Calculation of liquid cooling in film cooling towers with a profiled sprinkler surface
We have developed a method for calculating the degree of liquid cooling in film cooling towers with a profiled sprinkler surface under the conditions of quiescent air and intense blowing about the water film. The method is based on our experimental investigations that result in finding a highly effi...
Збережено в:
| Дата: | 2017 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine
2017
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://systemre.org/index.php/journal/article/view/596 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | System Research in Energy |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
System Research in Energy| _version_ | 1871104129583022080 |
|---|---|
| author | Dubrovskyi V.V. |
| author_facet | Dubrovskyi V.V. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Dubrovskyi V.V.",
"institution": null
}
] |
| author_sort | Dubrovskyi V.V. |
| baseUrl_str | https://systemre.org/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T12:57:43Z |
| description | We have developed a method for calculating the degree of liquid cooling in film cooling towers with a profiled sprinkler surface under the conditions of quiescent air and intense blowing about the water film. The method is based on our experimental investigations that result in finding a highly efficient heat-exchange surface with spherical dimples that can be recommended as sprinklers for cooling towers.We have analyzed a series of factors that affect heat transfer from water to air on the recommended profiled surface. Some calculations of the degree of water cooling in a cooling tower with air flow transverse to the film have been performed by the developed method. It has been shown that the same degree of cooling can be obtained in the recommended cooling tower in different ways: for example, by varying liquid flow rate and air-flow velocity, or sprinkler length and air velocity. This extends the possibilities of maneuvering modal and constructive-technological parameters of cooling tower depending on specified conditions.The method is developed for engineering use. |
| doi_str_mv | 10.15407/pge2017.01.074 |
| first_indexed | 2026-03-24T02:02:22Z |
| format | Article |
| fulltext |
74
УДК 536.24 В.В. ДУБРОВСЬКИЙ, канд. техн. наук, ст. наук. співр.,
Інститут загальної енергетики НАН України,
вул. Антоновича, 172, м. Київ, 03150, Україна
РОЗРАХУНОК ОХОЛОДЖЕННЯ РІДИНИ У ПЛІВКОВИХ ГРАДИРНЯХ
ІЗ ПРОФІЛЬОВАНОЮ ПОВЕРХНЕЮ ЗРОШУВАЧІВ
Розроблено методику розрахунку охолодження рідини для плівкової градирні із профі-
льованою поверхнею зрошувачів. Методика базується на експериментальних дослід-
женнях, за результатами яких було знайдено високоефективну теплообмінну поверхню
зі сферичними лунками, яку можна рекомендувати як зрошувач. Методику розроблено
для інженерного використання.
К л ю ч о в і с л о в а: розрахунок, тепловіддача, охолодження, плівкова градирня.
У рамках задачі пошуку високоефективної
теплообмінної поверхні, яку можна буде вико-
ристати як зрошувач у плівкових градирнях,
було проведено комплекс експериментальних
досліджень тепловіддачі від стікаючої плівки
води до повітря при її течії по профільованих
поверхнях [1, 2]. Зміна рельєфу поверхні за
рахунок нанесення поглиблень, як показали
досліди, призводить у порівнянні з гладкою
поверхнею до інтенсивної турбулізації потоку
і значної інтенсифікації теплообміну. В про-
цесі досліджень було виявлено та вивчено
низку факторів, які впливають на тепловідда-
чу на профільованих поверхнях [3, 4]. Аналіз
результатів отриманих даних дозволив зроби-
ти висновок про те, що до таких факторів від-
носяться:
– геометрична форма поглиблень на
поверхні зрошувача. Серед досліджених
чотирьох форм поглиблень (сферичних,
циліндричних, ромбоподібних та квадратних)
найкращими з точки зору тепловіддачі є
поверхні з поглибленнями у вигляді сферич-
