Охлаждающие устройства оборотных систем водоснабжения
2. ОХШЩАЩИЕ УСТРОЙСТВА ОБОРОТНЫХ СИСТЕМ ВОДОСНАБЖЕНИЯ 2.1. Общие положения
Для охлаждения отработанной воды применяют различные типы водоохладителышх сооружений. По способу охлаждения они разделяют, ся на испарительные и поверхностные С?}.
В испарительных охладителях охлаждение воды происходит в процессе ее частичного испарения и передачи теплоты атмосферному воздуху при его непосредственном котакте с поверхностью воды. В поверхностных охладителях охлаждаемая вода не соприкасается с воздухом, а передача теплоты от воды к воздуху происходит через стенки радиаторов, внутри которых протекает вода.
К испарительным охладителям относятся открытие водоемы (пруды-охладители, водохранилища, реки, озера), брнзгалыше бассейны и градирни (открытые, башенные и вентиляторные), к поверхностным -радиаторные ( сухие ) градирни.
Работа охладителя характеризуется удельной гидравлической, тепловой нагрузкой, шириной и высотой ноны охлаждения.
Удельная гидравлическая нагрузка Qr - отношение расхода охлаждаемой воды к площади активной водной поверхности или поперечного сечения, охладителя в плане; удельная тепловая нагрузка ^ -отношение количества тешготн, отдаваемой водой воздуху в единицу времени, к площади активной водной поверхности или поперечного сечения охладителя в плане.
Шириной зоны охлаждения (или перепадом температуры) назнва-ется разность температур вода до и после охладителя A~t -'б^-'б^
Высотой (глубиной) зоны охлаждения называется разность температур охлажденной вода и воздуха по мокрому термометру. Последняя является теоретическим пределом охлаждения воды.
2.2. Набор расчетных параметров вода и атмосферного я воздуха.
Рекомендуемые материалы
Исходные данннв для проектирования и поверочных расчетов охладителей оборотной вода
Расчет охладителей при проектировании производят для наиболее неблагоприятного-летнего периода года. Значение удельных тепловой
грузк«, ширины и глубины зон охлаждения, соответствующие реальным условиям эксплуатации различных типов охладителей, приве-
ня в табл.2.1. Фактическая охлаждающая способность охладителей может в несколько раз отличаться от расчетной. Она зависит от времени и суток года, температуры и влажности атмосферного воздуха, скОрост0 ветра и др. Степень влияния перечислениях факторов различна для резнях видов и типов охладителей.
Наиболее распространенным видом охладителей оборотной водя на промншленннх предприятиях в условиях плотной городской застройки являются вентиляторные градирни.
Температуру воды перед вентиляторной градирней принимают равной
где iTn - оптимальная температура техно-
логического процесса (например, при конденсации пара в конденсаторах паровых турбин, холодильных установок, охладителях технологических продуктов и т.п.);4^*= 4...6°С. Температуру воды за градирней
определяют с использованием рекомендованных значений ширины зоны охлаждения вода Ас (см.табл.2.1) и расчетных параметров атмосферного воздуха. Расчетнне параметры воздуха внбирают с учетом их обеспеченности по табл.2.2.
Обеспеченностью метеопараметров атмосферного воздуха называют отношение среднестатистической (по результатам многолетних наблюдений) длительности периода, в течение которого среднесуточные значения температуры атмосферного воздуха по сухому % и мавром." £/• термометрам и его относительная влажность Vf совпадают со значениями, принимаемыми в качестве расчетных, к длительности летнего периода (июнь-август для стран СНГ и Прибалтики) или календарного года.
Обспеченность метеопараметров 1% (примерно I день за год) длительности летнего периода принимается для водопотребителей, если допустимы нарушения технологического процесса в целом и значительные убытки (категория I); обеспеченность на уровне 5% (около 5 дней в году) приемлема, если допускается нарушение технологического режима на отдельных установках (категория П). Обеспеченность 10$ (около 10 дней в году) принимается для объектов, н& которых допустимо временное снижение экономичности технологического процесса в целом и на отдельных установках (категория Ш).
Таблица 2.1
Режимы работы охладителей :.я
I-Показатели даны для воды, поступающей на охладители при температуре не более 40-45°С.
2. В графе для аг башенных и вентиляторных градирен верхняя строка соответствует условиям работы пленочного оросителя, средняя - капельного и нижняя - брызгального.
При расчете башенных и открытых градирен, на работу которых заметное влияние оказывает скорость ветра, используются следующие исходные данные £7]:
- многолетние среднемесячные температура атмосферного воздуха, скорость ветра и барометрическое давление;
- графики обеспеченности температуры атмосферного воздуха для среднего и жаркого года и кривые связи температуры и относительной влажности воздуха;
- средние температуры и влажности воздуха в 13 ч для наиболее жаркого месяца;-
- температура воздуха наиболее холодной пятидневки;
- роза ветров, преобладающее направление в летний и зимний периоды года;
- расчетный ветровой район.
На эффективность брнзгальннх бассейнов и градирен существенное влияние наряду с другими факторами оказывает давление воды перед распыливавдим устройством, от которого зависит диаметр и площадь поверхности образугацихся капель (см.п.2.4).
Таблица 2.2
Расчетнне параметр! атмосферного воздуха в зависимости от обеспеченности вентидяторннх градирен
2.3. Охладители на открытых водоемах
В охладителях этого типа охлаждение воды происходит в основном в результате теплоотдачи от поверхности воды. Количество отведенной теплоты пропорционально площади поверхности охлаждения. Из-за неравномерного движения потока вода в водоеме при 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 [4]. Наиболее высокое значение коэффициента имеет место в водоемах с правильной вытянутой формой.
Охлаждающие пруды могут обеспечить более низкую температуру охлажденной вода, по сравнению с брнзгалышми бассейнами и градирнями, но должнн для этого иметь болыцую площадь зеркала (3-5 м на I кВт теплота, отдаваемой водой). Поэтому охлаждающие пруда применяется обычно в том случае, когда имеется пруд, озеро или
водохранилище с достаточной площадью зеркала. Для наилучшего вс^ пользования площади зеркала, достигающей иногда 1-1,5 илшж , должна обеспечиваться возможно большая длина и шириаа ''транспорт^ ной струи", т.е. струи, движущейся в охлаждающем пруду от места йвоса теплой вода до водозабора. С этой целью в пруду сооружается Так назнваеше струераспределительнне и струеааправлявдие устройства - дамбы, деревянные шпунтовне стенки или решетки и др.
