РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВОДОРАЗБРЫЗГИВАЮЩИХ ФОРСУНОК ОХЛАДИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ СТАЦИОНАРНОЙ КОМПРЕССОРНОЙ УСТАНОВКИ ГОРНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ

АННОТАЦИЯ

Форсунки для охлаждения играют важную роль в промышленности, производственных процессах и других областях, где контроль температуры имеет ключевое значение для эффективной работы оборудования и сохранности материалов. В данной статье рассмотрим разработанную конструкцию водоразбрызгивающей форсунки с указанной выше совокупностью признаков которая позволяет добиться снижения гидравлических потерь при распылении жидкости и за счет этого увеличивается радиус распыления жидкости, а также позволяет добиться мелкодисперсного распыления жидкости с формированием развитой поверхности теплообмена между потоками мелкодисперсной жидкости и потоком охлаждающего ее воздуха.

ABSTRACT

Cooling nozzles play an important role in industry, manufacturing processes and other applications where temperature control is key to efficient equipment operation and material preservation. In this paper we consider the developed design of water spraying nozzle with the above-mentioned set of features, which allows to achieve a reduction of hydraulic losses in the atomization of liquid and due to this increases the radius of atomization of liquid, and also allows to achieve fine atomization of liquid with the formation of a developed surface of heat exchange between the flow of fine liquid and the flow of air cooling it.

Ключевые слова: поршневые компрессоры, системы охлаждения, градирня, каплеуловитель, система распределения воды, водоразбрызгивающая форсунка, SolidWorks Flow Simulation – расчёт.

Keywords: reciprocating compressors, cooling systems, cooling tower, drift eliminator, water distribution system, water spray nozzle, SolidWorks Flow Simulation - calculation

Вступление: Горнодобывающая промышленность – одна из важнейших отраслей добычи полезных ископаемых во всем мире. Однако большинство этих важнейших полезных ископаемых находится в горных породах, залегающих глубоко в горах, что делает процесс их добычи чрезвычайно сложным. К счастью, современная техника внесла большой вклад в развитие горнодобывающей промышленности, в том числе и компрессоры (рис. 1).

Рисунок 1. Области применения различных типов компрессоров

1 – поршневые компрессоры; 2 – воздуходувки; 3 – винтовые компрессоры; 4 – центробежные компрессоры; 5 – пластинчатые компрессоры; 6 – осевые турбо компрессоры

Сжатый воздух повсеместно используется в горных промышленных предприятиях. В то же время это самый дорогой источник энергии. Только около 15% затраченной на получение сжатого воздуха электроэнергии переходит в его потенциальную энергию, которую потом можно использовать при его расширении. Большая часть – 85% —это тепло, выделяемое компрессором во время работы.[1].

Эффективная работа компрессорной установки в значительной степени зависит от охлаждения. Система охлаждения компрессорной установки решает три задачи – снижает энергоемкость процесса сжатия в цилиндре, исключает вероятность возгорания смазочных масел и способствует улучшению условий эксплуатации рабочих узлов компрессора [2].

Основная масса температур в сжатых газах охлаждается в промежуточных холодильниках. Система охлаждения часто бывает водяной, иногда воздушной.

Водяное охлаждение путем разбрызгивания приводит к большим потерям воды для компрессорных устройств и требует большой площади. Поэтому во многих случаях для системы охлаждения широко используются градирни (рис. 2).

Рисунок 2. Схема системы охлаждения с использованием градирни

1 – многоступенчатый компрессор; 2 – промежуточный холодильник; 3 – концевой холодильник; 4 – насос; 5 – градирня; 6 – каплеуловитель; 7 – система распределения воды; 8 – ороситель

Охлаждение в градирнях происходит главным образом за счёт испарения оборотной воды, стекающей по оросителю в виде капель или плёнок под действием собственной силы тяжести (за счет испарения 1% оборотной воды понижается её температура примерно на 6°C) [3].

Наиболее важным узлом градирни является распылительная насадка, или блоки оросителя, аэродинамические, массообменные и теплообменные свойства которых, определяют эффективность градирни, а именно влияют на размер новой градирни или оценку возможности охлаждения существующей.

Все типы водораспылительных насадок, которые необходимо использовать в градирне в течении всего времени, должны быть выбраны по следующим критериям: простота конструкции, эффективность, равномерное орошение площади охлаждения, минимизация затрат энергии для получения эффективного результата.

Литературное иисследование: Следующие исследовательские работы используются для получения глубокого понимания различных аспектов проекта.

Научные подходы к методам разделения воды на капли представлены в нескольких источниках литературы. Например, следующие учёные Л.А. Витмана, Б.Д. Кацнельсона и И.И. Палеева разделили методы водораспыления на капли на две большие группы: механические и пневматические.

В статьях авторов Д.Г. Пажи и В.С. Галустова рассмотрено 10 различных случаев разбиения воды на капли. В своих статьях они подробно осветили следующие параметры водораспылительных насадок, а именно: их конструкцию, сложностью изготовления и эксплуатации, характер движения воды, распыляющей среды, энергию, необходимую для достижения эффективных результатов.

Кроме того, гидравлическую схему водораспределительных систем, а также методику ее расчета были разработаны российскими учеными Л.Д. Берманом, Б.С. Фарфоровским, В.Б. Фарфоровским, В.С. Пономаренко, Ю.И. Арефьевым,В.А. Гладковым, В.Б. Дульневым, Ю.С. Недвига, В.В. Гончаровым и другими.