них лунок. Саме сферичні лунки за гідродина-
мікою стікання у поглиблення призводять до
найкращої турбулізації течії, перемішуванню
шарів рідини і, відповідно, інтенсифікації
теплообміну;
– геометричні характеристики поглиблень:
їх розмір та глибина. Визначена сукупність
певних розмірів сферичних лунок (їх діаметр у
площині поверхні течії і глибина), що призво-
дять до інтенсивної тепловіддачі;
– розташування сферичних лунок на
поверхні течії. Досліди з шаховим та кори-
дорним розташуванням лунок показали, що
шахове розташування значно краще за тепло-
віддачею, оскільки турбулізація потоку води
по такій поверхні значно краща, ніж при течії
при коридорному розташуванні, де спостері-
гаються незбурені потоки між поглиблення-
ми;
© В.В. ДУБРОВСЬКИЙ, 2017
ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ОПТИМІЗАЦІЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ
ОБ’ЄКТІВ І СИСТЕМ ЕНЕРГЕТИКИ
ISSN 1562-8965. The problems of general energy. 2017, 1(48): 74–78
doi: https://doi.org/10.15407/pge2017.01.074
– щільність розташування поглиблень на
поверхні зрошувача. Збільшення кількості сфе-
ричних лунок на одиниці площі поверхні течії
за рахунок кращої турбулізації потоку помітно
збільшує коефіцієнт тепловіддачі від води до
повітря. Проте, кількість поглиблень на
поверхні обмежується конструктивно-техноло-
гічними особливостями;
– кут нахилу зрошувача, по якому стікає
рідина. Визначено кут, який не уповільнює рух
стікаючої плівки води і викликає інтенсивну
турбулізацію потоку, але при цьому не призво-
дить до утворювання небажаних крапель (бри-
зок) при стіканні;
– витрата води, тобто товщина плівки, що
стікає по профільованій поверхні. При занадто
великій товщині плівки ефект втручання
поглиблень на турбулізацію потоку і перемішу-
вання шарів рідини втрачається. Визначено
величини об’ємної густини зрошування, що
призводять до високого ступеня охолодження у
плівкових градирнях;
– ширина зрошувача, яка пов’язана з взає-
модією потоку плівки води з оточуючим повіт-
рям, оскільки повітря при русі над плівкою
нагрітої рідини нагрівається, і ефект його охо-
лоджувальної спроможності помітно зменшу-
ється. Ширина зрошувача залежить також від
швидкості повітря, що його обдуває у попереч-
ному до течії води напрямку: чим воно більше,
тим ширше може бути зрошувач;
– довжина зрошувача, яка фактично визна-
чає час контакту фаз вода – повітря. Природно,
зі збільшенням довжини течії рідина краще
охолоджується;
– інтенсивність і напрямок дії повітряного
потоку відносно руху потоку рідини.
Визначено, що поперечне обдування потоку
плівки води повітрям, коли постійно відбува-
ється приплив свіжого повітря вздовж течії
рідини на всій довжині зрошувача (перехресна
взаємодія фаз), набагато краще, ніж обдування
в режимі протитечії фаз, коли повітря по мірі
руху над плівкою помітно нагрівається. Відомо,
що довжина зрошувача у градирні перебільшує
його ширину.
Безумовно, треба також завжди враховувати
кліматичні умови (або температурні перепади)
взаємодії контактуючих фаз, але це не відно-
ситься до можливостей самих поверхонь.
У результаті було знайдено високоефектив-
ну теплообмінну профільовану поверхню. За
коефіцієнтом тепловіддачі вона майже утричі
перевищує показники для гладкої поверхні. Це
поверхня зі сферичними лунками діаметром
D = 16 мм та глибиною h = 5 мм, розташовани-
ми у шаховому порядку на відстані між їх цент-
рами S = 24 мм. Така поверхня має високу охо-
лоджувальну спроможність і може бути запро-
понована для реальних плівкових градирень як
зрошувач. Слід зазначити, що зрошувачі, по
яких стікає плівка, повинні бути розташовані в
градирні не вертикально (як у типових плівко-
вих градирнях), а під кутом 30 град до горизон-
ту. Для отримання найбільш ефективної тепло-
віддачі на зрошувачах градирні рекомендовано
створювати об’ємну густину зрошування G/l в
діапазоні від 0,44 до 2,83 м3/(м⋅год), де G –
масова витрата води, l – ширина поверхні течії.