Расчет пруда-охладителя сводится к определению активной площаде
пруда
где lfi/ц- циркуляционный расход охлаждаемой воды, м3/сутки; ^^ -величина удельной площади активной зона пруда, принимаемая 1,2-2,0 м*У(м3- сутки), при котором большее значение в райойах с повн-. шенной среднегодовой температурой воздуха.
Дня расчета пруда-охладителя можно пользоваться номограммой [1зЗ- По номограмме при естественной температуре в пруде т„ , скорости ветра V (от 0,5 до 4 м/с) и перепада температур $£ = = •£ -in • гДе i*- температура поступающей на охлаждение водя, определяют ^/^ и далее ^акт •
2.4. Брнзгальнне бассейны
В брызгальннх бассейнах охлаждение происходит в основном при испарении части распиливаемой вода. Испарение 1% циркулирующей воды понижает ее температуру приблизительно на 6% &s температуры воды на входе в бассейн. В брнзгальннх бассейнах воду нельзя охладить ниже температуры мокрого термометра воздуха. Брнзгальнне бассейны применяются преимущественно для понижения твшературн вода, охлаждающей теплосиловые установки, компрессоры, двигатели,
трансформаторы и т.д. Охладительный эффект брнзгальннх бассейнов зависит от атмосферных условий, при этом часть вода (1-355) уносится ветром в виде брызг и пара. Удельная площадь поверхности вода в бассейне составляет^э= 0,18-0,24 м /кВт, удельная гидравлическая нагрузка £г= 0,8... 1,5 м3/(м5- ч).
Брнзгальный бассейн, состоящий из одной или нескольких секций, представляет собой открытый резервуар прямоугольной форма из бетона, железобетона, кирпича или камня (рис.2.1).
Основные конструктивные характеристики брызгальных бассейнов приведены в табл.2.3 в зависимости от типа сопла.
Таблица 2.3
Основные конструктивные характеристики брнзгалышх бассейнов
Глубина резервуара С = 1,5-2,0 м. Над поверхностью резервуара выше уровня вода в нем на такой высоте размещается система распределительных труб. На трубах устанавливаются сопла Гд].
Расчет бттагального бассейна включает:
- определение расхода воды, м /ч ; через сопло
где /Сс - коэффициент расхода, зависящий от типа сопла, м3/ч (табл.2.3); Л//- избыточное давление перед соплом, кПа, А И = = 50-100 кПа (5-10 м вод.ст.);
- количества сопел, которые определяют соотношение общего объемного пасхола охлаждаемой волы к ее Dacxonv четэез одно сопло
- температуры охлажденной воды
по номограммам, приведенным на рис.2.2, где гг, - температура охлажденной воды при ее избыточном давлении перед соплами 50 кПа и скорости ветра 2 м/с; д± - ширина зоны охлаждения воды;^,- поправка, Учитывающая влияние на процесс охлаждения величины избыточного Давления воды;
- геометрических размеров бассейна с помощью данных табл.2.3. (рис.2.1).
Рис.2.2. Номограммн для расчета температурн вода охлавденной в брызгальном бассейне при избнточном давлении воды перед соплами 50 кПа а скорости ветра W = 2 м/с (а) и давлениях, отличных от 50 кПа (б)
2.5. Башенные градирни
Башеннне градирни применяются, главным образом, на атомных 0 тепловых электростанциях. Они могут бнть испарительными, радиаторными (сухими) и смешанными - испарительно-сухими. К испаритнль-н0_сухим относятся сухие градирни, в которых для увеличения глубины охлаждения осуществляется орошение наружной поверхности, как правило, обессоленной водой [7].
Основнне технологические элементы - водораспределительное устройство, ороситель, водосборшй бассейн, вытяжная башня, водо-уловитель и воздухорегулирующее устройство.
Водораспределительные системы градирни могут бнть самотечными (безнапорными) и напорными, состоящими из магистральных и яапорннх трубопроводов. Напорные системы более надежны и устойчивы в работе. Подвод вода в систему водораопределения делается цент-ралытам (через железобетонный стояк в центре градирни), боковым или нижним. Расположение водораопределительных труб или лотков выполняется по радиальной или прямоугольной схеме: при этом должна предусматриваться возможность отключения секций для ремонтных работ.
Водораспределительные лотки безнапорных систем выполняются из дерева, асбоцемента или из сборного железобетона. Ширина лотка должна быть не менее 1,0 см, превышение борта над максимальным горизонтом воды - 10-12 см. Трубы системы напорного водораопределения выполняются из сталв, асбоцемента и пластмассы.
Оросительное устройство - один из основных элементов градирни. В градирнях с брызгальннм оросителем (в основном полне с форсунками) вода разбрызгивается с помощью расположенных в водораспределителе сопл. Падая вниз,вода охлаждается воздухом, частично испаряясь и собирается в бассейне. Градирни с указаниям оросителем применяют при малых расходах воды или при ее значительном загрязнении. Плотность орошения (количество вода, проходящее через единицу площади сечения градирни в единицу времени) в них = 1,4-1.7кг/(м2-с). При использовании капельного оросителя вода с содержанием взвешенннх частиц Азлее 200 мг/кг внтекает через отверстия в распределительных лотках и мелко разбрызгивается, ударяясь о спе-ЧИальнне отбойные тарелки. Плотность орошения в них Q = 1,7-2,2
В пленочном оросителе охлаждаемая вода отекает тонкой пленкой ( F= 0,3-0,5 мм) по системе вертикально расположенных щитов. В пленочных оросителях Q_= 2,2-4,4 кг/(м2 с).
Выбор типа оросителя производят, сопоставляя их по охлаждаю-щей способности, стоимости оросителя и аэродинамическому сопротивлению. Подземные конструкции башенных градирен выполняются из монолитного железобетона. Допускается выполнение их из железобетон в ленточном исполнении.
Водосборный бассейн состоит из днища толщиной не менее 25 см, который может быть выполнен с разделительными перегородками или без них в зависимости от режима работы градирни, ее размеров в плане и др.
