Водоохлаждающие устройства

6.1.1. Общие сведения. Классификация

Задачей охлаждающих устройств является обеспечение охлаждения циркуляционной воды до расчетной температуры. Значение этой температуры определяется технико-экономическим расчетом. Охлаждение воды происходит за счет отдачи теплоты воздуху.

По способу передачи теплоты различают испарительные и поверхностные охладители.

В испарительных устройствах охлаждение воды происходит как при ее испарении с поверхности, так и при непосредственном контакте с воздухом. Расчет показывает, что испарение 1% воды вызывает ее охлаждение на 6°С. В среднем до 85% теплоты передается от воды воздуху массообменом, а остальное передается конвективным теплообменом. Оба процесса протекают одновременно и влияют один на другой, так как при охлаждении воды ее те мпература приближается к температуре воздуха и замедляется конвективный теплообмен.

В пределе температура воды может достичь температуры влажного термометра, то есть в испарительных охладителях температура воды может быть ниже температуры воздуха.

Испарительные охладители по способу подвода воздуха подразделяются на 4 группы: открытые; башенные; вентиляторные; эжекционные.

Для наглядности классификация водоохлаждающих устройств представлена в виде схемы на рис.6.1.

К открытым охладителям относятся:

а) водохранилища-охладители (водоемы, пруды, бассейны и т.п.);

б) брызгальные бассейны;

в) открытые градирни.

В этих устройствах движение воздуха относительно поверхности охлаждаемой воды обусловлено ветром и естественной конвекцией.

Рис. 6.1. Классификация водоохлаждающих устройств:

1 – водохранилища; 2 – брызгальные бассейны; 3 – открытые градирни; 4 – башенные градирни; 5 – вентиляторные градирни; 6 – эжекционные охладители; 7 – радиаторные башенные; 8 – радиаторные вентиляторные

В башенных охладителях (градирнях) воздух движется за счет организованной самотяги, создаваемой высотой вытяжной башни.

В вентиляторных охладителях (градирнях) осуществляется принудительное движение воздуха за счет нагнетающих либо отсасывающих вентиляторов.

Эжекционные охладители не нуждаются ни в вытяжной башне, ни в вентиляторе. Воздух поступает за счет эффекта эжекции, создаваемого потоком капель воды, распыленной с помощью специальных форсунок.

В поверхностных (радиаторных) аппаратах вода не имеет контакта с воздухом. Теплота передается через стенки трубок радиаторов. Это так называемые сухие градирни. В них даже при противоточном движении воды и воздуха предельной (теоретически достижимой) температурой воды является температура наружного воздуха. То есть она зависит от климатических условий, времени года и всегда будет выше чем в испарительных охладителях.

Так как теплоемкость и влагоемкость воздуха мала, то его требуется для охлаждения воды много. Например, для охлаждения 1 м³ воды с 40 до 30°С при температуре воздуха t_в=25°С и средней относительной влажности j=0,5-0,6 необходимо подвести воздуха:

- при испарительном охлаждении примерно 1000 м³;

- при радиаторном охлаждении – 5000 м³.

6.1.2. Краткие характеристики и области целесообразного применения водоохладителей

Водохранилища-охладители могут быть естественными и искусственными. Поверхностью тепло-массообмена является поверхность зеркала воды. Эффективность охлаждения воды зависит от гидравлической нагрузки (расхода воды) на 1 м² площади контакта. Обычно она составляет примерно 0,04 м³/ч на 1 м².

На циркуляцию воды не требуется высокий напор. Отработанная (теплая) вода в водохранилище может поступать самотеком. Таким образом энергозатраты будут минимальны. Однако требуются большие площади, большие капиталовложения и эксплуатационные издержки на борьбу с заиливанием и зарастанием.

Водохранилища-охладители целесообразны в централизованных системах водооборота на крупных предприятиях или в комплексах таких предприятий. Особенно это удобно при использовании естественных водоемов, выработанных карьеров и т.п.

Брызгальные бассейны представляют собой открытый прямоугольный бетонный или железобетонный резервуар из двух или более секций, над которыми через сопла разбрызгивается охлаждаемая вода. Вода к соплам поступает под напором по водораспределительным трубам. Поверхность капель и является поверхностью тепло-массообмена.

Нормальная гидравлическая нагрузка составляет 0,8-1,0 м³/ч на 1 м² площади брызгального бассейна. Охлаждающая способность такого устройства неустойчива, зависит от направления и скорости ветра. Главный недостаток – большой унос воды и туманообразование. Поэтому бассейны сооружают в удалении от построек, что увеличивает длину и стоимость водоводов.

Открытые градирни – это те же брызгальные бассейны, с той же эффективностью, но для уменьшения уноса воды их окружают жалюзийным заграждением.

