Охлаждающие устройства системы обратного водоснабжения. Сооружения для охлаждения оборотной воды и принцип их работы Система водоснабжения автомойки

При оборотном водоснабжении промышленного объекта охлаждающее устройство (охладитель) должно обеспечить охлаждение циркуляционной воды до температур, отвечающих оптимальным технико-экономическим показателям работы объекта.

Понижение температуры воды в охладителях происходит за счет передачи ее тепла воздуху. По способу передачи тепла охладители, применяемые в системах оборотного водоснабжения, разделяются на испарительные и поверхностные (радиаторные).

В испарительных охладителях охлаждение воды происходит в результате ее испарения при непосредственном контакте с воздухом (испарение 1 % воды снижает ее температуру на 6°). В радиаторных охладителях охлаждаемая вода не имеет непосредственного контакта с воздухом. Вода проходит внутри трубок радиаторов, через стенки которых происходит передача ее тепла воздуху.

Так как теплоемкость и влагоемкость воздуха относительно невелики, для охлаждения воды требуется интенсивный воздухообмен. Например, для понижения температуры воды с 40 до 30° С при температуре воздуха 25° С на 1 м3 охлаждаемой воды к испарительному охладителю должно быть подведено около 1000 м3 воздуха, а к радиаторному охладителю, в котором воздух только нагревается, но не увлажняется,- около 5000 м3 воздуха.

Испарительные охладители по способу подвода к ним воздуха разделяются на открытые, башенные и вентиляторные. К открытым охладителям относятся водохранилища-охладители (или пруды-охладители), брызгальные бассейны, открытые градирни.

В них движение воздуха относительно поверхности охлаждаемой воды обусловливается ветром и естественной конвекцией. В башенных охладителях - башенных 1радирнях - движение воздуха вызывается естественной тягой, создаваемой высокой вытяжной башней.

В вентиляторных охладителях - вентиляторных градирнях - осуществляется принудительная подача воздуха с помощью нагнетательных или отсасывающих вентиляторов.

Радиаторные охладители, которые называют также «сухими градирнями», по способу подвода к ним воздуха могут быть башенными или вентиляторными.

Для охлаждения циркуляционной воды до достаточно низких температур требуется большая площадь контакта ее с воздухом - порядка 30 м2 на 1 м3/ч охлаждаемой воды. Соответственно этой рекомендации следует принимать площадь зеркала воды водохранилищ-охладителей.

В градирнях необходимая площадь контакта создается путем распределения воды над оросительными устройствами, по которым она стекает под действием силы тяжести в виде тонких пленок или капель, разбивающихся при попадании на рейки на мельчайшие брызги.

В брызгальных бассейнах для создания необходимой площади контакта с воздухом вода разбрызгивается специальными соплами на мельчайшие капли, суммарная поверхность которых должна быть достаточной для испарительного охлаждения.

5.1. Общие положения

Вода благодаря большой теплоемкости нашла широкое применение в промышленности как хладагент для охлаждения оборудования и продукта. На эти цели расходуются громадные количества воды, значительно большие, чем на все остальное производственное водопотребление. В большинстве случаев вода отводит тепло за счет собственного нагрева на величину Δt. В оборотных системах водоснабжения для обеспечения теплового баланса вода отдает это тепло атмосферному воздуху в специальных охлаждающих устройствах. Чаще всего охлаждение воды происходит при непосредственном контакте воды и охлаждающего воздуха, в

результате чего часть воды теряется на испарение и капельный унос с воздухом. При этом происходит концентрирование солей в воде оборотной системы и ее загрязнение примесями воздуха. Потери воды в охладителях составляют 1,5-2,0 % от расхода оборотной системы и достигают больших размеров.

Отсюда очевидны недостатки традиционных систем водяного охлаждения, заключающиеся в больших расходах воды на подпитку оборотных систем и выбросе громадного количества тепла в атмосферу, что не только неэкономично, но и приводит к тепловому загрязнению окружающей среды. Поэтому при рассмотрении охлаждающей системы промышленного предприятия необходима предварительная технико-экономическая проработка возможности и целесообразности следующих мероприятий:

рекуперации теплоты технологических жидкостей и растворов, обеспечиваемой теплообменом между холодным и горячим потоками;

утилизации теплоты от потоков с высокой температурой для получения водяного (энергетического и технологического) пара с использованием испарительного охлаждения;

утилизации отводимой теплоты газообразным, жидким или твердым сырьем;

передачи избыточной температуры на соседние предприятия;

применения вместо водяного воздушного и воздушно-испарительного охлаждения.

Эти мероприятия позволяют сократить бесполезные потери тепла, уменьшить тепловое загрязнение атмосферы и сократить расходы воды на охлаждение оборудования и продукта.

Совершенно очевидно, что выполнение этих мероприятий связано с существенными изменениями технологических схем и конструкций технологического оборудования основного производства и может осуществляться на новых производствах и при реконструкции действующих.

На сегодня наиболее широкое применение на промышленных предприятиях нашли системы водяного охлаждения. Кроме того, в металлургии достаточно широко используется испарительное охлаждение, а. в нефтеперерабатывающей промышленности нашли применение установки воздушного и воздушно-испарительного охлаждения.

5.2. Системы водяного охлаждения

В системах водяного охлаждения отвод тепла от оборудования и продукта осуществляется за счет собственного нагрева охлаждающей воды. В оборотных системах водоснабжения для обеспечения теплового баланса нагретая вода подается в охладители, где она отдает тепло атмосферному воздуху, охлаждается и после этого направляется опять потребителю. Охладители являются основным элементом оборотной системы, от которого зависит эффективность работы системы охлаждения технологического оборудования.

По способу передачи тепла атмосферному воздуху охладители подразделяются на испарительные и поверхностные (радиаторные). В испарительных охладителях передача тепла осуществляется при непосредственном контакте воды и воздуха. При этом часть воды испаряется, в результате чего отводится значительное количество тепла и происходит охлаждение воды. Именно поэтому такие охладители и называются испарительными. К этой группе относится большинство применяемых охладителей, таких как водохранилища- и пруды-охладители, брызгальные бассейны, испарительные градирни и эжекционные охладители.

В поверхностных охладителях передача тепла от воды к воздуху осуществляется через перегородку (поверхность). Вода проходит внутри трубок радиаторов, а охлаждающий воздух омывает их ребристую поверхность, отводя тепло. К этой группе относятся различные конструкции радиаторных или "сухих" градирен.

Достоинством поверхностных охладителей по сравнению с испарительными является отсутствие потерь воды и ее загрязнения. К недостаткам следует отнести меньший эффект охлаждения и большой расход воздуха.

По сравнению с поверхностными испарительные охладители позволяют произвести более глубокое охлаждение воды при меньших расходах воздуха. Однако достаточно большие потери воды на испарение и капельный унос (1,5-2,0 %), загрязнение воды примесями воздуха, концентрирование солей в воде в результате испарения создают большие проблемы при использовании их в оборотных системах водоснабжения.

Так как теплоемкость и влагоемкость воздуха относительно невелики, для охлаждения воды требуется интенсивный воздухообмен. Например, для понижения температуры воды с 40 до 30 ℃при

температуре воздуха 25℃на 1 м 3 охлаждаемой воды к испарительному охладителю должно быть подведено около 1000 м 3 воздуха, а к радиаторному охладителю, в котором воздух только нагревается, но не увлажняется, - около 5000 м 3 воздуха.

Испарительные охладители по способу подвода к ним воздуха разделяются на открытые, башенные и вентиляторные. К открытым охладителям относятся водохранилища-охладители (или пруды-охладители), брызгальные бассейны, открытые градирни. В них движение воздуха относительно поверхности охлаждаемой воды обусловливается ветром и естественной конвекцией. В башенных охладителях - башенных градирнях - движение воздуха происходит в результате естественной тяги, создаваемой высокой вытяжной башней. В вентиляторных охладителях - вентиляторных градирнях -осуществляется принудительная подача воздуха с помощью нагнетательных или отсасывающих вентиляторов. В эжекционных охладителях движение воздуха обусловлено подсосом (эжекцией) его в расширяющуюся струю быстро летящих капель охлаждаемой воды.

Радиаторные охладители, которые называют также сухими градирнями, по способу подвода к ним воздуха могут быть башенными или вентиляторными.

Для охлаждения циркуляционной воды до достаточно низких температур требуется большая площадь контакта ее с воздухом -около 30-50 м 2 на 1 м 2 /ч охлаждаемой воды. Соответственно этому принимается площадь зеркала воды водохранилищ-охладителей. В градирнях необходимая площадь контакта создается с помощью оросительных устройств, по которым она стекает под действием силы тяжести в виде тонких пленок или капель, разбивающихся при попадании на рейки на мельчайшие брызги. В брызгальных бассейнах для создания необходимой площади контакта с воздухом вода разбрызгивается специальными соплами на мельчайшие капли, суммарная поверхность которых должна быть достаточной для испарительного охлаждения.

5.2.1. Теплообмен в испарительных охладителях

При охлаждении воды в испарительных охладителях понижение ее температуры определяется совместным действием различных по физической природе процессов: теплоотдачи соприкосновением -переноса теплоты путем теплопроводности и конвекции - и

поверхностного испарения воды - превращения части ее в пар и переноса пара путем диффузии и конвекции.