Вытяжная башня выполняется в основном из монолитного или сборного железобетона. Форма вытяжной башни градирен может быть цилиндрической, конической, гиперболввднв! или приближающейся к гиперболоидной, например биоконической (рис.2.3).
Рис.2.3, Вытяжные башни градирен
железобетонные (а - цилиндрическая; б - биконическая; в - гипер-болоидная ) и каркасно-обшивше (г - пирамидальная восьмигранная о квадратным основанием; д - пирамидальная многогранная; е - ги-перболоидная )
Башни с металлическим каркасом обычно имеют пирамидальную или гиперболоидную форму с основанием в виде многоугольника или квадрата. Металлический каркас снаружи обшивается гофрированными листами из алгаминиевонмагниевого сплава.
Кроме того, имеются градирни с металлическим стальным каркасом и обшивкой из дерева или асбоцементных листов. Преимущество этих градирен в том, что они сооружаются в более короткие сроки. Обшивка из асбоцементных листов применяется для градирен, сооружаемых в районах с расчетной темпертурой холодно! пятидневки не ниже Zy= -23°C. При более низких температурах для обшивки применяют дерево или алюминиевые сплавы. Железобетонные градирни сооружаются в районах с расчетной температурой до -28°С.
Внутренняя поверхность железобетонных градирен и опорный железобетонный каркас для защити от разрушений под влиянием тем-пературно-влажностных колебаний воздуха должны иметь антикоррозионное покрытие на основе эпоксидных смол или другую изоляцию. Для улучшения аэродинамических свойств наиболее рациональной формой вытяжной башни является гиперболоидная или близкая к ней. При этом градирня в меньшей мере подвержена вредному влиянию ветра, снижающего эффективность охлаждения вода. Для предотвращения отрыва воздушного потока на выходе из башни в условиях штиля или слабого ветра центральный угол диффузорной части гипер-болоидннх градирен не должен превышать 10°.Дня обслуживания и производства ремонтных работ в вытяжной башне имеются двери, лестницы и промежуточные площадки. Кроме того обязательна установка заземления и грозозащитных устройств. Систем водораспределения. Большинство градирен с естественной тягой являются градирнями испарительного типа. Эффективность испарительног охлаждения зависит от распределения воды по площади оросителя.
В современных крупных башенннх градирнях (площадью 1000 м и более) для снижения капельного уноса веды предусматривается водо-таовитель. Он, как правило, жалгозийного типа с прямолинейным и криволинейным очертанием лопаток. Изготавливается из дерева, асбоцемента или пластмассы. Расположен водоуловитель в верхней части ватяжной башни над водораопределительнем устройством.
Под оросительннм устройством градирни располагается воздухораспределительное устройство для подвода воздуха к оросителю, имею щие воздуховодные окна, воздухонаправлягацие козырьки, ветровые перегородки для организации направленного потока воздуха. Кроме того, для предотвращения обледенения воздуховходные окна оборудуются щитами для регулирования входящего в градирню воздуха в зимний период.
Расчет башенннх градирен. Задачей проектного расчета является определение основных размеров оросителя, вытяжной башни и др. Для типовых градирен - их необходимое количество. При этом известны тепловая мощность, отводимая от охлаждаемого объекта, температура вода до и после градирни, расчетные параметры атмосферного воздуха. Цель технологического (поверочного) расчета -«вягоденже температуры охлажденной воды за градирней по известным параметрам атмосферного воздуха и теплотехническим характеристикам градирни и температуре вода перед градирней.
Для каждого типоразмера градирни построены номограммы. Они позволяют раотпгаать требуемую температуру охлажденной воды в зависимоати от температуры наружного воздуха по сухому термометру и его относительной влажности, плотности орошения #г и температурного перепада ut - ~t<- tz .В проектном расчете с их помощью определяют Qrr и затем количество градирен. Номограммы приведены в [?3.
Температура охлаждающей воды при отрицательной температуре наружного воздуха в зимнее время во избежание обледенения конструкции должна поддерживаться не ниже 10-12°С.
В общем случае тепловая нагрузка градирни
где а - расход охлавдающей вода; At= £,- t%, ; Сд -
теплоемкость воды; Gn - расход вода на испарение и капельный унос. Величина Gn составляет для градирен, оборудованными брнзго-уловйтелями менее 0,05$ &о.&, без брызгоуловителей -(о,5-0,8#) Go.e.
Удельной гидравлической характеристикой градирни является плотность орошения
где Уо.в - объемный расход охлаждающей воды; Р - площадь поперечного сечения градирни.
Удельная тепловая нагрузка охладителя
Основные характеристики башенных градирен ТЭП приведен в табл.2.4.
2.6. Открытые градирни
Открытие градирни - капельные и брнзгальные - предназначаются преимущественно для систам с расходом оборотной вода от 10 до 500 м3/ч. На рис.2.4 приведена конструкция открытой капельной градирни.
Градирни этого типа характеризуются высоким охладительным эффектом без затраты электроэнергии на подачу воздуха, простотой строительных конструкций, условий эксплуатации и ремонта. Однако применение их ограничивается возможностью размещения на незастроенной площадке, хорошо продуваемой ветром, а также допустимостью кратковременного повышения температуря охлаадаемой вода при штиле. Определение площади оросителя и охладительного эффекта открнтнх градирен производится по номограммам, приведенным в [?]. Евсота оросителя принимается не более 10 м при числе ярусов воздухонаправляющих яалюзей от 10 до 12. Расстояние меаду щитами реаетника по высоте принимается от 0,75 до 0,9 м.
Распределение водя по площади оросителя осуществляется с помощью напорной трубчатой системы с водоразбряагиващими соп-
Рис.2.4. Открытая капельная градирня
I - водораспределительная система; 2 - оросительное устройство; 3 - воздухонаправлянцие жалюзи; 4 - переливной водовод; 5 -грязевой водовод; 6 - отводящий водовод
Таблица 2.4 Основные характеристики башенных градирен ТЭП
Водораспределительная система, как правило, выполняется двухфазной: верхняя (расчетная) - для летних условий эксплуатации и нижняя - для зимних.
Нижняя зона водораопределения без разбрызгивания с разливом воды из перфорированных дырчатых труб. Для предупреждения переохлаждения воды предусмотрены трубы, через которые осуществляется сброс теплой воды непосредственно в бассейн, минуя ороситель.
