для сеток Фиг. 4-29. Водоприемный колодец брызгального бассейна. покрытие довольно быстро ' изнашивается под воздействием падающей воды. Большие бассейны всегда разделяются на секции и преду- сматривается возможность осмотра, ремонта и чистки одной из секций при работе остальных. Каждая секция оборудуется своим водоприемным колодцем дли отвода охлажденной воды и сливным (грязевым) колодцем для промывки и опорожне- ния бассейна, причем эти колодцы желательно располагать
202 Типы и конструкции охладителей [гл. 4 на противоположных сторонах бассейна. В приемном колодце со стороны входа воды устанавливаются плоские очистные . сетки с ячейками 0,5 \ 0,5 см (фиг. 4-29). Кроме того, здесь 1 предусматриваются пазы, в которые при отключении секции . закладываются щиты или шандоры. Заглубление водоприем- ника и отводящих водоводов должно выбираться с учетом возможности понижения уровня воды в бассейне на 1 л ниже нормального. и калодец Фиг. 4-30. Колодцы для опорожнения бассейна. Дл11 облегчения опорожнения бассейна и смыва накопив- шейся в нем грязи дно его должно иметь уклон примерно 0,5% в сторону приямка, обычно закрываемого решеткой. При- емок соединяется трубой, имеющей на конце задвижку, со сливным колодцем, от которого отходит канализационный тру- бопровод. В сливном колодце осуществляется часто и присо- единение к канализационному трубопроводу переливной тру- бы, которой снабжается каждая секция бассейна (фиг. 4-30). ' По всему периметру бассейна устраивается засеянная • газонными травами или покрытая асфальтом площадка шири- ной около 5 м с уклоном 1,5—2% в сторону бассейна и кюве- тами по периферии для отвода воды в канализацию или по- верхностные ливнестоки. Это уменьшает возможность образов
.§ 4-4 ] Брызгальные бассейны 203 зания вблизи бассейна луж и грязи вследствие выноса воды, а также предохраняет от зайоса в него грязи и пыли, Брызгальный бассейн должен располагаться на открытой площадке, доступной со всех сторон действию ветра. При этом следует добиваться как удовлетворения указывавшегося уже требования, чтобы узкая сторона бассейна располагалась в направлении господствующего летом ветра, так и того, чтобы зимой выносимые из бассейна водяные капли и образующийся туман отводились от расположенных поблизости сооружений и дорог. При неровном рельефе площадки желательно, чтобы уклон ее бькГнаправлен 'в" сторону брызгалыюго бассейна. Из-за большого выноса воды при сильных ветрах и кон- денсации пара, содержащегося в уходящем из бассейна воз- духе, в зимнее время возмржно обледенение сооружений, рас- положенных на расстояниях до 150—160 м от него, особенно значительное на расстояниях до 30—40 м. Зимой наблюдается также интенсивное туманообразование в зоне расположения бассейна, распространяющееся от него на 200—250 м в на- правлении ветра. Поэтому необходимо располагать бассейн, особенно при больших его размерах, на достаточных расстоя- ниях от ответственных сооружений (зданий, железнодорожных путей, шоссейных дорог и др.). В практике проектирования электростанций расстояние от брызгалыюго бассейна до глав- ного здания и топливного хозяйства принимается в зависимо- сти от направления господствующего зимой ветра не менее 80 -н 120 м, а до открытой электрической подстанции и линии высокого напряжения, когда они расположены с подветренной стороны, 150 м. Технико-экономические показатели для брызгальных бас- сейнов с глиняной гидроизоляцией и отмосткой по ней бетон- ными плитами по данным Центроэнергомонтажа приведены Таблица 4-2 Расход материалов, объем работ и стоимость брызгальных бассейнов Номинальная производи- тельность, Ms[4ae Общая пло- щадь бассей- на, Объем строительных работ Металличе- ские изделия, т Общая стои- мость1, тыс. руб. Земляные работы, at'1 Укладка ГЛИНЫ, Л1 ^есчат-'ая ] ПОЛ.ГОТОЯ- ка, л13 1 к Бетонные 1 ПЛИТЫ, ЛР Трубы я опоры, т 400 640 1 400 270 100 67 3,0 0,8 46,3 600 780 1 750 320 120 82 3,1 1,0 56,6 1000 I 100 2 400 460 170 ПО 5,9 1,2 78,7 2 000 2 200 ’ 4 500 920 340 200 11,7 1,6 151,0 3 000 3 400 6 800 1400 520 310 23,0 1,8 233,4 6 000 5 600 10 500 2 100 800 500 1 38,7 2,0 363,5 1 В ценах 1935 г.
204 Типы и конструкции охладителей гл. 4 в табл. 4-2 *. Вес распределительных труб на 1 .и2 площади бассейна составляет от 6 до 13 кг, в среднем 9 кг. Сроки со- оружения брызгальных бассейнов сильно зависят от органи- зации производства работ; при механизации трудоемких видов работ бассейн площадью порядка 1 000 м2 может быть соору- жен за 20—30 дней. Стоимость брызгальных бассейнов, отнесенная к единице' расхода циркуляционной воды, сильно возрастает при малой их производительности (фиг. 4-31). Это связано в значитель- ной мере с тем, что устройство защитной зоны приводит для малых бассейнов к низкой плотности орошения, отнесенной ко всей их площади, — до 0,3—0,4 м3/м2 час против 1,0— 4,2 м2/м2 час для бассейнов большой производительности. Устройство жалюзи также требует снижения плотности оро» шения. Наибольшие единичные производительности, построен- ных брызгальных бассейнов достигают около 60 000 м31час. На фиг. 4-32 приведены кривые охлаждения для брызгаль- кого бассейна большой производительности. Сплошными ли- ниями нанесены кривые по опытным данным, пунктирными — фирменные гарантийные кривые. Последние, как правило, про- текают более полого, чем опытные кривые охлаждения. * Приводимые здесь и ниже стоимости охладителей следует рассмат- ривать как сугубо ориентировочные, так как они базируются на сметных Данных, относящихся к различным условиям и различным ценам.
§ 4-51 Открытые градирни _____205 Брызгальные бассейны малых размеров вследствие более благоприятных условий для поступления свежего воздуха дают более низкие температуры охлажденной воды. 4-5. ОТКРЫТЫЕ ГРАДИРНИ Открытые градирни выполняются двух типов: брызгальные, т. е. с разбрызгиванием воды при, помощи сопел, и капельные с решетником из деревянных планок или брусков. Фиг. 4-32. Кривые охлаждения для брызгалыюго бассейна (/7= 4,2 м вод. ст.). Фиг. 4-33. Открытая брыз- гальная градирня малой производительности. Открытая градирня брызгального типа представляет собой, по существу, небольшой брызгальный бассейн, ограж- денный со всех сторон жалюзийными стенками, препятствую- щими выносу наружу водяных капель, увлекаемых воздухом. Малым градирням этого типа с площадью примерно до 6 лё’ и числом сопел до четырех придается в плане форма квадрата. В центре квадратной шахты, образованной ограждением, уста- навливается пучок сопел (фиг. 4-33). В более крупных градир- нях шахта имеет в плане форму вытянутого прямоугольника и сопла располагаются несколькими рядами в шахматном по- рядке (фиг. 4-34). Движение воздуха через такую градирню, как и в других охладителях открытого типа, происходит в основном за счет
206 Типы и конструкции охладителей [гл. Разрез ев CU Фиг. 4-34. Открытая брызгальная градирня с многорядным шахматным, расположением сопел. силы ветра. Вода, падающая в виде капель и частью стекаю- щая топкой пленкой по внутренним поверхностям жалюзи, охлаждается протекающим воздухом и собирается затем в рас- положенном снизу поддоне или резервуаре. Разбрызгивающие сопла применяются преимущественно центробежные тангенциального типа (фиг. 4-16 и 4-17), как менее подверженные засорению. Сопла устанавливаются, не-
§4-5] Открытые градирни 207 большой производительности в целях равномерного распреде- ления разбрызгиваемой воды по площади шахты. Рабочий на- пор перед соплами принимается от 3. до 5 ж вод. ст., в более редких случаях выше, в пределах до 12—14 ж вод. ст. Чаще сопла направляют вниз, так как это обеспечивает более равно- мерное распределение воды, уменьшает унос и позволяет огра- ничить высоту градирни. Для лучшего продувания их ветром более крупные брыз- гальные градирни выполняются с шахтой шириной не более 4—6 ж, а увеличение площади градирни достигается за счет большей ее длины; причем длинная сторона прямоугольной шахты располагается нормально к направлению господствую- щего летом ветра. Число рядов сопел по ширине шахты при- нимается не более четырех. Расстояние между рядами сопел составляет 0,8—1 ж, расстояние от крайних сопел до жалюзи 0,4—0,5 ж и до 1 ж при соплах, направленных вверх. Сопла устанавливаются на высоте от 1,5 до 4 ж над’уров- нем воды в резервуаре. Увеличение этой высоты благоприятно отражается па охладительном эффекте, но лишь до опреде- лепного предела. Охлаждение воды происходит наиболее ин- тенсивно на начальном участке ее пути, где высокая разность- температур воды и воздуха и парциальных давлений пара сочетается с наиболее высокой начальной скоростью капель.. Когда же капли достигают установившейся скорости, интенсив- ность теплообмена снижается. Поэтому расположение сопел выше 3,5 -:~4 м не дает уже существенного результата. В малых градирнях вода подводится к соплам по централь- ному стояку, а в более крупных градирнях по расположенному сверху, вдоль длинной оси градирни, горизонтальному распре- делительному трубопроводу с ответвлениями для крепления? сопел. При значительной протяженности распределительного трубопровода вода подается в него с двух сторон или в не- скольких точках по длине. Жалюзи выполняются из досок шириной до 20 еж, распо- ложенных'по длине горизонтально, а по ширине наклоненных под углом 45—60° к горизонтали и немного перекрывающих - друг друга по высоте для уменьшения уноса. При выходе воз- духа через жалюзи направление его движения изменяется, в. результате чего часть захваченных им капель отделяется и попадает на доски, с которых уловленная вода стекает вниз. Доски, образующие жалюзи, вставляются в пазы, сделанные в деревянных стойках каркаса, и могут не прибиваться гвоз- дями. Расстояние между стойками принимается около 1 ж. При направлении сопел выходными отверстиями вверх часть шахты, расположенная выше сопел, ограждается сплошными дощатыми стенками для уменьшения потери воды от уноса (фиг. 4-35). Когда этого требуют условия пожарной безопас- ности, каркас и жалюзи изготовляются из железа.
208 Типы и конструкции охладителей [гл. 4 Брызгальпая градирня благодаря ее малому весу может устанавливаться при недостатке места на крыше здания или на специальном помосте, В зависимости от размеров градирня и места ее установки (на земле или на крыше здания) водо- сборный резервуар делается из железобетона, бутового камня, Фиг. 4-35. Внешний вид и разрез открытой брызгаль- ной градирни с направленными вверх соплами. кирпича или в виде деревянного поддона с обшивкой из оцин- кованного железа. Примерные размеры открытых брызгальных градирен при- ведены в табл. 4-3. Они относятся к градирням с направлен- ными книзу соплами. Плотность орошения составляет в таких градирнях 1,5—:— 3 л«3/^2 час: Наибольшая производительность градирен этого .типа составляет около 350 мР/час, а длина градирни достигает 30 м.
Открытые градирни 209 Таблица 4-3 Примерные размеры брызгальных градирен Номляальнаа производи- тельность, м*1час Площадь, № Габариты, мм Ширина Длина Высота 1,1 0,85 920 920 1830 2,3 1,5 I 220 1220 1830 4,5 1,9 1 220 1 530 2 750 .10 3,4 1 830 1 830 2 750 20 4,6 2 .140 2 140 3 660 30 8,6 * 2140 4 020 3 050 -50 2о,6 2 140 . 9 660 2 750 50 21,4 2 750 7 780 2 750 50 21.0 4 020 5 240 2 750 100 36,8 ' ' 2 750 13 400 3 660 100 38,8 4 020 9 660 3 660 100 46,3 4 020 И 540 3 660 150 61,5 4 020 15 300 3 660 200 76,4 4 020 19000 3660 250 91,7 - 4 020 22800 3 660 300 106,8 4 020 26 600 3660 .340 122,5 4 020 30 500 3 660 Фиг. 4-36. Хворостяная открытая градирня, /—циркуляционный насос! 2— охлаждаемый двига- тель; 3—водораспределитель; 4 -градирня; 5—хво- рост; fi—водосборный ящик. Фиг. 4-37, Малая от- крытая градирня (без решетника). Открытые градирни капельного типа применяются для более широкого диапазона производительностей, чем брызгальные градирни. Капельные градирни состоят из оро- 14 л, д, Берлин.,
210 Типы и конструкции охладителе!! 1гл. 4 с и т е л ь н о г о устройства или короче оросителя’, водораспределительного устройства, жалюзи и водосборного резервуара. Простейшая открытая капельная градирня небольшой прей изводительности показана на фиг. 4-36. Она имеет деревянный, каркас, на котором через каждые 0,5—0,6 м по высоте укреп- лены решетки из прутьев, уложенных горизонтально на рас- стояниях 0,3—0,5 м друг от друга. На решетки укладывается хворост. Теплая вода подается сверху через разбрызгиватели. t и, стекая с одного слоя хвороста на другой, охлаждается, после чего поступает в деревянный водосборный резервуар. Градир- ня открыта со всех сторон и не имеет жалюзи. При произво- й дитсльности З-ь- 3,5 м?!час она выполняется с площадью осно- вания 1,2 X ^2 м и высотой 1,4- м, при производительности около 30 м31час площадь основания составляет 2,2 X 2,2 м и высота 2,7 м. Малые капельные градирни выполняются еще в виде вертикального ряда расположенных друг над другом . переливных желобов (фиг. 4-37). В более крупных капельных градирнях оросительное устройство выполнялось одно время из горизонтальных металл лических сеток или переливных желобов с зазубренными сверху бортами, но сейчас применяется почти исключительно решетник из деревянных планок (фиш 4-38 и 4-39). Деревян-' ные планки сложной формы (например, с продольными желоб- ками на верхней грани) также не получили распространения, так как они не обнаружили каких-либо преимуществ перед простыми нестроганными планками прямоугольного сечения. , Применяющиеся планки имеют толщину 1 1,5 см и ширину 5-ы- 8,5 см, иногда и больше. Они укладываются в 8—12 яру сов по высоте, оросителя и в один или два ряда на каждом ярусе (фиг. 4-40), причем двухрядное шахматное расположе- ние является в последнее время более распространенным. Во избежание стекания воды на одну сторону оросителя планки , укладываются через один или два яруса с переменой направ- ления в горизонтальной плоскости на 90°. Планки пришиваются гвоздями2 к горизонтальным схват- кам деревянного каркаса (подрешетинам), расположенным через каждые 1,2—2ун, или же собираются на стороне в гото- вые щиты стандартных размеров, укладывающиеся затем иа 1 подрешетины (фиг. 4-40,в). Применение стандартных щитов значительно облегчает сборку7 и ремонт оросителя. Расстояние между ярусами решетника по высоте (высота яруса) состав- ляет от 60 до 120 см, большей частью 75 -н 90 см, число яру- 1 * 3 1 Этот термин не вполне удачен, так как здесь правильнее было бы говорить об „орошаемом' устройстве, но он получил широкое распро- странение, вследствие чего мы его сохраняем. 3 Применяющиеся иногда и в открытых градирнях ,безгвоздевые“ конструкции капельного оросителя описаны в § 4-6.
§ 4-5] Открытые градирни 511 Фиг. 4-38,. Открытая капельная градирня (поперечный разрез). сов не превосходит, как правило, 12, но в отдельных случаях доводится до 20 : - 23, что связано с увеличением затраты энергии на насосы, из-за необходимости подачи воды на боль-* шую высоту. Оросители небольших градирен имеют в плане форму квадрата, а более крупные градирни — форму вытянутого- прямоугольника с шириной оросителя,—расположенной в на- 14*
212 Типы и конструкции охладителей [ гл. '4 правлении господствующего летом ветра,— не более 4 м (без учета жалюзи). Для улучшения работы градирни в периоды штилей ороси- тель разделяется в некоторых конструкциях на две части цен- ёертний ВеЯарасюедепителъный Хселой Шит решетника Фиг. 4-39, Открытая капельная градирня (план по верхним и нижним желобам). тральным воздушным коридором шириной 0,8—1 м, расноло- женным вдоль длинной оси градирни, но эффект от такого мероприятия едва ли может быть значительным. Так как в непосредственной близости к уровню земли ско- рости ветра снижаются, не рекомендуется выбирать высоту оросителя ниже 4,5—5 м. При высоте оросителя менее 7—8 М целесообразно уменьшить также его ширину. Наиболее бла- гоприятным соотношением между высотой и шириной ороси- теля считают от 2 : 1 до 3: 1. Распределение поступающей воды по площади оросителя осуществляется при помощи расположенных в верхней части градирни деревянных желобов со сливными трубками или же-
§ Открытые градирни 513 Фиг. 4'40, Расположение планок в решетнике открытых капельных градирен.
214 Типы и конструкции охладителей [гл. 4 лезных, а иногда также деревянных или асбоцементных труб с разбрызгивающими соплами. Для распределения воды в небольших градирнях применя- ются также деревянные переливные желоба, боковые стенки которых имеют сверху вырезы. Благодаря вырезам перели- вающаяся через края бортов вода разделяется на отдельные Фиг. 4-41. Разбрызгивание подаваемой воды с помощью сливных трубок и розеток. Фиг. 4-42. Сливные, трубки. струи. Лучшее распределение воды обеспечивается желобами со сливными трубками, вставленными в отверстия в днищах. Вытекающая через трубку струя ударяется о разбрызгиваю- щую розетку, и вода, раздробленная на капли, падает затем на верхний ряд решетника (фиг. 4-41). Сливные трубки и разбрызгивающие розетки изготовляют- ся из глазурованного фарфора, стекла и пластмассы. Приме- нение железных трубок и розеток не рекомендуется, так как
Открытые градирни 215 - из-за коррозии они быстро разрушаются. Типы сливных тру- бок показаны на фиг. 4-42. Они выполняются часто с закруг- ленным входным краем для плавного входа воды. Верхний 'край трубок располагают па 3—5 см выше дна жолоба для .предохранения от попадания в них грязи или ила. Как пока- лс АВ Вид сёерту Фиг. 4-43. Разбрызгивающая розетка. зало проведенное во ВТИ 1 исследование работы розеток раз- личных типов, розетки с плоской рабочей поверхностью или с широкими и пологими выступами на этой поверхности дают очень узкую орошаемую зону, имеющую форму кольца, с очень неравномерным распределением в ней воды. Лучшее распре- деление воды дают розетки с узкими радиальными желобками 1 Л. Д. Берман и А. В. Перцев, „Теплосиловое хозяйство*, 1940. .№ 3. стр. J6.
216 Типы и конструкции охладителей Г гл. 4 по бортам (фит. 4-43), разделяющие воду на отдельные струйки, распадающиеся затем на капли *. Для хорошего разбрызгивания воды розетка должна быть расположена на 0,5—0,8 м ниже выходного отверстия сливной трубки и строго по отвесу под ней. Трубки устанавливаются на расстояниях 0,5—1,0 м друг от друга. При этом водяные Расстояние от центра розетки, мм Фиг. 4~44. Распределение воды розеткой с радиальными желобками (расход воды через трубку 3 т/час, высота падения струи 520 жж). факелы, образуемые отдельными розетками, перекрывают друг друга, и хотя распределение воды в каждом факеле и при' лучшем типе розеток остается неравномерным (фиг. 4-44),. достигается достаточно удовлетворительное распределение воды по площади оросителя. В открытых капельных градирнях водораспределительное устройство такого типа выполняется большей частью в виде одного или двух широких деревянных желобов, расположен- ных сверху, параллельна длинной стороне градирни. Иногда оно состоит из магистрального жолоба без сливных трубок, расположенного вдоль длинной оси градирни, и отходящих от него в обе стороны под прямым углом узких распределитель- ных лотков с трубками (фиг. 4-64,Z). Широкие желоба, перекрывающие оросительное устройство, 1 В противоточных (башенных или вентиляторных) градирнях пре- имуществом этих розеток является также и то, что создаваемый ими во- дяной факел пе вызывает дополнительного сопротивления проходу воз- духа, связанного в случае розеток некоторых других типов с образова- нием на стороне выхода с них воды сплошной пленки в форме зонтика,, перекрывающего часть живого сечения охладителя.