В результате теплоотдачи соприкосновением вода отдает теплоту, если ее температура выше температуры воздуха, и получает теплоту, если ее температура ниже температуры воздуха.

Удельное количество теплоты, переданной при теплоотдаче соприкосновением, определяется по формуле

где q c - удельное количество теплоты, кДж/(м 2 ·ч); α - коэффициент теплоотдачи соприкосновением, кДж/(м 2 ·ч ·℃); t - температура поверхности воды,℃; θ - температура воздуха,℃.

Поверхностное испарение жидкости происходит, когда парциальное давление пара, содержащегося в воздухе, меньше давления насыщения пара при температуре поверхности жидкости.

Удельное количество теплоты, теряемой водой в результате испарения, определяется по формуле

q и = β(e m - е),

где q и - удельное количество теплоты, кДж/(м 2 ·ч); β - коэффициент теплоотдачи испарением, кДж/(м 2 ×ч · Па); е m - давление насыщения пара при температуре поверхности воды, Па; е - парциальное давление водяного пара в воздухе (абсолютная влажность воздуха), Па.

Сумма удельных количеств теплоты, передаваемой через водную поверхность в результате совместного действия теплоотдачи соприкосновением и поверхностного испарения,

q 0 = q c + q и = α(t - θ) + β(e m - e).

Когда t > θ, оба процесса действуют в одном направлении, вызывая охлаждение воды. При t = θ теплоотдача соприкосновением прекращается и охлаждение воды происходит только благодаря поверхностному испарению. Вода будет продолжать охлаждаться и при t < θ до тех пор, пока количество теплоты, передаваемой воздухом воде соприкосновением, не сравняется с количеством теплоты, теряемой водой в результате испарения, т. е. пока не будет

соблюдаться равенство q c + q и = 0. Температура воды в этот момент достигнет того же значения, которое имеет температура охлаждающего воздуха τ, измеренная смоченным термометром. Это значение температуры является теоретическим пределом охлаждения воды воздухом.

Фактически вода в охладителях не охлаждается до теоретического предела. Например, температура воды, охлажденной на градирнях, обычно на 5-12 ℃превышает температуру воздуха по смоченному термометру, но может оказаться ниже температуры воздуха, измеренной обычным (сухим) термометром. Именно степенью приближения температуры охлажденной воды к теоретическому пределу охлаждения оценивается совершенство охладителя.

При невозможности получения требуемой низкой температуры охлажденной воды на испарительных охладителях следует создавать двухконтурные системы охлаждения.

Особенности теплообмена в водохранилищах-охладителях

При охлаждении воды в открытых водоемах с большим зеркалом воды, кроме теплоотдачи соприкосновением и испарением, происходит также теплообмен излучением. Последний процесс протекает путем проникновения солнечной лучевой энергии (радиации) через открытую поверхность воды. При этом часть солнечной радиации отражается от поверхности воды. В то же время происходит излучение теплоты водной поверхностью, как всяким нагретым телом или средой (эффективное излучение).

Удельное количество теплоты, переданной воде излучением, определяется радиационным балансом

R = (Q + q) n (1 - a) - I

где R - радиационный баланс, МДж/(м 2 -сут); Q - прямая солнечная радиация, МДж/(м 2 -сут); q - рассеянная солнечная радиация, МДж/(м 2 -сут); n - общая облачность в долях единицы; (Q + q) n -суммарная солнечная радиация при общей облачности, МДж/(м 2 · сут); а - характеристика отражательной способности воды или альбедо в долях единицы; (Q + q) n (1 - а) - поглощенная водой суммарная радиация, МДж/(м 2 ·сут); I - эффективное излучение

водной поверхностью, зависящее от температуры воды и общей облачности, а также от температуры и влажности воздуха, МДж/(м 2 · сут).

Сумма удельных количеств теплоты, передаваемой через водную поверхность открытого воздуха,

q u = q c + q u - R.

Солнечная радиация может заметно снижать охладительный эффект испарительного охлаждения, поэтому температура воды, охлаждаемой в открытом водоеме, не может достичь температуры, измеренной смоченным термометром. Теоретическим пределом охлаждения в этом случае является естественная температура воды на поверхности водоема при установившихся метеорологических условиях, удовлетворяющая равенству

q c + q u - R = 0.

Теплообмен в радиаторных охладителях

Теплота от воды к воздуху в радиаторных охладителях передается через стенки трубчатых радиаторов, в которых циркулирует охлаждаемая вода.

Удельное количество теплоты, переданной через стенку радиатора, определяется по формуле

q p = α p (t - θ),

где q p - удельное количество теплоты, кДж/(м 2 ·ч); α p - общий коэффициент теплопередачи от воды к воздуху через стенку радиатора, кДж/(м 2 /ч -℃); t - температура воды, проходящей через радиатор,℃; θ - температура воздуха, обтекающего радиатор,℃.

Общий коэффициент теплопередачи а зависит от теплопроводности материала, из которого выполнен радиатор, толщины стенки его трубок, а также от интенсивности теплоотдачи от воды к внутренней поверхности трубки и от наружной поверхности трубки к воздуху. Он определяется из формулы

1/α p = 1/α 1 + s/λ + 1/α 2 ,

где α 1 - коэффициент теплоотдачи от воды к внутренней поверхности трубки радиатора, кДж/(м 2 ·ч℃); s - толщина стенки радиатора, м; λ - теплопроводность материала радиатора, кДж/(м 2 ·ч ·℃); α 2 -коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности трубки радиатора к воздуху, кДж/(м 2 ·ч·℃).

Коэффициент α 2 имеет весьма низкие значения даже при больших скоростях воздуха, обтекающего радиаторы. Для компенсации плохой теплоотдачи воздуху необходимо увеличить поверхность радиаторов, поэтому они выполняются с ребрами на наружной поверхности трубок.

Работа охладителей обычно характеризуется следующими показателями:

гидравлической нагрузкой - количеством воды, подаваемой на 1 м 2 рабочей площади охладителя q ж, м 3 /ч ·м 2 ;

тепловой нагрузкой - количеством тепла, отдаваемого водой воздуху на 1 м 2 рабочей площади охладителя в плане, тыс. кДж/ч· м 2

где С - удельная теплоемкость воды; С = 4,19 кДж/кг·℃; Δt - перепад температур,℃; q ж - гидравлическая нагрузка, м 3 /ч·м 2 ;

перепадом температур или шириной зоны охлаждения Δt = t 1 -t 2 ,℃, где t 1 - температура нагретой воды, поступающей в охладитель,℃; t 2 - температура охлажденной воды,℃;

степенью приближения температуры охлажденной воды t 2 к теоретическому пределу охлаждения т (высотой зоны охлаждения) Δt 1 = t 2 - τ.

Чем больше значения q ж, Q t , Δt и, наоборот, меньше значение Δt 1 , тем совершенней и эффективней охладитель.

Эффективность работы охладителя повышается с увеличением площади контакта воды и воздуха, количества и скорости движения воздуха и повышением степени равномерности распределения воды и воздуха по рабочей площади охладителя.

5.2.2. Водохранилища- и пруды-охладители

Водохранилища-охладители (рис. 5.1, а ) обычно устраиваются на водотоках, мощность которых невелика и не позволяет осуществлять охлаждение оборудования по прямоточной системе. В этом случае на водотоке устраивается плотина, благодаря чему поднимается уровень воды в водотоке и создается водохранилище с площадью зеркала воды, обеспечивающей охлаждение требуемого количества воды. Для организации движения циркуляционного потока воды от выпуска до водозабора и создания требуемой площади активной зоны F a часто устраиваются струенаправляющие дамбы. Заполнение водой и последующая подпитка водохранилища осуществляются водой водотока. Кроме охлаждения воды оборотной системы, водохранилища могут одновременно использоваться для других целей, таких, как рыбоводство, отдых и др.

Рис. 5.1. Схема водохранилища- и пруда-охладителя:а - водохранилище-охладитель;б - пруд-охладитель;1 - водоток;2 - плотина;3 - водопропускные отверстия;4 - струенаправляющая дамба;5 - водозабор с насосной станцией;6 - производственный водопотребитель;7 - выпуск отработанной воды;8 - канал охлажденной воды;9 - подача воды на заполнение и подпитку; F a - площадь активной зоны

Пруды-охладители (рис. 5.1,б ) - обычно полностью искусственные сооружения, создаваемые вне водотоков. Схема пруда-охладителя отрабатывается на гидравлической модели, и создается конфигурация, в которой циркуляционный поток воды охватывает всю площадь пруда, т. е. вся площадь пруда является активной зоной, участвующей в охлаждении воды.

Заполнение пруда и его подпитка осуществляются из внешнего источника водоснабжения. Проектирование водохранилищ- и прудов-охладителей производят по нормам проектирования гидротехнических сооружений.

Ориентировочная площадь активной зоны водохранилищ- и прудов-охладителей может быть определена исходя из расчета 30-50 м 2 на каждый 1 м 3 /ч циркуляционной воды при охлаждении ее на 8-10℃. Температура охлажденной воды для конкретных климатических условий определяется тепловым расчетом .