Более эффективны открытые градирни с насадкой под распылителями в виде ряда горизонтальных щитов из реек или досок.

Башенные градирни могут оснащаться пленочными или капельными оросительными устройствами. Скорость движения воздуха через них зависит от высоты башни. Гидравлическая нагрузка (плотность орошения) составляет 4-5 м³/ч на 1 м² поперечного сечения оросительного устройства – в капельных оросителях и 6-7 м³/(м²×ч) – в пленочных градирнях.

Тяга, а следовательно и удельный расход воздуха, существенно снижается с уменьшением габаритов башни. Уменьшается и охлаждающий эффект. Поэтому башенные градирни на большие расходы, примерно 3000 м³/ч и выше. Широко применяются на тепловых электростанциях и крупных централизованных системах оборотного водоснабжения предприятий.

Вентиляторные градирни отличаются от башенных только тем, что воздух подается вентилятором. Поэтому они более эффективны. Применяют их при расходах воды в диапазоне от 500 до 3000 м³/ч. Гидравлическая нагрузка (плотность орошения) достигает 8-10 м³/(м²×ч). Капитальные затраты у них меньше чем у башенных, но выше эксплуатационные издержки.

Оросительные устройства также могут быть капельные и пленочные.

Радиаторные охладители (сухие градирни) представляют собой систему радиаторов, выполненных из материалов с высоким коэффициентом теплопроводности (сплавы меди и алюминия). Снаружи трубки радиаторов оребряют. Для продувки радиаторов воздухом используются и башни и вентиляторы. Стоимость сухих градирен в 1,5-2 раза выше, чем испарительных. Основное преимущество – отсутствие потерь воды. Поэтому используют их в районах с ограниченными водными ресурсами.

Эжекционные охладители не нуждаются ни в вытяжной башне, ни в вентиляторе. В них отсутствует насадка (оросительное устройство). Воздух поступает за счет эффекта эжекции. Такие охладители очень эффективны, особенно при малых расходах воды. Более подробные сведения об эжекторных охладителях можно найти в [5].

6.1.3. Места размещения охладителей

Градирни размещают на промышленной площадке из условия беспрепятственного поступления и отвода охлаждающего воздуха. Охладители испарительного типа должны отстоять от соседних сооружений на определенных расстояниях. При этом учитывают направление господствующих ветров зимой и летом, возможность туманообразования, а также вынос капель за пределы градирни, вызывающие обмерзание расположенных вблизи зданий.

Рекомендуемые минимальные расстояния между охладителями и соседними объектами приведены в табл.6.1.

Таблица 6.1

На промышленной площадке могут быть десятки градирен. Правильный выбор схемы размещения градирен и расстояний между ними в значительной мере снижает неблагоприятное влияние их друг на друга. Большое число градирен в одном узле может привести к изменению микроклимата на площадке, что необходимо учитывать при проведении теплотехнических расчетов.

6.1.4. Теплофизические процессы охлаждения воды в испарительных охладителях

При испарительном охлаждении воды "движущей силой" процесса испарения является разность парциальных давлений

, Па (6.1)

где – парциальное давление паров воды в слое воздуха, расположенного у поверхности воды. Оно равно давлению насыщения пара при температуре воды t°C;

– парциальное давление пара в основной массе воздушного потока при температуре воздуха q°C.

При этом известна взаимосвязь этих парциальных давлений:

, Па, (6.2)

где j – относительная влажность воздуха.

Удельная теплота испарения (тепловой поток с единицы поверхности в единицу времени):

, , (6.3)

где b – коэффициент теплоотдачи испарением, .

Удельное количество теплоты передаваемое контактом воды с воздухом:

, , (6.4)

где a – коэффициент теплоотдачи соприкосновения, .

Общая удельная теплота тепло-массообмена между водой и воздухом составляет сумму:

. (6.5)

При q>t (т.е. температура воздуха выше температуры воды) – q_a< 0.

Охлаждение будет продолжаться, пока > 0. При q₀=0 – прекращается. Поэтому в расчетах водохранилищ-охладителей необходимо учитывать радиационный поток, который нагревает воду.

Шириной зоны охлаждения (подохлаждением) воды называют разность температур воды на входе t_w2 и выходе t_w1 охлаждающего устройства:

Dt_w=t_w2-t_w1. (6.6)

Обычно принимают:

Dt_w=4-5°C – в вентиляторных градирнях;

Dt_w=8-12°C – в крупных башенных градирнях.

Высотой (глубиной) зоны охлаждения воды называют разность между температурой охлажденной водой t_w1 и температурой поступающего воздуха по влажному термометру q_1вл. Т.е. это недоохлаждение воды до температуры влажного (мокрого) термометра (теоретического предела испарительного охлаждения):

Dt_в=t_w1-q_вл1. (6.7)

Обычно достигается:

Dt_в=5-6°C – в вентиляторных градирнях;

Dt_в=8-14°C – в крупных башенных градирнях с большой шириной зоны охлаждения.