Градирни значительных размеров рекомендуется разделять на отдельные секции, допускающие их отключение на время ремонта или очистки водосборного бассейна, В этом случае высоту рабочих водораспределительных желобов следует принимать из условия пропуска всего форсированного расхода воды на оставщиеся в работе секции градирни.
Размещение градирен на генплане промышленного предприятия должно осуществляться только в один ряд для обеспечения беспрепятственного доступа к нам воздуха. Расстояние между отдельными градирнями в ряду следует принимать не менее 5-6 м. Градирни следует располагать длинной стороной перпендикулярно господствующему направлению ветра в летний период.
Направление ветра в зимний период по возможности должно обеспечивать унос паров и капель воды в сторону от близрасполо-женных сооружений и дорог.
Как показывает практика, применение открытых градирен кожет быть целесообразно при комбинировании их с брызгалышми бассейнами (Д)]. Использование в качестве разбрызгивателей жидкостно-эжекционных устройств может повысить эффективность тепломассообмена в градирнях, что в условиях действующих предприятий требует меньших производственных площадей, и, соответственно, сокращает капитальные затраты.
Как показывают расчеты, при производительности до 10000 м3/ч систем водооборота вместо башенных градирен и брыз-гальных бассейнов целесообразно применять эжекционные градирни, а также установки с применением распиливающих дисков и сопел Вентури. Гидравлический и аэродинамический расчеты башенных градирен рассмотрены в £7]. Движение воздуха через градирню обеспечивается за счет естественной тяги. Движущий напордр=«Н(^> -р), где лз 9,81 м/с ; Н - высота градирни между входом и выходом воздуха; Ч)ир- плотность атмосферного воздуха и воздуха при средних параметрах в градирне.
2.7. Вентиляторные градирни
Вентиляторные градирни применяются в системах оборотного водоснабжения, требующих устойчивого и глубокого охлаждения воды, при высоких удельных гидравлических и тепловых нагрузках, при необходимости сокращения объема строительных работ, маневренного регулирования температуры охлажденной воды средством атоматизации.
Вентилятонные градирни выполняются секционными или отдельно-стоящими - одновентиляторными, в плане имеют форму прямоугольника, квадрата, многоугольника или круга. Более высокие тепловые нагрузки и более глубокое охлаждение вода они обеспечивают за счет повышенного относительного (к расходу воды) расхода воздуха, проходящего через градирню.
На вентиляторые градирни допускается удельная тепловая нагрузка 90-120 кВт/м2 и выше, в то время как, например, на башенные градирни при прочих равных условиях эти нагрузки не превышают 90 кВт/м .6 Для атмосферных градирен максимальная тепловая нагрузка составляет 35-60 кВт/м . Зависимость охладительного эффекта атмосферных градирен от силы и направления ветра ограничивает область их применения [ilj.
G помощью вентиляторных градирен температуру охлажденной воды получают на 4-6°С (в отдельных случаях на 2-3°С) выше температуры воздуха по мокрому термометру, с помощью башенных - на 8-Ю°С. Велитина перепада температур воды на градирнях выбирается в зависимости от температуры поступающей на градирни воды, которая, в свою очередь, определяется технологическим оборудованием, использующим воду как хладоагент.
На вентиляторных градирнях возможно достижение перепада температур воды до 25°С и более (в зависимости от начальной температуры вода). В практике использования башенных градирен максимальный перепад температур вода обычно составляет 8-Ю°С.
Технологическая схема вентиляторной градирни включает в себя следующие основные элементы: оболочку (корпус), состоящих из каркаса, обшитого листовым материалом, водораспределительное устройство, ороситель, водоуловитель, водосборный бассейн и вентиляторную установку.
Секционные градирни (рис.2.5) проектируются с площадью поперечного сечения оросителя одной секции от 2 до 400 м и отдельно стоящие одновентиляторные от 400 до 1200 м fsj.
При выборе типа и числа градирен исходят обычно из следующих условий: оптимальное число секций или градирен в одном оборотном цикле, как правило, принимается от 4 до 8, максимальное - 12; наименьшее число секций - 2. Опыт эксплуатации показывает {LIj, что соблюдение этих условий обеспечивает экономичную эксплуатацию градирен, требуемую'степень резервирования и регулирования температуры охлаждаемой воды за счет отключения отдельных вентиляторов при одновременное экономии площади, занятой градирнями.
Оросительное устройство является одним из основных элементов градирни. Оно предназначено для увеличения площади поверхности соприкосновения между водой и воздухом и, следовательно, для улучшения процесса охлаждения.
Удельная гидравлическая нагрузка для вентиляторных градирен ориентировочно может быть принята: при пленочном оросителе 2,2-3,4 кг/(м2> с) /8-12 м3/( м2-ч)/, капельном оросителе 1,7-2,2 кг/(м2-с) /6т-8 м3/(м2-ч)/ и брызгальном 1,4-1,7 кг/(м2 с) /5-6 м3/(м -ч )/. Скорость воздуха в оросителе вентиляторных градирен принимается, как правило, не выше 4-5 м/с.
При выборе типа оросительного устройства в каждом конкретном случае производится сопоставление охлаждающей способности и стоимости градирни. Показателями работы оросительного устройства являются: величина потерь напора, охлаждающая способность градирни, долговечность, изнашиваемость материала оросителя, прочность и масса оросителя, легкость установки, доступность ремонтов и осмотров, наличие в охлаждаемой воде взвешенных веществ и примесей.
Оросительные устройства вентиляторных градирен по своей конструкции в основном аналогичны оросителям башенных градирен. Вентиляторы в градирнях располагаются внизу, вверху или сбоку градирни - на уровне земли. При верхнем расположении вентиляторы отсасывают воздух из градирни, при нижнем - нагнетают. Преимущественное распространение получили градирни с отсасывающими вентиляторами. В зависимости от потоков воздуха и воды градирни подразделяются на противоточные, поперечноточнне и поперечно-
Рис.2.5. Вентиляторная многосекционная градирня констукции Союз-водоканал проекта
I - диффузол; 2 - вентилятор; 3 - электродвигатель; 4 - крнфу-зор; 5 - медсекционная перегородка; 6 - водоуловитель; 7 - водораспределительная система; 8 - ороситель; 9 - железобетонный каркас; 10 - окна для вхбда воздуха; II - водосборный бассейн; 12 - обшивка
нротивоточные. По числу потоков воздуха в градирне они могут быть двухпоточные и однопоточные.