Охолодження води при її течії по поверхні
зрошувача здійснюється за рахунок конвектив-
ного теплообміну плівки з оточуючим повітрям
і, крім того, за рахунок масообмінних процесів
– випаровування рідини з поверхні плівки.
Оскільки в експериментах неможливо було
усунути вплив випаровування, в процесі
досліджень визначався ефективний коефіцієнт
тепловіддачі α, який відображає сумарний
ефект охолодження плівки води за рахунок
обох процесів.
Методика проведення експериментів та роз-
рахунку ступеня охолодження рідини у плівко-
вих градирнях із профільованою поверхнею
зрошувачів взагалі базується на такому.
У дослідах за допомогою високоточного
диференціального цифрового термометра
визначався ступінь охолодження води – різниця
Δt між температурами на вході та виході зрошу-
вача. Потім за отриманими даними за відомою
формулою визначалась кількість тепла Q, яка
відбиралась від води при її стіканні по лотку:
Q = сGΔt, (1)
де с – питома теплоємність води.
Коефіцієнт тепловіддачі α визначався за
формулою:
α = Q/(F(tw – ta)), (2)
де F – площа зрошувача, що покрита плівкою
стікаючої води (F = lL), tw – середня темпера-
тура води на зрошувачі, ta – температура ото-
чуючого повітря.
75ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2017, issue 1 (48)
Розрахунок охолодження рідини у плівкових градирнях із профільованою поверхнею зрошувачів
Отримані дані експериментів було представ-
лено у вигляді безрозмірного коефіцієнта теп-
ловіддачі – числа Нусcельта:
Nu = αL/λа, (3)
де L – довжина поверхні течії води, λа – коефі-
цієнт теплопровідності повітря.
Для знайденої високоефективної тепло-
обмінної поверхні було здійснено узагальнення
дослідних даних для різних режимів стікання
води, а також різних швидкостей повітряного
потоку в режимі перехресної течії фаз вода –
повітря. Дані було оброблено методом наймен-
ших квадратів за допомогою середовища про-
грамування TurboBasic. В результаті отримано
емпіричну залежність для числа Нуссельта:
Nu = 7Reпл
0,026 Reвід
0,5(L/l)0,57 (4)
у діапазоні 510 ≤ Reпл ≤ 3180; 26070 ≤ Reвід ≤
≤ 1462000; 3,2 ≤ L/l ≤ 28,3.
Тут числа Рейнольдса для плівки і відносно-
го руху фаз дорівнюють:
Reпл = 4G /(l νw ρw);
Reвід = Va L / νa, (5)
де νw, νa – коефіцієнти кінематичної в’язкості
води та повітря; ρw – густина води; Va – швид-
кість повітря, що обдуває стікаючу плівку.
Зробимо зауваження щодо швидкості повітря.
При взаємодії двох фаз вода – повітря треба
враховувати їх відносну швидкість. Але, оскіль-
ки швидкість руху плівки води по профільова-
ній поверхні зрошувача становить малу
величину і яка є набагато меншою у порівнянні
з можливою швидкістю повітря, що обдуває
плівку, можна використовувати замість віднос-
ної швидкості фаз лише швидкість повітря Va.
Додамо до цього, що в умовах нерухомого
повітря значення величини Va у виразі (5) не
дорівнює 0, а дорівнює 0,3 м/с, що відповідає
швидкості течії води по поверхні зі сферични-
ми лунками під кутом 30 град (тобто відносної
швидкості контактуючих фаз).
Для визначення впливу окремих факторів
(розмірних величин) на тепловіддачу від води
до повітря при її течії по рекомендованій про-
фільованій поверхні формулу (4) можна пред-
ставити як
Nu = 7,26 L1,07 × Va
0,5 × G0,026×νw
–0,026 ×
× ρw
–0,026 × νa
–0,5 × l–0,6.
