alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2019.28-33.063-072alternative-1820Research ArticleЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЭНЕРГЕТИКИENVIRONMENTAL ASPECTS OF ENERGYВодовоздушное аэрозольное охлаждение рядов из цилиндрических элементов в прямоугольном каналеWater-Air Aerosol Cooling of Cylindrical Element Rows in a Rectangular ChannelАбедА. Х.AbedA. H.

Акрам Хамзах Абед аспирант, инженерисследователь кафедры «Атомные станции и возобновляемые источники энергии»

д. 19, ул. Мира, Екатеринбург, 620002

Akram Hamzah Abed Ph.D. Student, Researcher at Department of Nuclear Power Plants and Renewable Energy Sources

19 Mir Str., Ekaterinburg, 620002

akraaam82@yahoo.comЩеклеинС. Е.ShchekleinS. E.

Сергей Евгеньевич Щеклеин : д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Атомные станции и возобновляемые источники энергии»; действительный член Международной энергетической академии; член редколлегии журнала «Известия вузов. Ядерная энергетика»; Международного научного журнала «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE); сборника трудов УГТУ-УПИ «Теплофизика ядерных энергетических установок»; Трудов Одесского национального политехнического университета; Научно-технического журнала «Энергоэффективность и анализ». 

д. 19, ул. Мира, Екатеринбург, 620002

Sergey Shcheklein D.Sc. in Engineering, Professor, the Head of Atomic Stations and Renewable Energy Sources Department, Urals Federal University; a member of International Energy Academy; a member of the editorial board of “Institute of Higher Education News. Nuclear Power”; International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE); “Nuclear Power Units Heat Engineering” USTU; Odessa National Polytechnic University article collection; Scientific Journal of “Energy Effectiveness and Analysis”. 

19 Mir Str., Ekaterinburg, 620002

ПахалуевВ. М.PakhaluevV. M.

Валерий Максимович Пахалуев д-р техн. наук, профессор кафедры «Атомные станции и возобновляемые источники энергии»; действительный член Международной академии наук о природе и обществе.

д. 19, ул. Мира, Екатеринбург, 620002

Valery Pakhaluev D.Sc. in Engineering, Professor at Department of Nuclear Power Plants and Renewable Energy Sources, Urals Federal University; Member of International Academy of Natural and Social Sciences.

19 Mir Str., Ekaterinburg, 620002

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. ЕльцинаРоссияUral Federal University Named after the First President of Russia B.N. YeltsinRussian Federation201913122019028-336372Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20192019Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/1820

Развитие как тепловой, так и ядерной энергетики в XXI веке привело к значительному увеличению потребности электростанций, работающих по термодинамическому циклу Ренкина, в водных ресурсах для отвода низкопотенциальной теплоты в окружающую среду. Основу современных технологий охлаждения конденсаторов паровых турбин составляют испарительные системы (градирни, брызгальные бассейны, прудыохладители). Испаряющаяся в этих системах в значительных объемах вода требует постоянного восполнения из имеющихся на территории водных источников, а пары воды в зоне размещения электростанций создают повышенную влажность атмосферного воздуха и дополнительные условия для парникового эффекта. Разработка технологий охлаждения с малым потреблением водных ресурсов является важной задачей современной энергетики.

Проведены экспериментальные исследования теплообмена цилиндрических элементов с шахматной компоновкой в прямоугольном канале с мелкодисперсным водным аэрозольным потоком. Получены значения коэффициентов теплоотдачи в зависимости от числа Рейнольдса, степени увлажнения потока для каждого ряда цилиндров. Предложена физическая модель обтекания поверхностей цилиндрических элементов потоком, содержащим аэрозольные частицы воды. Модель позволяет оценить осаждение этих частиц на нагретой поверхности. Произведена оценка относительной массы капельной влаги, оседающей на поверхности цилиндров, в зависимости от плотности орошения для первого, второго и третьего рядов. Получено критериальное уравнение, обобщающее экспериментальные данные в виде зависимости числа Нуссельта от режимных параметров (чисел Рейнольдса и Вебера) и положения элементов в канале. Показано, что микрокапельное увлажнение воздушного потока позволяет повысить эффективность теплообменника в 1,5–3,5 раза. Наибольшее повышение эффективности происходит на двух первых рядах труб, что требует создания конструкции малорядного теплообменника или дополнительного микрокапельного промежуточного ввода воды перед последующими рядами по направлению движения воздушного потока.

