• Autor: Mateusz Kasprzyk
  • Tytuł pracy: Mathematical Modelling of a Cooling Tower
  • Opiekunowie: Prof. dr hab. inż. Ryszard Białecki

Chłodnie kominowe znajdują zastosowanie w większości elektrowni. Działanie chłodni polega na przekazywaniu energii od ciepłej wody do relatywnie chłodnego i suchego powietrza wykorzystując zjawisko konwekcji i odparowania. Chłodzona woda po rozpyleniu wewnątrz chłodni opada na zraszalnik, gdzie spływając po jego wypełnieniu oddaje najwięcej ciepła. Bloki energetyczne często wyposażane są w instalacje odsiarczania spalin oparte na „metodzie mokrej”. Spaliny opuszczające taką instalację mają relatywnie niską temperaturę (~80ºC). Wyprowadzanie ich przez istniejące kominy wymagałoby ich podgrzania. Alternatywnym rozwiązaniem jest wyprowadzanie spalin bez podgrzewania przez chłodnię kominową. Dodatkową korzyścią może być wzmocnienie ciągu kominowego.

Projekt docelowo zakładał stworzenie matematycznego modelu, który będzie narzędziem do projektowania i studiowania pracy chłodni kominowej, a także do badania rozprzestrzeniania się w otoczeniu spalin wyprowadzanych przez chłodnię. Model chłodni powstał przy wykorzystaniu komercyjnego pakietu obliczeniowego dynamiki płynów FLUENT. Celem tej pracy było stworzenie uproszczonego osiowosymetrycznego modelu, w którym pominięto zjawiska rozpylania, odparowania i separacji kropel. Założono, że wymiana ciepła i masy zachodzi tylko w zraszalniku. Na tym etapie pominięto również wprowadzanie spalin do chłodni.

Image
Rys. 1. Pole temperatur w modelu


Model powstał na bazie rzeczywistego obiektu i był dostrajany wykorzystując dane pomiarowe. Zamodelowanie zjawisk zachodzących w zraszalniku wymagało stworzenia osobnego programu (User Defined Function). Jego ideą jest zastąpienie istnienia zraszalnika w modelu chłodni poprzez źródła ciepła, pary wodnej i momentu wynikającego z oporu aerodynamicznego przepływu. Program zraszalnika bazuje na rozwiązaniu układu czterech równań: zachowania masy, zachowania energii, kinetyki przepływu ciepła oraz kinetyki odparowania wody. Moment oporu aerodynamicznego wyznaczany jest za pomocą dodatkowego dokładnego modelu wycinka zraszalnika. Praca zawiera także analizę doboru siatki numerycznej oraz rozwiązanie pozwalające kontrolować rozwój turbulencji w modelu. Oba te elementy mają znaczący wpływ na uzyskiwane rezultaty.

Image
Rys. 2. ?ródła energii przekazywanej do powietrza w zraszalniku


Na Rys. 1 widoczne są uzyskane pola temperatur w modelu. Rys. 2 obrazuje strumienie energii przekazywanej do powietrza w zraszalniku. Można zauważyć, że strumień ciepła oddawanego wyraźnie maleje w miarę zbliżania się do powłoki chłodni. W rezultacie bliżej powłoki woda chłodzona jest mniej skutecznie (Rys. 3). Ma to istotny wpływ na końcowy efekt chłodzenia przez chłodnię.

Image
Rys. 3. Rozkład temperatur wody ochłodzonej wzdłuż promienia zraszalnika