Водохранилища- и пруды-охладители наиболее часто применяются для охлаждения незагрязненной воды в оборотных системах большой производительности (тепловые электростанции и др.). Есть примеры использования этих сооружений и для охлаждения загрязненной воды (металлургическая промышленность). При этом осуществляется одновременно охлаждение и осветление циркуляционной воды, поэтому в таких сооружениях должна быть предусмотрена возможность периодической очистки от накопившихся загрязнений.

Водохранилища- и пруды-охладители требуют больших площадей и значительных капитальных затрат на их сооружение. Однако они просты в эксплуатации и мало энергозатратны, так как не требуется создания больших напоров на транспортирование воды.

5.2.3. Брызгальные бассейны

Брызгальные бассейны (рис. 5.2) представляют собой открытый резервуар из двух или более секций, оборудованных распределительными трубами и соплами (брызгалами), с помощью которых охлаждаемая вода разбрызгивается над этим резервуаром. При падении капель вода охлаждается и частично испаряется.

Рис. 5.2. Брызгальные бассейны;1 - резервуар бассейна;2 - распределительные трубы;3 - сопла (брызгала);4 - подача воды в резервуар бассейна, минуя сопла (используется в холодное время года);5 - подача воды на охлаждение;6 - отвод охлажденной воды;7 - грязевая труба;8 - переливная труба;9 - приямок

Разбрызгивающие сопла, применяемые в брызгальных бассейнах можно разделить на два основных типа: центробежные и щелевые.

В центробежных соплах (рис. 5.3) вода проходит по спирали и разбрызгивание ее происходит под действием центробежных сил. К таким соплам относятся сопло с винтовым вкладышем конструкции МОТЭП (рис. 5.3, a ), эвольвентные сопла (рис. 5.3,б ) и др. Материалом для таких сопл служат ковкий чугун или пластмассы. Наиболее рациональны сопла без вкладышей, требующие меньшего напора и в меньшей степени подверженные засорению.

Рис. 5.3. Разбрызгивающие сопла:а - сопло с винтовым вкладышем конструкции МОТЭП;б - эвольвентное;в - щелевое П-16

Щелевые сопла (например, П-16 на рис. 5.3, в ) изготовляют из отрезков стальных труб, на конце которых делают прорези в виде щелей. Образующиеся при этом зубцы отгибают к оси таким образом, чтобы получился конус, в вершине которого оставляется небольшое отверстие.

Конструкция сопла и величина напора воды перед ним определяют поверхность охлаждения водяного факела. При повышении напора она увеличивается вследствие удлинения траекторий полета капель и уменьшения их диаметра. Однако повышение напора связано с увеличением затрат электроэнергии, расходуемой циркуляционными насосами, а также с увеличением уноса мелких капель ветром за пределы бассейна.

Сопла располагают на высоте 1,2-1,5 м над уровнем воды по одному или пучком по три-пять.

Технические данные сопел некоторых марок указаны в табл. 5.1.

Распределительные линии присоединяют к коллектору, который прокладывают вдоль одного из бортов бассейна.

Трубопроводы брызгальных устройств изготовляют обычно из стали и прокладывают над или под уровнем воды. В последнем случае упрощается конструкция опор, устраняется опасность обледенения труб в зимнее время, но ремонт трубопроводов и надзор за ними усложняется. Прокладку труб осуществляют на Катковых опорах, которые устанавливают на опорных колоннах из железобетона.

Таблица 5.1

Для предотвращения обледенения сопел в зимнее время предусматривается подача охлаждаемой воды прямо в резервуар, минуя распределительные трубы.

В целях эффективного продувания ветром брызгальных устройств их распределительные линии должны размещаться параллельно направлению господствующих ветров, причем расстояние между крайними соплами, размещенными на распределительной линии не должно превышать 50 м. При размещении брызгальных бассейнов следует учитывать возможность образования тумана и обледенения соседних сооружений и дорог. Расстояния от

брызгальных устройств до зданий и дорог регламентированы СНиП 2.04.02-84.

В бассейне, как правило, должно быть не менее двух секций. Каждая секция должна иметь переливную трубу для предотвращения переполнения бассейна и выпуск для его опорожнения.

Глубину воды в брызгальном бассейне обычно принимают равной 1,5-2,0 м. Бровка бассейна должна возвышаться над уровнем воды не менее чем на 0,3 м.

Покрытие откосов и дна бассейнов должно предотвращать фильтрацию через них воды. При слабоводопроницаемых грунтах применяют облицовку из железобетонных плит или слоя асфальтобетона. При сильноводопроницаемых грунтах по подготовке из бетона укладывают слой гидроизоляции из асфальтовой мастики или слой битумных матов. Гидроизоляцию защищают сверху бетонными или железобетонными плитами. Вокруг бассейна устраивают асфальтированную площадку шириной 3-5 м с уклоном в сторону бассейна.

Требуемая площадь брызгального бассейна, м 2 , определяется исходя из расхода охлаждаемой воды Q об и гидравлической нагрузки q ж (плотности орошения), которая принимается в пределах от 0,8 до 1,3 м 3 /ч на 1 м 2

F = Q об /q ж.

Ширина одной секции бассейна не должна превышать 40 м, длина - 80 м. Исходя из этого и требуемой площади бассейна определяют количество секций, которых должно быть не менее двух.

Количество сопел определяется исходя из подачи принятого сопла Q c (см. табл. 5.1) .

N c = Q об /Q c .

Тепловой расчет брызгальных бассейнов приближенно можно производить по номограмме Н.Н. Терентьева, приведенной на рис. 5.4. По этой номограмме определяют температуру охлажденной воды в зависимости от величины напора Н у сопел, плотности орошения q ж, перепада температур Δt и метеорологических условий: температуры воздуха θ, относительной влажности воздуха φ и скорости ветра ω.

Рис. 5.4. Номограмма для теплового расчета брызгальных бассейнов

Номограмма состоит из трех графиков. По графику А находят значение вспомогательного коэффициента К, по графику Б определяют вспомогательный коэффициент Кω . Затем вычисляют значение К.

К = К q К ω Δt.

Для полученного значения К по графику В находят среднюю температуру воды t ср. Температура охлажденной в брызгальном бассейне воды

t 2 = t ср - 0,5Δt.

Если температура охлажденной воды в результате теплового расчета оказалась выше требуемой, то можно уменьшить плотность орошения и увеличить площадь брызгального бассейна.

Достоинствами брызгальных бассейнов являются сравнительно небольшая стоимость и простота эксплуатации.

К их недостаткам можно отнести:

невысокий эффект охлаждения, особенно при слабых ветрах (менее 2 м/с);

большие площади территории, занимаемые бассейнами;

большие площади увлажнения окружающей территории в связи с капельным уносом воды.

5.2.4. Градирни

Градирни являются наиболее совершенными и эффективными охладителями, применяемыми в системах оборотного водоснабжения.

По способу подвода охлаждающего воздуха градирни подразделяются на открытые, башенные и вентиляторные.

В открытых градирнях движение воздуха обусловлено ветром и естественной конвекцией. Это самые малоэффективные градирни, допускающие гидравлическую нагрузку до 4,0 м 3 /ч и тепловую нагрузку до 50 кВт/ч на 1 м 2 площади в плане.

В башенных градирнях движение воздуха обусловлено естественной тягой, создаваемой вытяжной башней. Высота башни рассчитывается таким образом, чтобы в самые жаркие периоды года обеспечить подачу необходимого количества воздуха для эффективного охлаждения воды. Башенные градирни допускают гидравлическую нагрузку до 8 м 3 /ч и тепловую нагрузку до 90 кВт/ч на 1 м 2 площади в плане. При этом вода охлаждается до температуры, на 8-12℃превышающей теоретический предел охлаждения при перепаде температур 8-12℃.

В вентиляторных градирнях движение воздуха обусловлено тягой или напором вентилятора. Это самые совершенные градирни, допускающие гидравлическую нагрузку до 12 м 3 /ч и тепловую нагрузку до 120 кВт/ч на 1 м 2 площади в плане. При этом вода охлаждается до температуры, на 4-6℃превышающей теоретический предел охлаждения при перепаде температур до 17℃.

Башенные и вентиляторные градирни применяются в широком диапазоне производительностей и при равных требованиях к температуре охлажденной воды сопоставимы.

Башенные градирни по капитальным затратам дороже вентиляторных, но дешевле и проще в эксплуатации.

Вентиляторные градирни дешевле и требуют меньшей площади застройки. Благодаря регулированию производительности вентиляторы обеспечивают устойчивое управляемое охлаждение воды. Однако для привода вентиляторов требуется значительный расход электроэнергии, а сами вентиляторы нуждаются в постоянном обслуживании, что удорожает эксплуатацию. Выбор этого типа градирни в каждом конкретном случае осуществляется на основании технико-экономического анализа.

Открытые градирни (рис. 5.5) представляют собой резервуар шириной 2-4 м, длиной до 20 м, над которым с помощью сопел водораспределителя разбрызгивается охлаждаемая вода. Для снижения капельного уноса по периметру устраивается ограждение в виде жалюзийной решетки. Открытые градирни могут оборудоваться капельным оросителем, что повышает эффективность охлаждения воды.

Рис. 5.5. Открытая градирня с капельным оросителем:1 - водораспределительная система;2 - щиты капельного оросителя;3 - задвижки;4 - труба грязевая;5 - труба переливная;6 - защитная решетка;7 -труба отводящая

Применяются открытые градирни в оборотных системах водоснабжения небольшой производительности при невысоких требованиях к температуре охлажденной воды. Широко используются они для временных систем оборотного водоснабжения, например, на строительных площадках Метростроя и др.