§ 4-5] Открытые градирни 217 рекомендуется закрывать сверху настилом из съемных дере- вянных щитов с целью предохранения их от попадания пыли,, золы я других загрязнений, а особенно для защиты их от солнечного света, действие которого наряду с благоприятной температурой воды способствует интенсивному развитию в же- лобах водорослей. Фиг. 4-45, Тарельчатый разбрызгиватель и установка его на градирне. Для изготовления больших водораспределительных жело- бов должны применяться доски толщиной не менее 5 с.«, для- малых — не менее 2,5—4 см. Доски соединяются между собой, в шпунт, а в нижних углах желобов прибиваются трехгранные рейки. Длинные желоба стягиваются через - каждые 0,8—1 м деревянными хомутами из брусков толщиной от 4 до 8 см в зависимости от размеров жолоба. При распределении воды с помощью сопел или разбрызги- вателей сверху градирни, вдоль ее длинной оси, укладывается': магистральный трубопровод, от которого отходят расположен- ные перпендикулярно к нему ответвления (трубы небольшого^ диаметра). На концах последних устанавливаются сопла или разбрызгиватели. Они располагаются в 2 ряда по ширине градирни, по одному с каждой стороны трубопровода, на рас- стоянии от трубопровода и от жалюзи, равном одной четверти ширины оросителя. Со стороны тупикового конца на водорас- пределительном трубопроводе для возможности его промывки устанавливается торцевая задвижка. Сопла применяются; обычно тангенциального типа с диаметром выходного отвер- стия до 25 мм, При направлении сопел выходными отверстия- ми кверху создаваемые ими водяные факелы увеличивают общую поверхность охлаждения и высота решетника может быть соответственно снижена. Сопла устанавливаются при этом на 2—2,5 м ниже верха градирни. Такая конструкция
218 Типы и конструкции охладителей ^гл 4 требует сравнительно высокого напора воды перед соплами (не менее 3,5—4 м вод. ст.)', лишь отчасти компенсируемого уменьшением высоты решетника. На фиг. 4-45 показана конструкция тарельчатого раз- брызгивателя, требующего напора воды лишь 0,5— 1,5 м вод. ст. Выходящая струя воды, ударяясь о тарелку, частично разбрызгивается, частично же проходит дальше через ней- тральное отверстие, имеющееся в каждой тарелке, кроме са- мой нижней. Постепенное уменьшение диаметров тарелок и отверстий способствует довольно равномерному распределе- нию воды. Сопла и разбрызгиватели обеспечивают равномерное рас- пределение воды по площади оросителя при изменении гидрав- лической нагрузки градирни в широких пределах, тогда как водораспределительные желоба с трубками переполняются при больших расходах воды и неравномерно распределяют ее при малых расходах. Деревянные желоба требуют, кроме того, постоянных ремонтов и чистки, но вследствие их простоты на- ходят все же широкое применение. Водораспределительное устройство требует в эксплоатации , надзора и обслуживания. Поэтому всегда предусматриваются постоянная лестница для доступа к нему и настилы, позво- ляющие подойти к любому жолобу или соплу. Кроме основного водораспределительного устройства, часто устраивается еще вюрая система водораспределительных труб или лотков, устанавливаемая примерно на одной трети или на половине высоты оросителя и предназначенная . для работы в зимнее время. При этом верхняя водораспределительная си- стема па зиму выключается, что уменьшает возможность как обмерзания самой градирни, так и образования наледей на прилегающей территории. Нижнее водораспределительное устройство состоит или из двух проходящих по длине градир- ни труб с боковыми отверстиями с обеих сторон каждой тру- бы, расположенными на равных расстояниях друг от друга (фиг. 4-47), или из деревянных лотков с трубками, но меньшего .диаметра и расположенными более часто, чем в верхней си- стеме, из-за необходимости ограничивать высоту лотков и вы- соту падения струи (фиг. 4-38). Лучше применять здесь переливные желоба с вырезами сверху боковых стенок, так как доступ к сливным трубкам в нижнем водораспределитель- ном устройстве затруднителен. Открытые капельные градирни, за исключением небольших установок, вроде показанной на фиг. 4-36, или устанавливае- мых над поверхностью водоема (пруда или озера), огражда- ются со всех сторон с помощью жалюзи для уменьшения уноса водяных брызг из оросителя. Жалюзи изготовляются из дерева, иногда из оцинкован- ного гофрированного железа. Деревянные жалюзи состоят из
4-5] Огкрытые градирни 219 Фиг. 4-46, Различные тины жалюзи открытых1 капельных градирен. •я—узкие деревянные жалюзи; б, а—широкие деревянные жалюзи; г, 5—основные й „вто- ричные- жалюзи для уменьшения уноса. широких или узких дощатых щитов, устанавливаемых под углом 45—60° к горизонтали, а когда необходимо еще сильнее ограничить унос — из «решетчатых» щитов более сложной конструкции. Узкие щиты, типа применяющихся для брызгальных гра- дирен (фиг. 4-46,а), выполняются из одинарных досок шири- ной от 15 до 30 см, причем между жалюзи и решетником в этом случае оставляется как дополнительное средство для уменьшения уноса коридор шириной 0,6—0,8 м. Широкие до- щатые жалюзийные щиты изготовляются каждый из 5—7 или
220 Типы и конструкции охладителей [ гл, < более досок шириною по 12—20 см и толщиной 2,5 см, соеди- няющихся между собой в шпунт или в четверть (фиг, 4-46,5) или же выполняются в виде настила из досок, немного пере- крывающих друг друга и скрепленных гвоздями (фиг. 4-46,в). Так как образующиеся в оросителе мелкие водяные капли лег- ко увлекаются воздухом и плохо задерживаются узкими жа- люзи, последние применяются для капельных градирен редко. Даже широкие жалюзи не предохраняют при сильных ветрах от значительного уноса. Уменьшение уноса может быть достигнуто устройством до- полнительных — «вторичных»* — жалюзи, расположенных под прямым углом к основным или горизонтально (фиг. 4-46,а и д). В последнем случае уловленная горизонтальными вторичными жалюзи вода вновь падает с них в виде капель, но уже зна- чительно более крупных, что уменьшает возможность увлече- ния их уходящим воздухом. Устройство вторичных жалюзи связано с большим или меньшим увеличением сопротивления проходу воздуха и уменьшением из-за этого охладительного эффекта градирни. Его можно, однако, рекомендовать как мероприятие для борьбы с уносом на существующих уже гра- дирнях, когда необходимо устранить большую потерю воды и увлажнение прилегающей к градирне территории. Попытки применить жалюзи с поворотными щитами, наклон которых можно было бы менять в зависимости от силы ветра, не увен- чались пока успехом из-за быстрого засорения и коррозии приводного механизма. Понижение уноса при меньшем сопротивлении для про- хода воздуха обеспечивается решетчатыми деревянными жа- люзи. Градирня с решетчатыми жалюзи типа «Аэратор» показана на фиг. 4-47. Жалюзи выполнены здесь из стандарт- ных щитов двух размеров, устанавливаемых вертикально. Щиты состоят из тонких планок, расположенных таким обра- зом, что направление движения воздуха при проходе через щит изменяется дважды (фиг; 4-48). Для уменьшения сопро- тивления щиты через один по высоте смещены на 0,7 1 м от решетника- При этом сверху оставлен дополнительный сво- бодный проход для поступающего и уходящего воздуха, а снизу устроено наклонное днище для стока уловленной воды- Щиты, примыкающие к оросителю, имеют высоту примерно вдвое меньшую, чем смещенные щиты. Каркас открытой капельной градирни, на котором распола- гаются решетник, водораспределительное устройство и жалю- зи, состоит из раскосных ферм, соединенных между собой в продольном направлении горизонтальными и наклонными связями. Соединения элементов деревянного каркаса осуще- ствляются на врубках с установкой в наиболее ответственных узлах стяжных болтов. Каркас прикрепляется к фундаменту анкерными болтами во всех местах расположения стоек. При
§ 4-5 J Открытые градирни 221 металлическом каркасе более крупные его элементы (напри- мер стойки) выполняются иногда из чугуна. Водосборный резервуар градирни выполняется из железо- бетона, кирпича, бутового камня или бутобетона. В небольших градирнях стенки резервуара служат часто основанием для каркаса градирни, в более крупных градирнях ширина и дли- на резервуара принимаются на 0,2—0,3 м большими, чем Фиг. 4-47. Открытая капельная градирня с решетчатыми жалюзи „Аэра- тор “ (разрез и фасад). j—тарельчатые разбрызгивателя; 2—нижнее (зимнее) воюраспрецелйтельное устройство из дырчатых труб; З—щкты решетника; 4-парные схватки (подрешетины); 5—жалюзий- ные шиты; б -дощатый настил. внешние габариты оросителя, и основанием для каркаса слу- жит днище резервуара. Для обеспечения водонепроницаемости под днищем резервуара часто укладывается с тщательной трамбовкой слой мятой глины толщиной 0,3—0,4 м или сугли- нистого грунта с содержанием глины не менее 40%. Глубина резервуара принимается около 2 м. В резервуаре устанавливаются переливная и спускная трубы., соединенные с канализацией. Небольшие градирни для лучшего продувания их ветром устанавливаются иногда на крайне здания или на легких опорных железных конструкциях и тогда имеют дере- вянные или железные поддоны. Более крупные капельные градирни разделяются на не- сколько секций. Секционирование осуществляется путем соот- ветствующего разделения водораспределительного устройства
‘22Z_ Типы и конструкции охладителей £гл. .4 Разрез т C-D Фиг. 4-48. Жалюзийный щит открытой градирни. и резервуара. Каждая секция водораспределительного устрой- ства должна иметь самостоятельный подвод воды и постоян- ные или съемные щиты в желобах для отключения ее от дру- гих секций. В резервуаре устанавливаются разделительные- стенки и отдельные отводящие, переливные и спускные трубы в каждой секции. При выполнении резервуара из кирпича раз- делительные стенки должны иметь проемы, чтобы при опо- рожнении какой-либо секции горизонт воды в соседних сек- циях понижался до верха проема. Это предохраняет от воз- можности значительной фильтрации воды под разделительной стенкой и размыва грунта под ней. Открытые капельные градирни допускают стандартизацию и предварительную заготовку в мастерских почти всех элемен-
§ 4 Открытые градирни 223’ Т а б лица 4-4 Расход материалов и стоимость малых открытых градирен (по нормам и ценам 1944—1945 гг.) Тип градирни Конструкция жалюзи Номинальная производи- тедьЕоегь, Л?л,'>Г«С 1 Площадь оросителя, .«й ; Число i секций Расход материалов 1 . -pXd ’Ччмиииохэ Лесмате- риалы, Сталь арматур* ;; пая, лг - . Болты, j । гвозди, f ! ПОКОВКИ ; и пр., кг । Бетон, лБ : Брызгальная п Одинарная 6 2,6 1 1,9 76 ЦЗ 810 дощатая 12 5,8 1 2,6 — 105 1,5 1 020 13,5 6,3 2 4,9 175 2,7 1 770- 20 9,0 2 6,6 — 220 4,5 2 490 27 12,0 2 8,1 — 280 4,5 2 920' 33,5 16,0 2 9,7 340 4,5 3 370- Брызгальная Одинарная — 1,5 1 1,1 — 19 —- — дощатая --- 3,0 1 1,6 29 — — 6,0 1 2,0 —— 61 — — 12,0 2 3,1 — 97 — — — 18,0 3 4,1 —• 132 — 24,0 4 5,3 — 167 . — -- Капельная' Накладные 4,9 2,3 1 4,2 280 115- 2,4 I 700 дощатые 8,7 4,0 1 5,7 410 125 3,4 2 290 щиты 23,6 9,0 1 14,4 820 270 6,8 5 220' 44,3 16,0 1 23,3 1 160 330 9,7 7 810' Капельная*1 Аэратор 42 16,0‘J 1 19,0 1 380 360 11,5 7 600' 52 16,03 1 23,9 1380 385 11,5 8 600- Капельная6 Аэратор —- 16,0 — 19,1 — 370 — 24,0 — 24,1 — 460 — — — 32,0 — 29,1 — 565 — — — 40,0 — 34,4 — 660 — — — 48,0 — 39,6 — 750 — —. — 56,0 — 44,6 — 850 — — 64,0 — 50,1 — 950 — 1 Без земляных работ, трубопроводов и сопел. 3 8 прусов. а11 ярусов. 4 С железобетонным резериуарпм. 6 10 ярусов, с кирпичным резервуаром-
^24 Тилы и конструкции охладителей (гл. 4 тов конструкции. Это сильно облегчает и удешевляет монтаж градирни. Постройка градирни средних размеров (площадь <оросителя 100 ж2) с кирпичным резервуаром по данным Цен- тр оэнергомонтажа может быть произведена при надлежащей .организации работ примерно за Температура впаэкного термометра^ °C Фиг, 10-ярусной открытой капельной градир- ни (7 = 4 м^м2 час; ш=1,5 м!ык). 4-49. Кривые охлаждения для 2—3 недели. Градирни этого типа строятся на производи- тельности от 5 до 1 200-е- 1 500 м3/час при площади оросителя до 200 м- и * длине его до 50 м. Из- вестны единичные уста- новки, рассчитанные на производительности до 7 400 мс/час и даже боль- ше. Длина таких градирен доходит до 215—305 м при высоте 14,5—16,5 м й числе ярусов решетника 16—23. Плотности орошения, составляют обычно для " открытых капельных rpaj дирен от 3 до 6 час. Кривые охлаждения для 10-ярусной градирни при плотности орошения 4 м3/м2 час и скорости ветра 1,5 м/сек приведены на фиг. 4-49. В табл. 4-4 указаны расходы материалов и стоимости не- больших открытых градирен, брызгальных и капельных, по дан- ным КТИС Главстройпроекта1 и Молпромпроекта, в табл. 4-5— то же для более крупных капельных градирен с резервуаром из кирпича по проектным данным Центроэнер го монтажа 2. ; Требования к размещению открытых градирен в основном : те же, что для брызгальных бассейнов, но благодаря наличию у них жалюзи, уменьшающих унос воды, они могут распола- гаться более близко к сооружениям и дорогам. Расстояние крупной градирни от расположенных с подветренной стороны .сооружений рекомендуется принимать 30—35 ж, а от откры- . тых электрических подстанций до. 50 ж.. Чтобы обеспечить хо- рошее продувание ее ветром, разрыв между градирней и ближайшими сооружениями, близкими к ней по высоте, должен быть не менее 25—30 ж. 4 час; w 1 КТИС, Малые градирни, вын. II, Стройиздат, 1947 (литограф, издание), 9 В отношении стоимостей охладителей см. сноску на стр, 204.
$ 4-й] башенные градирни — брызгальные и.капельные 225 Таблица 4-5 Расход материалов и стоимость открытых капельных градирен > с жалюзи „Аэратор4* „ I Объем строительных работ | j i лошадь ороси- Число ярусов! Земляные Кирпичная Бетонные Лесомате- Металлп- с о ору же* ЛИЯ, ТЫС- работы, зг:1 кладка, ,ws работы, Ж риалы, .’К'-1 ческие. из- делия, № руб. 48 12 652 160 И 4 о 731 . 61 96 8 ! 1 460 200 25 59 990 86 112 ю : 1 570 234 29 87 1 793 108 192 101 1 830 390 46 148 2 076 152 < 4-6. БАШЕННЫЕ ГРАДИРНИ — БРЫЗГАЛЬНЫЕ И КАПЕЛЬНЫЕ Основным отличием башенных градирен является наличие высокой деревянной или железобетонной вытяжной башни, создающей тягу воздуха черё^"орос‘йТёль благодаря разности удельных весов более холодного и сухого наружного воздуха и воздуха в башне, подвергшегося нагреву и увлажнению при проходе через ороситель. Высота деревянной башни, считая от уровня земли, составляет в зависимости ст производительности градирни от 16 до 50 м, а при изготовлении башни из железо- бетона достигает 90—95 л*. Башенные градирни выполняются брызгалъного, капельного' и пленочного типов. ' В башенных градирнях брызгального типа ороси- тельное устройство представляет собой один или два яруса разбрызгивающих сопел, установленных внутри деревянной вытяжной башни, имеющей квадратное или прямоугольное сечение (фиг. 4-50). Сопла располагаются на высоте 1,5—2 м над горизонтом воды в водосборном резервуаре и направля- ются выходными отверстиями кверху. Башня, начиная при- мерно от уровня отверстий сопел и до ее устья, имеет плот- ную дощатую обшивку. Между нижним краем обшивки и обрезом водосборного резервуара оставляются свободные проемы-окна для поступающего внутрь градирни наружного воздуха. Так как количество охлаждающего воздуха в башенных градирнях меньше, чем в брызгальных градирнях открытого типа, для улучшения охладительного эффекта напор воды у сопел принимается обычно более высоким, порядка 8—10 м вод. ст. Глухая обшивка башни препятствует значительной потере воды при более! тонком ее распиливании и увеличении высоты факела. Эжектирующее действие направленных кверху водяных струй способствует усилению тяги. Плотность орошения в таких градирнях должна быть неве- лика сравнительно с градирнями других типов — порядка 15 Л. Д. Берман.