Як видно, найбільший вплив на число
Нуссельта чинить довжина течії рідини (тобто
час контакту фаз), а потім у порядку зменшен-
ня впливу – швидкість повітряного потоку та
витрата рідини.
На коефіцієнт тепловіддачі α окремі факто-
ри впливають так:
α = 7,26 λа × Va
0,5 × L0,07 × G0,026 × νw
–0,026 ×
× ρw
–0,026 × νa
–0,5 × l–0,6.
У першу чергу на величину α впливає тепло-
провідність повітря, меншою мірою його
швидкість, довжина течії рідини та її витрата.
Вплив окремих факторів на ступінь охолод-
ження води можна представити так:
Δt = 7,26 L1,07 × λа × ΔT × Va
0,5 × l0,4 ×
× νw
–0,026 × ρw
–0,026 × νa
–0,5 × G–0,974 × c–1,
де ΔT – різниця між середньою температурою
води на зрошувачі та температурою оточуючого
повітря.
Тут практично однаковий вплив чинять
довжина течії води по зрошувачу, теплопровід-
ність повітря та різниця температур ΔT.
Меншою мірою впливають швидкість повітря
та ширина зрошувача.
Після аналізу параметрів, що впливають на
охолоджувальну спроможність профільованих
зрошувачів, було розроблено конструктивну
схему плівкової градирні [5]. Важливою особливі-
стю таких градирень у порівнянні з типовими
плівковими є те, що зрошувачі у вигляді лотків
розташовуються у просторі градирні не верти-
кально, а під кутом 30 град до горизонту на деякій
відстані один над одним, утворюючи окремий
блок. Кількість блоків градирні визначають її про-
дуктивність. Запропоновано оригінальну компо-
новку зрошувачів у блоках градирні, що дозволяє
маневрувати її продуктивністю, ступенем охолод-
ження циркуляційної води та габаритами.
Для плівкової градирні цього типу розробле-
но методику розрахунку ступеня охолодження
рідини при її течії по рекомендованій профі-
льованій поверхні в умовах нерухомого ото-
чуючого повітря та поперечної дії потоку.
Спочатку задаються геометричні розміри
поверхні зрошувача – його ширина l і довжина
76 ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2017, issue 1 (48)
В.В. ДУБРОВСЬКИЙ
L, а також витрата води G та швидкість повітря
Va. Значення цих параметрів необхідно задава-
ти у рекомендованих за результатами експери-
ментів діапазонах, враховуючи вимоги щодо
об’ємної густини зрошування, тобто товщини
плівок на поверхні течії, при яких має місце їх
інтенсивна турбулізація, і досягається ефектив-
не охолодження рідини. Довжина зрошувачів у
градирні при їх зигзагоподібному розташуванні
[5] не обмежена і пов’язана з її габаритами.
Ширина зрошувача, згідно з рекомендаціями,
які базуються на проведених експериментах,
може досягати 1 м при швидкості повітря у
поперечному напрямку до 4,5 м/с.
Потім за отриманою емпіричною формулою
(4) знаходимо число Нуссельта, а за формулою
(3) обчислюємо коефіцієнт тепловіддачі (α =
= Nuλа/ L). Далі прирівнюваємо величину Q із
(1) та (2):
cG Δt = αF(t1 – Δt/2 – ta),
при цьому середню температуру води на зро-
шувачі tw виражаємо як (t1 – Δt/2), де t1 – тем-
пература води, що подається на зрошувач для
охолодження, і знаходимо коефіцієнт А:
А = 2αF/(2cG + αF). (6)
Остаточно ступінь охолодження води у плів-
кових градирнях із профільованою поверхнею
зрошувачів визначаємо з формули:
Δt = А(t1 – ta).
77ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2017, issue 1 (48)
Розрахунок охолодження рідини у плівкових градирнях із профільованою поверхнею зрошувачів
Таблиця – Дані розрахунків ступеня охолодження води
Знаючи температуру води, яка подається на
градирню, та температуру повітря, що взаємо-
діє з рідиною, можна розрахувавши коефіцієнт
А за формулою (6), визнати наскільки охолоне
рідина у плівковій градирні з певними задани-
ми параметрами.