The development of both thermal and nuclear energy in the 21st century has led to a significant increase in water resources demand for removal of low-grade heat into the environment from power plants operating on the Rankine thermodynamic cycle. The evaporative systems (cooling towers, spray basins) form the basis of modern technologies for cooling condensers of steam turbines. Water that evaporates in a significant volume requires constant replenishment from water sources available on the territory, and water vapor forms in the zone where the power plants are located, increased atmospheric humidity and creates an additional condition for the occurrence of a “greenhouse effect”. The development of cooling technologies with low water consumption is one of the important tasks of modern energy.

The paper performs the experimental investigations of heat transfer from cylindrical elements in a staggered arrangement inside a rectangular channel with a fine water aerosol. We have obtained the heat transfer coefficients depending on the Reynolds number and the degree of flow moistening for each row of cylinders. A physical model is proposed for the flow around the surface of cylindrical elements that contains water aerosol particles. This model makes it possible to evaluate their deposition on a heated surface. We have estimated the relative mass of droplet moisture deposited on the cylinder's surface depending on the irrigation density for rows 1, 2 and 3 and obtained a criterion equation that generalizes the experimental data in the form of Nusselt number, operating parameters (Reynolds and Weber numbers), and the position of the elements in the channel. Micro-droplet humidification of the airflow is shown to make it possible to increase the heat transfer efficiency by 1.5–3.5 times. The greatest increase in efficiency occurs in the first two rows of cylindrical elements, which requires the construction of a heat exchanger with a low number of rows, or an additional micro-droplet intermediate water inlet in front of subsequent rows in the direction of airflow.

