Mathematical Model and Experimental Data for Water Cooling in Counterflow Film Cooling Towers

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The article considers the research methods, mathematical simulation, and calculation of heat-and-mass-transfer characteristics of film-type fills (packings) of cooling towers. The basic research approaches include experimental, numerical, and approximate methods. It is noted that the experimental and approximate methods are the most applicable for practical purposes when calculating cooling towers. One of the approximate methods consists in the application of flow structure models, namely, diffusion or cellular models. The authors consider the application of the cellular model for the gas and liquid phases in the form of an analytical solution with the thermal number of transfer units to calculate the thermal efficiency of the gas phase (air heating) and determine further the efficiency of the cooling water based on the thermal balance equation. The main parameters of the model, namely the number of cells for the gas and liquid phases, are calculated using the presented expressions. The article presents experimental data on hydraulic resistance, the volumetric coefficient of mass transfer, and thermal efficiency in the gas and liquid phases, obtained using the experimental model of a cooling tower with a bank of tubes (fill pack) with a discrete-regular rough surface. The calculation results by the cellular model are shown to agree with the experimental data. In addition, the calculation is performed for mini cooling towers with regular fills, used in rectification and absorption columns.

About the authors

E. A. Lapteva

Kazan State Power Engineering University

Email: grivka100@mail.ru
Kazan, Russia

A. G. Laptev

Kazan State Power Engineering University

Author for correspondence.
Email: grivka100@mail.ru
Kazan, Russia

References

  1. Пушнов А.С., Цурикова Н.П., Шинкунас С. и др. Совершенствование конструкций контактных устройств для градирен / Под об. ред. А.С. Пушнова, А. Сакалаускаса. Санкт-Петербург: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2020. 382 с.
  2. Сокол Б.А., Чернышев А.К., Баранов Д.А. Насадки массообменных колонн. Москва: Галилея-принт, 2009. 358 с.
  3. Каган А.М., Лаптев А.Г., Пушнов А.С., Фарахов М.И. Контактные насадки промышленных тепломассообменных аппаратов: Казань: Отечество, 2013. 454 с.
  4. Laptev A.G., Farakhov T.M., Basharov M.M. Processes and apparatuses of chemical technol ogies: modeling and modernization of industrial desulfurizing packed columns at refineries // Chemistry and Technology of Fuels and Oils. 2016. T. 52. № 5. C. 472–479.
  5. Скачков И.В., Бальчугов А.В., Рыжов С.О. Гидродинамические исследования технологии газожидкостных процессов на новой регулярной насадке // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2012. № 3(35). С. 147–150.
  6. Ramkumar R., Ragupathy A. Optimization of cooling tower performance with different types of packings using Taguchi approach. J. Braz. Soc. Mech. Sci. Eng. 37. (2015). 929–36.
  7. Rahmati M., Alavi S.R., Tavakoli M.R. Experimental investigation on 486 performance enhancement of forced draft wet cooling towers with special emphasis on the role of stage numbers. Energy Conv Manag. 126. (2016). 971–81.
  8. Raj G., Chandra P., Pathak P.K. Comparative analysis of two different types of fills used in wet cooling tower for higher-scale water with conventional film type fill. Heat Transf-Asian Res. 48. (2019). 493. 4000-15. Г. Радж, П. Чандра, П.К. Патак.
  9. Naik B.K., Muthukumar P. A novel approach for performance assessment of mechanical draft wet cooling towers. Appl. Therm. Eng. 121. (2017). 14–26.