Во всех вышеперечисленных научных исследованиях ученые упоминали следующий ключевой показатель, а именно, что для повышения эффективности охлаждения градирни необходимо обеспечить равномерное распределение воды по площади тепломассообмена.

Подводя итог, проанализировав вышеуказанные научные исследования, можно сказать, что разбрызгивающие насадки должны быть экономически эффективны с точки зрения энергозатрат и должны обеспечивать равномерное распределение воды по площади орошения.

В результате анализа штатных водораспределительных насадок, установленных на градирнях Навоийской области мы увидели, что возникновение рассмотренных недостатков обусловлено следующими причинами: малая тонкость распыла, малый угол выхода факела из сопла и увеличение показателя неравномерного распределения воды по площади орошения в результате уменьшения напора, а также с распылением воды на крупные капли

Геометрическое моделирование: Учитывая вышеизложенные недостатки, мы хотели бы предложить разработанную нами конструкцию форсунки (рис 3).

Рисунок 3. Принципиальная конструкция форсунки разработанная нами

а) вид спереди форсунки; б) вид сверху форсунки

Учитывая вышеизложенные показатели, мы протестировали разработанную нами форсункy в программе SolidWorks Flow Simulation.

С целью определения оптимальных параметров форсунок в программе SolidWorks Flow Simulation задали следующие показатели:

• температура наружного воздуха
• скорость воздуха
• температура воды поступающей на форсунок
• расход воды на форсунок
• Все показатели, учтенные выше, показаны на рисунке 4 ниже.

Рисунок 4. Показатели, учитываемые в программе SolidWorks Flow Simulation

Результаты и обсуждения: Результат расчетов, выполненных в программе SolidWorks Flow Simulation, показал, что предлагаемое нами водоразбрызгивающая форсунка обладает лучшими показателями по распылению жидкости, а разбитые капли воды хорошо увеличивают взаимодействие с воздухом. Мы можем видеть это на рисунке 5.

Рисунок 5. Результат расчетов разработанной конструкции водоразбрызгивающей форсунки

а) Массовая концентрация воды в водоразбрызгивающей форсунки; б) Скорость движение воды в водоразбрызгивающей форсунки; в) Температура воды в водоразбрызгивающей форсунки; с) Радиус и угол разбрызгивания факелов водоразбрызгивающей форсунки.

Из массовых концентраций видно, что наиболее эффективное взаимодействие воды и воздуха происходило в предложенной нами водоразбрызгиваемой форсунке (рис. 5 а). Мы знаем, что чем меньше скорость движения капель воды, тем эффективнее происходит взаимодействие между каплями и воздухом. Результаты расчетов по скорости в программе SolidWorks Flow Simulation показали, что предложенная нами водоразбрызгиваемая форсунка (рис. 5 б) уменьшила скорость движения капель и увеличила взаимодействие с воздухом за счет того, что она препятствует движению воды. Результат расчетов по температурам в программе SolidWorksFlowSimulation на рисунке 5в показал, что температура воды предложенной нами водораспылительной форсунки позволяет снизить температуру воды до +33,5 ⁰С. Мы можем увидеть, насколько эффективно мы получили эту низкую температуру на рисунке выше показано с помощью заливки температуры текучая среда и линия потока. На рисунке 5с мы можем видеть, что предлагаемая нами форсунка имеет более высокий угол раскрытия факела и может обеспечивать равномерное распределение воды по площади орошения.

Вывод: В результате детального анализа мы увеличили угол и радиус факела в результате улучшения конструкции водораспылителя форсунки. Кроме того, мы позаботились о том, чтобы вода распределялась по ровной поверхности. Мы оптимизировали форму сопла для преодоления гидравлического сопротивления.

В программе SolidWorks Flow Simulation мы разработали метод расчета водораспылителя форсунки с разными характеристиками. Предложенная нами водораспылительная форсунка смогла снизить температуру воды с +39 ⁰С, упомянутую в источниках, до +33,5 ⁰С, т.е. до 14%, и добиться эффективного охлаждения.

Список литературы:

1. Управление энергией сжатого воздуха: проблемы потребления [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://studopedia.org/1-88320.html (дата обращения: 20.04.2017).
2. Миняев Ю. Н. Энергетическое обследование пневмохозяйства промышленных предприятий.// – Екатеринбург: Изд-во УГГГА, – 2003. – 131 с.
3. Джураев Р.У., Меркулов М. В., Косьянов В. А., Лимитовский А. М. Повышение эффективности породоразрушающего инструмента при бурении скважин с продувкой воздухом на основе использования вихревой трубы. // Горный журнал. – 2020. – №12. С. 71-73.
4. Kayumov U. E. et al. KOMPRESSOR QURILMALARINI MOYLASH TIZIMINI TAKOMILLASHTIRISHNI TAHLIL QILISH //Innovations in Technology and Science Education. – 2023. – Т. 2. – №. 7. – С. 1122-1128.
5. Атакулов Л. Н., Каюмов У. Э. Исследование оптимальных параметров лопасти рабочего колеса насосного оборудования //Вопросы науки и образования. – 2020. – №. 26 (110). – С. 4-12.
6. Pardayeva S., Kayumov U., Djurayev R. 621.512 IMPROVING THE DESIGN OF WATER SPRAY NOZZLES IN COOLING TOWERS //Scientific and Technical Journal of Namangan Institute of Engineering and Technology. – 2024. – Т. 9. – №. 1. – С. 178-184.
7. Djuraev R., Kayumov U., Pardaeva S. USE OF THERMAL ENERGY OF MINING COMPRESSOR UNITS //Innovatsion texnologiyalar. – 2023. – Т. 52. – №. 04.