Вход воздуха в секционные градирни со всасывающими вентиляторами осуществляется только с двух противоположное сторон, в отдельно стоящие - с четырех (по всему периметру в плане). Отдельно стоящие градирня в сравнении с секционными при прочих равных условиях, обладают более высокой охлаждающей способностью и луч-игами экономическими показателями.
Одним из необходимых условий эффективной работы вентиляторных градирен является правильный выбор экономичных вентиляторов. Для градирен обычно используются специальные осевые отсасывающие или нагнетательные вентиляторы. При отсасывающих вентиляторах обеспечивается болев равномерное распределение воздуха по поперечному сечению в основании градирни, чем при нагнетательных. Равномерность распределения воздуха является важным фактором в получении охладительного эффекта градирни.
При отсасывающих вентиляторах происходит меньший подсос влажного теплого воздуха, покидающего градирню через входные окна градирни. Отсасывающие вентиляторы выбрасывают воздух вверх со скоростью 6-10 м/с . По эксплуатационным наблюдениям за работой действувдих градирен вертикальное направление потока влажного воздуха после вентиляторов сохраняется на участке высотой 10-12 м, что почти исключает возможность рециркуляции воздуха.
При нагнетательных вентиляторах воздух из градирни со скоростью 1,7-2,5 м/с и, поэтому существует возможность годсоса уходящего теплого воздуха из градирен, что ведет к резкому ухудшению охладительной способности и требует увеличения размеров градирни. Характеристика вентиляторов приведена в Јllj.
Расчет вентиляторных градирен. Расчет производится по эмпирическим графикам или формулам, полученным по результатам натурных испытаний. При наличии данных о коэффициентах массоотдачи и одновременно графиков охлаадения для какого-либо градирни следует расчет производить по формулам теории испарительного охлавдения (графики охлаадения могут багть использованы для оценочных расчетов).
Расчет градирни по графикам позволяет определить плотность орошения 9Л, м3/(м2'« ч) по температуре вода на входе в градирню и выходе из нее в соответствии с параметрами наружного воздуха. Типовая номограмма для расчета температура охлаждения приведена на рис.2,6. По плотности орошения 9-г и заданному расходу охлаждаемой воды To.s определяется суммарная площадь орошения
По суммарной площади орошения и площади орошения одной градирни (секции) Уор , определяется число градирен (секции) /2 .
Наибольшее распространение получили градирни, разработанные Союзводоканалпроектом, Промстройпроектом, ВНИИ ВОДГЭО и др. (табл.2.5).
2.8. Радиаторные градирни
Радиаторные градирни или аппарата воздушного охлаждения (АВО), иногда называемые сухими градирнями, состоят из элементов: радиаторов из сребренных алкминиевнх, углеродистых, нержавеющих или латунных труб, по которым протекает теплоноситель; осевых вентиляторов, прокачивающих атмосферный воздух через радиаторы; воздухоподводящих патрубков , обеспечивающих плавный подвод воздуха к вентилятору, и опорных конструкций.
АВО общего назначения предназначены для конденсации, охлаждения аарообразных,газообразных ъ жидких сред от -40 до 300°С давлением до 6,4 МПа. Стандартизованные ДВО общего назначения делятся на три основных типа: IBM - аппарат воздушный малопоточ-ннй; АКТ - аппарат воздушный горизонтальный; АВЗ и АВЗ-Д - аппарат воздушный зигзагообразный [12].
На рис.2.7 в качестве примера приведена схема радиаторной г|идирни с вентилятором 2ВГ-70.
Аппараты АВМ оснащены одной тешгообменной секцией с трубами длиной 1,5 или 3 м и комплектуются одним или двумя вентиляторами с приводом от электродвигателя 3 кВт.
Аппарата АВМ имеют три независимые одна от другой секции с трубами длиной 4 или 8 м, оснащены одним или двумя вентиляторами с приводом от электродвигателя мощностью до 40 кВт.
Аппараты АВЗ имеют шесть тешгообменных секций с трубами Длиной 6 м и спецвальннм тихоходннм электродвигателем мощностью
Рис.2.6. Типовая номограмма для определения расчетной температуры охлаждения воды ^ в вентиляторных градирнях капельного и пленочного типа при V =1,8 м/с
а - основной график для температуры мокрого термометра 2у= ГГ°С; б - график определения температур охлаждения воды при других метеорологических факторах; в - поправка к значениям tz при Ы - 1,8 м/с и изменениях температуры наружного воздуха Э/ от 0 до 30°С, а температуры теплой воды ir -oi 25 до 45°С
Рис.2.7. Схема радиаторной градирни
I - секция оребренных труб; 2 - вентилятор 2 БГ70
100 кВт. Аппарат типа АВЗ-Д имеет шесть теплообменннх секций о трубами длиной 8 м, установленных по зигзагообразной схеме. Охлаждающий воздух подается от двух вентиляторов с приводом, аналогичным приводу аппаратов типа АВТ.
В табл.2.6 дана характеристика АВО, которне используются при давлениях 0,6; 1,6; 2,5; 4,0 и 6,4 МПа.
Таблица 2.6 Техническая характеристика нормализованннх АВО
Применение радиаторных градирен может быть целесообразным в следующих случаях:
- при необходимости иметь закрытый, изолированный от атмосферного воздуха контур циркуляции воды в системе оборотного водоснабжения;
- при высоких температурах нагрева оборотной воды в тепло-обменных технологических аппаратах, не допускающих ее охлаждения в градирнях испарительного типа;
- при отсутствии или серьезных затруднениях в получении свежей воды на пополнение потерь в оборотных циклах.
Радиаторные градирни имеют более высокую стоимость, меньшую производительность, больший расход электроэнергии по сравнению с градирнями для испарительного охлаждения воды. Например, радиаторные градирни, оборудованные вентилятором В ВГ70, при исполь-
зовании для охлаждения вода с уровнем температур, принятнм для испарительных градирен, имеют производительность 170-200 м3/ч, тогда как секция вентиляторной градирни с тем же вентилятором имеет производительность 1000-2000 м3/ч при одинаковой стоимости.