Башенные градирни (рис. 5.6) в плане могут быть квадратными, многогранными и круглыми. Первые применяются для охлаждения воды в оборотных системах небольшой производительности. Многогранные градирни могут иметь достаточно большие площади (сотни квадратных метров) и применяться в системах средней и большой производительности. Круглые градирни применяются в очень крупных системах оборотного водоснабжения и имеют площадь в несколько тысяч квадратных метров.

Рис. 5.6. Башенные градирни различной конфигурации в плане:а - квадратные;б - многогранные;в - круглые гиперболические;1 - каркас с обшивкой;2 - водораспределитель;3 - ороситель;4 - резервуар

Квадратные и многогранные градирни конструктивно выполняются каркасно-обшивными. Они имеют несущий каркас из стального профиля, к которому изнутри крепится обшивка из деревянных щитов, асбестоцементных листов или листового коррозионно-стойкого металла.

Круглые градирни выполняют в виде железобетонной тонкослойной оболочки гиперболической формы, опирающейся на наклонные железобетонные колонны, образующие входные окна для прохождения воздуха.

Вентиляторные градирни нашли широкое применение в оборотных системах производственного водоснабжения благодаря компактности и высокой эффективности. Отдельно стоящие одновентиляторные градирни имеют площадь от 400 до 1200 м 2 и применяются в достаточно крупных системах оборотного водоснабжения.

Наибольшее применение получили секционные вентиляторные градирни (рис. 5.7), строящиеся по типовым проектам, которые обеспечивают широкий диапазон площадей от 2 до 400 м 2 на одну секцию. Секционные градирни дешевле отдельно стоящих, возводятся они из унифицированных конструктивных элементов. Наименьшее число секций принимается 2, оптимальное - от 4 до 8. Наличие нескольких секций позволяет создавать наилучшие условия охлаждения воды при изменении количества подаваемой воды в зависимости от климатических условий.

Рис. 5.7. Секционная вентиляторная градирня:1 - вентилятор;2 - диффузор;3 - конфузор;4 - водоуловитель;5 - водораспределитель;6 - ороситель;7 - обшивка;8 - воздухораспределитель;9 - окна для входа воздуха;10 - подача воды к водораспределителям;11 - резервуар;12 - трубопровод для отвода охлажденной воды;13 - переливной трубопровод;14 - грязевой трубопровод;15 - каркас

Каждая секция градирни (см. рис. 5.7) оборудуется вытяжным вентилятором1 с регулируемой производительностью, что обеспечивает подсос в градирню требуемого количества воздуха в зависимости от изменяющихся температур воды и воздуха.

Охлаждаемая вода подается в градирню через водораспределитель 5 , в задачу которого входит равномерное распределение воды по площади секции.

Затем вода гравитационно поступает на ороситель 6 , который является важнейшим и наиболее дорогим элементом градирни и обеспечивает необходимую площадь контакта воды с охлаждающим воздухом. Именно в этом элементе и осуществляется охлаждение воды.

Охлажденная вода собирается в резервуаре градирни 11 , который оборудуется трубопроводами для отвода охлажденной воды12 , переливным13 и грязевым14 для опорожнения резервуара и отвода загрязнений при чистке резервуара.

Для снижения потерь воды в виде мелких капель, захватываемых воздухом, над водораспределителем устанавливается водоуловитель 4 .

Несущим элементом градирни является железобетонный или металлический каркас 15 , к которому снаружи крепятся листы обшивки7 , создающей замкнутое пространство внутри градирни. По боковым сторонам обшивка не доходит до низа, и через эти окна9 охлаждающий воздух входит внутрь градирни. Для равномерного распределения воздуха по площади градирни под оросителем устанавливается воздухораспределитель8 в виде решетки, выполненной из досок, поставленных на ребро.

Оросители градирен (рис. 5.8) могут быть капельными, пленочными и комбинированными капельно-пленочными. Капельные оросители выполняются из деревянных реек прямоугольного (рис. 5.8, a ) или треугольного (рис. 5.8,б ) сечения. Капельные оросители самые дешевые, но и наименее эффективные, применяются в том случае, когда не требуется глубокого охлаждения воды.

Пленочные оросители наиболее дорогие, но и наиболее эффективные, позволяют производить глубокое охлаждение воды при больших гидравлических и тепловых нагрузках. Они выполняются из деревянных досок (рис. 5.8, в, г ) асбестоцементных листов (рис. 5.8,д, е ) и пластмассовых элементов различной конфигурации (рис. 5.8,ж, з ).

Рис. 5.8. Оросители градирен:а, б - капельные из деревянных реек;в, г - пленочные из деревянных досок;д,е - пленочные из асбестоцементных листов;ж, з - пленочные из пластмасс;и - комбинированный

Капельно-пленочные оросители (рис. 5.8, и ) занимают среднее положение между капельными и пленочными оросителями как по эффективности охлаждения, так и по стоимости.

Современные вентиляторные градирни оборудуются, как правило, напорными трубчатыми водораспределительными системами. Водораспределитель состоит из распределительных труб, оборудованных соплами различной конструкции (рис. 5.9).

Большое распространение получили сопла центробежные и ударные с отражателями . Сопла могут выполняться из чугуна, цветных металлов и пластмасс. В последнее время предпочтение

отдается соплам из пластмасс. Они дешевле, не подвергаются коррозии, проще в изготовлении и имеют меньшую шероховатость поверхности, что при прочих равных условиях увеличивает их пропускную способность.

Рис. 5.9. Детали вентиляторной градирни:а - трубчатый водораспределитель;б - бутылочное сопло;в - водоуловитель

Водоуловители представляют собой решетки из наклонных досок (жалюзи - рис. 5.9), асбоцементных, металлических или пластмассовых элементов, могут быть одно- и двухрядными, последние -эффективнее. Водоуловители, кроме снижения капельного уноса, создают равномерность поля скоростей движения воздуха перед вентилятором, что обеспечивает надежную работу особенно крупных вентиляторов.

Разработана серия типовых проектов секционных вентиляторных градирен с различными оросителями в широком диапазоне производительностей. Основные параметры градирен приведены в прил. 1.

Большой интерес представляют малогабаритные вентиляторные градирни , которые применяются для создания локальных оборотных систем водоснабжения небольшой производительности. Эти градирни изготавливаются комплектно на заводах, имеют малую массу и могут устанавливаться на крышах зданий и сооружений.

Например, НПФ "Тепломаш" Санкт-Петербурга разработаны компактные вентиляторные градирни серии ГРД (рис. 5.10), обеспечивающие охлаждение воды в широком диапазоне производительностей от 4 до 1400 м 3 /ч.

Рис. 5.10. Компактная вентиляторная градирня НПФ "Тепломаш" (Санкт-Петербург):1 - корпус;2 - нагнетательный вентилятор;3 - резервуар для сбора охлажденной воды;4 - ороситель;5 - водораспределитель;6 - водоуловитель

Градирни оборудованы нагнетательными вентиляторами 2 , высокоэффективными оросителями4 и водоуловителями6 из пластика ПХВ и поставляются потребителям в полной заводской готовности. Градирня ГРД50-у, приведенная на рис. 5.10, имеет номинальную производительность, равную 50 м 3 /ч, при перепаде температур Δt = 5℃Мощность вентилятора составляет 4,0 кВт, масса градирни -550кг.

Расчет вентиляторных градирен

При проектировании новых градирен и привязке типовых проектов производятся аэродинамический и тепловой расчеты.

В результате аэродинамического расчета необходимо установить соответствие аэродинамического сопротивления градирни давлению, развиваемому вентилятором при его номинальной подаче. Если окажется, что аэродинамическое сопротивление градирни соответствует давлению вентилятора, то приступают к тепловому расчету. В противном случае необходимо выбрать другой вентилятор или изменить конструктивные размеры элементов градирни (для новых градирен). После этого аэродинамический расчет повторяют заново до тех пор, пока не будет соблюдаться условие

где Р в -давление, развиваемое вентилятором, Па; ΣP i сумма потерь давления (сопротивления) во всех элементах градирни, Па.

Потери давления в элементах градирни определяются по формуле

Р i = ξ i γ в V i 2 /2g,

где ξ i - коэффициент сопротивления элементов градирни; γ в -удельный вес воздуха, γ в = ρ в g, Н/м 3 ;ρ в - плотность воздуха, кг/м 3 ; V i - скорость движения воздуха в элементах градирни, м/с; g -ускорение силы тяжести, равное 9,81 м/с 2 .

Скорость движения воздуха в элементах градирни, м/с, определяется из выражения

V i = G в / f c 3600,

где G в - номинальная производительность вентилятора, м 3 /с, соответствующая максимальному коэффициенту полезного действия; f c - площадь сечения элемента, м 2 .

При выборе вентилятора и размеров градирни (секции) в плане следует иметь в виду, что скорость движения воздуха в оросителе должна быть в пределах от 2 до 4 м/с.

Аэродинамический расчет при привязке типовых проектов ведется для предварительно выбранной конкретной градирни с известными коэффициентами сопротивлений элементов, их размерами и типом вентилятора.

