О компании

Услуги

Отзывы

Публикации

Контакты

О градирнях Оборотное потребление охлаждающей воды Оптимизация систем охлаждения

Энергетическая эффективность водооборотных систем и градирен Опросные листы Отзывы

Энергетическая эффективность водооборотных систем и градирен.

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

К теме, вынесенной  в заголовок, мы, так или иначе, уже неоднократно  обращались в статьях и монографиях [1-3].  Казалось, все основные вопросы подробно рассмотрены, однако опыт по экспертизе, модернизации и оптимизации потребления охлаждающей воды, консультированию специалистов, выявил ряд характерных заблуждений и ошибок. А самое главное, все чаще стали встречаться задачи создания водооборотных систем для условий, существенно отличающихся от типичных (остановимся на них на конкретных примерах ниже). Указанное и побудило нас к написанию настоящей статьи, которую следует  поставить первой в приведенном списке публикаций на данную тему.

Вместо предисловия.

Итак, охлаждающей водой, нагретой в тепловыделяющем оборудовании (потребителях) можно распрядиться 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 (является условно чистой) используется в технологии предприятия, например,  для приготовления сырьевой массы при изготовлении керамических изделий. Такое решение самое привлекательное, так как одновременно утилизируется и полученное водой 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.

О предмете.

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 потребителей, 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 дальнейшую судьбу  отобранного тепла. Отметим лишь, что в подавляющем большинстве случаев это тепло тем или иным способом рассеивается в окружающей среде, так как утилизация его  практически всегда экономически не оправдана.

1

Хотя понятие идеальной системы до наших публикаций отсутствовало, попытки создания похожих систем известны. К ним можно  отнести системы с так называемыми сухими градирнями  (аппараты АВГ и АВЗ), аналогичные системам охлаждения  двигателей внутреннего сгорания (Рис.2 ). Не будем пояснять, почему эти системы прижились в  ДВС, однако в промышленности после всплеска 70-х годов прошлого столетия их применение крайне ограничено. Причин здесь много, назовем главные: избежать потерь воды  и, соответственно, подпитки оказалось в реальных производственных условиях практически не возможным; сухие градирни, что более существенно, оказались сложными, громоздкими, дорогостоящими и весьма энергоемкими устройствами;  нижний предел охлаждения в них на 5-8 градусов (а при загрязненных поверхностях и на 12 – 18 градусов) выше температуры окружающего воздуха, т.е. летом трудно обеспечить температуру охлажденной воды ниже 40 С, что во многих случаях недопустимо.

(Поясним, что «сухая градирня» это поверхностный теплообменник вода-воздух, где вода движется в трубках, обдуваемых с помощью вентилятора воздухом. Так  как коэффициенты теплоотдачи от поверхности трубок к воздуху на полтора – два порядка ниже, чем от воды к трубкам, последние снаружи оребряют. Отложение грязи в зазорах между шайбами оребрения и накипи с внутренней стороны резко снижают 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 в место дорогостоящих «сухих градирен» использовались подземные аккумуляторные емкости (Рис.3). Эти схемы предлагались для оборудования, работающего только в дневное время, и использовали холод, накопленный 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 известно, что при 10 – 12 часовом рабочем цикле в сутки, вода в емкости не должна обернуться более 2-х -  3-х раз, т.е. при расходе охлаждающей воды 50 кб.м./ч. бак должен иметь емкость 200-300 кб.м. (при увеличении продолжительности рабочего цикла и расхода воды через потребителей 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 охлаждения, альтернативного рассмотренному выше. 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). То есть, если испарить 1 процент охлаждаемой воды, то температура ее снизится на 5,4 С.

Принцип испарения 1,5-2-х процентов воды (в типичных случаях) 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 воды и воздуха, конструктивном оформлении, но не являются принципиальными с рассмотренных позиций.

Теперь максимально близкой 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. И если мы будем компенсировать только испарение, то концентрация солей будет неуклонно возрастать в пределе до кристаллизации.

Дренаж (обычно в зависимости от подпиточной  воды 3-5 процентов) 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.)

2

Резюмируя выше сказанное, 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 важен 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, который интенсифицирует накопление холода в нерабочие циклы и обеспечивает дополнительный теплосъем во время рабочего цикла (Рис.5), когда температура воздуха еще не достигла температуры воды в емкости. Такой вариант позволяет в несколько раз уменьшить объем бака, замедлить рост температуры и при этом использовать маломощную градирню.

3

О  типах систем водооборота.