  10. Boyadjiev C.H.R.B., Dzhonova D.B., Popova-Krumova P.G., Stefanova K.V., Pavlenko A.N., Zhukov V.E., Slesareva E.Yu. Liquid wall flow in counter-current column apparatuses for absorption processes with random packings // Bulgarian Chemical Communications. 2020. V. 52. P. 74–79.
  11. Cioncolini A. Pressure drop prediction in annular two-phase flow in macroscale tubes and channels / A. Cioncolini, J.R. Thome // International J. Multiphase Flow. 2017. № 89. P. 321–330.
  12. Ван Л., Ван С., Лу Дж. Исследование модели теплопередачи и влияющих факторов для градирен с поперечным потоком // Журн. прикладных наук и технологий. 14 (2015). 278–82.
  13. Витковская Р.Ф., Пушнов А.С., Шинкунас С. Аэрогидродинамика и тепломассообмен насадочных аппаратов: Лань-Пресс. 2019. 288 с.
  14. Лаптева Е.А., Столярова Е.Ю., Лаптев А.Г. Численное определение эффективности тепломассообмена в пленочной градирне с учетом неравномерности распределения воды и воздуха // Теплоэнергетика. 2020. № 4. С. 52–59.
  15. Дмитриев А.В., Мадышев И.Н., Харьков В.В., Дмитриева О.С., Зинуров В.Е. Экспериментальное исследование влияния наполнителя на теплогидравлические характеристики испарительной градирни. ThermSciEngProg. 22 (2021). 9.
  16. Федяев В.Л., Снигерев Б.А., Моренко И.В., Гайнуллин Р.Ф., Гайнуллина Р.Ф. О модернизации градирен СК-1200 // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2009. № 5–6. С. 43–51.
  17. Ramkrishnan R., Arumugam R. Experimental study of cooling tower performance using ceramic tile packing // Processing and Application of Ceramics. 7. (2013). 21–7. 15.
  18. Laptev A.G., Lapteva E.A. Mathematical model and thermohydraulic characteristics of packed scrubbers of condensation cooling of a gas // J. Engineering Physics and Thermophysics. 2022. T. 95. № 1. C. 257–265.
  19. Рамм В.М. Абсорбция газов. М.: Химия, 1976.
  20. Пономаренко В.С., Арефьев Ю.И. Градирни промышленных и энергетических предприятий. Москва: Энергоатомиздат, 1998.
  21. Кафаров В.В., Винаров А.Ю., Гордеев Л.С. Моделирование и системный анализ биохимических производств. М.: Лесн. Пром-сть, 1985. 280 с.
  22. Laptev A.G., Lapteva E.A. Mathematical models of friction on the surface of phase separation and heat and mass transfer in film units of cooling-tower sprinklers with intensifiers // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2021. T. 55. № 5. C. 906–913.
  23. Laptev A.G., Lapteva E.A. Mathematical models and calculation of the coefficients of heat and mass transfer in the packings of mechanical-draft towers // J. Engineering Physics and Thermophysics. 2017. T. 90. № 3. C. 644–650.
  24. Лаптев А.Г., Лаптева Е.А. Определение коэффициентов турбулентного перемешивания в одно- и двухфазных средах по модели Тейлора // Фундаментальные исслед. 2015. № 2–13. С. 2810–2814.
  25. Лаптев А.Г., Ведьгаева И.А. Устройство и расчет промышленных градирен: Казань: КГЭУ, 2004. 180 с.
  26. Bagomedov M.G.-G., Pushnov A.S., Berengarten M.G. Effect of packing type on hydraulic resistance of contact devices // Chemical and Petroleum Engineering. 2019. T. 55. № 5–6. C. 379–383.
  27. Бондарь К.Е. и др. Повышение эффективности тепломассообменных процессов в малогабаритных аппаратах охлаждения воды // Фундаментальные исследования. 2017. № 9. 1. С. 25–29.
  28. Боев Е.В., Афанасенко В.Г., Николаев Е.А., Иванов С.П. Повышение эффективности тепломассообменных насадок промышленных градирен // Газовая промышленность. 2010. № 7(648). С. 85–88.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (40KB)
Indexing metadata
3.

Download (37KB)
Indexing metadata
4.

Download (27KB)
Indexing metadata
5.

Download (35KB)
Indexing metadata
6.

Download (45KB)
Indexing metadata
7.

Download (23KB)
Indexing metadata
8.

Download (27KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 Е.А. Лаптева, А.Г. Лаптев