6.1.5. Конструкции градирен

Градирни используются в системах оборотного водоснабжения, требующих устойчивого и глубокого охлаждения воды.

Рис.6.2. Конструктивная схема испарительной градирни

Водораспределители предназначены для равномерного распределения охлаждаемой воды по поверхности оросителя градирни. Вода может подаваться по напорной, так и по безнапорной схемам.

Напорная схема – это система трубопроводов оборудованная разбрызгивающими соплами. Имеется стояк, по которому подводится вода, коллекторы, распределительные трубопроводы. На них устанавливаются разбрызгивающие сопла. Сопла бывают разных конструкций. Наибольшее распространение нашли эвольвентные сопла. Напор воды перед ними принимается 1-3,5 м.

Факелы распыла могут быть направлены и вниз и вверх. Главное – создать дождь, равномерный по поперечному сечению градирни (см. рис.6.3).

Рис. 6.3. Схема размещения разбрызгивающих сопел на трубопроводах водораспределителя

В безнапорной схеме вместо распределительных труб размещают лотки. На дне лотков выполняются отверстия с насадками.

Наиболее важным узлом градирни являются оросительные устройства. Они служат для создания необходимой поверхности охлаждения. Оросители бывают разных видов:

- пленочного типа. У этих оросителей испарение идет с поверхности пленки, которая образуется на орошаемых поверхностях;

- капельного типа. Здесь теплоотдача идет с поверхности капель;

- капельно-пленочного и комбинированного вида (типа "сандвич").

Капельные оросители изготавливают из горизонтальных реек и брусков прямоугольного или треугольного сечений (см. рис.6.4а). Располагают их, как правило, в шахматном порядке. Цель – создать как можно больше брызг и капель. Эти оросители имеют хорошие показатели, но сложны в изготовлении.

Пленочные оросители выполняются из щитов, устанавливаемых вертикально или под небольшим углом к вертикали (примерно 85°). Щиты могут быть деревянные (см. рис.6.4 б), асбоцементные (плоские, волнистые, см. рис.6.4.в), пластмассовые. Деревянные насадки обладают высокой эффективностью, но быстро разрушаются, поэтому практически перестали применяться. Асбошиферные оросители одно время нашли широкое распространение, но из-за канцерогенности асбеста во многих странах их использование запрещено.

В последние годы широкое распространение получили пластмассовые оросители. Большое преимущество пластмассы в том, что изделиям из нее можно придать любую форму. Однако у нее есть и большой недостаток – гидрофобность (несмачиваемость) поверхности, что затрудняет создание на ней устойчивой равномерной водяной пленки.

а) – капельный ороситель; б) – пленочный ороситель из деревянных щитов; в) – пленочный ороситель из асбоцементных волнистых плит

Именно этот недостаток заставляет конструкторов искать оптимальную форму поверхностей насадки, которая наряду с низким аэродинамическим сопротивлением обладала бы высокой охлаждающей эффективностью.

В настоящее время предлагается большое разнообразие насадочных элементов пленочных оросителей для промышленных градирен [7]. Это насадки сетчатые, решетчатые, трубчатые, гофро-трубчатые и других конфигураций, которые выполняются в виде отдельных блоков (кубов со стороной примерно 0,7-0,9 м). Требуемая высота оросителя обеспечивается необходимым числом ярусов блоков.

Как показывает опыт, гидрофобность пластмассовой насадки со временем эксплуатации снижается, из-за образования на поверхности карбонатной пленки.

Если на градирнях охлаждается чистая вода, то наиболее экономично применение оросителя пленочного типа. Они обеспечивают устойчивое и глубокое охлаждение воды. При наличии в воде взвесей и нефтепродуктов пленочные оросители не рекомендуются из-за возможности засорения промежутков между элементами. В таких случаях приходится применять капельные оросители, хотя они допускают гидравлическую нагрузку примерно в 1,5 раза меньше чем пленочные, при том же охлаждающем эффекте.

Капельно-пленочный ороситель – это комбинация из решеток и щитов. Они эффективнее капельных в 1,5-2 раза и дешевле пленочных.

Водоуловительные устройства служат для уменьшения уноса воды с воздушным потоком. Унос влаги после них может составить меньше 0,02% от общего расхода оборотной воды (при общем уносе до 0,5%). Каплеуловители не только сокращают выброс воды в атмосферу, но и защищают вентилятор от эрозии.

Современные каплеуловители изготавливают преимущественно из пластмассы из-за сложной конструкции. Они должны обеспечивать максимальное снижение выноса капельной влаги при минимальном аэродинамическом сопротивлении проходу воздуха.

