Использование тепла загрязненных стоков. Технология утилизации низкопотенциального тепла загрязненных шахтных вод

В большинстве случаев, как показывают химические анализы шахтной воды, по количеству взвешенных веществ, pH и другим характеристикам, подача шахтной воды непосредственно в испарители ТНУ представляется невозможной. Для повышения долговечности и надежности использования ТНУ необходимо создание промежуточного контура, либо провести исследования и найти новые способы интенсификации теплообмена и снижение отложений на теплопередающих поверхностях теплообменпого оборудования.

Исследование способов интенсификации теплообмена и снижения отложений на теплопередающих поверхностях.

Основными источниками низкопотенциального тепла на угольной шахте являются шахтные воды и хозбытовые стоки.

Использование тепла шахтных вод и хозбытовых стоков затруднено в виду их высокой загрязненности. Согласно «Требованиям к качеству шахтных и карьерных вод, используемых для технических и хозяйственно-бытовых нужд предприятий угольной промышленности» утвержденным Минуглепромом СССР 17.10.85, содержание взвешенных веществ воде, используемой на общепромышленных стационарных холодильных машинах, допускается в пределах 50 мг/л. В теплонасосных установках применяется практически аналогичное оборудование, следовательно, при расчетах следует руководствоваться этой величиной.

В целом по стране не более 10-15% сбросных шахтных вод имеют содержание взвешенных веществ менее 50 мг/л.

Шахтные воды загрязнены механическими примесями, нефтепродуктами и другими специфическими примесями. Вид и количество загрязняющих веществ зависит от состава горных пород, горногеологических, горнотехнических условий, средств механизации выемки и проходки. Такие воды нельзя напрямую использовать в испарителе теплового насоса.

Наиболее реальным и доступным способом интенсификации теплоотдачи и предотвращения образования осадка на теплопередающих поверхностях является искусственная турбулизация потока.

При турбулентном ядре потока для жидкостей, отличающихся большими числами Прандтля, наибольшее тепловое сопротивление имеет очень тонкий пристенный слой, течение в котором преимущественно ламинарного характера. Именно в этом слое происходит отложение твердого осадка. Его толщина б, существенно зависит от касательного напряжения у стенки т, которое представляет собой важный параметр, характеризующий режим течения и теплоотдачу.

Местное касательное напряжение г, обусловленное силами трения, при изменении расстояния от у=0 до у=г меняется практически по линейному закону от т = т„, до г=0.

Прандтль разделял поток на две области: пристенный слой у стенки, где наблюдается молекулярный обмен, и ядро потока, где преобладает турбулентное смешение. Для вязкого пристенного слоя

При у=0 (у стенки)

где // - динамическая вязкость, Н с/м2;

w - скорость потока, м/с.

В рассмотренных областях потока распределение скоростей определяется двумя безразмерными величинами: а) отношением скоростей

где Wt- динамическая скорость или скорость касательного напряжения;

р - плотность, кг/м3

б) безразмерным расстоянием от стенки, зависящем от Wi и определяемым соотношением, аналогичным критерию Рейнольдса,

где v- кинематическая вязкость, м'/сек.

Для ламинарного слоя у стенки толщиной 8 безразмерное расстояние У будет соответственно равно Ув. Тогда из уравнения ( ) получим

т.е. зависимость

В турбулентном ядре потока частички жидкости определенной скорости попадают на траекторию с большей или меньшей скоростью потока. Ввиду непрерывности потока расход перемешивающейся массы должен оставаться одинаковым в каждом сечении вдоль потока. Влияние импульсного обмена аналогично влиянию вязкой среды. Исходя из этого, для ядра потока можно записать уравнение, подобное уравнению (3.24).

где г - турбулентная вязкость (составляющая импульсного обмена), м2/сек.

Касательное напряжение, равное г у стенки, снижается к середине трубы до величины т=о?