326 Типы и конструкции охладителей f гл. 4 2 м'^м2 час и ниже, т. е. приближается к плотности орошения в брызгальных бассейнах* Это приводит к большим размерам и высокой стоимости вытяж- ной башни. ’Вследствие не- 6 л а го пр ият и ы х экономиче- ских показателей башенные брызгальные градирни очень мало распространены. В отличие, от этого ба- шенные к а п единые гра- дирни с деревянным решет- ником являются одним из наиболее широко применяют шцхся типов охладителей. Капельные градирни выпол- няются противоточными и поперечно-противоточными. Оросите ль и ое у с г-' р о й с т в о небольшой про- тивоточной градирни охваты- вается .башней (фиг. 4-51,а) а в более крупной градирне— сопрягается с башней при помощи шатра (фиг. 4-51.6); В обоих случаях оно имеет со всех сторон плот- ную обшивку и воздух по- ступает в него через нижние проемы — входные окна, Оставляемое между решетни- ком и резервуаром незапол- ненное пространство — воз- духораспределитель — слу- жит для подвода воздуха во воздуха .в оросителе противо-1 Фиг. 4-50, Башенная брызгальная градирня. все зоны оросителя. Скорость точной капельной градирни составляет обычно' 0,5—113 hi/сек. Вода, подаваемая^ па ороситель свёрху^Ъхлад в нем, падает с нижних ярусов решетника через воздухораспредели- тель в водосборный резервуар. В поперечно-противоточной конструкции (фиг. 4-51,г) по высоте оросителя вместо глухой обшивки устриваются' жалюзи, через которые поступает преобладающая часть воз- духа, и лишь небольшая его часть поступает снизу в централь- ную зону оросителя, работающую по принцип}- противотока. Одно время строились башенные градирни с чисто поперечным током (фиг. 4-51ш), позволяющие благодаря отсутствию воз-, духораспределителя уменьшить высоту подачи воды. Но вслед- ствие ряда недостатков, свойственных таким конструкциям, в
§ 4-fe] Башенные. граД'лрпв--брызгальные и кабельные 2ЙТ частности худшей тяги и неиспользования большой площади, занимаем ой центральной шахтой для отвода воздуха в башню, они не оправдали себя. Из разнообразных типов решетника, применявшихся в башенных градирнях, преобладающее распространение полу- Фиг. 4-51. Схематическое изображение башенных капельных градирен. а й б—противоточные градирни; в—поперечноточная градирня; г—поперечно-противо- точная градирня. J—воздухораспределитель; 2—оросит ль вое устройство (решетник); .?— водораспредели- тельное устройство; 4—вытяжная башня; б-водосборный резервуар; 6— отвод охлажден- ной воды- тили конструкции из грех- или четырехгранных брусков с шах- матным, ступенчатым или каскадным расположением (фиг. 4-52). Размеры сечения трехгранных брусков принимаются от 50X50X71 мм до 40X40X57 мм, четырехгранных брусков 40X20 мм. Бруски укладываются широкой гранью горизон- тально, причем широкая грань трехгранных брусков обра* щается иногда кверху, иногда книзу, что практически равно- ценно с точки зрения сопротивления, оказываемого решетни- ком проходу воздуха. Расстояние между рядами решетника по
228 Типы й Кбйсгруййда охладителей £гл. 4 высоте (высота яруса) принимается 30 -> 36 аи, число ярусов в противоточном оросителе — до 17 : 19. Целесообразное расположение брусков в решетнике может быть установлено только экспериментальным путем. Оно долж- но обеспечивать достаточную поверхность охлаждения при минимальном сопротивлении» оказываемом решетником про- ходу воздуха, причем влияние на охладительный эффект несколько меньшей поверхности охлаждения может быть ком- пенсировано (если наряду с этим уменьшается сопротивление) большим расходом и скоростью воздуха при той» же высоте башни. Величина поверхности самого решетника, как это следует из сказанного в § 3-3, не играет решающей роли. Из приведенной выше (§ 3-5) табл. 3-6 следует также, что высота яруса при обычных ее значениях не оказывает суще- ственного влияния на сопротивление противоточного оросителя, тогда как увеличение шага между брусками в ряду или, иначе говоря, живого сечения решетника, заметно понижает сопротивление. С этой точки зрения более благоприятными являются типы решетника /// и IV (фиг. 4-52), имеющие обычно более узкие и реже расположенные бруски, чем решетник Л К тому же они требуют меньшей затраты матери- ала на бруски. Сравнительные данные для указанных типов решетника приведены в табл. 4-6. Решетник II с каскадным расположением трехгранных брусков имеет несколько более высокое сопротивление на еди- ницу высоты оросителя, чем решетник Z, требует большей за- траты материала и сложнее в изготовлении. Что касается поверхности охлаждения воды, то увеличение высоты свободного падения капель, т. е. увеличение коэффи-
§•4-6] Башенные градирни — брызгальные и капельные 229 Таблица 4-6 Сравнительные данные для различных типов решетника Тип решетника (фиг- 4-52) I in IV Размеры брусков, мм Шаг между брусками в ряду, мм .... Высота яруса, мм . Живое сечение ря- да, %* Объем дерева, % . , 50X30X71 150 350 52,7 100 50X50X71 170 350 58,2 88,2 20X40 120 350 66,7 80,0 50X50X71] 45X45X64 215 | 195 300 1 300 66,5 ! 65,7 81,5 ! 72,7 циентов и гп6 в формуле (3=18)] по меньшей мере компен- сируется при типах решетника III и IV увеличением коэффи- циента разбрызгивания сравнительно с решетником I (фиг. 3-10), а также повышением скорости воздуха, благодаря меньшему сопротивлению оросителя. Поэтому из рассмотрен- ных типов решетника более целесообразными являются типы Ш и IV из более узких и реже расположенных брусков, причем трехгранные бруски с той же шириной b горизонталь- ной грани требуют меньшей затраты материала, чем прямо- угольные. Чтобы избежать значительного провала капель, бруски должны в этих случаях иметь ступенчатое расположе- ние со 'смещением от яруса к ярусу на ширину b горизонталь- ной грани бруска, а расстояние между брусками в ряду долж- но составлять ЗЬ. В поперечно-противоточных градирнях за исключением не- которых специальных конструкций применяются те же типы решетника, что и в противоточных. Кроме правильного выбора типа решетника существенно также обеспечить удовлетворительное распределение поступающего в градирню воздуха. Решение этого вопроса зависит от формы и размеров оросительного' устройства, причем он особенно существенен для больших градирен. Небольшие башенные градирни имеют в плане форму квад- рата или вытянутого прямоугольника, а бблее крупные — форму равностороннего многоугольника (фиг. 4-53 по 4-56 !) , Число сторон многоугольника принимается в зависимости от размеров используемого строевого леса or 6 до 16, большей частью 8—10. Форма вытянутого прямоугольника применяется редко и только при сравнительно небольших размерах гради- рен, так как она неблагоприятна для высокого сооружения, воспринимающего большую ветровую нагрузку. . При увеличении площади, а следовательно, и сопротивлеэ 1 Фиг, 4-55 и 4-56 см. вклейку в конце книги,
30 Типы н конструкции охладителей [Г,’Ь 4 ния градирни увеличивается также и высота вытяжной башни, чем достигается поддержание необходимого относительного расхода воздуха. Принимаемые сейчас соотношения между разме- рами оросителя и башни с дере- вянной обшивкой указаны в табл. 4-7. Диаметр оросителя больших многоугольных градирен достигает 30—60 л$, путь воздуха от вход- ных окон до центральной части оросителя соответственно 15— 30 Л4. Поэтому наряду с увеличе- нием высоты башни предусматри- ваются конструктивные мероприя- тия для уменьшения сопротивле- ния, создаваемого в воздухОрас- 250D- Фйг. 4-53, Башенная капельная i-радирия с небольшой площадью ороси- теля. пределителе падающей водой, и для обеспечения более равно- мерного распределения воздуха но площади оросителя. Лучшее распределение воздуха достигалось в некоторых ьонстру кциях путем у ста нов кн п од п р от t г в оточ л ы м оросителем различного типа водоулавливающих желобов, но это усложня- ло конструкцию и приводило к повышению общего сопротив-
§ JM>] Башенные градирни — брЕязгадьные и капельные 231 . Фцг. 4~54. Небольшая капельная градирня с оросителем, выступающим за пределы основания башни; ЁаЗ .‘.‘в cfe£^
232 Типы и конструкции охладителей [гл. 4 Таблица 4-7 Основные размеры башенных капельных градирен с деревянной башней Площадь оросителе № 200 500 Общая высота гра- дирни (от уровня земли), м . ... . 18 18 Форма оросителя в плане ........... Квадрат Равкостирогниймко- гоугольниц или прямо- угольник с узкой сто- роной 7—12 л« Равносторонний много уго льни Е? Высота подачи во- ды, м............. Отношение пло- щади выходного се- чения башня к пло- щади оросителя . . 7—8 0,3—0,4 0,25—0,3 ления градирни. Сложными н недостаточно эффективными ока- зались и конструкции оросителей с коробами, подводящими свежий воздух в центральную зону оросителя. Более простым и удачным решением является устройство горизонтальных воздухонаправляющих щитов, улавливающих падающую из оросителя воду и облегчающих благодаря этому доступ воз- духа в удаленные от входных окон части оросителя. Установка воздухонаправляющих щитов сочетается в боль- ших противоточных градирнях со ступенчатым увеличением высоты воздухораспределителя в направлении от центра Оро- сителя к периферии за счет постепенного уменьшения числа ярусов решетника, причем щиты также устанавливаются в этом случае на разных уровнях (фиг. 4-55). Такая конструк- ция обеспечивает меньшее сопротивление градирни и лучшее распределение воздуха, в частности также благодаря увели- чению высоты входных окон. Последнее необходимо потому, что с увеличением размеров градирни потребное количество воздуха растет пропорционально площади оросителя, а пери- метр последнего увеличивается лишь пропорционально квад- ратному корню из площади. При сохранении для градирен разных размеров неизменной высоты окон сильно возрастали бы скорость и сопротивление при входе воздуха, а увеличение высоты всего воздухораспределителя было бы связано с соот- ветствующим увеличением высоты подачи воды. Площадь входных окон должна составлять, по возможности, Уз и не опускаться ниже 1/ч от площади оросителя.
§ 4-6 1 Башенпык градирни — брызгальные и капельные 233 По строительным и экономическим соображениям площадь основания вытяжной башни принимается в больших градир- нях меньшей, чем площадь оросителя. Если наружная часть решетника, выступающая за пределы основания башни, имеет плоское или очень пологое перекрытие, доступ воздуха в нее ухудшается, и тогда для увеличения количества поступающе- го сюда воздуха в обшивке оросителя по всему периметру де- лается один или два до- п ол 11 ите л ьны х проема Фиг. 4-57. Распределение воздуха в больших башенных градирнях. л—-площадь просителя ГОр *=2 4D0 jfB, плотность орошении лН/л4® ч«с; б—/?Ор= 120 лН и /=*3,5 м~1м9 чйс- (окна) высотой около 0,5 м. Такие градирни называют обычно поперечно-противоточными, хотя преобладающая часть воз- духа поступает здесь в ороситель, в том числе и в периферий- ную его зону, снизу. Устройство сравнительно невысокого окна в обшивке ие обеспечивает периферийную часть оросителя достаточным ко- личеством воздуха, и опа наряду'с наиболее удаленной цен- тральной частью работает несколько хуже, чем остальная часть оросителя. Это иллюстрирует фиг. 4-57, на которой по- казаны построенные нами по данным испытаний двух устано- вок кривые изменения по радиусу градирни величины и — где Д& и ДО- — среднее .по площади оросителя и местное значение приращения температуры воздуха. Величина р яв- ляет с/л приближенной мерой относительных расходов воздуха в различных зонах оросителя- Приведенный график показывает, что при худших усло- виях входа воздуха (случай а) у изменяется от 0,8 до 1,2; тогда как при лучших условиях (случай б) у меняется в зна- чительно более узких пределах — от 0,94 до 1,03. Дальнейшее
234 Типы и конструкции охладителей Г гл. 4 улучшение, условий дотупа воздуха в периферийную часть оро- сителя может быть достигнуто нутом замены плоского пере- крытия шатром, соединяющим ороситель с вытяжной башней, и устройством воздушного коридора между решетником и об- шивкой (фиг. 4-58). Воздушный коридор, защищенный от по- падания в него воды с крайних розеток с помощью располо- женной сверху внутренней обшивки, применяется и как одно из средств для уменьшения обмерзания градирни. Ширина воздушного градирен 0,4 -т-0,5 м и коридора принимается для малых для больших — до 0,8 н 1 л?. Фиг. 4-58. Схема оросителя большой градирни без плоского перекрытия. Кон ст ру кции, схем ати - чески изображенные на фиг. 4-57,6' и 4-58, пра- вильнее относить с соот- ветствующими оговорка- ми к типу противоточных. Они позволяют обеспечить сравнительно 'равномер^ ное распределение посту- пающего воздуха в ороси- теле без необходимости увеличения высоты пода- чи воды рверх 7,5— 8 м при ПрО1&ВО|ДИТСЛЬНОСТИ градирни примерно до 7 000—8 000 му час- При более высоких во избежание значительного производительностях приходится увеличения высоты подачи воды переходить к поперечно- противоточным конструкциям с обеспечением доступа воздуха в ороситель по всей или почти по всей его высоте (фиг. 4-59). Однако, такая конструкция, обеспечивая доступ большого ко- личества воздуха в периферийную часть оросителя, сильно понижает количество его, поступающее в центральную часть оросителя, и степень неравномерности распределения воздуха очень заметно возрастает. Для уменьшения сопротивления центральной части ороси- теля и установления лучшего соответствия между количества- ми поступающих сюда воды и воздуха в подобных градирнях применяется разрежение решетника и понижение плотности орошения в направлении от периферии к центру оросителя; кроме того, в центральной части оросите л 5/ понижаете я также число ярусов решетника по высоте. Так, например, в ороси- теле, показанном на фиг. 4-59, шаг между брусками изме- няется от 165 мм на периферии до 230 мм в центре и число ярусов решетника, понижается от 19 до 17; плотность ороше- ния на наружной трети радиуса оросителя, где осуществляется поперечный ток, принимается равной 426%, на средней трети--'

236 Типы и конструкции охладителей [гл. 4 80% и на внутренней трети (занимающей по площади около 11%) —30% от средней плотности орошения по всему ороси- телю. В некоторых конструкциях решетник выполняется из Фиг. 4-60. Градирня с гиперболической железобетонной башней. досок, устанавливаемых с разными углами наклона, с тем, чтобы они направляли воздух к центру оросителя. Такие мероприятия наиболее широко используются в гра- дирнях с высокой гиперболической железобетонной башней, рассчитанных на работу с повышенной плотностью орошения (фиг. 4-60). Данные по ряду типичных «гиперболических» гра- дирен и сравнение их с деревянными градирнями по общей вы- соте сооружения и.плотности орошения приведены' в табл. 4-8 s
§ 4-6^ Ёашенные градирни — брызгальные и капельные 23/ Данные по железобетонным гиперболическим градирням * Мепыпая производительность сравнительно с градйрией Г обуславливается климатйчесх имя условиями й меньшей высотой оросителя (вы- сота подачи воды м против 11 л)- ** По пропускной способности водораспределительного устройства. *=“* Высокий ороситель (высота лодачи воды 11 .и).
238 Типы и конструкции охладителей [ гл. 4 В существующих конструкциях гиперболических градирен решетник заполняет все пространство между водораспредели- тельным устройством и водосборным резервуаром. Воздухо- распределителя они не имеют, и воздух поступает в решетник только по периферии оросителя в нижней его части. Чтобы способствовать правильному движению воздуха в оросителе, нижние ярусы решетника, расположенные на высоте входных окон, выполняются из трех- или четырехгранных брусков, верхние ярусы - - из досок шириною 8—12 см и толщиною 1 см, широкие грани которых располагаются под углом к горизон- тали (фиг. 4-61). Угол наклона этих граней принимается или переменный, постепенно нарастающий по мере перехода от S-200-260 Фиг. 4-61. Типы решетника в различных зонах оросителя гиперболиче- ской градирни (обозначения зон см, фиг. 4-60). периферии к центру оросителя и от нижних ярусов решетника к верхним, или для упрощения конструкции постоянным и рав- ным около 60°. В последнем случае принимается переменным, нарастающим к центру, шаг между брусками и досками в каждом ярусе. Кроме того, предусматривается значительное понижение плотности орошения по направлению от перифе- рии к центру: от 170 до 35% от средней. Следует отметить, что расположение решетника в градир- нях, типа представленных на фиг. 4-59 и 4-60, в непосредствен- ней близости К' входным окнам для воздуха требует в райо- на х с суровыми зимами принятия мер против вылетания на- ружу брызг, образующих при морозах наледь вокруг градирни. Опорная конструкция оросителя башенной градирни представляет собой деревянный каркас из стоек (обычно 130 X 130 леи), соединенных между собой горизон- тальными связями. Только в самых малых градирнях (пло- щадь 10—20 м2), где ороситель целиком помещается внутри вытяжной башни, он опирается на каркас последней (фиг. 4-53). Бруски решетника укладываются на доски-подрешетины (25 X 120 мм), иногда в вырезы, имеющиеся в подрешетинах, и прибиваются к ним гвоздями. Для уменьшения количества
§ 4-6 1 Башенные градирни — брызгальные и капельные 239 Фиг. 4-62. Оросительное устройство ,,бсзгвоздевогоа типа. брызг, попадающих в сторону обшивки оросителя и входных окоп, крайние 3—4 ряда трехгранных брусков укладываются иногда одной из узких граней на подрешетины таким образом, чтобы их широкие грани были направлены к центру оросителя (фиг. 4-59). Укладка брусков при отсутствии вырезов в под- решетинах, особенно при переменном шаге между брусками, производится по предварительной разметке на подрешетина?: по шаблонам. Подр ешетины, р ас- положенные через каждые 1 ,5—2 ш, крепятся на неглубО'- ких врубках (10л«) и гвоздях к стой- кам каркаса. На эти же стойки укладыва- ются сверху брусья, служащие опорой для водораспредели- тельного устройства. Имеются так ы.а- зыв аемые « б ез ввоз. девые» конструкции оросителя, в которых применение соедине- ний на гвоздях, под- верженных в усло- виях градирен кор- розии, избегается или сводится к миниму- му. В таких кон- струкциях бруски вставляются в сквоз- ные прорези в под- решетинах или укладываются в имеющиеся сверху подреше- тин вырезы и тогда прижимаются еще сверху планками, при- биваемыми по концам. Подрешетины или укрепляются в сквозных прорезях, сделанных в стойках (фиг. 4-62), или за- жимаются между двумя стянутыми болтами брусьями, из которых составляется в этом случае стойка. Недостатком этих конструкций является большая сложность в изготовлении и затруднительность ремонта оросителя. Разбивка стоек принимается в небольших градирнях по прямоугольной сетке, а в больших многоугольных градирнях также и радиальная. При прямоугольной разбивке стоек ре- шетник укладывается в одном направлении, параллельно од- ной из горизонтальных осей оросителя. Такое расположение допускает более, широкую стандартизацию элементов копструк-
240 Типи и конструкции охладителей [ м. 4 ции оросителя (брусков, подрешетин и др.). При радиальной разбивке стоек подрешетины также располагаются радиально, а бруски решетника укладываются в плане концентрическими многоугольниками, параллельно наружным сторонам ороси- теля (фиг. 4-56). Эта разбивка белее удобна при радиальной схеме водораспределительного устройства. Стойки оросителя устанавливаются непосредственно на дно водосборного резервуара или на железобетонные столбики, вы- ступающие на 10—15 см выше максимального уровня воды в резервуаре. Устройство опорных столбиков способствует большей долговечности деревянных стоек при работе градирни с частыми и длительными перерывами, когда не погруженная в воду часть стоек может просыхать. При непрерывной работе градирни установка их необязательна. Воздухе направляющ не щиты укладываются на горизонтальные связи каркаса оросителя. Ония изготовляются из шпунтованных досок и имеют по внутреннему и внешнему периметрам бортики из брусков. Сток воды со щитов осуще- ствляется через узкие прорези, направленные вдоль пути воз- . духа и на крайних щитах не доходящие на 1,5—2 к до вход- ных окон. Снизу, по краям прорезей, набиваются рейки, пре- пятствующие растеканию воды по нижней поверхности щита. Щиты, расположенные на разных уровнях, должны в плане заходить один за другой на 20—30 см. Водонепроницаемость щитов, необходимая для предотвращения образования наледей из-за замерзания проникающей через неплотности воды, обес-. печивается плотным сопряжением досок, конопаткой швов, а при недостаточности этого и покрытием щитов оклеенной гидроизоляцией (рубероид, борулин или др.). Если для борь- бы с обмерзанием предусматривается создание зимой «водяной завесы» по периферии оросителя, крайние шиты выполняются поворотными или съемными. Во избежание значительного выноса ветром падающих с решетника водяных капель и разбрызгивания воды вблизи градирни с внутренней стороны обшивки оросителя устраива- ются над воздушными окнами сборные желоба и, кроме того, в воздухораспределителе устанавливаются ветровые перего- родки. Отверстия, а иногда также и короба для стока воды из желобов, улавливающих воду с обшивки, располагаются про- тив стоек. Ветровые перегородки изготовляются из досок, набиваемых по стойкам каркаса оросителя. При небольших размерах и прямоугольном сечении оросителя устанавливается одна ветровая перегородка вдоль его длинной оси или две расположенные крест-накрест перегородки. В больших градир- нях устраивается одна или несколько секционирующих пере- городок в диаметральных плоскостях по всей высоте оросителя и во всех углах многоугольника короткие радиальные пере-
§ 4-6] Башенные градирни — брызгальные и капельные 241 Обшивка угли Ц/мтраяънал перегородка Узловая перегар одка Фиг. 4-63. Схема расположения пет- ровых перегородок в большой ба- шенной градирне (план). городки, заканчивающиеся на 1—1,5 м выше верха окон; в углах, па всю высоту входных окон, устраивается наружная дощатая обшивка (фиг. 4-63). Для ограничения количества воздуха, поступающего в оро- си гель зимой, входные окна снабжаются навесными щитами, убираемыми на летнее время. Водораспределительное устройство выпол- няется в виде системы деревянных желобов со сливными труб- ками и разбрызгивающими розетками (фиг. 4-41 по 4-44). Другие конструкции (напорные деревянные короба или трубы из дерева, железа или асбоцемента со специальными разбрыз- гивателями и др.), предлагавшиеся в разное время, не полу- чили широкого распростра- нения в конструкциях ба- шенных градирен. В небольших башенных I ‘р а ди р п я х в о дор а спр с дел и - тельное устройство не отли- чается от описанного выше для откр ыты х кап ел ьн ых градирен, только широкие желоба, преграждающие проход воздуху при противо- точном оросителе, не приме- няются. В больших много- угольных градирнях устраи- вается несколько* маги- стральных желобов, расположенных параллельно друг другу или радиально (фиг. 4-64). Подвод воды в магистраль- ные желоба осуществляется или сбоку (фиг. 4-64,// и 4-65 Н или в центре по железобетонному стояку, проходящему через ороситель (фиг. 4-64,/// и /В), В последнем случае наверху стояка располагается деревянный или, что лучше, железо- бетонный раздаточный ящик, к которому присоединяются магистральные желоба. Для более равномерного распределе- ния воды между отдельными желобами скорость воды в раз- даточном ящике должна быть невелика. Для этого ящику при- дается достаточное сечение и соединение его со стояком осу- ществляется с помощью конического перехода. Если же тру- бы, подводящие воду, доходят до дна раздаточного ящика, рекомендуется устанавливать в последнем решетку, гасящую энергию выходящей из труб БОДЫ. При большой площади оросителя, начиная примерно .от ^00 я2, центральная подача воды целесообразнее. В крупных градирнях над наружной частью оросителя, вы- ступающей за пределы основания башни, часто устраивается 1 Фиг. 4-65 см. на вклейке в конце книги* 16 Л. Д. Берман.