Выпускаются каплеуловители трех типов: пластинчатые, ячеистые и сетчатые. Изготавливаются они в виде блоков, которые облегчают монтаж и ремонт градирни. Наилучшие из них – решетки из волнистого полиэтилена (см. рис.6.5)

Рис.6.5. Вертикальный разрез водоуловительной решетки из листового волнистого полиэтилена

Башни градирен могут быть различной формы: цилиндрической, конической и др., квадратного, шести- и восьмиугольного, кругового сечения в плане. Изготавливаются они из дерева, металла, бетона, пластмассы.

6.1.6. Эжекционные охладители

На рис.6.6. приведена схема такого охладителя воды.

Рис.6.6. Функциональная схема эжекционного охладителя воды:

1 – распылитель (форсунка); 2 – зона контакта; 3 – зона сепарации

Вода подается в форсунку под избыточным давлением (0,1-0,4 МПа) и образует после нее капельный факел. Поток быстролетящих капель воздействует на окружающий воздух и передает ему часть импульса. Скорость капель падает, а у воздуха увеличивается.

Из-за стеснения потока образуется зона циркуляции воздуха, что позволяет полнее использовать его испарительный потенциал.

Процессы в таких испарителях имеют достаточно строгое аналитическое описание. Это позволяет создать довольно точную математическую модель процесса и дает возможность с помощью ЭВМ проводить математические эксперименты по выявлению оптимальных размеров и режимов работы эжекционных охладителей. Существует и упрощенная методика конструктивного расчета таких охладителей [5].

По конструктивному оформлению эжекторные охладители условно можно разбить на три группы: полые охладители; охладители с интенсифицирующими элементами; эжектирующие устройства для повышения эффективности действующих испарительных градирен.

Энергия может подводиться и к воздуху вентилятором. Это так называемые газоэжекционные аппараты. Вода при этом является эжектируемой средой. Может подводиться энергия и к обеим фазам. Такие устройства называют газожидкостными (жидкостно-газовыми) аппаратами. Пока такие водоохладители применяются редко.

Конструкции эжекционных аппаратов довольно разнообразны. Они постоянно совершенствуются и расширяется область их применения.

Эжекционные охладители особенно перспективны в локальных системах водооборота с расходом воды до 500 м³/ч. В этом диапазоне они по эффективности превосходят все известные охладители. Технико-экономические расчеты показывают, что и при больших расходах воды (1000 м³/ч) эти охладители имеют меньшие приведенные затраты, чем все другие водоохладители.

Как известно, распыл любых форсунок полидисперсный. Масса крупных капель может достигать 60-70% общего расхода, хотя число их относительно невелико. Крупные капли имеют меньшую относительную поверхность и для их охлаждения требуется большее время контакта с воздухом. В то же время они слабо тормозятся потоком воздуха. Поэтому разработаны (и продолжают разрабатываться) методы принудительного вторичного дробления капель.

Существенному повышению эффективности охлаждения способствует так называемый эффект Шабалина. Он заключается в многократном увеличении коэффициентов тепло-массопередачи при ударе капель о препятствие. Это обусловлено обновлением поверхности, интенсивным внутренним движением жидкости в капле, разрушением капель на более мелкие с большей удельной поверхностью.

Разработаны аппараты с различными типами капледробящих устройств: с неподвижными сетками и со свободно подвешенными нитями или лентами. Схемы таких водоохладителей приведены на рис. 6.7.

Рис.6.7. Эжекционные водоохладители с капледробильными устройствами: а – с неподвижными сетками (1); б – со свободно подвешенными нитями или лентами (2)

Используются и роторные сетчатые устройства для вторичного дробления капель.

В настоящее время разработан типоразмерный ряд охладителей воды эжекторного типа [5]: ОВ-5, ОВ-10, ОВ-20, ОВ-40, ОВ-80, ОВ-160, ОВ-480. Цифра в обозначении соответствует производительности охладителя по воде в м³/ч. Первые шесть выполняются по типу рис.6.7а. Это прямоугольные конструкции в плане, с несколькими форсунками в горизонтальной плоскости.

Корпус ОВ-480 представляет собой усеченную шестигранную пирамиду. Подводящий воду стояк – в центре. От него идут радиальные водоводы. Подвод воздуха осуществляется через окна на гранях.

Давление воды – 0,3 МПа (напор 30 м). Рабочая ширина зоны охлаждения достигает Dt_w=15°C. Форсунки используются центробежно-струйные.

Эффективность и размеры эжекторных водоохладителей позволяет их монтировать и внутри зданий. Например, на компрессорной и холодильной станциях.

На существующих градирнях эжекторные устройства успешно используются для борьбы с обледенением.