Следующий по важности вопрос, который приходится решать при организации  энергоэффективного потребления охлаждающей воды, это выбор вида системы, которые бывают централизованными, групповыми и локальными. Еще в [1,2] мы показали, что локальные системы имеют неоспоримые преимущества перед централизованными и рекомендовали порядок поэтапной децентрализации изношенных систем.  Заинтересованному читателю мы и рекомендуем обратиться к указанным публикациям.

О градирнях.

Выбор типа и конструкции охладителя, либо решение о модернизации или реконструкции существующих градирен всегда является замыкающим этапом. Перед этим определяются реальные тепловыделения ( потребный теплосъем ) в целом и по отдельным группам оборудования, оптимальное число локальных ( или групповых ) систем и т. д.

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, Белоруссии и других странах СНГ рекламируют свои «новейшие» разработки для охлаждения оборотной воды. Большинство предлагаемых устройств не имеют сколь-нибудь серьезного научного обоснования, а их внедрение влечет за собой снижение энергетической эффективности оборотных систем (увеличение расхода электро- энергии, рост потерь воды и другие негативные последствия).

Попытаемся разобраться в этом вопросе, а точнее – 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-охладители, брызгальные бассейны, открытые градирни в силу их малой эффективности и ограниченности применения. Опустим также башенные                         градирни, так как их применение оправдано только в очень крупных системах с единичной производительностью не ниже 6000 куб.м./час. В этом случае, круг принципиальных конструктивных решений сужается фактически до двух вариантов: противоточные ветиляторные (пленочные и капельные) градирни и прямоточные распылительные эжекционные аппараты «Муссон» (рис.6 и рис.7).

45

Рассмотрим их особенности, отличия, достоинства и недостатки.

Все упомянутые выше 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 (куб.м.) 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 тем больше затраты энергии на продувание воздуха через градирню.

Заметим, что необходимый удельный расход воздуха, независимо от охлаждающего устройства, колеблется в абсолютном большинстве случаев в незначительных пределах (700-1000 куб.м. /куб.м.)

В «Муссонах» поверхность контакта - это поверхность капель, образующихся при распыливании охлаждаемой воды специальными форсунками (средний размер капель для форсунок различного типоразмера и режима работы колеблется от 0,3 до 0,8 мм).

Оценка показывает, что поверхность контакта в «Муссоне» почти на порядок выше, чем в традицыонных  градирнях.

Второе различие заключается в способе подачи охлаждающего воздуха. В градирнях для этих целей используется вентилятор, т.е. воздух подается принудительно.

Отметим сразу связанные с этим недостатки. Во-первых, это неоднородность соотношений расходов потоков по сечению насадки (оросителя), т. е. возникают зоны с недостаточным и избыточным удельными расходами воздуха. Это явление характерно для всех насадочных аппаратов и обусловлено следующим. Жидкая фаза достаточно «консервативна» и будучи равномерно распределена 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 увеличение гидравлического сопротивления слоя и соответствующее уменьшение расхода воздуха), т.е. удельный расход воздуха (и соответственно мощность вентилятора) должны приниматься по максимальному расходу воды.

В аппаратах «Муссон» картина иная. Эжекционный эффект в принципе 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), то 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, что позволяет 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 обеспечивается требуемый коэффициент эжекции и необходимое охлаждение воды.

В тех случаях, когда 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 завышенные объемы перекачиваемой воды и связанные с этим затраты. Говорить о какой-либо энергоэффективности таких охладителей не приходится.

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

О нетипичных случаях

Напомним, что правилами проектирования стандартных вентиляторных градирен предусматриваются  наиболее типичные, в некотором смысле оптимальные, условия в отношении параметров охлаждающего воздуха, температуры нагретой воды, плотности орошения. Например,  наиболее часто встречающаяся температура охлаждаемой воды (на входе в градирню) 40С.  При такой температуре и средне Европейских условиях и при плотности орошения 4–6 кб.м\кв.м/ч температурный перепад для большинства вентиляторных градирен составляет 6-8 градусов. Удельный расход воздуха при этом обеспечивается на уровне 700- 900 кб.м воздуха на 1 кб.м охлаждаемой воды.

Однако, в последние годы перевооружение предприятий осуществляется все больше на основе оборудования (обычно импортного производства), предъявляющего все более жесткие требования к охлаждающей воде, обеспечение которых неизбежно сопровождается ростом капитальных, а, зачастую, и эксплуатационных затрат.  Так если оборудование не допускает нагрев  охлаждающей воды  (на выходе из него)  более 35 – 37С,  температурный перепад снижается до 4–5 градусов, т.е. теплосъем снижается примерно на 40%.  С другой стороны, расход охлаждающей воды и температурный перепад также строго регламентируются.  (В конкретном примере поставлена задача охлаждения V кб.м\ч воды с 37 до 27 С).