242 Типы и конструкции охладителей [гл. 4 внешний круговой жолоб. Он представляет собой широкое кольцевое корыто, перекрывающее почти всю или значитель- ную долю выступающей части оросителя. Hoi при подаче воз- духа в эту часть оросителя в основном снизу плоское пере- крытие, как уже отмечалось, неблагоприятно с точки зрения распределения поступающего воздуха. Открытый внешний жолоб быстрее загрязняется золой и пылью, а также более подвержен зарастанию водорослями (цветению). Избежать Фиг. 4-64. Схемы водораспределительных устройств. 1—подвод волы (н Ш и JV по центральному стояку); 2 -магистральные желоба; Л—рабочие желоба! 4--внешний жолоб (корыто). быстрого загрязнения внешних широких желобов можно как и в открытых градирнях, закрывая их сверху съемными дере- вянными щитами. Магистральный жолоб водораспределительного устройства иногда выполняется кольцевым’ (фиг. 4-59 и 4-60) и распола- гается вне контура вытяжной башни. На фиг. 4-66 показан разрез кольцевого магистрального желоба, разделенного по всей его длине внутренними стенками на три отсека. Широкий
§ 4-6 ] Башенные градирня — брызгальные и капельные 243 центральный отсек соединен с более узкими боковыми отсе- ками отверстиями во внутренних стенках с щитками для регу- лирования распределения воды (на фигуре щитки не пока- заны). Для выравнивания распределения воды между ради- альными. рабочими желобами, отходящими от магистрального жолоба к центру оросителя, они связываются еще между со- бой посредством круговых уравнительных желобов. Фиг. 4-66. Трехсекцяонный магистральный жолоб. . Схема водораспределительного устройства должна быть увязана с секционированием градирни. При большой площади градирни предусматривается еще возможность выключения периферийной или центральной части оросителя или перерас- пределения между ними нагрузки в зимнее время для преду- преждения обмерзания градирни. Для возможности отключе- ния отдельных зон устанавливаются щитовые затворы в жело- бах. Предпочтительной является схема, допускающая осуще- ствление необходимых переключений при минимальном коли- честве щитков. Щитки, используемые для регулирования рас- пределения воды, снабжаются стопорными устройствами для крепления их в промежуточных положениях. Сбоку градирни обязательно устраивается лестница, а в башне плотно закрывающаяся дверь для прохода на водорас- пределительное устройство. Водосборные резерв у а р ы малых градирен имеют в плане ту же форму, что я ороситель, т. е. квадрат- ную или прямоугольную. Стенки резервуара, являющегося одновременно и основанием башни, выполняются из бутового камня, кирпича или железобетона (фиг. 4-53 и 4-67). В больших градирнях устраиваются обычно круглые же- лезобетонные резервуары с диаметром, по возможности, не более 25 м. Большей частью резервуар располагается не под. всем оросителем, а только под его центральной частью, чтобы избежать необходимости пропускать через днище резервуара опоры под башню. Под наружной частью оросителя устраи- вается железобетонный поддон — «розста» с уклоном в сто- 16*
‘244 Типы и конструкция охладителей [ гл. 4 рону резервуара (фиг. 4-55). По внутреннему периметру розе- ты но предложению инж.- К. И. Корбуш устраивается борт высотой 25—30 см, благодаря которому на розете создается слой воды, препятствующий образованию на ней зимой нале- дей. В нижнюю часть борта закладываются железные трубки для освобождения розеты от воды при выключении градирни. Иногда выполняется кольцевой резервуар, расположенный под наружной частью оросителя, и розета под центральной частью последнего. Наружные контуры резервуара или розеты долж- ны выступать на 0,25—0,30 м за габариты оросительного устройства. Рззрез хтр В'В Фиг. 4-67, Водосборный резервуар малой башен - пой градирни. Плотность резервуара и розеты обеспечивается нанесением штукатурки из жирного цементного раствора с железнением или торкретированием их внутренних поверхностей, а при во- допроницаемых грунтах также гидроизоляцией в виде слоя оклеенного материала или битума между днищем резервуара и бетонной подготовкой. В случаях осадочных грунтов осуще- > ствляется еще дренаж на водонепроницаемом основании с от- водом воды в канализацию (фиг. 4-68). В строительном отношении резервуар и розета выполняют- ся обычно раздельно друг от друга и от железобетонной опор- ной конструкции башни. В гиперболической железобетонной градирне, где фундамент башни играет роль стенок резервуа- ра, днише последнего отделяется от фундамента швом, зали- тым битумом. Глубина резервуара принимается до 1,8—2 я при макси- мальном уровне воды-в нем на 0,3—0,5 м ниже обрезй. Более глубокие резервуары применяются при необходимости созда-
§ 4-6} Башенные градирни — брызгальные и капельные 245 ния-запаса воды для. пожарных или иных целей, но при этом сильно затрудняется чистка ре. зервуара от. скапливающегося в псм-. шлама. Дно резервуара- выполняется с уклоном около 0,1% в сторону приямка, слу- жащего для спуска воды и удаления грязи. Дно приямка располагается на 0,3-0,4 м ни- же дна резервуара. Перед ка- налом или трубами для отвода охлажденной воды устанавли- ваются сетки или решетки. В больших градирнях сетки устанавливаются часто в спе- циальном колодце, к которому подходят трубы из резервуара. Это облегчает выемку сеток для очистки. Рекомендуется устанавливать двойные сет- ки 'с отверстиями не более 10X10 мм. В этом же колодце располагаются обычно* и вы- пуски для слива воды из резер- вуара. При секционировании гра- дирни резервуар разделяется железобетонными стенками или деревянными перегородками на две пли более части. При этом каждая секция имеет от- дельный . отвод охлажденной воды, спуск в канализацию и переливную трубу. Секционирование башенной градирни не равноценно сек- ционированию охладителей других типов, так как выклю- чение части оросителя связано не только с соответствующим уменьшением действующей его площади, но и с реЭким ухуд- шением работы других секций из-за неизбежного попадания в башню большого количества холодного воздуха через вы-
246 Типы и конструкции- охладителей [Таг, 4 ключенную секцию, что приводит к сильному понижению ТЯГИ. " Деревянные башенные градирни, быстро просыхающие в случае их выключения, должны обеспечиваться надежной про- тивопожарной защитой. Необходимо устанавливать наверху башни громоотводы. Помимо пожарного водопровода целесо- Фиг. 4-69. Кривые охлаждения для башенных капельных градирен. /—по эмпирической формулеТайбеля; 2, Л, 4—гарантийные кривые: .5— по Арефьеву. образно предусматривать также трубопровод от системы охлаждающей воды для полива башни с двух сторон при пожаре. Конструкции вытяжных башен рассматриваются подробнее ниже в § 4-8. Технико-экономические показатели1 башенных капельных градирен приведены в табл. 4-9 по 4-11, опытные и гарантий- ные кривые охлаждения для некоторых градирен этого типа-— на фиг. 4-69. 1 В отношении стоимостей охладителей см. сноску на стр. 204.
§ 4-6] Башенные градирни—брызгальные и капельные 247 Таблица 4-9 Расход материалов на сооружение малых башенных градирен капельного типа1 Площадь оро- сителя, лГ ! Лесомате- риалы, л’ Сталь арма- турная:, кг Болты, кг Гвозди, по- ковки и пр., кг Бетон, лг 6,25 17,4 805 483 82 6,7 14,0 22,9 1 420 437 117 11,8 25,0 32,3 2 230 421 164 18,6 39,0 i 46,3 3 090 625 239 25,8- 1 По данным КТИС Главстройпроекта. Градирни с железобетонным резервуаром. Т а б л и ц а 4-10 Расход материалов, объем работ и соотношение стоимостей капельных градирен с башней типа оболочки на железобетонном рамном основании1 Площадь ороси- теля, «И 2 ! | Земляные рабо- ; 1 ты, м3 * i Бетонная подго- . I тонка, лГ Железобетонные конструкции, .ws Ороситель Башня Соотношение стоимостей2, проценты Резервуар [ Роэета 1 Рама Всего Дерево, мя Металли- ческие из- делия, кг Дерево, м3 । Металли* ческйе изделия, кг На 1 № площади Общая, | стоимость 1 30 . . 311 3,9 50 — —— — — -л. и»- • ••—л — — —- 278 5,8 100 — — — -— — —, —- — — 211 8,8 200 520 50 — — 125 60 — 45 183 15,3 400 850 70 41 29 115 185 117 270 72. 2200 — 500 1 300 105 1 ' —« 240 150 II 1 80 — 141 29,5 800 1500 120 72 58 156 285 234 540 108 3 300 — — 1 000 2 000 180 — —. 350 295 130 — 117 48,6 1 200 2 200 200 102 87 191 380 350 800 146 4400 — 1 600 2 670 240 131 116 219 466 468 1070 183 5 500 106 70,0 2 000 3 300 300 152 146 241 539 585 1330 218 6 500 102 85,3 2 400 4 000 360 185 174 265 624 702 1600 261 7 800 100 100,0 1 По данным ияж. Г. Г. Джанибекова и К, И. Корбуш. 5 За 100% принята стоимость градирни с площадью оросителя 2 400 лГ. Градирни рассматриваемого типа строятся на производи- тельности, начиная от 8—10 м3]час и до очень больших, до- стигающих для градирни с деревянной башней 12 000 ж3/адс, а с гиперболической железобетонной башней — 28 000 мА}час в одном охладителе. . Плотности орошения принимаются для них в зависимости от расчетных условий от 2 до 5 л/3/л<2 час, а для гиперболиче- ских градирен примерно до 7,5 м3/м2>час. Повышение плот-
248 Типы и конструкции охладителей (гл, 4 Таблице 4-11 Основные технико-экономические показатели крупных башенных, градирен капельного типа1 Ко и стр у к шгн вытяжной банши Расход основных материалов | 400 800 1 070 1 070 2 000 .2 050* 2 400 2 400 1 520 Деревянная, сетчатого типа.................... С металлическим карка- сом .................. С металлическим карка- сом .............. . С деревянным каркасом С металлическим карка- сом .................. С металлическим карка- сом . . .............. С металлическим карка- сом ................. С деревянным каркасом Гиперболическая железо- бетонная ............... 1 050 178 . 1 104 282 219 62; — ; j 1 650 314 60 374 326'107 46 2 000 2 000 — — ; 579 - 719 774 755 215 163 51 3 300 — 11 000 1 177 307 92 ‘ — — Р 000 1 104 267 . 97 4 000 4 000 — — 4 374 981:300 — 1 410 1 055:345 130 - — — — 872 1 740|400 .137» 561 603 922 1 По данным Тепдоэлектропроевта иг Промэиергопроекта. 3 В ценах 1436 г. * Поперечно-противоточная — типа, показанного га фиг. 4-58. * * Арматура. ности орошения в гиперболических градирнях достигается за счет увеличения высоты вытяжной башни (см. табл. 4-8) и применения более эффективного, но сложного в выполне- нии оросителя. В последние годы наблюдается также тенденция и к неко- торому увеличению высоты деревянных башен с железным каркасом для крупных градирен с площадью оросителя более 1 300—1 500 м'2. Так, для градирен с площадью оросителя 1 800 м2 общая высота вместо принимавшихся ранее примерно 44 м доводится до 50 м, а в отдельных случаях до 57—601 м, что позволяет увеличить плотность орошения при том же охла- дительном эффекте. Соор ужение башенных градирен, особенно градирен боль- ших размеров, требующих значительного объема земляных и железобетонных работ, должно производиться по возможности в теплое время года. Монтаж деревянных конструкций гра- дирни в зимнее время также нежелателен, так как при заби- вании гвоздей в мерзлые доски и бруски дерево трескается. Срок сооружения градирни сильно зависит от ее конструкции
§ 4-7 j Башенные градирни — пленочные и комбинированные 249’ и местных условий. Он составляет для градирни пдбЩадьЮ’ 1 000—1 300 м2 с деревянной башней и железным каркасом примерно 2 мес., а для градирни площадью около 1 500 м2 с; гиперболической железобетонной башней высотой 55 мм до- 8—10 мес. Вследствие независимости охладительного эффекта башен- ных градирен ст наличия ветра они могут располагаться в сравнительной близости к другим сооружениям. Этому благо- приятствуют также незначительный унос воды и отвод уходя- щего влажного воздуха на большую высоту. Все же при боль- ших размерах башенных градирен, когда содержащийся в ухо- дящем воздухе водяной пар нс может быть быстро поглощен- окружающей более холодной атмосферой, наблюдается конден- сация этого пара и осаждение образующихся водяных капель, а также уноса, на --прилегающей территории. Это может при- водить зимой к образованию гололеда на проводах открытых электрических подстанций и линий передачи. Поэтому расстоя- ние от большой градирни до открытой подстанции следует принимать от 40 до 60 м в зависимости от преобладающего направления ветра в зимнее время. 4-7; БАШЕННЫЕ ГРАДИРНИ ~ ПЛЕНОЧНЫЕ И КОМБИНИРОВАННЫЕ Пленочные градирни отличаются от капельных, главным образом, конструкцией оросителя-. Развитая поверхность охлаж- дения создается в них путем слива воды в форме.тонкой плен- ки толщиной 0,2—0,4 мм по каким-либо поверхностям. Приме- нялись пленочные оросители из металлических сеток, колец Рашига, гончарных труб, фасонных кирпичей, наклонных дере- вянных. планок, деревянных брусков обтекаемой формы, полотнищ и др., но преобладающее распространение получили сейчас конструкции с оросителями из деревянных щитов. Пленочные градирни выполняются, как правило, чисто- противоточными. Щиты высотой 3—5 м устанавливаются на расстоянии 4—8 см друг от друга и по остающимся между ними узким каналам снизу вверх движется воздух, охлаждаю- щий стекающую по поверхности щитов водяную пленку (фиг. 4-70). Щиты собираются из уложенных на ребро тонких досок и либо изготовляются на месте с жестким закреплением их в оросителе, либо, предварительно заготовляются на стон роне в виде небольших стандартных элементов,, устанавливае- мых на место в готовом виде. При жестком закреплении щитов, принятом в первой оте- чественной конструкции пленочной градирни, разработанной в 1932 г. строительно-монтажным бюро ВТИ (инж. К. И. Кор- буш" при участии А. И. Арефьева), доски прибиваются гвоз- дями к вертикальным рейкам, расположенным на расстоянии
250 Типы и конструкции охладителей [гл. 4 0,8—1,2 м друг от друга (фиг.- 4-71). К доскам первого’ щита прибивается следующий ряд реек, к последним доски вто- рого щита и т. д., пока не заполняется весь ороситель. Толщина реек выбирается в соответствии с заданным расстоя- нием между щитами. Рейки служат также опорой для водо- распределительного устройства. Для этого они выпускаются Фиг. 4-70. Башенная пленочная градирня. [выше щитов оросителя и на них укладываются брусья под желоба. Нагрузка от щитов и желобов передается рейками горизонтальным брусьям деревянной опорной конструкции. В другой конструкции, предложенной ВТИ, сборка щитов осуществляется путем закладывания горизонтальных досок, по образцу шандор, в зазоры между рейками, набитыми на попе- речные прогоны из досок, крепящихся по стойкам (фиг. 4-72 и 4-73). Доски щита соединяются между собой в четверть или в треугольный шпунт. Нижняя доска каждого щита опирается краями на горизонтальные опорные брусья, благодаря чему
ф«'г.’4-71. Ороситель пленочной градирни (план и разрез).
252 Типы и конструкции охладителей гл. 4 направляющие и разделительные рейки не воспринимают на- грузки и могут быть прибиты тремя-четырьмя гвоздями каж- дая. Свободно закладываемые доски щитов нс пришиваются' гвоздями. Волее простой в изготовлении и легче поддающейся ре- монту является получившая распространение в последние годы и принятая сейчас Теплоэлектропроектом конструкция из не- больших стандартных щитов, устанавливаемых в несколько Плои ёаЗараспредалительлозз устрааства, ерзштеля и резервуара ярусов по высоте оросителя. Такие щиты выполняются высотой 0,8 -ч- 1,5 .м и шириной 1,5 -2 м. Доски располагаются в них не вплотную друг к другу, а с вертикальным зазором между ними до 4—5 см и скрепляются двумя-тремя рейками, распо- ложенными на расстоянии до 0,7-т- 0,9 м друг от друга (фиг. 4-74). Щиты устанавливаются на горизонтальных пар- ных схватках каркаса оросителя под небольшим углом к вер- тикали (4,5—5°, иногда до 15°) с изменением направления наклона щитов на обратное при переходе от яруса к ярусу (фиг. 4-75). Сопротивление такого оросителя проходу воздуха несколько выше, чем оросителя из сплошных вертикальных щитов. При любой из описанных конструкций для изготовления щитов следует применять менее подверженные короблению
$4-7] Башенные градирни — пленочные и комбинированные 253 Сёхция яржшпёяя узкие доски шириной 100 мм и толщиной не более 10—12 мм. В настоящее врёмя применяются и более тонкие доски—до 6—8 мм, что сильно облегчает конструкцию и повышает ее компактность. При постоянном омывании их водой щиты из тонких досок достаточно долговечны. Щиты изготовляются из нестрогапных досок. Когда градирня работает периодически с выключениями на длительные периоды (сезонная нагрузка), условия для сохран- ности деревянной конструк- ции неблагоприятны, и в этих случаях иногда приме- няют для изготовления оро- сителя другие материалы, например пустотелые кирпи- чи, образующие вертикаль- ные каналы, внутри которых по стенкам стекает водяная пленка (фиг. 4-76,а). Пусто- телые кирпичи соединяются на растворе и связываются -еще железной арматурой. Такая конструкция очень долговечна, ио сложна й до- рога в изготовлении. Тепло- электропроектом была пред- ложена более простая и лег- кая конструкция пленочного оросителя из асбоцементных (асбошиферных) листов тол- щиной 5 мм (фиг. 4-76,6), но в практике строительства промышленных градирен применение асбошпфера в качестве материала для щи- тов пока еще не проверено. Заполнение всей площади пленочного оросителя, собирающегося из плоских щитов или фасонных пустотелых кирпичей, активной орошаемой поверх- ностью наиболее просто достигается при квадратной или прямоугольной его форме в плане (фиг. 4-72). В этом случае все щиты могут быть одинаковыми или достаточно щитов .двух-трех различных размеров, что сильно облегчает массовую заготовку на стороне стандартных элементов конструкция оро- сителя. Поэтому и довольно большие башенные градирни пле- ночного типа имеют иногда квадратный ороситель при много- угольной или круглой вытяжной башне. Квадратная 'форма оросителя в плане допускает удобное -сопряжение его с восьмиугольной вытяжной башней и обыч- Фиг. 4-73. Крепление щитов в пленочной градирне.
254 Типы и конструкции охладителей [ гл. $ но не вызывает затруднений в расположении опор под башню. Части оросителя (по его углам)» выступающие за пределы контура башни и имеющие сравнительно пологие перекрытия, оказываются при этом, как подтверждают опыты ВТИ на мо- делях, в достаточно благоприятных условиях в отношении по- ступления в нйх свежего воздуха. Направление щитов, если они снабжены в нижней части зубчатыми фестонами (см. ни- же), должно приниматься в каждом из четырех секторов, образуемых диагоналями, проведенными через вершины квад- па А 8 фиг. 4-74. Стандартные щиты пленочного оросителя. рата, параллельным соответствующей стороне квадрата. При расположении стоек в вершинах квадратной сетки изменение направления щитов не требует какого-либо изменения их раз- меров, т. с. увеличения числа типов щитов. Квадратная форма оросителя была принята в свое время в проекте пленочной гра- дирни ВТИ, а сейчас принята также в типовой конструкции Промэнергопроекта. Для оросительных устройств больших пленочных градирен применяется, однако, и форма равностороннего многоуголь- ника (фиг. 4-77), Число сторон многоугольника принимается равным 8 для градирен производительностью до 7 000 м2/час и 12 для градирен более высокой производительности. Выбор многоугольной формы оросителя в плане может иногда обус- лавливаться конструктивными соображениями, связанными с устройством опорной конструкции под башню. Недостатком такого решения является необходимость изготовления больше
§4-7] Башенные градирни — пленочные и комбинированные .255' Фиг. 4-75. Разрез пленочного оросителя из стандартных щитов
256 Типы и конструкции охладителей [ гл. 4 го числа щитов разных размеров для лучшего заполнения ими площади оросителя. Опорная конструкция вытяжной башни, как правило, выно- сится в пленочных градирнях даже, самых крупных за пределы ф Элемент сриситапя из юдоцемлнтных лисгпоЗ Фиг. 4-76. Пленочные оросители из пустотелых кирпичей и асбоцементных листов. оросителя, поскольку при обычной для таких градирен высо- кой плотности орошения площади сечения оросителя и основа- ния башни оказываются близкими между собой. Более равномерное распределение воздуха в оросителе и увеличение площади входных окон может дости- гаться в пленочных градирнях, как и в капельных, ступенчат
.4 4-7] Башенные градирни — пленочные и комбинированные 2571 Фиг, 4'77, План оросительного устройства пленочной градирни. 1 ' Л. Д, Берман.