Градирни относятся к теплообменным аппаратам, в которых теплоноситель - вода - отдает тепло охлаждающему агенту - воздуху - не через стенку, а путем непосредственного контакта. При этом протекают сложные процессы тепломассообмена.

Тепловой расчет градирен может осуществляться по формулам теории испарительного охлаждения либо по эмпирическим формулам и графикам охлаждения с использованием экспериментальных данных .

При привязке типовых проектов градирен к конкретным условиям предпочтение отдают эмпирическим графикам охлаждения.

Эмпирические графики охлаждения обычно устанавливают зависимость между температурой воды и атмосферного воздуха и гидравлической нагрузкой. Расчет градирни по графикам сводится к определению плотности орошения q ж, м 3 /(м 2 ч), по температуре воды на входе в градирню t 1 ,℃, температуре воды на выходе из градирни t 2 ,℃, и заданным расчетным параметрам наружного воздуха - температуре воздуха по сухому термометру θ 1 ℃и относительной влажности наружного воздуха φ,%, или только по температуре воздуха по влажному термометру τ,℃. Затем по плотности орошения q ж, и заданному расходу охлаждаемой воды Q об, м 3 /ч, определяется суммарная площадь орошения

F ор = Q об /q ж.

По суммарной площади орошения F ор, м 2 , и площади орошения одной градирни (секции) f ор, м 2 , определяется число градирен (секций) N.

С помощью графиков охлаждения возможно решать и обратную задачу, т. е. по заданной плотности орошения q ж определять температуру воды на выходе из градирни t 2 при прочих одинаковых условиях.

График охлаждения, предложенный Л. Д. Берманом (рис. 5.11), построен на основании обработки опытных данных, полученных при испытаниях ряда промышленных капельных секционных противоточных градирен. При построении графика принято: τ 1 = 20℃, τ 1 /θ 1 = 0,8; скорость воздуха в оросителе ω от 1,8 до 2 м/с для секционных градирен и от 2,2 до 2,4 м/с для одновентиляторной.

При других τ 1 (в пределах от 17 до 20℃) и τ 1 /θ, (меньше 0,8) температура охлажденной воды,℃, может быть определена по формуле

t 2 * = t 2 + (τ 1 - 20) (0,9 - Δt/100) + 8(0,8 - τ 1 /θ 1),

где t 2 * - температура охлажденной воды при заданных τ 1 и τ 1 /θ 1 ; t 2 - температура охлажденной воды при τ 1 = 20℃, τ 1 /θ 1 = 0,8 -определяется по графику на рис. 5.11.

Поскольку график построен для определенных скоростей воздуха в оросителе, то каждому значению плотности орошения q ж отвечает и определенное значение относительного расхода воздуха λ.

Рис. 5.11. График для расчета вентиляторных градирен, предложенный Л.Д. Берманом

Пример. Определить плотность орошения градирни при следующих условиях: t 1 = 35,8℃; t 2 = 25℃; τ 1 = 18℃(φ = 48 %).

Решение. По приведенной ранее формуле t 2 * = 25 + (18 - 20) + 8(0,8 - 18/25) = 24,1℃.

По графику на рис. 5.11 находим при t 2 * = 24,1 и Δt = t 1 -t 2 = 10,8℃q ж = 4,3м 3 /(м 2 ·ч).

На рис. 5.12 приведен график охлаждения, разработанный ЛОТЭП для расчета противоточных вентиляторных градирен с пленочным оросителем. Этот график дает возможность рассчитывать градирни в диапазоне Δt от 6 до 20 ℃.

При условиях предыдущего примера по графику (рис. 5.12,б ) при τ 1 = 18℃и t 2 = 25℃получаем t 2 1 = 19,5℃При этой температуре и Δt = 10℃по графикуа (рис. 5.12) находим q ж = 5,7 м 3 /(м 2 ·ч).

Обычно в пояснительной записке к типовым проектам градирен приводятся методика расчета и необходимые параметры и графики охлаждения, позволяющие осуществить привязку градирни к конкретным условиям.

Рис. 5.12. График для расчета противоточных вентиляторных градирен, предложенный ЛОТЭП:а - график для определения плотности орошения при t 2 1 ;б - график для определения t 2 1 при t 2 1 θ 1 и τ 1

Особое место занимают радиаторные (сухие) градирни (рис. 5.13), в которых вода охлаждается воздухом без непосредственного контакта, через перегородку. Достоинством этих градирен является отсутствие потерь воды и ее загрязнения, что имеет место в испарительных охладителях.

К недостаткам радиаторных градирен следует отнести невысокий эффект охлаждения; высокие температуры охлажденной воды (всегда выше температуры воздуха, измеренной сухим термометром); большой расход воздуха (в пять раз больше, чем в испарительных градирнях) и соответственно большие энергозатраты; большую стоимость в связи с использованием дорогостоящих цветных металлов для изготовления радиаторов. Поэтому радиаторные градирни применяются, в основном, в маловодных районах с дефицитом и большой стоимостью воды, а также в случаях, когда система заполняется специально подготовленной дорогостоящей водой либо когда вода оборотной системы представляет опасность для окружающей среды.

Рис. 5.13. Радиаторная (сухая) градирня:1 - радиаторы;2 - вентилятор;3 - диффузор;4 - подвод воздуха;5 - подача воды на охлаждение;6 - отвод охлажденной воды

Основным элементом сухой градирни (см. рис. 5.13) являются радиаторы, расположенные по ее боковой поверхности. Радиаторы состоят из алюминиевых трубок с насаженными на них алюминиевыми ребрами, которые увеличивают площадь контакта с охлаждающим воздухом, соответственно поверхность теплопередачи и количество отводимого тепла. Охлаждаемая вода по трубопроводам подается в верхнюю часть градирни и движется по трубкам радиаторов сверху вниз. Внизу охлажденная вода собирается в коллектор и без разрыва струи по трубам отводится из градирни.

Охлаждающий воздух омывает поверхность радиаторов,

двигаясь в направлении, поперечном направлению движения воды, поэтому такая градирня называется поперечно-точной.

Охлаждение воды в радиаторных градирнях может быть интенсифицировано путем орошения водой наружной поверхности радиаторов. При этом за счет расходования тепловой энергии на испарение этой воды повышается общее количество тепла, отводимого от градирни. С целью экономии воды орошение радиаторов производится только в наиболее жаркие периоды года.

5.2.5. Эжекционные охладители

Эжекционные охладители нашли применение в химической промышленности . Воздух в них поступает за счет эффекта эжекции, создаваемого потоком капель охлаждаемой воды, распыленной с помощью специальных форсунок (рис. 5.14).

Рис. 5.14. Эжекционный охладитель воды:1 - подача охлаждаемой воды;2 - форсунки;3 - зона контакта охлаждающего воздуха с каплями воды;4 - дробитель;5 - зона сепарации;6 - резервуар охлажденной воды;7 - отвод охлажденной воды;8 - вход охлаждающего воздуха;9 - выход воздуха из охладителя

Охлаждаемая вода подается в форсунки под давлением 0,2-0,4 МПа и образует, выходя из них, капельный факел. Поток быстро летящих капель оказывает аэродинамическое воздействие на окружающий воздух и передает ему часть своего импульса, т. е.

по мере движения капель жидкости постепенно уменьшается ее количество движения и капли затормаживаются, а воздух (газ), наоборот, приобретает количество движения. Так как факел на начальном участке расширяется, в его полость эжектируется все большее количество воздуха. В зоне контакта охлаждаемой воды с воздухом 3 происходит передача тепла и охлаждение воды. Дополнительное дробление капель воды на дробителе 4 повышает эффект охлаждения воды за счет обновления поверхности контакта воды и воздуха. Из зоны 3 воздух поступает в сепаратор 5, где отделяется от захваченных мелких капель воды и выходит из охладителя.

Достоинствами эжекционных охладителей являются простота конструкции и эксплуатации, а также возможность установки непосредственно в производственных цехах.

5.3. Испарительное охлаждение

Системы испарительного охлаждения были разработаны С.М. Андоньевым и внедрены на металлургических заводах для охлаждения нагревательных печей. Сущность испарительного охлаждения состоит в использовании скрытой теплоты парообразования. Охлаждающая вода подается к охлаждаемому оборудованию с температурой 30 ℃. В процессе охлаждения она нагревается до кипения и отводится в виде пара. При этом каждый килограмм воды за счет скрытой теплоты парообразования отводит 2160 кДж тепла. Кроме того, за счет нагрева воды от температуры 30℃до температуры кипения еще расходуется 294 кДж/кг. В итоге при испарительном охлаждении 1 кг воды отводит 2160 + 294 = 2424 кДж тепла. При водяном охлаждении и перепаде температур Δt = 10℃1 кг воды отводит 4,19·10 = 41,9 кДж тепла. Следовательно, при испарительном охлаждении для отвода одного и того же количества тепла потребуется практически в 60 раз меньше воды.

Система испарительного охлаждения предусматривает многократную циркуляцию воды и использование образовавшегося пара в качестве теплоносителя с возвратом конденсата в циркуляционную систему. Из-за высокой температуры система испарительного охлаждения заполняется и подпитывается водой, освобожденной от солей жесткости и лишенной коррозионных свойств.