Кроме того, эксплуатация радиаторннх градирен усложняется (особенно в зимний нериод)из-за опасности замерзания циркулшионной водн при недостаточном ее нагреве у потребителя или во время внезап-ного прекращения подачи воды циркуляционными насосами. Для предупреждения замерзания водн в трубках радиаторов и их повреждения необходимо предусматривать емкости для сашва воды .
Тепловые и аэродинамические расчета радиаторных градирен (АВО) осуществляется по методике, разработанной ВА нефтемашем [12].
Исходными данными для выбора АВО, его теплового и аэродинамического расчетов являются следующие параметры:
- объемный У или массовый G расход охлаждаемого или кон-: денсируемого продукта; - температура охлаждаемого или конденсируемого продукта на / входе в ABO t/ и выходе из аппарата i~z J -характеристика состава продукта и процесса, осуществляемого, в аппарате (конденсация, охлаждение, конденсация в присутствии ! инертных составляющих и т.д.). По исходным данным определяется общая тепловая нагрузка В зависимости от характеристики продукта и процесса в АВО используются следующие расчетные формула:
при охлаждении жидких и газообразных продуктов без изменения агрегатного состояния
где С - средняя теплоемкость воды.
Для ориентировочного расчета требуемой поверхности теплообмена Р задаются плотностью теплового потока £ . При этом следует иметь в виду, что плотность теплового потока зависит от ' разности температур воды на выходе из АВО и входящего воздуха ' (t& - Ъ, ) (табл.2.7).
Таблица 2.7
Рекомендованные значения теплового потока в зависимости от разности температур
По выбранному значению ty. определяют необходимую установочную поверхность теплообмена Руст - Q/q и подбирают кон-' кретннй тип АЭО по табл.2.6. Далее вычислим: расход охлаждающего воздуха, дроводят оценку и выбор расчетной температуры атмосферного воздуха согласно климатическим условиям. По выбранной конструкции и исходным данным выполняй; поверочный тепловой и аэродинамический расчеты для уточнения необходимой (фактической) поверхности нагрева, запас которой должен быть не менее 20% установочной. Точное определение запаса поверхности охлаждения важно при длительной эксплуатации АВО, когда снижается производительность вентилятора, режим работы отклоняется от расчетного и необходимо регулировать производительность за счет оптимальной работы конденсатоотводчиков.
Уточненные тепловой и аэродинамический расчеты выполняют с использованием известных методов расчета рекуперативных теплообменников с поверхностью теплообмена из оребренных труб.
СИСТЕМЫ ОБОРОТНОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ С ТРАНСФОРМАТОРАМИ ТЕПЛОТЫ
3.1. Системы водоснабжения с холодильными циклами
В гл.2 было отмечено, что расчетный температурный режим технологических процессов при охлаждении оборудования;, технологических продуктов оборотной водой обеспечивается лишь в течение времени, когда параметры атмосферного воздуха (температура и влажность) ниже расчетных или совпадают с ними. В летнее время возможно отклонение температурного режима технолонического процесса от расчетного. На современных промышленных предприятиях одна система оборотного водоснабжения обеспечивает водой обычно несколько различных по назначению и мощности технологических систем. Степень влияния отклонения параметров воздуха от расчетных на качество продукции и технико-экономические показатели этих систем может быть разной. Поэтому попытки обеспечить высокую надежность и экономичность всех их без исключения повышением охлаждающей опособности включенных в оборотную систему градирен, ведут чаще к неоправданно завышенным капитальным и эксплуатационным затратам. Более того, в наиболее жаркие летние дни, особенно при повышенной влажности воздуха, поддержание расчетного значения температуры оборотной воды становится невозможным.
Опыт эксплуатации подобных систем показывает, что более экономичным может быть частичное использование более холодной, чем оборотная, артезианской воды или воды, захоложенной с помощью холодильных установок. Например, для Московского региона расчетная температура оборотной воды после градирни в летний период составляет порядка 22°С. Но в жаркие дни она может доходить до 30°С, Зимой температура оборотной воды не должна опускаться ниже Ю-12°С во избежание замерзания в участках системы с пониженными температурой и скоростью воды. Вода из артезианской скважины, независимо от времени суток и погодных условий, имеет температуру не выше 7°С. Получение захоложенной воды с такой температурой в парокомпрессионных, паро-эжекторных или абсорбционных холодильных машинах хорошо освоено и особых трудностей не представляет. Причем, холодильная машина может быть установлена в непосредственной близости от охлаждаемого объекта, что исключает необходимость подачи захоложенной воды на большие расстояния по наружным трубопроводам. Поэтому опасность замерзания воды практически исключается.
Использование артезианской или захоложенной в холодильных установках воды возможно, если, например, заданный уровень надежности и экономичности большей части производств, подключенных к оборотной системе, обеспечивается, но имеются отдельные производства, для которых уровень температуры охлаждающей воды в неблагоприятный летний период недостаточен для поддержания требуемых температуры или вакуума в технологическом процессе.
Возможные варианты схем водоснабжения нескольких производств, отличающихся требуемым уровнем надежности и экономичности в зависимости от температуры охлаждающей воды, приведены на рис.3.1 и 3.2. В первом случае для охлаждения четвертого производства используется прямоточное водоснабжение от артезианской скважины. Недостатком системы является повышенный расход воды от внешних источников водоснабжения, более высокая загрузка очистных сооружений и повышенный сброс стоков в промышленную канализацию. В очистные сооружения, кроме продувок градирен (несколько процентов от расхода воды на производства I...Забрасывается 100% артезианской воды после производства 4. Дополнительные проблемы при использовании артезианской воды возникают из-за более интенсивного, нежели при использовании оборотной воды, отложения загрязнений на теплообменных поверхностях,что ведет к сокращению межремонтного периода и увеличению эксплуатационных затрат на их обслуживание. Причина - повышенное солесодержание (до 700 мг/л) артезианской воды. Например, после года эксплуатации холодильной абсорбционной машины, для охлаждения конденсатора и абсорбера которой на Кусковском химзаводе применялась артезианская вода, машина практически вышла из строя. Сброс стоков в городские очистные сооружения через промышленную канализацию, как известно, нормируется по объему и составу [I]. Согласно соответствующим нормативам сброс I м3 воды в пределах установленного лимита по объему обходился московским предприятиям в 1996 г. около 5000 руб. Примерно столько же предприятия платили за I м3 воды,полученной от водоснабжающих предприятий Мосводоканала, или при использовании артезианской воды. Сумма платежей за сброс воды увеличивается, кроме того, при превышении предельно допустимых концентраций (ПДК) загрязняющих компонентов, содержащихся в стоках. При превышении ПДК по каждому из компонентов вводятся соответствующие коэффициенты. Поэтому
Рис.3.1.Схема комбинированного снабжения производств охлаждающей водой от градирни и артезианской скважины
I - 3 - производство с умеренными требованиями к температуре охлаждающей воды; 4 - производство с повышенными требованиями к температуре охлаждающей воды; 5 - вентиляторная; 6 - насос циркуляционный; 7 - подпитка оборотной системы чистой водой; 8 -очистные сооружения; 9 - сброс стоков в промышленную канализацию; 10 - артезианская скважина; II - насосно-фильтрационная станция
Рис.3.2. Схема комбинированного снабжения производств охлаждающей водой от градирни и парокомпрессионной холодильной установки
Обозначения позиций е I ш 9 совпадают с обозначениями на рис.ЗЛ) 10 - циркуляционный насос; Ж - холодильная машина с основными элементами: II - испаритель; 12 - компрессор; 13 - конденсатор; 14 - дроссельный вентиль вопрос об использовании артезианской воды на цели охлаждения ">. оборудования или технологических продуктов требует тщательной ;~ технико-экономической проработки.