Обозначим температуру теплового потока на расстоянии у от стенки трубы ty, тогда плотность теплового потока в поперечном направлении q равна:

Плотность теплового потока у стенки

Пренебрегая изменением плотности теплового потока q в пристенном слое и считая q=qw, по упрощенной теории Прандля получим

или, из уравнения()

Уравнение (3.35) указывает, что тепловой поток в пристенном слое растет с увеличением касательного напряжения.

Следовательно, необходимо применять такие теплообменпые аппараты, в которых бы касательные напряжения искусственно увеличивались.

Главной задачей интенсификации конвективного теплообмена и предотвращения образования отложений па поверхности теплообмена является такое воздействие па пограничный слой, которое сделало бы его более тонким или частично разрушенным. Понимание физической природы интенсификации теплообмена позволяют рационально использовать в конструкциях теплообменников интенсифицирующие эффекты. Чем существеннее различие в распределении температуры и скорости частиц рабочей среды у стенки, тем благоприятнее соотношение между интенсивностью теплообмена, образованием отложений и гидравлическим сопротивлением. На эффективность процесса теплообмена и предотвращения образования отложений влияют форма поверхности теплообмена, эквивалентный диаметр каналов, шероховатость поверхности, компоновка каналов, обеспечивающая оптимальные скорости движения рабочих сред, температурный напор, наличие турбули- зирующих элементов в каналах и другие конструктивные особенности.

Имеющиеся сведения о процессах переноса в пограничном слое еще не привели к созданию единой теории интенсификации с определенной тематической моделью. Вместе с тем имеются обширные теоретические и экспериментальные данные об интенсифицирующих эффектах, позволяющих обосновать методы интенсификации теплообмена. Основной эффект достигается за счет усиленного обновления жидкой среды в пограничном слое, энергичного замещения одних объемов другими. Сложная схема обтекания поверхности теплообмена, повышающая интенсивность процесса, создается искусственно.

Наиболее эффективный способ интенсификации теплопередачи и предотвращения отложений на стенках теплопередающих поверхностей заключается в воздействии на поток рабочей среды формой поверхности теплообмена. Этот способ, именуемый в литературе способом использования шероховатых поверхностей, предусматривает применение специальных сложных форм поверхности теплообмена и образуемых его каналов теплообменника. Эти поверхности создают в потоке переменные поля давлений, вызывающих направленное действие вторичных течений возле теплопередающих стенок. При незначительном воздействии на ядро потока специальные формы поверхности повышают уровень турбулентности в пограничном слое, создавая слабые отрывы потока и вторичные пристеночные течения. Формирование переменных полей давлений и вихревых зон для интенсификации теплоотдачи достигается устройством вдоль поверхности теплообмена тур- булизаторов в виде выступов, впадин или гофрировкой этих поверхностей. Значительно повышает интенсивность теплоотдачи уменьшение гидравлического эквивалентного диаметра каналов, образуемых поверхностью теплообмена.

Практической реализацией теоретических выводов явилось конструктивное предложение по применению турбулизаторов потока в пристеночном слое, точечно привариваемых на гладкую поверхность и создающих микропрепятствие течению загрязненной жидкости. При этом возникает пристеночная турбулизация потока, препятствующая осаждению взвешенных частиц на поверхность теплообмена. Проведенные испытания подтвердили целесообразность применения дискретных турбулизаторов. Отложения на теплопередающей поверхности уменьшились примерно в 2-2.5 раза по сравнению с гладкой трубой.

На данную конструкцию получен патент №2121122 от 27.10.98.

Существующие методы расчета теплообмена двух жидкостей, одна из которых циркулирует в трубках теплообменника, а другая проходит сквозь этот теплообменник, основывается на простом усреднении температур обеих жидкостей. При расчете предполагается, что каждая из температур равна арифметическому среднему между начальной и конечной температурой (до и после теплообмена). Такой подход достаточно груб, поскольку предполагает линейную зависимость температуры от координаты, а это не так, потому что остывание или нагрев элемента жидкости происходит с разной интенсивностью по мере движения его по трубке теплообменника - в начале остывание (нагрев) происходит быстро, затем медленнее, т.к. разность температур и, соответственно тепловой поток уменьшаются. Более строгий и точный подход к моделированию данного процесса теплообмена двух жидких сред должен основываться на учете изменения температуры по длине трубки теплообменника.