258 Типы и конструкции охладителей [ гл. $ тым увеличением высоты воздухораспределителя в направле- нии от центра оросителя к периферии. Высота входных окон и' воздухораспределителя, особенно на стороне поступления воздуха, должна быть у пленочных градирен большей, чем у капельных, так как более высокая плотность орошения тре- бует и соответственного увеличения количества поступающего воздуха при том же периметре оросителя. Воздухонаправляющие щиты в пленочных градирнях обыч- но не применяются. Чтобы освободить проход для воздуха и уменьшить сопротивление воздухораспределителя, вода, сте- кающая со щитов, собирается в отдельные струи. В конструк- ции, показанной на фиг. 4-71, это осуществляется устройством внизу щитов широких (85—90 см) зубцов, на которые наби- ваются в 3 ряда пр высоте тонкие планки, образующие благо- даря скашиванию верхних граней маленькие желобки, направ- ленные к острию зубца. Стекающие с зубцов струи падают непосредственно в резервуар или в водосборные желоба. Устройство желобков для направления стекающей воды вызы- вает заметное сужение воздушного сечения между щитами и требует очень трудоемкой работы по изготовлению и на- бивке большого количества планок. Аналогичными недостат- ками обладали и другие предлагавшиеся ранее способы сбора воды (устройство канавок в теле щита, установка желобков под каждым щитом и др,). В настоящее время наиболее широко принят способ, пред- ложенный ВТИ и заключающийся в устройстве снизу щита фестона из небольших зубцов шириной всего 15—16 см и вы- сотой 6—8 см (фиг. 4-73 и 4-74). Эти размеры выбраны, исхо- дя из опйтных данных, таким образом, чтобы вся вода сте- кала к остриям зубцов, не срываясь в виде капель с их боко- вых граней. Благодаря этому отпадает необходимость в до- полнительных устройствах для направления воды, В пленочных градирнях больших размеров применяется также уменьшение плотности орошения в направлении от пе- риферии к центру, но в более узких пределах, чем это делает- ся в поперечно-противоточных капельных градирнях, примерно' от 115—120% от средней плотности орошения на периферии до 75—80% в центре оросителя (фиг. 4-78). Водораспределительное устройство выпол- няется в пленочных градирнях так же, Как и в капельных. Для подачи воды на щиты прежде применялись различные вспомо- гательные устройства (бруски с канавками, оголовки, перелив- ные желобки, наклонные щиты и др.), сильно усложнявшие конструкцию оросителя и увеличивавшие сопротивление про- ходу воздуха из-за сужения живого сечения. Но, как было показано ВТИ, в каких-либо специальных приспособлениях для распределения воды по щитам нет необходимости. При обычном водораспределительном устройстве, состоящем из
§ '^'1 1 Башенные градирни — пленочные и комбинированные. 259 желобов со сливными трубками и разбрызгивающими розетка- ми, вылетающие с последних капли двигаются по довольно пологим траекториям и основная масса их попадает на щиты. Провал воды между вертикальными щитами высотой около 1,5 м даже при неподвижном воздухе не превышает Зд-5%, а при большей высоте щитов, и особенно при встречном дви- жении воздуха, еще более снижается. pGCf^'j‘o^j£JMue рабочих зк&лобиЗ Расстояние по радиусу оросителе Фиг. 4-78. Изменение плотности орошения в пленочной градирне. В пленочных градирнях большее значение приобретает вопрос об уменьшении сопротивления движению воздуха, со- здаваемого водораспределительным устройством, так как более высокая плотность орошения приводит при тех же скоростях воды в желобах к значительным размерам последних. Чтобы избежать сильного уменьшения сечения для прохода воздуха между желобами, они выполняются узкими и высокими, а иногда им придается еще более удобообтекаемая форма 5 1 Такие желоба из железобетона применялись и в гиперболи- ческих градирнях, также работающих с повышенной плотностью орошения.
260 Типы и конструкции охладителей [ гл. 4 (фиг. 4-79). Для разбрызгивания поступающей воды в пленоч- ных градирнях могут быть использованы описывавшиеся вы- ше розетки с бортовыми желобками (фиг. 4-43) или предло- женные ВТИ несколько видоизмененные розетки этого же типа (фиг. 4-80). Последние отличаются тем, что число желобков увеличено в них с 32 до 48, причем чередующиеся желобки имеют два различных угла выхода воды, благодаря чему со- здается двухярус пый водяной факел с более широкой активно орошаемой зоной. В небольших градирнях могут быть также Фиг. 4-79. Рабочий жолоб. Фйг, 4-80. Разбрызгивающая розетка с двухярусным факе- лом. использованы сопла или разбрызгиватели, присоединяемые к водораспределительным трубам. Водосборные резервуары пленочных градирен не отлича- ются от применяющихся в башенных градирнях капельного типа, но вследствие меньшей площади градирни при той же производительности резервуары и в больших установках вы- полняются обычно под всем оросителем или с розетой незна- чительных размеров. Основные размеры ряда выполненных башенных градирен пленочного типа большой производительности приведены в табл. 4-12. Смачиваемая поверхность щитов (с обеих их сторон) со- ставляет в этих градирнях, рассчитанных на обслуживание конденсационных установок электростанций, 14—16 м2 на 1 м?[час расхода охлаждаемой воды. Пленочные градирни имеют при той же площади оросителя несколько более высокую башню, чем капельные градирни, что
§ 47 ] Башенные градирни — пленочные и комбинированные 261 Таблица 4-12 Данные по башенным градирням пленочного и комбинированного ТИПОВ —8— 10° С) Тип градираи Пленочный Капельно-пле- НОЧНЕнЙ 1 Площадь оросителя, 1 730 1 160 1 200 1 320 1 150 1 400 д<э 625 Форма в Питано (чис- ло граней равно- стороннего много- угольника) .... 4 8 12 12 12 8 4 Высока щитов, я « 4,4 4,05/4,8 3,75 — — .— — Поверхность щитов (с обеих сторон), тыс. а/2 84,6 123 47,8 Высота подачи воды, м . . . 8,5 8,2 9 7,8 8 7,5 Полная высота гра- дирни, м .... . 45 40 45 45 50 35 Отношение выходно- го сечения башни к площади ороси- теля 0,61 0,47 0,44 0,45 (0,45) Производительность, м^час . . . 6200 6 000 8000 10 000 10000 7 000 8 000 Плотность орошения, ,и3/л#‘г час 9,9 8,3 7,0 8,3 7,6 6,1 j 5,7 связано с большей гидравлической и тепловой нагрузкой на единицу площади. В проектах пленочных градирен, разработанных Л. О. ТЭП, приняты следующие соотношения основных размеров: Площадь оросителя, Полная высота градирни, л« Отношение площади вы- ходного сечения башни к площади оросителя 120 300 650 800 1 200 1 600 30 35 40 45 45 50 0,35 0,4 — 0,5 Высота подачи воды составляет 7,5 м в градирнях с пло- щадью оросителя 120 и 300 я2 и Ко—8,5 м в более крупных градирнях. Наряду с' чисто пленочными градирнями применяются и конструкции 1 с комбинированным «к а п ельи о - пл ено ч- н ы м» оросителем. Такой ороситель состоит частью из решет- ника капельного типа, частью из щитов. Щиты или распола- гаются в нижней части оросителя под несколькими ярусами решетника (фиг, 4-81,а) или же чередуются по высоте ороси-
262 Типы я конструкции охладителей Г гл. 4 теля с решетником (фиг. 4-81,6). Первая конструкция при- меняется преимущественно при переделке существующих ка- пельных градирен с целью повышения их производительности, вторая — для вновь сооружаемых градирен. Некоторые данные для граДирен с комбинированным оросителем приведены в табл. 4-12. На фиг. 4-82 приведены опытные кривые охлаждения да я башенных пленочных градирен. Фиг. 4-81. Оросительные устройства комбинированного (капельно-пленочного) типа. При правильном выборе размеров башенные градирни раз- личных типов '(капельные/ капельно-пленочные, пленочные) могут обеспечить тот же охладительный эффект и мало раз- личаются с эксплоатационной точки зрения. Они отличаются друг от друга требуемой для тех же расчетных условий плот- ностью орошения, а соответственно и занимаемой площадью' Примерные соотношения между плотностями орошения для башенных градирен различных конструкций при одинаковом охладительном эффекте показывает фиг. 4-83 *. * График построен по материалам, предоставленным нам и'нж. Е. М. Бурмейстером. Эти материалы обнаруживают некоторые расхождения с
4~7) Башенные градирни— пленочные и комбинированные 263 Чисто пленочные градирни, являющиеся наиболее компакт- ными, требуют сравнительно с капельными градирнями боль- шего расхода лесоматериалов на единицу занимаемой ими площади. Но благодаря более высокой плотности орошения, достигающей для них 7—10 .и3Ди2 чась затрата дерева, отне- сенная к одинаковому количеству охлаждаемой воды, оказы- вается для пленочных градирен при обычной сейчас небольшой толщине щитов практиче- ски той же, что и для ка- пельных градирен. Объем планировочных, земляных и железобетонных работ для пленочных градирен всегда меньше, чем для капельных. Кап ел ыю - пленочные градирни занимают по плотности орошения про- межуточное положение между чисто пленочными д ' капельными градир- нями. Некоторые технико- экономические показатели башенных пленочных гра- дирен приведены в табл. 4-13 *. Единичная произ- водительность таких гра- дирен достигает 16 000 м^/час. Размещение их на тер ритор ии пр о м п р ед- приятия легче, чем капель- ных градирен, вследствие их большей компактности. Фиг. 4-82. Кривые охлаждения для башенных пленочных градирен. Переоборудование капельного оросителя на пленочный может быть применено в случае необходимости для повыше- ния производительности существующей градирни. Но посколь- ку высота вытяжной башни капельной градирни не позволяет обычно обеспечить достаточно эффективное использование чисто пленочного оросителя, более целесообразно в таких слу- чаях переходить на капельно-пленочный ороситель, заменяя щитами только нижние ярусы решетника. опытными данными (ср. нанесенную' на фиг. 4-83 пунктиром опытную кривую для капельных градирен), но позволяют наглядно и в основном правильно характеризовать использование занимаемой площади градир- нями различных типов. * В отношении стоимостей охладителей см. сноску на стр. 204.
264 Типы и конструкции охладителей Фиг, 4-83. Плотности орошения для башенных градирен различных конструкций при одинаковых расчетных условиях (г=~18,6°С), Таблица 4-13 Расход материалов и стоимость башенных пленочных градирен •й S й Лесоматериалы, jws 0 W я Рч £ а и , л ь j И Ь ф й из а ч ф о « у О ' Ея- КТЗНЬИСИ йедарйе делите устрой оросит § g О - ё ч 43 о F. £ S "5 С ь ф £ о к <£ М и Ф Ф я Л Л О А is Я SC § ей < № ф ё <р э 4ft 120 147 27 120 57 177 34 203 290* 950 116 16 48 248 143 391 300 — 271 43 ~~~ 251 90 341 60 371 500 — 408 77 -||»и 408 116 524 67 513 650 — 485 96 — 503 150 653 91 635 800 —. 576 167 — 591 165 756 И1 942 1200 ““—. 730 239 876 210 1 086 141 1 041 1 500 — 780 288 1 104 405 1 509 190 — * С дёрепяяньш каркасом башки я кирпичным резервуаром (проект ЦЭМ);. осталь- ные с металлическим каркасом и железобетонным резервуаром (проекты Л. О, ТЭП). 1 В ценах 1945 г. для условий Донбасса.
§ 4'8] Вытяжные башни 4-8. ВЫТЯЖНЫЕ БАШНИ Вытяжная башня вследствие ее значительной высоты тре- бует довольно большой затраты материалов и вызывает наи- большие трудности при сооружении башенной градирни. В эксплоатации она требует специального надзора и периоди- ческих ремонтов для сохранения достаточной плотности и ме- ханической прочности. Благодаря доступности и невысокой стоимости дерева наи- большее распространение получили деревянные башни с дере- вянным или железным каркасом, но за последние годы все* шире применяются для больших градирен, особенно в райо- нах, бедных лесом, также и железобетонные башни. Цельно- металлические (железные) башни, одно время получившие* в некоторых странах сравнительно широкое распространение, не оправдали себя вследствие высокой стоимости и недолго- вечности из-за коррозии. Очень дороги и поэтому не получили распространения башни из кирпича. Деревянные башни малых градирен имеют обычно квадрат- ное или прямоугольное сечение. Каркас их состоит из ряда основных стоек-мачт, связанных горизонтальными брусьями и раскосами (фиг. 4-53 и 4-54). С внутренней стороны к кар- касу крепится обшивка из вертикальных шпунтованных досок. Для больших башен более целесообразной с точки зрения устойчивости сооружения является круглая форма сечения или приближающаяся к ней форма равностороннего многоуголь- ника. Деревянные башни крупных градирен раньше выполня- лись многоугольными с каркасом из плоскостных ферм, но затем эта конструкция башен была заменена более экономич- ными. Значительными преимуществами в отношении затраты материала, простоты сооружения и устойчивости обладает бескаркасная круглая деревянная башня типа консольной до- щатой оболочки, конструкция и теория расчета которой были разработаны инж. А. Л, Шубиным1. Башня-оболочка, требую-- щая затраты дерева, приблизительно на 30% меньшей сравни- тельно с каркасной башней, и примененная в свое время для довольно большого числа градирен, состоит из двух рядов досок, наклоненных в противоположные стороны под углом 45° к горизонтали, и не имеет ферменных стоек (фиг. 4-84). Общий амортизационный срок может достигать для такой башни по оценке ИНИГ1С 15—20 лет. Но она обладает тем недостатком, что все ес элементы являются рабочими частями оболочки, вследствие чего ремонт башни сильно за- трудняется. Поэтому предпочтение отдается каркасным баш- ням, в которых обшивка не служит рабочей частью несущей конструкции. 1 См. составленную А. А. Шубиным главу в книге И. Т. Благо в з, Градирни, Энергоиздат, 1933, стр. 137.
266 Типы и конструкции охладителей [ ГЛ. 4 Для облегчения деревянного каркаса Теплоэлектропроект использовал принцип башни Шухова. В разработанной им кон- струкции вытяжной башни каркас выполняется из прямых стоек, расположенных по образующим гиперболоида вращения (фиг. 4-85). Это обеспечивает жесткую систему, хорошо со- противляющуюся ветровой нагрузке. Центрсэнергомоптажем предложена другая, несколько бо- лее дешевая, конструкция каркасной башни «сетчатого» типа, Фиг. 4-84. Общий вид и деталь обшивки башни-оболочки. I - основные кольца; 2мовтажвые кольца; —стойки; 4 — накладки: 5 —доски . лнешиего слоя обшивки; б — доски внутреннего слоя обшйвки; 7— гвозди. выполняющаяся, как и башня-оболочка, из одних досок.' Кар- кас сетчатой башни изготовляется из досок, наклоненных в противоположные стороны под углом 45—50° к горизонтали,, вертикальных составных стоек из досок и горизонтальных до- щатых колен (фиг. 4-86а и 4-866). Чисто деревянные башни (оболочка, шуховская, сетчатая) -нашли у нас применение для градирен с площадью оросителя до 2 400 .и2. В последнее время деревянные башни крупных градирен (площадь оросителя 800—1 000 м2 и выше) строятся преиму- щественно с металлическим каркасом (фиг. 4-55 и 4-87). При больших размерах такие башни конструктивно проще, дешевле и долговечнее. Применение металлического каркаса сильно облегчает сооружение высокой башни, так как каркас может при этом монтироваться заранее собранными укрупненными
Фиг. 4-85, Вытяжная башня с гиперболическим деревянным каркасом. блоками, устанавливаемыми на место при помощи крана. Моя- таж металлического каркаса укрупненными блоками требует некоторого увеличения сечения стоек с учетом нагрузки при подъеме отдельных частей, но зато сильно сокращает сроки сооружения башни. В ряде случаев при отсутствии леса при-
268 Типы и конструкции охладителей менение башни с железным каркасом может быть целесооб- разным и при площади оросителя меньше 800.м2. Деревянная обшивка башни каркасного типа выполняется из вертикальных шпунтованных досок толщиной 25 ям (после Фиг. 4-86а. Сетчатая деревянная башня. Внешний вид и разрез (стойки каркаса на фасаде не показаны). остружки наружной поверхности не менее 21—23 мм) и шири- ной не более 15 см. Соединения досок между собой должны быть плотными, чтобы в башню не проникал холодный воздух, снижающий силу тяги. Обшивка крепится на гвоздях к гори- зонтальным схваткам или брусьям с оставлением зазора меж-

27 0 Типы и конструкции охладителей ггл. i ду ней и каркасам в 10—15 см (фиг. 4-88). Зазор необходим для проветривания и возможности осмотра деревянного кар- каса или окрашивания со всех сторон металлического каркаса. Фиг. 4-87. Внешний вид вытяжной башни с металлическим каркасом. Для облегчения осмотра и ремонта обшивки и каркаса снару- жи башни делается служебная лестница, доходящая до са- мого верха башни, где по периметру последней часто распола- гается еще кольцевая площадка.
§ 4-8] Вытяжные башни 27 г' Известны случаи постройки в Германии вытяжных башен с металлическим каркасом и обшивкой из асбоцементных вол- нистых плит1. Плиты поддерживаются каждая двумя скоба- ми (крючками). Скоба одним концом обхватывает швеллер каркаса, другим поддерживает плиту, которая прикрепляется еще к утолщенной выступающей части скобы с помощью болта (фиг. 4-88,в). Ц1вы для уплотнения замазываются. Асбоце- ментные плиты хорошо противостоят воздействию атмосфер-- ных условий и по весу не превосходят обычную деревянную- Фиг. 4-88. Крепление обшивки в вытяжных башнях. а— башня с деревянным каркасом; б — башня с металлическим каркасом, « - с металлическим каркасом и обшивкой из волнистых асбоцементных плит. обшивку. Вашим с такой- обшивкой несколько дороже дере-- вянных. В частности, небольшие строительные размеры плит требуют увеличения количества горизонтальных связей кар- каса, что повышает его стоимость. Деревянная башня устанавливается в капельных градир- нях, исключая только самые малые, на железобетонном осно- вании, проходящем через ороситель. Основание башни пред- ставляет собой или ряд связанных верхним кольцом колонн,, стоящих на отдельных фундаментах-башмаках (фиг. 4-89,а),, или рамную конструкцию из мелких стоек, перехваченных поя- сами и опирающихся на ленточный фундамент (фиг. 4-89,6). В малых градирнях деревянные стойки башни опираются на стенки водосборного резервуара. 1 В СССР этот материал применяется в строительстве промыш- ленных зданий. Способы крепления плит и опыт монтажа см. Статью- H. И. Лукашина в журнале „Строительная промышленность", 1947; № 7, стр. 3.