водовоздушный аэрозольный потокплотность орошениякоэффициент теплоотдачицилиндрические элементыосаждение капельной влагиwater-air aerosol flowirrigation densityheat transfer coefficientcylindrical elementswater droplet depositionReferencesChen, G. The efficiency of high-level water collecting cooling tower with the installation of cross wall affect by the evolution of aerodynamic field / G. Chen [et al.] // Applied Thermal Engineering. – 2019. – Vol. 161. – P. 114181.Chen G., Zhao Y., Li W., Ge W. The efficiency of high-level water collecting cooling tower with the installation of cross wall affect by the evolution of aerodynamic field. Applied Thermal Engineering, 2019;161:114181 (in Eng.).Cortinovis, G.F. A systemic approach for optimal cooling tower operation / G.F. Cortinovis [et al.] // Energy Convers. Manage. – 2009. – Vol. 50. – P. 2200–2209.Cortinovis G.F., Paiva J.L., Song T.W., Pinto J.M., A systemic approach for optimal cooling tower operation. Energy Convers. Manage, 2009;50:2200–2209 (in Eng.).Sturman, A. Predicting the frequency of occurrence of visible water vapour plumes at proposed industrial sites / A. Sturman, P. Zawar-Reza // Atmospheric Environment. – 2011. – Vol. 45. – Iss. 12. – P. 2103–2109.Sturman A., Zawar-Reza P. Predicting the frequency of occurrence of visible water vapour plumes at proposed industrial sites. Atmospheric Environment, 2011;45(12):2103–2109 (in Eng.).Мильман, О.О. Воздушно-конденсационные установки / О.О. Мильман, В.А. Федоров. – М.: Издательство МЭИ, 2002. – 208 с.Milman O.O., Fedorov V.A. Air condensing units (Vozdushno-kondensatsionnye ustanovki). Moscow: Publishing House MPEI, 2002; p. 208 (in Russ.).Болдырев, В.М. Похоже, альтернатив для сухих градирен нет / В.М. Болдырев // Росэнергоатом РЭА. – 2008. – № 6. – С. 6–9.Boldyrev V.M. It seems that there are no alternatives for dry cooling towers (Pokhozhe, al'ternativ dlya sukhikh gradiren net). Rosenergoatom REA, 2008;(6):6–9 (in Russ.).Еперин, А.П. О проблеме охлаждения технической воды атомных электрических станций / А.П. Еперин // Биосфера. – 2011. – Т. 3. – № 1. – С. 38–40.Eperin A.P. About the problem of cooling industrial water of nuclear power plants (O probleme okhlazhdeniya tekhnicheskoi vody atomnykh elektricheskikh stantsii). Biosphere, 2011;3(1):38–40 (in Russ.).Мильман О.О., Ананьев П.А. Сухие градирни и воздушно-конденсационные установки: (обзор) / О.О. Мильман, П.А. Ананьев // Теплоэнергетика. – 2016. – № 3. – С. 3 –14.Milman O.O., Ananiev P.A. Dry cooling towers and air-condensing units: (review) (Sukhie gradirni i vozdushno-kondensatsionnye ustanovki: (obzor). Thermal Engineering, 2016;(3):3–14 (in Russ.).Kong, Y.Q. Wind leading to improve cooling performance of natural draft air-cooled condenser / Y.Q. Kong [et al.] // Appl. Therm. Eng. – 2018. – Vol. 136. – P. 63–83.Kong Y.Q., Wang W.J., Huang X.W.,Yang L.J., Du X.Z., Yang Y.P. Wind leading to improve cooling performance of natural draft air-cooled condenser. Appl. Therm. Eng., 2018;136:63–83 (in Eng.).Conradie, A. Performance evaluation of drycooling systems for power plant applications / A. Conradie, D. Kröger // Applied Thermal Engineering. – 1996. – Vol. 16. – Iss. 3. – P. 219–232.Conradie A., Kröger D. Performance evaluation of dry-cooling systems for power plant applications. Applied Thermal Engineering, 1996;16(3):219–232 (in Eng.).Wei, H.M. Entransy dissipation based optimization of a large-scale dry cooling system / H.M. Wei [et al.] // Appl. Therm. Eng. – 2017. – Vol. 125. – P. 254–265.Wei H.M., Du X.Z., Yang L.J., Yang Y.P. Entransy dissipation based optimization of a large-scale dry cooling system. Appl. Therm. Eng., 2017;125:254–265 (in Eng.).Ma, H. Effects of ambient temperature and crosswind on thermo-flow performance of the tower under energy balance of the indirect dry cooling system / H. Ma [et al.] // Appl. Therm. Eng. – 2015. – Vol.78. – P. 90–100.Ma H., Si F.Q., Li L., Yan W.S. , Zhu K.P. Effects of ambient temperature and crosswind on thermoflow performance of the tower under energy balance of the indirect dry cooling system. Appl. Therm. Eng., 2015;78:90–100 (in Eng.).Abed, A.H. Experimental investigation of hydrodynamics and heat transfer of sphere cooling using air/water mist two phase flow / A.H. Abed, S.E. Scheklein, V.M. Pakhaluev // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – Vol. 552. – P. 012001.Abed A. H., Scheklein S.E., Pakhaluev V.M. Experimental investigation of hydrodynamics and heat transfer of sphere cooling using air/water mist two phase flow. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2019;552:012001 (In Eng.).Жукаускас, А. Теплоотдача пучков труб в поперечном потоке жидкости / А. Жукаускас. – Монография. Вильнюс: Минтис, 1968. – 191 с.Zhukauskas A. Heat transfer of tube bundles in a transverse fluid flow (Teplootdacha puchkov trub v poperechnom potoke zhidkosti). Monograph. Vilnius: Mintis, 1968; p. 191 (in Russ.).Домбровский, Л.А. Инерционное осаждение частиц из газодисперсного потока в окрестности точки торможения / Л.А. Домбровский // ТВТ. –1986. – Т. 24. – Вып. 3. – C. 558–563.Dombrovsky L.A. Inertial deposition of particles from a gas-dispersed stream in the vicinity of the stagnation point (Inertsionnoe osazhdenie chastits iz gazodispersnogo potoka v okrestnosti tochki tormozheniya). TVT, 1986;24(3):558–563 (in Russ.).Моренко, В. Влияние турбулентности потока вязкой жидкости на гидродинамические характеристики и теплообмен обтекаемых тел / В. Моренко, В.Л. Федяев // Проблемы энергетики. – 2010. – № 7– 8. – С. 558–563.Morenko V., Fedyaev V.L. The effect of turbulence of a viscous fluid flow on the hydrodynamic characteristics and heat transfer of streamlined bodies (Vliyanie turbulentnosti potoka vyazkoi zhidkosti na gidrodinamicheskie kharakteristiki i teploobmen obtekaemykh tel). Problems of Energy, 2010;(7–8):36–45 (in Russ.).Абед А.Х., Щеклеин С.Е., Пахалуев В.М. Интенсификация теплообмена воздушных теплообменников аварийного расхолаживания и сухих градирен АЭС с использованием водовоздушного аэрозоля (тумана) / А.Х. Абед, С.Е. Щеклеин, В.М. Пахалуев // Известия вузов Ядерная энергетика. – 2019. – Т. 3. – С. 16–27.Abed A.H., Scheklein S.E., Pakhaluev V.M. Heat transfer intensification in emergency cooling heat exchanger and dry cooling towers on nuclear power plant using air-water mist flow (Intensifikatsiya teploobmena vozdushnykh teploobmennikov avariinogo raskholazhivaniya i sukhikh gradiren aes s ispol'zovaniem vodovozdushnogo aerozolya (tumana)). Izvestiya vuzov. Yadernaya Energetika, 2019;3:16–27 (in Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.