В схеме на рис.3.2 охлаждение оборудования или технологических сред в производстве 4 выполняется водой, охлаждаемой до температуры 7°С в испарителе холодильной машины. После охлаждаемого объекта температура воды поддерживается обычно на уров» не выше 10°. При расходе захоложенной воды 120 м3/ч холодильная мощность машины составит 350 кВт. Дан реализации подобной схемы может быть использована машина ФУ 175, работающая на хладоне R 12. Потребляемая электрическая мощность машины - 75 кВт. Расход оборотной воды от градирни на охлаждение конденсатора -60 м3/ч при начальной и конечной температуре воды 23 и 29°С соответственно.
Реализация такой схемы в отличие от предыдущей позволяет сохранить систему водоснабжения практически замкнутой, но требует более высоких затрат электроэнергии, так как большинство парокомпрессионных машин имеют электропривод. Кроме того, холодильные машины указанного типа размещают в специальных помещениях, на сооружение которых так же, как на эксплуатацию машин требуются дополнительные расходы.
В случае совственной паровой котельной или получения _,,, пара от внешнего потребителя вместо парокомпрессионной холодильной машины с электроприводом может быть использована паро-эжекторная холодильная машина (рис.3.3).
Рис. З.З.Схема комбинированного снабжения производств охлаздающей водой от градирни и паро-эжекторной холодильной машины
Обозначения о I по 9 позиции совпадают с обозначениями на рис.3.1; 10 - паровая котельная; ХМ - холодильная машина с основными элементами; II - главный паровой эжектор; 12,13 - вспомогательные эжекторы; 14 - конденсатор и 15 - испаритель холодильной установки; 16,17 - циркуляционные насосы; 18 - теплообменник; 19 - конденсатор первой ступени вспомогательных эжекторов
Такая система по предложению Московского энергетического института (МЭИ) была реализована на Кусковском химическом заводе в Москве. При расходе захолаживаемой от +10 до +7°С воды через испаритель 100 м3/ч развиваемая холодильная мощность машины - 350 кВт, расход оборотной воды через конденсатор - около 400 м3/ч. Более высокий расход оборотной воды, по сравнению с парокомпрессионной машиной объясняется тем, что в качестве рабочего тела используется пар водяной давлением 0,7 МПа, который после смешения с инжектируемым паром в главном эжекторе направляется в конденсатор. При максимально достижимом значении коэффициента инжекции главных эжекторов машины до 0,25 общий расход рабочего пара достигает 2,5 т/ч.
Увеличение расхода оборотной воды на конденсатор в данном случае по сравнению с парокомпрессионной машиной - явныйнедостаток системы. Но расход электрической §нергин существенно ниже, чем в предыдущем случае (табл.3.1). Более того, машина смонтирована не в помещении, а под навесом, что существенно снизило затраты на ее сооружение.
Сопоставление технико-экономических показателей обеих установок (табл.3.1) свидетельствует о конкурентоспособности вариантов. Но для Кусковского химзавода решающим фактором явилась возможность получения дешевого пара при сжигании жидких промышленных отходов в установке огневого обезвреживания стоков циклонного типа, оборудованной паровым котлом-утилизатором фактической производительностью до 4 т/ч пара давлением до 1,1 МПа.
При наличии дешевого пара или других источников теплоты, в том числе топливных или тепловых вторичных энергоресурсов, конкурентоспособной становится схема с использованием абсорбционных холодильных установок (рис.3.4).
Таблица 3.1
Технико-экономические показатели установок захолаживания оборотной воды, млн.руб
Приведенные затраты Эксплуатационные затраты на энергоресурсы рассчитаны при стоимости теплоты - 8 тыс.руб/Ткал; электроэнергии - 51 руб/кВт-ч; оборотной воды - 29 руб/м3. Число часов работы холодильных машин принято равным 3000 ч/год.
ПЭШ и ПКХМ - пароэжекторная и парокомпрессионная холодильные машины.
Рис,3.4<>Схема комбинированного снабжения производств охлаздающей водой от градирни и от абсорбционной холодильной установки
Обозначения с I по 9 позицию совпадают с обозначениями на рис.3.1;;
ХМ - холодильная машина с основными элементами: 10 - генератор; II - конденсатор; 12 дроссельный вентиль холодильного контура; 13 - испаритель; 14 - абсорбер; 15 - дроссельный вентиль в контуре термохимического компрессора; 16 - насос для перекачки раствора абсорбента; 17 - теплоноситель; 18 - насос циркуляционный
По данным [21] параметрический ряд отечественных бромисто-литиевых холодильных машин, позволяющих получать захоложенную воду с температурой +7°С, включает следующие типоразмеры по холодильной мощности, кВт : 290; 580; 1160; I860; 2900 и 5800. Зарубежные фирмы выпускают широкий типоразмерный ряд машин этого типа, холодильной мощностью от 350 до 6000 кВт.