212 Типы и конструкции охладителей [гл. 4 Отличие деревянных башен пленочных градирен обуслав- ливается только тем, что и при больших размерах градирни площадь основания башни принимается равной площади оро- сителя. Железобетонная рамная конструкция, на которую опи- рается деревянный каркас башни, охватывает при этом ороси- тель, а при железном каркасе его стойки большей частью до- водятся до низа оросителя, где они опираются на отдельные /железобетонные столбы, выступающие над поверхностью зем- Фиг. 4-89. Железобетонные опорные конструкции под башню. ли на 0,5—0,75 м (фиг. 4-87). Элементы железного каркаса, расположенные против входных окон, заключаются для пред» охранения их от коррозии в железобетонные обоймы. Железобетонные вытяжные башни дороже по первоначаль- ным затратам и сложнее в изготовлении, чем описанные выше деревянные башни, но более долговечны, требуют меньших эксплоатационных затрат и сокращают длительность простоев на ремонт. Вследствие их высокой стоимости они оправдывают себя, как правило, для градирен большой производительности и работающих с большой плотностью орошения. Первоначально железобетонные башни выполнялись с пря- моугольным и многоугольным сечением или цилиндрические с круглым сечением, но сейчас наиболее широко принятой для лих является форма гиперболоида вращения (фиг. 4-60), обес-
§ 4-8 ] Вытяжные башни - 273 почивающая максимальную устойчивость сооружения и позво- ляющая поэтому строить башни значительной высоты, дости- гающей в отдельных установках 90—95 м (см. табл. 4-8). Вследствие благоприятной формы высокая «гиперболическая* башня допускает незначительное заглубление основания, что наряду с малым давлением на грунт облегчает сооружение больших градирен при слабых грунтах. Гиперболическая башня выполняется в виде армированной тонкостенной оболочки с двойной арматурой. Толщина стенки составляет в зависимости от размеров башни от 30 до 60 см внизу, над спорными стойками, и постепенно снижается затем до 8-4-15 си у верхнего кольца жесткости, которым заканчи- вается башня. Башня охватывает обычно оросительное устрой- ство и опирается с помощью косых шести- или восьмигранных стоек на ленточный фундамент. Проемы между косыми стой- ками служат входными окнами для воздуха, а ленточный фун- дамент, имеющий форму опрокинутого и слегка наклоненного тавра, играет также роль1 стенок водосборного резервуара. Бетонирование нижних элементов конструкции до опорного кольца оболочки производится в обычной деревянной опалуб- ке, бетонирование оболочки башни — в переставной металли- ческой опалубке специального типа с помощью металлических лесов. Общая затрата металла на инвентарные леса и опалуб- ку приблизительно в 3 раза превышает расход его на самую градирню (арматура) и почти в 2 раза больше затраты метал- ла на деревянную башню с железным каркасом для градирни той же производительности. Поэтому существенной предпосыл- 1 кой для экономической целесообразности сооружения такой башни является возможность многократного использования ! необходимого вспомогательного оборудования. ; До настоящего времени гиперболические железобетонные башни применяются только для капельных градирен, причем для повышения плотности орошения кроме увеличения высоты ? башни в этом случае приходится идти на заметное усложнение i конструкции оросительного устройства. Вполне возможно, од- & ; нако, сочетание такой башни с оросителем пленочного типа, ; что может привести к более простому и целесообразному ре- J шению. Существуют конструкции вытяжных башен, предусматри- j вающие специальные меры борьбы с образованием «дождя* J вблизи больших градирен. Для этой цели применяется над- г стройка дефлектора над башней или устройство отверстий { вверху башни с тем, чтобы холодный воздух, проникающий через дефлектор или отверстия, вызывал конденсацию пара ц i осаждение влаги внутри башни, Та кие устройства требуют для | сохранения необходимой активной высоты башни увеличения ! высоты сооружения и удорожают последнее, не обеспечивая I в то же время достаточного эффекта, так как осаждение 18 Д. Л,. Еермпзг,
ж Типы и конструкции охладителей [Гл. 4 влаги вблизи градирни обуславливается не только конденса- цией пара, но в значительной мере и наличием механического уноса мелких водяных капель Велись также лабораторные опыты и была намечена уста- новка и а ряде крупных градирен в Англии электростатических устройств для предотвращения уноса и осаждения влаги внут- ри башен. Такие устройства представляют собой металличе- ские сетки и электроды, устанавливаемые в башне. К электро- дам подводится напряжение 40—50 кв постоянного тока. Этот способ значительно эффективнее, но требует больших капи- тальных затрат, и применение его в заграничной практике можно объяснить нс столько последствиями осаждения тзлаги вблизи градирен или стремлением уменьшить потерю воды, сколько требованиями владельцев соседних земельных участ- ков. Однако, в отдельных случаях, например иа некоторых химических заводах, применение мер борьбы с осаждением влаги может оправдываться стремлением уменьшить коррозию металлических конструкций на прилегающей территории. 4-9. ВЕНТИЛЯТОРНЫЕ ГРАДИРНИ Вентиляторные градирни различаются между собой как по типу оросителя, так и по .расположению вентиляторов. Приме- няются вентиляторные градирни брызгальные, капельные и пленочные, причем каждый из этих типов градирен может иметь нагнетательные или отсасывающие вентиляторы. Гра- дирни с нагнетательными вентиляторами выполняются, как правило, противоточными, с отсасывающими вентиляторами — противоточными и поперечноточными. Нагнетательные вентиляторы располагаются снизу, на уровне земли; при этом как сами вентиляторы, так и электро- двигатели легко доступны для обслуживания. Кроме того, условия работы нагнетательных вентиляторов несколько легче, так как они подают более холодный и сухой наружный воз- дух, а не нагретый увлажненный воздух, уходящий из ороси- теля градирни. Но в то же время применение нагнетательных вентиляторов осевого тина обладает и некоторыми существен- ными недостатками. Увеличение диаметра колеса нагнетатель- ного вентилятора, позволяющее уменьшить число вентиляторов, обслуживающих большую градирню, а при неизменных подаче и напоре увеличить экономичность вентилятора и уменьшить соз- даваемый им шум1, связано с увеличением высоты подачи воды на градирню, а следовательно, и расхода энергии на циркуля- ционные насосы. При нагнетательных вентиляторах теплый и влажный воздух выходит из градирни с небольшой скоростью и благодаря незначительной высоте такой градирни уже срав- нительно слабый ветер может приводить к задуванию уходя- 1 За счет понижения числа оборотов и окружной скорости концов лопастей.
4-9 J Вентиляторные градирни 27В щего воздуха вниз и засасыванию его вентилятором (фиг. 4-90). Частичная рециркуляция теплого воздуха, насы- щенного водяными парами, ведет к ухудшению охладительно- го эффекта, тем более заметному, чем меньше высота зоны охлаждения, и может иногда потребовать увеличения размеров градирни на 10—15%. По указанным причинам нагнетательные вентиляторы все больше уступают место отсасывающим, особенно при малой высоте зоны охлаждения, большой производительности гра- дирен и неблагоприятных направлениях господствующего вет- ра. Отсасывающие вентиляторы устанавливаются над ороси- телем и имеют обычно горизонтальное расположение рабочего Фиг. 4-90. Схематическое изображение градирен с нагнетательными и отсасывающими вентиляторами. колеса. Они выбрасывают воздух вверх с большой скоростью, что сильно уменьшает возможность рециркуляции. Примене- ние их позволяет также обеспечить лучшее распределение воз- духа по сечению оросителя, так как подвод воздуха может быть осуществлен со всех или с двух сторон градирни. Вентиляторные брызгальные градирни строятся на небольшие производительности. Они имеют деревянный или металлический кожух, внутри которого, в его верхней части, расположены сопла, направленные, выходными отверстиями вниз (фиг. 4-91). При нагнетательной вентиляции такие градирни выполняются или одноходовыми с вентилятором, расположен- ным снизу, или двухходовыми с вентилятором, располо- женным сверху. В двухходовой конструкции первая секция имеет параллельный ток воздуха и воды. На стороне вы- хода воздуха устанавливаются водоуловители, препятствующие значительному уносу водяных капель. При отсасывающем вен- тиляторе кожух градирни имеет снизу окна для входа воздуха, снабженные жалюзи, а водоуловитель располагается перед вентилятором. Небольшие градирни устанавливаются иногда внутри помещений или на крышах зданий. В этих случаях на- ходят применение центробежные вентиляторы (фиг. 4-91,6), создающие меньше шума, чем вентиляторы осевого типа. 18*
276 Типы й конструкций охладителей Вентиляторные капельные градирни имеют ороситель, мало отличающийся по конструкции от применяющегося в башенных градирнях. Большое внимание уделяется пониже- нию сопротивления оросителя, от которого зависит расход энергии на вентиляторы. С этой целью применяется решетник с большим шагом между брусками (фиг. 4-52, типы III и IV) и в противоточных градирнях, по возможности, ограничивается высота оросителя. Если в более старых конструкциях высота" оросителя доводилась до 10—12 м, то сейчас она не превы- Фиг. 4-91. Вентиляторные брызгальные градирни, се — одноходовая; б -> двухходовая. шает большей частью 6—8 м, что уменьшает также расход энергии на циркуляционные насосы. Уменьшение высоты оросителя связано с понижением плот- ности орошения. Градирня требует при этом несколько боль- шей площади, но ее экономические показатели оказываются более благоприятными. Последнему способствует также то об- стоятельство, что ограничение плотности орошения позволяет при обеспечении достаточного относительного расхода воздуха ограничить также и скорость последнего в оросителе. В строив- шихся раньше узких и высоких градирнях, работавших с очень большими плотностями орошения, скорости воздуха, отнесенные к полному сечению оросителя, принимались до 3,5—4 м/сек и сопротивление градирни доходило до 15 мм вод. ст. и выше. В последних конструкциях скорость воздуха не превосходит обычно 1,6—1,8 м/сек. при противотоке и 2— 2,5 м/сек при поперечном токе, сопротивление градирни со- ставляет до 9—12 льи вод. ст. -fv
§ 4-9 j Вентиляторные градирня 277 Значительное увеличение скорости воздуха в противоточ- ной вентиляторной градирне капельного типа не оправдывает себя также и вследствие того, что с увеличением этой ско- рости уменьшается удельная поверхность воды в оросителе (см. § 3-3). Это является одной из причин того, что эффект, достигающийся в результате одинакового относительного из- менения скорости воздуха, снижается по мере увеличения по- следней. Так, по опытам на одной из градирен увеличение Фиг. 4-92. Капельная градирня с нагнетательным вентилятором. 1 — вентилятор; 2 - ^лектродригатель; юад воздуха; 4..лестница; 5 — подвод воды; 6', 7 — рабочие желоба: S-- cami.ikwc. трубки; 9- разбрызгивающие розетки; 10- решет- ник; 1! — водоу ловитель; 1'2 лаз к апдораспределителькому устройству; /3 - водосбор- пй резервуар. скорости воздуха с 1 до 2 м/сек дало понижение температуры охлажденной воды на 5° С, тогда как последующее удвоение скорости воздуха, т. е. увеличение се с 2 до 4 м/сек, привело к понижению температуры воды только на 2,8° С. Для лучшего распределения воздуха в противоточном оро- сителе воздухораспределитель, как и в башенных градирнях, выполняется с переменным сечением, возрастающим в направ- лении к стороне входа воздуха (фиг. 4-92 по 4-95), В случае применения нагнетательного вентилятора его несколько смещают наружу относительно фронта оросителя, чтобы уменьшить возможность попадания на него воды и обледене- ния его в зимнее время. Если диаметр колеса нагнетательного вентилятора невелик, как это, например, имеет место “•при
278 Ti-iuhi и конструкции охладителей высокооборотном вентиляторе, расположенном на одном валу с электродвигателем, приходится прибегать для обеспечения Фиг. 4-93, Капельная градирня с отсасывающим вентилятором. } — вентилятор; 2 — редуктор; 3 — электродвигатель; 4 — водоуловитель; 5-- подвод воды S —решетник; 7 — жалюзи на входе воздуха; 8 — центральная перегородка; У — золо- сборный резервуар. достаточно равномерного распределения поступающего воздуха к установке диффузора между вентилятором л градирней (фиг. 4-95). При поперечноточном капельном оросителе воздух по- дается по всей высоте решетника через расположенные на стороне входа воздуха жалюзи. Ширина оросителя не должна
§ 4-9 1 Вентиляторные градирни 279 превосходить при этом 5 -м 5,5 и в больших градирнях он разделяется иа две, частя, расположенные по обе стороны центральной шахты, через которую воздух поступает к отсасывающему вентилятору (фиг, 4-90'). Общий вид большой и малой вентиляторных градирен с поперечным током воздуха показан на фиг. 4-97. В градирнях этого типа решетник выполняется часто из заранее заготовлен- ных съемных элементов (фиг. 4-98): щитов или кубов (бло- Фиг. ^4-94. Одновентиляторная градирня большой произво- дительности. .7 — подвод воды; 2—вентилятор; 3 - шахта с вертикальным валом: 4 — гидромуфта; б — электродвигатель; 5.помещение для привода всеетиля- тора (под водосборным резервуаром). ков) «безгвоздевого» типа, свободно укладываемых на гори- зонтальные схватки каркаса решетника (подрешетины). Щиты или кубы могут выниматься для их очистки, ремонта или замены. Наибольшие размеры одной секции «двухпоточ- ной» градирни (фиг. 4-96) составляют: общая ширина 19,5 м, длина 8 лк полная высота 9,6 м, высота подачи воды 8 м. Пленочный ороситель выполняется в вентиляторных гра- дирнях преимущественно противоточным из плоских деревян- ных щитов. В конструкции ВТИ снизу шитов устраиваются узкие зубцы для собирания стекающей воды в отдельные струи (фиг. 4-99). Щиты делаются сплошными или с верти-
Фиг. 4-96. Двухпоточная вентиляторная капельная градирня. 1 — подвод воды; 2 - вентилятор: Л - редуктор; 4 -• электродвигатель; 5—открытый водораспределительный жолоб; 6— направление движения воздуха; 7 — водоуловители; S -двери; 9 два варианта водосборного резервуара; 10 — разделительная перегородка-
282 Типы и конструкции охладителей Фиг. 4-97. Общий вид вентиляторных градирен с поперечным током. « — крупная двухпото'П-Ш! градирня: б — малая озкопоточная гпадирпя.
§ 4-9] Вентиляторные градирни 283 Разрез да кА Фиг. 4-98. Съемные элементы решетника венти- ляторных градирен с поперечным током. а — щит решетника; б —деталь куба „безгпоздевого" типа. кальными зазорами между досками, как это показано на фиг. 4-74. Одно время Коломенский завод изготовлял к дви- гателям внутреннего сгорания небольшие вентиляторные гра- дирни пленочного типа с оросителем, заполнявшимся установ- ленными вертикально на железной решетке гончарными тру- бами, по наружной и внутренней поверхности которых стекала водяная пленка ,
284 Типы и конструкции охладителей [гл, 4 Скорость воздуха в вентиляторных градирнях пленочного типа вследствие меньшего сопротивления их оросителя может приниматься более высокой, чем в капельных градирнях. В старых конструкциях она доводилась до 6—7 м/сек, но сей- час принимается примерно до 2,5—3 м/сек, если считать по полному сечению оросителя, и до 3—3,5 м/сек, если отнести ее к живому сечению. Фиг. 4-99. Вентиляторная пленочная градирня. Равномерность распределения воздуха также достигается путем увеличения сечения воздухораспределителя в направ- лении к стороне входа воздуха за счет изменения высоты щи- тов. Как показали измерения, произведенные ВТИ на про- мышленной установке, при неизменном сечении воздухорас- пределителя прилегающая к фронту градирни часть оро- сителя оказывается недостаточно обеспеченной воздухом (фиг. 4-100). Когда местные условия требуют сильного ограничения высоты градирни, может оправдать себя применение пленоч- ного оросителя из колец Рашига. При этом в качестве гра- дирни может быть использован типовой воздухоохладитель с двумя слоями колец Рашига — рабочим и отбойным. Вслед-
§ Ай j Вентиляторные градирни 285 ствие высокого сопротивления такой градирни скорость воз- духа в ней не должна превышать 1 м]сек.. Ограничение высоты градирни допускает также конст- рукция пленочного оросителя с поперечным током воздуха, предложенная В. А. Радцигом Ороситель выполняется в этом случае в виде пакетов, собранных из деревянных тавров (фиг. 4-101). Он сложнее в‘изготовлении и требует болыцей затраты материалов, чем противоточный щи- товой ороситель. Кро- ме того, как показал опыт, оказывается труд-, ным обеспечить равно- мерное стекание воды по таврам. В вентиляторных градирнях применяется также комбинирован- ная конструкция ороси- теля капельно-пленоч- ного типа, показанная выше на фиг. 4-81. Установка водоуло- вителей позволяет силь- но снизить унос воды > и з вентиляторных zrpa- ' диреи — до 0,1 —0,2 % от количества охлаж- даемой воды, ---несмот- ря на относительно вы- сокую скорость в них воздуха. Два типа во- доуловителей показаны на фиг. 4-102, Водоуло- витель из трех рядов зигзагообразно расположенных тонких и узких досок, имеющий живое сечение около 80%, обеспечи- вает хорошее улавливание капель и оказывает сравнительно небольшое сопротивление проходу воздуха. Обшивка вентиляторных градирен большей частью дере- вянная из шпунтованных досок, связанных легким каркасом. Применяется также. двойная деревянная обшивка с воздуш- ной прослойкой около 50 мм, устраняющая протекание воды из оросителя наружу. Металлическая обшивка применяется преимущественно для небольших «комнатных» градирен, Фиг. 4-100. Распределение воздуха в пле- ночной градирне с нагнетательным венти- лятором при постоянной высоте воздухо- распределителя. 1 См. В. А. Радциг, „Водоснабжение и санитарная техникам 1939, № 4—5, стр. 58; также наши замечания по этой конструкции в том же журнале. 1941, № 5, стр, 55
286 Типы и конструкции охладителей [ гл. 4 устанавливаемых внутри помещений, или для градирен, устанавливаемых на крышах зданий. Железобетонные и кир- пичные стенки вместо деревянной обшивки применяются только в отдельных случаях, из декоративных соображений. Высота обшивки выбирается такой, чтобы насыщенный парами воздух отво1дился, по возможности, выше прилега- ющих строений. Общая высота градирни не превосходит обычнб 10—15 Л£. Значительно меньшая, чем у башенных градирен, высота позволяет придавать вентиляторным градирням независимо ю Фиг. 4-101. Вентиляторная пленочная градирня с1 поперечным током * системы В. АЛРадцига. а- продольный разрез градирня; б - деревянный тавр; g элемент оросителя. от размеров площади оросителя прямоугольную форму. При больших производительностях они состоят большей частью из ряда отдельных секций, снабженных каждая своим вентилято- ром. Наибольшая производительность отдельной секции опре- деляется целесообразными пределами увеличения размеров вентиляторов. Она достигает в многосекционных градирнях примерно 250 м3/час. при нагнетательных вентиляторах и 450—500 м3/час при отсасывающих вентиляторах и «двухпо- точной» конструкции оросителя (фиг. 4-96). При нагнетательных вентиляторах отдельные секции гра- дирни в случае большого их числа могут располагаться в два ряда, при отсасывающих вентиляторах они располагаются обычно в один ряд, что позволяет сохранить подвод воздуха в каждую секцию с двух сторон. Для увеличения площади входных окон при той же высоте подачи воды на градирню отдельные секции противоточных градирен выполняются
§ 4-91 Вентиляторные градирни 287 иногда восьмиугольными, благодаря чему для подвода воз- духа может быть использовано три четверти периметра секции (фиг. 4-103). В одной из конструкций противоточной градирни с отсасывающими вентиляторами для улучшения распределе- ния воздуха (устранения неактивных зон оросителя) боковые стенки делаются наклонными таким образом, что ороситель сужается в направлении от нижних ярусов решетник® к верхним. Наряду с более распространенными многосекционными гра- дирнями строятся и одновентиляторные градирни производи- тельностью до 5 500 л-м/чне. Оли напоминают по конст- рукции башенные градирни и имеют либо гиперболиче- ский железобетонный корпус с отсасывающим вентилято- ром большого диаметра, рас- положенным в его узком се- чении (горле), либо желез- ный каркас с деревянной об- шивкой до уровня вентиля- тора и жёлезный диффузор за вентилятором. Подобная градирня показана на фиг- 4-94. Ее оросительное уст- ройство имеет в плане фор- му равностороннего много- угольника. Площадь окон для входа воздуха состав- ляет около 40% от площади оросителя. Электродвига- тель для привода вентилятора расположен в помеще- нии, находящемся под водосборным резервуаром и сое- динен посредством гидромуфты и конической зубчатой передачи с вертикальным валом, проходящим через по- лую железобетонную колонну в центральной части ороси- теля. Общая высота градирни составляет 22 л/при Fop~ 400 и 28 ж при Fffp — 650 ж3. Нормальная скорость воздуха в оро- сителе принимается около 2,5 м/сек, а ври форсированной ра- боте вентилятора до 3 лт/«ж. Сопротивление градирни состав- ляет при этом соответственно 15 и 20 'мм вод. ст. Благодаря наличию диффузора, могущего служить в каче- стве небольшой вытяжной башни, односекционные вентиля- торные градирни описанного типа могут частично работать зимой с естественной тягой. Использование естественной тяги возможно и летом, но при этом температура охлажденной во- ды на 4—6° С выше, чем при работе вентиляторов. К числу недостатков этих градирен следует отнести слож- ную и тяжелую конструкцию механической части. Вентилятор
ж 'Тины if конструкции охладителей [ ГЛ, 4 вследствие его большого диаметра, доходящего до 10—13 м, приходится располагать с целью обеспечения более равномер- ного распределения воздуха па 6—9 м выше водораспредели- тельного устройства, что приводит к большой длине вала. В градирне с площадью оросителя 400 .и2 длина вертикаль- ного приводного вала диаметром 160 мм достигает около 14 м, а общий вес вентилятора, вала и привода составляет 22 г. Такие градирни, кроме того, менее надежны, чем многосекци- радирня с нагнет^' тельными Зентивятврами ГраЗирни с отсисыбанлцими Злнтилялюрами Фиг. 4-103. Схематическое изображение многосекционных вентиляторных градирен. опные, так как авария электродвигателя выводит из строя всю градирню, а использование естественной тяги не обеспечивает в летнее время достаточного охлаждения воды. Довольно сложными и дорогими являются также специаль- ные конструкции градирен со с мешанной вентиляцией вследствие наличия у них .помимо вентиляторов еще и вытяж- ной башни. В градирнях этого1 типа также применяются на- гнетательные и отсасывающие вентиляторы (фиг. 4-104). В случае установки нагнетательных вентиляторов в обшивке оросителя ниже решетника оставляют окна достаточно боль- ших размеров для поступления воздуха при работе градирни на естественной тяге. Когда градирня работает с искусствен- ной вентиляцией, эти окна закрываются щитами, укреплен-
§4-91 Вентиляторные грмдирни 289 ними на петлях. При отсасывающих вентиляторах в нижней части башни 'устанавливаются поворотные заслонки, позво- ляющие направлять уходящий воздух к вентиляторам или не- посредственно в башню. Для осуществления искусственной вентиляции в градирнях применяются преимущественно вентиляторы осевого типа. Аэродинамические качества осевых вентиляторов за последние годы сильно улучшены, и они обладают при требуемых для градирен низких напорах довольно высокой экономичностью — Фиг. 4-101'Грздирня со смешанной вентиляцией. 1—вход воздуха; 2 — решетник; З — водораспределительное устройство; Ч — вентилятор; 5 - повторная ззслоекэ: 6 -- вытяжная башня: 7 - проем со съемным г.цитом. их к. п. д. достигает 55—65%. Для создания благоприятных условий входа воздуха перед вентилятором устанавливают «коллектор», представляющий собой патрубок с плавно умень- ш а ющи м с я сечен и е м 1. Лопасти осевого вентилятора распространенной у нас кон- струкции Ц А Г И изготовляются из листоьо го м атери а л а —-ст а л и или алюминия. Лопасти могут изготовляться также из литого алюминия или в виде сборной многослойной конструкции из деревянных пластин с тонкой металлической оболочкой, свя- занных сквозными заклепками. Облегчение колеса путем при- менения лопастей из более легкого материала приводит к зна- чительному уменьшению пускового момента. Для предохра- 1 А. Р. Бушель и Н. В. Сурной, Труды ЦАГИ, вып, 380, 1938 г. 19 J1. Д. Вертаи.
