Повышение эффективности работы градирен в водооборотном цикле

Решение вопросов энерго- и ресурсосбережения на пищевых, химических и других предприятиях, использующих оборотные системы технического водоснабжения, во многом зависит от эффективности работы градирен. В смесительных теплообменниках – градирнях, являющихся основным оборудованием водооборотного цикла, в качестве охлаждающего агента используется воздух. Охлаждение производится оборотной водой – отработанной охлаждающей водой теплообменных устройств. Эту нагретую воду охлаждают при ее частичном испарении в градирнях путем смешения с потоком воздуха и снова направляя ют на использование в качестве охлаждающего агента. В теплое время года за счет испарения передается более 90 % теплоты. Таким образом, охлаждение осуществляется в результате теплообмена [1, 2].

Из технической термодинамики известно, что испарение происходит всегда при любой температуре со свободной поверхности жидкости или твердого тела. Процесс испарения заключается в том, что отдельные молекулы с большими скоростями преодолевают притяжение соседних молекул и вылетают в окружающее пространство. Интенсивность испарения возрастает с увеличением температуры жидкости.

Движущая сила, необходимая для преодоления силы трения потоков, которая мешает течению воздуха, обеспечивается нагнетательными или вытяжными вентиляторами, либо за счет естественной конвекции вследствие того, что по сравнению с сухим, увлажненный воздух имеет меньшую плотность.

Общую движущую силу можно выразить суммой отдельных движущих сил в потоках воздуха и воды [3]:

h* – h i = (h i -h)+(h* – h i ), (1) где h* -энтальпия воздуха, насыщенного при температуре основной массы потока воды (кДж/кгК); h – энтальпия смеси воздух – вода – пар (кДж/кгК); h i – энтальпия поверхности раздела воздух – жидкость (кДж/кгК).

Работа при воздушном перемешивании жидкой фазы производится за счет энергии сжатого воздуха и в первом приближении может быть рассчитана, как работа изотермического сжатия:

dL=FdH, (2) где F – сила гидравлического сопротивления среды (Н), L – работа, затрачиваемая на подъем воздуха на высоту dH (Дж).

Сила гидравлического сопротивления записывается следующим образом:

F= (nπd ³ср /6) (ρ ж -ρ г )g, (3) где n – число воздушных пузырьков, d ср – средний диаметр пузырьков (м), ρ ж , ρ г – плотность воды и воздуха (кг/м ³ ).

Поскольку ρ ж ≫ ρ г , то последним пренебрегают. Тогда:

F=Q ρ ж g, (4) где Q= nπd ³ ср / 6 – объем всех пузырьков в аппарате (м ³ ).

Известны градирни различных типов: вентиляторные, башенные, поперечноточные, эжекторные, сухие и др. [4].

Вентиляторные градирни являются наиболее совершенным типом охладителей воды, поскольку обеспечивают практически устойчивое охлаждение воды путем изменения частоты вращения вентиляторов или их периодического отключения. В этих градирнях допускаются более высокие тепловые нагрузки и глубокое охлаждение воды, то есть большее приближение температуры охлажденной воды к теоретическому пределу охлаждения (температуре атмосферного воздуха по мокрому термометру) за счет повышенного относительного расхода воздуха, проходящего через градирню [4.5].

Тепловая нагрузка на 1 м ² площади оросителя вентиляторных градирен может составлять до 335–419 тыс. кДж/(ч∙м ² ) и выше. Гидравлическая нагрузка на 1 м ² площади вентиляторной градирни ориентировочно может быть принята при капельно-пленочном оросителе 5–6 м ³ /(ч∙м ² ). Разность температур воды при расчете назначается в зависимости от температуры воды, поступающей на градирню (не более 25 ⁰ С), скорость воздуха в оросителе принимается не более 4–4,5 м/с, разность температур охлажденной воды и атмосферного воздуха по мокрому термометру не менее 4–5 ℃ (в отдельных случаях до 2–3 ℃).

На рисунке 1 представлена схема вентиляторной градирни с принудительной тягой.

Рисунок 1. Схема вентиляторной градирни: 1 – горячая вода, 2 – водораспределитель, 3 – ороситель, 4 – вытяжной вентилятор, 5 – входные окна, 6 – водоуловитель, 7 – диффузор, 8 – поддон с охлажденной водой

Figure 1. Fan cooling tower layout: 1 - hot water, 2 - water distributor, 3 - fill, 4 - exhaust fan, 5 - inlet windows, 6 - water trap, 7 - diffuser, 8 - chilled water pan

Градирня называется противоточной, поскольку нагнетаемый воздух движется снизу вверх навстречу охлаждаемой воде.

Главным преимуществом градирни является охлаждающая способность. Перепад по оборотной воде может достигать 30 ℃ за счет создания мощного потока воздуха в оросительном пространстве навстречу потоку охлаждаемой воды. Тем самым интенсифицируется процесс переноса массы из одной фазы (воды) в другую (воздух), то есть это типичный процесс сопряженного тепломассопереноса.

При проектировании охлаждаемой теплообменной аппаратуры следует принимать в качестве расчетной начальную температуру воды для наиболее неблагоприятных (летних) условий с тем, чтобы обеспечить надежную и бесперебойную работу теплообменных устройств в течение всего года [6].

Рассмотрим основные элементы градирен.

Ороситель является главным элементом градирни. Он предназначен для увеличения поверхности контакта между водой и воздухом и, следовательно, для ускорения процесса охлаждения. При выборе типов оросителей следует отдать предпочтение таким, которые будут обеспечивать более высокую охлаждающую способность и низкие потери напора. Рационально использовать оросители из полимерных материалов капельно – пленочного типа сетчатой структуры, поскольку происходит нарушение сплошности по ходу движения воды и воздуха, чередуются капельные и пленочные режимы работы. Как следствие, перераспределение и дополнительная турболи-зация взаимодействующих потоков, интенсифицируется тепломассоперенос. Охлаждающая способность оросителя увеличивается до 70 %, существенно снижается коэффициент аэродинамического сопротивления, что положительно сказывается на экономии электроэнергии.

Водоуловитель максимально снижает капельный унос оборотной воды при минимальном аэродинамическом сопротивлении. Эффективность водоулавливания в вентиляторных градирнях максимальна при скорости воздуха 2–3 м/с. Оправдано использовать конструкцию водо-уловителя в форме полуволны, поскольку обеспечивается улавливание капель практически до 100 %. Отпадает необходимость в использовании многоярусных каплеуловителей с большим аэродинамическим сопротивлением.

Водораспределительные системы предназначены для равномерного распределения охлаждаемой воды по площади поверхности оросителя. Они не должны затруднять прохождению воздушных масс в градирне. Основной системой распределения воды является разбрызгивающее напорное водораспределительное устройство. Это система трубопроводов с присоединенными к ним водоразбрызгивающими соплами или форсунками различных видов и конструкций. Форсунки должны создавать оптимальные размеры капель 2–3 мм при распыле оборотной воды и попадании их на поверхность оросителя. Количество сопел (форсунок) и шаг между ними определяется расчетами.

Энергия, поступающая на распыливание, расходуется на следующие виды:

• 1.    Энергия для преодоления поверхностного натяжения при образовании развитой поверхности капель E p

• 2.    Энергия для сообщения жидкости поступательного движения (гидравлическая энергия) E r

• 3.    Энергия для преодоления сил трения в распылителе и энергия диссипации.

E p =σS k ,                  (5)

где σ – коэффициент поверхностного натяжения (Н/м), S k – суммарная площадь поверхности капель (м ² ).

E r = m ж ω ж /2             (6)

где m ж , ω ж – масса и скорость истечения жидкости (кг, м/с).

Гидравлический КПД равен отношению

η= E r /E,                 (7)

где E – полная энергия, подводимая к распылителю.

Гидравлический КПД зависит в основном от конструкции распылителя, качества изготовления и скорости жидкости. Наибольший КПД у гидравлических форсунок [7].

Входные окна оказывают существенное влияние на равномерность распределения воздуха по площади поверхности оросителя и на величину аэродинамических сопротивлений градирни. Оптимальное соотношение площади входных окон к площади поверхности оросителя составляет 0,35–0,45.

С целью устранения у острых кромок окон вихрей следует устанавливать козырьки над ними. В результате получается безотрывное поступление воздуха в ороситель, а величина общего коэффициента сопротивления градирни снижается на 8–20 %.

Целесообразно включить в оборотную систему технического водоснабжения холодильную установку с целью получения более низких температур воздуха в теплое время года. Для этого воздушный поток (или его часть) из атмосферы направляется через испаритель, где охлаждается и поступает в градирню.

Теплый воздух после конденсатора можно использовать для устранения обледенения элементов градирни в холодное время года или направлять на производство в качестве теплоносителя.

Заключение

Повышение эффективности действующих и разработка новых современных градирен, надежных и удобных в эксплуатации, максимально удовлетворяющих производственным требованиям независимо от погодных условий, энерго- и ресурсосберегающих, экологически безопасных остается актуальной задачей.

Надеемся, что наша работа внесет скромный вклад в частичном решении сформированной проблемы.