Основные показатели отечественных серийно выпускаемых маппте приведены в табл.3.2.
Таблица 3.2
Основные показатели серийных бромисто-литиевых холодильных машин
Цифры в обозначении типа машины указывают ее холодильную мощность в тыс.ккал/ч. Температура охлаждаемой воды на выходе из испарителя +7°С; на входе в абсорбер (последовательная подача через абсорбер и конденсатор) +26°С. Машина АБХМ-2500 является модернизированным вариантом машины АЕХА-2500.
Обычно машины изготавливают в виде двух блоков. В одном из них объединены генератор и конденсатор, в другом - испаритель и абсорбер (см.схему машины АБХА-250 на рис.3.5). В случае использования выоокопотенциальных греющих сред с начальной температурой от 160 до 170сС серийную машину АБХА-2500 снабжают дополнительными ступенями генератора высокого давления и высокотемпературного теплообменника растворов.
Рис.3,5.Схема бромистолитиевой холодильной машины типа АБХА-2500
I - конденсатор; 2 - генератор; 3 - регулирующий вентиль; 4 -расходомер; 5 - эжектор; 6 - воздухоохладитель; 7 - испаритель; 8 - абсорбер; 9 - подогреватель слабого раствора; 10 - переохладитель смешанного раствора; II - теплообменник растворов; 12 - насос смешанного раствора; 13 - насос слабого раствора; 14 - насос рециркуляционной воды; 15 - термометр; 16 - вакуум-насос
3.2. Системы водоснабжения с тепловыми насосами :i
В главах I и 3 показано, что системы водоснабжения промышленных предприятий - сложные и дорогостоящие объекты, требующие больших эксплуатационных расходов. Замена прямоточных систем оборотными позволяет добиться снижения уровней' потребления воды предприятиями от внешних источников и уменьшить, тем самым, нагрузку на городские очистные сооружения, реки и водоемы. Однако даже при полной замене прямоточных или смешанных систем водяного охлаждения оборотными уровень теплового загрязнения атмосферы предприятиями через эти системы остается практически ;tf неизменным. По данным [22] общий объем оборотной и повторно ,0 используемой охлаждающей воды, израсходованной за 1980 г. на ,г предприятиях бывшего СССР составил 132 км3. Доля теплоты, сбрасываемой в атмосферу через градирни и другие охладители на предприятиях химической и нефтехимической промышленности, в металлургии, при производстве бумаги и целлюлозы и других материалов велика. В табл.3.3 для примера приведен укрупненный тепловой баланс завода го производству вискозного волокна. Из него видно, что с оборотной водой выбрасывается в атмосферу 43% всех учтенных потерь теплоты, которые составляют 39,8% всей теплоты, поступающей на завод с паром, сетевой водой и выделяющейся при работе электрооборудования.
Таблица 3.3
Итоговый тепловой баланс завода вискозного волокна предприятия (по ЗВВ)
Большие объемы тепловых выбросов предприятий через оборотные системы при относительно высоком тепловом потенциале воды. (от 10 до 40°С) создают благоприятные условия для применения тепловых насосов, с помощью которых можно покрывать значительную часть технологической и отопительно-вентиляционной нагрузки предприятий.
Одна из возможных таких схем приведена на рис.3.6. В ней источник теплоты — оборотная вода, поступающая в испаритель теплового насоса (ТН). Оборотная вода охлаждается с 30°С до 20°С и отдает теплоту рабочему телу (РТ), циркулирующему в контуре ТН. При сжатии РТ в компрессоре ТН его температура повышается. В конденсаторе ТН в процессе охлаждения и конденсации паров РТ теплота передается охлаждающей воде, температура которой повышается при этом с 60°С до 80°С. Нагретая вода используется затем в потребителе теплоты.
Достаточно подробно работа таких систем рассмотрена в [23]. Тепловые насосы создают, как правило, на базе существующих парокомпрессионных холодильных машин. В качестве рабочих тел используют хладоныК12,Я 21,R 22.RI42 и др. Перспективным считается использование неазеотропных смесей R I2/RII4;R 22/RII4; R22/RI42. Перевод холодильной машины в режим теплового насоса возможен повышением давления за компрессорами. Это достигается соответствующей регулировкой выхлопных клапанов компрессора. Кроме того, увеличивают поверхность теплообмена конденсатора. Это вызвано уменьшением температурного напора в конденсаторе по сравнению с режимом холодильного цикла.
В [21] приведены технические характеристики теплонасосных агрегатов, созданных в результате модернизации бромисто-литиевой холодильной машины АБХА-2500 (табл.3.4).
Таблица 3.4.
Основные показатели теплонасосных установок типа АЕХА
Рис.3.6. Схема использования ниакопотенциаяьной теплоты оборотной вода для теплоснабжения объекта с тепловым насосом
I - охлаждаемый объект; 2 - потребитель теплоты; ТН - тепловой насос (основные элементы ТН: И - испаритель; К - компрессов; Кр - конденсатор; Д - дроссель)
Вам также может быть полезна лекция "10. Жизненный цикл системы".
Окончание табл.3.4
Установка типа АБХА-2500 XT обеспечивает комбинированное получение холода и теплоты. АБХА-2500 ТН работает только в режиме Ш. 3.3. Резервы теплоснабжения на основе низкопотенциальной теплоты охлаждающей воды
Чтобы оценить резервы низкопотенциальной теплоты охлаждающей воды, используемой в промышленности, примем среднюю разность температур воды до и после охладителял£= 10°0, время работы охладителей 8500 ч. Тогда тепловая мощность, которая может быть извлечена от охлаждающей воды, исходя из объема ее потребления за 1980, составит 0,18 шш.МВт.
При коэффициенте трансформацииV= 3...4 суммарная тепловая ся мощность теплонасосных установок теплоснабжения может составить &■? от 0,24 до 0,27 млн.МВт.
Практика использования вторичных энергоресурсов в отечественной промышленности: показала, что в силу различных причин удается освоить не более 35% учтенных резервов. Если принять этот показатель за основу для оценки возможностей вовлечения в тепловой ?о баланс предприятий теплоты оборотной воды, то получим мощность установок теплоснабжения на уровне 84-95 тыс. МВт. В случае освоения этих мощностей тешгонасосные установки могут обеспечить до 35% теплоты, потребляемой в народном хозяйстве страны.