290 Тины и коИструкцйн охладителей .' гл. ! нения стальных лопастей от коррозии их изготовляют из не- ржавеющей стали или применяют защитное резиновое покры- тие толщиной около 1,5 мм, наносимое с помощью опрыски- вателя. Диаметры колес вентиляторов достигают в противоточных градирнях 4,0—4,5 м, в градирнях с поперечным током — до 5,4 м при 200 об/мин. В крупных одновентиляторных градир- нях применяются вентиляторы значительно больших разме- ров.— с диаметром колеса до 10,4 м при 96 об/мин и до 12,7 м при 64 об/мин. Окружная скорость колеса вентилятора дости- гает 45—55 м!сек. Каждый вентилятор снабжается отдельным приводным электродвигателем. Сохранившиеся еще кое-где конструкции с двумя нагнетательными вентиляторами, расположенными с противоположных сторон градирни и насаженными на общий лал, обладают рядом недостатков (длинный вал, большие уси- лия, возникающие при ветре, и др.) и от них сейчас отказы- ваются. Вентилятор соединяется с электродвигателем через редуктор, реже через ременную или цепную передачу. Привод- ные электродвигатели отсасывающих вентиляторов,-за исклю- чением малых градирен, располагаются вне потока влажного воздуха. Понижение расхода электроэнергии на вентиляторы дости- гается помимо уменьшения сопротивления градирни еще сле- дующими способами: 1) применяются вентиляторы, допускаю- щие поворот лопастей на небольшой угол (+3°) от их нор- мального положения, благодаря чему мощность вентиляторов может быть увеличена, на 15% в наиболее жаркий период и снижена на 40% в холодное время года; 2) для привода вен- тиляторов используются двухскоростные электродвигатели, а иногда устанавливаются гидравлические или электромагнит- ные муфты, обеспечивающие плавное регулирование числа оборотов, что дает снижение расхода электроэнергии в сред- нем за год до 50%. В последнем случае регулирование может быть автоматизировано и осуществляться по температуре охлажденной воды. При плавном регулировании несколько облегчается также конструкция вентилятора, так как отпадает необходимость усиления ее с учетом напряжений, вызываемых толчками при пуске короткозамкнутых двухскоростных электродвигателей и при переходе последних с одной скорости на другую. Водораспределительные устройства и водосборные резер- ву ары вентиляторных градирен выполняются так же, как и в градирнях описывавшихся выше типов. Для распределения воды наряду с открытыми желобами со сливными трубками часто применяются, как и в открытых градирнях (см. § 4-5), трубы с низконапорными разбрызгивателями и иногда с соп- лами, создающими дополнительную поверхность охлаждения.
§ 4-9 J fie л Тил ято (э н ые Грани р н и 291 Сопла при напоре воды перед ними 3,5 --4 м устанавливаются на 2—2,5 м ниже водоуловителей. Некоторые технико-экономические показатели для малых вентиляторных градирен приведены в табл. 4-14*. Расход основных материалов па одновентиляторную градирню »с пло- щадью оросителя 650 м2 составляет: дерево 380 м3, бетон и железобетон 560 м2 и металл 90 т; ориентировочная ее стои- мость — 900 тыс. руб. (в пенах 1945 г.). На фиг. 4-105 пока- заны кривые охлаждения для вентиляторной капельной гра- дирни при высокой скорости воздуха. Таблица 4-14 Расход материалов и стоимость малых вентиляторных градирен® Тип оросителя Площадь оро- сителя, Расход материалов Стои- мость** руб. дерево, лЛ сталь арматур- ная, кг болты, кг гвозди। поковки и пр., бетон, лС 1.6 4Д 334 ' 155 15 2,8 2 030 3,6 6,6 . 467 167 23 3,9 2 810 Капельный 4,2 7,5 500 175 25 4,2 3 100 7,8 10,7 770 199 39 6,4 4 450 12,8 14,7 1 020 234 55 8,5 5 980 2,3 6,0 310 54 22 2,6 2 080 Пленочный (щитовой) 2,7 4,0 5,6 7,2 8,6 12,5 343 412 548 55 57 105 25 30 43 2,9 3,4 4,6 2 400 2 890 4 080 9,2 16,6 677 120 56 5,6 5 300 * По данным КТИС Главстройпроекта. Резервуар — железобетонный. ** В ценах .1946 г. без стоимости вентилятора и электродвигателя. Вентиляторные градирни строятся на производительности от самых малых и до 12 000 м^час, причем нет технических препятствий к дальнейшему повышению их единичной произ- водительности, которое требует лишь соответствующего уве- личения числа секций градирни. Плотность орошения принимается для них до 5—7 м3]м2 час при капельном оросителе и до 10—14 м3!м2 час при пленочном оросителе. Дальнейшее увеличение плотности орошения нецелесообразно, так как связано с заметным по- вышением расхода энергии па вентиляторы. Сооружение вентиляторной градирни может быть осуще- ствлено в короткие сроки. На одном из коксохимических заво- дов деревянные элементы градирни с площадью оросителя около 120 м2 были изготовлены в течение 12 дней. Все 1 В отношении, стоимости охладителей см. сноску на стр. 204. 19*
292 Тчп.ы и к?шефу;<цкя охладителей ' [ гл, 4 строительство градирни, снабженном двумя нагнетательными вентиляторами, было выполнено за 20 дней Единственным ограничением для размещения вентилятор- ной градирни является шум, создаваемый вентиляторами, вы- Фиг. 4-105. Кривые охлаждения для венти- ляторной капельной градирни (плотность орошения 5 .Щ/ш3 час, скорость воздуха 3,5 м!сек). иуждающий иногда — в случаях расположе- ния градирен вблизи жилых или служебных помещений —- приме- нять центробежные вен- тиляторы вместо осе- вых. Благодаря большей свободе выбора расхо- и скорости воздуха вентиляторные градир- ни позволяют обеспе- чить наибольшее при- ближение температуры охлажденной воды к теоретическому пределу охлаждения , сравни- тельно с охладителями других типов при боль- шой устойчивости охла- дительного эффекта. 4-10. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ОХЛАДИТЕЛЕЙ В охладителях основные элементы конструкции подверже- ны постоянному действию падающей воды, воздуха перемен- ной влажности и температуры, а иногда также вредных при- месей, содержащихся в воде или воздухе. Поэтому для по- стройки охладителей должны применяться материалы, доста- точно стойкие против физических и химических разрушающих влияний, или должны предусматриваться специальные меры для увеличения долговечности применяющихся материалов. Наиболее широко используются для сооружения охлади- телей дерево и железобетон, профильное железо, реже листо- вое железо, кирпич и некоторые другие материалы. Дерево, являющееся основным строительным материа- лом для градирен, хорошо удовлетворяющим техническим тре- бованиям и обычно наиболее дешевым, достаточно стойко про- тив воздействия морозов, агрессивных примесей в воде или воздухе и ряда других факторов, ио подвержено загниванию. Загнивание дерева вызывается действием грибков, развитию 1 А. Комар и К, Дембинский, «Строительная промышленность», 1948, №11, стр. 12,
§ 4-10] /VI а тс р._и ?j л ы для охладителей 293 которых благоприятствует переменное увлажение и высыха- ние материала. Оно начинается прежде всего в местах пере- хода от влажных участков дерева к высохшим и на поверх- ностях врубок, сопряжений, отверстий и трещин. Способами борьбы с гниением дерева являются выбор более стойких его пород и пропитка антисептиками, убивающими грибки. Для основных элементов оросителя и каркаса вытяжной башни градирни применяются лучшие сорта строевого леба — сосна и кедр, для обшивки также лиственница. В пленочных градирнях несущая конструкция оросителя выполняется иногда из дуба. Лесоматериалы, неустойчивые в условиях переменной влажности и. плохо поддающиеся антисептированию (ель, пихта, береза, осина), обычно не применяются для постройки охладителей. Ответственные элементы деревянного каркаса башни (стойки, прогоны, раскосы и схватки) требуют пило- материала первого сорта (абсолютно здорового, чистообрез- ного), для второстепенных элементов каркаса (доски и брусья) и для оросителя, в том числе и для щитов пленочных гради- рен, допускается чистообрезной пиломатериал второго сорта, а для внутренних перегородок и зимних навесных щитов — третьего сорта. Применяемый лесоматериал должен обладать, небольшой влажностью (воздушно-сухое состояние). Внутренние элементы градирен, постоянно омываемые во- дой (ороситель и водораспределительное устройство), как пра- вило,'не антисептируются, так как теплая вода быстро вымы- вает антисептики из древесины. Маслянистые . антисептики могут при этом заноситься водой в охлаждаемые аппараты и создавать там масляную пленку на поверхности, ухудшаю- щую теплопередачу. При непрерывной работе градирни постоянное насыщение дерева в водораспределительном устройстве и оросителе водой несколько предохраняет его от опасности заражения грибками, но при известных условиях, особенно при частых и длитель- ных перерывах в работе градирни, и внутренние ее элементы могут подвергаться довольно быстрому гниению. В таких слу- чаях иногда применяют для защиты дерева водорастворимые соли (соединения фтора, натрия, хрома, мышьяка, фенола и др.). Но для обеспечения длительной защиты дерева водо- растворимые соединения должны обладать наряду с антисеп- тическими свойствами способностью хорошо фиксироваться на волокнах дерева во избежание их быстрого выщелачивания. Отсутствие у нас. проверенных в условиях градирен водорас- творимых антисептиков, обладающих указанной способностью, вынуждает пока отказываться от антисептирования внутрен- них элементов градирен. Все остальные деревянные конструкции, подверженные дей- ствию переменной влажности, обязательно пропитываются
29-1 Тилы и конструкции охладителей [ гл. 4 антисептиком1. В качестве антисептика большей частью при- меняются карболинеум (хлорированное антраценовое масло) и креозот (каменноугольное креозотовое масло). Вся обработ- ка (отеска, врубка и пр.) элементов, подлежащих антисепти- роваиию, производится до их пропитки. Если приходится про- изводить притеску и пригонку после антисептирования, все вновь обработанные места дважды обмазываются горячим ан- тисептиком (карболинеум, креозот) или покрываются битум- ной суперобмазкой. Вторичная обмазка производится после подсыхания и впитывания антисептика, нанесенного в первый раз. Предпочтительно производить аптисептировапие на специ- альном пропиточном заводе. При осуществлении ее на месте сна должна производиться по способу горячей и холодной ванны, обеспечивающему глубокую пропитку. Наружная обмазка антисептиком или пропитка по способу погружения в ванны для условий охладителей совершенно недостаточны; образующийся при этих способах обработки тонкий защитный слой легко повреждается, и проникающие внутрь грибки раз- рушают незащищенные волокна дерева. Между наружным каркасом и обшивкой-градирни, исклю- чая только места сопряжений, должны оставляться достаточ- ные зазоры для проветривания элементов конструкции. Об- шивка должна быть острогана с наружной стороны, чтобы избежать скоплений на ней пыли и золы и неравномерного высыхания при этом дерева, приводящего к образованию оча- гов гниения. Водонепроницаемость соединений досок между собой также увеличивает срок службы обшивки. Соединитель- ные части между- обшивкой и каркасом должны выполняться таким образом, чтобы сводилась до минимума возможность осаждения на них пыли и летучей золы. Длительность службы дерева в градирнях колеблется в зависимости от его качества, тщательности антисептирования, чистоты воды и воздуха и пр. Она оценивается в среднем в 12—15 лет, но в случае неблагоприятных условий или приме- нения лесоматериала недостаточно высокого качества может оказаться заметно ниже — до 7—8 и даже 5 лет. В СССР и за границей изучалась возможность применения более долговечных материалов (керамика, асбоцемент и др.) для наружной обшивки и элементов оросительного устройства. Но эти материалы оказывались либо слишком дороги, либо обладали другими недостатками (хрупкость, меньшая стойкость против воздействия морозов, большой вес. и т. п.), вследствие чего пока не нашли широкого применения в конструкциях гра- дирен, Наиболее успешным оказался упоминавшийся уже вы- 1 См. „Инструкцию по противогнилостной защите древесины в зда« киях и сооружениях*} И-69Л2, Нарирмстрой» 1942 Д
§ 4-10 j Материалы для охладителей 295 ше опыт применения волнистых асбоцементных плит для изготовления обшивки вытяжной башни. Железо используется в охладителях в виде труб, про* фильиого железа для каркасов градирен или опорных кон- струкций в брызгальных бассейнах, крепежных изделий, арма- туры и реже в виде гладких или волнистых листов для об- шивки, жалюзи или поддонов. Все железные элементы охла- дителей должны обязательно защищаться от коррозии. Кромез этого рекомендуется с учетом возможности коррозийного раз- рушения принимать их размеры не ниже следующих: угловое железо 60 X 60 X 7 мм, полосовое железо 7 мм и листовое железо 8 мм. Стальные трубы (водораспределительная сеть брызгаль- ных бассейнов, циркуляционные водоводы) защищаются от наружной коррозии путем нанесения битумных покрытий *. Железные каркасы, обшивка и другие неоцинкованные же- лезные части обязательно окрашиваются. Антикоррозийная окраска производится 3 раза: сначала грунтовка после заго- товки всех элементов и затем двукратная окраска после окон- чания монтажа, причем рекомендуется, чтобы каждый слой' имел разный цвет для облегчения контроля за окраской. Ни- какие части железных конструкций не должны располагаться внутри башни градирни, я расположенные на входе воздуха рекомендуется защищать бетонной оболочкой. Анкерные бол- ты окрашиваются перед монтажей цементным молоком. Все соединительные части (болты, стяжки, хомуты, гвоз- ди) должны быть оцинкованными. Оцинковка требует боль- шой тщательности, гз противном случае опа легко подвергается разрушению. Перед оцинковкой детали обязательно, должны очищаться от загрязнений, особенно маслянистых, так как с неочищенных мест оцинковка скоро отпадает. Бетон, применяющийся для охладителей, должен быть плотным с значительным содержанием цемента — от 300 до 400 ка/м3 в зависимости от условий работы соответствующих элементов. Поглощение водой содержащегося в воздухе сер- нистого ангидрида, а иногда и попадание в нее других кислот, может вызывать коррозию бетона. При этом бетон, в особен- ности если он приготовлен па слишком тощем растворе, бы- стро разрушается, чему способствует также и действие моро- зов. Это ведет к обнажению арматуры, которая также быстро приходит при этом в. негодность. Бетонные плиты в брызгальных бассейнах выполняются из бетона марки /?зо ™ 90 кг/см2, желательно с добавкой трепела или пуццолана. Внутренние поверхности бетонных бассейнов и резервуаров, 1 См. ^Инструкцию по защите стальных труб от коррозии бшум- ,ными покрытиями*, И-40. Ндркомп'рой, 1940 р "
296 Типы и конструкции охладителей '' гл. 4 опорные столбики под трубопроводы брызгального бассейна или под стойки оросителя градирни и опорные конструкции деревянных башен защищаются слоем плотной штукатурки толщиной 2 с.я из пуццоланового цемента с церезитом, нано- симой путем торкретирования или штукатуркой вручную с тщательным железпением. Оболочка железобетонных вытяжных башен выполняется из плотного вибрировэнного бетона па портланд-цементе с содержанием его нс менее 350 кг}мА. Плотность оболочки должна предохранять бетон от разрушения в результате за- мерзания воды в его порах. Вымораживание бетона является причиной, вынуждающей ограничивать зону применения желе- зобетонных башен районами с нс очень суровым климатом. Внутренняя поверхность оболочки покрывается защитным слоем битумной гидроизоляционной обмазки. Кирп и ч, идущий на изготовление резервуаров малых и средних градирен, должен быть хорошо обожженным и высо- кой марки. Желательно применение «клинкера» или «желез- няка» правильной формы, так как слабо обожженный кирпич быстро разрушается в воде. Кладка крипича должна произ- водиться на растворе (1:4 или 1 : 5) на путщолановом порт- ланд-цементе или шлакопортланд-цементе марки не ниже 206. Внутренние поверхности кирпичного резервуара обязательно штукатурятся водонепроницаемым составом (штукатуркой на церезите с затиркой). 4-i L ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ОХЛАДИТЕЛЕЙ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ Выбор типа охладителя в каждом отдельном случае зави- сит от большого числа факторов, многие из которых, как, на- пример, расположение и величина площадки под охладитель, геологические и гидрогеологические условия, количество, каче- ство и стоимость добавочной воды, наличие и стоимость строй- материалов, сроки строительства и др., определяются местны- ми условиями. Вследствие этого нельзя указать четко отделен- ных друг от друга областей применения охладителей различ- ных типов. Однако, каждый из типов охладителей обладает особенностями, ограничивающими возможные области его при- менения. Учитывая эти особенности, можно обычно сильно со- кратить число типов охладителей, среди которых должен быть произведен выбор в том пли ином случае, а иногда и остано- виться на определенном типе охладителя, не производя де- тальных технико-экономических сравнительных расчетов. Общим Свойством всех открытых охладителей являет- ся зависимость охлади тельного эффекта от силы' и направле- ния ветра. При малых скоростях ветра или неблагоприятных его направлениях работа этих охладителей ухудшается и тем-
Области применения охладителей 297 пература воды возрастает. Возможность их применения ис- ключается во всех случаях, когда охладитель должен быть размещен на застроенной территории. В отношении возможных колебаний температуры воды при изменениях силы и направления ветра открытые охладители разных типов не равноценны. Так, в охлаждающих прудах колебания температуры воды сглаживаются благодаря акку- мулирующей способности большого ее объема, а в небольших* брызгальных градирнях скорость ветра практически мало от- ражается на охладительном эффекте, вследствие того что рас- ход воздуха сравнительно с расходом воды здесь велик, а его относительная скорость определяется в основном скоростью движения капель. Другие типы открытых охладителей более чувствительны к изменениям силы и направления ветра, что может служить препятствием к их применению в районах, где отсутствуют устойчивые ветры. .. Охлаждающие пруды могут обеспечивать в течение значительной части года более, низкую, чем другие охладите- ли, температур)'- воды. Они требуют меньшего расхода элек- троэнергии на насосы благодаря отсутствию необходимости в дополнительном подъеме циркуляционной воды, возможности использования s ряде случаев сифона и отсутствию насосов для подачи добавочной воды. Этим преимуществам противо- стоит, .однако, ряд недостатков охлаждающих прудов. В охлаждающих прудах в наименьшей степени используют- ся возможные способы интенсификации теплообмена при испа- рительном охлаждении. Поэтому размеры зеркала пруда долж- ны быть очень велики, Количество тепла, отдаваемого с 1 я2 поверхности пруда, составляет лишь 200—400 ккалЬшс. Уве- личение же тепловой нагрузки против указанной приводит к очень высоким температурам воды в летнее время. Устройство охлаждающего пруда путем перегораживания русла реки связывает в выборе промплощадки, которая долж- на располагаться при этом в непосредственной близости к пру- ду. Оно требует, кроме того, проведения подготовительных работ и возведения гидротехнических сооружений задолго до вступления в работу основного промышленного объекта. Эксплоатация прудов связана с рядом трудностей, вызы- ваемых их зарастанием и заилением, требующими дорогостоя- щей очистки. Устройство пруда может также вызывать забола- чивание и ухудшение санитарного состояния местности. Применение охлаждающих прудов оправдывает' себя лишь для крупных потребителей воды, например для мощных паро- турбинных электростанций, и преимущественно в тех случаях, когда можно использовать естественные водоемы (пруды, озе- ра) с достаточным зеркалом воды или искусственные водохра- нилища, сооружаемые для других целей (например, для регу- лирования стока реки),
298 Типы и конструкции охладителен [ ГЛ. 4 В брызгальных бассейнах количество отдаваемого тепла возрастает до 7-—15 тыс. ккал!час на 1 м1 2 занимаемой ими площади. Из открытых охладителей кроме прудов только брызгальные бассейны широко применяются для охлаждения больших количеств воды (свыше 1 500 ,м3/час). Для средних условий брызгальные бассейны большой производительности па 25—30% дешевле башенных градирен1, требуют меньшей затраты таких материалов, как дерево, цемент и железо, и со- оружение их проще. Поэтому для паротурбинных электростан- ций, металлургических заводов и других крупных потребите- лей, не требующих большого перепада температур воды или сильного приближения к пределу охлаждения, брызгальный бассейн во многих случаях оказывается более экономичным типом охладителя. Препятствием к его применению может, однако, явиться отсутствие достаточно большой, ровной и бла- гоприятно расположенной площадки, позволяющей удовлетво- рить основным требованиям размещения брызгального бассей- на, или необходимость ограничения уноса воды, который у брызгального бассейна значительно выше, чем у других охла- дителей. В некоторых случаях отказ от применения брызгаль- ного бассейна может обуславливаться необходимостью соору- жения охладителя в наиболее холодное время года. Условия для применения брызгальных бассейнов неблаго- приятны при ширине зоны охлаждения больше примерно 10° С, так как в этом случае из-за отсутствия перемешивания вода хуже охлаждается, чем в градирнях2. Когда большая ширина зоны охлаждения сочетается с требованием обеспечить низкую температуру охлажденной воды (например, коксохимические и нефтеперерабатывающие заводы), брызгальные бассейны вовсе не могут быть применены. Конкурентоспособность брызгальных бассейнов понижается и с уменьшением количества подлежащей охлаждению воды. Хотя встречаются брызгальные бассейны производительность’о 1 По данным, собранным Южным отделением ОРГРЭС в 1946 г. и охватывающим 12 электростанций, средняя стоимость брызгального бас- сейна составляет 36 pyff/квш, башенных градирен 45 pyff/квт. 3 Это связано с тем, что при охлаждении водяных капель темпе- ратура на их поверхности становится ниже средней температуры воды в объеме капли и соответственно уменьшаются разности температур воды и воздуха и парциальных давлений пара, от которых зависит интенсивность теплоотдачи и испарения. В градирнях с решетником длина пути свободного падения капли между расположенными друг под другом брусками сравнительно невелика, при попадании же капли на брусок вода перемешивается и температура в ее объеме выравнивается. Это происходит многократно на пути воды через решетник. В брыз- гальных бассейнах, как и в брызгальных градирнях, если не говорить о столкновениях и слиянии части капель, такого перемешивания нет, вследствие чего понижение температуры на поверхности капель может быть значительным и сказываться на охладительном эффекте тем а<ь ^етнее, чем больше перепад температур воды.