В таблиці наведено деякі дані розрахунків
ступеня охолодження води у плівковій градирні
із профільованою поверхнею зрошувачів при
поперечному обдуванні повітрям за вказаною
методикою. Рядки 1–3 таблиці характеризують
вплив витрати води на зрошувачі на її охолод-
ження при усіх інших незмінних параметрах.
Як видно, збільшення витрати у 6 разів призво-
дить до зменшення величини Δt у 4 рази.
Впливу швидкості повітря на ступінь охолод-
ження при усіх інших незмінних параметрах
відповідають рядки 4–6. Природно, що більша
інтенсивність дії повітря приводить до кращого
охолодження води. Збільшення швидкості
обдування у 14 разів у порівнянні з нерухомим
повітрям призводить до покращення величини
Δt у 3,4 раза. Рядки 7–9 характеризують вплив
довжини течії води по зрошувачу на ефектив-
ність її охолодження також при усіх інших
незмінних параметрах. Чим довше тече рідина
у контакті з повітрям, тим краще вона охолод-
жується. Збільшення величини L у 4 рази
викликає зростання ступеня охолодження у
3,3 раза. Рядки 10–12 таблиці показують як
змінюється охолодження при різній температу-
рі повітря, а рядки 13–15 – при різній початко-
вій температурі технологічної води, що пода-
ється на зрошувач. Аналізуючи дані таблиці,
можна побачити, що майже однаковий ступінь
охолодження можна отримати у рекомендова-
ній градирні різними шляхами: наприклад,
варіюючи витратою рідини та швидкістю обду-
вання (рядки 3 та 5), або довжиною зрошувача
та швидкістю обдування (рядки 2 та 8). Все це
розширює можливості маневрування режим-
ними та конструктивно-технологічними пара-
метрами градирні в залежності від заданих
умов.
ВИСНОВКИ
Розроблено методику розрахунку ступеня
охолодження рідини для плівкової градирні із
профільованою поверхнею зрошувачів в умо-
вах нерухомого повітря та інтенсивного обду-
вання плівки стікаючої води. Методика базу-
ється на експериментальних дослідженнях, за
результатами яких було знайдено високоефек-
тивну теплообмінну поверхню зі сферичними
лунками, яку можна рекомендувати як зрошу-
вач. Методику розроблено для інженерного
використання.
1. Шрайбер А.А., Дубровский В.В.,
Подвысоцкий А.М. Обобщение опытных дан-
ных по теплообмену пленки жидкости, стекаю-
щей по гладким и профилированным поверхно-
стям, с воздухом. Промышленная теплотехника.
2010. Т. 32. № 4. С. 21—27.
2. Дубровський В.В., Підвисоцький О.М.,
Гришук М.С., Неділько А.П. Тепловіддача на
профільованих поверхнях промислових плівко-
вих градирень. Проблеми загальної енергетики.
2014. Вип. 3 (38). С. 50—56.
3. Дубровський В.В., Підвисоцький О.М. Вплив
геометричних характеристик поверхні зі сферич-
ними лунками на теплообмін води з повітрям.
Проблеми загальної енергетики. 2015.
Вип. 3 (42). С. 50—56.
4. Дубровський В.В. Теплообмін між рідиною та
повітрям на поверхнях з різною формою поглиб-
лень. Проблеми загальної енергетики.2016.
Вип. 1 (44). С. 41—47.
5. Дубровський В.В. Плівкова градирня із про-
фільованою поверхнею зрошувачів. Проблеми
загальної енергетики. 2016. Вип. 2 (45). С. 52—56.