Если отбросить вариант разбавления охлаждающей воды свежей холодной водой (с соответствующим сбросом в канализацию нагретой воды), то остается  фактически только один путь, теоретически доступный для всех градирен.  Это снижение плотности орошения, т.е. повышение удельного расхода охлаждающего воздуха.  В нашем примере температурный перепад необходимо увеличить фактически вдвое.  Не трудно показать, что плотность орошения должна быть уменьшена также почти в два раза. А это значит, что гидравлическая нагрузка на градирню (или секцию) также снизится вдвое. Т.е. для обеспечения заданной производительности системы водооборота число секций (или градирен) также должно возрасти в два раза.

Итак, в данном примере для выполнения поставленной задачи с использованием  вентиляторных градирен капитальные затраты возрастают в два раза, (на градирни, трубопроводы, насосы, запорную арматуру и т.д.).  Существенно возрастут (также в два раза)  затраты на перекачку воды в системе и, внимание, на работу вентиляторов градирен.

Теперь оценим ситуацию для случая применения градирен Муссон.

Так как эти градирни работают в режиме самоэжекции охлаждающего воздуха, и вентилятор в них отсутствует, то и последней составляющей роста энергетических затрат не будет.  А если учесть, что эффективность Муссонов примерно на 20-25% выше (за счет: более развитой поверхности контакта воды и воздуха – поверхность высокодисперсного распыла в градирне Муссон примерно на порядок выше поверхности пленки в пленочной вентиляторной градирне; за счет принципиальной невозможности байпасирования – проскока значительного количества воздуха без контакта с охлаждаемой водой в сочетании с существенной неоднородностью распределения воздуха по сечению градирни)   и необходимое снижение плотности орошения будет только в 1,5 раза, то и капитальные затраты возрастут не в два, а в 1,5 раза. 

Отметим, что выполнение еще более жестких условий в силу отмеченных курсивом причин, для стандартных вентиляторных градирен может оказаться вообще недостижимым.

Для полноты картины отметим еще один достаточно часто встречающийся круг задач, связанных с необходимостью охлаждения оборотной воды с высоких температур (60 – 80 С) до сравнительно низких (30 – 40С). Это например охлаждение флегмы в дефлегматоре ректификационной колонны в нефтепереработке, пищевой промышленности и пр. Обычно для решения такой задачи предлагается охлаждение воды осуществлять в две ступени, что равносильно строительству двух подключенных последовательно в отношении охлаждающей воды систем со всеми вытекающими негативными последствиями  (удвоение потребных производственных площадей самое незначительное из них).

Возможно ли достижение требуемого результата в одну ступень? 

Ответ положительный, но только для градирен Муссон. Охлаждение воды на 25-30 градусов потребует испарить 5-6% охлаждаемой воды (против 2% для перепада 10-11 градусов). Для этого удельный расход воздуха должен возрасти в 2,5-3 раза по сравнению со случаем  охлаждения на 10 градусов. Для обеспечения коэффициента эжекции  2500 – 3000 (а это реально) плотность орошения придется снизить в 2,5 – 3 раза с соответствующим пересчетом всего водо-воздушного тракта аппарата. (Напомним, что воздух в аппарат поступает за счет динамического воздействия капель и его проскок исключен в принципе). И это вполне нормально, так как градирни Муссон разрабатываются исключительно индивидуально под конкретные условия.

Снижение плотности орошения в 2,5-3 раза в противоточных вентиляторных градирнях может не только не повлечь роста температурного перепада, а даже привести к его снижению, так как вся система водораспределения не рассчитана на работу при нагрузках менее 30% номинала. Т.е. должна быть спроектирована совершенно иная градирня, однако избежать роста затрат (в 2,5-3 раза соответственно) электроэнергии на привод вентиляторов все равно не удастся.

Из всего вышесказанного следует, что при решении задач, отклоняющихся от типичных случаев альтернативы градирням Муссон в настоящее время фактически  нет.

Литература:

1. В.С.Галустов и др. Рациональное использование и очистка воды на машиностроительных предприятиях. М: Машиностроение, 1988.

2. В.С.Галустов.   Прямоточные распылительные аппараты в теплоэнергетике. М:  Энергоатомиздат, 1989.

3. В.С.Галустов.  Оптимизация систем охлаждения оборотной воды. Аква – Терм, номер1, 2004 г.



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