§ 4-li i Области применения охладителей 299 200 м^/час и ниже, например на холодильных установках, мощных радиостанциях (для охлаждения анодной воды), ком- прессорных и дизельных установках и др., но большей частью уже. при производительностях ниже 300—500 м^чао* они усту- пают но своим показателям другим типам охладителей. При малых количествах циркуляционной воды, до 50— 70 м^/час, наиболее простым и дешевым типом охладителя являются открытые брызгальные градирни. При благоприятных условиях для их размещения применение такиж градирен может оправдывать себя и для больших расходов воды, примерно до 300—350 мА!час. Они могут использоваться для небольших холодильных установок, двигателей внутренне- го сгорания мощностью до 100 л. с., небольших трансформа- торных и ртутновыпрямительных подстанций, для охлаждения закалочной воды на металлообрабатывающих заводах и т. и. Открытые брызгальные градирни, как и брызгальные бас- сейны, заметно ухудшают свой охладительный эффект при большой ширине зоны охлаждения, что наряду с необходи- мостью размещения их на открытом месте и сравнительно большим уносом воды является обстоятельством, ограничиваю-' щим область их применения. Открытые капельные градирни могут приме- няться для значительно больших расходов воды, чем брыз- гальные градирни, — до 1 200н-1 500 м?]час. Они сохраняю) довольно высокий охладительный эффект и при большой ши- рине зоны охлаждения АЛ Так, например, если для брызгаль- еюй градирни при температуре влажного термометра 15° С увеличение Ы с 5° до 20° С влечет за собой повышение тем- пературы охлажденной воды приблизительно на 18°, то для капельной градирни повышение составляет при этом только 5—6° С. Из открытых охладителей капельные градирни явля- ются также наиболее компактными: количество тепла, отда- ваемое с 1 м2 занимаемой площади, составляет для них 30— 50 тыс. ккал/час. Сравнительно с башенными градирнями открытые капель- ные градирни дешевле, проще в строительстве и требуют меньшей .затраты основных строительных материалов. Они являются поэтому рациональным типом охладителя для элек- тростанций малой и средней мощности, электрических подстан- ций, компрессорных установок, нефтеперерабатывающих заво= дов, холодильных установок и др. Но подобно другим откры- тым охладителям открытая капельная градирня требует пра- вильного размещения ее на площадке с учетом как условий наиболее эффективного ее использования, так и предохране- ния других сооружений и дорог от обледенения и тумана и не может быть применена, когда нельзя удовлетворить этим тре- бованиям цлн когда технологический процесс не допускает
300 Типы н конструкции охлдлителен [ гл. 4 значительного повышения температуры воды, которое может быть вызвано изменением силы или направления ветра. Башенные градирни обеспечивают более устойчи- вый охладительный эффект, не зависящий от силы ветра. Они могут применяться как для малых, так и для больших коли- честв охлаждаемой воды, допускают установку’их на застроен- ной территории и имеют незначительный унос воды. При ка- пельном оросителе и деревянной башне они несколько ущу- пают открытым капельным градирням в отношении удельной тепловой нагрузки на единицу занимаемой площади из-за ограниченной (0,5—1 м/сек) скорости воздуха в оросителе, но форма их более благоприятна дня размещения. В случае же применения оросителя пленочного типа их удельная тепловая нагрузка возрастает до 60—80 тыс. ккал/м2 час. Сравнительно с брызгальными бассейнами они в любом случае требуют зна- чительно меньше .места, что позволяет также сильно умень- шить протяженность циркуляционных водоводов. Все это обеспечивает башенным градирням широкое рас- пространение, несмотря на большую их сложность и стоимость сравнительно с другими охладителями. Вследствие зависимости силы тяги в башенных градирнях от ширины и высоты зоны охлаждения, их целесообразно при- менять при перепадах температур воды не ниже 6—7° С и охлаждении, воды до температуры, по крайней мере на 7— 10° С превышающей температуру влажного термометра. Тре- бования к охлаждению воды в большом числе случаев соот- ветствуют этим условиям, но, например, для холодильных установок, где перепад температур воды составляет обычно 2—5° С, и для ряда химических производств, требующих воз- можно более низкой температуры охлаждающей воды, башен- ные градирни не могут применяться. Вентиляторные градирни позволяют получать независимо от ширины зоны охлаждения и наличия ветра ниболее низкие температуры воды при высокой удельной теп- ловой нагрузке на единицу занимаемой ими площади, до 80—100 тыс. ккал/м2 час, и свести до минимума унос воды путем применения водоуловителей. В случае необходимости могут быть иногда получены температуры воды, не отличаю- щиеся в летнее время от температуры речной воды или даже более низкие, чем последняя, и лишь незначительно превы- шающие (на 1,5—2^0 теоретический предел охлаждения. Сооружение вентиляторных градирен проще и дешевле, чем башенных, и они лишь немногим превышают ио стоимости от- крытые капельные градирни, допуская в отличие от последних установку на застроенной территории, По они требуют в экс- плоатаиии расхода электроэнергии на вентиляторы и постоян- ного надзора за последними, что- повышает за траты на охлаж- дение воды. В течение длительного времени это обстоятельство
5-1 Обшмс замечания 301 очень сильно ограничивало распространение вентиляторных градирен. Высокая экономичность современных осевых венти- ляторов, ослабляет неблагоприятное влияние этого фактора, но все же при больших количествах воды вентиляторные градирни применяются преимущественно в тех случаях, когда это дик- туется жесткими требованиями технологического процесса в отношении температуры охлаждающей воды. Такие требова- ния предъявляются некоторыми химическими производствами, в том числе промышленностью синтетического каучука, нефте- перерабатывающими заводами (для улавливания легких фракций нефти) и др. Выбор вентиляторных градирен может обуславливаться также требованиями- компактности охлади- теля, как, например, на передвижных электрических станциях (энергопоездах). При небольших производительностях венти- ляторные градирни применяются в случаях, когда открытие градирни по местным условиям нс могут быть использованы. Совершенствование конструкций вентиляторных градирен приводит, однако, к все более широкому' их распространению, даже в таких областях, где они раньше почти совсем не при- менялись, например, на мощных паротурбинных электростан- циях. Понижение шума, создаваемого вентиляторами, позво- лило расширить область применения и малых вентиляторных градирен, так. как это уменьшило препятствия к установке их вблизи жилых и служебных помещений. Градирни со смешанной вен т и л я ци е й при- меняются редко. Они оправдывают себя только в тех случаях, когда недостаток места лишает возможности ограничиться естественной тягой и в то же время экономия электроэнергии па искусственную вентиляцию, используемую лишь очень кратковременно в наиболее жаркие периоды, может окупить добавочные затраты на сооружение башни, Это может иметь место при очень неравномерном режиме работы градирни, ха- рактеризующемся наличием больших и сравнительно кратко- временных пиков нагрузки. Г Л А в А П Я Т А Я ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ОХЛАДИТЕЛЕЙ 5-1. ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ. ЗАДАНИЕ ДЛЯ РАСЧЕТА Основной задачей теплового расчета охладителя является определение его размеров, необходимых для обеспечения за- данного охладительного эффекта. Подходя к охладителю, Как к всякому другому теплообменному аппарату, можно было бы сформулироватй эту задачу, как определение требуемой по- верхности охлаждения, но вследствие трудности точной оценки величины последней при распиливании воды соплами или в решетнике капельного типа в этих случаях приходится пока
ЗОЙ Тепловой расчет охладителен [ гл- •> отказываться от расчета поверхности охлаждения, ограничи- вая задачу определением требуемой площади охладителя или объема оросительного устройства при определенной его кон- струкции. Тепловой расчет может' также иметь задачей определение температур воды при режимах работы проектируемого охла- дителя, отличающихся от расчетного. Подобная ’задача воз- никает и при поверочных расчетах действующих охлади- телей. К тепловому расчету закрытых охладителей тесно примы- кает расчет их вентиляции, имеющий обычно целью определе- ние требуемых размеров вытяжной башни или напора и мощ- ности вентиляторов. При поверочных расчетах башенных охла- дителей, где расход воздуха при определенных его начальных параметрах зависит от изменения его температуры и влаж- ности в оросителе и не может быть задан заранее, тепловой расчет и расчет вентиляции нельзя отделить друг от друга и они должны производиться совместно. Размеры башни, как и оросителя, при этом известны и задачей расчета вентиляция (тяги) в этом случае как раз и является определение расхода воздуха в увязке с расчетом процесса теплообмена в оро- сителе. Тепловой расчет охладителя позволяет помимо того опре- делить потерю воды на испарение, являющуюся одной из сла- гаемых суммарной потери циркуляционной воды, подлежащей восполнению извне. Методы теплового расчета, основывающиеся на теории испарительного охлаждения, начали применяться в практике проектирования охладителей лишь сравнительно недавно. До этого определение требуемых размеров охладителей про- изводилось исключительно на основании эмпирических данных. Еще и в настоящее время применение для этой цели опытных характеристик охладителей, построенных по данным промыш- ленных испытаний, пользуется широким распространением, а для некоторых типов охладителей, например для брызгальных бассейнов и брызгальных градирен, вовсе отсутствуют доста- точно разработанные и проверенные методы теплового расчета. Это нашло свое отражение при описании нами ниже способов определения размеров этих типов охладителей. Опытные зави- симости приводятся ниже и для расчета капельных градирен, поскольку мы нс располагаем пока достаточными эксперимен- тальными данными для выбора при их более строгом тепловом расчете значений коэффициента массоотдачи. Для теплового расчета охладителя должны быть заданы следующие величины: 1) тепловая нагрузка Q ккал/час; 2) гидравлическая нагрузка Ож кг1ч.ас (или м3/час); 3) температура охлажденной воды . С;
§ 5*1] Общае замечания 303 4) параметры наружного воздуха — температура и относительная влажность . 5) расчетная скорость ветра w м/сек, если охладитель открытого типа. Тепловая и гидравлическая нагрузки определяют ширину * зоны охлаждения &t°C. Часто вместо Q указывается непо- средственно величина ДА Тепловая и гидравлическая нагрузки задаются обычно за- водом-изготовителем обслуживаемого охладителем аппарата (конденсатора, двигателя и др.). Если эти нагрузки могут в условиях эксплоатации сильно колебаться, в качестве расчет- ных их значений могут быть выбраны в зависимости от мест- ных условий средние за определенный период или максималь- ные. Выбор этот определяется в значительной мере режимом работы установки в период высоких наружных температур, когда условия для охлаждения воды являются наименее бла- гоприятными. При выборе расчетных параметров наружного воздуха нужно принимать во внимание требования технологического процесса (допустимость кратковременного повышения темпе- ратуры воды сверх расчетной) и продолжительность стояния наружных температур по сухому и влажному термометрам. Рассчитывать охладитель на наиболее высокие температуры? наружного воздуха, наблюдающиеся в данной местности, боль-i шей частью нецелесообразно ввиду кратковременности стояния * этих температур. Охладитель, рассчитанный на слишком вы- сокую температуру воздуха, был бы слишком дорогим. С дру- гой стороны, слишком низкая расчетная температура воздуха может привести к чрезмерным температурам воды и эксплоа- тационныы трудностям в жаркий период. Не рекомендуется выбирать расчетную температуру и влажность воздуха, исходя из среднемесячных их значений, а тем более усредненных за более длительный период, например за 3 летних месяца, так как в летнее время они могут очень сильно меняться в пределах как месяца, так и суток, и в тече- ние довольно длительного периода, особенно в дневные часы, охладительный эффект может оказаться при этом недостаточ- ным *. Следует, по возможности, пользоваться кривыми дли- тельности стояния температур воздуха, задаваясь максималь- ным числом дней в году, в течение которых могут быть допу- щены температуры воздуха, а следовательно, и температуры воды, превышающие расчетные. Кривые длительности стояния среднесуточных температур наружного воздуха по сухому и влажному термометрам для некоторых пунктов СССР приведены на фиг. 5-1 по данным Л. С. Кошлякова (ЛОТЭП), обработавшего материалы много- 1 См. Л. Д. Берман, .Теплосиловое хозяйство", 1938, №7, стр. 39.
304 Тепловой расчет охладителей [гл. 5 летних метеорологических наблюдений. Кривые построены для трех наиболее теплых летних месяцев (июнь, июль и август), но участки этих кривых, нанесенные на фиг. 5-1 сплошными линиями, могут с достаточной точностью рассматриваться, как показывающие продолжительность стояния соответствующих температур в течение года, так как эти среднесуточные тем- пературы не повторяются вовсе или повторяются лишь очень кратковременно в остальные месяцы. На основании подобных кривых для 14 различных пунктов СССР нами составлена 8 днях Продолжительность 8 Зиях Фиг, 5-1. Кривые длительности стояния среднесуточных температур наружного воздуха по сухому и влажному термометрам за три наи- более теплых месяца. табл. 5-1, в которой даны среднесуточные температуры воздуха по сухому и влажному термометрам, превышаемые соответ- ственно в течение 5, .10, 20, 30, 40, 50 и 60 дней в году. Большей частью в качестве расчетных могут быть приняты среднесуточные температуры воздуха, превышаемые в течение 5—10 дней в году. Не следует при этом упускать из виду, что усреднение тем- ператур даже за суточные периоды приводит к сглаживанию годового графика температур и заметному преуменьшению длительности того периода, в течение которого действительные температуры воздуха оказываются выше расчетных темпера- тур. Это показывает фиг. 5-2, на которой сопоставлены для условий Москвы кривые длительности стояния среднесуточных температур (кривая 7) и действительных температур влажно- го термометра по данным ежечасных измерений, производив-
§ 5-11 Общие замечания 305 20 Л, Д. Бериш.
306 ___________ Тепловой расчет охладителей [гл. 5 шихся. в течение 11 лет (кривая 2), Рассмотрим, например,, температуру влажного термометра 18а С. Согласно фиг. 5-1 или кривой 1 фиг. 5-2 среднесуточная температура в 18° С превосходится в течение не более 7,5 суток или 180 час. в го- ду, действительная же температура в 18° С превосходится уже в течение 550 час. В жаркие годы длительность этого периода еще более возрастает. По- этому для некоторых потре- бителей охлаждающей воды, предъявляющих особенно жесткие требования к ее температурам, может ока- заться целесообразным при- нимать при расчете охлади- телей более высокие расчет- ные параметры воздуха, чем указанные выше. Из аналогичных сообра- жений должна выбираться и расчетная скорость ветра для открытых охладителей. Для открытых градирен большей частью ее следует принимать не более 1— 1,5 м/сек, повышая со в пре- делах приблизительно до 2—2,5 м/сек для районов с сильными и устойчивыми по направлению ветрами в лет- Фиг. 5-2. Средние многолетние кри- вые длительности стояния темпера- тур влажного термометра дляМосквы. 1 — среднесуточные температуры; 2 — темпе- ратуры по ежечасоным измерениям. нее время. Для охлаждающих пру- дов, обладающих более высокой аккумулирующей способ- ностью, чем другие типы охладителей, можно выбирать «есте- ственную» температуру воды по среднемесячным ее значениям и принимать более высокие расчетные скорости ветра, до 2 3 м/сек, исходя из данных наблюдений для рассматриваемого района. Сведения о скоростях ветра приводятся в метеорологиче- ских справочниках по данным измерений на высоте 8—15 лт, тогда как при тепловых расчетах охладителей принимается скорость ветра на высоте 2 м. Для приближенного пересчета скорости ветра можно воспользоваться формулой Оболенского (5-1) где w — скорость ветра на высоте h и — скорость ветра на высоте 7С. _
Общие замечания 307 При Zf —2 я имеем отсюда: ^(2) — 1,23W(> ~лп~з ” л0 и при Ао— 8 -15 я w{2} -(0,66 -ы0,54>0, т. с. скорость ветра па высоте 2 я в 1,5 ы-2 раза меньше, чем скорость, указываемая в справочниках. Требуемые размеры охладителя сильно зависят от приня- тых расчетных параметров (фиг. 5-3), в том числе от высоты зоны охлаждения, т. е. раз- ности температур —т,- С приближением температуры охлажденной воды к теоре-' тическбму пределу охлажде- ния, определяющемуся рас- четными параметрами воз- духа, требуемые размеры ох- ладителя быстро растут. Так, для градирен понижение 4 — т с 10° до 5° приводит к необходимости увеличения площади оросителя прибли- зительно в 2— 2,5 раза.По- этому нб следует без осо- бой необходимости прини- мать слишком малую высо- ту зоны охлаждения. Фиг. 5-3. Требуемая площадь ороси- теля башенной градирни в зависи- мости от расчетных значений тем- пературы влажного термометра, вы- соты и ширины зоны охлаждения. За 100% принята величина площади оросителя при т=20°С, /э — т=10°С и At=10°C. Если выбор типа, охлади- теля и основных расчетных параметров для него не свя- зан жестко соображения