Надійшла до редколегії 30.12.2016
78 ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2017, issue 1 (48)
В.В. ДУБРОВСЬКИЙ
|
| id | systemreorg-article-596 |
| institution | System Research in Energy |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:19:11Z |
| publishDate | 2017 |
| publisher | General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | systemreorg/5d/e1fccb6f09ed00c79c48aed500ab435d.pdf |
| spelling | systemreorg-article-5962026-07-18T12:57:43Z Calculation of liquid cooling in film cooling towers with a profiled sprinkler surface Розрахунок охолодження рідини у плівкових градирнях із профільованою поверхнею зрошувачів Dubrovskyi V.V. calculation, heat transfer, cooling, film cooling tower. розрахунок, тепловіддача, охолодження, плівкова градирня. We have developed a method for calculating the degree of liquid cooling in film cooling towers with a profiled sprinkler surface under the conditions of quiescent air and intense blowing about the water film. The method is based on our experimental investigations that result in finding a highly efficient heat-exchange surface with spherical dimples that can be recommended as sprinklers for cooling towers.We have analyzed a series of factors that affect heat transfer from water to air on the recommended profiled surface. Some calculations of the degree of water cooling in a cooling tower with air flow transverse to the film have been performed by the developed method. It has been shown that the same degree of cooling can be obtained in the recommended cooling tower in different ways: for example, by varying liquid flow rate and air-flow velocity, or sprinkler length and air velocity. This extends the possibilities of maneuvering modal and constructive-technological parameters of cooling tower depending on specified conditions.The method is developed for engineering use. Розроблено методику розрахунку ступеня охолодження рідини у плівкових градирнях із профільованою поверхнею зрошувачів для умов нерухомого оточуючого повітря та інтенсивного обдування плівки стікаючої води. Методика базується на експериментальних дослідженнях, за результатами яких було знайдено високоефективну теплообмінну поверхню зі сферичними лунками, яку можна рекомендувати як зрошувач градирні.Наведено аналіз низки факторів, які впливають на тепловіддачу від води до повітря на рекомендованій профільованій поверхні. За розробленою методикою приведено деякі дані розрахунків ступеня охолодження води у градирні при поперечному обдуванні плівки повітрям. Показано, що однаковий ступінь охолодження можна отримати у рекомендованій градирні різними шляхами: наприклад, варіюючи витратою рідини та швидкістю обдування, або довжиною зрошувача та швидкістю обдування. Це розширює можливості маневрування режимними та конструктивно-технологічними параметрами градирні в залежності від заданих умов.Методику розроблено для інженерного використання. General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine 2017-05-25 Article Article application/pdf https://systemre.org/index.php/journal/article/view/596 10.15407/pge2017.01.074 System Research in Energy; No. 1 (48) (2017): The Problems of General Energy; 74-78 Системні дослідження в енергетиці; № 1 (48) (2017): Проблеми загальної енергетики; 74-78 2786-7102 2786-7633 uk https://systemre.org/index.php/journal/article/view/596/523 Copyright (c) 2017 Dubrovskyi V.V. https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0 |
| spellingShingle | calculation heat transfer cooling film cooling tower. Dubrovskyi V.V. Calculation of liquid cooling in film cooling towers with a profiled sprinkler surface |
| title | Calculation of liquid cooling in film cooling towers with a profiled sprinkler surface |
| title_alt | Розрахунок охолодження рідини у плівкових градирнях із профільованою поверхнею зрошувачів |
| title_full | Calculation of liquid cooling in film cooling towers with a profiled sprinkler surface |
| title_fullStr | Calculation of liquid cooling in film cooling towers with a profiled sprinkler surface |
| title_full_unstemmed | Calculation of liquid cooling in film cooling towers with a profiled sprinkler surface |
| title_short | Calculation of liquid cooling in film cooling towers with a profiled sprinkler surface |
| title_sort | calculation of liquid cooling in film cooling towers with a profiled sprinkler surface |
| topic | calculation heat transfer cooling film cooling tower. |
| topic_facet | calculation heat transfer cooling film cooling tower. розрахунок тепловіддача охолодження плівкова градирня. |
| url | https://systemre.org/index.php/journal/article/view/596 |
| work_keys_str_mv | AT dubrovskyivv calculationofliquidcoolinginfilmcoolingtowerswithaprofiledsprinklersurface AT dubrovskyivv rozrahunokoholodžennârídiniuplívkovihgradirnâhízprofílʹovanoûpoverhneûzrošuvačív |