За основу модели теплообмена воды, циркулирующей в контуре испарителя теплового насоса, с хозбытовыми стоками (теплоносителем) берется следующая формула:

где z - координата по ходу стока (предполагается перпендикулярной плоскости теплообменника), х - координата по ходу воды в трубке теплообменника, j(x,z) - плотность потока тепла от циркулирующей воды к теплоносителю (в данном случае меньше нуля, т.к. температура теплоносителя больше), tw(x) - температура воды, tv(x,z)>Tw(x) - температура теплоносителя (сточной воды), к - коэффициент теплопередачи. Пусть выделен некоторый «эшелон» теплоносителя сечением ДБ и длиной ДБ (по оси z), проходящий через теплообменник со скоростью vv. ДБ считается достаточно маленьким, чтобы температуру на данном участке теплового контакта можно было считать постоянной. Для того чтобы определить температуру этого участка теплоносителя после теплового контакта, нужно определить количество тепла ДО, полученное (утраченное, если Д0<0) выделенным объемом теплоносителя ДУ= ДБ-ДБ, и использовать формулу баланса теплосодержания:

где Qvo , Qvk - начальное и конечное теплосодержание выделенного объема теплоносителя,

Q=cvpvV, где cv pv V - удельная теплоемкость, плотность и объем теплоносителя.

AQ определяется, как точное интегральное среднее за время теплового контакта Д1=ДБМч

где ДБ- площадь поверхности участка теплообмена. При подставке ( 3.36) и ( 3.37) в (3.38) и дифференцировании по z, получается дифференциальное уравнение для):

с начальным условием j(x,0)=k(tw(x)-tv0), где - начальная температура теплоносителя, откуда F:

Поскольку теплообменник предполагается однородным, то

&F _ ?

Л% где F - общая поверхность теплообмена, a fv - общее сечение теплообменника по потоку теплоносителя.

Для определения изменения температуры воды при ее движении по трубке теплообменника используется уравнение баланса тепла AQi=AQ2 , где

убыль (прибыль, если меньше нуля) тепла в объеме AV=fvAx, pwcwtwO - плотность, удельная теплоемкость, начальная температура воды, fw - сечение по воде,

отдача (прием, если меньше нуля) тепла теплоносителю,

At=x/vw, vw - скорость движения воды по трубке, / - интегральное среднее плотности потока тепла на промежутке AL :

Подставляя ( 3.40) в ( 3.43 ), получаем:

Подставляя все в уравнение баланса тепла и дифференцируя по х, получаем:

с начальным условием tw(0)=tw0 . Здесь учтено, что расход воды

— = L

qw=pwvwfw и что, в силу однородности, Лх i , где L - общая длина теплообменника (длина пути для воды). Решая ( 3.45 ) и вводя обозначение

получаем изменение температуры воды при ее движении по трубке теплообменника:

Как и следовало ожидать, распределение температуры далеко от линейного и носит экспоненциальный характер.

Теплоемкости чистой и сточной вод отличаются не сильно, поэтому можно положить cv=cw=c . Если выполняется условие cvqv»kF (теплоносителя много, а теплообменник мал), то экспонента в ( 3.46 ) может быть представлена в виде: е"“ ~1-а . В этом случае (3.47) при x=L приобретает вид:

Прирост температуры циркулирующей жидкости составляет:

где Ato=tvO-twO и At=tv(L)-twO при условии tw

Величина забираемого у теплоносителя тепла:

С учетом этой зависимости может быть рассчитана производительность теплового насоса.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >