О компании

Услуги

Отзывы

Публикации

Контакты

О градирнях Оборотное потребление охлаждающей воды Оптимизация систем охлаждения

Энергетическая эффективность водооборотных систем и градирен Опросные листы Отзывы

Оборотное потребление охлаждающей воды.

В.С.Галустов, заслуженный изобретатель РФ, доктор технических наук, профессор.

В прошлом номере А-Т была опубликована статья, посвященная вопросам оптимизации систем охлаждения оборотной воды. Продолжаем тему материалом, рассматривающим технологии и оборудование для охлаждения воды, их преимущества и недостатки.

Охлаждающей водой, нагретой в тепловыделяющем оборудовании (у потребителя), можно распорядиться по-разному, но вариантов фактически три, и все они известны. По первому – вода сбрасывается в канализацию, т.е. используется «на проток». Очевидно, что в настоящее время не только по экологическим, но и по экономическим соображениям это неприемлемо. По второму варианту нагретая вода (условно чистая) используется в технологии предприятия (например, в производстве керамической плитки – для приготовления сырьевой массы). Такое решение самое привлекательное, так как одновременно утилизируется и полученное ею от оборудования тепло. Однако возможность даже частичного использования нагретой охлаждающей воды встречается крайне редко и составляет тысячные доли процента от общей массы ее потребления. Остается последнее – нагретую воду охладить и повторно использовать, т.е. организовать водооборотную систему. Именно оборотное потребление охлаждающей воды и является преимущественным во всем мире, а усилия специалистов направляются на совершенствование техники и технологии таких систем.

Чтобы понять, как наилучшим образом организовать замкнутое использование охлаждающей воды, введем понятие некой идеальной системы. В нашем представлении это кольцо (пусть и с местными разветвлениями), по которому насосом прокачивается вода. Проходя через оборудование у потребителя, она нагревается, а в охлаждающем устройстве отдает полученное тепло. Потери воды в системе и подпитка отсутствуют, водяной контур полностью закрытый (рис. 1).

Здесь мы не конкретизируем способ охлаждения воды и дальнейший путь отобранного тепла. Отметим лишь, что в подавляющем большинстве случаев это тепло тем или иным способом рассеивается в окружающей среде. Его утилизация в силу низкой эксергии практически всегда экономически не оправдана.

Хотя термин «идеальная система» до настоящей публикации отсутствовал, попытки создания похожих систем известны. К ним можно отнести системы с так называемыми сухими градирнями (аппараты АВГ и АВЗ), аналогичные системы охлаждения двигателей внутреннего сгорания (рис. 2). Не будем пояснять, почему эти системы прижились в охлаждении ДВС, однако в промышленности после всплеска 70-х гг. прошлого столетия их применение крайне ограничено. Причин здесь много, назовем главные. Во-первых, избежать потерь воды и, соответственно, подпитки оказалось практически невозможным в реальных производственных условиях. Во-вторых, что более существенно, «сухие» градирни оказались сложными, громоздкими, дорогостоящими и весьма энергоемкими устройствами. В-третьих, нижний предел охлаждения в них на 5–8 (а при загрязненных поверхностях и на 12–18) градусов выше температуры окружающего воздуха, т.е. летом температура охлажденной воды составляет 40 °С и выше, что во многих случаях недопустимо.

Поясним, что «сухая» градирня – это поверхностный теплообменник, где вода движется в трубках, обдуваемых воздухом с помощью вентилятора. Так как коэффициенты теплоотдачи от поверхности трубок к воздуху на 1,5–2 порядка ниже, чем от воды к трубкам, последние снаружи оребряют. Отложение грязи в зазорах между шайбами оребрения и накипи с внутренней стороны резко снижает эффективность теплообмена, а очистка поверхностей сопряжена со значительными трудностями и затратами. И, наконец, главное: удельные расходы электроэнергии в таких аппаратах в 7–10 раз выше, чем в традиционных вентиляторных градирнях.

Известны и другие варианты создания систем без потерь воды и подпитки, когда вместо дорогостоящих «сухих» градирен использовались подземные аккумуляторные емкости (рис. 3). Эти схемы предлагались для оборудования, работающего только в дневное время, и использовали холод, на-копленный охлаждающей водой (от грунта через стенки) в ночное время. Очевидно, что в рабочие циклы температура воды в аккумуляторной емкости будет расти. Соответственно будет расти и температура нагретой воды после потребителей. Следовательно, объем воды (и бака) должен быть таковым, чтобы температура воды за весь рабочий цикл не превысила предельного значения. Из опыта: при 10–12-часовом рабочем цикле вода в емкости не должна обернуться более 2–3 раз в сутки, т.е. при расходе охлаждающей воды 50 м3/ч бак должен иметь емкость 200–300 м3 (при увеличении продолжительности рабочего цикла и расхода воды через оборудование у потребителя эта цифра может существенно вырасти).

Для больших систем и для непрерывных производств этот вариант вообще исключен. Возможны компромиссные решения, но об этом ниже.

Итак, если невозможно создать идеальную систему, то, очевидно, следует максимально приблизиться к ней, т.е. свести к минимуму потери воды и подпитку и обеспечить эффективное и экономичное охлаждение нагретой воды.

Определяющим здесь становится выбор способа охлажения, альтернативного рассмотренному. Решение этой задачи подсказала сама вода, а точнее, ряд ее уникальных свойств, в числе которых высокая теплота испарения – около 540 ккал/кг (для сравнения: у этилового спирта – около 200 ккал/кг). Если испарить 1 % охлаждаемой воды, то температура ее снизится на 5,4 °С.

Принцип испарения 1,5–2 % воды в сочетании с теплопередачей от нагретой воды к более холодному воздуху и положен в основу работы всех устройств испарительного охлаждения оборотной воды. Отличия между ними состоят в способе подвода воздуха, методе и форме развития поверхности контакта, конструктивном оформлении, но не являются принципиальными с рассмотренных позиций.

Теперь максимально близкая к идеальной будет система, где потери воды и подпитка равны ее испарению. В реальности это не так. Если даже свести к нулю потери через неплотности системы и механический унос в охладителе, исключить дренажный сброс не удастся. Системы заполняются и подпитываются из природных источников водой, содержащей растворенные в ней соли. Когда мы будем компенсировать только испарение, концентрация солей будет неуклонно возрастать в пределе до кристаллизации.

Дренаж (обычно в зависимости от подпиточной воды – 3–5 %) и компенсирующая его подпитка позволяют поддерживать солесодержание в системе на некотором (пусть и более высоком, чем в исходной воде) приемлемом уровне. В связи с последним, если механический унос влаги в сочетании с потерями в системе укладываются в заданный дренажный сброс, то их можно считать приемлемыми. Пример такой системы приведен на рис. 4.

Резюмируя вышесказанное, можно сделать главный вывод, что воду можно охлаждать почти без потерь (и без подпитки системы), но дорого, или с разумными потерями, но и с меньшими затратами. Следовательно, идеальных со всех точек зрения оборотных систем не бывает, речь может идти об оптимальных вариантах, когда важны грамотный выбор и разумный компромисс.

Кстати, об обещанном компромиссном варианте, который может быть вполне приемлем для некоторых малых и средних систем. По нему над аккумуляторной емкостью устанавливается испарительный охладитель, интенсифицирующий накопление холода в нерабочие циклы и обеспечивающий дополнительный теплосъем во время рабочего цикла (рис. 5), когда температура воздуха еще не достигла температуры воды в ем- кости. Такой вариант позволяет в несколько раз уменьшить объем бака, замедлить рост температуры и при этом использовать маломощную градирню.

Теперь непосредственно об охладителях. Если учесть, что к концу прошлого столетия даже самые «молодые» системы и градирни отработали 20 и более лет, то становится понятным, что к настоящему времени большинство из них требуют капитального ремонта, замены, реконструкции.

Возросший спрос породил и предложения. Десятки фирм в России, Беларуси и других странах СНГ рекламируют свои «новейшие» разработки для охлаждения оборотной воды. Большинство предлагаемых устройств не имеет сколь-нибудь серьезного научного обоснования, а их внедрение влечет за собой снижение эффективности оборотных систем, увеличение расхода электроэнергии, рост потерь воды и другие негативные последствия. Обеспокоенные складывающейся ситуацией специалисты ВНИИВОДГЕО (Москва) еще в 1998 г. распространили информационное письмо, в котором предостерегали предприятия от использования брызгальных систем и градирен, рекомендуемых случайными фирмами.

Попытаемся помочь заинтересованным специалистам объективно и обоснованно выбрать ту или иную градирню, тот или иной вариант реконструкции изношенной градирни. Оставим в стороне простейшие охлаждающие устройства: пруды, брызгальные бассейны, открытые градирни в силу их малой эффективности и ограниченности применения. Опустим также башенные (безвентиляторные) градирни: их применение оправдано только в очень крупных системах с единичной производительностью не ниже 6000 м3/ч. Круг принципиальных конструктивных решений сужается фактически до двух вариантов: противоточные ветиляторные (пленочные и капельные) градирни и прямоточные распылительные эжекционные аппараты «Муссон» (рис. 6, 7).

И те и другие охладители относятся к устройствам испарительного охлаждения. Вместе с тем известно, что в процессах с изменением фазового состояния (в данном случае испарение) направление движения фаз не оказывает заметного влияния на величину движущей силы, т.е. в этом отношении противоточные градирни и прямоточные «Муссоны» практически равноценны.

Первым принципиальным различием является способ развития поверхности контакта фаз (воды и воздуха). В градирнях эта поверхность формируется при растекании воды по оросителю в виде пленки. Очевидно, что ороситель тем совершенней, чем большая поверхность пленки образуется в единице (м3) занимаемого им объема. Однако при этом совершенно небезразлично, какое гидравлическое сопротивление создает смоченный ороситель движению воздуха. Известна качественная зависимость: чем более развита поверхность оросителя, тем выше гидравлическое сопротивление и больше затраты энергии на продувание воздуха через градирню.

Независимо от охлаждающего устройства необходимый удельный расход воздуха колеблется в незначительных (700–1000 м3/ч) пределах. В «Муссонах» поверхность контакта – это поверхность капель, образующихся при распыливании охлаждающей воды специальными форсунками (средний их размер для форсунок различного типоразмера и режима работы колеблется от 0,3 до 0,8 мм). Оценка показывает, что поверхность контакта в «Муссона» почти на порядок выше, чем в традиционных градирнях.

Второе различие заключается в способе подачи охлаждающего воздуха. В градирнях для этих целей используется вентилятор, т.е. воздух принудительно попадает в аппарат. Отметим сразу связанные с этим недостатки. Во-первых, это неоднородность потоков по сечению насадки (оросителя), т.е. возникновение зон с низкими удельными расходами воздуха. Это явление, называемое байпасированием, характерно для всех насадочных аппаратов и обусловлено следующим. Жидкая фаза достаточно «консервативна» и, будучи равномерно распределенной по поверхности насадки, практически сохраняет это распределение и на выходе из нее. Газовая фаза ведет себя иначе, она весьма чувствительна к локальным неоднородностям в гидравлическом сопротивлении слоя, немалое влияние оказывают стенки, балки и другие элементы каркаса.

Во-вторых, расход воздуха определяется только параметрами вентилятора и продуваемого слоя насадки. Увеличение или уменьшение нагрузки по воде в лучшем случае не влияет на абсолютный расход воздуха (на практике же увеличение подачи воды влечет за собой рост гидравлического сопротивления слоя и соответствующее уменьшение расхода воздуха), т.е. удельный расход воздуха (а значит, мощность вентилято-ра) должен приниматься по максимальному расходу воды.

В аппаратах «Муссон» картина иная. Эжекционный эффект исключает байпасирование: воздух засасывается за счет энергии, передаваемой ему каплями при непосредственном контакте, поэтому распределение удельных потоков достаточно однородное. Кроме того, в рабочем диапазоне давлений воды на форсунках (0,1–0,4 МПа) коэффициент эжекции (удельный расход воздуха) – достаточно постоянная величина, т.е. «Муссоны» обладают свойством саморегулирования, изменение расхода воды сопровождается пропорциональным изменением расхода воздуха.

А так как с увеличением расхода (давления) поверхность контакта увеличивается (уменьшается средний размер капель), эффективность даже возрастает. Напомним, что в традиционных градирнях картина обратная.

У «Муссонов» есть и другие достоинства, например, низкий уровень шума, что весьма существенно, когда предприятие располагается вблизи жилой застройки, малое удельное давление на опорную поверхность (позволяет установить «Муссон» на покрытии зданий, антресольных площадях, козырьках и т.д.), мобильность конструктивного решения, позволяющая легко учитывать конкретные условия, в том числе и габаритные ограничения, а также осуществлять реконструкцию изношенных вентиляторных градирен по схеме «Муссон». Особо следует отметить простоту конструкции, которая обуславливает высокую надежность, стабильность характеристик, большой межремонтный пробег, удобство и дешевизну обслуживания, пожарную безопасность, длительный срок службы. Однако простота эта во многом кажущаяся. Распыливание охлаждаемой воды форсунками – условие необходимое, но не достаточное. Решающее значение имеют соотношения размеров, подбор группы типоразмеров и расположение форсунок, их класс, характеристики и целый ряд других факторов, только при соблюдении которых обеспечиваются требуемый коэффициент эжекции и необходимое охлаждение воды.

Примерами спорных решений можно признать варианты реконструкций вентиляторных градирен, предлагаемые фирмами «Рецикл» (Москва), «ТрансБелСиб» и «Николай» (Беларусь).

Первые две предлагают размещать форсунки на параллельных коллекторах на уровне воздуховходных окон и направлять «факела» под некоторым углом снизу вверх. Последняя размещает в этих окнах блоки форсунок, также направляя их внутрь.

Во всех случаях нарушается ряд обязательных условий, эффект эжекции не возникает, а воздух поступает только за счет тяги (теплового напора) собственно башни градирни, т.е. после реконструкции она работает как открытая распылительная градирня. Соответственно невелика и эффективность (в 2–3 раза ниже, чем у новой вентиляторной градирни или «Муссона»), и, как следствие, в 2–3 раза завышены объемы перекачиваемой воды и связанные с этим затраты.

Иллюзия благополучия может возникнуть в тех случаях, когда мощность имеющихся на предприятии градирен существующей системы водооборота многократно перекрывает потребный в настоящее время теплосъем.

В заключение следует отметить, что эжекционные градирни – достойная альтернатива вентиляторам, если они грамотно рассчитаны, спроектированы и изготовлены.



 
© 1990—2013 ООО НПО «Политехника». Градирни эжекционные, деаэраторы, декарбонизаторы, установки обезжелезивания воды, подогреватели пароводяные, скрубберы, теплоутилизаторы. Металлообработка.
Использование материалов только с письменного разрешения.