Принципиальная схема системы испарительного охлаждения нагревательных печей приведена на рис. 5.15.

Рис. 5.15. Схемы систем испарительного охлаждения:а - с естественной циркуляцией;б - с принудительной циркуляцией;1 - охлаждаемые элементы печи;2 - бак-сепаратор;3 - опускная труба;4 - подъемная труба;5 - потребитель пара;6 - химводоочистка;7 - насосная станция;8 - подпитка;9 - циркуляционный насос

Охлаждаемое оборудование соединено трубопроводами с баком-сепаратором, образуя циркуляционный контур. Из бака-сепаратора вода по опускной трубе гравитационно (рис. 5.15,a ) или с помощью насоса (рис. 5.15,б ) подводится к охлаждаемому оборудованию. Образовавшаяся при отборе тепла пароводяная смесь по подъемной трубе поднимается и поступает в бак-сепаратор, в котором происходит разделение пара и воды. Полученный пар используется как теплоноситель на технологические нужды, а конденсат возвращается в циркуляционную систему, предварительно пройдя подготовку на установке химводоочистки. Потери воды в системе восполняются химически очищенной подпиточной водой.

Испарительное охлаждение имеет ряд преимуществ перед водяным. В этой системе при изменении тепловой нагрузки происходит саморегулирование процесса охлаждения вследствие изменения турбулизации пароводяной смеси, расход воды по сравнению с системой водяного охлаждения уменьшается в несколько десятков раз, срок службы охлаждаемых элементов увеличивается, исключается прогар деталей, не требуется применения охладительных устройств

(градирен, прудов, брызгальных бассейнов), водоводов больших диаметров и мощных насосных станций. Тепло, которое отводит охлаждающая вода, можно использовать без усложнения условий эксплуатации, так как система охлаждения не зависит от режима работы потребителей тепла.

5.4. Воздушное и воздушно-испарительное охлаждение

Как было отмечено ранее, на охлаждение оборудования и продукта расходуется громадное количество воды. При этом приходится создавать сложные и дорогостоящие системы оборотного водоснабжения, особенно, если в процессе потребления вода еще и загрязняется. Кроме того, для обеспечения теплового баланса в оборотных системах предусматриваются охлаждающие устройства, в которых тепло от воды передается окружающему воздуху. Естественно возникает вопрос, не целесообразнее ли использовать окружающий воздух непосредственно для охлаждения оборудования и продукта. Это исключает необходимость создания промежуточных систем водяного охлаждения, позволяет избежать связанных с этим потерь воды и загрязнения окружающей среды.

Несомненно, замена воды на воздух потребует серьезного изменения конструкции охлаждаемого оборудования в связи с низкой теплоемкостью воздуха по сравнению с теплоемкостью воды. В то же время находят все большее применение для охлаждения жидкого продукта аппараты воздушного охлаждения (взамен водяного) на предприятиях нефтеперерабатывающей и химической промышленности. Они располагаются непосредственно в пределах технологической установки. Один из таких аппаратов показан на рис. 5.16.

Охлаждаемый продукт по трубопроводу 1 поступает в секцию холодильника2 , представляющую собой два ряда оребренных труб, собранных в виде змеевика в дефлекторе3 (ограждающая конструкция). Секции холодильника уложены на металлическую конструкцию4 с опорами5 . Вентилятором6 с лопастями, приводимыми в движение электродвигателем7 , через опорный редуктор8 , по коллектору9 и диффузору10 нагнетается атмосферный воздух, омывающий оребренные трубы, внутри которых протекает охлаждаемый продукт. Продукт уходит из холодильника по трубе11 , а нагревшийся воздух - в окружающую атмосферу. Эффект охлаждения продукта в аппарате повышается при увлажнении воздуха водой,

распыляемой из трубы12 , Центральная часть вентилятора на входе воздуха защищена специальным колпаком13 .

Рис. 5.16. Аппарат воздушно-испарительного охлаждения:1 - подача нагретого продукта;2 - трубчатый теплообменник (холодильник);3 - корпус дефлектора;4 - металлическая конструкция;5 - опоры;6 - вентилятор;7 - электродвигатель вентилятора;8 - редуктор;9 - коллектор;10 - диффузор;11 - отвод охлажденного продукта;12 - перфорированная труба для увлажнения воздуха;13 - колпак для защиты механизмов вентилятора

При увлажнении воздуха капли воды попадают на оребренную поверхность теплообменника и испаряются, отводя дополнительное количество тепла, поэтому такие аппараты можно отнести к классу аппаратов воздушно-испарительного охлаждения.

По данным Гипронефтемаша , стоимость устройства и эксплуатации воздушного охлаждения ниже, чем водяного, примерно в 2,3 раза. Кроме того, с применением воздушных конденсаторов расход воды снижается, например, по нефтеперерабатывающему заводу на 30-70 % от общего ее расхода на предприятии при водяном охлаждении продукта; к тому же получается экономия электроэнергии.

Для охлаждения отработавшей воды применяют различные типы водоохладительных сооружений (охладителей), которые по способу охлаждения воды в них разделяются на испарительные и поверхностные.

В испарительных охладителях охлаждение воды происходит в результате ее частичного испарения и передачи тепла атмосферному воздуху при непосредственном контакте поверхности воды с ним. В поверхностных охла-дителях охлаждаемая вода не соприкасается с воздухом, а передача тепла от воды к воздуху происходит через стенки радиаторов, внутри которых протекает вода.

К испарительным охладителям относятся открытые водоемы (пруды-охладители, водохранилища, реки, озера), брызгальные бассейны и градирни (открытые, башенные и вентиляторные). К поверхностным охладителям относятся радиаторные (сухие) градирни, набираемые, как правило, из аппаратов воздушного охлаждения (АВО) .

Работа охладителя характеризуется удельной гидравлической, тепловой нагрузкой, шириной и высотой зоны охлаждения.

Удельная гидравлическая нагрузка выражается отношением расхода воды к единице активной площади охладителя. Тепловая нагрузка - это количество тепла, отдаваемое водой воздуху на единицу площади охладителя.

Шириной зоны охлаждения или перепадом температуры называется разность между температурой воды, поступающей на охладитель и температурой охлажденной воды.

Высотой зоны охлаждения называется разность между температурой охлажденной воды и температурой по влажному термометру, являющейся теоретическим пределом охлаждения.

Охладители на открытых водоемах. В охладителях этого типа охлаждение воды происходит главным образом за счет поверхностного охлаждения, поэтому эффективность охлаждения определяется площадью поверхности зеркала воды. В результате неравномерного движения потока воды в водоеме в охлаждении воды участвует не вся поверхность зеркала водоема, а лишь часть ее, так называемая «активная зона». Отношение активной площади водоема к действительной называется коэффициентом использования площади водоема. Этот коэффициент зависит от формы водоема, расположения водосброса, водозабора и др. и значение его может быть в пределах от 0,4 до 0,9. Наиболее высокое значение коэффициента имеет место в водоемах с правильной вытянутой формой.

Тепловой расчет пруда охладителя проводят по номограмме Теплоэлектропроекта, построенной для естественных температур воды до 30° С, скорости ветра от 0 до 4 м/с, удельной площади активной зоны до 2 м 2 /м 3 в сутки и перепада температур воды в пруде от 0 до 15 °С.

По номограмме по заданным значениям удельной площади активной зоны пруда f уд, нормально естественной температуре воды t е, скорости ветра W 200 и перепаду температур t определяют перегрев воды, а затем температуру охлажденной воды (у водозабора): t 1 = t е +  град.

Брызгальный бассейн представляет собой открытый резервуар, состоящий из одной или нескольких секций, оборудованных водораспределительными трубами и соплами (насадки), при помощи которых охлаждаемая вода разбрызгивается над этим резервуаром.

Нагретая отработавшая вода подается под напором 50 - 100 кПа (5-10 м вод. ст.) к брызгалам. Охлаждение воды в брызгальных бассейнах происходит при ее разбрызгивании за счет испарения и соприкосновения капель воды с воздухом.

В качестве разбрызгивающих устройств применяют преимущественно эвольвентные и тангенциальные сопла, в редких случаях - винтовые сопла МОТЭП.

Градирни. По способу подвода воздуха к градирням они разделяются на открытые, башенные и вентиляторные, а в зависимости от типа оросительного устройства - на брызгальные, капельные, пленочные и комбинированные.

В градирнях с брызгальным оросительным устройством вода, подаваемая на охлаждение, распределяется на оросителе по системе лотков, в днище которых имеются отверстия, через которые вода тонкими струйками падает на разбрызгивающие тарелочки – розетки. Образующиеся при этом капли воды падают на оросительное устройство. При прохождении через оросительное устройство вода соприкасается с поднимающимся вверх воздухом, охлаждается и стекает в резервуар.

Ороситель капельного типа состоит из расположенных друг над другом горизонтальными рядами деревянных реек (рис. 3.15.6, а ). Вода, стекая с верхнего яруса реек на нижний, разбивается на капли, в результате чего создается большая площадь соприкосновения с воздухом. В градирнях с оросителем пленочного типа (рис. 3.15.6, б ), состоящим из большого числа параллельных друг другу щитов, расположенных вертикально или под малым углом к вертикали, вода, стекая по этим щитам, образует пленку толщиной 0,3- 0,5 мм. Воздух соприкасается с поверхностью пленки воды и охлаждает ее.

Также применяются капельно-пленочные (комбинированные) оросители.

1 -диффузор; 2 - вентилятор; 3 -конфузор; 4 -привод вентилятора; 5 - водоуловитель; 6 - водораспределитель; 7 - пакетный ороситель; 8 - обшивка; 9 - делительная стена; 10 - стенки железобетонные сборного каркаса; 11 - резервуар охлажденной воды

Открытые градирни (брызгальные и капельные) применяют при небольших расходах воды (50 -300 м 3 /ч).

Средняя плотность орошения для капельных и брызгальных градирен принимается 1,5 - 3 м 3 /ч на 1 м 2 , для пленочных 3 - 8 м 3 /ч на 1 м 2 и для комбинированных 2,5 - 6 м 3 /ч на 1 м 2 . Теплотехнические расчеты башенных градирен для конкретных метеорологических условий производят по номограммам.

Вентиляторные градирни обеспечивают более глубокое охлаждение оборотной воды, чем башенные, поскольку необходимый для охлаждения воды свежий атмосферный воздух подается в них вентиляторами. Вентиляторные градирни по сравнению с башенными позволяют достичь более глубокого охлаждения оборотной воды при плотности орошения до 15-16 м 3 /ч на 1 м 2 .

В зависимости от расположения вентилятора различают нагнетательные и отсасывающие градирни. Наибольшее распространение получили отсасывающие, секционные градирни (рис. 3.15.7) Союзводканалпроекта с вытяжным вентилятором и противоточным движением воздуха. Вытяжные вентиляторы таких градирен применяют следующих типов: осевые № 8 и № 12, ВГ-25, 1ВГ-47, 1ВГ-50, 1ВГ-70 и 1ВГ-104 «Нема» производительностью от 15 до 1300 тыс. м 3 /ч воздуха и вентиляторов «Нема» 2700 тыс. м 3 /ч.

Поверочные расчеты вентиляционных градирен в зависимости от района расположения производятся по графикам, приведенным в каталогах.

При оборотном водоснабжении промышленного объекта охлаждающее устройство должно обеспечить охлаждение циркуляционной воды до температур, отвечающих оптимальным технико-экономическим показателям работы объекта.

По способу передачи теплоты от воды к воздуху охладители, применяемые в системах оборотного водоснабжения, разделяются на испарительные и поверхностные (радиаторные).

В испарительных охладителях охлаждение воды происходит в результате ее испарения при непосредственном контакте с воздухом.

В радиаторных охладителях охлаждаемая вода не имеет непосредственного контакта с воздухом. Вода проходит внутри трубок радиаторов, через стенки которых происходит передача теплоты воздуху.

Так как теплоемкость и влагоемкость воздуха невелики, для охлаждения воды требуется интенсивный воздухообмен. Например, для понижения температуры воды с 40°С до 30°С при температуре воздуха 25°С на 1 м 3 охлаждаемой воды к испарительному охлаждению должно быть подведено около 1000м 3 воздуха, а к радиаторному охладителю, в котором воздух только нагревается, но не увлажняется, - около 5000 м 3 воздуха.

Испарительные охладители по способу подвода к ним воздуха разделяются на:

Открытые;

Башенные;

Вентиляторные.

К открытым относятся: пруды-охладители, брызгальные бассейны, открытые градирни.

В башенных охладителях - башенных градирнях, - движение воздуха происходит в результате естественной тяги, создаваемой высокой вытяжной башней.

В вентиляторных охладителях - вентиляторных градирнях, - осуществляется принудительная подача воздуха с помощью нагнетательных или отсасывающих вентиляторов.

Радиаторные охладители, которые называют также сухими градирнями, по способу подвода к ним воздуха могут быть:

Башенными;

Вентиляторными.

Пруды-охладители

Их применяют для охлаждения больших масс воды в основном за счет поверхностного охлаждения, поэтому эффективность прудов определяется площадью зеркала воды.

Из-за неравномерности движения потока воды в охлаждающем водоеме возникают различные застойные зоны, что не позволяет полностью использовать площадь водоема. Та часть площади водоема, которая участвует в охлаждении воды, называется активной зоной.

Отношение активной площади F а водоема к действительной F д называется коэффициентом K и использования площади водоема. Этот коэффициент зависит от формы водоема, расположения водосброса, расположения водозабора и т.д. Он может иметь численные значения от 0,4 до 0,9. Самое большое значение коэффициент имеет для водоемов с правильной вытянутой формой (например, эллипс). Для увеличения активной зоны создают различные струенаправляющие и струераспределяющие сооружения.

Преимущества прудов - охладителей:

Для охлаждения воды нет необходимости создавать дополнительный напор для подъема воды и её разбрызгивания, что очень важно при больших расходах;

Отсутствие подпиточных насосов;

Средняя температура воды ниже, чем после охлаждения в градирнях и брызгальных бассейнах.

Недостатки:

Низкая тепловая нагрузка (самый существенный недостаток), которая ничем не может быть интенсифицирована. Она составляет 0,8-1,7 МДж/час (200-400 ккал/час) с 1 м 2 площади зеркала пруда;

Охладительный эффект зависит от наличия ветра и температуры окружающего воздуха;

Сложности в эксплуатации в связи с борьбой с цветением, зарастанием и минерализацией;

Стоимость строительства пруда превышает стоимость устройства градирни или брызгального бассейна;

Повышение уровня грунтовых вод.

Пруды-охладители целесообразно применять в тех случаях, когда потребителями воды являются мощные паротурбинные электростанции, когда электростанции или другие предприятия располагаются вблизи естественных водоемов (озер, рек, морей) и когда в районе строящихся заводов и фабрик создаются искусственные водоемы, имеющие достаточное зеркало для охлаждения.

Брызгальные бассейны

Брызгальный бассейн представляет собой искусственный или естественный водоем, над которым располагается система трубопроводов, оборудованных разбрызгивающими соплами (брызгалами). Нагретая отработавшая вода подается под напором 50-100 кН/м 2 к брызгалам, разбрызгивается и поступает в бассейн, из которого она вновь подается насосами к потребителям. Охлаждение воды происходит при ее разбрызгивании за счет испарения и соприкосновения капель воды с воздухом.

Брызгальные бассейны устраивают в тех случаях, когда по технологии не нужен большой перепад температур. Их удельная тепловая нагрузка колеблется в диапазоне 30-60 МДж/м 2 ·ч (7-15тыс. ккал/м 2 ·ч). Размеры брызгального бассейна определяются расходом охлаждаемой воды и плотностью орошения, которая принимается в пределах 0,8-1,2 м 3 /ч на 1 м 2 . Брызгальные бассейны обеспечивают перепад температур не более 8-10°С и предельно низкую температуру охлажденной воды в летнее время на 5-7°С выше температуры воздуха по влажному термометру, то есть не ниже 30-32°С.

Преимущества брызгальных бассейнов:

В 2-3 раза дешевле градирни;

Долговечны;

Просты в строительстве и эксплуатации;

Недостатки:

Низкий эффект охлаждения по сравнению с градирнями. Для создания температурного перепада t>10°C требуется последовательное 2-х или 3-х ступенчатое охлаждение с перекачкой больших масс воды, что неэкономично.

Значительный напор воды у сопла и потери воды на унос ветром;

Площадь в 4-5 раз больше, чем у башенных охладителей;

Наличие туманов, сырости, гололедицы требует больших строительных разрывов, что растягивает коммуникации.

Брызгальные бассейны на современных металлургических заводах не применяют, их можно встретить на старых заводах и на электростанциях с небольшим расходом воды.

Там, где необходимо в кратчайшее время соорудить охладитель воды, целесообразнее всего сделать брызгальный бассейн, который может быть целиком изготовлен из местных материалов.

Градирни

По способу подвода воздуха к градирням они разделяются на: открытые, башенные, вентиляторные, а в зависимости от типа оросительного устройства брызгальные, капельные, пленочные, комбинированные.

Подаваемая для охлаждения на градирню вода распределяется над оросителем градирни по системе лотков. на дне которых предусмотрены отверстия, через которые вода тонкими струйками падает на разбрызгивающие тарелочки. На современных градирнях используется трубчатая распределительная система с разбрызгивающими соплами. Образующиеся капли воды падают на оросительное устройство. При прохождении через оросительное устройство вода соприкасается с воздухом, продуваемым через градирню, и охлаждается. Охлажденная вода стекает в резервуар, из которого она забирается для повторного использования.

Капельный ороситель состоит из большого числа деревянных реек прямоугольного или треугольного сечения, расположенных горизонтальными ярусами. При падении капель воды с верхних реек на нижние образуются факелы мелких брызг, создающих большую поверхность соприкосновения с воздухом.

Пленочный ороситель состоит из большого числа параллельных друг другу щитов, расположенных вертикально или под малым углом (15º) к вертикали. Вода, стекая по этим щитам, образует пленку толщиной 0,3-0,5 мм. Воздух соприкасается с поверхностью пленки воды и охлаждает ее.

Применяют также оросители комбинированные капельно-пленочные.

Выбор типа оросителя для градирни определяется качеством воды, требующей охлаждения.

Пленочный ороситель рекомендуется применять для чистой воды, циркулирующей через закрытые системы. Содержание в воде даже небольшого количества примесей, особенно нефтепродуктов, препятствует созданию пленки, поэтому в этих случаях следует применять градирни с капельным оросителем.

Оборотные системы охлаждающего водоснабжения металлургических заводов по переработке цветных металлов, в частности алюминия, отличаются значительной неравномерностью водоподачи, которая обусловлена большим разнообразием типоразмеров отливаемых слитков, значительными колебаниями числа одновременно подключенных теплообменных аппаратов, а также посменным режимом работы литейного цеха. На одном из таких заводов для охлаждения расплавленного алюминия используются теплообменные аппараты открытого типа, которые представляют собой дырчатые корпуса, образующие контур будущего слитка. Вода подается на охлаждаемый металл через отверстия корпуса и сливается самотеком в резервуар нагретой воды. Нагретая вода охлаждается на градирне и подается в литейный цех (рис. 5). В процессе кристаллизации слитков температура охлаждающей воды должна колебаться в пределах 17--25 °С, отклонения давления от требуемого значения не должны превышать ± 0,25 атм (± 24,5 кПа) при любом требуемом расходе .

В настоящее время подача холодной воды регулируется вручную, с помощью электрозадвижек, а также изменением числа одновременно работающий насосов. Такой способ регулирования, как показано в , приводит к возникновению избыточных напоров в трубах, перерасходу электроэнергии, непроизводительным потерям воды. Подача горячей воды регулируется так, чтобы избежать срабатывания холодного и горячего резервуаров. Производительность насосов горячей воды можно регулировать или дросселированием напорной линии, или периодическим включением--отключением агрегатов.

Рис. 5. Оборотное водоснабжение литейного цеха. Функциональная схема автоматизации: 1, 2 -- резервуары горячей и холодной воды; 3 -- градирня; 4, 5, 8, 9 -- насосы; 6, 7 -- регулируемые электропри-воды насосов; 10--напорный трубопровод охлаждающей воды 11 - трубопровод нагретой самотечной воды; 12 - литейные машины; 13 - датчик уровня; 14 - датчик давления; 15 - индикатор уровня; 16 - индикатор давления; 17, 18 - электронные регуляторы; 19, 20 - переключатели режимов (ручной - автоматический); 21, 22 - ручные задатчики

Чтобы продлить срок службы электрозадвижек, персонал пользуется ими только при критичных значениях уровней и давлений воды. Поэтому имеют место значительные колебания уровней горячей и холодной воды. Чтобы избежать аварии, давление охлаждающей воды в трубопроводе намеренно завышается.

При увеличении подачи охлаждающей воды в литейный цех до момента возврата нагретой самотечной воды в резервуар проходит какое-то время, за которое вода протекает через наклонный трубопровод длиной 125 метров. Время возврата горячей воды при этом является функцией расхода охлаждающей воды. Запаздывание водопритока, носящее нелинейный характер, может быть причиной срабатывания резервуара горячей воды и срыва насосов.

С целью оптимизации режима работы описанной водооборотной станции, с учетом указанных характерных особенностей сегодняшней ее эксплуатации, была разработана упрощенная модель водооборотного цикла. Была составлена программа, по которой ЭВМ, при заданных конструктивных параметрах системы водоснабжения (геодезические перепады высот, размеры резервуаров, гидравлические характеристики трубопроводов и т. п.), а также при заданном графике потребления литейным цехом охлаждающей воды, вычисляла колебания расходов и уровней воды в разных точках сети. Подсчитывалась также мощность, потребляемая насосами горячей и холодной воды при разных способах регулирования водоподачи:

дросселированием напорной линии;

плавным изменением частоты вращения рабочего колеса насоса;

периодическим включением - отключением насосов по уровню воды в приемном резервуаре;

саморегулированием, вызванным изменением статического перепада высот за счет изменения уровня воды в резервуаре.

Выходные данные модели были представлены в виде функциональных зависимостей:

Qp = f1(t), Qг = f2(t), Нх = f3(t), Нг = f4(t),

где Qp, Qг -- расходы охлаждающей горячей воды, м3/c; Нх, Нг -- уровни холодной и горячей воды в резервуарах, м.

При составлении модели были приняты следующие допущения:

приведение в соответствие водопотребления и водоподачи, а также отработка заданного уровня в резервуаре происходят мгновенно; это допущение возможно, так как скорости изменения водопотребления (максимальная составляет 4800 м3/ч-ч) намного меньше, дам скорости протекания механических и гидравлических переходных процессов в трубах, резервуарах, насосах;

подача подпиточной воды в холодный резервуар производится так, что потери поды в каждый момент времени полностью компенсируются;

КПД системы «насос--двигатель» при регулировании расхода воды изменением частоты вращения рабочего колеса нacooa остается неизменным.

При расчете расходов и уровней воды определялись:

1. По реальному суточному графику водопотребления текущее значение расхода охлаждающей воды

Qp = QI + ((QI+1 - QI) / (60DI+1)) t.

где QI, DI -- массивы чисел, описывающие график водопотребления; t--текущее время.

2. Время возврата нагретой самотечной воды

где L --длина самотечного трубопровода.

3. Скорость потока по формуле Шези

где R -- гидравлический радиус; I -- гидравлический уклон; с--коэффициент Шези.

4. Скорость потока, выраженная через его сечение,

Решая совместно уравнения пп. 3 и 4, получим (для круглого сечения)

где r -- радиус трубы. Отсюда v находится методом последовательного приближения при известном Q.

5. Расход горячей воды

а) при поддержании постоянным уровня холодной воды

б) три поддержании постоянным уровня горячей воды Qг = Qс, где Qc -- расход нагретой воды на выходе самотечного трубопровода;

в) при использовании свойств саморегулирования производительности за счет изменения уровня воды

где Нф -- фиктивное давление, развиваемое насосом при нулевой подаче;

Нст = Нгр- Нд. г + Нг

Статический перепад высот; Нгр-- уровень сопел градирни; Нд. г -- уровень дна горячего резервуара; Нг -- уровень горячей воды в резервуаре;

г) при регулировании водоподачи периодическим включением -- отключением насоса

Qг = Qн при Нг Нв. к,

Qг = 0 при Нг Нн. к,

где Hв.к, Нн. к-- верхнее и нижнее критичные значения уровня горячей воды; Qн -- номинальная производительность насоса.

6. Мощность, потребляемая насосами

а) при регулировании водоподачи дросселированием напорной линии

где - плотность воды, кг/м3; Q -- текущее значение расхода, м3/ч; -- общий КПД системы «насос--двигатель»;

б) три регулировании водоподачи изменением частоты вращения рабочего колеса насоса

где Нв -- уровень воды в резервуаре; Нп, Нд -- геодезические высоты потребителя воды и дна резервуара.

7. Численным интегрированием текущие значения объемов (V м3) и уровней (H м) горячей и холодной воды в резервуарах

Vt = Vt-1 - t(Qвых.I - Qвх.I),

где Qвых.I -- суммарный расход воды, забираемой из резервуара; Qвх.I --cуммарный расход воды, подаваемой в резервуар; S -- площадь резервуара, изменяющаяся по высоте.

Таким образом, задавая характер потребления воды и режим управления насосами горячей ступени, получаем значения расходов горячей и холодной воды в интересующих нас точках сети, уровней воды в резервуарах в функции времени, а также потребленную электроэнергию при том или ином режиме.

Как и следовало ожидать, наименьшее потребление электроэнергии имеет место три плавном регулировании водоподачи изменением скорости вращения насосов, наибольшее -- при регулировании водоподачи дросселированием напорной линии.

Использование свойств саморегулирования насоса за счет изменения статического перепада высот в данной водооборотной системе невозможно: резервуар горячей воды при таком регулировании срабатывается за 10--15 минут.

Задавая режим работы насосов таким, при котором давление холодной воды на входе в литейный цех и уровень воды в одном из резервуаров остаются постоянными, имеем следующие результаты.

По зависимости Qc = f(t) (рис. 6) видим, что максимальное время запаздывания притока нагретой воды -- 85 с, минимальное -- 45 с. И то и другое намного меньше времени срабатывания резервуара при отсутствии притока и максимальном отборе воды (11 минут).

Задавая характер возрастания водопритока на входе в самотечный трубопровод таким, при котором вся вода достигает конца трубы в течение 20--30 с, не получаем каких-либо аварийный ситуаций; уровень воды а нерегулируемом резервуаре колеблется в пределах ±0,5 м, что допустимо. Целесообразнее регулировать уровень, воды в горячем резервуаре, так кaк колебания в нем сильнее. К тому же при высоких уровнях горячая вода уходит через перелив в ливневую канализацию и теряется безвозвратно.

Рис. 6.

Можно сказать, что значительный запас резервуаров горячей и холодной воды ino емкости дозволяет приманить в данной циркуляционной системе схему регулирования, состоящую из двух нe связанных между собой контуров:

контура управления подачей холодной воды по давлением на входе в литейный цех;

контура управления подачей горячей воды по уровню в приемном резервуаре.

Возможный вариант схемы автоматического регулирования станции оборотного водоснабжения, состоящей из контура управления давлением (I) и уровнем (II), представлен на рис. 5. Регулируемый электропривод изменяет частоту вращения насосов в зависимости от сигнала, снимаемого или с датчика давления (уровня), или c ручного задатчика Н.